CN107636924B - 包括用于防止短路过电流的装置的自动、高可靠性、全冗余的电子电路断路器 - Google Patents

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Abstract

一种可编程电源(PPSE)开关元件。在优选实施例中，PPSE包括：前功率晶体管、主开关晶体管和可选的串联的至少一个反向电流阻断晶体管(优选MOSFET)，每个晶体管的栅极均连接到栅极驱动器；与晶体管串联连接的电感器和分流电阻器；连接在地电位和结点之间的电荷存储电容器，该结点位于电感器和分流电阻器之间；高速NPN晶体管，其集电极连接到前功率晶体管，其发射极经由分流电阻器连接到主开关晶体管的输出端；与分流电阻器并联的电流测量元件；电压放大器；以及高速MCU。

Description

包括用于防止短路过电流的装置的自动、高可靠性、全冗余的 电子电路断路器
相关申请的引用
本申请要求2015年3月16日提交的第237775号以色列专利申请的优先权，该申请的全部内容以引用的方式并入本申请。
技术领域
本发明一般涉及电子熔断器。特别地，本发明涉及可编程电子熔断器，该熔断器用于防止短路条件下的高电流，消除电源电流浪涌，防止开关元件损坏并提高熔断器的整体可靠性。
背景技术
可编程电源开关系统(PPSS)和可编程电源开关元件(PPSE)和方法对于AC和DC电流的应用在本领域中是公知的。这样的系统被冠以不同的名称，如“智能电源开关”、“保护系统”、“电子熔断器”等。本领域当前公知的大多数系统涉及短路或开路负载的检测，并且随后执行对电源和负载分支的保护和隔离。然而，对于这些系统，如果MOSFET发生故障，那么这些系统不能在相关开关内提供任何保护或冗余。此外，如果在检测到短路和负载分支与电源的断开之间存在延迟，那么MOSFET——短路的负载，和电源将暴露在过电流中，这可能降低整个系统电压甚至熔化MOSFET。
目前市场上的系统主要包括机械熔断器、热熔断器和磁性熔断器。近来，已经开发出基于MOSFET、SiC MOSFET IGBT、功率晶体管或SCR/Triac的电子熔断器。这些系统可以检测短路，然后断开负载与电压源的连接，但是在断开完成前电压源和MOSFET都将吸收高电流。电池和燃料电池的相对较高的内部电阻限制了系统的可靠性，但是，由于这些类型的熔断器不能足够快速地响应以防止电池出现高电流浪涌的情况，从而使得电池几乎肯定会被损坏。
例如，如果能量源是内部电阻为0.5Ω的24V的电池，即使是1毫秒的50A的短路也会引起电池的短路，导致电气开关系统中的所有负载失去能量。由于短路电流过高，电池附近连接电容将无法实际解决此问题。
类似地，如果能量源是例如连接到内部电阻为5mΩ的MOSFET的内部电阻为1m部的24V的车载电池，短路将导致24V/0.006Ω＝4000A的电流。因此，在检测到短路之前即便只有1ms的延迟也将引起电池短路，从而导致电气开关系统中的所有负载失去能量。由于短路电流过高，MOSFET将会熔化。
在电源具有高阻抗的情况下，本领域已知的电源开关系统通常将明显不希望有的浪涌电流引入到电路中。另一方面，在电源是阻抗非常低的电池或供电装置的情况下，短路将不可避免地，至少是短暂地，产生高电流。包含MOSFET的典型电路无法处理即使只有1μs的这样的瞬态高电流(几千安培数量级)。这样的情况会熔化晶体管并使负载永久短接。
在短路或开路负载条件下迅速地将能量源与负载分支隔离从而保护能量源和开关元件免受这种情况下产生的瞬态高电流的影响，确保MOSFET的可靠性和隔离度，并且符合标准的熔断器座的PPSS/PPSE仍然是一个长期的，尚未满足的需求。
发明内容
本文公开的发明的目的是在本发明的情况下以改进的电子熔断器的形式提供这样一种PPSS和PPSE。
因此，本发明的目的是公开一种可编程电源开关元件(PPSE)，其中所述PPSE包括：第一端子(110)；包括漏极，源极和栅极的前功率晶体管(103)，其中所述漏极与所述第一端子串联连接；连接到所述前功率晶体管的所述栅极的第一栅极驱动器(104)；与所述前功率晶体管串联连接的主开关晶体管(108)，所述主开关晶体管包括漏极，所述漏极连接到所述前功率晶体管的所述源极；第一反向电流阻断晶体管(102)，包括漏极，源极和栅极，所述第一反向电流阻断晶体管与所述前功率晶体管和所述主开关晶体管串联，并位于所述前功率晶体管和所述主开关晶体管之间，所述第一反向电流阻塞晶体管连接到第一栅极驱动器；连接到所述主开关晶体管的所述栅极的第二栅极驱动器(106)；第二反向电流阻断晶体管(111)，包括漏极，源极和栅极，所述第二反向电流阻断晶体管与所述主开关晶体管和分流电阻器(114)串联，并位于所述主开关晶体管和分流电阻器(114)之间，所述第二反向电流阻断晶体管的栅极连接到第二栅极驱动器(106)；与所述第二反向电流阻断晶体管串联连接，并位于所述第二反向电流阻断晶体管和所述分流电阻器之间的电感器器(112)；连接在地电位和连结点之间的电荷存储电容器(113)该连结点位于所述电感器器和所述分流电阻器之间；包括集电极和发射极的第一NPN晶体管(115)，所述集电极连接到所述前功率晶体管的所述栅极，所述发射极经由所述分流电阻器(114)和所述电感器器连接到所述至少一个主开关晶体管的所述输出端(116)；包括双向分流电压放大器的电流测量元件(120)，所述电流测量元件与所述分流电阻器并联连接；与所述分流电阻器串联连接的第二端子(116)；以及，包括高速A/D转换器的高速MCU(118)，该高速A/D转换器连接到所述晶体管和电荷存储电容器，还连接到所述电压放大器。
在本发明的一些优选实施例中，PPSE还包括高速存储装置(110)，该设备被配置为识别短路状态和断开所述晶体管(108，111)与电流源的电连接。在本发明的一些特别优选的实施例中，所述高速存储装置被配置为在发生短路状态的200ns内断开所述晶体管。
本发明的另一个目的是公开一种可编程电源开关元件(PPSE)，其中所述PPSE包括：第一端子(110)；包括漏极，源极和栅极的第一主开关晶体管(141)，其中漏极与所述第一端子串联连接；连接到第一主开关晶体管栅极的栅极驱动器(144)与所述第一主开关晶体管串联连接的并且包括漏极的第二主开关晶体管(145)，所述漏极连接到所述第一主开关晶体管的所述源极，并且第二主开关晶体管(145)用作为串联连接的反向电流阻断晶体管；与所述第二主开关晶体管串联连接的电感器(147)；与所述电感器串联连接的分流电阻器(149)；连接在地电位和连结点之间的电荷存储电容器(148)该连结点位于所述电感器和所述分流电阻器之间；与所述分流电阻器串联连接的第二端子(116)；包括集电极和发射极的NPN晶体管(150)，所述集电极连接到所述前功率晶体管的所述栅极，所述发射极经由所述分流电阻器和所述电感器连接到所述第二端子；包括双向电压放大器(151)的电流测量元件，所述电流测量元件与所述分流电阻器并联连接；以及包括可编程延迟单元和高速A/D转换器的高速MCU(146)，该高速A/D转换器俩连接到所述晶体管、所述电荷存储电容器和所述电压放大器。
本发明的另一个目的是公开如上述任一项所定义的PPSE，其中所述晶体管中的至少一个晶体管是MOSFET。
本发明的另一个目的是公开如上述任一项所定义的PPSE，其中包括所述第一端子的所述PPSE可连接到电压源，并且所述第二端子可连接到负载。
本发明的另一个目的是公开如上述任一项所定义的PPSE，其中所述第一反向电流阻断晶体管的所述栅极连接到所述第一栅极驱动器(104)。
本发明的另一个目的是公开如上述任一项所定义的PPSE，其中所述第二反向电流阻断晶体管的所述栅极连接到所述第二栅极驱动器(106)。
本发明的另一个目的是公开如上述任一项所定义的PPSE，其中所述电感器具有介于10nH和500nH之间的电感器值。
本发明的另一个目的是公开如上述任一项所定义的PPSE，其中所述电荷存储电容器具有介于1μF和50μF之间的电容。
本发明的另一个目的是公开如上述任一项所定义的PPSE，其中所述NPN晶体管(115)的特征在于具有至少200MHz的FT。在本发明的一些优选实施例中，所述NPN晶体管(115)的特征在于具有约300MHz的FT。
本发明的另一个目的是公开如上述任一项所定义的PPSE，其中所述MCU被编程为读取所述电荷存储电容器两端的电压下降；读取所述电流测量元件上的电压上升；存储所述系统的预定电流限制；检测流过所述系统的电流的值和波形；并且向所述前功率晶体管发送信号以引导所述前功率晶体管打开或关闭。
本发明的另一个目的是公开如上述任一项所定义的PPSE，其中所述MCU被编程为测量电流波形并将所述电流波形与系统状态相关联。在本发明的一些优选实施例中，所述系统状态从由正常运行、短路、和电动机停转组成的组群中选取。
本发明的另一个目的是公开如上述任一项所定义的PPSE，其中所述MCU包括：闪速存储器；随机存取存储器；非易失性存储器；至少一个电荷泵驱动器；UART；SPI；模数转换器；以及板级接口。
本发明的另一个目的是公开如上述任一项所定义的PPSE，其中所述电子熔断器仅包括一个主开关晶体管。
本发明的另一个目的是公开如上述任一项所定义的PPSE，其中所述电子熔断器包括源极到源极串联连接的两个主开关晶体管。
本发明的另一个目的是公开如上述任一项所定义的PPSE，其中所述电子熔断器的特征在于标准的熔断器尺寸。
本发明的另一个目的是公开如上述任一项所定义的PPSE，其中所述电子熔断器配置为与壳体相适合，该壳体是从由标准熔断器座和PCB可安装外壳组成的组群中所选择的。
本发明的另一个目的是公开一种可编程电源开关系统(PPSS)，包括：能量源(200)；多个PPSE，其如上述任一项所定义的那样连接到所述电源；以及被配置为向所述多个PPSE的所述MCU发送并从其接收信号的MCU(204)。在PPSS的一些优选实施例中，所述能量源是电池。
本发明的另一个目的是公开一种用于确定在系统中的短路的位置的方法，该系统包括电压源和至少一个分支电流负载，该方法包括：获得如上述任何一项所定义的PPSE；将所述电子熔断器插入所述系统、插在所述电压源和所述至少一个分支电流负载之间；确定所述电荷存储电容器两端的初始电压V0；根据与所述电子熔断器的距离确定所述系统的电阻值Rd；确定所述系统的电容C；在所述短路发生时使用所述电子熔断器开路所述电路；在使用所述电子熔断器开路所述电路的步骤之后，在时间t的至少一个点确定所述电荷存储电容器两端的电压；根据Vt＝V0e-t/RC确定电阻R，其中Vt是在时间t所述电荷存储电容器两端的电压；并且，通过计算R/Rd来确定所述位置。
附图说明
现在将参考附图描述本发明，其中：
图1展示了本发明的PPSE的一个实施例的电路原理图；
图2展示了本文公开的发明的一个实施例的接通和断开过程的示意图；
图3展示了本发明的PPSE的一个实施例的电路原理图，其中PPSE被配置为在AC系统中进行短路检测；
图4展示了本文公开的发明的PPSE的第二实施例的电路原理图；
图5A和图5B展示了结合本文公开的发明的完整电气开关系统的示意图；
图6A和图6B展示了本文公开的发明的PPSE的壳体的一个实施例的侧视图和后视图(未按比例)；
图7A和图7B分别展示了连接到本文公开的发明的PPSE的不稳定电源上升到其最终电压时，分别在电源和输出端随时间变化的电压。
图8A展示了用于模拟本文公开的发明的PPSE特性的模型的电路图；以及
图8B-8D展示了使用图8A所示的电路模拟的各种短路条件下，负载电流、电容器电压和电压波形随时间变化的波形图。
具体实施方式
在下面的描述中，将描述本发明的各个方面。为了解释说明的目的，阐述了具体细节以提供对本发明的透彻理解。显而易见的是，对于本领域技术人员而言，存在本发明的其它实施例，这些实施例在细节上不同，而不影响本发明的本质。因此，本发明的合适的范围应被理解为如所附权利要求中所表明的内容，其适当的范围仅由所述权利要求的最广泛的解释来确定。
在本文中关于数量所使用的术语“约”是指在标称值±25％范围内的值。
本文公开的电子熔断器(可编程电源开关元件或PPSE)能够实现测量、管理、保护和将分支负载与能量源隔离，同时实现对流过电路和晶体管的电流的高浪涌电流限制。串联的多个晶体管保护和隔离能量源不受任何可能发生的短路和可能发生在某一分支电路上的任何过电流的影响。在一些优选实施例中，PPSE包括一对串联的晶体管。在另外一些优选实施例中，PPSE包括串联的四个晶体管。如下面详细描述的，这里公开的PPSE在直流和交流系统中是完全能够使用的，并且能够感测以任何方向流过电路的电流、任何电压极性以及正极和负极的断开。
现在参考图1，其展示了本发明的PPSE的一个实施例的电路原理图。PPSE连接到电压源100，电压源100的特征在于具有内部电阻Rsource并将能量传递到至少一个分支电路117。在优选实施例中，PPSE包括串联连接的四个晶体管：前功率晶体管103，第一反向电流阻断晶体管102，主开关晶体管108和第二反向电流阻断晶体管111。PPSE还包括至少一个栅极驱动器；在优选实施例中，PPSE包括第一栅极驱动器104和第二栅极驱动器106。在本发明的优选实施例中，每个栅极驱动器都与电荷泵组合。在本发明的一些优选实施例中，栅极驱动器是电位隔离的。
前功率晶体管103连接到电压源。前第一反向电流阻断功率晶体管102的源极连接到前功率晶体管103的源极，而第一反向电流阻断功率晶体管102的漏极连接到主开关晶体管108的漏极。主开关晶体管108的源极连接到第二反向电流阻断晶体管111的源极。第二反向阻断晶体管的漏极连接到低电感强度电感器112，电感器112在典型的实施例中具有10nH-500nH的电感强度。
晶体管的栅极连接到栅极驱动器。在优选实施例中，前功率晶体管和第一反向阻断晶体管的栅极连接到第一栅极驱动器104，而主开关晶体管和第二反向阻断晶体管的栅极连接到第二栅极驱动器106。栅极驱动器可以在自主模式下或在MCU118的控制下运行。由于系统的严格时序关系，特别是下面详细描述的接通/断开信号的时序，需要具有高速A/D转换器的高速MCU以运行本发明的PPSE。电感器112经由分流电阻器114连接到负载，从而被充电至负载电压。PPSE还包括具有电容Cstore(在本发明的典型实施例中，Cstore在1μF-50μF范围内)的低ESR电荷存储电容器113，该电容连接在地电位和连结点之间，该连结点位于电感器112和电阻114之间。
在本发明的优选的实施例中，PPSE还包括被配置为识别短路状态和将所述晶体管(108，111)从电流源断开的高速存储装置110，正如下面所详细描述的那样。在本发明的一些特别优选的实施例中，所述高速存储装置被配置为在发生短路状态的200ns内断开所述晶体管。
在PPSE中使用的晶体管可以是任何类型的半导体开关元件，如晶体管、FET、MOSFET、IGBT、SIC晶体管、SCR/三端双向可控硅等。在本发明的优选实施例中，晶体管102、103、108和111是MOSFET。
当PPSE连接电压源到负载时，MCU118开路前功率晶体管103和第一反向电流阻断晶体管102到主开关晶体管108和第二反向电流阻断晶体管111。
在该阶段，栅极驱动器/电荷泵104打开，并且前功率晶体管开始导通(没有电流消耗)。在一个较短时段之后(通常为1μs-3μs)，MCU118开路主开关晶体管108和第二反向电流阻断晶体管111，并将源极连接到PPSE输出端116，将功率传送到负载。由于前功率晶体管和第一反向电流阻断晶体管已经开路，所以开关能量损失仅出现在主开关晶体管和第一反向阻断晶体管上。MCU读取分流电阻器114上的电压下降，电流正常流动。
在正常运行条件下，通过分流电阻器和双向电流测量元件120和MCU118来测量通过功率晶体管的电流。对于系统级电源管理，PPSS可以通过串行或其他通信方式询问每个PPSE。当发生适度电流上升短路时，PPSE断开晶体管并通知PPSS(例如，通过发送中断信号)。系统将继续以这种模式运行，除非发生快速电流上升短路，这需要PPSE快速响应以防止损坏电压源和晶体管。
当发生突然或快速电流上升短路时，PPSE输出端短接到地电位，并且电流通过分流电阻器114上升。通过电流测量元件120测量电流。电流上升在电流测量元件上转换为电压，并由高速，高共模双向电流到电压放大器放大，其输出端连接到MCU的高速A/D转换器。该过程对于缓慢上升时间短路条件非常有效，例如在远端点的短路，即使具有非常快速的并联放大器和A/D转换器或比较器，但还是太慢无法实际使用。然而，在附近短路的情况下，从电源到短路位置的低电阻路径将承载数千安培的瞬态电流，如上所述，这将熔化熔断器并烧结或熔化晶体管。为了保护晶体管，在本发明的PPSE中，电感器和电容被添加到高电流路径。通过晶体管将电流提供给负载，该晶体管馈送电感器112和电荷存储电容器113。
由于电流快速上升，电感器112经历高阻抗Z(Z＝jωL)。例如，对于100nH的电感器和在1μs的时间内发生的短路，阻抗Z将为0.628Ω[＝(1)(2π×106)(100×10-9)]。该幅度的阻抗将限制24V的DC电源中短路电流为24/0.628＝38.2A。电流的快速上升产生了将晶体管与负载隔离的高阻抗元件，因此晶体管因此不会经历短路电流。在这种电流快速升高期间，短路电流从电荷存储电容器113通过分流电阻器114流向短路。
分流电阻器114上的快速电流流动由电荷存储电容器113提供，在NPN晶体管115的基极发射极上形成电压，NPN晶体管115反过来断开前功率晶体管103和102的栅极电压，并且复位栅极驱动器快速存储器110(即执行高速触发器)，使晶体管108和111与电流源断开。在优选实施例中，NPN晶体管115是高速的(在优选实施例中，FT>200MHz；在更优选的实施例中，FT约为300MHz)，以便使前功率晶体管103和102能够在小于100ns内关闭。这个过程要足够快，在此过程中电感器112保持在高阻抗状态以从高短路电流中保护供电电压源和晶体管102、103、108和111。
PPSE从前功率晶体管的漏极获得其工作所需的电力，同时在板101上调节内部电源。轻质量热敏电阻器105(通常为一个或两个)测量功率晶体管的温度，以便在晶体管温度接近或超过最大允许温度时执行快速响应。
现在参考图2，图2示意性地展示了本发明的PPSE的导通和断开过程(分别为300和350)。在导通过程中，晶体管108和111吸收导通过程中的开关损耗，同时晶体管103和102吸收断开开关损耗。这种配置可确保冗余并提高PPSE的整体可靠性。
本发明公开的PPSE的新颖设计防止了对晶体管的任何损坏，并充分提供了PPSE的总体可靠性，使得半导体系统在现实应用中可用作熔断器。因此，PPSE可以用作将电源与负载完全断开的熔断器。该功能通过AC/反向电流区块(晶体管102和111)来实现。如果PPSE断开，则反向电流晶体管区块用于阻止返回电流，并且PPSE运转的与普通熔断器一样。在许多DC应用中，例如，电机控制，PPSE可以将反向电流导回电源。用于这种应用的实施例不包括晶体管102和111反向电流区块；如果实施例中最初提供的PPSE是包含这些元件的，则它们可以被移除或短接(例如通过使用短接导线)以用于这些类型的DC应用。
为了获得最大的成本效益和尽可能高的可靠性，每个PPSE分支电路熔断器可以基于MCU118内部的存储参数以自主模式运行。在该模式中，电流测量元件120电压放大器的输出可以馈送到模拟比较器109中，并与通过本地MCU118或固定电位计预先设定的固定值进行比较，或者可以通过使用非易失性电位计进行数字控制，并由连接器122通过信号传输，中断PPSE MCU和(PPSS)。通过先前描述的过程，高速前功率晶体管102和103被断开并重连的过程被保留。相同的中断可以产生PPSS中断121，以进行完整系统控制。
PPSE单元117从PPSS获得操作参数，并经由串行总线和标志122产生用于完整系统控制的返回数据。
在本发明的优选实施例中，PPSE具有自我学习阶段，在此阶段中在短路条件下确定每个分支的负载特性。在自我学习阶段中，MCU将波形和电流上升的时间依赖性复制到MCU存储器中。可选地，操作者可以故意地产生诸如电动机停转或短路的条件，使得这些条件下的电流波形可以被测量和存储。在学习阶段完成后，MCU算法能够识别预期的电流模式，并且在发生过电流情况时根据这些模式进行动作。
在本发明的一些优选实施例中，本地PPSE MCU被编程为向PPSS处理器通知短路或过流的情况。
在本发明的一些优选实施例中，MCU被编程为执行自动恢复算法。作为自动恢复算法的操作的非限制性实例，如果电流波形指示电动机停转，则MCU在短路发生之前增加电流。在很多情况下，这个程序会使系统从失速中恢复并恢复正常。作为另一个非限制性实例，如果该系统用于无人机(UAV)中，可以将MCU编程为在电池几乎完全放电的情况下，收紧对短路条件的约束。
本文公开的本发明的一些优选实施例提供了用于确定短路位置的装置。在学习阶段，串联的晶体管通过与电感器112和电荷存储电容器113的连接/断开顺序，以确定电容电压、输出电压、电荷和电流。然后，MCU可以根据等式(1)和(2)将时间t处的实际电压和电流值与连接/断开序列期间最初确定的值进行比较，其中Vt和It是在时间t处在电荷存储电容器上的电荷和电流，V0是电荷存储电容器上的初始电压，R是系统中导线的电阻，Cstore是电荷存储电容器的电容值。
因为V0和Cstore是已知的(寄生并联电容和电阻可以在安装电子熔断器时被测量，或者被忽略，因为其通常相对于C来说非常小)，等式(1)可以通过使用Vt的测量值求解R。将短路的条件下R与在安装电子熔断器时测量的R，或与根据导线的已知电阻计算的R进行比较，可以提供足够的信息来确定短路位置。
在本发明的一些实施例中，通过使用可变电压来执行短路位置的确定，该可变电压是通过使用脉冲宽度调制(PWM)信号在输出端产生的。在这些实施例中，由于PPSE的RLC架构，PPSE在输出端产生可变电压，该可变电压与PWM占空比的函数成比例。作为非限制性示例，如果输入电压为24V，具有10％占空比(即，晶体管有10％的时间导通)，则在输出端116处的电压将为5V，而如果占空比为90％，则在输出端116处的电压将为18V。因此，产生降低短路电流的低电压是可能的，并且即使短路将整体电阻仅降低了几毫欧姆，也可以测量短路电流。
在这种配置中，在短路的情况下，将已知占空比的由PWM信号产生的已知低电流注入到电路中。由于电压源和短路之间的总电阻是由输出电压与短路电流的比值给出的，并且每单位长度的导线的电阻是已知的，那么通过测量由PWM信号产生的电流，并根据欧姆定律计算的总电阻，和根据每单位长度的导线的电阻计算的到短路电路的距离，可以容易计算出短路电路的位置。
现在参考图3，图3提供了PPSE的一个实施例的一部分的示意图，其中PPSE被配置为在AC电气系统中检测短路。在这些实施例中，电流测量装置120被配置为测量AC电流，并且NPN晶体管115是被光学耦合到光源302的光电晶体管，从而构成双向输入光学耦合器。在优选实施例中，光源包括沿相反方向并联连接的两个LED，如图3所示。当发生短路时，无论是在电流波形的正极部分还是负极部分，电流感测电阻两端的电压都会发生下降。当电压下降大于预设水平时，光学耦合器开始导通，从而使快速存储装置复位并从电流源断开开关晶体管(108，111)。
现在参考图4，图4提供了本文公开的电子熔断器的另一个实施例的示意图。该实施例包括两个晶体管而不是四个。在图4所示的实施例中，PPSE包括两个主功率晶体管(开关晶体管141和145)。第二晶体管145用作反向电流阻断晶体管。在短路引起快速上升时间电流浪涌的情况下，经由位于分流电阻器149附近的高速NPN晶体管150，主开关功率晶体管141和145被从过电流电路断开。当这种情况发生时，内部存储器被重置，并且主开关功率晶体管(141，145)和栅极驱动器144被经由MCU146内可编程延迟单元传递的信号关闭。在本发明的这个降低成本的实施例中，浪涌电流保护由电感器147和电荷存储电容器148提供，这保护了开关晶体管141和145免受高浪涌电流的影响。该实施例不能实现先前描述的四晶体管实施例的冗余水平，但是尽管如此，该布置完全保护了开关晶体管免受高浪涌电流的影响。
与图1所示的实施例一样，图4所示的PPSE的实施例将在100ns内执行导通-断开切换(在优选实施例中，在50ns内)。但是，与现有技术中的已知技术相反，在短路的情况下，由于电感器L和电荷存储电容器，给PPSE供能的负载电流将不必提供浪涌电流。经由电荷存储电容器提供短路电流，直到主开关晶体管断开。在“正常”上升时间短路的情况下，电流测量元件151将电流值发送到比较器155，这将触发可编程延迟以断开主开关功率晶体管141和145，用来在预定时段后重新启动连接。可编程延迟单元的数字或模拟电位计156和电位计POT2可以调节电路的短路电流水平和重新连接延迟时间的各种参数值。在本发明的优选实施例中，热敏电阻器157与跳闸电流电压相关联，以便在晶体管温度变化时允许改变跳闸电流，从而显着增加了PPSE的整体可靠性。
图4所示的实施例能以类似于1图所示的实施例的方式用于AC电流系统中。与图1所示的实施例类似，电流测量元件151被配置为测量AC电流，并且NPN晶体管150是被光学耦合到光源(例如LED)302的光电晶体管以形成光学耦合器。
来自PPSE的数据经由连接器158提供给PPSS，该连接器至少传送以下信号：电流模拟水平；跳变点阈值；用于编程可选的数字电位计的信号；以及可以RF或者物接触通信系统159承载的在独立的PPSE数字电位计数据中的信号地。
现在参考图5，图5提供了包含本文所公开的电子熔断器的一个完整电气开关系统PPSS的一个实施例的示意图。在所示的实施例中，能量源200是电池，但是也可以使用本领域已知的任何能量源。能量源连接到多个电子熔断器。在图示的实施例中(图5A)，展示了三个电子熔断器201、202和203，但被连接到能量源的电子熔断器可以是任何数量。所示的实施例包括单级开关矩阵。在其他实施例中，熔断器能以组或以分层方式实现。用于控制和读取的信号被路由到MCU FPGA或多个MCU204(图5B)。
本文公开的电子熔断器的另一个优点是其尺寸小。在优选实施例中，整个电子熔断器具有标准的熔断器尺寸，因此能适合于具有至少0.75cm3的内部容积的任何标准熔断器座。现在参考图6，图6展示了本文所公开的PPSE的壳体600的非限制性典型实施例的示意图。图6A展示了壳体(未按比例)的侧视图。壳体的前部包括接通/断开转换开关605和当PPSE使用时被点亮的指示灯610。图6B展示了壳体的后视图，展示了功率输入标签615，功率输入标签620，接地标签625以及可选的通信和网络连接器630(图6A中也可以看到标签615和620)。表1展示了图6中实例性展示的电子熔断器的实施例中的引脚布置的非限制性实例。
表格1
在本发明的优选实施例中，PPSE的特征在于尺寸为用于电气面板的标准尺寸；特定的PPSE的精确尺寸通常适用于特定地应用，并且取决于使用PPSE的应用所承载的电流。因此，本发明的PPSE可适用于任何标准的熔断器座，用于任何可由当前本领域已知的任何类型的熔断器或电流断路器保护的电路。
以类似于上述讨论的使用PWM输入信号的方式来确定短路的位置，在本发明的一些实施例中，PWM输入信号被用在不稳定的电源接通/断开的情况下。在这些实施例中，PWM输入信号在输出端产生电压；如上所述，输出电压将根据PWM占空比而变化，其上升时间也一样。在这些实施例中，即使输入倾斜上升不稳定，熔断器也将在输出端产生正确的电压倾斜上升。现在参考图7，图7展示了在激活不稳定的电源之后，电源(图7A)和输出端(图7B)的电压随时间变化的曲线图。如图所示，即使在电源达到其最终电压的～10ms期间，电源没有提供平滑的倾斜上升，输出也将经历平滑上升到其最终电压。
现在参考图7，图7呈现了本文所公开的PPSE的操作模拟结果。使用市售的SPICE(具有集成电路算法的仿真模拟程序)程序进行模拟。模拟在图7A所示的简化电路上进行。
图7B和图7C呈现了在图7A中所示的电路短路之后，作为时间的函数的相关电压和电流的计算值。图7B中展示的结果表明，即使使用小的(10nH)电感器，输入电流和因此产生的MOSFET电流保持在100A以下，远远低于小功率MOSFET在不被损坏的情况下可以经受的最大电流。图7C呈现了电路的类似计算的结果，该电路与图7A中电路相同，除了电路中不包含的电感器。如图所示，在这种情况下，输入电流和因此产生的MOSFET均高于4750安培，即使对于大功率MOSFET，该电流也远远高于可用的上限值。这些结果清楚地表明了本文公开的PPSE的用途。
图7D展示了本文公开的PPSE的短路特性的另一个实例，在这种情况下，400Hz、115V的AC电力系统的负极输入信号短路4ms。从图中可以看出，短路对负载产生了～5kA的电流，但输入电流保持恒定为～13A。
对于本领域技术人员清楚的是，本文公开的本发明还存在相对于现有技术的其他优点和益处。

Claims (49)

1.一种可编程电源开关元件，其特征在于，所述可编程电源开关元件包括：
第一端子；
前功率晶体管(103)，其包括漏极、源极和栅极，其中，所述前功率晶体管的所述漏极与所述第一端子串联连接；
第一栅极驱动器(104)，其连接到所述前功率晶体管的所述栅极；
主开关晶体管(108)，其与所述前功率晶体管串联连接，所述主开关晶体管包括漏极，所述主开关晶体管的所述漏极连接到所述前功率晶体管的所述源极；
第一反向电流阻断晶体管(102)，包括漏极、源极和栅极，所述第一反向电流阻断晶体管与所述前功率晶体管和所述主开关晶体管串联，并位于所述前功率晶体管和所述主开关晶体管之间，所述第一反向电流阻断晶体管的所述栅极连接到所述第一栅极驱动器；
第二栅极驱动器(106)，其连接到所述主开关晶体管的所述栅极；
分流电阻器(114)，其与所述主开关晶体管串联连接；
连结点，其位于电感器(112)和所述分流电阻器之间；
第二端子(116)，其与所述分流电阻器串联；
第二反向电流阻断晶体管(111)，包括漏极、源极和栅极，所述第二反向电流阻断晶体管与所述主开关晶体管和所述分流电阻器串联，并位于所述主开关晶体管和所述分流电阻器之间，所述第二反向电流阻断晶体管的所述栅极连接到所述第二栅极驱动器(106)；
电荷存储电容器(113)，其连接在地电位和所述连结点之间；
所述电感器(112)，其位于所述源极和所述电荷存储电容器之间；
NPN晶体管(115)，其包括集电极和发射极，所述集电极连接到所述前功率晶体管的所述栅极，所述发射极连接到所述第二端子；
电流测量元件(120)，其包括双向分流电压放大器，所述电流测量元件与所述分流电阻器并联连接；以及
高速MCU(118)，其包括高速A/D转换器，所述高速A/D转换器连接到所述晶体管、所述电荷存储电容器和所述电压放大器。
2.根据权利要求1所述的可编程电源开关元件，其特征在于，所述可编程电源开关元件的所述第一端子能够连接到电压源，并且所述第二端子能够连接到负载。
3.根据权利要求1所述的可编程电源开关元件，其特征在于，包括栅极驱动器高速存储装置(110)，其被配置为当由于所述存储电容(113)放电导致电流流过所述分流电阻器(114)而在所述NPN晶体管(115)的所述发射极上产生电压时被复位，从而将所述晶体管(108，111)从电流源上断开。
4.根据权利要求3所述的可编程电源开关元件，其特征在于，所述高速存储装置被配置为在发生短路状态的200ns内断开所述晶体管。
5.根据权利要求1所述的可编程电源开关元件，其特征在于，
所述可编程电源开关元件包括光源(302)；
所述NPN晶体管(115)是被光学耦合到所述光源的光电晶体管；以及
所述电流测量元件(120)被配置成用于测量AC电流。
6.根据权利要求5所述的可编程电源开关元件，其特征在于，所述光源包括沿相反方向并联连接的2个LED。
7.根据权利要求1所述的可编程电源开关元件，其特征在于，所述晶体管(102、103、108、111)中的至少一个晶体管是MOSFET。
8.根据权利要求1所述的可编程电源开关元件，其特征在于，所述第一反向电流阻断晶体管的所述栅极连接到所述第一栅极驱动器(104)。
9.根据权利要求1所述的可编程电源开关元件，其特征在于，所述第二反向电流阻断晶体管的所述栅极连接到所述第二栅极驱动器(106)。
10.根据权利要求1所述的可编程电源开关元件，其特征在于，所述电感器的电感器值介于10nH至500nH之间。
11.根据权利要求1所述的可编程电源开关元件，其特征在于，所述电荷存储电容器的电容值介于1μF和50μF之间。
12.根据权利要求1所述的可编程电源开关元件，其特征在于，所述NPN晶体管(115)的特点是具有至少200MHz的FT。
13.根据权利要求1所述的可编程电源开关元件，其特征在于，所述NPN晶体管(115)的特点是具有300±75MHz的FT。
14.根据权利要求1所述的可编程电源开关元件，其特征在于，所述高速MCU被编程为：读取所述电荷存储电容器上的电压下降；读取所述电流测量元件上的电压上升；存储包括所述可编程电源开关元件的系统的预定电流限制；检测流过所述系统的电流值和电流波形；并且向所述前功率晶体管发送信号以管理所述前功率晶体管接通或断开。
15.根据权利要求1所述的可编程电源开关元件，其特征在于，所述高速MCU被编程为测量电流波形并将所述电流波形与系统状态相关联。
16.根据权利要求15所述的可编程电源开关元件，其特征在于，所述系统状态选自正常运行、短路和电动机停转组成的组。
17.根据权利要求1所述的可编程电源开关元件，其特征在于，所述高速MCU包括：
闪速存储器；
随机存取存储器；
非易失性存储器；
至少一个电荷泵驱动器；
UART；
SPI；
模数转换器；以及
板级接口。
18.根据权利要求1所述的可编程电源开关元件，其特征在于，所述可编程电源开关元件仅包括一个主开关晶体管。
19.根据权利要求1所述的可编程电源开关元件，其特征在于，所述可编程电源开关元件包括源极和源极串联的两个主开关晶体管。
20.一种可编程电源开关元件，其特征在于，所述可编程电源开关元件包括：
第一端子；
第一主开关晶体管(141)，其包括漏极、源极和栅极，其中，所述第一主开关晶体管的所述漏极与所述第一端子串联连接；
栅极驱动器(144)，其连接到所述第一主开关晶体管的所述栅极；
第二主开关晶体管(145)，其与所述第一主开关晶体管串联连接，所述第二主开关晶体管包括漏极和源极，所述第二主开关晶体管的所述源极连接到所述第一主开关晶体管的所述源极；
电感器(147)，其位于所述第二主开关晶体管的所述漏极和电荷存储电容器(148)之间；
分流电阻器(149)，其与所述电感器串联连接；
连结点，其位于所述电感器和所述分流电阻器之间；
所述电荷存储电容器(148)，其连接在地电位和所述连结点之间；
第二端子(116)，其与所述分流电阻器串联连接；
NPN晶体管(150)，其包括集电极和发射极，所述集电极连接到所述栅极驱动器，所述发射极连接到所述第二端子；
电流测量元件(151)，其包括与所述分流电阻器并联连接的电压放大器；以及
高速MCU(146)，其包括：
可编程延迟单元；以及
高速A/D转换器，其连接到所述晶体管、所述电荷存储电容器和所述电压放大器。
21.根据权利要求20所述的可编程电源开关元件，其特征在于，包括栅极驱动器高速存储装置(110)，其被配置为当由于所述存储电容(113)放电导致电流流过所述分流电阻器(114)而在所述NPN晶体管(115)的所述发射极上产生电压时被复位，从而将所述晶体管(108，111)从电流源上断开。
22.根据权利要求21所述的可编程电源开关元件，其特征在于，所述高速存储装置被配置为在发生短路状态的200ns内断开所述晶体管。
23.根据权利要求20所述的可编程电源开关元件，其特征在于，
所述可编程电源开关元件包括光源(302)；
所述NPN晶体管(150)是被光学耦合到所述光源的光电晶体管；以及
所述电流测量元件(151)被配置成用于测量AC电流。
24.根据权利要求20所述的可编程电源开关元件，其特征在于，所述开关晶体管(141，145)中的至少一个开关晶体管是MOSFET。
25.根据权利要求20所述的可编程电源开关元件，其特征在于，所述电感器的电感器值介于10nH至500nH之间。
26.根据权利要求20所述的可编程电源开关元件，其特征在于，所述电荷存储电容器的电容值介于1μF和50μF之间。
27.根据权利要求20所述的可编程电源开关元件，其特征在于，所述NPN晶体管(115)的特点是具有至少200MHz的FT。
28.根据权利要求20所述的可编程电源开关元件，其特征在于，所述NPN晶体管(115)的特点是具有300MHz±75MHz的FT。
29.根据权利要求20所述的可编程电源开关元件，其特征在于，所述高速MCU被编程为：读取所述电荷存储电容器上的电压下降；读取所述电流测量元件上的电压上升；存储包括所述可编程电源开关元件的系统的预定电流限制；检测流过所述系统的电流的值和波形；并且向所述第一主开关晶体管和所述第二主开关晶体管发送信号以管理所述第一主开关晶体管和所述第二主开关晶体管接通或断开。
30.根据权利要求20所述的可编程电源开关元件，其特征在于，所述高速MCU被编程为测量电流波形并将所述电流波形与系统状态相关联。
31.根据权利要求30所述的可编程电源开关元件，其特征在于，所述系统状态从由正常运行、短路和电动机停转组成的组群中选取。
32.根据权利要求20所述的可编程电源开关元件，其特征在于，所述高速MCU包括：
闪速存储器；
随机存取存储器；
非易失性存储器；
至少一个电荷泵驱动器；
UART；
SPI；
模数转换器；以及
板级接口。
33.根据权利要求1至32中任一项所述的可编程电源开关元件，其特征在于，所述可编程电源开关元件的特点是具有标准熔断器尺寸。
34.根据权利要求1至32中任一项所述的可编程电源开关元件，其特征在于，所述可编程电源开关元件被配置成适合在从由标准熔断器座和PCB可安装外壳组成的组群中选择的壳体。
35.一种可编程电源开关系统，其特征在于，包括：
能量源(200)；
多个根据权利要求1至32中任一项所述的可编程电源开关元件，其连接到所述能量源；以及
MCU(204)，其被配置为向多个所述可编程电源开关元件的所述高速MCU发送信号并从所述高速MCU接收信号。
36.根据权利要求35所述的可编程电源开关系统，其特征在于，所述能量源是电池。
37.一种可编程电源开关系统，其特征在于，包括：
能量源(200)；
多个根据权利要求33所述的可编程电源开关元件，其连接到所述电源；以及
MCU(204)，其被配置为向多个所述可编程电源开关元件的所述高速MCU发送信号并从所述高速MCU接收信号。
38.根据权利要求37所述的可编程电源开关系统，其特征在于，所述能量源是电池。
39.一种可编程电源开关系统，其特征在于，包括：
能量源(200)；
多个根据权利要求34所述的可编程电源开关元件，其连接到所述电源；以及
MCU(204)，其被配置为向多个所述可编程电源开关元件的所述高速MCU发送信号并从所述高速MCU接收信号。
40.根据权利要求39所述的可编程电源开关系统，其特征在于，所述能量源是电池。
41.一种用于确定系统中的短路的位置的方法，所述系统包括电路，所述电路包括电压源和至少一个分支电流负载，所述方法包括：
得到权利要求1至32中的任一项所定义的可编程电源开关元件；
将所述可编程电源开关元件插入所述系统、插在所述电压源和所述至少一个分支电流负载之间；
确定所述电荷存储电容器两端的初始电压V0；
根据与所述可编程电源开关元件的距离确定所述系统的电阻值Rd；
确定所述系统的电容C；
在所述短路发生时使用所述可编程电源开关元件使所述电路开路；
在使用所述可编程电源开关元件使所述电路开路的步骤之后，在时间t的至少一个点处确定所述电荷存储电容器两端的电压；
根据Vt＝V0e-t/RC确定电阻R，其中Vt是在时间t时所述电荷存储电容器两端的电压；以及；
通过计算R/Rd来确定所述位置。
42.一种用于确定系统中的短路的位置的方法，所述系统包括电路，所述电路包括电压源和至少一个分支电流负载，所述方法包括：
得到根据权利要求33所述的可编程电源开关元件；
将所述可编程电源开关元件插入所述系统、插在所述电压源和所述至少一个分支电流负载之间；
确定所述电荷存储电容器两端的初始电压V0；
根据与所述可编程电源开关元件的距离确定所述系统Rd的电阻值；
确定所述系统的电容C；
在所述短路发生时使用所述可编程电源开关元件使所述电路开路；
在使用所述可编程电源开关元件使所述电路开路的步骤之后，在时间t的至少一个点确定所述电荷存储电容器两端的电压；
根据Vt＝V0e(-t/RC)确定电阻R，其中Vt是在时间t时所述电荷存储电容器两端的电压；以及
通过计算R/Rd来确定所述位置。
43.一种用于确定系统中的短路的位置的方法，所述系统包括电路，所述电路包括电压源和至少一个分支电流负载，所述方法包括：
得到根据权利要求34所述的可编程电源开关元件；
将所述可编程电源开关元件插入所述系统、插在所述电压源和所述至少一个分支电流负载之间；
确定所述电荷存储电容器两端的初始电压V0；
根据与所述可编程电源开关元件的距离确定所述系统Rd的电阻值；
确定所述系统的电容C；
在所述短路发生时使用所述可编程电源开关元件使所述电路开路；
在使用所述可编程电源开关元件使所述电路开路的步骤之后，在时间t的至少一个点确定所述电荷存储电容器两端的电压；
根据Vt＝V0e(-t/RC)确定电阻R，其中Vt是在时间t时所述电荷存储电容器两端的电压；以及
通过计算R/Rd来确定所述位置。
44.一种用于确定系统中的短路的位置的方法，所述系统包括电压源和至少一个分支电流负载，所述方法包括：
得到根据权利要求1至32中的任一项所述的可编程电源开关元件；
将所述可编程电源开关元件插入所述系统、插在所述电压源和所述至少一个分支电流负载之间；
根据与所述可编程电源开关元件的距离确定所述系统Rd的电阻值；
提供脉冲宽度调制输入信号，所述脉冲宽度调制输入信号的特征在于具有预定的占空比，从而产生输出电压；
测量短路电流；
从所述短路电流和所述输出电压确定总电阻R；以及
通过计算R/Rd来确定所述位置。
45.一种用于确定系统中的短路的位置的方法，所述系统包括电压源和至少一个分支电流负载，所述方法包括：
得到根据权利要求33所获得的可编程电源开关元件；
将所述可编程电源开关元件插入所述系统、插在所述电压源和所述至少一个分支电流负载之间；
根据与所述可编程电源开关元件的距离确定所述系统Rd的电阻值；
提供脉冲宽度调制输入信号，所述脉冲宽度调制输入信号的特征在于具有预定的占空比，从而产生输出电压；
测量短路电流；
从所述短路电流和所述输出电压确定总电阻R；以及
通过计算R/Rd来确定所述位置。
46.一种用于确定系统中的短路的位置的方法，所述系统包括电压源和至少一个分支电流负载，所述方法包括：
得到根据权利要求34所述的可编程电源开关元件；
将所述可编程电源开关元件插入所述系统、插在所述电压源和所述至少一个分支电流负载之间；
根据与所述可编程电源开关元件的距离确定所述系统Rd的电阻值；
提供脉冲宽度调制输入信号，所述脉冲宽度调制输入信号的特征在于具有预定的占空比，从而产生输出电压；
测量短路电流；
从所述短路电流和所述输出电压确定总电阻R；以及
通过计算R/Rd来确定所述位置。
47.一种用于识别和隔离系统中的不稳定电源开关状况的方法，所述系统包括电压源和至少一个分支电流负载的，其特征在于，所述方法包括：
得到根据权利要求1至32中的任一项所述的可编程电源开关元件；
将所述可编程电源开关元件插入所述系统、插在所述电压源和所述至少一个分支电流负载之间；以及
提供脉冲宽度调制输入信号，所述脉冲宽度调制输入信号的特征在于具有预定的占空比，从而产生以已知上升时间为特征的电压上升斜坡。
48.一种用于识别和隔离系统中的不稳定电源开关状况的方法，所述系统包括电压源和至少一个分支电流负载，其特征在于，所述方法包括：
得到根据权利要求33所述的可编程电源开关元件；
将所述可编程电源开关元件插入所述系统、插在所述电压源和所述至少一个分支电流负载之间；以及
提供脉冲宽度调制输入信号，所述脉冲宽度调制输入信号的特征在于具有预定的占空比，从而产生以已知上升时间为特征的电压上升斜坡。
49.一种用于识别和隔离系统中的不稳定电源开关状况的方法，所述系统包括电压源和至少一个分支电流负载，其特征在于，所述方法包括：
得到根据权利要求34所述的可编程电源开关元件；
将所述可编程电源开关元插入所述系统、插在所述电压源和所述至少一个分支电流负载之间；以及
提供脉冲宽度调制输入信号，所述脉冲宽度调制输入信号的特征在于具有预定的占空比，从而产生以已知上升时间为特征的电压上升斜坡。
CN201680016281.7A 2015-03-16 2016-03-14 包括用于防止短路过电流的装置的自动、高可靠性、全冗余的电子电路断路器 Active CN107636924B (zh)

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