CN106469907A - 用于双极高压直流电功率分配的系统、方法和设备 - Google Patents
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Abstract
本发明题为用于双极高压直流电功率分配的系统、方法和设备。用于飞行器功率分配的系统、方法和设备包含：双极高压直流源组件(52)；电力加载组件(58)，能够从双极高压直流源组件(52)提取电功率；切换组件的集合(54)，配置为将从双极高压DC源组件(52)至电力加载组件(58)的电力选择性地耦接；以及瞬态抑制组件(56)。瞬态抑制组件(56)被配置为当第一子集和第二子集合未处于相同的状态时，限制流经切换组件的集合(54)的第一或者第二子集合的电流。
Description
背景技术
电功率分配系统管理从能源到消耗所分配电功率的电负载的功率配给。在飞行器中，用于推进飞行器的燃气涡轮发动机典型地提供机械能，最终驱动多个不同的附件，该附件诸如有发电机、起动机/发电机、永磁发电机（PMG）、燃料泵和液压泵、例如飞行器上除推进外所需功能的装置。例如，现代的飞行器需要用于与航空电子设备、马达和其他电装置相关的电负载的电功率。
随着时间的推移，飞行器电功率源电压已经增加。具有14和28伏特直流（VDC）电功率系统的飞行器已经让位于具有以115伏特交流（VAC）和230 VAC操作的电功率系统的飞行器。目前，飞行器可以包含以包含±270 VDC的电压操作的一个以上的电功率源。例如，当前的宽体双发动机商业客机使用混合电压系统的电力系统，该电力系统包含以230 VAC、115VAC、28 VDC的电压操作的子系统；以及包含±270 VDC源的双极高压直流子系统。
高压DC电力系统中的电压能到达堪比家庭AC系统的级别并需要包含故障缓解特征，以对可能在系统中发生的异常的电流流动进行检测并反应。在家庭AC系统中，故障保护设备典型地包含断路器，该断路器能够典型地通过机电开关跳闸至断开位置，该机电开关能够在约50毫秒（ms）内致动，以在发生故障的条件下将馈线断电。当跨开放开关触点流动的电子在触点之间跨间隙将空气分子离子化时，将电流从高压DC源传递至电负载的机电开关在将开关开放时引起电弧，形成气体等离子体。等离子体具有低电阻，并且能够承受功率流。等离子体是热的，并能够腐蚀开关触点的金属表面。电流电弧使得触点并且由此使机电开关劣化，还使可能需要使用消弧方法的电磁干扰（EMI）劣化。
发明内容
在一个方面中，用于飞行器功率分配的系统包含：双极高压直流源组件，具有正电压引线和负电压引线；电力加载组件，能够从所述双极高压直流源组件提取电功率；切换组件的集合，配置为通过在开放状态与闭合状态间切换，将从所述双极高压DC源组件至所述电力加载组件的功率选择性地耦接，所述开放状态将从所述双极高压直流源组件至所述电力加载组件的功率解耦，所述闭合状态将从所述双极高压直流源组件至所述电力加载组件的功率耦接，其中，切换组件的第一子集合耦接至所述双极高压直流源组件的正引线，并且切换组件的第二子集合耦接至所述双极高压直流源组件的负引线；以及瞬态抑制组件。瞬态抑制组件被配置为当第一子集合和第二子集合未处于相同的状态时，限制流经切换组件的集合的第一或者第二子集合的电流。
在另一个方面中，分配功率的方法包含：从具有正电压引线和负电压引线的双极高压直流源组件通过切换组件的集合向电力加载组件施加功率，所述电力加载组件能够从所述双极高压直流源组件提取功率，所述切换组件的集合配置为通过在开放状态与闭合状态间切换，将从所述双极高压DC源组件至所述电力加载组件的功率选择性地耦接，所述开放状态将从所述双极高压直流源组件至所述电力加载组件的功率解耦，所述闭合状态将从所述双极高压直流源组件至所述电力加载组件的功率耦接，其中，切换组件的第一子集合耦接至双极高压直流源组件的正引线，并且切换组件的第二子集合耦接至双极高压直流源组件的负引线；以及当第一子集合和第二子集合未处于相同的状态时，利用瞬态抑制组件限制流经所述切换组件的集合的电流。
在另一个方面中，功率切换设备包含：切换组件的集合，配置为通过在开放状态与闭合状态间切换，将从双极高压DC源组件至电力加载组件的功率选择性地耦接，所述开放状态将从所述双极高压直流源组件至所述电力加载组件的功率解耦，所述闭合状态将从所述双极高压直流源组件至所述电力加载组件的功率耦接，其中，切换组件的第一子集合耦接至双极高压直流源组件的正引线，并且切换组件的第二子集合耦接至双极高压直流源组件的负引线；以及瞬态抑制组件，耦接至切换组件的集合。瞬态抑制组件被配置为当第一子集合和第二子集合未处于相同的状态时，限制流经切换组件的集合的第一或者第二子集合的电流。
技术方案1：一种用于飞行器功率分配的系统，包括：
双极高压直流源组件，具有正电压引线和负电压引线；
电力加载组件，能够从所述双极高压直流源组件提取电功率；
切换组件的集合，配置为通过在开放状态与闭合状态间切换，将从所述双极高压直流源组件至所述电力加载组件的功率选择性地耦接，所述开放状态将从所述双极高压直流源组件至所述电力加载组件的功率解耦，所述闭合状态将从所述双极高压直流源组件至所述电力加载组件的功率耦接，其中，切换组件的第一子集合耦接至所述双极高压直流源组件的所述正引线，并且切换组件的第二子集合耦接至所述双极高压直流源组件的所述负引线；以及
瞬态抑制组件，耦接至所述切换组件的集合，并配置为当所述第一子集合和所述第二子集合未处于相同的状态时，限制流经所述切换组件的集合的所述第一子集合或者所述第二子集合的电流。
技术方案2：如技术方案1所述的系统，其中，所述切换组件的所述第一子集合包含与所述切换组件的所述第二子集合的电流限制级别交错的电流限制级别，使得当所述电力加载组件经历短路时，所述切换组件的所述第一子集合在所述切换组件的所述第二子集合之前限制电流。
技术方案3：如技术方案1或2的任一项所述的系统，其中，所述双极高压直流源组件包含两个270伏特的直流功率供应。
技术方案4：如技术方案3所述的系统，其中，所述两个270伏特的直流功率供应中的一个的负引线耦接至机壳接地，并且所述两个270伏特直流功率供应的另一个的正引线耦接至所述机壳接地。
技术方案5：如技术方案1至4的任一项所述的系统，其中，所述切换组件的集合包含两个固态功率控制器。
技术方案6：如技术方案1至5的任一项所述的系统，还包括通信组件，配置为跨所述切换组件的集合的控制端子的集合施加外部电压，以控制并监控所述切换组件的集合的所述状态。
技术方案7：如技术方案1至6的任一项所述的系统，其中，所述瞬态抑制组件包含瞬时电压抑制器的集合或者金属氧化物变阻器的集合。
技术方案8：如技术方案7所述的系统，其中，所述瞬态抑制组件还包含跨所述切换组件的集合的输出耦接的续流二极管。
技术方案9：如技术方案5或从属于其的任一项技术方案所述的系统，其中，所述固态功率控制器包含：监控模块，确定所述固态功率控制器中的开关电流是否超过预定阈值；以及控制模块，能够响应于所确定的开关电流，设定所述两个固态功率控制器的所述状态。
技术方案10：如技术方案5或从属于其的任一项技术方案所述的系统，其中，所述固态功率控制器包含：监控模块，确定所述固态功率控制器中的温度是否超过预定阈值；以及控制模块，能够响应于所确定的温度，设定所述固态功率控制器的两者的状态。
技术方案11：一种分配功率的方法，所述方法包括：
从具有正电压引线和负电压引线的双极高压直流源组件通过切换组件的集合向电力加载组件施加功率，所述电力加载组件能够从所述双极高压直流源组件提取功率，所述切换组件的集合配置为通过在开放状态与闭合状态间切换，将从所述双极高压DC源组件至所述电力加载组件的功率选择性地耦接，所述开放状态将从所述双极高压直流源组件至所述电力加载组件的功率解耦，所述闭合状态将从所述双极高压直流源组件至所述电力加载组件的功率耦接，其中，切换组件的第一子集合耦接至双极高压直流源组件的正引线，并且切换组件的第二子集合耦接至双极高压直流源组件的负引线；以及
当第一子集合和第二子集合未处于相同的状态时，利用瞬态抑制组件限制流经所述切换组件的集合的电流。
技术方案12：如技术方案11所述的方法，还包含如下步骤：通过监控模块确定所述切换组件的集合中的开关电流是否超过预定阈值，并响应于所确定的开关电流，由控制模块设定所述切换组件的集合的状态。
技术方案13：如技术方案11或12所述的方法，还包含如下步骤：通过监控模块确定所述切换组件的集合中的温度是否超过预定阈值，并响应于所确定的温度，由控制模块设定所述切换组件的集合的状态。
技术方案14：如技术方案11至13任一项所述的方法，还包含如下步骤：使所述切换组件的集合的第一子集合的电流限制级别与所述切换组件的第二子集合的电流限制级别交错，使得当所述电力加载组件经历短路时，切换组件的所述第一子集合在切换组件的所述第二子集合之前限制电流。
技术方案15：一种功率切换设备，包括：
切换组件的集合，配置为通过在开放状态与闭合状态间切换，将从双极高压直流源组件至电力加载组件的功率选择性地耦接，所述开放状态将从所述双极高压直流源组件至所述电力加载组件的功率解耦，所述闭合状态将从所述双极高压直流源组件至所述电力加载组件的功率耦接，其中，切换组件的第一子集合耦接至双极高压直流源组件的正引线，并且切换组件的第二子集合耦接至双极高压直流源组件的负引线；以及
瞬态抑制组件，耦接至所述切换组件的集合，并配置为当第一子集合和第二子集合未处于相同的状态时，限制流经所述切换组件的集合的第一或者第二子集合的电流。
技术方案16：如技术方案15所述的功率切换设备，其中，所述切换组件的集合被配置为将来自包含两个270伏特的直流功率供应的双极高压直流源组件的功率选择性地耦接。
技术方案17：如技术方案16所述的功率切换设备，其中，两个270伏特的直流功率供应中的一个的负引线耦接至机壳接地，并且两个270伏特直流功率供应的另一个的正引线耦接至所述机壳接地。
技术方案18：如技术方案15至17任一项所述的功率切换设备，其中，切换组件的集合包含两个固态功率控制器。
技术方案19：如技术方案15至18任一项所述的功率切换设备，其中，所述瞬态抑制组件包含瞬时电压抑制器的集合或者金属氧化物变阻器的集合。
技术方案20：如技术方案19所述的设备，其中，所述瞬态抑制组件还包含跨切换组件的集合的输出耦接的续流二极管。
附图说明
在附图中：
图1是依据本文说明的各种方面的飞行器和电功率分配系统的示例自上而下的示意图。
图2是依据本文说明的各种方面的高压DC电功率分配系统的示例图。
图3是示出依据本文说明的各种方面的对双极高压DC电功率系统分配功率的方法的流程图。
图4是依据本文说明的各种方面的双极高压电功率分配系统的示例示意图。
图5是依据本文说明的各种方面的双极高压电功率分配系统的示例示意图。
图6是依据本文说明的各种方面的双极高压电功率分配系统的示例示意图。
图7是依据本文说明的各种方面的展示双极高压电功率分配系统的操作的电压和电流波形的示例绘图。
图8是依据本文说明的各种方面的展示双极高压电功率分配系统的操作的电压和电流波形的示例绘图。
具体实施方式
本发明的实施例在本文中是以飞行器为上下文来说明的，飞行器能从诸如涡轮发动机、喷气燃料、氢等能源产生电功率。然而，要理解的是本发明的一个实施例示出为飞行器环境，但本发明不限于此，并能一般应用到非飞行器应用的电功率分配系统中，诸如其他移动应用和非移动产业、商业、和住宅应用。例如，可适用的移动环境可以包含飞行器、宇宙飞船、航天运载火箭、卫星、机车、汽车等。商业环境可以包含制造设施或者功率生成和分配设施或者基础设施。
至少本发明的一些实施例提供包含瞬时检测和缓解能力的双极高压电功率分配系统、方法和装置。双极高压电功率分配系统包含切换组件的集合，诸如固态功率控制器（SSPC）。要理解的是“集合”能够包含任何数量的固态开关，包含单个固态开关。类似地，本文使用的“集合”能够包含任何数量的元件，包含单个元件。要理解的是本文使用的双极DC功率供应或者双极DC功率源可以被定义为直流电功率的源，其中输出电压可以被设定为正或者负并能够提供电流。要理解的是本文使用的高压DC可以被定义为在发生电故障时电压足够高得损坏固态组件的电能，可以包含但不限于大于集成到很多常规飞行器的由28 VDC功率源提供的电压。
当前，很少飞行器包含诸如±270 VDC的双极高压功率源，并且这些飞行器没有整合用于双极高压功率的电功率分配系统。然而，通过提供高压DC配电系统，双极高压DC源将不再限于飞行器的单个区域。所以，双极高压DC源通过配电系统将需要抑制瞬时电活动并缓解故障事件的能力，该故障事件可能在飞行器上由双极高压DC源驱动的负载处的任何位置发生。
因为与可靠性和切换速度相关的机电开关的关联问题，固态开关典型地被用于安全关键功率系统，诸如飞行器中可见并包含高压DC功率应用的系统。固态开关易受电路或者电力系统中的瞬时响应产生的损坏。诸如飞行器上提供的电功率系统会暴露至瞬时电活动的多个潜在源，该瞬时电活动包含但不限于装置故障和雷击。用于高压DC配电系统的瞬时保护方案包含：协调将耦接至高压DC源的正负馈送的固态开关开放和闭合的定时。固态开关的协调包含保护措施，使得如果耦接至正负馈送中的一个的固态开关故障，另一个不会损坏。
现在转向图1，示出依据本文说明的各种方面的飞行器和电功率分配系统的示例自上而下的示意图。飞行器2示出为具有至少一个燃气涡轮发动机，此处示出为实质上可以彼此相同的左发动机系统12和右发动机系统14。飞行器2可以具有任何数量的发动机系统。左发动机系统12能够耦接至将机械能转换为电功率的一个以上的电功率源16。要理解的是飞行器2中的任何或者所有发动机，包含左和右发动机系统12、14，可以耦接至一个以上的双极高压DC电功率源16。双极高压DC电功率源16可以耦接至电功率分配系统18，该电功率分配系统18选择性地对共同组成电负载的飞行器2上的系统和设备的集合通电。由双极高压DC功率源16通过电功率分配系统18驱动的系统和设备可以是飞行器上能够引起电负载的任何系统或者设备，并且包含但不限于飞行控制致动器26、用于驾驶舱显示的局部化的降压转换器27、环境控制系统28等。
在飞行器2中，操作的左右发动机系统12、14提供能够经由卷轴取出的机械能，以对双极高压DC功率源16提供驱动力。其他功率源可以包含但不限于发电机、电池、燃料电池、诸如冲压空气涡轮机（RAT）的备份功率源、用于将一个以上的AC源输入转换为双极高压DC源的整流器等。电功率源16反过来对于系统和设备26、27、28向电负载提供由电功率分配系统18分配的所产生的功率用于负载操作。
现在转向图2，示出依据本文说明的各种方面的双极高压DC电功率分配系统50的示例图。双极高压DC电功率分配系统包含耦接至切换组件的集合54的双极高压DC源组件52。切换组件的集合54将从双极高压DC源组件52至电力加载组件58的功率选择性地耦接。切换组件的集合54包含瞬态抑制组件56，以在瞬时电压事件期间限制电流流经固态切换组件的集合。通信组件60耦接至切换组件的集合54，以控制并监控切换组件的集合54的状态。
双极高压DC源组件52是双极高压DC功率源或者供应。双极高压DC源组件52可以输出任何正负电压级别，包含但不限于正负270V，用于将电功率分配至电力加载组件58。
切换组件的集合54包含固态开关的集合。固态开关的集合可以包含任何类型的固态开关，当跨开关的控制端子的集合施加外部电压时，能够在接通或者断开（即闭合或开放）间切换。切换组件的集合54中的每个固态开关可以包含：固态电子切换设备，其将功率切换至电力加载组件58的负载电路；以及耦接机构，以使控制信号能够启动开关而不用机电组件。切换组件的集合54可以是任何类型的固态电子开关，包含但不限于固态功率控制器（SSPC）、包含单个的金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）的固态继电器、包含以并联配置排列的多个MOSFET的固态继电器等。切换组件的集合的半导体切换元件可以由用于固态切换电子应用的任何材料形成，包含但不限于硅、碳化硅、氮化镓等。
切换组件的集合54的一个配置包含提供SSPC，该SSPC是控制供应到负载的电功率的半导体设备。另外，SSPC执行监督和诊断功能，以识别过载条件并防止短路。功能上，SSPC类似于具有机电切换元件的断路器，保护布线和负载不受故障的影响。与可能要求约30ms以上来完成从一个状态到另一个的过渡的机电开关相比，SSPC可以在微秒的数量级内切换状态。用SSPC实现时，切换组件的集合54可以包含内置的监控和保护特征，包含但不限于电压监控、电流监控、保证负正SSPC不过热的温度监控、电流限制、I2t监控、电弧故障保护、和低精确度接地故障保护等。SSPC的内置的监控和保护特征使得切换组件的集合54用作能够控制向负载的输出的控制器，以保证适当的操作。SSPC可以包含可配置的微处理器，其能够被编程来增加控制特性。每个SSPC可以包含任何配置、拓扑结构或者电子元件，用于在高压DC电功率分配系统50中切换功率，包含但不限于提供每个SSPC来包含一个以上的并联的半导体设备以提高电流承载能力，SSPC的配置通过串联使用两个单向设备等而为双向。
切换组件的集合54可以包含任何数量的开关，包含但不限于耦接至来自双极高压DC源组件52的正引线的一个开关；以及耦接至来自双极高压DC源组件52的负引线的第二开关。因此，在一个配置中，切换组件的集合54包含：耦接至来自双极高压DC源组件52的正引线的第一SSPC；以及耦接至来自双极高压DC源组件52的负引线的第二SSPC。
通信组件60部分通过与飞行器的其他控制元件通信来控制并监控切换组件的集合54的状态。例如，通信组件60将SSPC的状态报告回其他交通工具管理控制系统。通信组件60能够将指示命令的数据传输至开关；读出包含开关是开放还是闭合的开关的状态；并监控开关的健康。例如，开关的状态可以包含开关是开放还是闭合的指示，并且开关的健康可以包含温度指示。通信组件60可以基于能够传输与切换组件的集合54的控制和状态相关的数据的任何数据通信硬件和协议，包含但不限于被配置为实现公认标准485（RS-485）的平衡互连线缆、被配置为实现控制器区域网络（CAN总线）协议的2线串行线缆、被配置为实现公认标准232（RS-232）的3线或者5线串行线缆等。
瞬态抑制组件56限制双极高压DC分配系统50中流过切换组件的集合54的电流。通过双极高压配电系统50，电流从双极高压DC源组件52流出至切换组件的集合54，流出至电力加载组件58，进而再次返回。因此，瞬态抑制组件56被配置为在过压条件期间限制或阻止电流流经切换组件的集合54，过压条件可能潜在地在切换组件的集合54中的一个以上使电流的破坏级别下降。瞬态抑制组件56可以由能够限制通过固态切换元件的电流的任何设备形成并配置，包含但不限于金属氧化物变阻器（MOV）、瞬时电压抑制器（TVS）、续流（即回扫、抑制、钳位等）二极管、和它们的包含切换组件的集合54的内部和外部元件的组合。
现在参考图3，示出依据本文说明的各种方面的对双极高压DC电功率系统50分配功率的方法100的流程图。在110，双极高压DC源组件52对双极高压DC分配系统50施加功率。根据双极高压DC源组件52的类型或者配置，施加功率可以包含：启动发电机；开始发动机；发出控制命令来对源通电；将一个以上的电路闭合等。在正常或者理想的操作期间，按照电力加载组件58的操作要求，切换组件的集合54闭合，并且电力加载组件58通电，并且使功率正确下沉。在异常操作甚至实际、标称现实操作中，切换组件的集合54不总是处于相同的状态。例如，当一个开关闭合时，另一个开关可能开放。在一些实例中，切换组件的集合54的状态的不对称是因为双极高压DC功率分配系统50的故障而发生的。在其他实例中，切换组件的集合54的状态不对称是因为切换事件缺少同时性而发生的。在切换组件的集合54中一个开关在另一个开关之前改变状态。切换组件的集合54的切换缺少同时性部分是因为能够由电子控制实现的协调水平有限而发生的。附加地或替代地，缺少同时性可能由能够包含但不限于开关的物理分离的操作要求而进一步加剧。例如，由于双极高压DC电功率系统50的高压，开关经常分离至少一英尺以加强电隔离。由于开关之间的通信延迟，物理分离可能产生小的非同步切换。
因此，在步骤112，确定切换组件的集合54的状态包含：确定是否所有开关为开放或者闭合。如果切换组件的集合54中的所有开关未处于相同状态，那么瞬态抑制组件56限制流经固态切换组件的集合54的电流。在步骤114，瞬态抑制组件56限制流经固态切换组件的集合54的电流，以对固态切换组件的集合54提供保护措施。
现在参考图4，示出依据本文说明的各种方面的双极高压电功率分配系统200的示例示意图。双极高压DC源组件210包含一个通过负引线、另一个通过正引线耦接至机壳接地236的两个高压DC源211。双极高压DC源组件210耦接至切换组件的集合216，其包含两个SSPC 212和214；耦接至双极高压DC源组件210的正侧的第一SSPC 212；以及耦接至双极高压DC源组件210的负侧的第二SSPC 214。双极高压DC源组件210与切换组件的集合216之间的耦接可以包含电流限制导线238。切换组件的集合216耦接至电力加载组件226。切换组件的集合216与电力加载组件226之间的耦接可以包含电流限制导线238。
第一和第二SSPC 212、214能够包含多个子组件和模块，用于控制并保护切换组件的集合216。SSPC 212、214可以包含主要固态开关224，其开放或者闭合以将电力加载组件226与双极高压DC源组件210耦接或解耦。如图4所示，主要固态开关224可以包含可以由一个以上的保护元件形成的瞬态抑制组件225，包含但不限于金属氧化物变阻器（MOV）、瞬时电压抑制器（TVS）等。瞬态抑制组件225对指示瞬时事件的突然或者瞬间的过压条件进行反应，并限制流经主开关224的电流。SSPC 212、214可以包含跨开关的输入、开关的输出或这两者的一个以上的缓冲电路228，以抑制电压尖峰，并抑制当开关开放时由电路电感引起的阻尼振荡。SSPC 212、214可以包含一个以上的内置的测试电路230，以提供内置测试（BIT）特征。内置测试电路230允许启动内置试验（IBIT）方案的操作，该方案使自测试SSPC 212、214能够验证SSPC 212、214正常工作。内置测试电路230可以测试SSPC的任何特征，包含但不限于用来检测电弧故障的电弧故障检测电路。当两个SSPC开放时，由于半导体泄漏导致的每个SSPC的输出处出现的电压被耦接至SSPC 212、214的输出和机壳接地236的电阻元件240、241管理。SSPC 212、214可以包含开关控制子组件222，其能够协调与外部通信组件234的通信、经由监控模块218实现保护功能、并控制SSPC 212、214的主开关224的状态。监控模块218可以包含用于确定可能损坏开关的潜在事件的任何监控特征，包含但不限于电压监控、电流监控、温度监控、电流限制、I2t监控、电弧故障保护、和低精确度接地故障保护等。SSPC 212、214可以提供差分馈送故障保护，其中，比较正SSPC 212和负SSPC 214的输出电流，以确定总接地故障。监控模块218可以监控在SSPC 212、214处的输出电流和电压，以提供串行和并行电弧故障检测。SSPC 212、214包含闭环电流限制，其中，每个SSPC 212、214使用本地闭环电流反馈，以保证在电流限制事件期间该电流在SSPC 212、214之间被均匀共享。监控模块218可以通过对于电流限制固态设备而言有用的任何配置或者技术来提供电流限制，包含但不限于线性电流限制和脉冲宽度调制（PWM）技术。控制模块220可以基于来自外部通信组件234或者监控模块218或者其组合的输入，来控制主开关224的状态。
通过实现上述限定的监控和保护措施，双极高压电功率分配系统200可以实现多个步骤来控制并协调SSPC 212、214。例如，双极高压电功率分配系统200具有当主开关224处于开放和闭合状态时连续监控每个主开关224的状态的能力。当每个主开关224处于闭合状态时，监控模块218能够实现I2t导线保护，如果监控模块218确定为电流从预定阈值曲线脱离，那么来自控制模块的命令可以将两个主开关224设定为开放状态。预定阈值可以是确定I2t跳闸的任何电流对时间曲线，包含但不限于提供样本曲线的航天和工业标准。类似地，如果监控模块218确定为SSPC 212或214的开关电流超过了预定阈值，那么电流可以被限制，并且主开关224跳闸至开放状态。根据可用来将电流传递通过SSPC的切换半导体的数量，预定阈值可以是任何电流级别，包含但不限于处于10和1000安培（A）之间的电流级别。如果监控模块确定为SSPC 212、214的温度超过了标称级别，那么控制模块220可以将两个SSPC 212、214设定至开放状态或者经由通信组件234报告回外部控制组件。根据具体的SSPC，标称级别可以是任何温度，包含但不限于100摄氏度（℃）。
当串联使用两个电流限制SSPC 212、214时，如图4所示，如果每个SSPC 212、214的电流限制级别相等，那么双极高压电功率分配系统200在闭环电流控制中可能会经历不稳定。所以，切换组件的集合216对于每个SSPC 212、214可以包含交错电流限制级别。例如，正SSPC 212电流限制可以设定为600%，并且负SSPC电流限制214可以设定为500%。通过这样，交错电流限制级别保证了在短路负载方案期间，正SSPC 212首先限制电流。出于状态和健康监控目的，对电压和电流进行监控。SSPC 212、214可以包含用于控制半导体泄漏的元件和方法，包含但不限于泄放电阻240。在切换SSPC 212、214的状态、即所谓的接通和断开事件时，SSPC 212、214可以通过对dV/dt提供闭环反馈以将负载电压dV/dt控制在特定范围内。特定无法可以是任何每单元时间的电压改变，包含但不限于对于±270 VDC系统中的每个开关为100V/微秒。在SSPC接通和断开事件期间，SSPC 212、214可以使电流限制设定点斜变，来控制负载电流dI/dt的上升率。
图5是依据本文说明的各种方面的双极高压电功率分配系统300的示例示意图。该双极高压电功率分配系统与图4所示的类似，因此，同样部分将标注相同的数字并增加100，其中要理解的是第一双极高压电功率分配系统的类似部分的说明也适用于第二双极高压电功率分配系统，除非另外指出。图5包含瞬态抑制组件325，具有附加的元件，示出为切换组件的集合316外部的续流二极管350。续流二极管350能够减小跨SSPC312、314的主开关324在MOV或者TVS设备中消散的瞬时能量。图6是依据本文说明的各种方面的双极高压电功率分配系统400的示例示意图。瞬态抑制组件425包含跨切换组件的集合416的输出的续流二极管450。MOV或者TVS设备452、454位于跨SSPC412、414的输入。在图5和图6中，两个SSPC212、214、312、314需要是共位的，以减小续流二极管350、450的布线中的损失，而在图4的配置中，切换组件的集合216不需要是共位的。
图7是依据本文说明的各种方面的展示双极高压电功率分配系统的操作的电压和电流波形的示例绘图。该绘图展示了上述开关拓扑结构如何处理诸如当正SSPC 212、312、412和负SSPC 214、314、414不共位时会发生的、正SSPC 212、312、412和负SSPC 214、314、414的非同步切换。在时间（1），功率施加到±270 VDC供应的双极高压DC源组件52，诸如图4-6示出为210、310、410。随着输入和输出缓冲器228、328、428的电容充电，通过SSPC的集合216、316、416的电流瞬间增加。SSPC的集合216、316、416中每个SSPC的输入的电压上升至±270 VDC，并且SSPC的集合216、316、416的主开关224、324、424设定为开放状态，跨两个正和负主开关224、324、424的电压为270 VDC。
在时间（2），负SSPC 214、314、414的主开关224、324、424闭合，并且跨负SSPC 214、314、414的主开关224、324、424的电压减小至0V，并且来自负SSPC 214、314、414的输出电压（VOUT Negative）减小至-270V。类似地，因为在电力加载组件226、326、426存在电势，正SSPC212、312、412的输出电压（VOUT Positive）也减小至-270V。跨正SSPC 212、312、412的主开关的电压为540 VDC。在该期间，负载电压保持为零，因为正SSPC 212、312、412的主开关224、324、424没有被设定为闭合状态。因为正负输出缓冲器228、328、428的充电，总电流（ITotal Positive和ITotal Negative）小。
在时间（3），正SSPC 212、312、412的主开关224、324、424被设定为闭合状态，并且跨正SSPC 212、312、412的主开关224、324、424的电压减小至0V，并且正SSPC 212、312、412的输出电压上升至正270V。类似地，电力加载组件226、326、426电耦接至双极高压DC源组件210、310、410，因此，负载电压增加至540V，并且总电流上升至100%额定电流（例如120A）。
在时间（4），正SSPC 212、312、412的主开关224、324、424被设定为开放状态，并且由于布线循环电感导致的MOV/TVS钳位的反电动势（EMF），跨正SSPC 212、312、412的主开关224、324、424的电压增加至约1kV。跨正SSPC 212、312、412的主开关224、324、424的电压减小至540V的稳定状态。负载电压也减小至零，并且总SSPC输出电流减小至0A。
图8的绘图示出在时间（5）负SSPC 214、314、414的主开关224、324、424被设定为开放状态时。因为每个持有显著能量的输出缓冲器228、328、428和泄漏电阻240、241、340、341、440、441具有相对高的电阻值，以减小稳定状态损耗，缓冲器228、328、428的电容器以约25ms进行放电。因此正负输出电压、以及正负主开关电压不分别返回0V、0V、270V和270V，直至负SSPC 214、314、414的主开关224、324、424被设定为开放状态之后的25ms。
在飞行器中高压DC双极功率分配的有利效果是：与低电压DC系统所要求的相比，高级别的功率能够以更低的电流级别输送给给定负载。在一些情况下，给定的负载要求的电流减小了给定的恒定功率需求，因此，减小了对于给定的负载要求的导线规格，因此，能得到更轻的布线。上述实施例对于高压DC双极功率供应的固态切换的有利效果包含：在短路事件期间快速保护和电流限制；对导线故障和电弧故障的快速保护；电容负载的控制的充电；以及对电感负载切换和闪电的保护。上述的元件配置提供的电力系统拓扑结构能够容忍包含开放或者闭合故障的开关故障事件，容忍非同步的切换，并对每个开关提供辅助保护。另外，拓扑结构能够实现为单向或者双向。
在还没有说明的范围内，各种实施例的不同特征和结构能够被用于根据期望来彼此互相组合。没能在所有的实施例中示出的一个特征不意味着解释为其不能，而只是为了说明的简洁起见。因此，不同实施例的各种特征能够根据期望混合并匹配的来形成新的实施例，无论新的实施例是否被明确说明。本文说明的所有组合或者特征的排列由本公开覆盖。
本书面说明使用包含最佳模式的示例来公开本发明，另外能够使本领域的技术人员将本发明付诸实践，包含制造并使用任何设备或者系统并执行任何整合的方法。本发明的可专利范围由权利要求定义，并可以包含本领域的技术人员能想到的其他示例。如果其他示例具有与权利要求的字面语言并没有不同的构成要素，或者如果其他示例包含与权利要求的字面语言具有非实质差异的等同构成要素，那么这样的其他示例落入权利要求的范围内。
附图标记说明
| 2 | 飞行器 | 228 | 缓冲电路 |
| 12、14 | 发动机系统 | 232 | 接地故障中断组件 |
| 16 | 双极高压DC功率源 | 234 | 通信组件 |
| 18 | 电功率分配系统 | 236 | 机壳接地 |
| 26 | 控制致动器 | 238 | 电流限制导线 |
| 27 | 局部化的降压转换器 | 240 | 电阻 |
| 28 | 环境控制系统 | 241 | 电阻 |
| 50 | 双极高压DC配电系统 | 300 | 双极高压DC分配系统 |
| 52 | 双极高压DC源组件 | 310 | 双极高压DC源组件 |
| 54 | 切换组件的集合 | 311 | DC源 |
| 56 | 瞬态抑制组件 | 312、314 | SSPC |
| 58 | 电力加载组件 | 316 | 切换组件的集合 |
| 60 | 通信组件 | 318 | 监控模块 |
| 100 | 功率分配方法 | 320 | 控制模块 |
| 110、112、114 | 方法100的步骤 | 322 | 开关控制和监控子组件 |
| 200 | 双极高压DC分配系统 | 324 | 主开关 |
| 210 | 双极高压DC源组件 | 325 | 瞬态抑制组件 |
| 211 | DC源 | 326 | 电力加载组件 |
| 212、214 | SSPC | 330 | BIT |
| 216 | 切换组件的集合 | 328 | 缓冲电路 |
| 218 | 监控模块 | 332 | 接地故障中断组件 |
| 220 | 控制模块 | 334 | 通信组件 |
| 222 | 开关控制和监控子组件 | 336 | 机壳接地 |
| 224 | 主开关 | 338 | 电流限制导线 |
| 225 | 瞬态抑制组件 | 340 | 电阻 |
| 226 | 电力加载组件 | 341 | 电阻 |
| 230 | BIT | 350 | 续流二极管。 |
Claims (10)
1.一种用于飞行器功率分配的系统，包括：
双极高压直流源组件(52)，具有正电压引线和负电压引线；
电力加载组件(58)，能够从所述双极高压直流源组件(52)提取电功率；
切换组件的集合(54)，配置为通过在开放状态与闭合状态间切换，将从所述双极高压直流源组件(52)至所述电力加载组件(58)的功率选择性地耦接，所述开放状态将从所述双极高压直流源组件(52)至所述电力加载组件(58)的功率解耦，所述闭合状态将从所述双极高压直流源组件(52)至所述电力加载组件(58)的功率耦接，其中，切换组件的第一子集合耦接至所述双极高压直流源组件(52)的所述正引线，并且切换组件的第二子集合耦接至所述双极高压直流源组件(52)的所述负引线；以及
瞬态抑制组件(56)，耦接至所述切换组件的集合(54)，并配置为当所述第一子集合和所述第二子集合未处于相同的状态时，限制流经所述切换组件的集合(54)的所述第一子集合或者所述第二子集合的电流。
2.如权利要求1所述的系统，其中，所述切换组件的所述第一子集合(212)包含与所述切换组件的所述第二子集合(214)的电流限制级别交错的电流限制级别，使得当所述电力加载组件(226)经历短路时，所述切换组件的所述第一子集合(212)在所述切换组件的所述第二子集合(214)之前限制电流。
3.如权利要求1所述的系统，其中，所述双极高压直流源组件(210)包含两个270伏特的直流功率供应(211)。
4.如权利要求3所述的系统，其中，所述两个270伏特的直流功率供应中的一个的负引线耦接至机壳接地(236)，并且所述两个270伏特直流功率供应的另一个的正引线耦接至所述机壳接地(236)。
5.如权利要求1所述的系统，其中，所述切换组件的集合(216)包含两个固态功率控制器。
6.如权利要求1所述的系统，还包括通信组件(60)，配置为跨所述切换组件的集合(54)的控制端子的集合施加外部电压，以控制并监控所述切换组件的集合的所述状态。
7.如权利要求1所述的系统，其中，所述瞬态抑制组件(225、325)包含瞬时电压抑制器的集合或者金属氧化物变阻器的集合。
8.如权利要求7所述的系统，其中，所述瞬态抑制组件(325)还包含跨所述切换组件的集合(316)的输出耦接的续流二极管(350)。
9.如权利要求5所述的系统，其中，所述固态功率控制器包含：监控模块(218、318)，确定所述固态功率控制器中的开关电流是否超过预定阈值；以及控制模块(220、320)，能够响应于所确定的开关电流，设定所述两个固态功率控制器的所述状态。
10.如权利要求5所述的系统，其中，所述固态功率控制器包含：监控模块(218、318)，确定所述固态功率控制器中的温度是否超过预定阈值；以及控制模块(220、320)，能够响应于所确定的温度，设定所述固态功率控制器的两者的状态。
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