CN102570856B - 具有自动故障清除的同步整流开关 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有自动故障清除的同步整流开关。本发明公开一种容错同步整流器调整器系统和方法。在该系统和方法中，高侧开关可操作以耦合到电力总线，且低侧开关耦合到公共接地端。此外，第一熔断器耦合到高侧开关和低侧开关，并且可操作以响应于第一故障而断开。此外，第二熔断器耦合到高侧开关和第一熔断器，并且可操作以耦合到电流源且响应于第二故障而断开。

Description

具有自动故障清除的同步整流开关

技术领域

本公开的实施例总体上涉及电压和电流调整系统。更具体地，本公开的实施例涉及可以具有用于电力电源和负载的应用的电压和电流调整系统，其可以包括航天器太阳能板或者以串联、并联和其它排布形式耦合的其它类型电源。

背景技术

诸如太阳能阵列的很多类型的电力电源可以包括以串联、并联或者其它适当配置形式耦合的单个或多个元件。电源可以耦合到负载，例如但不限于电力总线、电池等。电源还可以耦合到功率调整器，由此可将电流引向负载或者通过例如但不限于短接电路并使电流返回电源来将电流从负载移开。在诸如封闭电力系统(例如但不限于航天器、轮船等)的一些电力系统中，以此方式控制电流可能要求维持电力总线的电压调整。

例如但非限制地，在包括经调整的电力总线的封闭电力系统中，可以提供电流以满足负载的电力需求，并且可能不需要来自电源的过量电流。控制电路可以被用于将电流从电源组的一部分电源中移开以匹配满足负载需要的功率输出。用于调整电力总线和电源的电压调整和控制电路可能在短路模式下发生故障。

发明内容

本发明公开一种容错同步整流器调整器系统和方法。在该系统和方法中，高侧开关可操作以耦合到电力总线，且低侧开关耦合到公共接地端。此外，第一熔断器耦合到高侧开关和低侧开关，并且可操作以响应于第一故障而断开。此外，第二熔断器耦合到高侧开关和第一熔断器，并且可操作以耦合到电流源且响应于第二故障而断开。通过使用高侧开关以及第一和第二熔断器的组合，本公开的实施例在显著降低功率消耗的情况下使用自动容错系统自动清除故障，并且同时显著减少的功率耗散，进而减小容错系统的重量，由此减小例如包含该容错系统的航天器的结构重量。这一重量的减小还转换为节省空间和成本，这对于很多类型的电源和负载交互装置都是有用的。

在一个实施例中，一种容错同步整流器调整器系统包含可操作以耦合到第一电力总线的高侧开关，以及耦合到公共接地端的低侧开关。该系统进一步包含第一熔断器，该第一熔断器耦合到高侧开关和低侧开关，并且可操作以响应于第一故障而断开。该系统进一步包含第二熔断器，该第二熔断器耦合到高侧开关和低侧开关，并且可操作以耦合到电流源并响应于第二故障而断开。

在另一个实施例中，一种自动容错同步整流调整方法使用高侧开关和耦合到公共接地端的低侧开关将来自电流源的电流同步整流为用于电力总线的电流。该方法进一步提供耦合到高侧开关和低侧开关的第一熔断器，并且提供耦合到高侧开关和低侧开关的第二熔断器。

另一个实施例包含一种调整器系统的容错同步整流的方法。该方法使用耦合到电力总线的高侧开关、耦合到电流源和高侧开关的旁路整流器以及耦合到公共接地端的低侧开关将来自电流源的电流同步整流为用于电力总线的电流。该方法进一步包含以下步骤：如果高侧开关中发生故障，则断开耦合到高侧开关和低侧开关的第一熔断器，并且如果低侧开关中发生故障，则断开该第一熔断器。该方法还包含以下步骤：如果电流源中发生故障，则断开耦合到高侧开关和低侧开关的第二熔断器，并且如果旁路整流器中发生故障，则断开第二熔断器。

提供该发明内容从而以简化形式描述概念的选择，这些概念在下面具体实施方式中进一步描述。该发明内容不意图确认要求保护的主题的关键特征或基本特征，也不意图被用于帮助确定要求保护的主题的范围。

附图说明

本公开的实施例的更完整理解可以通过在连同附图考虑时参考具体实施方式和权利要求获得，其中在所有附图中相似的参考数字指代相似的元件。提供附图以便于理解本公开而不限制本公开的宽度、范畴、规模或适用性。附图不必要按比例绘制。

图1是根据本公开实施例的容错同步整流器调整器系统的示意性功能框图的图示。

图2是根据本公开实施例的示例性容错同步整流器调整器系统的图示。

图3是根据本公开实施例示出自动容错同步整流调整方法的示例性流程图的图示。

图4是根据本公开实施例示出调整器系统的容错同步整流方法的示例性流程图的图示。

具体实施方式

下面具体实施方式实质上是示例性的，并且不意图限制本公开或本申请或本公开实施例的用途。具体器件、技术和应用的描述仅提供作为示例。在此描述的示例的修改对本领域技术人员来说是显而易见的，并且在此定义的一般原理可以应用于其它示例和应用而不背离本公开的思想和范畴。此外，没有通过在前面技术领域、背景技术、发明内容或后面具体实施方式中存在的任何明示或暗示的理论进行限制的意图。本公开符合权利要求构成的范畴，并且不限于在此描述并示出的示例。

本公开的实施例可以通过功能块和/或逻辑块组件和各种处理步骤的形式进行描述。应认识到这样的块组件可以通过经配置执行具体功能的任何数量的硬件、软件和/或固件组件实现。为了简洁起见，涉及电路设计的常规技术和组件与系统(以及系统的各操作组件)的其它功能方面可能不在此详细描述。另外，本领域技术人员应认识到本公开的实施例可以连同各种硬件和软件一起实行，而且在此描述的实施例仅是本公开的示例性实施例。

本公开的实施例在实际非限制应用即在航天器或卫星上的电压转换的背景下描述。然而，本公开的实施例不限于这样的航天器或卫星应用，并且在此描述的技术也可以用于其它应用。例如但非限制地，这些实施例可以应用于飞行器、船舶、汽车、建筑物、火车、来自反应堆的超加热热耦合、各种电压转换应用和电路等。

这些实施例适用于基本所有类型的串行/并行电力发生源(电源)，以及具有可以交换能量的电源和负载的基本所有类型的交通工具，其在图1-2的讨论背景下更详细地解释。

本领域技术人员在阅读本描述之后将明白，以下是本公开的示例和实施例，并且不限于根据这些示例进行操作。可以利用其它实施例，并且可以做出结构改变而不背离本公开的示例性实施例的范畴。

在各种应用中，电源(例如航天器太阳能板或者其它电源)通过电压调整器耦合到其它装置(例如电力总线或者其它负载)。本公开的实施例包括容错同步整流调整器系统，其包括同步整流器以及形成容错系统的熔断器组合。在容错系统中，如果部件短路，则一个或更多个熔断器断开并且电源保持耦合到其它装置。容错同步整流器调整器系统可操作以用作同步整流器升压转换器。

图1是根据本公开实施例的容错同步整流器调整器系统100(容错系统100)的示意性功能框图的图示。容错系统100可以包含同步整流开关104(开关104)，其耦合到电源102并且经电力总线106耦合到负载108。

如上所述，容错系统100适用于基本所有类型的串联/并联电力发生源(电源)。容错系统100也适用于具有可以交换能量的电源如电源102和负载如负载108的基本所有类型的交通工具。这些交通工具可以包含例如但不限于航天器、卫星、汽车等。

电源102可以包含，例如但不限于太阳能板、发电机、电池、卫星电源、航天器电源、飞行器电源、船舶发电机、火车电源、太阳能和引擎长持续时间供电的飞行器和航天器(有人和无人)电源、来自反应堆的超加热热耦合等。此外，容错系统100可以包含应用于例如但不限于太阳能、风能和海水波浪能量产生场/电源、发电机阵列等的电源。

同步整流开关104包含同步整流器以及形成容错系统的熔断器组合，如下面在图2的讨论背景下更详细解释的。在容错系统100中，如果组件短路，熔断器中的一个或多个断开，而电源102保持耦合到电力总线106或经电力总线106耦合到负载108。

负载108可以包括例如但不限于电子器件、电动机、加热器、功率分配系统、家用电器、附加电力总线等。负载108可以经电力总线106耦合到开关104，该电力总线106例如但不限于航天器电源总线、卫星电源总线、船舶电力总线、汽车电力总线、电网电力总线、电池总线等。容错系统100可以用于例如但不限于航天器、卫星、汽车等。

图2是根据本发明实施例示出容错系统100的细节的示例性容错同步整流调整器系统200(系统200)的图示。系统200可以包含高侧开关Q2、低侧开关Q1、输出电容器C1、旁路整流器CR1、熔断器F1、熔断器F2、熔断器F3、电流源Isp(图1中的电源102)、电力总线202(图1中的106)以及公共接地端204。系统200可操作以用作同步整流开关。通过使用高侧开关Q2和熔断器F1-F3的组合，系统200提供能够显著减少功率耗散的容错系统。显著减少的功率耗散进而减小系统200的重量。如以下更详细解释的，减少系统200的重量能减小航天器的重量。此外，减小重量也转化成空间和成本的节省，这对于很多类型的电源和负载交互装置都是有用的。

虽然图2示出的实施例使用n型FET作为高侧开关Q2和低侧开关Q1的示例，但是高侧开关Q2和低侧开关Q1可以包含任意开关组件。例如但非限制地，高侧开关Q2和低侧开关Q1可以包含n型FET、p型FET、开关、强制换向整流器、整流器开关等。

熔断器F1、F2和F3分别串联耦合到低侧开关Q1、电流源Isp和输出电容器C1。因此，如果系统200的任何组件短路或出故障，则熔断器F1-F3中的一个或多个断开且电流源Isp通过旁路整流器CR1保持连接至电力总线202(例如100伏电力总线)。以此方式，系统200提供容错系统。故障可以包含例如但不限于短路、过载电流和常闭型故障(stuck-closed fault)等。在本文中，短路和故障可以互换地使用。

熔断器F1串联耦合到低侧开关Q1，并且可操作以在高侧开关Q2中发生短路时断开。以此方式，电流源Isp可以通过旁路整流器CR1和高侧开关Q2两者保持连接(或耦合)到电力总线202。熔断器F1也可操作以在低侧开关Q1短路或出故障时断开。以此方式，电流源Isp将保持连接(或耦合)到电力总线202。

熔断器F2串联耦合到电流源Isp，并且可操作以在CR1短路或出故障的情况下断开。如果CR1短路，高电流将在旁路整流器CR1和高侧开关Q2的路径中循环直至F1或F2断开。以此方式，电流源Isp(图1中的102)将保持连接(或耦合)到电力总线202。熔断器F2也可操作以在电流源Isp接地短路的情况下断开。在该情况下电流源Isp不再为电力总线202提供电力。

高侧开关Q2耦合到熔断器F1、旁路整流器CR1、输出电容器C1和电力总线202。高侧开关Q2可操作以将电流源Isp连接到电力总线202或将电流源Isp连接到公共接地端204。通常高侧开关(耦合到电力总线)是整流器。然而，在图2示出的实施例中，FET如高侧开关Q2作为高侧开关使用以便功率耗散显著减少。同步整流减少了功率装置中的功率耗散。较低的功率耗散减小了功率装置的重量，因为需要更少的散热器材料并且可以更密集地封装组件。以此方式，可以减小交通工具如耦合到系统200的航天器的重量，因为需要更少的热管理硬件。

输出电容器C1串联耦合到熔断器F3和电力总线202，并且可操作以接收来自电流源Isp的电荷。

在现有方案中，如果低侧开关将电流源Isp永久连接到公共接地端，则电力丢失。然而，与现有方案不同，在图2所示的实施例中，如果低侧开关Q1将电流源Isp连接到公共接地端204，则高侧开关Q2接通，熔断器F1断开并且去除对公共接地端204的短路，使得电流源Isp保持连接(或者耦合)到电力总线202。

旁路整流器CR1耦合到高侧开关Q2、熔断器F2、电流源Isp和电力总线202，并且可操作以对来自电流源Isp的电流进行整流。

如上所述，电流源Isp可以包含电源，例如但不限于电池、卫星和航天器飞行器电源、船舶发电机、火车电源、太阳能和引擎长持续时间供电的飞行器和航天器(有人和无人)电源、来自反应堆的超加热热耦合等。

电力总线202可操作以分配电流，并且可以是例如但不限于航天器功率总线、卫星功率总线、船舶电力总线、汽车电力总线、电网电力总线等。电力总线202可以被耦合到负载208(图1中的108)，例如但不限于电子器件、发动机、发热器、功率分配系统、家用电器和附加电力总线等。

借助耦合到低侧开关Q1的熔断器F1及开关路径上的熔断器F1和F2，系统200可操作以用作同步功率开关。以此方式，当任何功率级装置如高侧开关Q2、低侧开关Q1、输出电容器C1、旁路整流器CR1和电流源Isp在短路/故障模式下失效时，系统200自动清除故障。

在一个实施例中，输出电容器熔断器F3可以包含例如但不限于串联冗余电容器。

系统200导致实质上最优的效率，因为开关路径仅包含一个FET(即高侧开关Q2或低侧开关Q1)，其具有比二极管通常具有的电压降更低的电压降。

图3是根据本公开实施例示出自动容错同步整流调整方法300(方法300)的示例性流程图的图示。结合方法300一起执行的各种任务可以通过软件、硬件、固件或其任何组合机械地执行。应理解方法300可以包括任意数量的附加或替代任务，图3所示的任务不需要按照图示顺序执行，并且方法300可以被合并到具有未在此详细描述的额外功能的更复杂程序或方法中。

为了图示说明的目的，方法300的以下描述可能涉及在上面结合图1和图2提到的元件。在实际实施方式中，方法300的一些部分可以通过系统200中的不同元件执行，例如：高侧开关Q2、低侧开关Q1、输出电容器C1、熔断器F1、熔断器F2、熔断器F3、旁路整流器CR1、电流源Isp和电力总线202等。方法300可以具有与图1-图2所示的实施例类似的功能、材料和结构。因此在这里可以不多余地描述共同的特征、功能和元件。

方法300可以开始于使用高侧开关Q2和耦合到公共接地端204的低侧开关Q1将来自电流源Isp的电流同步整流为用于电力总线202的电流(任务302)。

方法300可以继续进行以下步骤：提供耦合到高侧开关Q2和低侧开关Q1的第一熔断器F1(任务304)。

方法300可以继续进行以下步骤：提供耦合到高侧开关Q2和第一熔断器F 1的第二熔断器F2(任务306)。

图4是根据本公开实施例示出调整器系统200的容错同步整流方法400的示例性流程图的图示。结合方法400一起执行的各种任务可以通过软件、硬件、固件或其任何组合机械地执行。应理解方法400可以包括任意数量的附加或替代任务，图4所示的任务不需要按照图示顺序执行，并且方法400可以被合并到具有未在此详细描述的额外功能的更复杂程序或方法中。

为了图示说明的目的，方法400的以下描述可能涉及在上面结合图1和图2提到的元件。在实际实施方式中，方法400的一些部分可以通过系统200中的不同元件执行，例如：高侧开关Q2、低侧开关Q1、输出电容器C1、熔断器F1、熔断器F2、熔断器F3、旁路整流器CR1、电流源Isp和电力总线202等。方法400可以具有与图1-图2所示的实施例类似的功能、材料和结构。因此在这里可以不赘述共同的特征、功能和元件。

方法400可以开始于使用耦合到电力总线202的高侧开关Q2、耦合到电流源Isp和高侧开关Q2的旁路整流器CR1以及耦合到公共接地端204的低侧开关Q1将来自电流源Isp的电流同步整流为用于电力总线202的电流(任务402)。

方法400可以继续进行以下步骤：如果高侧开关Q2中发生故障，则断开耦合到高侧开关Q2和低侧开关Q1的第一熔断器F 1(任务404)。

方法400可以继续进行以下步骤：如果低侧开关Q1中发生故障，则断开第一熔断器F1(任务406)。

方法400可以继续进行以下步骤：如果电流源Isp中发生故障，则断开耦合到高侧FET开关Q2和第一熔断器F1的第二熔断器F2(任务408)。

方法400可以继续进行以下步骤：如果旁路整流器CR1中发生故障，则断开第二熔断器F2(任务410)。

方法400可以继续进行以下步骤：如果输出电容器C1中发生故障，则断开第三熔断器F3(任务420)。

以此方式，当任何功率级在短路模式中发生故障时，本公开的实施方式自动地清除故障。容错同步整流器调整器系统被用于降低功率消耗。较低的功率消耗可减小功率级装置的重量，因为需要较少的散热器材料并且可以更紧密地封装部件。以此方式，可以减小航天器的重量，这是因为需要较少的热管理硬件。减小重量还转换为空间和成本的节省，这对于许多类型的电源/负载交互装置来说都是有用的。

以上描述提到“连接”或“耦合”在一起的元件或节点或特征。如在此所用，除非另外明确陈述，“连接”的意思是一个元件/节点/特征直接联结到另一元件/节点/特征(或与其直接通信)，并且不必是机械性联结。同样，除非另外明确陈述，“耦合”的意思是一个元件/节点/特征直接或间接联结到另一元件/节点/特征(或与其直接或间接通信)，并且不必是机械性联结。因此，尽管图1-2示出了元件的示例性排布，但另外的中间元件、器件、特征或组件可在本公开的实施例中存在。

除非另外明确陈述，本文中所用的术语和短语及其变化应被解读为是可扩充的，与限制相反。如前面的示例：术语“包括”应理解为“包括而不限于”等；术语“示例”被用来提供所讨论的项目的示例性实例，不是其穷举或限制性列举；以及形容词例如“常规的”、“传统的”、“正常的”、“标准的”、“已知的”和相似意思的术语不应解释为将描述的项目限制到给定时间段或限制到在给定时间可用的项目，而应理解为包含常规的、传统的、正常的或标准的技术，该技术可在当前或在未来任何时间可用或已知。

同样，用连词“和”连接的一组项目不应理解为分组中存在这些项目中的每一个，而应理解为“和/或”，除非另外明确陈述。类似地，用连词“或”连接的一组项目不应理解为在该组中需要相互排斥性，而同样应理解为“和/或”，除非另外明确陈述。此外，尽管本公开的项目、元件或组件可能以单数形式描述或要求保护，但预期复数形式在其范畴内，除非明确陈述限于单数形式。在一些示例中，加宽单词和短语例如“一个或(更)多个”、“至少”、“但不限于”或其它相似短语的存在不应理解为意思是在可缺少此类加宽短语的示例中意欲或要求更窄的情况。

Claims (12)

1.一种容错同步整流器调整器系统，其包含：

被配置为耦合到电力总线的高侧开关；

耦合到公共接地端的低侧开关；

第一熔断器，其耦合到所述高侧开关和所述低侧开关，并且被配置为响应于第一故障而断开；

第二熔断器，其耦合到所述高侧开关和所述第一熔断器，并且被配置为耦合到电流源且响应于第二故障而断开；以及

旁路整流器，其耦合到所述电流源并且耦合到所述第二熔断器和所述高侧开关，其中所述第二熔断器响应于所述旁路整流器中的所述第二故障而断开。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一熔断器响应于所述高侧开关中的所述第一故障和所述低侧开关中的所述第一故障中的一个或多个而断开；以及

其中所述第二熔断器响应于所述电流源中的所述第二故障而断开。

3.根据权利要求1所述的系统，其进一步包含第三熔断器，所述第三熔断器串联耦合到输出电容器和所述公共接地端，并且被配置为响应于所述输出电容器中的第三故障而断开，并且其中所述第三熔断器包含串联冗余电容器。

4.根据权利要求1所述的系统，其中所述电流源包含至少一个太阳能板，且所述系统进一步包含耦合到所述低侧开关的所述电力总线，其中所述电力总线包含航天器电源总线、卫星电源总线、船舶电力总线、汽车电力总线和电网电力总线之一。

5.根据权利要求1所述的系统，其中所述高侧开关减少功率耗散。

6.一种自动容错同步整流调整方法，该方法包含：

使用高侧开关和耦合到公共接地端的低侧开关将来自电流源的电流同步整流为用于电力总线的电流；

提供耦合到所述高侧开关和所述低侧开关的第一熔断器；

提供耦合到所述高侧开关和所述第一熔断器的第二熔断器；以及

提供旁路整流器，所述旁路整流器被配置为耦合到所述电流源，并且耦合到所述第二熔断器和所述高侧开关。

7.根据权利要求6所述的方法，其进一步包含：

响应于所述高侧开关中的故障断开所述第一熔断器；

响应于所述低侧开关中的故障断开所述第一熔断器；以及

响应于所述电流源中的故障断开所述第二熔断器。

8.根据权利要求6所述的方法，其进一步包含响应于所述旁路整流器中的故障断开所述第二熔断器。

9.根据权利要求8所述的方法，其进一步包含：

提供被配置为耦合到电力总线的输出电容器；

提供串联耦合到所述输出电容器和所述公共接地端的第三熔断器；以及

响应于所述输出电容器中的故障断开所述第三熔断器。

10.一种用于调整器系统的容错同步整流方法，该方法包含：

使用耦合到电力总线的高侧开关、耦合到电流源和所述高侧开关的旁路整流器以及耦合到公共接地端的低侧开关将来自所述电流源的电流同步整流为用于所述电力总线的电流；

如果所述高侧开关中发生故障，则断开耦合到所述高侧开关和所述低侧开关的第一熔断器；

如果所述低侧开关中发生故障，则断开所述第一熔断器；

如果所述电流源中发生故障，则断开耦合到所述高侧开关和所述低侧开关的第二熔断器；

如果所述旁路整流器中发生故障，则断开所述第二熔断器；以及

如果输出电容器中发生故障，则断开耦合到所述输出电容器和所述公共接地端的第三熔断器。

11.根据权利要求10所述的方法，其中所述电流源包含至少一个太阳能板，且其中所述电力总线包含航天器电源总线、卫星电源总线、船舶电力总线、汽车电力总线和电网电力总线之一。

12.根据权利要求10所述的方法，其进一步包含通过使用所述高侧开关减少功率耗散，其中所述高侧开关包含FET。