CN103259244B - 故障保护脉冲发生器和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及故障保护脉冲发生器和系统。一种配电系统包括电源，连接到所述电源和地面中的一个的多个负载以及多个脉冲发生器，每个脉冲发生器连接至所述多个负载中的每一个，被配置为产生脉冲以按照预定频率将所述多个负载连接至所述电源和地面中的另一个。

Description

故障保护脉冲发生器和系统
技术领域
示范性实施例涉及配电设备和系统领域。特别地，示范性实施例涉及提供电路故障保护的配电设备和系统。
背景技术
在配电系统中，来自一个或者多个电源的电力从电源线路分配到可具有不同操作电压的多个负载。传统的配电系统对于每个负载可包括单独的电路故障设备以允许该系统在任一负载故障时继续运行。
发明内容
公开了一种配电系统，其包括电源，连接至电源和地面中的一个的多个负载，以及多个脉冲发生器，每个脉冲发生器连接至所述多个负载中的每一个，被配置为产生脉冲以按预定频率将所述多个负载连接至所述电源和地面中的另一个。
还公开了一种故障检测电路，其包括连接至同一脉冲线路并连接至地面的多个脉冲发生器，每条脉冲线路被配置为连接至多个负载，其中，所述多个脉冲发生器中的每一个包括将脉冲线路连接至地面的第一晶体管和与第一晶体管按照从源极到漏极的方式串联连接的第二晶体管，被配置为检测第一晶体管输出处的故障电压并在检测到故障电压时将第一晶体管与地面隔离。
附图说明
下述说明无论如何不应被视作限制。参见附图，相同的元件标记相同：
图1是根据本发明一个实施例的配电系统的原理图；
图2是根据本发明一个实施例的冗余脉冲发生电路的原理图；
图3是根据本发明一个实施例的配电系统的原理图。
具体实施方式
通过作为示例而非限制方式、参考附图，在此对所公开装置和方法的一个或多个实施例进行详细说明。
图1示出了根据本发明一个实施例的配电系统1。配电系统1包括给多个负载14(负载1...负载N)供电的电源10。多个负载14中的一个或多个可具有与多个负载14中的另一个不同的操作电压。电源10可包括多个电源。电源10经由配电母线16给多个负载14提供直流电力。具体而言，多个负载14经由直流馈电线17连接至电源10并可经由连接至多个脉冲发生器12的脉冲线路18连接至地面。
特别地，脉冲发生器12是故障被动型脉冲发生器。每个脉冲发生器12按照脉冲间隔将脉冲线路18连接至地面。在一个实施例中，每个脉冲发生器12以10％到25％的占空比工作，从而确保了配电母线16的通断状态。脉冲发生器12可相对于彼此异步工作。换句话说，尽管故障被动型脉冲发生器12相对于彼此异步工作，但是10％到25％的占空比确保不管脉冲是否在时间上重叠，都能实现配电母线16的通断状态，并留有适当的关断时间以供耦合变压器磁通重新恢复到零。
脉冲发生器12所生成的脉冲有时重叠有时分离，并从而导致脉冲线路18上的脉冲宽度不同。图1示出了两个脉冲发生器12a和12b，但是根据系统1所期望的冗余性，可以有任意数量的脉冲发生器12连接至脉冲线路18。
在一个实施例中，故障被动型脉冲发生器12的数量要少于负载14的数量。例如，在一个实施例中，直流馈电线17连接至在7与17个之间的负载14，并且故障被动型脉冲发生器12的数量少于7个。在一个实施例中，脉冲发生器12的数量为两个。在其他实施例中，脉冲发生器12的数量大于两个。每个脉冲发生器12连接至每个负载14。当检测到其中一个脉冲发生器12发生短路时，第一FETN1关断以使该脉冲发生器与配电母线16隔离，从而使得发送至脉冲线路18的地面的脉冲仍由冗余的脉冲发生器12提供。由于直流馈电线17的幅值保持不变，因此多个负载14接收到基本相同的电压输入，即使是在一个或多个脉冲发生器12不可用时。此外，可为脉冲发生器12提供反馈电路，从而即使是在一个或多个脉冲发生器12发生故障或是不可用时也能维持提供给负载14的电压水平。
虽然图1示出了负载14a-14n连接至电源10并经由脉冲发生器12a和12b连接至地面，但是根据替换实施例，负载14a-14n也可连接至地面并可经由脉冲发生器12a和12b连接至电源。换句话说，可以颠倒图1中电源和地面的连接。
图2示出了根据本发明实施例的包含多个脉冲发生器12的故障防止电路1的实例。每个脉冲发生器12包括至少两个从源极到漏极串联连接在脉冲线路18和地面之间的晶体管。在一个实施例中，这两个晶体管为场效应晶体管(FET)，例如金属氧化物半导体FET(MOSFET)N1和N2。如图所示，第一FETN1的栅极连接至振荡器和FET驱动器22a和22b。在一些实施例中，第一FETN1可不使用FET驱动器而直接连接到振荡器，在整个说明书和权利要求书中，附图标记22可用于指示振荡器22。然而，应当明白，振荡器22a的电路中也可包括FET驱动器以驱动第一FETN1。
振荡器22a和22b导通和关断对应脉冲发生器12a和12b的第一FETN1以按照预定的间隔时间将脉冲线路18连接至地面。例如，在一个实施例中，振荡器22a和22b控制对应脉冲发生器12a和12b的第一FETN1以具有在10％与25％之间的占空比。在一个实施例中，第一FETN1的栅极还连接至FET驱动器。例如，振荡器和FET驱动器可以是同一电路或设备的部分，或同一集成电路(IC)的部分，或者振荡器和FET驱动器可包括彼此电气连接的独立电路。
在两个脉冲发生器12a和12b连接至脉冲线路18的实施例中，脉冲线路18的输出频率大于每个振荡器22a和22b单独的频率，并可根据脉冲是否重叠或者脉冲是否不重叠而改变。由于振荡器22a和22b异步，因此振荡器22a和22b、以及脉冲发生器12分别将有时产生重叠的脉冲以及有时产生不重叠的脉冲。
第二FETN2与第一FETN1按照源极到漏极的方式串联连接。第二FETN2的栅极连接至比较器23，其将第一FETN1的电压输出与参考电压Vref进行比较。参考电压Vref是被设计为与第一FETN1处的短路相对应的预定电压，或者其他故障电压。当比较器23基于第一FETN1的电压输出检测到短路时，比较器23输出控制信号以关断第二FETN2，从而将第一FETN1与地面隔离。从而，保护连接至脉冲线路18的任意负载不受第一FETN1中故障的损害，或者不受振荡器22中故障的损害。换句话说，第二FETN2为保护FET，当检测到短路或开关FET“stuckON(卡在开的状态)”时，保护FET阻断流经第一FETN1的电流。第二FETN2关断，从而分断经过脉冲发生器12的电路，并允许冗余脉冲发生器12以冗余振荡器22的降低了的占空比继续驱动负载14。
由于故障防止电路包括连接至脉冲线路18的多个脉冲发生器12，因此连接至脉冲线路18的负载继续从剩下的脉冲发生器12接收脉冲。从而，连接至脉冲线路18的负载14按照由连接至冗余脉冲发生器12的振荡器22所决定的时间间隔继续被连接至地面。当一个脉冲发生器12不可用时，或者换句话说，当第二FETN2关断以将第一FETN1从地面断开时，脉冲线路18可由剩下的任何冗余脉冲发生器12驱动。
反馈线路24可将关于脉冲线路18的电压的信息提供给振荡器22。当一个脉冲发生器12不可用时，一个或多个冗余脉冲发生器12可感测脉冲线路18上占空比和频率的变化，并可调节冗余振荡器22的振荡频率以维持脉冲线路18的占空比和/或频率。
在一个实施例中，多个脉冲发生器12中的一个的振荡器和FET驱动器22不同于多个脉冲发生器12中的另一个的振荡器和FET驱动器22。换句话说，不同的振荡器22可被配置为以不同的频率工作。例如，不同的振荡器22彼此可不同步，从而使得脉冲发生器12不同步。由于直流电压从正电源10沿直流馈电线17供电，因此脉冲线路18按照由脉冲发生器12所确定的时间间隔连接至地面以在配电母线16上产生交流电压以给连接至配电母线16的不同负载14提供不同的电源等级。
此外，不同脉冲发生器12的振荡器和FET驱动器22的设计可不相同，包括不同的材料或振荡产生电路，用以防止一类设计所共有的多种故障。
每个脉冲发生器12可分别包括附加电路，如位于比较器23和第二FETN2之间的二极管D1，电阻R1，R2和R3，以及电容C1和C2。应当明白，根据脉冲发生器12的设计需要脉冲发生器12中可包括附加或替代电路和元件。
比较器23、FETN1和N2、以及振荡器和FET驱动器22中的一个或多个可位于同一IC中或同一印刷电路板(PCB)上。在一个实施例中，多个脉冲发生器12的比较器23、FETN1和N2、以及振荡器和FET驱动器22位于同一IC或PCB上。此外，二极管D1，电阻R1，R2和R3，以及电容C1和C2中的一个或多个可与比较器23和/或FETN1和N2位于同一IC上或同一PCB上。
虽然图2示出在每个脉冲发生器12a和12b中的比较器23，但是，根据一些实施例，附加的比较器可提供附加的信息，如通知脉冲线路18处的过电压、欠电压、过电流和欠电流。例如，在一个实施例中具有两个比较器，其构成对流经第一FETN1的平均电流的“窗口”检测功能。第一比较器，其与比较器23相对应，例如在第一FETN1短路或振荡器22卡在ON状态中时检测过大电流。另一比较器检测过小电流，例如由断开的FETN1或振荡器卡在OFF位置所引起的电流。尽管两个比较器的输出都可被提供给控制电路以通知用户电路需要维修，但仅有第一FETN1会导致第二FETN2断开以使脉冲发生器12与配电母线16隔离开来。
图3示出了根据本发明实施例的配电系统3。配电系统3可包括连接至直流馈电线17的多个正电源31。如图3所示，正电源31可经由对应的多个二极管D5或其他整流器连接至直流馈电线17。多个正电源31可与图1和2的电源10相对应。多个正电源31中的每一个都可向直流馈电线17提供相同的输出电压，并且可在一个或多个正电源31故障时提供冗余的电源。
为了将直流馈电线17的直流电压转换为与如负载14的多个负载对应的交流电压，提供有多个变压器T1和降压调节器32。在一个实施例中，多个负载14中的每一个都工作在基本相同的电压等级。但是，在替换实施例中，不同的负载可工作在不同的电压等级。每个变压器T1的初级绕组的第一端连接至直流馈电线17，并且每个变压器T1的初级绕组的第二端连接至脉冲线路18。脉冲线路18基于脉冲发生器12的脉冲周期性地连接到地面。将脉冲线路18连接到地面的周期性脉冲在变压器T1的初级绕组上产生交流信号以在次级绕组上产生对应的交流信号。次级绕组的交流信号可由降压调节器32、二极管D4和电容C3进行调节以产生与对应负载的工作电压相对应的直流电压。
在一个实施例中，一个或多个负载需要的工作电压不同。由此，一个或多个变压器T1可在次级绕组生成不同的交流电压，并从降压调节器32产生不同的直流电压。
多个脉冲发生器12连接至脉冲线路18。如果一个脉冲发生器12故障或停止产生接地脉冲，则附加脉冲发生器12继续以预定频率将脉冲线路18连接至地面。例如，如上文参照附图2所述，如果一个脉冲发生器12检测到短路电压并且该脉冲发生元件(如振荡器22和MOSFETN1)与地面相隔离，则剩下的脉冲发生器12继续提供脉冲至地面以在系统中产生交流信号，这进而使得变压器T1能够产生用于不同负载的不同操作电压。
熔断器F1可位于每个变压器T1与配电母线16之间。例如，在图3中，熔断器F1位于直流馈电线17和变压器T1之间。此外，熔断器可位于每个正电源和直流馈电线17之间以在发生过电流时将正电源31之一从直流馈电线17断开。
在上述实施例中，仅有两个脉冲发生器为多个负载或控制源提供冗余故障被动型配电母线。负载或控制源的数量可以大于两个，从而使得对于每个单独的负载或控制源就不需要单独的脉冲发生器。也可增加附加的脉冲发生器(3个或更多)以用于增加冗余度和系统可用性。上述实施例通过检测和隔离振荡器或脉冲发生器中的故障来提供故障保护。
相比于每个负载或控制源需要单独脉冲发生器的系统，根据上述实施例的配电系统的尺寸可得以减小，这是因为在脉冲发生电路中需要较少的部件来提供冗余度。另外，相比于为每个负载或控制源提供单独的脉冲发生器或单独的冗余电压调节器的系统，根据上述实施例的配电系统的成本可降低。此外，部件的减少还可降低配电系统的总故障率。
虽然参考示范实施例对本发明进行了描述，但是应当理解，在不背离本发明范围的情况下，本领域技术人员可对其进行各种变换并且对其元件进行等效替换。此外，在不背离其实质范围的情况下，可对本发明的教导进行多种更改以适应特定情形或材料。因此，本发明不应被限制为作为用于实施本发明的最佳模式所公开的特定实施例，相反本发明应包含落入权利要求范围内的全部实施方式。

Claims (20)

1.一种配电系统，包括：
电源；
连接到电源和地面中的一个的多个负载；以及
多个脉冲发生器，每个脉冲发生器连接至所述多个负载的每一个，被配置为产生脉冲以按照预定频率将所述多个负载连接至所述电源和地面中的另一个。
2.如权利要求1所述的配电系统，进一步包括多个变压器，每个变压器位于所述多个负载中的对应一个与所述电源之间，所述变压器的一个接线端连接至所述电源，并且所述变压器的相反接线端连接至所述多个脉冲发生器。
3.如权利要求1所述的配电系统，其中，所述多个负载中的至少两个具有彼此不同的工作电压。
4.如权利要求1所述的配电系统，进一步包括位于所述电源和所述多个负载之间以为所述多个负载供电的馈电线。
5.如权利要求1所述的配电系统，其中，所述电源为直流电源。
6.如权利要求5所述的配电系统，进一步包括多个变压器，每个变压器位于所述多个负载中的对应一个与所述电源之间。
7.如权利要求6所述的配电系统，其中，所述变压器中的至少两个被配置为将来自所述直流电源的电压输出变压为与所述多个负载的至少两个不同的工作电压相对应的至少两个电压。
8.如权利要求1所述的配电系统，其中，所述电源包括多个直流电源。
9.如权利要求1所述的配电系统，其中，所述多个直流电源中的每一个被配置为提供相同电压的电力。
10.如权利要求1所述的配电系统，其中，所述多个脉冲发生器中的每一个包括按照源极到漏极串联连接的多个晶体管，该配电系统进一步包括：
连接至所述多个晶体管中的第一晶体管的栅极的振荡器；以及
连接至所述多个晶体管中的第二晶体管的栅极的比较器。
11.如权利要求10所述的配电系统，其中，所述比较器被配置为当在第一晶体管处检测到故障电压时将第一晶体管隔离。
12.如权利要求11所述的配电系统，其中，所述比较器被配置为将来自所述第一晶体管的电压输出与预定参考电压进行比较。
13.如权利要求12所述的配电系统，其中，所述预定参考电压是与短路相对应的电压。
14.如权利要求10所述的配电系统，其中，所述多个脉冲发生器中的每一个连接至单独的振荡器，并且单独的振荡器不同步。
15.如权利要求14所述的配电系统，其中，所述单独的振荡器被配置为以在10％与25％之间的占空比激活第一晶体管。
16.如权利要求10所述的配电系统，进一步包括反馈电路以为振荡器提供脉冲线路的电压和频率中的至少一个的反馈。
17.如权利要求1所述的配电系统，其中，所述脉冲发生器的数量少于所述负载的数量。
18.一种故障防止电路，包括：
连接至脉冲线路和地面的多个脉冲发生器，所述脉冲线路被配置为连接至多个负载，
其中，所述多个脉冲发生器中的每一个包括：
将脉冲线路连接至地面的第一晶体管；以及
按照源极到漏极与所述第一晶体管串联连接的第二晶体管，被配置为对所述第一晶体管的输出处的故障电压进行检测并在检测到所述故障电压时将所述第一晶体管与地面隔离。
19.如权利要求18所述的故障防止电路，其中，每个脉冲发生器包括：
连接至所述第一晶体管的栅极的振荡器；以及
连接至所述第二晶体管的栅极的比较器，被配置为将所述第一晶体管的输出电压与预定的故障电压进行比较。
20.如权利要求18所述的故障防止电路，其中，所述多个脉冲发生器相对于彼此异步工作。
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