CN101584096A

CN101584096A - Dc高功率分配装置

Info

Publication number: CN101584096A
Application number: CNA2008800025266A
Authority: CN
Inventors: 格伦·艾伦·埃文斯; 理查德·迈克尔·格拉博夫斯基
Original assignee: Lucent Technologies Inc
Current assignee: Nokia of America Corp
Priority date: 2007-01-18
Filing date: 2008-01-11
Publication date: 2009-11-18
Also published as: JP2010517500A; KR20090104827A; US7821753B2; US20080174926A1; WO2008088755A3; KR101109975B1; JP5121850B2; EP2106630A2; WO2008088755A2

Abstract

一种DC高功率分配系统，向与一个或多个存储电容器并联的负载提供功率。该系统包括热交换控制器以及串联在DC源与电容器/负载之间的并联晶体管阵列(24)。电力接触器(28)与晶体管阵列并联，电力接触器(28)和晶体管阵列都连接至控制器的控制输出。控制器监视感兴趣的各种电路套件，如输入过电压、输入欠电压、和过电流。如果电路条件满足指定的参数，则控制器激活晶体管以对电容器进行充电，从而限制涌入电流。在充电之后，控制器激活电力接触器，以对晶体管进行分流并在正在进行的工作期间承载150+安培的电流。如果任何所监视的电路条件不满足指定的参数，则控制器通过对电力接触器和/或晶体管进行去激活来停止电路的工作。

Description

DC高功率分配装置

技术领域

本发明涉及电气系统，更具体地，涉及DC功率供应和调节系统。

背景技术

许多电子系统需要提供DC(直流)电功率。通俗地讲，DC功率涉及电流沿着从高电压(即，电势)向低电压的恒定方向的流动。(在AC——交流——功率应用中，电流的幅度和方向呈周期性变化。)DC分配系统用于向需要DC功率以工作的电子电路和器件提供DC功率。由此，DC分配系统典型地执行以下功能中的一个或多个：将AC源转换成DC波形；将转换后的DC波形调节和/或变换成更期望的形式，例如不同的电压级别或更纯粹的DC波形；以及出于安全和/或其他控制的目的对输入和/或输出功率波形进行监视和控制。

高功率DC供应系统执行类似的功能，但是用在需要大量DC电功率的电子应用中。例如，在商业和政府无线电信系统中，RF(射频)放大器及其他高功率电子装置用于放大语音和数据信号，以进行长距离无线传输。放大器被容纳在包括DC配电板的框架或其他支撑装置中，该DC配电板具有输入和输出功率线/总线、供应/滤波/旁路电容器、以及断路器组。在典型的框架中，其中所容纳的电子器件可能需要处于数百安培电流和数千瓦特的级别的DC功率。

因为涉及到高电压和/或电流级别，所以高功率DC分配系统需要鲁棒性强的、高容量组件，并且在一些应用中需要鲁棒性更强的监视和保护方案。例如，特定应用可能需要过电压防护(例如，对输入/源电压显著升高的情况的保护)、欠电压防护(例如，对输入/源电压降低或被去除的情况的保护)、断路器功能、以及电流涌入保护。关于后者，当首先激活DC功率系统时，可能由于电容器阻抗而产生高级别的瞬态电流。大的滤波器和存储电容器像短路一样作用，从而产生具有快速上升时间的即时浪涌电流。峰值涌入电流可能比电路的稳态电流级别高出几个数量级。这种功率浪涌可以严重破坏系统组件，并可能导致保险丝被烧断以及断路器跳闸。

传统地，通过大的高容量电阻器，提供了电流涌入保护。首先，电阻器对存储/滤波电容器进行充电。然后，使用高电流继电器使电阻器短路。尽管这样的电路是实用的，但它们体积非常大，并且如果使负载短路，则电阻器可能出故障。此外，不存在针对低和高电压脱落的预防措施，例如，过电压和欠电压防护。

发明内容

本发明的实施例涉及一种DC高功率分配装置，用于向诸如用在电信网络中的那些电子器件等之类的电子器件提供DC功率。该装置包括：DC源(例如，施加在供电和返回线路两端的DC电压)、存储电容器系统、以及控制电路。多个并联的晶体管串联在DC源与存储电容器系统之间。旁路组件与晶体管并联。(“旁路组件”是指可在开路/关端状态与闭路/导通低电阻状态之间控制的电器件或组件。)晶体管和旁路组件与控制电路的单独控制输出相连接。在工作中，在最初启动分配装置时，控制电路激活并联的晶体管，以采用受控方式对存储电容器系统进行充电，从而限制涌入电流。一旦对电容器进行充电(典型地发生在晶体管进入完全导通状态之前的短时间内)，控制电路就激活旁路组件以对晶体管进行分流。“分流”用在其标准电学意义上，是指电路中两点之间的低电阻连接，其形成针对电流一部分的备选路径。因此，在该模式(表示用于向负载供应DC功率的分配装置的稳态工作模式)下，基本DC电流定向为经过旁路组件而不是经过晶体管，这降低了分配装置所消耗的功率的量并且不需要大晶体管散热器。(“基本”DC电流是指供应给负载和/或存储电容器系统的电流，表示由分配装置处理的大量电流。)

在另一实施例中，控制电路监视功率分配装置的一个或多个电路条件。(“电路条件”是指电路或其一部分在工作时的状态或值，如电流级别、电压级别、温度、“导通/关断”状态等等。)如果在最初激活晶体管以对存储电容器系统进行充电之前，任何所监视的电路条件不满足指定的工作参数(例如，指定的/期望的值或值的范围)，则既不激活晶体管也不激活旁路组件。如果在激活了晶体管之后，任何所监视的电路条件不满足指定的工作参数，则通过对旁路组件进行去激活(以创建开路条件)和/或控制晶体管进入或保持关断状态，来停止分配装置的工作。所监视的电路条件的示例包括：DC源过电压条件(例如，控制电路监视DC源是否上升到指定的电压级别以上)、DC源欠电压条件(例如，控制电路监视DC源是否下降到指定的电压级别以下)、以及过电流条件(例如，控制电路监视基本DC电流是否上升到指定的级别以上)。可以通过测量与晶体管和旁路组件串联的高容量电阻器两端的电压，来监视过电流条件。(“高容量”是指在稳态工作期间能够处理功率分配装置的基本DC电流的电阻器。)

在另一实施例中，分配装置是被标定为在稳态工作期间提供至少大约150安培的基本DC电流的高功率分配装置。为了处理这样的电流负载，旁路组件可以是电力接触器或其他类似重载继电器的器件。此外，可以使用被标定为承载这种量的电流负载的金属汇流条来连接DC源、晶体管、和/或旁路组件。存储电容器系统将典型地包括：具有至少大约100,000μF总电存储容量的一个或多个电容器。

在另一实施例中，控制电路包括IC(集成电路)控制器部分和用于监视感兴趣的电路条件的一个或多个外部感测组件。控制器包括各种监视输入和各种控制输出，监视输入和控制输出连接至晶体管和旁路组件。控制器可以是现有的、商业上可用的控制器，意在用于其他情况，例如热交换控制器。(热交换控制器防止低电流应用中的破坏和工作故障，在该低电流应用中，典型地通过控制单个FET或其他晶体管在首次插入线路卡时限制涌入电流，来将线路卡或其他电路板插入通电底板中。然后，FET在正在进行的工作期间承载由线路卡引出的基本电流。)

在另一实施例中，以高对称的阵列布置和配置并联的晶体管(典型地，将存在6至12个并联的晶体管)，包括可能提供高阻抗栅极电阻器，以补偿晶体管时间延迟以及晶体管中的电流消除。这便于利用控制器控制多个晶体管，以将晶体管在短时间段内置于线性工作状态，以便对存储电容器系统进行充电。因此，甚至在高电流和功率级别处(例如150安培，8000瓦特)也要限制涌入电流，而不必使用电阻器和大尺寸散热器。

在另一实施例中，基于IC的热交换控制器与以下各项结合使用：(i)并联晶体管的阵列，用于在对存储电容器系统进行充电时控制涌入电流；(ii)高容量(在可应用处)及其他感测组件，用于监视过电压、欠电压和过电流条件；以及(iii)旁路组件，用于在稳态工作期间为晶体管设旁路。在这样的配置下，功率装置是低成本的、大小紧致的(例如，没有大的散热器)，其允许重新使用，并在非常高的电流和功率级别处提供电流涌入保护和高级监视功能。

在另一实施例中，DC高功率分配系统向与一个或多个存储电容器并联的负载提供功率。系统包括热交换控制器以及串联在DC源与电容器和负载之间的并联晶体管的阵列。电力接触器与晶体管阵列并联，其中，电力接触器和晶体管阵列都连接至控制器的单独控制输出。控制器监视感兴趣的各种电路条件，如输入过电压、输入欠电压、和过电流。如果在最初启动时电路条件满足指定的参数，则控制器激活晶体管以对电容器进行充电，从而限制涌入电流。在充电之后，控制器激活电力接触器，对晶体管进行分流并在正在进行的工作期间承载150+安培的电流。如果在正在进行的工作期间，任何所监视的电路条件不满足指定的参数，则控制器通过对接触器和/或晶体管进行去激活来停止电路的工作。

附图说明

参照附图，通过阅读以下对非限制性实施例的描述，本发明将得到更好的理解，以下附图中：

图1是根据本发明实施例的DC高功率分配装置/系统的示意图；

图2是分配系统的另一实施例的示意图；

图3是可选地用作功率分配系统一部分的电流方向检测电路的示意图；

图4是反极性保护电路的示意图；

图5A是标准精密晶体管的透视图；

图5B示出了根据本发明实施例的、部分透视且部分示意形式的(不是按比例绘制的)晶体管阵列；以及

图6是系统的典型负载部分的示意图。

具体实施方式

参照图1-6，本发明涉及DC高功率分配装置或系统10，还涉及通过这样的系统控制和/或提供DC功率的方法。如在图1中概括性示出的，系统10包括DC源12(例如，在供电和返回线路14a、14b两端供应的电压电势)、存储电容器系统16、以及监视和控制电路/系统18。控制系统18可以包括：诸如IC(集成电路)热交换控制器之类的控制器20；以及可操作地电连接至控制器20的一个或多个外部监视和控制组件22。并联晶体管26的阵列24串联在DC源12与存储电容器系统16之间。旁路组件28与晶体管阵列24并联。晶体管阵列24和旁路组件28连接至控制系统18的单独控制输出。还与DC源12和晶体管阵列24串联的是负载30和断路器32。举例而言，负载30可以包括需要DC功率以工作的一个或多个电器件，如容纳在支撑框架中的RF放大器。

在工作中，在最初启动时，控制系统18激活并联的晶体管26，以采用受控方式对存储电容器系统16进行充电，从而限制涌入电流。具体地，控制晶体管26从“关断”状态到“导通”状态，在这两个状态之间，晶体管在线性工作区内工作。在线性工作区内，晶体管充当可变电阻器，以限制涌入电流。晶体管在足以对存储电容器系统16进行充电的短时间段(例如，典型地，小于80-100毫秒)内保持处于线性工作区内。在该时间段之后，控制系统18激活旁路组件28，以对晶体管进行分流。在这种模式(表示用于向负载30供应DC功率的系统10的稳态工作模式)下，基本DC电流“I”定向为经过旁路组件28而不是经过晶体管26，从而降低了系统10所消耗的功率量。

在正在进行的基础上，控制系统18监视功率分配系统10的一个或多个电路条件。如上所述，“电路条件”是指电路或其一部分在工作时的状态或值，如电流级别、电压级别、温度、“导通/关断”状态等。如果在最初激活晶体管阵列24以对存储电容器系统16进行充电之前，任何所监视的电路条件不满足指定的工作参数(例如，指定的/期望的值或值的范围)，则既不激活晶体管26也不激活旁路组件28。这样，系统10保持在“关断”或待机模式，而不向负载30供应功率，直到电路条件满足指定的工作参数为止。(还可能有必要手动地重置控制系统18或执行类似的操作。)如果在激活了晶体管26之后，任何所监视的电路条件不满足指定的工作参数，则控制系统18通过对旁路组件28进行去激活(以创建开路条件)和/或通过控制晶体管26进入或保持关断状态，来停止分配系统10的工作。所监视的电路条件的示例包括DC源过电压条件(例如，控制系统18监视DC源是否上升到指定的电压级别以上)、DC源欠电压条件(例如，控制系统18监视DC源是否下降到指定的电压级别以下)和过电流条件(例如，控制系统18监视基本DC电流I是否上升到指定的级别以上)。可以通过在基本电流I的路径中放入感测组件34，例如与晶体管阵列24和旁路组件28串联的高容量电阻器36，来监视过电流条件。

现在将参照图2-6来更详细地描述系统10的实施例。

如上所述，系统10特别可应用在需要高级别的DC功率来操作诸如网络线路卡和RF放大器之类的电子器件的环境中。如在图中基本线路14a上提供的那样，许多电信器件被配置为工作在标准的-48V。在该电压级别处，对于主供电线路/总线14a来说，基本的稳态电流容量(例如，基本电流I)可能需要高达200安培，有时可能更高。典型的容量额定值是150安培。为了处理这样的高电流级别，供电和返回线路14a、14b(包括沿着基本DC电流路径的、组件之间的互连)可以是大型量规的金属汇流条(例如，铜汇流条)，被标定为承载在系统10的电流容量处或以上的电流负载。也可以根据应用来使用其他类型的大型量规的线路或线缆。在任一情况下，大型量规的高电流路径在图中都被表示为粗线。DC源12是标准高容量DC源，如连接到AC传输线或其他AC源的DC产生器、电池系统、或DC电源(例如，基于整流器和/或变压器的电路)。存储电容器系统16包括：在供电和返回线路14a、14b间连接的一个或多个大容量存储电容器38a、38b；以及与每个电容器并联以满足

安全规则的泄漏电阻器40a、40b。存储电容器38a、38b通过在合计负载30的功率需求提高时充当快速电功率源，来帮助调节系统的总体电流消耗(current draw)。对于高功率应用，存储电容器系统16将典型地具有大约100,000μF或更大的总电存储容量。

通过主供电线路14a供应的基本电流I被分配为流经断路器32的各个分支电流，这些断路器32具有略微更低的电流容量。(例如，断路器32可以是插入式断路器，典型地，根据负载在1-100安培的容量范围内变化。)尽管在图1和2中集中在一起示出了断路器和负载，然而，如图6所示，实际上通常情况是：每个断路器分别与指定的负载器件串联，各个负载/断路器对并联在供电和返回线路之间。在系统10所提供的约束内，在任何时刻流动的实际基本电流I都将依赖于负载器件30所消耗的功率。

监视和控制系统18用于监视各种电路条件，以在电路条件满足与系统10的期望工作状态相对应的、指定的工作参数的情况下，控制晶体管阵列24以对电容器系统进行充电，并控制旁路组件28以随后对晶体管进行分流。控制系统18通过在进行监视过程中在电路条件不满足指定的参数的情况下关闭系统10，来起到电子断路器的作用。控制系统18包括基于IC的控制器20以及一个或多个外部控制组件22。控制器20可以是用于低功率热交换应用的类型的标准热交换控制器。

为了详细阐述，热交换控制器防止低功率应用中(例如，在48V处几安培)的破坏以及工作故障，在低功率应用中，线路卡或其他电路板或电器件的安装需要附着到通电的电源，例如，被插入到通电底板中的线路卡。在将器件附着到电源时，放电后的电源滤波电容器呈现低阻抗，这将遭遇涌入电流尖脉冲。电流尖脉冲可以导致电源故障或其他的电路破坏。热交换控制器驻留于电源底板中或器件中，并在首次将器件附着到通电电源时提供涌入电流限制。热交换控制器还可以在器件工作的同时提供短路保护。在大多数情况下，热交换控制器通过缓慢降低单个N沟道MOSFET的导通电阻来限制涌入电流。当首次插入器件时，控制器缓慢地增强MOSFET，使得MOSFET的漏极端子处的电压针对由负电源供电的器件从0V上升或从0V下降。为此，控制器对感测电阻器(例如，低功率表面安装电阻器)上的电流进行感测，并相应地控制MOSFET的栅极。

尽管热交换控制器最初并不旨在用于高功率电路中，然而系统10被配置为允许以安全且有效的方式使用，例如，通过利用高容量感测电阻器34和对称多晶体管阵列24。此外，考虑到使基本电流流经稳态工作的晶体管阵列会导致功率消耗提高，并且需要尺寸非常大的晶体管阵列和散热器，那么，通过使用旁路组件28，还有利于处在低成本且小尺寸的包装中的系统10的高效工作。如以下进一步解释的，通过控制器的现有控制功能来控制旁路组件，其中，该控制器在传统应用中用于启用外部DC/DC转换器或其他外部器件。

用作控制器20的合适的热交换控制器包括Analog Devices^TMADM1070模型以及Summit Microelectronics^TM SMH4812和SMH4802模型等等。作为示例，此处将关于Summit Microelectronics^TM SMH4812热交换控制器，来进一步解释功率分配系统10的设计和操作。然而，，只要控制器具有此处所描述的、典型的控制和监视功能，就可以容易地对系统10进行适配以使用任何类型的热交换控制器。

再次参照图2，控制器20是标准封装的集成电路，该标准封装的集成电路包括多个输入和输出管脚或端子。例如，SMH4812热交换控制器具有如图2所示进行编号的16个管脚(仅使用了这些管脚中的一些)。为了给控制器20供电，通过电阻器和二极管42将控制器20的正电源管脚“Vdd”连接至返回线路14b。二极管42保护控制器20免于遭受反极性输入电压的可能性。控制器20的负电源管脚“Vss”连接至供电线路14a。

控制器20还包括用于控制晶体管阵列24的“栅极”输出管脚。栅极管脚提供输出电压，其中，该输出电压被施加到晶体管26的栅极端子44，以控制晶体管处于“关断”状态、线性区状态和“导通”状态之间。如图5A所示，每个晶体管26是固态的3端子设备，具有栅极接头(“G”)44、漏极接头(“D”)46以及源极接头(“S”)48。尽管这是过于简化的解释，然而可以认为这种类型的晶体管包括布置于漏极46与源极48之间的可变电阻器，其中，电阻值依赖于施加到栅极端子44的电压。在关断状态下，电阻非常高，例如，实际上是开路。在导通状态下，电阻很低。在线性区中，电阻在低极值与高极值之间变化。典型地，每个晶体管26是精密封装的FET(场效应晶体管)，如功率MOSFET。合适的示例是来自International Rectifier^TM的IRFPS3810功率HEXFET^TM，其被标定为承载170安培的电流。晶体管阵列24包括并联的6至12个晶体管(对于许多应用来说6个足够了)，表示公共连接的栅极端子、公共连接的源极端子和公共连接的漏极端子。晶体管阵列24替代通常由控制器20控制的单个晶体管。通过在短时间内操作线性区内的晶体管26来限制涌入电流。在有限的涌入电流(例如，150安培)的情况下，由晶体管所处理的瞬态功率可以达到8000瓦特。

晶体管26的公共连接漏极端子46通过电阻器和二极管50连接至控制器20的“漏极感测”管脚。通过漏极感测管脚，控制器20相对于Vss值(例如，出现在供电线路14a上的电压，如-48V)监视漏极端子处的电压。除非漏极感测保持在2.5V差值以下，否则不启用控制器的“PG#”(“功率良好”)管脚，该“PG#”管脚用于激活旁路组件(如以下所讨论的)。漏极感测管脚处的监视允许控制器确定是否有任何晶体管26已发生故障。

可以在晶体管阵列24与返回线路14b之间连接减振器(snubber)电路52，以利用电感性负载来限制电压过冲。减振器电路包括如图2所示进行布置的电容器、二极管和电阻器。二极管54与晶体管阵列24和存储电容器系统16串联，以防止来自存储电容器38a、38b的电流进入低电压供应线路。

漏极端子46还分别经由电容器和电阻器(例如，处于10nF和1kohm值)连接至控制器的栅极管脚。控制器的栅极和感测管脚经由100nF电容器而互连。这些组件提供了用于操作控制器20的反馈，具体是用于操作SMH4812的反馈。其他热交换控制器或其他控制器通常可以按照制造商的指令来利用不同的反馈组件或不利用这种类型的反馈组件。

感测电阻器36连接在控制器20的Vss与感测管脚之间，还与晶体管阵列24串联。感测管脚是断路器感测输入，被控制器20使用来检测承载基本DC电流I的感测电阻器36上的过电流条件。电阻器36两端在多于指定的时段内超过50mV的电压降将使控制器的断路器功能跳闸，例如，对晶体管24和/或旁路组件28进行去激活。对于高功率应用，感测电阻器36可以是仪表分流器。仪表分流器是高电流低阻抗电阻器，有时是以与具有末端端子的金属条(或条)类似的形式提供的，用在电气实用仪表(或其他DC测量器件)中作为测量电气使用的过程的一部分。更具体地，分流器是特殊指定的、温度稳定的电阻器，该电阻器(向毫伏仪表或仪器)传递与流经该电阻器的电流成比例的毫伏输出。(该功能的目的是对大电流负载进行分流/设旁路以远离测量仪器，同时仍提供表示要测量的量的电信号。)典型的仪表分流器被标准化为在其完全标定的电流负载处以50mV或100mV电压降来工作，该完全标定的电流负载可以在0.5至15,000安培的范围内变化。系统10的合适的仪表分流器包括Ram Meter，Inc的A150A50分流器(150A，50mV)以及AL200A50分流器(200A，50mV)。(参考目录号。)用仪表分流器或其他大分流电阻器替换热交换控制器的典型表面安装电阻器和/或低功率感测电阻器方便了在大电流的环境下使用热交换控制器。

如上所述的旁路组件28是可在开路/关断状态与闭路/导通低电阻状态之间控制的电器件或组件。对于高功率应用来说，通常最高效的是使用机电旁路组件，其被称作可在开路状态与闭路、可忽略不计电阻状态之间工作的电控机械开关。继电器是机电旁路组件的一个示例。如果系统10用于处理高功率级别，则可以使用电力接触器。电力接触器是类似重载继电器的器件，典型地用在电动车辆和电力工业中。电力接触器28是四端子器件，包括容纳在紧致包装内的线圈部分56和开关部分58。开关部分58通常是断开的。可操作地定位线圈和开关，使得当(例如，通过在线圈两端施加指定的电压)激活线圈时，线圈56发射使开关58闭合的电磁场。线圈从而充当了用于对标定为承载特定电流负载的开关进行控制的低电压控制元件。合适的电力接触器28包括被标定为从150到200+安培的Ametek Prestolite^TM JB 46系列DC接触器。

电力接触器28(或其他旁路组件)的开关部分58通过大型量规金属汇流条与晶体管阵列24并联。当开关58断开时，基本电流路径经过晶体管阵列24。当开关58闭合时，基本电流路径经过开关。因为开关与晶体管并联，所以闭合开关会对晶体管进行分流，从而对晶体管进行去激活并致使基本电流I路由经过开关。(当开关闭合时，其呈现非常低的电阻并且实际上没有电压降。因为晶体管的漏极端子和源极端子处的电压实际上是相同的，所以晶体管被去激活并处于高电阻状态。大量电流采用最小电阻的路径经过闭合开关。)通过电力接触器对基本电流I进行分流使得不需要针对晶体管的散热器，这是因为这些晶体管仅短暂地承载电流。电力接触器28的线圈部分56连接在返回线路14b(正电压)与光隔离器60的输出之间。光隔离器60的输入连接至控制器20的PG#管脚。具有12V耐压能力的光隔离器60将线圈56与控制器PG#管脚隔离，从而允许控制器20控制电力接触器28。针对使用电路62的操作来偏置光隔离器60，其中，电路62包括不同电阻器以及齐纳二极管。(电路62还用于调节电流。)控制器20的PG#输出是“有效低”输出。因此，当未启用PG#管脚时，PG#管脚处于高阻抗状态。光隔离器60保持关断，在电力接触器线圈56两端没有电压。当启用了PG#管脚时，PG#管脚的输出降至低电压，这激活了光隔离器以将供电线路电压(-48V)施加到线圈的一个端子。因为另一线圈端子连接至返回线路14b，所以线圈端子两端的电压差激活线圈56以闭合开关58。电弧抑制电容器64可以与开关部分58的端子并联，以便在DC电力接触器28在欠载情况下开路时消除电弧。

热交换控制器20还包括“UV”(欠电压)和“OV”(过电压)监视输入。UV和OV输入提供了一组比较器，这组比较器与外部电阻分压器梯(resistive divider ladder)66、68相结合，用于在以下情况下进行感测：在DC电压源12超过用户定义的极限时，例如，在供电线路14a、14b两端存在的电压是上升到预期级别以上或下降到预期级别以下的情况下。如果在OV或UV输入管脚处分别检测到过电压或欠电压条件，则禁用栅极端子以对晶体管阵列24进行去激活。还对电力接触器28进行去激活。也可以使用单个电阻器梯，而不是使用如图2所示的两个电阻器梯。针对OV输入上的噪声抑制，可以将电容器70布置在OV输入与供电线路14a之间。

在工作中，当在供电线路和返回线路14a、14b两端最初施加电压(例如由DC电源12供应)时，控制器20进入“通电”或启动状态。最初，控制器20的栅极输出管脚和PG#输出管脚都保持禁用，这意味着晶体管阵列24和电力接触器28被去激活。在该初始状态下，不向电容器系统16或负载30供电。在允许接触颤动和内部调节器稳定的非常短的延迟之后，控制器20通过分别与UV和OV输入管脚连接的内部欠电压和过电压电路，来确定线路14a、14b两端的DC源电压是否处于用户指定的范围之内。(用户指定的范围可能是例如-48V±1V。)如果源电压在指定的延迟时段内处于指定的范围内，则启用控制器20的栅极输出以激活晶体管阵列。在启用栅极输出之后，晶体管26从“关断”状态转移到“导通”状态，在这两个状态之间是线性工作区，在该线性工作区内，晶体管充当用于限制涌入电流的可变电阻器。对于图2所示电路，在所标定的系统电流(例如150安培)下，将涌入时段典型地限制为80毫秒左右，这足以对电容器系统16进行充电。(涌入时段的长度可以根据具体电路配置而变化。)因为典型地晶体管在小于80毫秒的时间内从“关断”转移到“导通”，所以晶体管26配备有栅极电阻器72。对于每个晶体管26，栅极电阻器72中的一个串联在晶体管的栅极端子与控制器的栅极输出之间。栅极电阻器具有改变电路的RC时间常数的作用，这使得晶体管需要更长的转移时间以在启用控制器栅极输出时导通。图2所示电路的合适栅极电阻器值是100欧姆。(控制器栅极输出是限于所设置的值的电流，允许使用这样的无源组件来改变晶体管转换速率。)

在所控制的涌入时段内，控制器20通过“漏极感测”输入来监视晶体管阵列24两端的电压(例如，V_DS)。当所监视的电压下降到低值(相对于V_SS，典型地＜2.5V)时，并且如果控制器栅极输出上的电压已达到V_DD-V_GT(晶体管26的阈值电压)，那么这指示了晶体管被导通。控制器20启用有效低PG#输出，这通常用于启动DC/DC转换器。然而此处，启用PG#输出导致通过光隔离器60激活了电力接触器28。电力接触器28对通过晶体管阵列24和二极管54的基本电流I进行分流。电力接触器28在系统10的稳态工作期间承载基本电流I，以向负载30供电，这降低了系统10所消耗的功率并且无需给晶体管阵列24配备大型散热器。(通常需要散热器来耗散由晶体管和二极管54在延长时段内承载基本电流I所产生的废热。)

在正在进行的工作的基础上，并且在启用栅极输出的同时，控制器20通过“感测”输入来监视感测电阻器36两端的电压。感测电阻器两端在超过指定的可编辑时段内大于50mV的电压降将会激活控制器的电子断路器功能。如上所讨论的，如果检测到过电压或欠电压条件，或者如果通过“漏极感测”输入检测到晶体管故障，则还使断路器功能跳闸。对于断路器功能，禁用控制器栅极输出，从而关断了晶体管阵列24。栅极输出的禁用导致禁用PG#输出以对电力接触器28进行去激活。典型地，控制器可以被配置为在断路器功能被激活(需要手动地重置控制器)时闭锁至“关断”状态，或在所监视的电路条件返回到满足指定的参数时重新进入通电循环。

在特定的工业标准下，可能需要系统20经过10毫秒的输入欠电压瞬变，以进行例如熔丝清除。为此，如图3所示，系统10可以配备有比较器电路74以监视流经感测电阻器36的电流的方向。(比较器电路74还用于增大控制器的基本欠电压检测机制。)比较器电路74具有与感测电阻器36并联的输入以及与控制器20的“ENPG”输入连接的输出。比较器电路74包括运算放大器76和外部偏置/配置电路，该外部偏置/配置电路包括如图所示进行布置的不同电阻器以及二极管。(控制器的“+5Vref”输出简单地是+5V参考电压。)当比较器电路74检测到反向电流时(由于输入电压的损耗而引起)，比较器电路74将控制器20的ENPG输入拉至低电压。ENPG输入控制PG#输出。在将ENPG拉低时，PG#输出立即被置于高阻抗状态，即，被禁用，这导致对晶体管阵列24和电力接触器28进行去激活。二极管54防止来自电容器系统16的电流进入输入线路，这使电容器能够将它们的完全输出传递至负载30。当输入电压返回到其指定的工作范围之内时，启动控制器启动序列。

还可能需要保护系统10免于遭受反极性输入电压，例如，与对应于供电线路14a的返回线路14b连接的-48V源电压。如上所述，针对反极性保护，可以向控制器20的功率输入配备二极管42。还可以向电压源提供二极管保护，例如，图4所示的反极性保护电路78。如点“A”和“B”所示，电路78连接至图2中的电路。电路78包括晶体管阵列80(其提供低电压降)、栅极控制电路82和减振器电路84。如果在最初布线过程中将输入电压反转，则充当二极管的晶体管阵列80通过不导通来防止破坏。

控制器20还包括用于管脚检测的“PD1#”输入。“PD1#”输入是有效低启用的输入，通常用于指示插入式电路板适当地就位。在系统10中，PD1#管脚可以连接至输入连接器(例如，用于将系统10与DC源12相连接的连接器)中的短管脚。在连接器的高电流管脚配对之前不执行任何动作，这消除了电弧。可以根据系统10的精确配置，以其他方式使用PD1#管脚。

为了便于使用相对较小尺寸的晶体管以在上述级别处进行高功率切换，以高度对称的阵列24来布置和配置并联的晶体管26。在图5B中示出了该阵列的一个可能机械布置的示例。该阵列的配置部分地基于晶体管26(如图5A所示的那些晶体管)的使用。如图所示，每个晶体管不仅包括针对每个端子44、46、48的所依赖的引线，还包括在晶体管包装的底板上的漏极连接46a。(该端子电连接至所依赖的漏极管脚；两者都电连接至容纳于晶体管包装内的半导体晶体管元件的实际漏极端子。)阵列24包括由大型量规金属所形成的漏极汇流条90(如铜汇流条)。晶体管26紧靠着漏极汇流条90机械地背对背连接，使得底板漏极接头46a与漏极汇流条90电连接。漏极汇流条90电连接至二极管5 4。晶体管26和漏极汇流条90被夹在第一和第二源极汇流条92a、92b(例如，铜汇流条)之间，第一和第二源极汇流条92a、92b进而彼此电连接。如图5B示意性示出的，从汇流条之间伸出的晶体管的所依赖源极接头48电连接至它们对应的相邻源极汇流条92a、92b。源极汇流条92a、92b电连接至感测电阻器36。晶体管的栅极接头44电连接至包括栅极电阻器76和导电迹线的栅极电路板94，以便(i)将栅极接头44连接至对应的电阻器76，以及(ii)将电阻器的公共连接点连接至控制器栅极输出。(栅极电路板还可以支撑减振器电路52、与控制器漏极感测输入相连接的外部组件等等)。

在本说明书中，“大约”是指所讨论的值的最低有效数位±1。因此，例如，“大约50安培”是指150±1安培。

与Summit Microelectronics^TM SMH4812热交换控制器有关的其他信息是可以在以下互联网地址处的数据表中找到的：http://www.summitmicro.com/prod select/summary/pdf/SMH4812.pdf，其全部内容一并在此作为参考。

根据系统10中使用的特定组件，例如特定类型的控制器20，系统10可以包括除了图中所示组件之外的组件，和/或除了包括图中所示组件之外还包括其他组件。可以使用标准电路设计原则根据所讨论的控制器的规范来选择这样的组件。此处所提到的组件值以及图中的组件值仅是作为示例而提供的。

因为在不脱离此处涉及的本发明的精神和范围的前提下，可以对上述DC高功率分配装置作出某些改变，所以上述说明书中或附图所示的所有主题都应仅被解释为示出此处本发明构思的示例，而不应被解释为限制本发明。

Claims

1、一种DC功率分配系统，包括：

多个并联的晶体管，串联在DC源与存储电容器系统之间；以及

控制电路，可操作地连接至晶体管以及与所述晶体管并联的旁路组件，其中，所述控制电路被配置为：激活所述晶体管以可控制地对电容器系统进行充电，并随后激活旁路组件以针对系统的稳态工作对晶体管进行分流。

2、根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制电路被配置为：当分配系统的多个所监视的电路条件中的一个或多个不满足相应的指定工作参数时，对所述晶体管和/或旁路组件进行去激活，以对功率分配系统进行去激活。

3、根据权利要求2所述的系统，其中，所述系统是被标定为在稳态工作期间提供至少大约150安培的基本DC电流的高功率分配系统。

4、根据权利要求3所述的系统，其中：

所述存储电容器系统包括具有至少大约100,000μF的总电存储容量的一个或多个电容器；

所述旁路组件包括电力接触器，所述电力接触器具有开关部分以及用于选择性地启动开关的控制部分，所述开关部分与所述晶体管并联，所述控制部分与控制电路相连接；以及

所述DC源、所述晶体管、以及所述旁路组件的开关部分通过金属汇流条进行电互连，所述金属汇流条被标定为在所述系统的稳态工作期间承载至少大约150安培的DC电流。

5、根据权利要求3所述的系统，其中：

所述控制电路包括：集成电路(IC)控制器部分；以及与所述控制器部分相连接的、用于监视所述电路条件的至少一个外部感测组件，其中，所述控制器部分具有用于控制所述晶体管的栅极电压的第一输出以及用于控制所述旁路组件的第二输出。

6、根据权利要求5所述的系统，其中：

所监视的电路条件包括过电流条件和基本电流方向条件；以及所述至少一个感测组件包括：

高容量电阻器，与所述晶体管和旁路组件串联，用于监视过电流条件，所述高容量电阻器在分配系统的工作期间承载基本DC电流，并且所述高容量电阻器还与控制器的两个过电流监视输入并联；以及

电流方向检测电路，与所述高容量电阻器并联，用于监视基本电流方向条件，所述电流方向检测电路具有与控制器的输入相连接的输出，以触发对所述晶体管和/或旁路组件的去激活。

7、根据权利要求5所述的系统，其中：

所监视的电路条件包括DC源过电压条件和DC源欠电压条件；以及

所述至少一个感测组件包括用于监视过电压条件和欠电压条件的至少一个分压器，所述至少一个分压器包括：多个电阻器，连接在DC源的供电线路部分与返回线路部分之间，还与控制器的过电压监视输入和欠电压监视输入相连接。

8、一种用于对DC功率分配装置进行控制的方法，所述DC功率分配装置具有DC源和存储电容器系统，所述方法包括以下步骤：

控制多个并联的晶体管以由DC源对存储电容器系统进行充电；以及

在对存储电容器系统进行充电之后，控制旁路组件针对装置的稳态工作对晶体管进行分流。

9、根据权利要求8所述的方法，还包括：

监视DC功率分配装置的至少一个电路条件，其中，所述晶体管被控制为：仅在至少一个所监视的电路条件满足指定的工作参数的情况下，对存储电容器系统进行充电。

10、根据权利要求9所述的方法，还包括：

在正在进行的基础上，监视至少一个电路条件；以及

在所述至少一个电路条件不满足指定的工作参数的情况下，对所述晶体管和/或旁路组件进行去激活，以停止功率分配装置的工作。