CN108183472A - 包括换向装置的配电系统 - Google Patents

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Abstract

提供一种用于将电力输送到负载的配电系统。所述配电系统包括安置在所述负载与电源之间的换向装置。所述换向装置包括与接触器串联安置的固态功率控制器(SSPC)。

Description

包括换向装置的配电系统
技术领域
本发明涉及配电系统。更确切地说，本发明涉及包括换向装置(commutationdevice)的配电系统。
背景技术
配电系统从一个或多个电源选择电力并将电力分配到一个或多个负载。每个电源可以是主电源或整个分配系统的另一部件的输出。类似地，每个负载可以是功耗装置(例如，加热器)或到分配系统自身的级的电力输入。因此，系统作为整体可包括功率管理装置的一个或多个链。
在典型的配电系统中，机电接触器(或继电器)通常用作换向装置。此类接触器通常在闭合时对功率流具有低阻抗且在断开时对功率流具有高阻抗。后种状态有效地防止电流从电源流动到负载。
接触器可能具有不合需要的特性，包括在改变状态时至少10ms的切换时间。另一个不利的操作特性是当接触器未能断开时，当电流极高时，如果接触器将低阻抗电源连接到短路负载，那么可发生失败模式。
已经使用高电流电力切换半导体装置来缓解上述问题。这些半导体装置在用以替代接触器时形成所谓的固态功率控制器(SSPC)。基于SSPC的换向装置可比其基于接触器的对应部分快得多地断开或闭合。此外，因为电流的改变速率受到负载的接线的本征电感限制，所以基于的SSPC换向装置可断开以在超出最大电流瞬态电平之前在便利且安全的过载电平下去除电力。
存在可用于SSPC的电力切换组件的多种组件技术(例如，金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、半导体闸流管、三端双向可控硅开关元件、绝缘栅双极晶体管(IGBT))，但MOSFET通常对于低电压应用(例如，对于小于600V的电压)是优选的，这是因为可使其电压降和因此电力损耗小于可用替代组件类型实现的电压降和电力损耗。
单向的基于MOSFET的SSPC的一些配置可仅控制一个方向上的电流流动，这是因为MOSFET包括在横越装置(从电源到漏极)的电位差的极性反转时进行传导的本征二极管。可通过以背对背方式串联连接两个MOSFET来实现双向电流流动控制，使得MOSFET中的一个能够阻挡一个方向上的电流流动，而另一MOSFET能够阻挡相反方向上的电流流动。然而，当启动电流时，路径阻抗将为更简单的等效单向装置的路径阻抗的两倍。
通过并联两个或多于两个MOSFET，可减小路径阻抗，并且因此可减少电力损耗。此外，并联两个或多于两个MOSFET还使得总电流容量能够增大。由此，假设大部分电力损耗是归因于MOSFET，用(大致)展现相同的总电力损耗的双向SSPC来替代单个单向SSPC需要四倍的MOSFET数目，这通常是最优设计中的情况。不幸的是，双向控制的四倍要求导致用于高电流SSPC的组件数量较高，这不利地影响了SSPC的可靠性。
发明内容
鉴于前述缺陷，SSPC需要支持双向电流流动和反向电流控制而不明显地增加在配电系统中提供此类能力所需的组件的数目。本文中特征化的实施例帮助解决或缓解上述问题以及所属领域中已知的其它问题。
本文中所描述的实施例中的一个或多个提供双向电流导引(routing)而不显著增加SSPC中的组件数量的能力。举例来说，实施例中的一些可包括接触器和单向SSPC。通过适当协调的控制信号，如下文将更详细地描述，SSPC可控制电流从电源到分配系统中的流动，包括在经受短路负载时快速断开。当不需要电源供应时，可断开接触器，因此确保双向隔离和导引。此外，实施例提供快速切断机制以在配电系统的接线或负载中发生严重短路时使损坏最小化。
一个示范性实施例提供一种用于将电力输送到负载的配电系统。所述配电系统包括与接触器串联安置的SSPC和被配置成通过开启或关闭接触器和SSPC来管理到负载的电力输送的控制器模块。
另一示范性实施例提供一种用于将电力输送到负载的配电系统。所述配电系统包括安置在负载与电源之间的换向装置。换向装置包括与接触器串联安置的SSPC。
借助实例且非限制，实施例可特别适用于交通工具，例如包括多个电源(例如，发电机和电池)的飞行器，所述电源被替代地选择以对整个交通工具中的负载供电。在又一非限制性应用中，可在配电系统链中的任一点处使用实施例，确切地说以将主电源链接到配电系统的其余部分。举例来说，可使用实施例以使得能够通过多个替代电源中的一个来供应负载，同时确保电力无法在电源之间流动。
此外，虽然本文中的切换元件描述为MOSFET，但所属领域的技术人员将容易地认识到，也可使用其它切换装置。借助实例且非限制，实施例中的切换装置可包括半导体闸流管、BJT、IGBT或三端双向可控硅开关元件。实施例中的切换装置可大体上包括固态切换装置，包括固态切换装置的具体布置。举例来说，切换装置可包括封装在共源共栅放大器布置中的GaN晶体管。
技术方案1.一种用于将电力输送到负载的配电系统，包括：
固态功率控制器(SSPC)，其与接触器串联安置；以及
控制器模块，其被配置成通过开启或关闭所述接触器和所述SSPC来管理到所述负载的电力输送。
技术方案2.根据技术方案1所述的配电系统，其中，所述SSPC包括切换元件。
技术方案3.根据技术方案2所述的配电系统，其中，所述切换元件选自以下组成的组：金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、半导体闸流管、双极结型晶体管(BJT)、绝缘栅双极结型晶体管(IGBT)和三端双向可控硅开关元件。
技术方案4.根据技术方案1所述的配电系统，其中，所述SSPC包括MOSFET的并联组合。
技术方案5.根据技术方案4所述的配电系统，其中，MOSFET的所述并联组合与所述接触器串联安置。
技术方案6.根据技术方案1所述的配电系统，其中，所述配电系统被配置成与第一电源和第二电源接合。
技术方案7.根据技术方案6所述的配电系统，其中，所述第一电源是直流(DC)电源，且所述第二电源是电池。
技术方案8.根据技术方案7所述的配电系统，其中，进一步包括与所述SSPC和所述接触器串联安置的另一接触器。
技术方案9.根据技术方案8所述的配电系统，其中，进一步包括被配置成控制所述另一接触器的接触器控制模块。
技术方案10.根据技术方案8或9中任一项所述的配电系统，其中，进一步包括用于将电力从所述第一电源和所述第二电源中的一个导引到所述负载的DC总线。
技术方案11.一种用于将电力输送到负载的配电系统，包括：
换向装置，其安置在所述负载与电源之间，所述换向装置包括与接触器串联安置的固态功率控制器(SSPC)。
技术方案12.根据技术方案11所述的配电系统，其中，进一步包括被配置成接通或切断所述换向装置的控制模块。
技术方案13.根据技术方案11所述的配电系统，其中，所述换向装置被配置成提供双向电流导引。
技术方案14.根据技术方案11所述的配电系统，其中，所述SSPC包括切换元件。
技术方案15.根据技术方案14所述的配电系统，其中，所述切换元件选自以下组成的组：金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、半导体闸流管、双极结型晶体管(BJT)、绝缘栅双极结型晶体管(IGBT)和三端双向可控硅开关元件。
技术方案16.根据技术方案11所述的配电系统，其中，所述SSPC包括MOSFET的并联组合。
技术方案17.根据技术方案11到16中任一项所述的配电系统，其中，所述配电系统被配置成与第一电源和第二电源接合。
技术方案18.根据技术方案17所述的配电系统，其中，所述第一电源是DC电源，且所述第二电源是电池。
技术方案19.根据技术方案18所述的配电系统，其中，进一步包括另一接触器。
技术方案20.根据技术方案19所述的配电系统，其中，进一步包括被配置成控制所述另一接触器的接触器控制模块。
下文参考附图描述各种实施例的额外特征、操作模式、优点和其它方面。应注意，本发明不限于本文中所描述的具体实施例。仅出于说明性目的而呈现这些实施例。基于所提供的教示内容，所公开实施例的额外实施例或修改对于相关领域的技术人员来说将是显而易见的。
附图说明
说明性实施例可采取各种组件和组件布置的形式。说明性实施例示出于附图中，在整个附图中，类似参考编号可指示各图中的对应或类似部件。附图仅用于说明实施例的目的并且不应被解释为限制本发明。鉴于附图的以下启发性描述，本发明的新颖方面对于相关领域中的一般技术人员来说应变得显而易见。
图1说明根据本文中所描述的多个方面的常规配电系统。
图2说明根据本文中所描述的多个方面的常规配电系统。
图3A说明根据本文中所描述的多个方面的切换元件模块。
图3B说明根据本文中所描述的多个方面的切换元件模块。
图3C说明根据本文中所描述的多个方面的切换元件模块。
图3D说明根据本文中所描述的多个方面的切换元件模块。
图4说明根据本文中所描述的多个方面的常规配电系统。
图5说明根据本文中所描述的多个方面的配电系统。
图6说明根据本文中所描述的多个方面的配电系统。
具体实施方式
虽然本文中针对特定应用描述说明性实施例，但应理解，本发明不限于此。可获得本文中所提供的教示内容的所属领域的技术人员将认识到其范围内的额外应用、修改和实施例及其中本发明可能明显实用的额外领域。
图1说明与将电力输送到负载104的DC电源102接合的常规配电系统100。系统100进一步包括通过端口108驱动接触器106的接触器控制模块103。在操作期间，模块103可将接触器106断开或闭合以阻碍或允许将DC电力输送到负载104。
模块103可包括硬件和/或软件模块，除了对接触器106的控制能力之外，所述模块能提供例如对到负载104的接线的电流感测和过电流保护的功能。此外，在一些实施方案中，模块103还可出于较高层级的系统监测和决策目的而提供远程切换和状态报告。
图2说明在功能上等效于系统100但利用固态切换元件模块202而非接触器106的另一常规配电系统200。模块202可包括一个或多个固态切换元件，例如一个或多个MOSFET。系统100进一步包括通过端口208直接与模块202接合的SSPC栅极控制模块204。模块204可产生有效地阻碍或允许电力从模块210的端口210传送到端口206的控制信号；换句话说，模块204可控制模块204以使电力在电源102与负载204之间换向。此外，模块204可以类似于模块103的方式提供过电流保护以及提供远程切换和状态报告能力。
图3A、3B和3C以及3D说明用于模块202的几个可能配置。举例来说，在图3A中，模块202可包括单个切换元件，例如MOSFET 300。
尽管当如图3A中所示出而配置模块204时，系统200具有与系统100的功能性相同的功能性，但两个系统具有不同的操作特性。举例来说，两个系统在其响应速度方面不同：在系统100中，接触器106通常需要10到20ms来断开或闭合，而在系统200中，MOSFET 300能够在1微秒内改变状态。因此，作为SSPC的结果，系统200可直接地响应到负载104的电流的改变。到负载104的电流的改变速率可通常通过本征接线电感来确定。
另一差异是两个系统之间的隔离程度。在系统100中，接触器106在断开时提供间隙。间隙阻止两个方向上的电流流动。相比之下，在系统200中，通过MOSFET 300的泄漏电流在处于断开状态时可足以满足预防措施所需以消除如人身安全等问题。
另一差异是两个系统中的反向电流的阻抗。在系统100中，接触器106在断开时禁止两个方向上的电流流动，而在系统200中，如果从MOSFET 300的漏极到其源极的电位差变成正的，那么MOSFET 300的本征二极管将进行传导。
在图3B中，模块202包括SSPC，所述SSPC包括两个背对背MOSFET(302和304)，这提供了双向电流导引能力。当SSPC处于闭合状态时，对两个MOSFET的栅极驱动导致每个MOSFET的相应沟道进行传导。因此，从DC电源102到负载104的总阻抗是MOSFET中的一个的漏极到源极阻抗的两倍。
在图3C中，模块202包括特征在于两个MOSFET(306和308)的并联的SSPC。此布置减小了导通阻抗并且因此减小了横越SSPC的电压降，以及闭合状态中的功率耗散。应注意，预期作为高电流接触器的替代物的SSPC可需要并联的、多个(例如，数十或甚至数百个)MOSFET以提供与接触器的性能特性相当的性能特性。由此，图3A到3B的配置是出于说明的目的而示出，但在实际实施方案中，可包括比所示出的MOSFET更多的MOSFET。
图3D示出模块202的另一可能配置。不同于在图3A中，假设图3D的SSPC使用相同组件，那么图3D的SSPC可控制反向电流。因此，就所需要的MOSFET数目来说，双向SSPC需要的MOSFET是其单向对应部分(图3A)的四倍。
如先前所提及，用单向SSPC直接替代高电流接触器可能需要多个MOSFET。由此，关于图3D中示出的配置，此问题甚至更加突出，这是因为MOSFET的数量必须为四倍才能获得等效于单向SSPC的双向SSPC。
除了可由例如瞬态电压抑制器等已知构件来操控的短暂瞬态条件之外，如电阻加热器的简单负载不太可能经受反向电流。因此，可由单向SSPC控制功率流。然而，图4说明其中需要双向切换能力的常规配电系统400。
在系统400中，可从两个电源中的任一个，即从DC电源402或电池403对负载404供电。系统400进一步包括被布置成确保两个接触器410和412中的最大接触器在任何给定时间闭合的接触器模块406。由于接触器410和412是本质上双向的，因此可能不存在从一个电源到另一电源的功率流动。
系统400展现几个问题。举例来说，如果电源(402或403)中的一个(或多个)具有极低的电源阻抗，并且因此可在例如短路负载等故障状况下输送极高电流，那么其相关联的接触器可能无法足够快速地断开以防止损坏。此外，过载电流可防止相关联的接触器断开，由此允许故障电流无限期地流动。
如果由SSPC替代接触器410和412以确保电力无法从一个电源传送到另一电源，那么将需要双向SSPC来替代接触器。然而，如上文所述，能够替代高电流接触器的双向SSPC所需的MOSFET的数目意味着所获得的SSPC相比于被设计以替代的接触器可具有较大体积、重量和成本。
图5说明根据实施例的缓解关于系统400所论述的问题的配电系统500。系统500包括串联安置的单向SSPC(MOSFET 510)和接触器508，其与协调控制器一起形成固态与接触器电力控制器(SS&CPC)模块506。MOSFET 510可以是一个切换元件(如所示出)，或其可以是并联连接的较多MOSFET，如图3C中所示出。由于功率流穿过串联安置的MOSFET 510和接触器508，因此在一些替代实施例中，可调换其在链中的相对位置。
当MOSFET 510和接触器508中的任一个或两个都断开时，不存在从电源502到负载504的电流流动(忽略在接触器508闭合时归因于杂散电感(stray inductance)和MOSFET泄漏电流的瞬变)。当MOSFET 510和接触器508都闭合时，电流能够从电源502流动到负载504。
在一个实施例中，模块506始终用相同命令(断开或闭合)驱动MOSFET 510和接触器508。另外，为了减少接触器508处的接触磨损和电弧，当模块506命令其闭合时，模块506可最初仅命令接触器508闭合，而使MOSFET 510断开。当接触器508接触已经闭合时，在用于允许任何机械触点颤动的维持时间之后，MOSFET 510可闭合，因此允许到负载504的功率流动。
上述操作序列可按相反次序重复以断开路径并且因此阻碍电流流动。具体来说，首先断开MOSFET 510，从而中断电源502与负载504之间的电路。在短的周期内，接线的本征电感将维持必须以通常与SSPC一起使用的方式来操控的电流。当电流归因于杂散电感而已经衰减到低电平时，命令接触器508断开，从而确保任何方向上的功率流动都是不可能的。
命令MOSFET 510断开可导致来自MOSFET 510的近似瞬时响应。因此，如果负载504在MOSFET 510和接触器508闭合时或之前短路，那么当短路循环完成时，电流可按主要由电路的杂散电感确定的速率逐渐地增大，直到命令MOSFET 510断开为止。因此，MOSFET 510可以及时的方式起作用以保护自身、接触器508、电源502和负载504以及其接线免受随之而来的损坏。
图6说明根据另一实施例的配电系统600。系统600包括各自可通过DC总线608将电力输送到负载604的DC电源602和电池603。系统600进一步包括与MOSFET 613、接触器610和接触器612接合的SS&CP模块609。模块609是将电力从两个电源中的每一个换向到负载604的换向装置。模块609包括固态功率控制器606和接触器控制器607，固态功率控制器606和接触器控制器607在结合在一起时提供SS&CP功能。
在实例操作场景期间，电源602可以是用于负载104的主要电源。因此，当接触器612断开时，接触器610将闭合。此配置防止电力在电源602与电池603之间传送。
如果到负载604的接线产生短路，那么由控制器607指示接触器610断开，这将防止电路中的损坏或危险状况。电源602的输出特性确保接触器610可以足够及时的方式做出反应以保护接线。此外，如果接触器610未能断开，那么电源602的去激发(de-excitation)将限制任何潜在的损坏。
当电源602不可用时，可通过确保接触器610断开并且闭合MOSFET 613和接触器612而由电池603供应负载604。在此情形中，负载104产生短路，并且MOSFET 613将迅速地断开以防止损坏。接触器612也将断开以确保隔离电池603。
所述实施例对于电流可快速上升到高于接触器的中断能力的电平以及极高电流可导致容纳配电系统的交通工具结构和其它交通工具系统严重损坏的情形是有利的。
不同于在仅利用例如具有受控激发的发电机等具有独立控制机制的电源的应用中，需要许多配电系统连接到例如电池等电源，在初级接触器未能断开的情况下，所述电源不包括用以中断电流的次级机制。实施例通过包括串联的至少一个切换元件和接触器来避开此问题并且提供两个电路断点，其独立程度取决于SS&CP控制模块。此外，实施例在电路被切断时在电路(具有接触器)中提供物理间隙，这在一些应用中可为有利的。
相关领域的技术人员将了解，可在不脱离本发明的精神和范围的情况下配置上述实施例的各种调适和修改。因此，应理解，在所附权利要求书的范围内，可以除本文中所具体描述以外的方式实践本发明。

Claims (10)

1.一种用于将电力输送到负载的配电系统，包括：
固态功率控制器(SSPC)，其与接触器串联安置；以及
控制器模块，其被配置成通过开启或关闭所述接触器和所述SSPC来管理到所述负载的电力输送。
2.根据权利要求1所述的配电系统，其特征在于所述SSPC包括切换元件。
3.根据权利要求2所述的配电系统，其特征在于所述切换元件选自以下组成的组：金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、半导体闸流管、双极结型晶体管(BJT)、绝缘栅双极结型晶体管(IGBT)和三端双向可控硅开关元件。
4.根据权利要求1所述的配电系统，其特征在于所述SSPC包括MOSFET的并联组合。
5.根据权利要求4所述的配电系统，其特征在于MOSFET的所述并联组合与所述接触器串联安置。
6.根据权利要求1所述的配电系统，其特征在于所述配电系统被配置成与第一电源和第二电源接合。
7.根据权利要求6所述的配电系统，其特征在于所述第一电源是直流(DC)电源，且其特征在于所述第二电源是电池。
8.根据权利要求7所述的配电系统，其特征在于进一步包括与所述SSPC和所述接触器串联安置的另一接触器。
9.根据权利要求8所述的配电系统，其特征在于进一步包括被配置成控制所述另一接触器的接触器控制模块。
10.根据权利要求8或9中任一项所述的配电系统，其特征在于进一步包括用于将电力从所述第一电源和所述第二电源中的一个导引到所述负载的DC总线。
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