使用半导体开关的电气保护的制作方法

使用半导体开关的电气保护的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于保护电路（110)以防过电流的方法和设备（100)。根据本发明的设备(100)使用半导体开关（105)的可变阻抗特性，并且该设备（100)包括用于根据待校正的过电流来控制开关（105)的阻抗的闭环控制装置。本发明的目的是减少与防止过电流有关的电路的物理设计压力。
【专利说明】使用半导体开关的电气保护

【技术领域】
[0001] 本发明涉及在飞行器中实施的保护飞行器的电路以防过电流的方法的领域。本 发明还涉及一种用于保护电路以防过电流的设备，所述电路包括由飞行器的电源供电的负 载。

【背景技术】
[0002] 过电流是大于与负载相关联的标称电流的电流。以供参考，负载的标称电流是在 理想操作条件下在负载中流通的电流。过电流可以由负载的电源生成，特别是在短路的情 况下。
[0003] 贯穿本文，术语"负载"将指代电负载。
[0004] 从现有技术中已知在飞行器中实施的用于保护电路以防过电流的各种设备。这些 设备包括可以呈现闭合状态和断开状态的机电式开关。当检测到过电流时，断开开关。在 过电流的开始与当电路通过机电式开关的断开而断开的时刻之间间隔数毫秒。在这数毫秒 期间，电路经受非常高的电流。因此，电路必须被额定成能够耐受这些高电流达数毫秒。在 瞬态模式下（在数毫秒内），这些高电流可以最高达电源的短路电流的值。
[0005] 特别地，在飞行器的电源与负载之间的电链路必须耐受这些高电流达数毫秒。为 此，使用被额定成使得其耐受这样的电流的电力电缆来制造这些电链路。因此，电力电缆具 有非常大的横截面面积，这使得电力电缆特别地笨重且体积大。
[0006] 所述电力电缆的笨重且体积大的性质违背在飞行器上所观察到的约束，在所述约 束中，与之相反，目标在于使这两个参数最小。
[0007] 飞行器中的新一代电源表现出特别高的电力电平。因而，可能发生几百安培甚至 几千安培的过电流达数毫秒。在例如短路的情况下将会发生这种情况。因此电力电缆必须 耐受这些过电流。从而，这些特定的电力电缆具有变得越来越大的横截面面积，并因此具有 变得越来越大的重量和体积。
[0008] 本发明的一个目的是提出一种在飞行器中实施的用于管理过电流的方法，该方法 使得可以减小在其中实施了该方法的电路的重量和体积。
[0009] 本发明的另一目的是提出一种意在安装在飞行器中、包括用于管理过电流的设备 的电路，所述用于管理过电流的设备使得可以减小电路的重量和体积。


【发明内容】

[0010] 利用一种在飞行器中实施的用于保护电路以防过电流的方法来实现该目的，所述 电路包括负载、电源以及将负载与电源连接的电链路，所述电源向负载供电并且包括飞行 器的至少一个发电机，该方法包括测量在电链路上流通的电流的步骤。
[0011] 根据本发明，该方法包括以下步骤：
[0012] 将所测电流与参考电流进行比较；
[0013] 当所测电流大于参考电流时，触发对串联地安装在电链路上的半导体开关的阻抗 的闭环控制，以将所测电流调节至参考电流的值，只要所测电流没有回落到参考电流以下 就提供闭环控制；
[0014] 测量在其间执行闭环控制的时间，所述时间被称为调节时间；以及
[0015] 当调节时间大于预定时间时断开开关。
[0016] 然而，在现有技术中，其构思是将所有电路额定成使得其能够耐受过电流，本发明 所基于的构思为对这些过电流进行限制。
[0017] 所提出的方案包括：用半导体开关来替代在飞行器中常规地用作断路器的机电式 开关。半导体开关提供两个显著的优点：
[0018] 半导体开关提供典型地数微秒量级的极短响应时间；以及
[0019] 半导体开关提供所谓的线性模式或状态，在该线性模式或状态下，半导体开关表 现出可变阻抗特性。从而，当电流超过预定电流阈值一被称为参考电流一时，可以通过 闭环控制来调节电流。
[0020] 通过对电流的调节，防止电流成为大于参考电流的过高值。
[0021] 另外，由于半导体开关的响应时间非常短，所以还可以基本上限制在其间电路必 须耐受高电流的时间。
[0022] 通过根据本发明的方法，可以放宽对包括电源、负载以及在电源与负载之间的电 链路的电路的约束。特别地，可以减小将电源与负载连接的电力电缆的横截面面积。从而， 使飞行器中的所有电气装置的重量和体积减小。
[0023] 过电流是由电路的电源产生的。由于电流被调节成使得其不超过参考电流，所以 电路的其余部分不需要与电源的能力相匹配。无论什么电源，电路被保护的条件均是：电 路耐受与参考电流与标称电流之差对应的过电流。因此本发明的另外的优点是提出一种用 于防止过电流的方法，该方法使得与用于电路的其余部分耐受高电流的设施相对应的约束 可以独立于所使用的电源。从而使一个电路的不同元件与同一电路之间的兼容性的约束降 低。
[0024] 该方法还提出：如果闭环控制持续时间过长，则断开开关，以避免由于使开关过长 时间经受过电流而损坏开关。
[0025] 根据本发明的方法可以在配电箱中实施，该配电箱将至少通过飞行器的发电机提 供的电力分配给飞行器的负载。
[0026] 有利地，实施该方法以减小飞行器中的电力电缆的重量和体积。
[0027] 闭环控制可以包括以下步骤：
[0028] 计算所测电流与参考电流之差；
[0029] 生成调节信号，并且根据所测电流与参考电流之差来调节调节信号的幅度；
[0030] 根据调节信号的幅度来修改开关的阻抗。
[0031] 开关可以在其端子处表现出线性依赖于调节信号的幅度的阻抗。
[0032] 有利地，电流测量包括生成表示所测电流的测量信号，并且测量信号被进行低通 滤波。
[0033] 优选地，电流测量包括生成表示所测电流的测量信号，并且测量信号被放大。
[0034] 预定时间可以在10毫秒与1秒之间。
[0035] 参考电流优选地在所谓的标称电流的一倍与两倍之间，该标称电流对应于在没有 过电流的情况下在电链路上流通的电流。
[0036] 本发明还涉及一种飞行器的电路，其包括：
[0037] 负载，
[0038] 电源，该电源向负载供电并且包括飞行器的至少一个发电机，以及
[0039] 将负载与电源连接的电链路。
[0040] 根据本发明，该电路还包括一种用于保护电路以防过电流的设备，该设备包括：
[0041] 用于测量沿着电链路行进的电流的装置；
[0042] 半导体开关，该半导体开关串联地安装在电链路上；
[0043] 比较器，该比较器用于将所测电流与参考电流进行比较；
[0044] 闭环控制装置，该闭环控制装置用于控制开关的阻抗，适于将所测电流调节至参 考电流的值；
[0045] 时间测量装置，该时间测量装置用于测量在其间将所测电流调节至参考电流的值 的时间；
[0046] 时间比较器，该时间比较器用于将所测时间与预定时间进行比较，并且当所测时 间大于预定时间时控制将开关断开。
[0047] 闭环控制装置可以被连接至比较器，并且适于生成调节信号以及适于根据所测电 流与参考电流之差来调节调节信号的幅度，闭环控制装置被连接至开关使得调节信号控制 在开关的端子处的阻抗。
[0048] 开关有利地为绝缘栅场效应晶体管（M0SFET)、绝缘栅双极型晶体管（IGBT)或结 型场效应晶体管（JFET)。
[0049] 最后，本发明涉及一种飞行器，其包括：
[0050] 至少一个发电机，
[0051] 待被供电的负载，以及
[0052] 配电箱，所述配电箱在输入处被连接至至少一个发电机而在输出处被连接至所述 负载，并且该配电箱被布置成将由所述至少一个发电机提供的电力分配给所述负载。
[0053] 根据本发明，配电箱包括至少一个根据本发明的保护设备。

【专利附图】

【附图说明】
[0054] 通过参照附图阅读对仅作为一种表示并且以非限制性方式给出的示例性实施方 式的描述，本发明将会被更好地理解，在附图中：
[0055] 图1示意性地示出了根据本发明的一个实施方式的电路，该电路包括根据本发明 的保护设备并且使得可以实施根据本发明的方法；
[0056] 图2示出了可以用于图1所示的电路中的半导体开关的特性曲线；
[0057] 图3示意性地示出了作为控制信号的函数的在半导体开关的端子处的阻抗；
[0058] 图4A示出了在其中实施了图1所示的方法的电路中流通的电流的第一示例；
[0059] 图4B示出了在其中实施了图1所示的方法的电路中流通的电流的第二示例；
[0060] 图5示出了在实施了根据本发明的方法的情况下的电流、在未实施根据本发明的 方法的情况下的电流、以及电力电缆的电流耐受强度的曲线；
[0061] 图6A示出了当负载被启动时在未实施根据本发明的方法的电路中流通的电流的 示例；
[0062] 图6B示出了当负载被启动时在实施了图1所示的方法的电路中流通的电流的示 例；
[0063] 图7示出了包括根据本发明的设备的用于飞行器的配电箱；以及
[0064] 图8示出了包括图7所示的配电箱的飞行器。

【具体实施方式】
[0065] 首先将参照图1来描述根据本发明的实施方式的保护设备100。根据本发明的设 备的图示还将使得可以示出根据本发明的方法。
[0066] 保护设备100被置于串联在电源102与负载103之间的电链路101上，电源102 包括电压源，负载103为例如电气设备项。
[0067] 包括电链路101、电压源102、负载103以及保护设备100的组件形成根据本发明 的电路110。
[0068] 设备100保护电路以防沿着链路朝向负载103行进的过电流。特别地，设备100 保护负载103和电链路101。
[0069] 电源102可以包括飞行器的电池和/或飞行器的发电机。"飞行器的发电机"将被 用于描述包括以下中的至少一个兀件的发电机：
[0070] 在容纳发动机的机舱中的一个或更多个发电机，这些发电机由发动机驱动，
[0071] 在飞行器的机身的后锥部中的发电机，该发电机由辅助动力单元（APU)驱动，
[0072] 在飞行器的机翼中的备用发电机，或者RAT "冲压空气涡轮机"。
[0073] 负载103是飞行器的电气设备项，其需要由至少1A或甚至至少3A例如3A或5A 的电流来供电。重要的是，要注意：本发明的领域是通常大于1A的高电流的领域，而不是电 子设备中所使用的低电流的领域。
[0074] 电流测量装置104被串联地或并联地安装在电链路101上。电流测量装置104可 以包括：
[0075] 霍尔效应电流传感器，其提供与通过电流产生的磁场成比例的电压；
[0076] 分流传感器，其提供依赖于通过低值电阻器的电流的电压；
[0077] 热安培计，其使用在电流通过其时由于焦耳效应而变热的抗线（resisting wire)；
[0078] 用于测量电流的任何其他合适的装置。
[0079] 电流测量装置104被布置成测量在电链路101上流通的电流。电流测量装置104 产生表示所测电流的测量信号v_。
[0080] 比较器106接收该测量信号Vmes和参考信号VMf作为输入。参考信号V Mf代表称 为参考电流IMf的电流阈值。该阈值大于与负载103相关联的标称电流。
[0081] 比较器106被布置成计算测量信号Vmes与参考信号VMf之差。V mes代表所测电流 1_。VMf代表参考电流IMf。因此，间接地计算所测电流与参考电流I Mf之差。
[0082] 比较器106使得可以检测何时阈值被超过，换言之，何时所测电流Imes大于参考电 L I ref °
[0083] 比较器106的输出被连接至闭环控制装置107。当所测电流大于参考电流IMf 时执行闭环控制。
[0084] 闭环控制装置107控制半导体开关105的阻抗。该半导体开关105被串联地安装 在电流测量装置104与负载103之间的电链路101上。
[0085] 开关105的阻抗抗拒电流通过链路101。
[0086] 闭环控制装置使得可以将所测电流调节至参考电流IMf的值。
[0087] 特别地，闭环控制装置107被布置成生成调节信号Vieg，该调节信号V ieg控制开关 105的阻抗。开关105的阻抗依赖于调节信号Vieg的幅度。因此，闭环控制装置107根据每 个时刻所测电流与参考电流IMf之差来调节调节信号的幅度。如果所测电流开始 增大，则开关105的阻抗增大。如果所测电流开始减小，则开关105的阻抗减小。
[0088] 因此，闭环控制装置在每个时刻与比较器106合作。
[0089] 还可以规定比较器106被连接至闭环控制装置107只是为了激活电流调节，则闭 环控制装置107包括被布置成计算所测电流与参考电流I Mf之差的特定减法器装置。 在该情况下，可以认为闭环控制装置包括：
[0090] 减法器，其用于计算所测电流与参考电流IMf之差；
[0091] 调节装置，其用于生成调节信号VMg并且根据所测电流与参考电流IMf之差来 调节调节信号的幅度，该调节装置被连接至开关使得调节信号V Mg控制开关的阻抗。
[0092] 只要所测电流没有回落到小于或等于参考电流IMf，就提供闭环控制。对由闭 环控制的响应时间引起的任何振荡不作考虑。
[0093] 例如，在短路的情况下，发生过电流，该过电流然后趋于降低直到电流返回到其标 称值为止。因此，闭环控制装置首先对开关105施加高阻抗，然后使其逐渐降低直到其为零 为止。当开关105的阻抗为零时，即所测电流不大于参考电流I Mf时，就不再执行闭环 控制。在实践中，开关的阻抗可能不完全为零。因此，当开关105的阻抗在其最小值处时， 可以认为开关105的阻抗为零。
[0094] 根据闭环控制的示例性实施方式，开关的阻抗Z(t)被控制为如下：
[0095]

【权利要求】
1. 一种在飞行器（80)中实施的用于保护所述飞行器的电路以防过电流的方法，所述 电路包括负载（103)、电源（102)以及将所述负载与所述电源连接的电链路（101)，所述电 源向所述负载供电并且包括所述飞行器的至少一个发电机，所述方法包括测量在所述电链 路（101)上流通的电流的步骤，其特征在于以下步骤： 将所测电流（ImJ与参考电流（IMf)进行比较； 当所测电流（1_)大于所述参考电流（IMf)时，触发对串联地安装在所述电链路（101) 上的半导体开关（105)的阻抗的闭环控制，以将所测电流（ImJ调节至所述参考电流（IMf) 的值，只要所测电流（I mJ没有回落到所述参考电流（IMf)以下就应用所述闭环控制； 测量在其间执行所述闭环控制的时间，所述时间被称为调节时间；以及 当所述调节时间大于预定时间（〇时断开所述开关（105)。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在配电箱（70)中实施所述方法，所述配电 箱（70)将至少通过所述飞行器的发电机（102^102^1020提供的电力分配给所述飞行器 的负载（103^103}
3. 根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述闭环控制包括以下步骤： 计算所测电流（ImJ与所述参考电流（IMf)之差； 生成调节信号（VMg)，并且根据所测电流（1_)与所述参考电流（IMf)之差来调节所述 调节信号的幅度；以及 根据所述调节信号（VMg)的幅度来修改所述开关的阻抗。
4. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述开关（105)在其端子处表现出线性依 赖于所述调节信号的幅度的阻抗。
5. 根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述电流测量包括生成表示 所测电流（1_)的测量信号（U，以及所述测量信号（V mJ被进行低通滤波。
6. 根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，所述电流测量包括生成表示 所测电流（1_)的测量信号（V_)，以及所述测量信号（V mJ被放大。
7. 根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，所述预定时间（〇在10 毫秒与1秒之间。
8. 根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，所述参考电流（IMf)在所谓 的标称电流（1_)的一倍与两倍之间，所述标称电流（1_)对应于在没有过电流的情况下 在所述电链路（101)上流通的电流。
9. 一种飞行器电路（110)，包括： 负载（103)， 电源（102)，所述电源向所述负载供电并且包括所述飞行器的至少一个发电机，以及 将所述负载与所述电源连接的电链路（101)， 其特征在于，所述飞行器电路（110)还包括用于保护电路以防过电流的设备（100)，所 述设备（100)包括： 用于测量沿着所述电链路行进的电流的装置（104); 半导体开关（105)，所述半导体开关被串联地安装在所述电链路（101)上； 比较器（106)，所述比较器用于将所测电流（1_)与参考电流（IMf)进行比较； 闭环控制装置（107)，所述闭环控制装置用于控制所述开关（105)的阻抗，适于将所测 电流（Imes)调节至所述参考电流（IMf)的值； 时间测量装置（108)，所述时间测量装置用于测量在其间将所测电流（ImJ调节至所 述参考电流（IMf)的值的时间；以及 时间比较器（109)，所述时间比较器用于将所测时间与预定时间（TMf)进行比较并且 当所测时间大于所述预定时间时控制将所述开关（105)断开。
10. 根据权利要求9所述的飞行器电路（110)，其特征在于，所述闭环控制装置（107) 被连接至所述比较器（106)，并且所述闭环控制装置适于生成调节信号（VMg)以及根据所 测电流（IJ与所述参考电流（I Mf)之差来调节所述调节信号的幅度，所述闭环控制 装置被连接至所述开关（105)使得所述调节信号（Vre g)控制在所述开关（105)的端子处 的阻抗。
11. 根据权利要求9或10所述的飞行器电路（110)，其特征在于，所述开关（105)为绝 缘栅场效应晶体管（MOSFET)、绝缘栅双极型晶体管（IGBT)或结型场效应晶体管（JFET)。
12. -种飞行器（80)，包括： 至少一个发电机（102^102^1023)， 待被供电的负载（103^1030，以及 配电箱（70)，所述配电箱（70)在输入处被连接至至少一个发电机（102^102^1020而 在输出处被连接至所述负载（103^10?)，并且所述配电箱（70)被布置成将由所述至少一 个发电机提供的电力分配给所述负载， 其特征在于，所述配电箱（70)包括至少一个根据权利要求9至11中任一项所述的保 护设备（1〇〇)。
【文档编号】H02H9/02GK104218554SQ201410228954
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年5月27日 优先权日:2013年5月31日
【发明者】克里斯蒂安·多纳迪耶 申请人:空中客车运营简化股份公司