CN109219185B - 用于耗散功率的包含发光半导体的系统 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种用于耗散功率的包含发光半导体的系统。公开了一种电路。该电路包括电感负载、与该电感负载通信的至少一个电组件和半导体。该半导体被配置为响应于该半导体两端的电压降至少等于正向电压而发光，其中该半导体与该电组件并联放置并且响应于该电感负载在操作期间生成致使该半导体两端的电压降至少等于正向电压的电压尖峰而发光。

Description

用于耗散功率的包含发光半导体的系统
技术领域
公开的系统和方法涉及用于耗散功率的系统，并且更具体地涉及用于耗散功率的包含发光半导体的系统。
背景技术
有两个主要类型的线性致动器，即对压差进行操作的液力致动器和由电动机驱动的电子机械致动器。电子机械致动器可以被反向驱动或自锁。如果电子机械致动器是自锁的，那么致动器可以通过将力施加在输出上而不被反向驱动。许多空天交通工具使用反向驱动致动器。该致动器通常在空气流施加致使目前部署的扰流板缩回的力的时候被反向驱动。
由反向驱动产生的电功率传统上由元件诸如电阻器和二极管所耗散。在一个示例中，直流(DC)电动机由H桥电路反向驱动。H桥电路是一种电子电路，其使电压能够以任一方向施加在DC电动机两端。在所述的示例中，二极管被用于耗散电功率并且保护包含在H桥电路中的其他电组件。具体地，H桥电路包含基于脉冲宽度调制(PWM)方案快速转换的晶体管。PWM方案控制DC电动机的速度或转矩。当晶体管被断开并且至DC电动机的供应电流突然被中断时，因为DC电动机是电感负载而生成电压尖峰。电压尖峰可以被称为反激(flyback)，并且H桥中的二极管被用于保护晶体管不受DC电动机的脉冲生成的反激的影响。二极管在耗散电功率时生成热。此外，由二极管生成的热响应于PWM方案的脉冲率的增加而升高。另外，由二极管生成的热需要被处理。
处理由二极管生成的热可能是具有挑战性的。实际上，在空天应用中的热生成是特别有问题的，因为交通工具的组件要求在所有任务阶段期间在具体温度范围内进行操作。面对空天交通工具中的热耗散的挑战可以进一步混合，因为空天交通工具在操作期间也遇到相对高的空气动力。这导致需要由致动器执行更多工作以移动表面。另外，致动器也常常要求以非常高的速率(诸如，例如超过100,000赫兹)进行操作。最后，由于空天交通工具以高速行进通过空间，空间交通工具周围的空气已经处于升高的温度。因此，可能不能释放由二极管生成的大部分热。
发明内容
公开的系统提供用于通过半导体耗散功率的途径，该半导体响应于电感负载生成致使半导体两端的电压降至少等于正向电压的电压尖峰而发光。发光半导体与其他设备诸如电阻器或二极管相比生成较少热。
在一个示例中，公开了一种电路。该电路包括电感负载、与该电感负载通信的至少一个电组件和半导体。该半导体被配置为响应于该半导体两端的电压降至少等于正向电压而发光。该半导体与该电组件并联放置并且响应于该电感负载在操作期间生成致使该半导体两端的该电压降至少等于该正向电压的电压尖峰而发光。
在另一个示例中，公开了一种电路。该电路包括电感负载和与该电感负载并联的反激式半导体。该反激式半导体被配置为响应于该反激式半导体两端的电压降至少等于正向电压而发光。该反激式半导体响应于该电感负载在操作期间生成致使该反激式半导体两端的该电压降至少等于该正向电压的电压尖峰而发光。
在又一个示例中，公开了一种用于耗散功率的方法。该方法包括驱动电路的电感负载，其中该电路包括与该电感负载通信的至少一个电组件。该方法还包括在该电感负载的操作期间生成致使半导体两端的电压降至少等于正向电压的电压尖峰。该半导体与该至少一个电组件并联放置。最后，该方法包括响应于该半导体两端的该电压降至少等于该正向电压由该半导体发光。
所公开的方法和系统的其他目标和优点根据以下说明、附图和所附权利要求将是明显的。
附图说明
图1是所公开的致动器的电路的一种示例性示意图，其中公开的电路是H桥，其包含用于保护晶体管的多个发光二极管(LED)；以及
图2是电感负载作为继电器或电磁阀(solenoid valve)的一种示例性示意图。
具体实施方式
图1是致动器10的示例性示意框图，该致动器10包括用于向电感负载12提供动力的公开的电路20。在所示的示例性示例中，电感负载12是反向驱动直流(DC)电动机12，并且电路20是H桥电路20。如下更详细解释的，H桥电路20包括与DC电动机12通信的至少一个电组件。至少一个电组件为多个晶体管Q1-Q4。H桥电路20还包含半导体，该半导体被配置为响应于该半导体两端的电压降至少等于正向电压而发光。在所示的示例中，半导体是发光二极管(LED)并且被示出为多个LED D1-D4。
LED D1-D4每个与晶体管Q1-Q4中的相应一个并联放置。具体地，LED D1与晶体管Q1并联，LED D2与晶体管Q2并联，LED D3与晶体管Q3并联，以及LED D4与晶体管Q4并联。LEDD1-D4被配置为响应于DC电动机12在操作期间生成电压尖峰而发光。电压尖峰致使每个LEDD1-D4两端的电压降至少等于正向电压。H桥电路20还包括第一按钮PB1、第二按钮PB2、电阻器R1、电阻器R2、电阻器R3、电阻器R4、电阻器R5和电阻器R6。
如下所解释，LED D1-D4用作反激式二极管或吸收(snubber)二极管以保护晶体管Q1-Q4不受有时在DC电动机12的操作期间出现的过量电压或电压尖峰的影响。具体地，LEDD1-D4通过发光耗散过量电压的一部分，而剩下的功率耗散为热。尽管阐述了LED，电路20不限于图1中所示的示例。替代地，在另一个示例中的电路20包括任何半导体，该半导体被配置为当正向偏置时发光(诸如激光二极管或光敏电阻(photocell))。特别地，在一个示例中的电路20包括单结光敏电阻，用于通过发光耗散过量电压的一部分。
晶体管Q1-Q4控制到DC电动机12的供应电流的极性。在图1中所示的示例中，晶体管Q1-Q4示出为双极结型晶体管(BJT)，但是其他类型的晶体管也可以使用，诸如，例如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。每个晶体管Q1-Q4包含基极B、发射极E和集电极C。电阻器R1-R4的每个被提供以限制进入晶体管Q1-Q4中的相应一个的基极B的电流。具体地，电阻器R1对应于晶体管Q1、电阻器R2对应于晶体管Q2、电阻器R3对应于晶体管Q3、以及电阻器R4对应于晶体管R4。电阻器R5是连接在接地GND和按钮PB1之间的下拉电阻器。电阻器R6是连接在接地GND和按钮PB2之间的下拉电阻器。
在一个示例中，当晶体管Q1和Q4被激活或闭合并且晶体管Q2和Q3被断开时，那么DC电动机12的转子(未示出)以顺时针方向转动。在DC电动机12中电流从左向右流动，或换句话说，端子30、32两端是正电压。当晶体管Q2和Q3被激活并且晶体管Q1和Q4被断开时，那么DC电动机12的转子以逆时针方向转动并且DC电动机12中的电流从右到左流动。如果DC电动机12的端子30、32是开路，那么DC电动机12靠惯性转动(freewheel)。如果端子30、32被短路，那么DC电动机12制动。
LED D1-D4用于大体上消除反激，反激是当供应电流(未说明)突然减小或中断时电感负载(诸如DC电动机12)两端所见的突然的电压尖峰。LED D1-D4也保护免受DC电动机12的过驱动或反向驱动状况。在一个示例中，DC电动机12的转矩或速度基于脉冲宽度调制(PWM)被控制，PWM致使晶体管Q1-Q4快速地转换。
当外部转矩施加在电动机的轴上时，出现过驱动电动机状况。外部转矩致使电动机速度增加，因此增大电动机的端子两端的电动势(EMF)。EMF增大并且最终变得大于供应电压，其使电动机的驱动电路中包含的晶体管反向偏置。但是，如下所解释，一旦LED D1两端的电压降处于正向电压，该LED D1变为导通的，该正向电压将电流转移离开晶体管Q1的发射极E。类似地，一旦LED D4两端的电压降处于正向电压，该LED D4也开始导通。因此，LEDD4也将电流转移离开晶体管Q4的发射极E。
继续参考图1，一旦按钮PB1被按下，晶体管Q1开启并且DC电动机12的正极端子30上的电压走高。DC电动机12顺时针转动，并且速度增大。随着DC电动机12的速度增大，在DC电动机的负极侧34处的电压升高，直到至DC电动机12的电流为大约零。然后，外部转矩被施加在电动机轴上，致使DC电动机12速度增大更多。
响应于DC电动机12的正极端子30处的电压增大至大于电源电压和LED D1的正向偏置电压的值，该LED D1开始导通并且电流流过LED D1。然后电流流过按钮PB1和电阻器R5。类似地，LED D4也开始导通电流，因为DC电动机12的端子32处的电压低于接地处的电压。LED D1和LED D4两者均导通电流并且以光子的形式释放能量，因此生成光。所以，LED的一部分(D1和D4)响应于DC电动机12的过驱动状况而被激活，以将电流转移离开对应于被激活的LED的晶体管(Q1和Q4)。
当外部转矩以与轴的旋转相反的方向施加在电动机的轴上时，出现反向驱动电动机状况。外部转矩致使EMF减小并且值变为负的。电动机在相反方向旋转越快，就会汲取越多的电流，该电流可能毁坏晶体管。但是，如果DC电动机12的正极端子30处的电压变得低于接地，变为负的LED D3的正向电压，那么LED D3也开始导通，其将电流转移离开晶体管Q3的发射极E。类似地，LED D2也开始导通，因为DC电动机12的端子32处的电压升高超过电源电压。因此，LED D2也将电流转移离开晶体管Q2的发射极E。所以，LED的一部分(D2和D3)响应于DC电动机12的反向驱动状况而被激活，以将电流转移离开对应于被激活的LED的晶体管(Q2和Q3)。
继续参考图1，一旦按钮PB2被按下，晶体管Q1开启并且DC电动机12的正极端子30处的电压走高。DC电动机12顺时针转动，并且速度增大。随着DC电动机12的速度增大，在DC电动机的负极侧34处的电压升高，直到至DC电动机12的电流为大约零。然后，外部转矩被施加在电动机轴上，致使DC电动机12速度增大更多。
响应于DC电动机12的正极端子30处的电压增大至大于电源电压和LED D1的正向偏置电压的值，该LED D1开始导通并且电流流过LED D1。然后电流流过按钮PB1和电阻器R5。类似地，LED D4也开始导通电流，因为DC电动机12的端子32处的电压低于接地处的电压。LED D1和LED D4两者均导通电流并且以光子的形式释放能量，因此生成光。
LED的正向电压在1.8伏特和3.3伏特之间，并且基于LED的颜色而变化。例如，红光LED的正向电压为大约1.8伏特。正向电压随着光频率增大而升高。所以，蓝光LED的正向电压的范围在大约3伏特到3.3伏特。但是，LED的正向电压被保持得尽可能低，因为正向电压越低，则耗散越少功率。此外，在具有反激电流的应用中，LED两端较低的电压降导致负载的电感元件两端的较大电压。因此，反激电流更快地降低到零，并且意味着负载更具有响应性。
与用于耗散功率的传统电子组件(诸如电阻器和二极管)形成对比，LED D1-LEDD4不是仅耗散功率为热。相反，LED D1-LED D4中的功率的一部分耗散为光。在一个示例中，由LED D1-LED D4生成的光消耗耗散的功率的大约30％。因此，LED D1-LED D4仅耗散传统二极管会在相同应用中生成的热的大约70％。但是，由红光LED生成的光消耗耗散的功率的大约39％。此外，由激光二极管发射的光消耗耗散的功率的大约50％。因此，在一些类型的热敏应用中，利用激光二极管或红光二极管。
在一些示例中，LED D1-LED D4没有被放置在电路20具有的外壳中。相反，LED D1-LED D4可以被安装在窗口(未说明)的后面，使得发射的光被释放到环境中。在另一个示例中，LED D1-LED D4被安装在交通工具(诸如空间交通工具(未说明))的外部表面上。因此，由LED D1-LED D4产生的任何光被释放到环境中，并且任何热被被转移到空间交通工具的外部蒙皮。
尽管图1说明了对反向驱动DC电动机提供电力的H桥，但是该公开不限于图1中所示的示例。例如，图2说明了包含两个电感负载(即常开型(NO)继电器42，其被配置为控制螺线管阀40/电磁阀40)的电路20。电磁阀或电感负载40被示出在打开位置。继电器42控制电磁阀40。具体地，继电器42在打开位置和闭合位置之间致动电磁阀40。电磁阀40包括线圈44、电枢46、和阀体50。电磁阀40的阀体50限定入口52、出口54以及在入口52和出口54之间延伸的通路56。通路56允许诸如水的流体通过入口52进入电磁阀40。当电磁阀40打开时，流体被允许通过出口54流出电磁阀40。电磁阀40的电枢46一般在闭合位置，其中电枢46的端部61顶住由阀体50的通路56限定的表面58。当顶住时，电枢46阻挡流体流动通过阀体50的通路56。
继续参考图2，电磁阀40的线圈44与电源供应60通信。在所示的示例性示例中，电源供应60是12伏特电源供应。继电器42与电源供应60、电源64和晶体管68通信。在所示的示例中，继电器42是单极单掷常开型继电器，其包含继电器线圈62和开关48。但是，继电器42不限于图2中所示的具体示例。晶体管68包括发射极E、基极B和集电极C，其中晶体管68的基极B与数字控制器(未说明)的数字输出引脚66通信。尽管晶体管68示出为BJT，但是也可以使用其他类型的晶体管。数字输出引脚66传输控制信号以将继电器42转换至闭合位置。
响应于激励继电器42的继电器线圈62，继电器42的开关48闭合。因此，电流可以从12V供应流动通过电磁阀40的线圈44。当螺线管线圈44被激励时，电磁阀40打开，并且允许流体流动通过阀体50的通路56。
反激式半导体70与电磁阀40并联放置。类似于图1所示的示例，说明了LED，但是其他类型的发光半导体诸如单结光敏电阻和激光二极管也可以使用。反激式半导体70大体上消除由电磁阀40生成的反激。反激式半导体70也保护电路20的各种电组件不受电磁阀40的反向驱动状况的影响。当电流流过电磁阀40的线圈44时，出现反向驱动状况，但是更大的相反外力被施加在电枢46上。即，线圈44被激励以打开电磁阀40，但是更大的力被施加在电枢46上以保持电磁阀闭合。第二反激式半导体72，其示出为LED，也与继电器42并联放置以大体上也消除反激。
最后，提供反并联半导体74。反并联半导体74在电路20内相对于反激式半导体70放置。反并联半导体74被配置为保护免受电磁阀40的过驱动状况。当电流流过电磁阀40的线圈44时，出现过驱动状况。但是在相同方向上施加的更大外力也被施加在电枢46上。
一般地参考附图，公开的系统提供了用于耗散功率的一个或更多个发光半导体组件，其生成比传统二极管在相同应用中会生成的更少的热。在本公开用在空天应用中的情况下，技术效果和益处可以包含能够以全速缩回的致动器、当与快速充电电池相比时的减少的重量、以及当与仅电阻器的系统相比时的更小的散热器(heat sink)。具体地，当与仅电阻器的系统相比时，散热器可以减小高达百分之30至35。因此，本公开提供增强的致动器性能和减小的重量，其可能在诸如空天交通工具的应用中是尤其重要的。
进一步，本公开包括根据以下实施例的示例：
实施例1.一种电路(20)，包括：
电感负载(12)；
与所述电感负载(12)通信的至少一个电组件(Q1-Q4)；和
半导体(D1-D4)，其被配置为响应于所述半导体(D1-D4)两端的电压降至少等于正向电压而发光，其中所述半导体(D1-D4)与所述至少一个电组件(Q1-Q4)并联放置并且响应于所述电感负载(12)在操作期间生成致使所述半导体(D1-D4)两端的电压降至少等于正向电压的电压尖峰而发光。
实施例2.根据实施例1所述的电路(20)，其中所述至少一个电组件(Q1-Q4)是晶体管。
实施例3.根据实施例2所述的电路(20)，其中所述晶体管包括基极(B)、集电极(C)和发射极(E)，并且其中所述半导体(D1-D4)将电流转移离开所述晶体管的所述发射极(E)。
实施例4.根据实施例1所述的电路(20)，其中所述电路(20)是H桥电路并且所述电感负载(12)是直流(DC)电动机。
实施例5.根据实施例4所述的电路(20)，包括多个晶体管和多个发光二极管(LED)，其中所述多个晶体管中的每个与所述多个LED中的一个并联放置。
实施例6.根据实施例1所述的电路(20)，其中所述半导体(D1-D4)是LED。
实施例7.根据实施例1所述的电路(20)，其中所述半导体(D1-D4)是激光二极管或单结光敏电阻。
实施例8.根据实施例1所述的电路(20)，其中所述电感负载(12)的转矩或速度基于脉冲宽度调制(PWM)被控制。
实施例9.一种电路(20)，包括：
电感负载(40)；和
反激式半导体(70)，其与所述电感负载(40)并联，其中所述反激式半导体(70)被配置为响应于所述反激式半导体(70)两端的电压降至少等于正向电压而发光，其中所述反激式半导体(70)响应于所述电感负载(40)在操作期间生成致使所述反激式半导体(70)两端的电压降至少等于正向电压的电压尖峰而发光。
实施例10.根据实施例9所述的电路(20)，其中所述电感负载(40)是电磁阀。
实施例11.根据实施例9所述的电路(20)，包括继电器(42)，该继电器(42)被配置为控制所述电感负载(40)。
实施例12.根据实施例11所述的电路(20)，包括第二反激式半导体(72)，该第二反激式半导体(72)与所述继电器(42)并联放置，其中所述第二反激式半导体(72)是发光二极管(LED)。
实施例13.根据实施例9所述的电路(20)，包括反并联半导体(74)，该反并联半导体(74)在所述电路(20)内相对于所述反激式半导体(70)放置，其中所述反并联半导体(74)是LED。
实施例14.根据实施例9所述的电路(20)，其中所述反激式半导体(70)是LED。
实施例15.根据实施例9所述的电路(20)，其中所述反激式半导体(70)是激光二极管或单结光敏电阻。
实施例16.一种用于耗散功率的方法，包括：
驱动电路(20)的电感负载(12)，其中所述电路(20)包括与所述电感负载(12)通信的至少一个电组件(Q1-Q4)；
在所述电感负载(12)的操作期间生成致使半导体(D1-D4)两端的电压降至少等于正向电压的电压尖峰，其中所述半导体(D1-D4)与所述至少一个电组件(Q1-Q4)并联放置；以及
响应于所述半导体(D1-D4)两端的电压降至少等于所述正向电压，由所述半导体(D1-D4)发光。
实施例17.根据实施例16所述的方法，包括提供多个发光二极管(D1-D4)和多个晶体管(Q1-Q4)。
实施例18.根据实施例17所述的方法，包括响应于所述电感负载(12)的过驱动状况而激活所述多个LED中的部分(D1,D4)，以将电流转移离开所述多个晶体管中的部分(Q1,Q4)，所述多个晶体管中的部分(Q1,Q4)对应于被激活的所述多个LED中的所述部分(D1,D4)。
实施例19.根据实施例17所述的方法，包括响应于来自所述多个晶体管中的部分(Q2,Q3)的所述电感负载(12)的反向驱动状况而激活所述多个LED中的部分(D2,D3)，所述多个晶体管中的部分(Q2,Q3)对应于被激活的所述多个LED中的所述部分(D2,D3)。
实施例20.根据实施例16所述的方法，其中所述电路(20)是H桥电路并且所述电感负载(12)是直流(DC)电动机。
虽然本文所述的装置和方法的形式构成了本发明的优选的示例，但是应当理解，本发明不限于这些精确形式的装置和方法，并且在其中可以做出改变而不脱离本发明的范围。

Claims (13)

1.一种电路(20)，包括：
电感负载(12)；
至少一个电组件(Q1-Q4)，其与所述电感负载(12)通信；和
半导体(D1-D4)，其被配置为响应于所述半导体(D1-D4)两端的电压降至少等于正向电压而发光以便耗散功率，其中所述半导体(D1-D4)与所述至少一个电组件(Q1-Q4)并联放置并且响应于所述电感负载(12)在操作期间生成致使所述半导体(D1-D4)两端的所述电压降至少等于所述正向电压的电压尖峰而发光。
2.根据权利要求1所述的电路(20)，其中所述至少一个电组件(Q1-Q4)是晶体管，并且所述晶体管包含基极(B)、集电极(C)和发射极(E)，并且其中所述半导体(D1-D4)使电流转移离开所述晶体管的所述发射极(E)。
3.根据权利要求1或2所述的电路(20)，其中所述电路(20)是H桥电路并且所述电感负载(12)是直流电动机即DC电动机。
4.根据权利要求3所述的电路(20)，包括多个晶体管和多个发光二极管即多个LED，其中所述多个晶体管中的每个与所述多个LED中的一个并联放置。
5.根据权利要求1或2所述的电路(20)，其中所述电感负载(12)的转矩或速度基于脉冲宽度调制即PWM被控制。
6.一种电路(20)，包括：
电感负载(40)；和
反激式半导体(70)，其与所述电感负载(40)并联，其中所述反激式半导体(70)被配置为响应于所述反激式半导体(70)两端的电压降至少等于正向电压而发光以便耗散功率，其中所述反激式半导体(70)响应于所述电感负载(40)在操作期间生成致使所述反激式半导体(70)两端的所述电压降至少等于所述正向电压的电压尖峰而发光以便耗散功率；
继电器(42)，所述继电器(42)被配置为控制所述电感负载(40)；以及
第二反激式半导体(72)，所述第二反激式半导体(72)与所述继电器(42)并联放置，其中所述第二反激式半导体(72)是发光二极管即LED。
7.根据权利要求6所述的电路(20)，包括反并联半导体(74)，所述反并联半导体(74)在所述电路(20)内相对于所述反激式半导体(70)放置，其中所述反并联半导体(74)是LED。
8.根据权利要求6所述的电路(20)，其中所述反激式半导体(70)是LED。
9.根据权利要求6所述的电路(20)，其中所述反激式半导体(70)是激光二极管或单结光敏电阻。
10.一种用于耗散功率的方法，包括：
驱动电路(20)的电感负载(12)，其中所述电路(20)包含与所述电感负载(12)通信的至少一个电组件(Q1-Q4)；
在所述电感负载(12)的操作期间生成致使半导体(D1-D4)两端的电压降至少等于正向电压的电压尖峰，其中所述半导体(D1-D4)与所述至少一个电组件(Q1-Q4)并联放置；以及
响应于所述半导体(D1-D4)两端的所述电压降至少等于所述正向电压，由所述半导体(D1-D4)发光以便耗散功率。
11.根据权利要求10所述的方法，包括提供多个发光二极管即多个LED(D1-D4)和多个晶体管(Q1-Q4)。
12.根据权利要求11所述的方法，包括响应于所述电感负载(12)的过驱动状况而激活所述多个LED中的部分(D1,D4)，以将电流转移离开所述多个晶体管中的部分(Q1,Q4)，所述多个晶体管中的部分(Q1,Q4)对应于被激活的所述多个LED中的所述部分(D1,D4)。
13.根据权利要求11所述的方法，包括响应于来自所述多个晶体管中的部分(Q2,Q3)的所述电感负载(12)的反向驱动状况而激活所述多个LED中的部分(D2,D3)，所述多个晶体管中的部分(Q2,Q3)对应于被激活的所述多个LED中的所述部分(D2,D3)。
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