用于保护固态功率控制器的系统和方法与流程

本申请涉及配电系统，尤其涉及用于保护固态功率控制器的系统和方法。

背景技术：

配电系统可包括在整个空中或地面系统中部署以将电力从电源分配到数个负载的一个或多个配电单元。堆叠在每个配电单元内的一个或多个固态功率控制器(solidstatepowercontroller，sspc)可被配置成例如在负载电流超出sspc的跳闸保护极限持续一定时间量时，断开到负载每个sspc的负载接线的功率。例如当sspc的固态开关在闭合位置中出故障时，sspc中的故障可防止sspc在过电流事件期间切断负载的电力，从而引起不合需要的结果。

以上缺点的一个有效方案可以是在sspc的输出处添加二级开关以在检测到sspc中的故障时或在负载经受过电流事件且sspc尚未响应时切断负载的电力。然而，sspc自身中的灾难性故障可导致sspc内，确切地说固态开关中的失灵、过热或电弧而不论二级开关是否已经切断负载的电力，且这可导致其它sspc或整个配电单元的损坏。

或者，sspc中的固态开关可用机电开关替换以避免可发生在固态开关中的失灵、过热或电弧。但此方法会再次引入与领先于固态开关的机电技术相关联的可靠性问题和较高成本。

技术实现要素：

在一个方面，公开一种固态配电系统，其可将电力从电源分配到负载，且可包括至少一个固态功率控制器(sspc)，所述sspc具有耦合到所述电源的输入和耦合到所述负载的输出。sspc可包括将所述输入连接到接地的断开并联开关(openshuntswitch)。控制电路可耦合到所述并联开关，且可被配置成检测所述sspc中的故障。保险丝可连接于所述电源与所述输入之间。当在所述sspc中检测到故障时，所述控制电路可闭合所述并联开关以导致短路，所述短路会烧断所述保险丝并使所述sspc与所述电源隔离。

在另一方面，公开一种在发生故障的情况下使至少一个固态功率控制器(sspc)的输入与电源电流隔离的方法。故障可发生在将电力从所述电源分配到所述sspc的负载的固态配电系统中。所述方法可进一步包括在所述sspc中提供将所述输入连接到接地的断开并联开关。所述方法可进一步包括针对故障持续检查所述sspc。所述方法可进一步包括在检测到故障时闭合所述并联开关，从而导致短路并烧断将所述电源连接到所述输入的保险丝。

在又一方面，公开一种用于至少一个固态功率控制器(sspc)的保护系统。所述sspc可具有适于耦合到电源的输入，且可具有适于耦合到负载的输出。所述保护系统可包括可将所述输入连接到接地的断开并联开关和可在所述电源与所述输入之间连接的保险丝。控制电路可耦合到所述并联开关，且可被配置成检测所述sspc中的故障。当在所述sspc中检测到故障时，控制电路可闭合所述并联开关以导致短路，所述短路会烧断保险丝并使所述sspc与所述电源隔离。

具体地，本申请的技术方案1涉及一种用于将电力从电源分配到负载的固态配电系统，所述系统包括：至少一个固态功率控制器(sspc)，其具有耦合到所述电源的输入和耦合到所述负载的输出；所述sspc中的断开并联开关，其将所述输入连接到接地；控制电路，其耦合到所述并联开关，且被配置成检测所述sspc中的故障；以及保险丝，其连接于所述电源与所述输入之间；其中在所述sspc中检测到故障后，所述控制电路闭合所述并联开关以导致短路，所述短路会烧断所述保险丝并使所述sspc与所述电源隔离。

本申请的技术方案2根据技术方案1所述的配电系统，所述sspc利用将所述输入连接到所述输出且耦合到所述控制电路的固态开关。

本申请的技术方案3根据技术方案2所述的配电系统，当命令所述固态开关断开时，所述故障是以下中的一个：所述输入与所述输出之间的开关电压小于所述输入的输入电压，或所述输入与所述输出之间的开关电流大于零。

本申请的技术方案4根据前述技术方案任一项所述的配电系统，所述保险丝具有电流-时间烧断特性，其被选择为高于所述sspc的跳闸保护曲线，从而为所述负载提供过电流保护。

本申请的技术方案5根据前述技术方案中任一项所述的配电系统，所述保险丝具有被选择为低于所述负载的烟度或损坏极限曲线的电流-时间烧断特性。

本申请的技术方案6根据前述技术方案中任一项所述的配电系统，进一步包括与所述并联开关串联且在所述并联开关的瞬时闭合期间由所述控制电路监测的电流感测电阻。

本申请的技术方案7根据前述技术方案中任一项所述的配电系统，进一步包括各自具有独立负载和独立保险丝的多个sspc。

本申请的技术方案8涉及一种在将电力从电源分配到固态功率控制器(sspc)的负载的固态配电系统发生故障的情况下使所述至少一个sspc的输入与所述电源电流隔离的方法，所述方法包括：在所述sspc中提供将所述输入连接到接地的断开并联开关；针对故障持续检查所述sspc；以及在检测到故障时闭合所述并联开关，从而导致短路并烧断将所述电源连接到所述输入的保险丝。

本申请的技术方案9根据技术方案8所述的方法，其进一步包括所述sspc利用固态开关将所述输入连接到所述负载且将所述固态开关耦合到控制所述并联开关的控制电路。

本申请的技术方案10根据技术方案9所述的方法，当命令所述固态开关断开时，所述故障是以下中的一个：所述输入与所述负载之间的开关电压小于所述输入的输入电压，或所述负载与所述输入之间的开关电流大于零。

本申请的技术方案11根据技术方案8到10中任一项所述的方法，其进一步包括将所述保险丝的电流-时间烧断特性定位成高于所述sspc的跳闸保护曲线，从而为所述负载提供过电流保护。

本申请的技术方案12根据技术方案8到11中任一项所述的方法，其进一步包括将所述保险丝的电流-时间烧断特性定位成低于所述负载的烟度极限曲线。

本申请的技术方案13根据技术方案8到12中任一项所述的方法，其进一步包括瞬时闭合所述并联开关且感测与所述并联开关串联的电流感测电阻两端的电压以用于测试所述并联开关。

本申请的技术方案14涉及一种用于至少一个固态功率控制器(sspc)的保护系统，所述sspc具有适于耦合到电源的输入，且具有适于耦合到负载的输出，所述保护系统包括：断开并联开关，其将所述输入连接到接地；控制电路，其耦合到所述并联开关，且被配置成检测所述sspc中的故障；保险丝，其连接于所述电源与所述输入之间；以及其中在所述sspc中检测到故障后，所述控制电路闭合所述并联开关以导致短路，所述短路会烧断所述保险丝并使所述sspc与所述电源隔离。

本申请的技术方案15根据技术方案14所述的保护系统，所述sspc利用将所述输入连接到所述输出且耦合到所述控制电路的固态开关。

本申请的技术方案16根据技术方案15所述的保护系统，当命令所述固态开关断开时，所述故障是以下中的一个：所述输入与所述输出之间的开关电压小于所述输入的输入电压，或所述输出与所述输入之间的开关电流大于零。

本申请的技术方案17根据技术方案14到16中任一项所述的保护系统，所述保险丝具有电流-时间烧断特性，其被选择为高于所述sspc的跳闸保护曲线，从而为所述负载提供过电流保护。

本申请的技术方案18根据技术方案14到17中任一项所述的保护系统，所述保险丝具有被选择为低于所述负载的烟度极限曲线的电流-时间烧断特性。

本申请的技术方案19根据技术方案14到18中任一项所述的保护系统，其进一步包括与所述并联开关串联且在所述并联开关的瞬时闭合期间由所述控制电路监测的电流感测电阻。

本申请的技术方案20根据技术方案14到19中任一项所述的保护系统，所述保险丝是硬保险丝或自复保险丝中的一个，所述硬保险丝或自复保险丝的技术相异于将所述输入切换成所述输出的所述sspc的串联开关的技术。

附图说明

图1说明对负载接线提供过电流保护的现有技术方案。

图2说明对图1的负载接线提供二级保护的现有技术方案。

图3说明根据本文中所描述的各个方面的使用并联开关来保护固态功率控制器的系统的示意图。

图4说明根据本文中所描述的各个方面的具有监测电阻器的图3的保护系统的示意图。

图5说明根据本文中所描述的各个方面的图3和4的保险丝的电流-时间特性的曲线。

图6说明根据本文中所描述的各个方面的图3和4的保护逻辑。

具体实施方式

图1描绘其中配电单元可包括三个固态功率控制器(sspc)的现有技术方案，所述sspc通过上游接线将电源切换成各自通过负载接线馈电的独立负载。可通过来自sspc控制电路的开关命令将每个sspc中的串联开关切换成断开或闭合，其中每个串联开关可以是mosfet或其它固态装置。每个sspc可由航空网络控制器远程控制。固态功率管理单元(solidstatepowermanagementunit，sspm)可协调对每个配电单元的集中控制。

通过消除接触磨损和粘结，且通过提供自定义跳闸保护以更准确地保护负载和负载接线，固态串联开关可具有优于机电断路器的可靠性。sspc负载可汲取多达100安培或更多。sspc可被设计成提供遵循电流-时间保护曲线的跳闸特性，当在负载接线或负载中存在故障时，或当过电流负载条件存在时，所述跳闸特性断开开关。sspc还可被设计成在特定输出电流条件下或在例如输入电源信号的不规则性等其它信号条件存在时立即跳闸。尽管不频繁，但sspc仍可能发生故障，从而引起对sspc和相关联负载的安全操作的威胁。故障可能是灾难性的，这意味着在sspc内，尤其在固态开关装置内可能存在损坏、过热或电弧。

举例来说，负载可以是电容性或电感性负载，这可能产生可能损坏固态开关的高涌入电流或高反冲电压。为了防止发生故障，可使用软启动来减缓由电容性负载产生的涌入电流，且瞬变抑制器可吸收由电感性负载产生的反冲电压。然而，电源、负载、机械震动、温度或极端电容和电感瞬变的各种条件仍可致使固态开关发生故障，从而引起sspc中的永久闭合条件、电弧、过热或其它失灵，且无法切断至负载接线的电力。

在图2的现有技术方案中，输出保险丝(f1、f2、f3)可与sspc的输出串联放置，其中开关横跨负载接线，如图所示。控制电路可被配置成在检测到故障时闭合继电器，并由此烧断硬保险丝以对负载和负载接线提供二次断电。

然而，如果sspc经受导致失灵、过热或电弧的灾难性故障，那么激活输出保险丝无法保护sspc。另外，sspc的跳闸保护极限可在继电器闭合的情况下防止保险丝接收足以熔化输出保险丝的物理元件的电流，从而使得负载接线不具有有效的二级保护系统。并且，固态开关可能在适度阻抗下发生故障，以便将保险丝电流限定成低于输出保险丝的电流-时间烧断特性，使得保险丝无法被烧断。

可以了解到，在所属领域中，当在sspc中发生故障或在负载接线中发生过电流事件时，需要对负载接线进行二级保护。另外，在所属领域中还需要保护sspc和配电单元免于灾难性故障，最值得注意的是，sspc的固态开关装置内发生损坏、过热或电弧的情况。并且，取决于相异于固态开关的技术，在所属领域中需要多样化、可靠且低成本的二级保护。

现参考图3，在本发明的各个方面，固态配电单元10可被配置成将电力从电源12分配到负载60，且可包括至少一个固态功率控制器(sspc)20。在此实例中，配电单元10可包括三个sspc20，所述sspc20可堆叠于框架或支架(未图示)中；但配电单元10中可包括任何数量的sspc。配电单元10中的sspc20可通过航空网络控制器72和任选的固态功率管理器(sspm)70来集中控制。sspc20可具有通过上游接线32耦合到电源12的输入22和通过负载接线62耦合到负载60的输出24。每个sspc20可具有独立负载60。电源12的电压可以是广泛范围的dc或ac电压，包括但不限于28vdc、115vac和270vdc。

常开并联开关50可连接于输入22与接地18之间。并联开关50可包括但不限于固态开关或继电器。保险丝30可连接于电源12与一个或多个sspc20的输入22之间。每个sspc20可具有独立保险丝30。每个保险丝30可以是硬保险丝，其在受热时物理地熔断成断路，例如在高电流流动下熔化的电线或元件。替代地，保险丝30可以是在高电流流动时阻抗增大的半导体，或相异于固态开关技术以便为负载接线62提供独立保护的自复保险丝。

sspc20中的控制电路16可通过烧断命令线52耦合到并联开关50，其中在检测到sspc20中的故障后，控制电路16可通过烧断命令线52闭合并联开关50以导致短路，所述短路会烧断保险丝30并使sspc20与电源12隔离。控制电路16还可通过功率控制线42耦合到串联开关40，其中串联开关40可被配置成将输入22切换成输出24。串联开关40可以是mosfet或用于将输入22切换成输出24的其它固态装置。控制电路16还可部分或完全地在sspc20外部，且可在两个或多于两个sspc20之间共享。

仍参考图3，控制电路16可被配置成通过测量sspc20的各种操作参数来检测sspc20中的故障。举例来说，出于对照串联开关40的on或off状态中的一个或多个故障阈值而测试sspc20的操作参数的目的，控制电路16可通过串联开关40监测sspc的输入电压26、sspc的输出电压28和开关电流46。各种操作参数的监测可持续发生，所述监测可包括周期性地监测所述参数。当由控制电路16检测到灾难性故障时，烧断命令线52可闭合并联开关50并迫使保险丝30烧断，由此使sspc20与电源12电流隔离。控制电路16还可通过网络控制器72或sspm70对远程控制命令作出响应以命令串联开关40断开(off)或闭合(on)，因此允许自动或手动控制通过负载60的负载电流64。

当命令串联开关40断开(off)时，控制电路16可在开关电压下降到低于off阈值(图6中的voff)时检测到故障，所述off阈值例如输入22的输入电压26，其中开关电压可以是输入电压26与输出电压28之间的差。举例来说，故障可包括在串联开关40中受损的线接合。在开关40的故障条件中，输入22可较不理想地与输出24隔离，使得由于故障sspc20的过度负载，输出电压从零上升，或输入电压26从其标称非故障值下降。

当命令串联开关40断开时，控制电路16可在开关电流46上升到高于off阈值(图6中的ioff)，例如上升到高于零(例如，毫安)时检测到另一灾难性故障。在替代方面，ioff可以是等于在健康操作期间正常发生在sspc20的输入22与输出24之间的小的非零泄漏电流的故障阈值。

继续参考图3，当命令串联开关40闭合(on)时，可在开关电压超出sspc20的on阈值(图6中的von)时检测到另一灾难性故障。举例来说，开关电压的on阈值可略微高于传导开关电流46的串联开关40的正常on状态电压降。控制电路16可利用额外参数来触发保险丝30烧断，所述额外参数包括但不限于串联开关40的温度的测量值、电弧发生的量度或输出电压28中的波动或噪声的测量值。特定sspc20的每个控制电路16可收集其它sspc20的操作参数上的数据以便感测可能威胁特定sspc的应力积累，且可动态地调整特定sspc的故障阈值以更好地预测故障。

有益的是，本发明的保护系统可使一个或多个sspc20与电源12电流隔离，且由此使发生在与sspc输入22与输出24之间或发生在输入22与底架(接地)18之间的起弧过程熄灭。因此，烧断保险丝30可防止sspc20或容纳sspc20的配电单元10中过热或起火，而在现有技术中使输出24与负载接线62之间的路径断裂通常无法熄灭电弧。此外，当通过切断负载接线62和sspc20的电力来停用sspc20时，保护系统可保护负载接线62，这可防止空中或地面配电系统中的电起火。

继续参考图3，在本发明的各个方面，保险丝30可具有电流-时间烧断特性36(图5)，其被选择为高于sspc20的跳闸保护曲线29(图5)，从而为负载60或负载接线62提供过电流保护。sspc20的跳闸保护极限可被设置成高于负载电流64的标称操作点，使得只要负载电流64以安全且正常的电平流动，sspc20就保持闭合(on)。当负载电流64超出跳闸保护极限时，sspc可在负载电流64达到负载接线62的烟度极限曲线66之前断开串联开关40以切断负载接线62的电力。在经过了过电流事件后，可接着手动或自动地将sspc20复位到闭合位置(on)，从而允许恢复sspc的操作而不用修理。通过将保险丝30的电流-时间烧断特性36定位成高于跳闸保护曲线29，当不存在sspc20的灾难性故障时，保险丝30保持完好。

跳闸保护曲线29可遵循在机电断路器中常见的i²t(或类似电流-时间)电线保护函数，其中所述曲线遵循导体的i²r(电流平方)电阻加热特性。替代地，跳闸保护曲线29可遵循线性电流-时间函数，或遵循由控制电路控制的阶跃函数而不是连续曲线。跳闸保护曲线29可被编程以平行于且略微低于保险丝特性36，表征所述保险丝特性36以便实现负载60和负载接线62的最大操作裕度。

如图5中所见，负载接线的烟度极限曲线66可被限定为最大电流-时间操作点，负载接线62的电绝缘体在高于所述最大电流-时间操作点时开始熔化或冒烟，且所述烟度极限曲线66可被定位成高于sspc的跳闸保护曲线29以接受对负载接线62或负载60的充分保护，尤其是在负载接线62中的过电流事件期间。烟度极限曲线66还可以是被限定为负载接线62的最大可允许温度的负载接线损坏曲线，且可被定位成高于sspc20的跳闸保护曲线29。在负载接线损坏曲线之下操作可保护负载接线62或防止其中负载60、负载接线62或连接到负载接线62的部件可能发生损坏的操作点。

保险丝30可具有被选择为低于负载接线62的烟度极限曲线66的电流-时间烧断特性36，使得当sspc发生故障时，且控制电路16可在负载接线62发生损坏之前通过烧断命令线52烧断保险丝30。用于sspc20的下游接线的烟度极限曲线66可定位成高于sspc跳闸曲线29且裕度充足，使得保险丝电流-时间烧断特性36可定位于曲线29与66(图5)之间。在一个方面，可例如通过增大负载接线62的电线直径来增大负载接线62的载流量，以便将烟度极限曲线66定位成高于保险丝特性36。

另外，电源12可被配置成在预期烧断时间范围内供应大于保险丝特性36的电流电平，使得在由烧断命令线52命令时，保险丝30可靠地烧断。并且，sspc20的跳闸保护曲线29可由控制电路16编程为低于保险丝30的电流-时间烧断特性36，使得sspc20可为负载接线62提供自复过电流保护且避免在不存在灾难性故障时烧断保险丝30。

现参考图4，在各个方面，配电单元10可进一步包括电流感测电阻54，所述电流感测电阻54与并联开关50串联且在并联开关50的瞬时闭合期间可由控制电路16通过并联感测线58监测。电流感测电阻54可以是与并联开关50串联的单独电阻器，或可以是并联开关50的内电阻。烧断命令线52可瞬时闭合并联开关50以便汲取通过保险丝30的电流而不会烧断保险丝30。通过在并联感测线58处形成电压，可检验保险丝尚未烧断，且如果sspc20发生故障，那么并联开关50可用于致动。通过这种方式，电流感测电阻54可提供用于本发明的二级保护系统的自动测试功能。

电流感测电阻54可位于并联开关50的高或低电压侧上。可将电阻54的大小设置得足够小，从而在发生灾难性故障的情况下，保险丝30的烧断时间不会延长。也可将电阻54的大小设置得足够大，从而当瞬时闭合并联开关50时获得可易于检测的电压上升，如此测试出保护系统完好。另外，在未展示的实施例中，电源感测线74可将电源12连接到固态功率管理器(sspm)70，以便感测电源电压的存在或不存在，并且区分不存在电源电压的情况与保险丝30烧断的情况。电源感测线74还可由控制电路16或航空网络控制器72测量。

现再次参考图5，在本发明的方面，y轴上的电流相对于x轴上的时间的曲线展示sspc跳闸保护曲线29的电流-时间特性、保险丝特性36与负载接线的烟度极限66之间的关系。当负载电流增大超出标称稳态sspc额定电流90时，sspc跳闸花费的时间长度可逐渐减小。有益的是，将所公开保护系统的保险丝特性36定位在sspc跳闸曲线29与烟度极限曲线66之间允许改进的配电单元10在发生sspc故障的情况下为负载接线提供二级保护而不会妨碍sspc20的过电流保护功能。保护系统可集成到配电单元10中，或可以是适于与sspc20的输入22、输出24和控制电路16介接的外部模块。

现参考图6，在本发明的方面，呈现改进的配电单元10的保护逻辑。监测和控制步骤80可由控制电路16、sspm70或监测一个或多个操作参数的外部电路执行，所述操作参数包括sspc的操作参数，例如输入电压、输出电压和开关电流。举例来说，控制电路16可命令sspc断开(步骤81)或闭合(步骤82)。可持续或周期性地监测操作参数以检测有理由烧断保险丝30的灾难性故障(步骤86)，例如监测开关电压(步骤83和85)或监测开关电流(步骤84)。在已超出故障阈值(是)的情况下，可闭合并联开关50以致使保险丝30烧断且断开电源12与输入22之间的电路。如果不存在故障(否)，那么可继续正常操作(步骤87)，如同可继续监测步骤80一样。

在未展示的其它方面，配电单元10可包括功率转换器或电压转换器以将电源电压转换成不同于电源电压的输出电压，例如将270vdc转换成28vdc，其中串联开关40可被定位以切换电源电压或输出电压。

本发明涵盖除了上述附图中所示的实施例和配置之外的许多其它可能的实施例和配置。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。一个特征可能未在所有实施例中说明并不意味着理解为它不能这样，而是理解为出于简化描述的目的才这样。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，而不论新的实施例是否被明确地描述。此外，虽然已经描述“一组”或“多个”各种元件，但将理解，“一组”或“多个”可包括任何数量的相应的元件，包括仅一个元件。本发明涵盖本文所描述的特征的组合或排列。

本书面描述用实例来公开包括最佳模式的本发明的实施例，并且还使所属领域的技术人员能够实践本发明的实施例，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。本发明的可获专利范围由所附权利要求所限定，且可包括本领域技术人员想到的其它实例。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。