用于操作电路的方法与流程

背景技术：

电路可被配置成具有用于控制电操作的开关，所述电操作例如启用或禁用电力负载。例如，可控制开关以转换其中开关“闭合”且电流从开关输入传输到开关输出的第一操作模式与其中开关“断开”且防止电流在开关输入与开关输出之间进行传输的第二操作模式。

在切换操作期间，例如从闭合状态切换到断开状态期间，电流中断可产生瞬态电特性(即，超过正常操作电平的突然高电压和高电流尖峰)。通常，瞬态抑制装置可被配置成吸收瞬态电特性，以便保护电路不因瞬态特性而遭受可能的损坏。

技术实现要素：

一方面，用于操作电路的方法包括：通过固态电力控制器从控制器接收控制信号；以及响应于接收所述控制信号，至少部分地基于所述控制信号而在指定切换时间内在第一传导模式和第二非传导模式之间转换固态电力控制器开关。第一模式与第二模式之间的转换在大于指定切换时间的时间段内发生。

另一方面，用于操作电路的方法包括：将控制信号从控制器提供到在指定切换时间期间在第一传导模式与第二非传导模式之间切换的固态电力控制器触发器；以及至少部分地基于所述控制信号而转换固态电力控制器触发器以在第一模式与第二模式之间进行切换。第一模式与第二模式之间的转换在大于指定切换时间的时间段内发生。

另一方面，用于操作电路的控制系统包括：固态电力控制器，其具有被配置成在第一传导模式和第二非传导模式中进行操作的开关且将电源耦合到电力负载；以及控制器，其包括被配置成确定固态电力控制器的温度的温度组件、被配置成确定固态电力控制器的操作准则集合的准则组件，以及被配置成至少部分地基于所述温度组件和准则组件而确定用于转换固态电力控制器的开关的定时值的定时组件。

附图说明

在附图中：

图1是配电系统的示意性电路图。

图2是示出操作配电系统的方法的响应的一系列曲线图。

图3是示出操作配电系统的方法的流程图。

图4是根据本发明的第二实施例的配电系统的控制器。

具体实施方式

所描述的本发明的实施例是针对可例如在飞行器中使用的电路，例如配电系统。尽管本说明书主要针对飞行器的配电系统，但是它还适用于使用具有可切换传导系统的电路的任何环境，所述可切换传导系统用于将电信号从源输送到目的地。

图1说明例如飞行器中的示范性配电系统10的电路的示范性示意性电路图，所述电路包括说明为发电机12的电源、例如固态开关或固态电力控制器(sspc)14的电开关、以及电力负载16。发电机12与sspc14借助于上游电互连件进行电耦合，所述上游电互连件例如第一传输线18，且具有固有电特性，例如，第一电感20和第一电阻22。sspc14与电力负载16同样地借助于下游电互连件进行电耦合，所述下游电互连件例如第二传输线24，且同样具有固有电特性，例如，第二电感26和第二电阻28。尽管描述了传输线18、24，但是可利用任何合适的导电互连件来耦合发电机12、sspc14与电力负载16。合适的导电互连件的非限制性实例可包括电缆、电缆接头或汇流条。

sspc14的一个实例可包括基于碳化硅(sic)或氮化镓(gan)的宽带隙电力开关。sic或gan可基于它们的固态材料构造、它们以较小且较轻外观因素处理较大电力电平的能力以及它们极快速地执行电操作的高速切换能力而被选择。sspc14的另一实例可包括其它基于硅的电力开关，例如同样能够进行高速切换的金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)。

sspc14可包括切换组件30、横跨切换组件30进行配置的瞬态抑制装置，以及控制器34。瞬态抑制装置可包括(但不限于)瞬态电压抑制器(tvs)32、吸收体(transorb)或金属氧化物压敏电阻(mov)装置。切换组件30可包括能够进行可控操作或能够响应于控制信号而在第一传导模式与第二非传导模式之间进行可控改变的几乎任何组件。在所说明的实例中，切换组件30进一步包括压控电流源(vccs)36，其可响应于由控制器34产生的控制信号38而进行控制。尽管所示实例将控制器34说明为sspc14的子组件，但是本发明的实施例可包括其中控制器34在sspc14外部，并且可将控制信号38提供到sspc14、可切换组件30或vccs36中的至少一个的实例。

sspc14可包括温度传感器40，其感测、测量或以其它方式确定与切换组件30或tvs32中的至少一个相关联的温度值。例如，温度值可包括切换组件30或tvs32的实际温度。另外地或可替代地，温度值可包括指示sspc14或控制器34的温度或与sspc14或控制器34的温度有关的值。温度传感器40可以通信方式与控制器34耦合。温度传感器40可传输、指示或以其它方式向另一组件(例如，控制器34)提供温度值(例如，如相应的电流或电压特性)，并且控制器34对所述特性执行处理以确定例如温度或温度值的改变。另外地或可替代地，温度传感器40可与控制器34集成。本文中参考图4描述确定温度值的非限制性实例。

图1进一步说明将在后续图中进行说明的配电系统10的若干个电特性。所说明的电特性包括通过tvs的电流42、通过vccs的电流44、横跨tvs和vccs的电压降48。

vccs36可例如基于控制信号38而操作、改变或以其它方式控制开关，以使得vccs36以基本上二元方式操作，其中第一传导模式允许电流通过sspc14或vccs36不受抑制地传导，并且其中第二非传导模式防止电流通过sspc14或vccs36传导。在此例子中，vccs36可在极短的指定切换时间内在第一模式与第二模式之间切换。指定切换时间可例如基于装置的最小切换时间。举例来说，最小切换时间可为约10纳秒。

作为额外实例，vccs36可进一步基于控制信号38而操作、改变或以其它方式控制开关，以使得vccs36以可控定制方式操作。举例来说，第一传导模式可允许在一时间段内在不同传导模式中改变电流传导电平。不同的传导模式可包括线性传导模式以使得通过sspc14或vccs36的电流传导电平可与控制信号38成比例。另外地或可替代地，不同的传导模式包括预定传导方案。举例来说，预定传导方案可包括非线性传导模式、例如步降传导模式的步进传导模式，或方案的任何组合。在本实例中，从第一传导模式切换到第二非传导模式可以可控地降低在一时间段内通过sspc14或vccs36的电流传导，所述时间段长于先前描述的指定切换时间(例如，10微秒)。另外，从第二模式切换到第一模式可基于控制信号38，或基于预定传导方案。额外的不同传导模式可包括例如上升或下降几何传导模式。

控制器34的实例可进一步包括通用或专用计算机或具有处理器的其它机器。一般来说，此类计算机程序可包括例程、程序、对象、组件、数据结构、算法等，它们具有执行特定任务或实施特定抽象数据类型的技术效果。机器可执行指令、相关联数据结构和程序表示如本文所公开的用于执行信息交换的程序代码的实例。机器可执行指令可包括例如使通用计算机、专用计算机或专用处理机器执行某一功能或功能组的指令和数据。本发明的实施例可包括其中传导算法、型式或可控模式可存储在控制器34的存储器或控制器34可存取的外部存储器中的实例。存储器的实例可包括随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、快闪存储器或一个或多个不同类型的便携式电子存储器(例如磁盘、dvd、cd-rom等)，或这些类型的存储器的任何合适组合。存储器可包括具有用于确定传导算法、型式或可控模式的可执行指令集的计算机程序的全部或一部分。

在飞行器实施例中，例如，运行中的燃气涡轮发动机可提供机械能，所述机械能可经由线轴提取以为发电机12提供动力。发电机12又向sspc14提供所产生的电力，当切换组件30闭合(即，处于第一传导模式中)时，所述sspc14经由相应的传输线18、24将电力输送到电力负载16。配电系统10可进一步通过将控制信号38从控制器34提供到sspc14、切换组件30或vccs36中的至少一个来操作开关或将开关从第一传导模式改变为第二非传导模式，所述控制信号38指示停止将电力从发电机12输送到电力负载16。响应于控制信号38，切换组件30可控地从第一传导模式转换到第二非传导模式，直到电力输送已停止为止。

当切换组件30例如在上述的指定切换时间实例中几乎瞬时断开(即，切换到第二非传导模式)时，配电系统10中的电流中断由于固有电特性(例如，相应的第一传输线18和第二传输线22的第一和第二电感20、26)而引起sspc14处配电系统10中的瞬态电特性(即，超过正常操作电平的突然高电压和高电流尖峰)。在一些电力系统或飞行器配电系统10中，传输线18、22的长度可达数英里，这产生显著电感20、26，并因此在极短时间段(例如，指定切换时间)内在几乎瞬时切换期间在sspc14处产生显著电瞬态。此外，某些配电系统10在高电压电平(例如，270vdc)下或在高电流电平(例如，100安培)下操作，这进一步加剧了电瞬态的高电平。例如，存储在第一和第二传输线18、24中的能量可为约数十焦耳，这在本发明的实施例中将产生较大的瞬态电特性。

在其中切换组件30例如在上述的指定切换时间实例中几乎瞬时断开的实施例中，瞬态电特性主要横跨tvs32进行吸收和耗散，以便不损坏sspc14或切换组件30。瞬态电特性通常作为热横跨tvs32进行耗散，所述热可进一步从tvs32耗散到例如散热器，或经由到外部环境的对流进行耗散。因此，在一个实例中，此配置和操作需要配置较大、较强大或较有能力的tvs32以处理大于600kw的电力瞬态和大于500安培的电流瞬态。尽管描述一个实例电瞬态，但是还可包括较高和较低的电压或电流瞬态，并且它们可取决于电路的电特性。

替代地，在其中切换组件30在慢于指定切换时间的时间段内可控地断开(即，切换到第二非传导模式)的本发明的实施例中，瞬态电特性降低，这是由于：第一，停止切换组件30的电流传导的时间量延长，且因此降低在所述时间段期间的任何给定时刻处所经历的瞬时瞬态；以及第二，在tvs32和切换组件30或sspc14两者上所经历的瞬态被吸收。在本实例中，瞬态通常作为热横跨tvs32和切换组件30或sspc14两者进行耗散，所述热可进一步从组件32、30、14耗散到例如散热器，或经由到外部环境的对流进行耗散。在类似于上文所解释的实例中，通过吸收在tvs32和切换组件30或sspc14两者上所经历的瞬态，tvs32可被配置成较小、较不强大或较不具有能力，以处理小于350kw的较小电力瞬态和小于350安培的电流瞬态。

图2说明示出了在上文解释的第一和第二实例两者的操作的数个时间对准的电响应曲线图。在图2中，第一曲线图50说明通过vccs的电流44(表示为i_sw，如以安培为单位所测量)，第二曲线图52说明通过tvs的电流42(表示为i_tvs，如以安培为单位所测量)，第三曲线图54说明在vccs36中耗散的电力(表示为p_vccs，如以kw为单位所测量)，第四曲线图70说明在tvs中的电力耗散(表示为p_tvs，如以kw为单位所测量)，第五曲线图72说明sspc14或切换组件30的对应的温度分布74(表示为t_sspc，如以摄氏度为单位所测量)，且第六曲线图76说明由在所述方法期间施加到tvs32的电应力产生的如横跨切换组件30所测量的钳位电压(表示为v_sw，如以kv为单位所测量)。上文的其中切换组件30例如在指定切换时间中几乎瞬时断开的第一实例已经说明为第一信号56，而上文的其中切换组件30在慢于指定切换时间的时间段内可控地断开的第二实例已经说明为第二信号58。

如所说明，在方法60的开始处，切换组件30闭合，且切换组件30将超过600安培从发电机12传导到电力负载16。在第二时间62，控制器34将控制信号38提供到sspc14，所述控制信号38指示停止将电力从发电机12输送到电力负载16，并且vccs36通过从第一传导模式切换到第二非传导模式进行响应。

如第一曲线图50的第一信号56中所示，vccs电流44几乎瞬时停止64，而第二曲线图52的第一信号56示出了与第二时间62对应的tvs电流42中的瞬态电特性或尖峰，所述瞬态电特性或尖峰随着时间推移而耗散。第三曲线图54的第一信号56示出了尽管存在与第二时间62对应的vccs36电力中的临时瞬态，但是当vccs36断开时，所述瞬态被快速去除，且因此vccs36不进行传导。

比较第一信号56响应的实例与第二信号58响应的实例。在第二时间62，vccs36进行可控操作以在慢于指定切换时间的时间段66内从第一传导模式改变为第二非传导模式，直到电力输送停止为止。如第一曲线图50的第二信号58中所示，vccs电流44在所述时间段66内以线性方式降低。如上文所解释，尽管说明了以线性方式降低的传导模式，但是额外的不同传导模式可包括在本发明的实施例中。

尽管vccs电流44在所述时间段内降低，但是如第三曲线图54中所示，vccs36电力首先响应于系统10中的较小电瞬态而上升，接着一直降低到切换组件30在非传导模式中完全断开为止。在这一相同时间段期间，如第二曲线图52中所示，tvs电流42在所述时间段66内上升，因为vccs电流44的量减少。在这一时间段66期间，vccs36和tvs32两者都在吸收和耗散由配电系统10的不断改变的电力传输所导致的电瞬态。在时间段66结束时，所有其余的电瞬态特性仅通过tvs32进行吸收和耗散，如第二曲线图52示出了在瞬态已经消退的时间68之前一直耗散的tvs电流42。

如第四曲线图70的第一信号56中所示，tvs电力耗散示出了与第二时间62对应的在切换组件30从第一传导状态切换到第二非传导状态时的tvs电力中的瞬态，其中瞬态电特性的绝大多数由tvs32吸收，并作为热随着时间推移而耗散。相反地，如第二信号58中所示，如第四曲线图70中所示，tvs电力耗散在所述时间段66内上升，因为vccs36中所耗散的电力量在同一时段66期间减少(如对应的第三曲线图54中所示)。在时间段66结束时，所有其余的瞬态电特性仅通过tvs32进行吸收和耗散，如第四曲线图70示出了tvs电力耗散42在瞬态已经消退的时间68之前一直降低。

第五曲线图72说明在第二操作的实例期间的sspc14的一个实例温度分布74，其中切换组件30在慢于指定切换时间的时间段内可控地断开。如通过第二信号58所说明，sspc14中的温度增加对应于第二时间62，因为瞬态电特性的一部分由sspc14吸收，且主要作为热被耗散。在时间段66的一部分之后，瞬态电特性最小化，且sspc14的温度开始降低，因为例如，热进一步借助于散热器、到外部环境的对流或其它耗散方法而远离sspc14进行耗散。

第六曲线图76说明由在所述方法期间施加到tvs32的电应力产生的如横跨切换组件30所测量的钳位电压的一个实例。如第一信号56中所示，由于几乎瞬时切换瞬态特性，横跨tvs32施加高电平电应力(以kv为单位示出)。相反地，如第二信号58中所示，通过在较长时间段内施加应力，根据本发明的实施例，tvs32经受降低的应力，且因此在切换操作期间出现较小峰值钳位电压。较小峰值钳位电压可进一步最小化在tvs32线路中的任何寄生电感效应。

本发明的实施例可包括sspc14、tvs32的配置或不同传导模式(mode)、型式(pattern)或方案(schema)，其中可选择所述配置以使得在时间段66期间或在从传导模式反复切换到非传导模式期间，sspc14的预期、估计或实际温度分布不会满足或超过前述组件14、32中的一个或多个的热故障阈值。例如，将电力从发电机12可控地输送到电力负载16或中断从发电机12到电力负载16的电力的方法可进一步包括至少部分地基于由sspc14或tvs32中的至少一个中的热耗散产生的估计热量和sspc14或tvs32中的至少一个对热耗散的估计速率或实际速率而定制或计算不同的传导模式、型式、算法或时间段66。在本实例中，温度传感器40可提供测量值、估计值或指示到sspc14或tvs32中或远离sspc14或tvs32的热耗散的信号。在此类实施例中，控制器34可将控制信号38可控地提供到sspc14或切换组件30中的至少一个，所述控制信号38指示计算或估计时间段66。

图3表明用于操作电路的非限制性实例方法100，所述电路用于将电力从例如发电机12的电源可控地输送到电力负载16。方法100开始于提供步骤110，其中控制器34将控制信号38提供到sspc14或切换组件30中的至少一个。然后是控制步骤120，其中控制器34至少部分地基于控制信号38而可操作地控制sspc14或切换组件30中的至少一个以从第一传导模式转换到第二非传导模式。在一个非限制性实例中，控制器34可进一步操作以至少部分地基于进一步确定由从第一模式到第二模式的转换引起的热耗散，例如确定由施加到sspc14、切换组件30或tvs32中的至少一个的瞬态电特性引起的热耗散，而控制sspc14或切换组件30。

在本发明的另一非限制性实例实施例中，控制器34可进一步操作以至少部分地基于对热耗散的确定，通过确定用于从第一模式转换到第二模式的时间段来控制sspc14或切换组件30。另外，对时间段的确定可至少部分地基于防止sspc14、切换组件30或tvs32满足每一相应组件的热故障阈值(即，过热)，如上文所解释。对时间段的确定还可至少部分地基于施加到tvs32的所要钳位电压，同样在上文解释。最后，在转换步骤130中，sspc14或切换组件30根据控制信号38而在所述时间段内从第一传导模式转换到第二非传导模式。

所描绘的顺序仅用于说明性目的，而并不意欲以任何方式限制方法100，应当理解，在不偏离所描述的方法的情况下，方法的各部分可以不同逻辑次序继续进行，可包括额外或中间部分，或所描述的方法的部分可划分成多个部分，或所描述的方法的部分可省略。

图4说明根据本发明的第二实施例的替代控制器234。第二实施例类似于第一实施例；因此，相似部分将用相似的编号加200来标识，同时应理解，除非另外指出，否则对第一实施例的相似部分的描述适用于第二实施例。第一实施例与第二实施例的不同之处在于控制器234可进一步包括温度组件276、准则组件278和定时组件280。温度组件276可被配置成确定或估计sspc14、切换组件30或tvs32的温度。在本发明的一个实施例中，温度组件276可包括(但不限于)用于感测或测量横跨sspc14、切换组件30或tvs32的电流或电压的温度传感器、预定温度模型、估计温度模型，或上述实例的任何组合。

准则组件278可确定或获取sspc14、切换组件30或tvs32的操作准则集合。sspc14、切换组件30或tvs32的实例操作准则可包括(但不限于)切换组件30的类型、相应组件14、30、32的额定功率、热故障阈值、tvs32的所要钳位电压、相应组件14、3032的热耗散速率，或相应组件14、30、32的产热速率。在一个实例中，准则组件278可从值的数据库或表中获取相应操作准则。

定时组件280可被配置成确定用于将sspc14或切换组件30从第一传导模式转换到第二传导模式的时间段，并且可使所述确定至少部分地基于温度组件276或准则组件278中的至少一个。例如，定时组件280可至少基于温度或准则集合而产生时间段、定时设定点或定时值，如上文所描述。在一个例子中，定时组件280可利用如通过温度组件276所确定的tvs32的温度、当暴露于经估计电瞬态特性时的tvs32中的预期产热速率以及tvs32的预期热耗散速率以产生防止tvs32达到或超过tvs32的热故障阈值的转换时间段。本文中已经描述针对确定用于转换sspc14或切换组件30的时间段的额外考虑因素。

本发明涵盖除了上述附图中所示的之外的多个其它可能实施例和配置。例如，本发明的一个实施例设想，确保用于可控地操作切换组件30或将切换组件30从第一传导状态改变为第二非传导状态然后再回到第一传导状态的总时间段可小于电力负载16的电力中断复位时间。另外，各种组件的设计和放置可重新布置成使得数个不同的内嵌式配置可被实现。

本文公开的实施例提供用于操作电路的方法，所述电路用于将电力从电源可控地输送到电力负载，所述电源与所述电力负载经由固态电力控制器而耦合。在上述实施例中可实现的一个优势是在切换事件期间上述实施例的操作可与可控瞬态电特性管理同时进行。瞬态抑制装置是物理上较大、昂贵且不可靠的装置。因此，通过精确控制在切换期间产生的瞬态电特性，瞬态效应可在瞬态抑制装置以及sspc两者之间共享，并且因此可减小所需瞬态抑制装置额定值，或在一些例子中，完成对瞬态抑制装置的去除。与常规类型的sspc瞬态电特性管理系统比较，低额定值瞬态抑制装置，或可替代地，去除瞬态抑制装置，降低了重量和大小要求。进一步降低施加到瞬态抑制装置的应力，或可替代地，去除瞬态抑制装置，进一步增加了电路的整体可靠性。另外，通过降低施加到瞬态抑制装置的应力，在切换操作期间出现较小钳位电压，其可进一步最小化瞬态抑制装置线路中的任何寄生电感效应。此外，通过降低钳位电压和最小化瞬态抑制装置线路上的寄生电感效应，瞬态抑制装置可以较自由地在物理上定位得远离sspc的指定设计而不具有额外的负电感效应。

当设计飞行器组件时，所要解决的重要因素是大小、重量和可靠性。所提出的用于操作电路的方法产生一种重量较小、大小较小、性能增加且可靠性增加的系统。较少数目的部件和减少的维护将使得产品成本和操作成本降低。减少的重量和大小与在飞行期间的竞争性优势相关。

在尚未描述的程度上，各种实施例的不同特征和结构可根据需要彼此结合使用。一个特征不能在所有实施例中说明并不意味着被解释为它不能这样，而是为了简化描述才这样。因此，不同实施例的各种特征可根据需要混合和匹配来形成新的实施例，而不论新实施例是否被明确地描述。本文所描述特征的所有组合或排列均被本发明涵盖。

本书面描述用实例来公开包括最佳模式的本发明，并且还使所属领域的技术人员能够实施本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何所并入的方法。本发明的可获专利的范围由权利要求限定，并且可包括所属领域的技术人员所想到的其它实例。如果这种其它实例具有与所附权利要求的字面语言相同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差别的等效结构元件，那么这种其它实例希望在权利要求的范围内。