CN109983680A - 固态开关系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于连接和断开电气设备的固态开关，具有至少一个FET型器件以及与该至少一个FET型器件并联耦合的至少一个晶闸管型器件。栅极驱动器可操作以向至少一个FET型器件和至少一个晶闸管型器件发送栅极驱动信号，以用于向电气设备提供电流。栅极驱动器被构造为控制电流在至少一个FET型器件和至少一个晶闸管型器件之间的分流。

Description

固态开关系统
技术领域
本申请总体涉及开关，更具体地但非排他地，涉及固态开关系统。
背景技术
各种类型的固态开关系统(例如，接触器、断路器、继电器和其他固态开关)仍然是受关注的领域。一些现有系统相对于某些应用具有各种不足之处、缺点和不利之处。例如，在一些固态开关系统中，可以进行功率损耗的改善，例如，在电气设备的稳态操作期间和/或在由电气设备汲取的浪涌或其他冲击电流期间。因此，仍需要在这一技术领域做出进一步贡献。
发明内容
本发明的一个实施例是一种固态开关系统。其他实施例包括用于固态开关系统的装置、系统、设备、硬件、方法和组合。根据随之所提供的描述和附图，本申请的其他实施例、形式、特征、方面、益处和优点将变得显而易见。
附图说明
本文中参考附图进行描述，其中相同的附图标记在若干视图中指代相同的部分，并且其中
图1示意性地图示了根据本发明的实施例的电气系统的非限制性示例的一些方面。
图2图示了根据本发明的实施例的可以被容纳的电机的启动期间的冲击电流或过电流的非限制性示例的一些方面。
图3示意性地图示了根据本发明的实施例的固态开关以及在高于和低于电流阈值的操作期间的代表性电流的非限制性示例的一些方面。
图4图示了根据本发明的实施例的FET型器件、晶闸管型器件以及组合后的FET型器件和晶闸管型器件的损耗曲线的非限制性示例的一些方面。
图5示意性地图示了根据本发明的实施例的固态开关的非限制性示例的一些方面。
图6示意性地图示了根据本发明的实施例的固态开关的非限制性示例的一些方面。
图7示意性地图示了根据本发明的实施例的固态开关的非限制性示例的一些方面。
图8示意性地图示了根据本发明的实施例的固态开关的非限制性示例的一些方面。
图9示意性地图示了根据本发明的实施例的用于控制至少一个FET型器件和至少一个晶闸管型器件的控制电路的非限制性示例的一些方面。
图10示意性地图示了根据本发明的实施例的用于协调至少一个FET型器件和至少一个晶闸管型器件的输出的控制算法的非限制性示例的一些方面。
图11示意性地图示了根据本发明的实施例的用于控制至少一个FET型器件和至少一个晶闸管型器件的逻辑和命令/控制信号的非限制性示例的一些方面。
图12示意性地图示了根据本发明的实施例的用于控制至少一个FET型器件和至少一个晶闸管型器件的控制电路的非限制性示例的一些方面。
图13示意性地图示了根据本发明的实施例的用于晶闸管型器件的栅极驱动器电路的实现的非限制性示例的一些方面。
图14示意性地图示了根据本发明的实施例的用于FET型器件的栅极驱动器电路的实现的非限制性示例的一些方面。
图15示意性地图示了根据本发明的实施例的用于控制至少一个FET型器件和至少一个晶闸管型器件的控制电路的实现的非限制性示例的一些方面。
图16示意性地图示了根据本发明的实施例的用于控制至少一个FET型器件和至少一个晶闸管型器件的控制电路的实现的非限制性示例的一些方面。
图17示意性地图示了根据本发明实施例的用于控制至少一个FET型器件和至少一个晶闸管型器件的逻辑和命令/控制信号的非限制性示例的一些方面。
图18示意性地图示了根据本发明的实施例的用于控制至少一个FET型器件和至少一个晶闸管型器件的控制电路的实现的非限制性示例的一些方面。
图19示意性地图示了根据本发明的实施例的用于控制至少一个FET型器件和至少一个晶闸管型器件的控制电路的实现的非限制性示例的一些方面。
图20示意性地图示了根据本发明的实施例的用于控制至少一个FET型器件和至少一个晶闸管型器件的控制电路的实现的非限制性示例的一些方面。
图21示意性地图示了根据本发明的实施例的用于控制至少一个FET型器件和至少一个晶闸管型器件的控制电路的实现的非限制性示例的一些方面。
图22示意性地图示了根据本发明的实施例的用于控制至少一个FET型器件和至少一个晶闸管型器件的控制电路的实现的非限制性示例的一些方面。
图23示意性地图示了根据本发明的实施例的用于操作至少一个FET型器件和至少一个晶闸管型器件的逻辑和命令/控制信号的非限制性示例的一些方面。
具体实施方式
为了促进对本发明的原理的理解，现在参考附图中所图示的实施例，并且使用特定语言描述这些实施例。然而，应当理解，没有因此旨在限制本发明的范围。本发明所涉及领域的技术人员通常会想到所描述的实施例中的任何改变和进一步修改、以及如本文中所描述的本发明的原理的任何进一步应用。
参照图1，示意性地图示了根据本发明的实施例的电气系统10的非限制性示例的一些方面。电气系统10包括电源12、耦合到电源12的固态开关系统14、通信地耦合到固态开关系统14的命令输入16、以及耦合到固态开关系统14的电气设备18。电源12是AC电源，诸如公用电网或设施电网或发电机系统、或任何其他AC电源。固态开关系统14是可操作以将电气设备18连接到电源12和将电气设备18与电源12断开连接的开关。电气设备18可以采用多种形式中的任一种或多种形式。例如，在一种形式中，电气设备18是额定功率为1kW-5kW的电机，诸如感应电动机或任何其他类型的电动机。在其他实施例中，电气设备18可以是额定功率小于1kW的电动机、或者额定功率大于5kW的电动机。在其他实施例中，电气设备18可以是通过电力供电的任何类型的机器、系统或设备。在一些实施例中，固态开关系统14可以是断路器系统或其一部分，并且电气设备18可以是用于向任何数目的、电耦合到其的电动装置供电的电路，例如但不限于，一个或多个电动机、电器、HVAC系统、工具系统(包括机床、手动工具和其他电动工具)、计算机系统、照明系统、输送系统、化学或其他处理系统、办公系统、建筑和/或设施系统、和/或由50Hz、60Hz或任何其他合适频率的AC电压/电流供电的任何其他类型的电动发明。电路的性质可以是市政、工业、家庭或其他。在其他实施例中，固态开关系统14可以是固态继电器、接触器或任何其他类型的接通/关断开关系统。电气设备18具有额定电流，并且具有与其相关联的冲击电流，例如，电气设备18可以在某些操作条件下(例如，在电气设备18的全部或一部分的启动期间或在电气设备18的全部或一部分的状态改变(例如，操作状态改变)期间)汲取冲击电流。
固态开关系统14包括具有固态开关元件的固态开关20、以及栅极驱动器22。固态开关20可以设置在例如壳体或外壳或机柜或其他保护结构(未示出)中。在一种形式中，固态开关20是固态接触器。在其他实施例中，固态开关20可以是继电器、断路器或断路器开关，或用于工业、家庭、办公室、车间、市政或任何其他目的的任何其他类型的开关。固态开关系统14的实施例可以用于单相系统、两相系统和三相系统、以及其他多相系统。栅极驱动器22可操作以提供栅极驱动信号以控制固态开关20的固态开关元件以准许或阻止电流流过开关20。在一些实施例中，固态开关20可以包括电流隔离器。在一些实施例中，开关14(例如，栅极驱动器22或另一控制器或系统)可以包括故障检测电路和保护电路，例如，断路器保护电路，其可操作以引导栅极驱动器22将电气设备18与电源12断开连接，例如，响应于检测到的短路条件、接地故障条件或其他安全或其他故障检测。在一种形式中，对于三相电气系统10，单独开关20和栅极驱动器22用于每个a相、b相和c相。在一些三相实施例中，公共栅极驱动器22可以被构造为向每个固态开关20提供栅极驱动信号。
命令输入16通信地耦合到栅极驱动器22。命令输入16可操作以提供接通/关断控制信号以引导栅极驱动器22接通或关断固态开关20，即，将电气设备18连接到电源12或者将电气设备18与电源12断开连接。在一种形式中，命令输入16是人工操作开关。在其他实施例中，命令输入16还可以包括或可替代地在其自身中或者是计算机、可编程逻辑电路、断路器控制器或保护控制电路或可操作以向栅极驱动器22发送用于接通和关断固态开关20的接通/关断信号(例如，数字接通/关断信号)的任何其他电气或电子设备的输出。
在考虑固态开关设计时，可以采用晶闸管技术来制造固态开关(例如固态接触器)，并且功率密度可以比机电开关高得多。然而，在许多安装中，任何这样的晶闸管开关或接触器可能需要同一DIN(Deutsches Institut für Normung)或其他轨道(例如，高达22mm)上的两个或更多个器件之间的间隔，以便充分利用晶闸管电流额定值。由于晶闸管冷却要求，所以额外的间隔是必要的，例如，从这种晶闸管器件汲取热量的必要或期望的散热器、冷却销/散热片或其他冷却结构/设备所需的间隔。单独使用的任何这种晶闸管开关可以更为紧密地间隔开，但是更为紧密的间隔可能要求晶闸管开关需要降低额定值(de-rated)，其在一些情况下意味着可能需要附加开关，因此增加了开关的空间要求并且增加成本。对于切换超过4kW的电机负载和较高电流水平(例如，高于5A-7A)下的电阻性负载尤其如此。因此，晶闸管技术的导通功率损耗迫使移动到更大的壳体以及与具有相同额定值的传统机电开关/接触器不同的形状因数。
要考虑的还包括许多电气设备(诸如电气设备18)可能在一些情形下汲取冲击电流，因此需要附加散热。冲击电流包括，例如但不限于，通常的浪涌电流、励磁浪涌电流、转子锁定或电机启动电流、以及其他形式的冲击电流。例如，电机负载涉及与标称范围内的电流和由于浪涌(例如，励磁浪涌)和电机启动引起的过电流有关的导通损耗。图2图示了三相感应电机的启动的电流曲线(profile)的非限制性示例，其中峰值浪涌电流达到标称电流或额定电流的12.5倍，以及电机启动电流达到标称电流的8倍。标称电流是约等于或小于电气设备18的额定电流的电流。应当指出，高效电机的特征在于峰值浪涌电流高达标称电流的18倍-20倍。其他类型的电气设备也经历浪涌电流，例如，白炽灯照明、荧光照明、紧凑型荧光照明、LED照明，以上仅是几个举例。一些电气设备可能经历超过标称电流的18倍-20倍且有时基本上超过标称电流的18倍-20倍的浪涌电流。期望固态开关(例如，接触器、继电器或其他开关类型)被配置为鉴于两种电流情景(即，标称电流和冲击电流或过电流)来管理并且优选地优化功率损耗/发热曲线(profiles)，其可以在一些实施例中减少总功率损耗和/或降低开关元件和/或开关(例如，在轨道上)之间的间隔要求。
场效应晶体管型器件(FET型器件)(例如但不限于JFET和MOSFET)是相对于晶闸管具有不同导通功率损耗曲线的功率半导体器件。与晶闸管型器件相比，FET的电压-电流特性主要是电阻性的，并且在较低电流模式下产生较低导通损耗，晶闸管型器件的电压-电流特性和与pn结电压有关的固定电压大致相当，与pn结电压有关的固定电压是这些类型的器件的典型特征。与处于较低电流模式的FET型器件相比较，固定电压特性生成的损耗相对较高，但是与处于较高电流模式下的FET型器件相比较，生成的损耗相对适度。
根据本发明的实施例，FET型器件和晶闸管型器件的组合并联用作开关元件。FET型器件和晶闸管型器件各自被选择和构造或确定大小以最小化较低电流模式和较高电流模式下的功率损耗，从而提供改善的损耗曲线。例如，在一种形式中，开关20包括：端子T1，其被构造为用于将开关20耦合到电源12，用于从电源12接收电力；端子L1，其被构造为用于将来自电源12的电力提供至电气设备18；至少一个FET型器件24，其耦合到端子T1和端子L1；以及至少一个晶闸管型器件26，其与至少一个FET型器件24并联耦合到端子T1和端子L1。在一种形式中，开关元件(即，至少一个FET型器件24和至少一个晶闸管型器件26)直接耦合到相应的端子T1和L1，即，没有任何中间部件，例如，诸如电容器、电阻器、电感器或其他器件。在其他实施例中，可以使用中间部件。
至少一个FET型器件24被构造为具有基于额定电流的第一功率损耗特性；并且至少一个晶闸管型器件26被构造为具有基于冲击电流(例如但不限于，与电气设备18相关联的浪涌电流和启动电流)的第二功率损耗特性。栅极驱动器22通信地耦合到至少一个FET型器件24和至少一个晶闸管型器件26中的每个器件的栅极，并且可操作以向开关元件(例如，每个器件的栅极)提供栅极驱动信号，以用于接通或关断每个器件。在一些实施例中，一个或多个栅极驱动器22可以由至少一个FET型器件24和至少一个晶闸管型器件26共享。在其他实施例中，至少一个FET型器件24和至少一个晶闸管型器件26中的每个器件可以具有一个或多个专用栅极驱动器22。
图4图示了至少一个FET型器件24的功率损耗曲线28(相对于电流I绘制的功率损耗PLOSS)、至少一个晶闸管型器件26的功率损耗曲线30以及组合后的功率损耗曲线32的非限制性示例的一些方面，该组合后的功率损耗曲线32反映与并联操作并共享通过开关的电流20的至少一个FET型器件24和至少一个晶闸管型器件26相关联的功率损耗。在一种形式中，电流共享是自然电流共享。在其他实施例中，可以例如基于使用栅极驱动器22来控制至少一个FET型器件24和至少一个晶闸管型器件26的输出来迫使共享。在一些实施例中，可以在任何电流水平(例如，高于至少一个晶闸管型器件26的阈值电压)下进行共享。在一些实施例中，通过开关20的电流可以不在任何给定的电流水平下共享，而是可以被共享为使得至少一个FET型器件24在较低电流模式(例如，低于某个预定的阈值)下传送所有电流以及至少一个晶闸管型器件在较高电流模式(例如，高于阈值)下传送所有电流。例如，栅极驱动器22可以用来以在较高电流(例如，高于额定电流或某个其他阈值的电流)下关断至少一个FET型器件24，和/或可以用来以例如在处于或低于额定电流或某个其他阈值的电流下关断至少一个晶闸管型器件26。
功率损耗曲线28与功率损耗曲线30的交叉点定义阈值电流Ik，即，通过至少一个FET型器件24的功率损耗等于通过至少一个晶闸管型器件26的功率损耗处的电流。在其他实施例中，至少一个FET型器件24的功率损耗曲线与至少一个晶闸管型器件26的功率损耗曲线之间的另一相关性可以用于确定阈值电流Ik。在一些实施例中，至少一个FET型器件24和至少一个晶闸管型器件26被选择和构造为具有实现期望阈值电流Ik的功率损耗曲线28和30。例如，针对至少一个FET型器件24和至少一个晶闸管型器件26中的每个器件的固态器件设计参数可以被选择和变化以实现期望阈值电流Ik。设计参数可以包括例如但不限于接通状态电阻、电压-电流特性、漂移区的电阻、沟道的电阻、n和p材料掺杂参数、n和p材料层厚度等。通过变化或操纵设计参数，可以实现具有期望阈值的至少一个FET型器件24和至少一个晶闸管型器件26的构造。至少一个FET型器件24被构造为具有基于额定电流的功率损耗曲线(例如，功率损耗曲线28)，例如，被构造为具有或实现基于额定电流的功率损耗曲线，其中低于额定电流的功率损耗小于同一电流下至少一个晶闸管型器件26的功率损耗。至少一个晶闸管型器件26被构造为具有基于高于额定电流的电流(例如，冲击电流，诸如浪涌电流和启动电流或与电气设备18相关联的其他冲击)的功率损耗曲线(例如，功率损耗曲线28)。例如，至少一个晶闸管型器件26被构造为具有或实现基于冲击电流的功率损耗曲线，其中高于额定电流的功率损耗小于同一电流下至少一个FET型器件24的功率损耗。
在一种形式中，阈值电流Ik为电气设备18的额定电流或者大约为电气设备18的额定电流。至少一个FET型器件24被选择和构造为向电气设备18提供高达阈值电流Ik的电流水平(例如，额定电流)的电流。在各种实施例中，由至少一个FET器件24提供的该电流可以是由开关20输出的低于额定电流水平的大部分或全部电流。至少一个晶闸管器件26可以被选择和构造为向电机提供超过阈值电流的电流。在各种实施例中，由至少一个晶闸管器件26提供的该电流可以是由开关20输出的高于额定电流水平的大部分或全部电流，例如，高达并包括冲击电流，诸如任何浪涌电流、电机启动电流或其他过电流。至少一个FET型器件24被选择和构造为具有比至少一个晶闸管型器件26低的、低于额定电流的功率损耗。至少一个晶闸管型器件26被选择和构造为具有比至少一个FET型器件低的、高于额定电流(例如，在与电气设备相关联的浪涌电流和启动电流下)的功率损耗。在其他实施例中，阈值电流Ik是大于电气设备18的额定电流的电流水平。在其他实施例中，阈值电流Ik可以是低于电气设备18的额定电流的电流水平。
在低于阈值电流Ik的电流下，至少一个FET型器件24的损耗曲线主导或主要影响组合后的损耗曲线32，而在高于阈值电流Ik的电流下，至少一个晶闸管型器件26的损耗曲线主导或主要影响组合后的损耗曲线32。在一些实施例中，组合后的功率损耗曲线32基本上或有效地覆盖低于阈值电流Ik的电流水平下的功率损耗曲线28，并且基本上或有效地覆盖高于阈值电流Ik的电流水平下的功率损耗曲线28。在这样的实施例中，在低于阈值电流Ik的电流水平下，基本上所有电流都通过至少一个FET型器件24，而在高于阈值电流Ik的电流水平下，基本上所有电流都通过至少一个晶闸管型器件26，如图3所示。
在一种形式中，栅极驱动器22被构造为并且可操作以向至少一个FET型器件24的一个或多个栅极提供连续接通信号，同时开关系统14例如在稳态操作期间接通。在一些实施例中，栅极驱动器22可以被构造为并且可操作以在高于额定电流或高于阈值电流Ik的电流水平下向至少一个FET型器件24的一个或多个栅极提供关断信号。在一种形式中，栅极驱动器22被构造为在电气设备18的稳态操作或低于额定电流的操作期间向至少一个晶闸管型器件26的一个或多个栅极提供连续关断信号，并且在高于额定电流的冲击期间向至少一个晶闸管型器件26的一个或多个栅极提供接通信号，例如，如果晶闸管型器件正向偏置则提供脉冲接通信号或单个接通信号，或针对一些类型的晶闸管型器件提供连续接通信号。
在一些实施例中，一个或多个栅极驱动器22可以被构造为以可以被调谐而实现重新触发和零电流关断的延迟来关断晶闸管型器件。在一些实施例中，一个或多个栅极驱动器22可以被构造为向至少一个FET型器件提供可以被调谐以协调器件之间的电流共享的接通和关断延迟。实施例可以包括用于晶闸管型器件的一个或多个功率半导体控制电路、以及用于FET型器件的一个或多个功率半导体控制电路。
在各种实施例中，晶闸管型器件26可以是例如但不限于一个或多个晶闸管和/或SCR和/或TRIAC。在一些实施例中，一个或多个晶闸管可以用双极器件代替。晶闸管型器件26还可以是或包括一个或多个集成门极换向晶闸管(IGCT)、绝缘栅极双极晶体管(IGBT)、门极可关断晶闸管(GTO)和MOS控制晶闸管(MCT)。
至少一个FET型器件24可以是例如但不限于呈背靠背或反串联配置的两个三象限FET、或一个四象限FET。三象限FET型器件可以是例如但不限于SiC结栅场效应晶体管(JFET)、具有Si MOSFET或GaN MOSFET的呈共源共栅配置的SiC JFET、SiC金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、具有反并联二极管的SiC结栅场效应晶体管、具有反并联二极管的SiC金属氧化物半导体场效应晶体管、或其他类型的三象限FET器件。四象限FET型器件可以是例如但不限于GaN四象限FET、对称常开型SiC JFET、或双栅极常开GaN HEMT、或其他类型的四象限FET器件。FET型器件24还可以是或包括GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)、GaN场效应晶体管(FET)、GaN增强模式HEMT(E-HEMT)、Si金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、Si结栅场效应晶体管(JFET)、Si超级结MOSFET和宽带隙、SiC、GaN、金刚石半导体器件中的一种或多种。例如在共源共栅配置中采用的二极管可以包括例如但不限于pn二极管、肖特基二极管、SiC肖特基二极管或一个或多个其他二极管类型中的一个或多个。尽管关于共源共栅配置进行了说明，但是应当理解，在一些实施例中，二极管也可以例如作为续流二极管与其他FET型器件结合使用。
参照图5至图8，在一些实施例中，至少晶闸管型器件26可以是单个晶闸管型器件，并且在其他实施例中，可以是或包括：第一晶闸管型器件34，其与至少一个FET型器件24并联地耦合到端子T1并耦合到端子L1；以及第二晶闸管型器件34，其与第一晶闸管型器件34反并联地耦合到端子T1并耦合到端子L1。每个晶闸管型器件34(例如，每个晶闸管)具有阳极A、阴极K和栅极GT。图5的实施例图示了其中至少一个FET型器件24是反串联耦合的两个三象限FET 36，每个FET 36具有栅极G、源极S和漏极D。图6的实施例图示了其中至少一个FET型器件是具有对应低压MOSFET 40和续流二极管42的两个共源共栅JFET38，每个共源共栅JFET具有栅极G、源极S和漏极D。图7的实施例图示了其中至少一个FET型器件是具有栅极G的四象限FET 44。图8的实施例图示了其中至少一个FET型器件是具有两个栅极G1和G2的四象限双栅极FET 46。应当理解，FET型器件和晶闸管型器件的其他组合可以用于本发明的各种实施例中。
栅极驱动器22包括栅极驱动器电路，其可操作以向至少一个FET型器件24和至少一个晶闸管型器件26发送栅极驱动信号，并且在各种实施例中，除了栅极驱动电路之外还包括其他部件和特征，例如，用于提供功率和信息或用于操作栅极驱动器电路的其他量(例如，电压、电流或其他形式的信息)的部件和特征。例如，在各种实施例中，栅极驱动器22可以包括：电源，诸如隔离电源；处理器件，诸如微处理器、可编程逻辑器件或其他形式的处理器件、逻辑电路、各种类型的控制器、控制电路等中的一个或多个；光电耦合器、脉冲电流互感器；各种其他类型的互感器和/或其他类型的隔离器和/或隔离电路；隔离和/或非隔离测量电路和系统，例如，用于测量电压、电流和/或其他量；以及其他电气/电子特征、部件和系统，最终用于向FET型器件和晶闸管型器件提供栅极驱动信号，包括本文中未提及的其他电气/电子特征、部件和系统或与本文中未提及的其他电气/电子特征、部件和系统相结合。在图9的实施例中图示了作为栅极驱动器22的一部分所包括的部件的示例，其中栅极驱动器22包括：FET器件栅极驱动器电路62；用于每个晶闸管型器件的晶闸管(THY)栅极驱动器电路62；用于每个晶闸管栅极驱动器电路62的电压VAK测量电路64；用于FET器件栅极驱动器电路60和每个晶闸管栅极驱动器电路62和VAK测量64电路对的、形式为光电耦合器66的隔离器(ISO)；以及用于FET器件栅极驱动器电路60和晶闸管栅极驱动器电路62中的每个电路的隔离(ISO)电源68。除了或代替图9中所图示的那些，可以包括其他部件和特征作为栅极驱动器22的一部分。
在一些实施例中，晶闸管型器件和FET型器件以这样的方式使用，以便管理以及在一些实施例中优化晶闸管型器件和FET型器件之间的热负载，并且在一些实施例中，以便最终增加固态开关系统14或固态开关20的功率密度。
一些实施例包括控制方法和系统，其准许协调晶闸管型器件和FET型器件，以便管理晶闸管型器件和FET型器件之间的电流共享，并且在一些实施例中，以提供最佳的电流共享以及最佳的热负载的共享。一些实施例提供零电流关断，其可以提供大量的关断操作，例如，相对于没有采用零电流关断的实施例。
一些实施例包括控制方法和系统，其可以提高并在一些实施例中可以最大化固态开关(例如，用于电机控制应用的接触器和具有高电流额定值的固态继电器和接触器)的功率密度/成本比。
一些实施例包括控制方法和系统，其可以提高并在一些实施例中可以最大化功率密度/成本比，并且增加固态断路器、接触器、继电器和开关的操作次数。
在一些实施例中，电流共享或分流、热负载的共享或分流以及零电流关断可以包括：控制电路以特定定时向晶闸管型器件发送电流脉冲。例如，在一些实施例中，当晶闸管正向偏置且晶闸管两端的电压高于晶闸管的嵌入式拐点电压时，通过发送电流脉冲来激活晶闸管型器件。各种实施例包括在器件之间提供精确的定时和协调，并且可以避免不期望的过电流和过电压。
本发明的实施例包括：控制至少一个FET型器件24和至少一个晶闸管型器件26，例如，如上文参照图1至图8所述的器件。在一些实施例中，对反并联的两个晶闸管型器件以及与晶闸管型器件并联连接的、呈背靠背配置的两个FET型器件进行控制。一些实施例包括：对反并联的两个晶闸管型器件以及与晶闸管型器件并联连接的一个四象限FET型器件进行控制。
参照图10至图14，图示了非限制性的、本发明的实施例的示例的一些方面。图10图示了根据本发明的实施例的控制算法200的非限制性示例的一些方面，根据本发明的实施例的控制算法200可以用于协调至少一个FET型器件和至少一个晶闸管型器件，以便控制电流共享和零电流关断，其在一些实施例中可以改善热负载管理、功率密度/成本比、以及固态开关20的延长的操作次数和寿命。
图11示意性地图示了根据本发明的实施例的用于操作和控制至少一个FET型器件24和至少一个晶闸管型器件26的逻辑和命令/控制信号的非限制性示例的一些方面。在一些实施例中，图10的控制算法可以用来生成图11中所图示的命令和控制信号。在一些实施例中，用于至少一个FET型器件24和至少一个晶闸管型器件26的操作和控制信号可以改善热平衡，并且在一些实施例中，可以优化热平衡，并且提供零电流关断，其在一些实施例中可以增加至少一个FET型器件24和至少一个晶闸管型器件26的寿命，例如，允许比传统固态开关更高的操作次数。图示了在冲击电流条件54和标称电流条件56期间至少一个FET型器件24和至少一个晶闸管型器件26的操作和控制。
图12示意性地图示了根据本发明的实施例的用于控制至少一个FET型器件和至少一个晶闸管型器件的控制电路的实现的非限制性示例的一些方面。在一些实施例中，图12至图14中所图示的控制电路可以实现相应的图10和图11的控制算法和命令/控制信号。其他实施例也可以实现相应的图10和图11的控制算法和命令/控制信号。
图13示意性地图示了根据本发明的实施例的用于晶闸管型器件的栅极驱动器电路的实现的非限制性示例的一些方面，其包括晶闸管栅极驱动器电路62和VAK测量64。在所图示的实施例中，栅极驱动器电路62耦合到晶闸管34的栅极(GT)和阴极(K)，并且可操作以通过晶闸管的栅极来驱动电流脉冲(栅极驱动信号)以使得接通(锁定)晶闸管。在其他实施例中，除了或代替晶闸管栅极驱动器电路62和/或VAK测量64，可以采用其他栅极驱动器电路和/或相关电路。应当理解，栅极驱动器电路62和VAK测量64只是可以在本发明的实施例中采用的栅极驱动器电路和测量电路的一个示例，以及在其他实施例中可以采用其他形式的栅极驱动器电路和/或测量电路。一些实施例可以采用栅极驱动器电路，无需测量电路。在一些实施例中，可以采用可编程逻辑控制器、微处理器或其他控制器来用作晶闸管栅极驱动器电路62和/或VAK测量64的全部或部分，以确定电压VAK和/或电流，并且生成用于驱动至少一个晶闸管型器件26的栅极或激活/去激活至少一个晶闸管型器件26的栅极驱动信号。
图14示意性地图示了根据本发明的实施例的用于至少一个FET型器件的FET栅极驱动器电路60的实现的非限制性示例的一些方面。在其他实施例中，除了FET栅极驱动器电路60之外或代替FET栅极驱动器电路60，可以采用其他栅极驱动器电路和/或相关电路。在一些实施例中，可以采用可编程逻辑控制器、微处理器或其他控制器来充当FET栅极驱动器电路60的全部或部分，以生成栅极驱动信号，用于驱动至少一个FET型器件24的栅极。
在图10至图14的实施例中，至少一个FET型器件24是以反串联方式布置的一对三象限FET器件36，例如，如图5所示，尽管可以采用本文中所描述的任何FET型器件/布置。从耦合到FET的栅极G的FET栅极驱动器电路60向FET型器件提供栅极驱动信号。至少一个晶闸管型器件26是一对晶闸管34，这对晶闸管34与至少一个FET型器件24并联布置并且彼此反并联，例如，如图5所示，尽管可以采用本文中所描述的任何晶闸管型器件/布置。从晶闸管(THY)栅极驱动器电路62向晶闸管型器件提供栅极信号，例如，每个晶闸管34一个栅极信号。
图12图示了根据本发明的实施例的电气系统和控制电路的非限制性示例的一些方面。图12的控制电路可操作以协调至少一个FET型器件24和至少一个晶闸管型器件26的操作。在一种形式中，一个控制或栅极驱动器电路(例如，图12的FET栅极驱动器电路60、图14中图示了其非限制性示例)用于控制至少一个FET型器件24。在图12的实施例中，两个控制电路(例如，图12和图13的THY栅极驱动器电路62)结合Vak测量电路(例如，VAK测量64)、光电耦合器66和隔离(ISO)电源68向至少一个晶闸管型器件26提供栅极驱动信号。在一些实施例中，栅极驱动器电路可以用于至少一个FET型器件24(例如，每个FET型器件)和至少一个晶闸管型器件26(例如，每个晶闸管型器件)中的每个部件或开关元件，而在其他实施例中，针对多个开关器件的栅极信号可以由单个栅极驱动器电路提供。
在图12的实施例中，栅极驱动器22包括：栅极驱动器电路60；两(2)个栅极驱动器电路62；两(2)个VAK测量电路64；三(3)个隔离器，例如，光电耦合器66；以及三个隔离电源68。隔离电源68耦合到电源12，并耦合到相应的栅极驱动器电路60、62。隔离电源68可操作以向相应的栅极驱动器提供隔离功率信号以用于生成FET型器件和晶闸管型器件的栅极驱动信号。栅极驱动器电路60耦合到至少一个FET型器件24的一个或多个栅极，例如，耦合到每个FET 36的栅极G(在图12中也标识为J1和J2)，并且可操作以向栅极提供栅极信号(例如，Vg J1和Vg J2)，以用于接通或激活FET型器件、以及关断或去激活FET型器件，从而分别将电气设备18与固态开关14的FET型器件侧上的电源12连接或断开连接。在一种形式中，栅极驱动器电路60被构造为并可操作以提供连续或恒定的栅极驱动信号，例如，连续接通(例如，1或高)或连续关断(例如，0或低)。也就是说，在图12的实施例中，在超过由电源12提供给电气设备18的功率的完整正弦波周期的时间段内，FET 36不是脉冲的，而是连续接通或连续关断。
在一种形式中，栅极驱动器电路60被构造为并可操作以提供栅极驱动信号，以在标称电流和冲击电流条件下的操作期间连续激活至少一个FET型器件24(例如，FET 36)。在其他实施例中，栅极驱动器电路60可以被构造为并可操作以提供栅极驱动信号以仅在标称电流条件期间激活至少一个FET型器件24(例如，FET 36)。在其他实施例中，栅极驱动器电路60可以被构造为并可操作以在标称电流和冲击电流条件期间或仅在标称电流条件期间提供不连续的栅极驱动信号，例如，脉冲栅极驱动信号。
栅极驱动器电路62耦合到至少一个晶闸管型器件26的一个或多个栅极，例如，耦合到每个晶闸管34的栅极GT(并且在一些实施例中还耦合到阴极)，并且可操作以向栅极提供栅极信号，用于接通或激活晶闸管型器件，以及关断或去激活晶闸管型器件的栅极，从而分别将电气设备18与固态开关14的晶闸管型器件侧上的电源12连接或断开连接。在一种形式中，栅极驱动器电路62被构造为并可操作以向相应的晶闸管34提供脉冲栅极驱动信号。在其他实施例中，栅极驱动器电路62可以被构造为并可操作以提供栅极驱动信号，以仅在冲击电流条件期间激活至少一个晶闸管型器件26(例如，晶闸管34)。在其他实施例中，栅极驱动器电路62可以被构造为并可操作以提供栅极信号，以在标称电流和冲击电流条件期间激活至少一个晶闸管型器件26(例如，晶闸管34)。一些实施例可以采用单个栅极驱动器电路62以及单个晶闸管型器件相关的光电耦合器66或其他隔离器、和/或单个晶闸管型器件相关的隔离电源68，而其他实施例可以采用多于一个的晶闸管型器件相关的栅极驱动器电路62、光电耦合器66和/或隔离电源68，例如，每个晶闸管型器件一个栅极驱动器电路62、隔离器66和/或隔离电源68。
VAK测量电路64耦合到相应的晶闸管34的阳极(A)和阴极(K)，并耦合到相应的栅极驱动器电路62。VAK测量电路64可操作以感测每个晶闸管34两端的电压VAK，将电压与高阈值(图10中的Vth_hi)进行比较，并且将电压与低阈值(图10中的Vth_lo)进行比较。栅极驱动器电路62可操作以基于该比较来激活相应的晶闸管34或去激活相应的晶闸管34。
光电耦合器66耦合到命令输入16并且耦合到相应的栅极驱动器电路60和栅极驱动器电路62。光电耦合器66被构造为并可操作以从命令输入16接收命令信号(CMD_IN)并向相应的栅极驱动器电路提供隔离命令信号。
为了操作开关系统14以将电气设备18连接到电源12或将电气设备18与电源12断开连接，利用来自命令输入16的命令信号(CMD_IN)。当命令信号为高(1)时，接通开关14，并且当命令信号为低(0)时，关断开关14。参考图10的算法200，在本实施例中，对至少一个FET型器件执行涵盖框202-210的描述；并且对于每个晶闸管型器件独立执行涵盖框202、204和212-220的描述，例如，执行晶闸管型器件导通正电压/电流与执行晶闸管型器件导通负电压/电流并行操作。其他实施例可以不同地执行算法。
从框202开始，固态开关14处于关断条件。在框204处，确定命令信号(CMD_IN)是高还是低(例如，分别地为1或0)。如果命令信号为高(CMD_IN＝1)，则在框206处，向FET 36发送“接通”命令栅极驱动信号(CMD_IN_FET/CMD_OUT_FET＝1)以在时间延迟(图10中的T_don_i、图11中的T_don_FET)之后激活FET 36。如果命令信号为低，则固态开关系统14保持处于关断条件，其中电气设备18未连接到电源12。在框208处，如果命令信号为低(CMD_IN＝0)，则发送“关断”命令栅极驱动信号(CMD_IN_FET/CMD_OUT_FET＝0)以在时间延迟(图10中的T_doff_i、图11中的T_dof_FET)之后对FET 36进行去激活，从而将FET 36置于框202的关断条件。如果在框208处命令信号不为低，则FET 36保持激活。因此，当命令信号(CMD_IN)(例如，命令输入16)变高时，至少一个FET型器件24以预定延迟(图10中的T_don_i、图11中的T_don_FET)接通，并且向电气设备18导通电流；随后当命令信号变低时，至少一个FET型器件24在预定延迟(图10中的T_doff_i、图11中的T_doff_FET)之后关断。
在框204处命令信号变高(CMD_IN＝1)之后，至少一个晶闸管型器件26在时间延迟(图11中的T_don_THY)之后置于待机条件(CMD_IN_THY＝1)。也就是说，用于至少一个晶闸管型器件26的输入命令以预定延迟(分别为CMD_IN_THY和时间延迟T_doff_THY)变高。然而，仅当电流(或在一些实施例中的电压)超过预定阈值时，才发送去往晶闸管型器件的接通命令，即，将晶闸管型器件接通的栅极驱动信号(CMD_OUT_THY)。如果使能信号CMD_IN_THY为高，则仅由栅极驱动信号CMD_OUT_THY接通或激活至少一个晶闸管型器件26(例如，晶闸管34)。在图11的实施例中，栅极驱动信号是脉冲信号。在其他实施例中，可以采用连续信号。在框212处，至少一个晶闸管型器件26(例如，晶闸管34)处于待机条件或状态，其中CMD_IN_THY＝1。在框214处，如果电压VAK大于阈值Vth_hi，则在框216处，向晶闸管34发送“接通”命令栅极驱动信号(CMD_OUT_THY＝1)，否则在框212处晶闸管34保持待机。在框218处，当电压VAK小于阈值Vth_lo时，在框212处，晶闸管34保持待机条件或者置于待机条件，否则在框216处，向晶闸管34发送CMD_OUT_THY＝1以激活晶闸管34。
图11图示了用于导通正电压/电流的晶闸管34的栅极驱动信号CMD_OUT_THY。应当理解，为导通负电压/电流的另一晶闸管34提供与所图示的栅极驱动信号CMD_OUT_THY异相180度的第二晶闸管栅极驱动CMD_OUT_THY。
在一种形式中，阈值Vth_hi是冲击电流，例如，超过额定电流或一些其他所选择的标称电流值(例如，上文关于图1至图8所描述的阈值电流Ik和/或另一阈值电流值)的电流。可以例如但不限于通过测量、计算或基于至少一个晶闸管型器件26两端的VAK或至少一个FET型器件24两端的VDD的其他确定来确定电流，该VDD的电压在一些实施例中与VAK基本上相同。例如，在所图示的实施例中，VAK有效地代表电流。在其他实施例中，可以以其他方式确定阈值。一旦电流(或一些实施例中的电压)回落到预定阈值以下，晶闸管型器件的接通命令(CMD_OUT_THY)变低，其在一些实施例中允许晶闸管在电流过零点处自然关断。在其他实施例中，可以在过零点处关断晶闸管型器件。在一种形式中，阈值Vth_lo是等于或高于晶闸管34的嵌入式拐点电压的电压。在其他实施例中，可以采用其他阈值。
在一种形式中，阈值Vth_hi表示至少一个FET型器件24两端的电压，并且因此表示至少一个晶闸管型器件26两端的电压，其与Ik处的电流相对应，在高于该电流处，至少一个FET型器件将在FET型器件的高功率损耗模式70下操作(图4)。例如，从图4中可以看出，在低于电流Ik时(即，在低功率损耗模式68下)，FET功率损耗(PLOSS)28小于并且在大多数情况下基本上小于至少一个晶闸管型器件26的功率损耗30，而在高于电流Ik时(即，在高损耗模式70下)，至少一个FET型器件24的功率损耗28基本上大于至少一个晶闸管型器件26的功率损耗30。因为通过至少一个FET型器件24的损失随着电流的增加而增加，所以至少一个FET型器件两端的电压降也增加。例如在至少一个晶闸管型器件的阳极和阴极处测量的该电压(或在一些实施例中为VDD)在一些实施例中用作接通至少一个晶闸管型器件26的信号。当电压增加到阈值以上时，晶闸管型器件接通以共享电流，从而允许FET型器件以在低损耗模式69下操作。因此，至少一个晶闸管型器件26被接通或激活，使得在与高损耗模式70相关联的电流水平下的操作期间，除了至少一个FET型器件24之外(或在一些实施例中代替至少一个FET型器件24)，该电流可以由至少一个晶闸管型器件26承载，以使通过在低损耗模式69下操作FET型器件来减少(或者在一些实施例中通过将至少一个FET型器件关断来消除)通过至少一个FET型器件24的损耗。因此，本发明的实施例共享或分流输送到电机18的电流。
在本发明的各种实施例中，电流在至少一个FET型器件26和至少一个晶闸管型器件26之间的共享(即，分流)可以是两种意义中的任一种或两种：(1)并发共享；以及(2)时态共享(atemporal sharing)。在并发共享的情况下，在固态开关20的正常导通操作期间，即，不是在已经接收到CMD_IN＝0命令信号之后的关机期间，至少一个FET型器件和至少一个晶闸管型器件各自导通一部分电流，该部分电流同时被引导到电气设备18。在时态共享的情况下，在固态开关20的正常导通操作期间，即，不是在已接收到CMD_IN＝0命令信号之后的关机期间，在某些电流条件下，采用通过开关20的第一导通路径，而在其他电流条件期间，采用不同于第一导通路径的第二导通路径。第一导通路径是至少一个FET型器件侧、至少一个晶闸管型器件侧或两者的组合中的一个选择；并且第二导电路径是至少一个FET型器件侧、至少一个晶闸管型器件侧或两者的组合的另一不同选择。因此，在一些实施例中，时态共享可以包括在一些条件下的并发共享(即，当至少一个FET型器件和至少一个晶闸管型器件两者都导通时)，而非所有电流条件下的并发共享。
在正常导通操作之后的关机条件期间，例如，在CMD_IN变低之后，可以采用其他形式的电流共享或电流管理，例如，如本文中所描述的，其中在关机时，如果至少一个FET型器件导通，则当其被去激活时，至少一个晶闸管型器件同时被激活，然后通过在关机期间的激活之后不久提供低栅极驱动信号(例如，脉冲72)来允许在过零点处自然关断。在一些实施例中，可以在关机期间在至少一个FET型器件24之前接通、而非同时接通至少一个晶闸管型器件26。
在一种形式中，图10至图14的实施例执行并发共享和时态共享。例如，在冲击电流条件期间，例如，在电气设备18的启动期间或产生冲击电流的其他操作模式或其他情况期间，至少一个FET型器件24和至少一个晶闸管型器件26都向电气设备18导通电流，而在标称操作条件期间，只有至少一个FET型器件24向电气设备18导通电流。在其他实施例中，可以使用并发共享、时态共享或其组合。
当输入命令(CMD_IN)变低(CMD_IN＝0)时，至少一个FET型器件24在预定延迟(图10中的T_doff_i、图11中的T_doff_FET)之后关断，并且在框220处，用于至少一个晶闸管型器件26的输入命令在另一预定时间延迟(T_doff_THY)之后变低，该另一预定时间延迟在一些实施例中比针对至少一个FET型器件24的时间延迟(图10中的T_doff_i、图11中的T_doff_FET)更长。这样，可以重新触发至少一个晶闸管型器件26，以便导通电流，直到出现自然过零点为止。例如，在一些实施例中，时间延迟被配置为使得栅极驱动器电路62在至少一个FET型器件24被关断的同时接通或激活至少一个晶闸管型器件26，如图11中的CMD_OUT_THY脉冲72所图示的，使得至少一个晶闸管型器件26可以导通直到过零点为止，从而防止感应能量通过至少一个FET型器件24和至少一个晶闸管型器件26消散。脉冲72被定时以在下一个过零点之前变低，使得晶闸管34可以在过零点74处自然关断或去激活。另外，通过在关断至少一个FET型器件24的同时接通至少一个晶闸管型器件26、或者通过在至少一个晶闸管型器件导通的同时关断至少一个FET型器件24，可以避免与关断至少一个FET型器件24相关联的电压尖峰。至少一个晶闸管型器件26的导通和重新触发过程可以以多种方式实现。例如但不限于，一种方法是测量半导体开关器件两端的电压并将该值与用于接通的高阈值和用于禁用至少一个晶闸管型器件26的接通的低阈值(例如，如果电压的幅度低于低阈值，则禁用接通)进行比较。方法的另一非限制性示例是测量通过器件的电流并将其与用于接通的高阈值和用于禁用至少一个晶闸管型器件26的接通的低阈值进行比较。方法的另一非限制性示例是测量温度或其他手段，以便确定至少一个晶闸管型器件26的接通时刻。
在一些实施例中，控制电路(例如，栅极驱动器22)协调FET型器件和晶闸管型器件的操作，以管理损耗并且在一些情况下实现最小损耗，以管理负载共享并且在一些情况下实现最佳热负载共享，并且提供零电流关断以减少或消除对开关元件的损坏并提供开关的大量开关操作，例如，长操作寿命。
在一些实施例中，可以采用FET型器件以便在标称电流下提供高功率密度，并且可以采用晶闸管型器件以在冲击电流(例如，浪涌电流、电机启动电流、故障电流和/或其他冲击电流)下提供高功率密度。
一些实施例包括用于将负载(例如，电阻性负载、电机负载、照明负载等)与公用电网或配电单元/系统进行连接或断开的固态开关系统，其涉及晶闸管型功率半导体器件和FET型功率半导体器件的组合(例如，如上文关于图1至图8所述的半导体器件)。在一些实施例中，固态开关系统中的导通损耗可以针对标称电流操作(例如，等于或低于额定电流的电流)和冲击电流操作(例如但不限于，电机的磁化浪涌电流和启动过电流(LRC)和/或其他冲击电流)进行优化。
图15示意性地图示了根据本发明的实施例的用于控制至少一个FET型器件24和至少一个晶闸管型器件26的控制电路的实现的非限制性示例的一些方面。图15的实施例的栅极驱动器22包括：FET栅极驱动器电路60，其耦合到至少一个FET型器件24(例如，FET 36)的一个或多个栅极；光电耦合器66，其耦合到命令输入16和FET栅极驱动器电路60；隔离电源68，其耦合到电源12和FET栅极驱动器电路60；以及光学三端双向可控硅开关(opto triac或optotriac)80，其耦合到命令输入16和至少一个晶闸管型器件26。FET栅极驱动器电路60、光电耦合器66和隔离电源68类似于上文关于图12描述的那些。在图15的实施例中，采用光学三端双向可控硅开关80作为栅极驱动器电路来控制至少一个晶闸管型器件26(例如，晶闸管34)。在各种实施例中，光学三端双向可控硅开关80可以包括单个光学三端双向可控硅开关器件，或者可以包括多于一个的光学三端双向可控硅开关器件，例如每个晶闸管型器件一个光学三端双向可控硅开关器件。
光学三端双向可控硅开关80使用至少一个FET型器件24两端的电压(例如，VDD)、或至少一个晶闸管型器件26两端的电压(VAK)(VAK在一些实施例中与VDD相同)，以向栅极电流脉冲供电用于锁定至少一个晶闸管型器件26(例如，锁定两个晶闸管34)。当晶闸管34两端的电压升高时，发送栅极电流脉冲以接通晶闸管，从而使得电流能够在至少一个FET型器件24和至少一个晶闸管型器件26之间分流。在一些场景中，由于至少一个FET型器件24在例如高于图4的阈值Ik的高损耗模式70下操作，电压升高，例如，如上文关于图12的实施例所述，并且该电压升高用于生成栅极驱动信号以接通至少一个晶闸管型器件26，用于与至少一个FET型器件24分流电流。在一些场景中和/或在一些实施例中，由于至少一个FET型器件24有意地被关断，电压升高，并且用于接通至少一个晶闸管型器件26，例如，以便防止由于关断至少一个FET型器件24而产生的电压尖峰。然后，可以在零电流交叉时自然关断至少一个晶闸管型器件26，其可以防止感应能量耗散到至少一个FET型器件24和/或至少一个晶闸管型器件26中。在一些实施例中，至少一个FET型器件24可以在冲击电流条件下关断，导致电压升高，其导致至少一个晶闸管型器件26接通，从而将电流导通从开关20的FET型器件侧24切换到晶闸管型器件侧26。在一些实施例中，至少一个FET型器件24的输出可以降低但没有关闭，以便激活晶闸管型器件侧。在一些实施例中，可以降低至少一个FET型器件24的输出以便实现期望的电流分流，其中当FET型器件24的电流输出降低时，电压升高，从而接通至少一个晶闸管型器件26以在至少一个晶闸管型器件26和至少一个FET型器件24之间分流电流。接通至少一个晶闸管型器件所需的电压升高可以根据应用的需要(例如，控制至少一个晶闸管型器件接通的点)而变化。图15的实施例可以采用用于操作图10和图11中所图示的至少一个FET型器件24和至少一个晶闸管型器件24的逻辑和命令/控制信号的一些或所有方面。在一种形式中，图15的实施例执行并发共享和时态共享两者。例如，在冲击电流条件期间，例如，在电气设备18的启动期间或在产生冲击电流的其他操作模式或其他情况期间，至少一个FET型器件24和至少一个晶闸管型器件26都向电气设备18导通电流，而在标称操作条件期间，只有至少一个FET型器件24向电气设备18导通电流。在其他实施例中，可以使用并发共享、时态共享或其组合。
参照图16和图17，图示了本发明的实施例的非限制性示例的一些方面。图16示意性地图示了根据本发明的实施例的用于控制至少一个FET型器件24和至少一个晶闸管型器件26的控制电路的实现的非限制性示例的一些方面。图16的实施例的栅极驱动器22包括：FET栅极驱动器电路60，其耦合到至少一个FET型器件24(例如，FET 36)的一个或多个栅极；光电耦合器66，其耦合到命令输入16和FET栅极驱动器电路60；隔离电源68，其耦合到电源12和FET栅极驱动器电路60；形式为光学三端双向可控硅开关80的晶闸管型器件栅极驱动器电路，其耦合到命令输入16和至少一个晶闸管型器件26；以及电流测量电路82，其耦合到FET栅极驱动器电路60和固态开关20。光电耦合器66和隔离电源68类似于上文参考图12所述的那些。光学三端双向可控硅开关80类似于上文关于图15所描述的那些。一些实施例可以采用单个光学三端双向可控硅开关，而其他实施例可以采用多于一个的光学三端双向可控硅开关，例如，每个晶闸管型器件一个光学三端双向可控硅开关。除了至少一个FET型器件24仅在标称电流期间导通并且至少一个FET型器件24基于电流83测量结果(即，通过开关20的电流)而被激活/去激活之外，FET栅极驱动器电路60类似于上文参考图15所述的那些。
图16的实施例基于具有交替光学三端双向可控硅开关操作方案的光学三端双向可控硅开关。图16的实施例的交替导通的特征在于晶闸管型器件仅在冲击电流(例如但不限于，浪涌和电机启动电流)期间导通，以及FET型器件仅在标称电流期间导通。在冲击期间，至少一个FET型器件24的导通被禁用，从而迫使全部电流流过晶闸管型器件。控制电路(例如，一个或多个栅极驱动器22电路)基于电流测量结果来启用和禁用FET型器件的控制信号，如图16所示。
图17示意性地图示了根据本发明的实施例(例如包括图16的实施例)的用于控制至少一个FET型器件24和至少一个晶闸管型器件26的逻辑和命令/控制信号的非限制性示例的一些方面。在图17中，可以看出，一旦命令信号(CMD_IN)变高，晶闸管使能信号或输入命令CMD_IN_THY在时间延迟T_don_THY之后变高。当CMD_OUT_THY变高时，晶闸管型器件被激活，其在图17的实施例中与晶闸管型器件使能信号CMD_IN_THY变高同时发生。在冲击电流54条件期间，仅激活至少一个晶闸管型器件26，如图17所示，其中CMD_OUT_THY在冲击电流54期间为高，从而激活至少一个晶闸管型器件26，而FET型器件栅极驱动信号CMD_IN_FET/CMD_OUT_FET在冲击电流54条件期间为低，从而对至少一个FET型器件24去激活。当实现标称电流56条件时，FET型器件栅极驱动信号CMD_IN_FET/CMD_OUT_FET变高，从而激活至少一个FET型器件24，同时，晶闸管型器件使能和栅极驱动信号CMD_IN_THY和CMD_OUT_THY变低，从而对至少一个晶闸管型器件26去激活。因此，图16和图17的实施例执行没有并发共享的时态共享，其中至少一个FET型器件仅在标称电流条件下导通，并且其中至少一个晶闸管型器件26仅在冲击电流条件下导通。
当输入命令(CMD_IN)变低(CMD_IN＝0)时，至少一个FET型器件24在预定延迟(图17中的T_doff_FET)之后关断，并且与去激活至少一个FET型器件24同时激活至少一个晶闸管型器件(CMD_IN_THY和CMD_OUT_THY＝1)，然后在另一预定时间延迟(T_doff_THY)之后，用于至少一个晶闸管型器件26的输入命令(CMD_IN_THY)变低。
图18示意性地图示了根据本发明的实施例的用于控制至少一个FET型器件24和至少一个晶闸管型器件26的控制电路的实现的非限制性示例的一些方面。图18的实施例的栅极驱动器22包括：FET栅极驱动器电路60，其耦合到至少一个FET型器件24(例如，FET 36)的一个或多个栅极；两个晶闸管栅极驱动器电路84；光电耦合器66，其耦合到命令输入16并耦合到相应的FET栅极驱动器电路60和晶闸管栅极驱动器电路84；以及隔离电源68，其耦合到电源12并耦合到相应的FET栅极驱动器电路60和晶闸管栅极驱动器电路84中的每个电路。每个晶闸管栅极驱动器电路84耦合到相应的隔离电源68和晶闸管型器件34。FET栅极驱动器电路60、光电耦合器66和隔离电源68类似于上文参考图12所述的那些。栅极驱动器电路84耦合到至少一个晶闸管型器件26，例如，耦合到每个晶闸管34的栅极GT和阴极。栅极驱动器电路84可操作以向栅极提供栅极驱动信号用于接通或激活晶闸管型器件和关断或去激活晶闸管型器件，以用于分别将电气设备18与固态开关14的晶闸管型器件侧上的电源12进行连接或断开。
图18的实施例基于恒流晶闸管隔离栅极驱动器电路84。隔离栅极驱动器电路84向至少一个晶闸管型器件26提供恒定栅极电流，从而每当晶闸管型器件被正向偏置时，例如，当至少一个FET型器件两端的电压降正向偏置晶闸管型器件并超过晶闸管型器件的嵌入式拐点电压时，准许晶闸管型器件的接通。在一些实施例中，至少一个FET型器件两端的电压降可以由于FET型器件被关断而增加，以便将至少一个晶闸管型器件驱动到导通条件。在一些实施例中，至少一个FET型器件两端的电压降可以由于FET型器件在高损耗模式70下操作而增加。该解决方案采用晶闸管型器件相关的光电耦合器66或其他隔离器、单个晶闸管型器件相关的隔离电源68以及用于每个晶闸管型器件的隔离栅极驱动器电路84，如图18所图示的。其他实施例可以采用单个或多个晶闸管型器件相关的光电耦合器66或其他隔离器、相关的隔离电源68和/或栅极驱动器电路84。图18的实施例可以采用用于操作图11所图示的至少一个FET型器件和至少一个晶闸管型器件的逻辑和命令/控制信号的一些或所有方面。在一种形式中，图18的实施例执行具有时态共享的并发共享。例如，在冲击电流条件期间，例如，在电气设备18的启动期间或在产生冲击电流的其他操作模式或其他情况期间，至少一个FET型器件24和至少一个晶闸管型器件26都向电气设备18导通电流，而在标称操作条件期间，只有至少一个FET型器件24向电气设备18导通电流。在其他实施例中，可以使用并发共享、时态共享或其组合。在一些实施例中，可以在冲击电流条件期间关断至少一个FET型器件。
图19和图20示意性地图示了根据本发明的一些实施例的用于控制至少一个FET型器件24和至少一个晶闸管型器件26的控制电路的实现的非限制性示例的一些方面。在图19和图20的实施例中，控制电路采用具有重新触发的电流脉冲晶闸管隔离栅极驱动器电路。当至少一个FET型器件24中的电流导致晶闸管电压超过某个阈值并且当晶闸管型器件被正向偏置时，隔离栅极驱动器生成电流脉冲到至少一个晶闸管型器件26的栅极。该控制仅在电流超过预定阈值时才准许电流共享。该阈值可以仔细地被调节，例如，以便管理或优化电流共享并管理或优化器件之间的热应力。图19和图20的实施例可以采用用于操作图11中所图示的至少一个FET型器件24和至少一个晶闸管型器件26的逻辑和命令/控制信号的一些或所有方面。
图19的实施例的栅极驱动器22包括：FET栅极驱动器电路60，其耦合到至少一个FET型器件24(例如，FET 36)的一个或多个栅极；具有重新触发的两个晶闸管栅极驱动器电路86；光电耦合器66，其耦合到命令输入16并耦合到相应的FET栅极驱动器电路60和晶闸管栅极驱动器电路86；以及隔离电源68，其耦合到电源12并耦合到相应的FET栅极驱动器电路60和晶闸管栅极驱动器电路86中的每个电路。每个晶闸管栅极驱动器电路86耦合到相应的晶闸管型器件34。FET栅极驱动器电路60、光电耦合器66和隔离电源68类似于上文参考图12所述的那些。图19的实施例的栅极驱动器22还包括耦合到FET 34的VDD测量电路88、以及耦合到VDD测量电路88和相应栅极驱动器86的两个隔离器90，每个晶闸管型器件一个隔离器，例如，每个晶闸管34一个隔离器90。VDD测量电路88可操作以感测或测量至少一个FET型器件两端(例如，两个FET 34两端)的电压VDD，并生成晶闸管栅极驱动器电路86用于重新触发和激活晶闸管型器件34的触发信号。
在图19的实施例中，用于测量电压和生成触发信号的VDD测量电路88可以处于至少一个FET型器件24的相同电位。然后，如图19所示，可以例如通过诸如隔离器88或隔离互感器的隔离电路向至少一个晶闸管型器件26的隔离栅极驱动器86发送信号。在另一实施例中，用于测量电压和生成触发信号的电路可以处于晶闸管型器件34的隔离栅极驱动器的电位，例如，使用VAK测量电路64，如上文关于12所描述的并且如图20的实施例所图示的。除了VAK测量电路64代替VDD测量电路88和隔离器90之外，图20的实施例类似于图19的实施例。在一些实施例中，可以仅采用具有相关的隔离电源68、隔离器或光电耦合器66、带有隔离器90的VDD测量电路88或VAK测量电路64的单个栅极驱动器电路86。在图19和图20的实施例中，当流过FET型器件的电流使得FET型器件两端的电压降足以超过电压阈值时，例如，当FET型器件在高损耗模式70下操作时，晶闸管型器件被激活。电压阈值可以根据特定应用的需要而变化。
图19和图20的实施例可以采用用于操作图11中所图示的至少一个FET型器件24和至少一个晶闸管型器件26的逻辑和命令/控制信号的一些或所有方面。图19和图20的实施例执行具有并发共享的时态共享。例如，在冲击电流条件期间，例如，在电气设备18的启动期间或在产生冲击电流的其他操作状态或其他情况期间，至少一个FET型器件24和至少一个晶闸管型器件26都向电气设备18导通电流，而在标称操作条件期间，只有至少一个FET型器件24向电气设备18导通电流。在其他实施例中，可以使用并发共享、时态共享或其组合。
图21示意性地图示了根据本发明的实施例的用于控制至少一个FET型器件24和至少一个晶闸管型器件26的控制电路的实现的非限制性示例的一些方面。图21的实施例的栅极驱动器22包括：FET栅极驱动器电路60，其耦合到至少一个FET型器件24(例如，FET 36)的一个或多个栅极；光电耦合器66，其耦合到命令输入16和FET栅极驱动器电路60；隔离电源68，其耦合到电源12并耦合到FET栅极驱动器电路60；以及VDD测量电路88，其耦合到至少一个FET型器件，例如，FET 36的两端。FET栅极驱动器电路60、光电耦合器66和隔离电源68类似于上文关于图12描述的那些。VDD测量电路88类似于上文参照图19描述的那些。图21的实施例的栅极驱动器22还包括耦合到VDD测量电路88的晶闸管型器件栅极驱动器电路92。栅极驱动器电路92包括耦合到VDD测量电路88的控制电路和脉冲发生器94、以及用于每个晶闸管型器件的脉冲电流互感器96，每个脉冲电流互感器96耦合到控制电路和脉冲发生器94以及晶闸管型器件，例如，晶闸管34。
VDD测量电路88可操作以基于VDD(例如，基于达到或超过阈值的VDD)来向控制电路和脉冲发生器94提供触发信号。阈值可以例如是用于晶闸管型器件的嵌入式拐点电压，使得晶闸管型器件当正向偏置和超过阈值时可以接通。在另一示例中，阈值可以与指示处于Ik或高损耗模式70下的导通电流的FET型器件两端的电压降相对应。在另一实施例中，阈值电压可以是与至少一个FET型器件关断或去激活相关联的某个电压，其中阈值的达到或超过用于与FET型器件处于去激活或关断的过程同时或基本上同时激活晶闸管型器件。控制电路和脉冲发生器94可操作以当达到阈值时生成脉冲，这些脉冲被供应给脉冲电流互感器96，用于为晶闸管型器件供应栅极驱动信号。
图21的实施例采用具有脉冲互感器92的晶闸管型器件栅极驱动器，以向晶闸管型器件的栅极提供隔离电流脉冲。具有脉冲互感器的晶闸管型器件栅极驱动器不需要附加隔离电源，因为隔离由脉冲互感器提供，如图21所示，其可以消除对一个或多个隔离电源的需要。图21的实施例可以采用用于操作图11所图示的至少一个FET型器件和至少一个晶闸管型器件的逻辑和命令/控制信号的一些或所有方面。
因此，图21的实施例依据实施例执行具有或不具有并发共享的时态共享。例如，在冲击电流条件期间，例如，在电气设备18的启动期间或在产生冲击电流的其他操作模式或其他情况期间，在一些实施例中，当达到或超过阈值时，可以关断至少一个FET型器件24并且同时接通至少一个晶闸管型器件26，从而产生不具有并发共享的时态共享。在另一实施例中，当指示Ik或指示处于高损耗模式70下的FET型器件导通或甚至处于低损耗模式69下的低于Ik的操作的阈值被实现时，至少一个FET型器件可以保持激活，从而提供具有并发共享的时态共享，其中至少一个FET型器件24和至少一个晶闸管型器件26在一些较高电流条件期间向电气设备18导通电流，而在较低操作条件期间，仅至少一个FET型器件24向电气设备18导通电流。VDD比较阈值可以用于确定共享，并且可以随应用的需要而变化。这也适用于具有或不具有并发共享的时态共享的其他实施例，例如，本文中所描述的和/或在其他图中图示的实施例或者既没有在本文中描述也没有在图中图示的实施例。在各种实施例中，可以使用并发共享、时态共享或其组合。
图22示意性地图示了根据本发明的实施例的用于控制至少一个FET型器件24和至少一个晶闸管型器件26的控制电路的实现的非限制性示例的一些方面。图23示意性地图示了根据本发明的实施例的用于操作至少一个FET型器件24和至少一个晶闸管型器件26的逻辑和命令/控制信号的非限制性示例的一些方面。
图22的实施例的栅极驱动器22包括：FET栅极驱动器电路60，其耦合到至少一个FET型器件24(例如，FET 36)的栅极；光电耦合器66，其耦合到命令输入16和FET栅极驱动器电路60；隔离电源68，其耦合到FET栅极驱动器电路60；形式为光学三端双向可控硅开关80的晶闸管型器件栅极驱动电路，其耦合到至少一个晶闸管型器件26并耦合到命令输入16；以及电流/电压测量电路94，其耦合到FET栅极驱动器电路60和固态开关20。光电耦合器66和隔离电源68类似于上文关于图12所描述的那些。光学三端双向可控硅开关80类似于上文关于图15所描述的。一些实施例可以采用单个光学三端双向可控硅开关，而其他实施例可以采用多于一个的光学三端双向可控硅开关，例如，每个晶闸管型器件采用一个光学三端双向可控硅开关。除了基于由电流/电压测量电路94感测的电流83测量结果(即，通过开关20的电流)激活/去激活至少一个FET型器件24之外，除了FET型器件栅极驱动信号是脉冲信号之外，以及除了FET型器件栅极驱动信号脉冲被延迟之外，FET栅极驱动器电路60类似于上文参考图15所述的那些。例如，图22的实施例采用光学三端双向可控硅开关晶闸管栅极驱动器电路80，该电路80具有FET型器件的延迟控制。
光学三端双向可控硅开关80使用晶闸管型器件两端的电压来为栅极电流脉冲供电以锁定两个晶闸管型器件。用于FET型器件的控制电路(例如，电流/电压测量电路94)感测零交叉，并且生成延迟脉冲，该延迟脉冲在晶闸管已经导通之后，被发送到FET栅极驱动器电路60以激活FET。更进一步地，在过零点之前生成关断信号，以使得能够重新触发在随后的半周期中导通的晶闸管。该功能可以利用基于电流或电压测量的控制电路来实现，如图23所图示的逻辑和控制信号所示。
与其他图示的实施例一样，FET型器件栅极驱动信号和晶闸管型器件栅极驱动信号从输入命令信号变高(CMD_IN＝1)的开始被延迟。FET型器件延迟由图23中的T_don_FET给出，而晶闸管型器件延迟由T_don_THY给出。图23中使用的命名法类似于图11中采用的命名法，其中CMD_IN_FET/CMD_OUT_FET是FET型栅极驱动信号，CMD_IN_THY是晶闸管型器件使能信号，以及CMD_OUT_THY是晶闸管型器件栅极驱动信号。在图22和
图23的实施例中，至少一个FET型器件24和至少一个晶闸管型器件26两者在由开关20导通到电气设备18的电流83的冲击电流条件54和标称电流条件56期间导通。FET型器件的延迟大于晶闸管型器件的延迟，从而图示晶闸管型器件在FET型器件之前接通。当期望断开电气设备18和电源12时，命令输入信号变低(CMD_IN＝0)，在此之后，在延迟T_doff_FET之后执行FET型器件栅极驱动的去激活，并且在延迟T_doff_THY之后执行晶闸管型器件的去激活。T_doff_THY大于T_doff_FET，因此，FET型器件在晶闸管型器件仍然导通时被去激活，如上文所提及的。如图23中由FET型器件和晶闸管型器件均在冲击电流条件54和标称电流条件56两者期间导通所图示的，图22和图23的实施例执行并发共享。在各种实施例中，可以利用并发共享、时态共享或其组合。
本发明的实施例包括用于将电气设备连接到电源以及将电气设备与电源断开的固态开关系统，其包括：第一端子，被构造为用于耦合到电源并从电源接收电力；第二端子，被构造为用于从电源向电气设备输送电力；至少一个FET型器件，耦合到第一端子和第二端子；至少一个晶闸管型器件，与至少一个FET型器件并联地耦合到第一端子和第二端子；以及栅极驱动器，可操作以向至少一个FET型器件和至少一个晶闸管型器件发送栅极驱动信号，以用于向电气设备提供电流；其中栅极驱动器被构造为控制电流在至少一个FET型器件和至少一个晶闸管型器件之间的分流。
在一改进中，分流取决于电流的幅度。
在另一改进中，栅极驱动器被构造为在标称电流条件下向至少一个FET型器件和至少一个晶闸管型器件提供第一组栅极驱动信号；其中栅极驱动器被构造为在冲击电流条件下向至少一个FET型器件和至少一个晶闸管型器件提供第二组栅极驱动信号；并且其中第二组栅极驱动信号不同于第一组栅极驱动信号。
在又一改进中，电气设备具有额定电流，其中标称电流条件是约等于或小于额定电流的电流。
在再一改进中，第一组栅极驱动信号可操作以在标称电流条件期间引导电流通过至少一个FET型器件和至少一个晶闸管型器件中的每个器件。
在又一改进中，第一组栅极驱动信号可操作以在标称电流条件期间引导电流仅通过至少一个FET型器件。
在进一步的改进中，第二组栅极驱动信号可操作以在冲击电流条件期间引导电流通过至少一个FET型器件和至少一个晶闸管型器件中的每个器件。
在又一进一步的改进中，第二组栅极驱动信号可操作以在冲击电流条件期间引导电流仅通过至少一个晶闸管型器件。
在再进一步的改进中，栅极驱动器可操作以接收用以向电气设备供应电流的命令信号；其中栅极驱动器被构造为将用以接通至少一个FET型器件的控制信号从命令信号的开始起延迟第一时间延迟；并且其中栅极驱动器被构造为将用以接通至少一个晶闸管型器件的控制信号从命令信号的开始起延迟第二时间延迟。
在又一进一步的改进中，第一时间延迟和第二时间延迟被配置为引导至少一个FET型器件和至少一个晶闸管型器件同时接通。
在另一进一步的改进中，第二时间延迟大于第一时间延迟。
在又一进一步的改进中，第一时间延迟大于第二时间延迟。
在又一进一步的改进中，栅极驱动器可操作以接收用以向电气设备供应电流的命令信号；其中栅极驱动器被构造为将用以关断至少一个FET型器件的控制信号从命令信号的结束起延迟第一时间延迟；并且其中栅极驱动器被构造为将用以关断至少一个晶闸管型器件的控制信号从命令信号的结束起延迟第二时间延迟。
在另一进一步的改进中，第二时间延迟大于第一时间延迟。
在附加的改进中，第一时间延迟大于第二时间延迟。
在另一附加的改进中，栅极驱动器被构造为在响应于命令信号的结束而关断至少一个FET型器件的同时，接通至少一个晶闸管型器件。
在另一附加的改进中，栅极驱动器可操作以接收用以停止向电气设备供应电流的命令；其中栅极驱动器被构造为响应于命令而关断至少一个FET型器件，同时至少一个晶闸管型器件仍然被接通。
在又一附加的改进中，栅极驱动器可操作以接收用以停止向电气设备供应电流的命令；其中栅极驱动器被构造为响应命令而同时关断至少一个FET型器件以及接通至少一个晶闸管型器件。
在另一附加的改进中，至少一个FET型器件具有第一功率损耗曲线，该第一功率损耗曲线基于与电气设备相关联的额定电流；至少一个晶闸管型器件具有第二功率损耗曲线，该第二功率损耗曲线基于与电气设备相关联的浪涌电流和启动电流；并且栅极驱动器被构造为基于经由第一功率损耗曲线和第二功率损耗曲线之间的相关性而确定的阈值来控制电流的分流。
本发明的实施例包括用于将电气设备连接到电源以及将电气设备与电源断开连接的固态开关系统，其包括：命令输入，可操作以提供命令信号，以用于命令电气设备的连接或断开连接；至少一个FET型器件，耦合到电气设备和电源；至少一个晶闸管型器件，与至少一个FET型器件并联地耦合到电气设备和电源；第一栅极驱动器电路，耦合到至少一个FET型器件并且可操作以向至少一个FET型器件提供第一栅极驱动信号，其中第一栅极驱动信号是连续信号；第二栅极驱动器电路，耦合到至少一个晶闸管型器件并且可操作以向至少一个晶闸管型器件提供第二栅极驱动信号；以及隔离电源，其耦合到第一栅极驱动器电路并且可操作以向第一栅极驱动器电路供电，以用于生成第一栅极驱动信号。
在一改进中，固态开关系统还包括：另一隔离电源，耦合到第二栅极驱动器电路并且可操作以向第二栅极驱动器电路供电，以用于生成第二栅极驱动信号。
在另一改进中，第二栅极驱动器电路被构造为向至少一个晶闸管型器件提供脉冲栅极驱动信号。
在又一改进中，第二栅极驱动器电路被构造为向至少一个晶闸管型器件提供恒定栅极驱动信号。
在再一改进中，固态开关系统还包括：隔离器，耦合到命令输入和第一栅极驱动器电路并且可操作以向第一栅极驱动器电路提供隔离命令信号。
在另一改进中，隔离器是光电耦合器。
在进一步的改进中，固态开关系统还包括：隔离器，耦合到命令输入并且可操作以提供隔离命令信号，以用于生成第二栅极驱动信号。
在又进一步的改进中，固态开关系统还包括电压VAK测量电路，该电压VAK测量电路可操作以将至少一个晶闸管型器件两端的电压VAK与阈值电压进行比较，其中第二栅极驱动器电路可操作以当电压VAK超过阈值电压时以及当命令信号为高时，向至少一个晶闸管型器件发送栅极驱动信号。
在再进一步的改进中，第一栅极驱动器电路可操作以在从命令信号变高开始起所测量的第一时间延迟之后，向至少一个FET型器件提供第一栅极驱动信号；第二栅极驱动器电路可操作以在从命令信号变高电平开始起所测量的第二时间延迟之后，向至少一个晶闸管型器件提供第二栅极驱动信号，其中第一时间延迟和第二时间延迟被配置为在命令信号变高之后，实现至少一个FET型器件和至少一个晶闸管型器件的同时接通。
在又进一步的改进中，第一栅极驱动器电路可操作以在从命令信号变低开始起所测量的第三时间延迟之后，对至少一个FET型器件去激活；第二栅极驱动器电路可操作以在至少一个FET型器件被去激活的同时，激活至少一个晶闸管型器件；并且第二栅极驱动器电路可操作以随后在从命令信号变低开始起所测量的第四时间延迟之后，提供栅极驱动信号，该栅极驱动信号可操作以允许至少一个晶闸管型器件在过零点处自然关断。
在另一进一步的改进中，第二栅极驱动器电路包括光学三端双向可控硅开关，该光学三端双向可控硅开关耦合到命令输入和至少一个晶闸管型器件，其中光学三端双向可控硅开关可操作以根据至少一个晶闸管型器件两端的电压升高生成第二栅极驱动信号。
在另一进一步的改进中，固态开关系统还包括电流测量电路，该电流测量电路耦合到第一栅极驱动器电路，其中第一栅极驱动器电路被构造为基于电流测量电路的输出而在冲击电流期间禁用至少一个FET型器件。
在另一进一步的改进中，固态开关系统还包括：电压测量电路，可操作以测量至少一个FET型器件两端的电压；隔离器，耦合到电压测量电路和至少一个晶闸管型器件，其中第二栅极驱动器电路被配置为仅当至少一个FET型器件两端的电压超过阈值电压时，接通至少一个晶闸管型器件。
在又进一步的改进中，固态开关系统还包括：电压测量电路，可操作以测量至少一个晶闸管型器件两端的电压；以及隔离器，耦合到电压测量电路和至少一个晶闸管型器件，其中第二栅极驱动器电路被配置为仅当至少一个晶闸管型器件两端的电压超过阈值电压时，接通至少一个晶闸管型器件。
在附加的改进中，固态开关系统还包括电压测量电路，电压测量电路可操作以测量至少一个FET型器件两端的电压，其中第二栅极驱动器电路包括：脉冲发生器，耦合到电压测量电路；以及脉冲电流互感器，耦合到脉冲发生器，其中第二栅极驱动器电路被配置为仅当至少一个晶闸管型器件两端的电压超过阈值电压时，才接通至少一个晶闸管型器件。
在另一附加的改进中，第一栅极驱动器电路包括测量和延迟电路，该测量和延迟电路可操作以感测过零点，以及生成延迟的第一栅极驱动信号脉冲以在至少一个晶闸管型器件已经导通之后激活至少一个FET型器件，并且在过零点之前对至少一个FET型器件去激活。
本发明的实施例包括操作固态开关以将电气设备连接到电源以及将电气设备与电源断开连接的方法，其包括：接收命令信号；在命令信号变高以后的第一时间延迟之后，通过激活至少一个FET型器件来将电气设备连接到电源；以及在命令信号变高以后的第二时间延迟之后，激活至少一个晶闸管型器件。
在一改进中，第一时间延迟和第二时间延迟被配置为实现至少一个FET型器件和至少一个晶闸管型器件的同时接通。
在另一改进中，该方法还包括：在命令信号变低以后的第三时间延迟之后，通过对至少一个FET型器件去激活来将电气设备与电源断开连接；以及在对至少一个FET型器件去激活的同时，激活至少一个晶闸管型器件。
在又一改进中，该方法还包括：提供栅极驱动信号，该栅极驱动信号被配置为在大于第三延迟的第四延迟之后允许至少一个晶闸管型器件在过零点处自然关断。
本发明的实施例包括用于将电气设备连接到电源以及将电气设备与电源断开连接的固态开关系统，其包括：至少一个FET型器件，耦合到电气设备；至少一个晶闸管型器件，与至少一个FET型器件并联地耦合到电气设备和电源；以及用于控制至少一个FET型器件和至少一个晶闸管型器件以选择性地执行电流共享的装置。
虽然已经在附图和前面的描述中详细图示和描述了本发明，但是同样地被认为是说明性的而非限制性的，应当理解，仅示出和描述了优选实施例并且期望保护落入本发明精神范围之内的所有改变和修改。应当理解，虽然在上面的描述中利用诸如可优选的、优选地、优选的或更优选的词语表示如此描述的特征可能是更期望的，但是它可能不是必需的，并且没有这一特征的实施例也被认为是在本发明的范围之内，本发明的范围由所附权利要求限定。在阅读权利要求时，意图是当使用诸如“一”、“一个”、“至少一个”或“至少一个部分”之类的词语时，除非特别指出，否则无意将权利要求限制为仅一个项目。除非有特别的相反说明，否则当使用语言“至少一部分”和/或“一部分”时，该项目可以包括一部分和/或整个项目。
除非另有说明或限制，否则术语“安装”、“连接”、“支撑”和“耦合”及其变型被广泛使用并且包括直接和间接安装、连接、支撑和连接。进一步地，“连接”和“耦合”不限于物理或机械连接或耦合。

Claims (40)

1.一种固态开关系统，用于将电气设备连接到电源以及将所述电气设备与所述电源断开连接，包括：
第一端子，被构造为用于耦合到电源并且从所述电源接收电力；
第二端子，被构造为用于从所述电源向所述电气设备输送电力；
至少一个FET型器件，耦合到所述第一端子和所述第二端子；
至少一个晶闸管型器件，与所述至少一个FET型器件并联地耦合到所述第一端子和所述第二端子；以及
栅极驱动器，可操作以向所述至少一个FET型器件以及向所述至少一个晶闸管型器件发送栅极驱动信号，以用于向所述电气设备提供电流；其中所述栅极驱动器被构造为控制所述电流在所述至少一个FET型器件与所述至少一个晶闸管型器件之间的分流。
2.根据权利要求1所述的固态开关系统，其中所述分流取决于所述电流的幅度。
3.根据权利要求1所述的固态开关系统，其中所述栅极驱动器被构造为在标称电流条件下向所述至少一个FET型器件以及向所述至少一个晶闸管型器件提供第一组栅极驱动信号；其中所述栅极驱动器被构造为在冲击电流条件下向所述至少一个FET型器件以及向所述至少一个晶闸管型器件提供第二组栅极驱动信号；并且其中所述第二组栅极驱动信号与所述第一组栅极驱动信号不同。
4.根据权利要求3所述的固态开关系统，所述电气设备具有额定电流，其中所述标称电流条件是约等于或小于所述额定电流的电流。
5.根据权利要求3所述的固态开关系统，其中所述第一组栅极驱动信号可操作以在所述标称电流条件期间，引导所述电流通过所述至少一个FET型器件和所述至少一个晶闸管型器件中的每个器件。
6.根据权利要求3所述的固态开关系统，其中所述第一组栅极驱动信号可操作以在所述标称电流条件期间，引导所述电流仅通过所述至少一个FET型器件。
7.根据权利要求3所述的固态开关系统，其中所述第二组栅极驱动信号可操作以在所述冲击电流条件期间，引导所述电流通过所述至少一个FET型器件和所述至少一个晶闸管型器件中的每个器件。
8.根据权利要求3所述的固态开关系统，其中所述第二组栅极驱动信号可操作以在所述冲击电流条件期间，引导所述电流仅通过所述至少一个晶闸管型器件。
9.根据权利要求1所述的固态开关系统，其中所述栅极驱动器可操作以接收用以向所述电气设备供应电流的命令信号；其中所述栅极驱动器被构造为将用以接通所述至少一个FET型器件的控制信号从所述命令信号的开始起延迟第一时间延迟；并且其中所述栅极驱动器被构造为将用以接通所述至少一个晶闸管型器件的控制信号从所述命令信号的开始起延迟第二时间延迟。
10.根据权利要求9所述的固态开关系统，其中所述第一时间延迟和所述第二时间延迟被配置为引导所述至少一个FET型器件和所述至少一个晶闸管型器件同时接通。
11.根据权利要求9所述的固态开关系统，其中所述第二时间延迟大于所述第一时间延迟。
12.根据权利要求9所述的固态开关系统，其中所述第一时间延迟大于所述第二时间延迟。
13.根据权利要求1所述的固态开关系统，其中所述栅极驱动器可操作以接收用以向所述电气设备供应所述电流的命令信号；其中所述栅极驱动器被构造为将用以关断所述至少一个FET型器件的控制信号从所述命令信号的结束起延迟第一时间延迟；并且其中所述栅极驱动器被构造为将用以关断所述至少一个晶闸管型器件的控制信号从所述命令信号的结束起延迟第二时间延迟。
14.根据权利要求13所述的固态开关系统，其中所述第二时间延迟大于所述第一时间延迟。
15.根据权利要求13所述的固态开关系统，其中所述第一时间延迟大于所述第二时间延迟。
16.根据权利要求13所述的固态开关系统，其中所述栅极驱动器被构造为：在响应于所述命令信号的所述结束而关断所述至少一个FET型器件的同时，接通所述至少一个晶闸管型器件。
17.根据权利要求1所述的固态开关系统，其中所述栅极驱动器可操作以接收用以停止向所述电气设备供应所述电流的命令；并且其中所述栅极驱动器被构造为：响应于所述命令而关断所述至少一个FET型器件，同时所述至少一个晶闸管型器件仍然被接通。
18.根据权利要求1所述的固态开关系统，其中所述栅极驱动器可操作以接收用以停止向所述电气设备供应电流的命令；并且其中所述栅极驱动器被构造为：响应于所述命令而同时关断所述至少一个FET型器件并且接通所述至少一个晶闸管型器件。
19.根据权利要求1所述的固态开关系统，其中所述至少一个FET型器件具有第一功率损耗曲线，所述第一功率损耗曲线基于与所述电气设备相关联的额定电流；其中所述至少一个晶闸管型器件具有第二功率损耗曲线，所述第二功率损耗曲线基于与所述电气设备相关联的浪涌电流和启动电流；并且其中所述栅极驱动器被构造为基于经由所述第一功率损耗曲线与所述第二功率损耗曲线之间的相关性而确定的阈值来控制所述电流的分流。
20.一种固态开关系统，用于将电气设备连接到电源以及将所述电气设备与所述电源断开连接，包括：
命令输入，可操作以提供命令信号，以用于命令所述电气设备的连接或断开连接；
至少一个FET型器件，耦合到所述电气设备和所述电源；
至少一个晶闸管型器件，与所述至少一个FET型器件并联地耦合到所述电气设备和所述电源；
第一栅极驱动器电路，耦合到所述至少一个FET型器件，并且可操作以向所述至少一个FET型器件提供第一栅极驱动信号，其中所述第一栅极驱动信号是连续信号；
第二栅极驱动器电路，耦合到所述至少一个晶闸管型器件，并且可操作以向所述至少一个晶闸管型器件提供第二栅极驱动信号；以及
隔离电源，耦合到所述第一栅极驱动器电路，并且可操作以向所述第一栅极驱动器电路供电，以用于生成所述第一栅极驱动信号。
21.根据权利要求20所述的固态开关系统，还包括：另一隔离电源，耦合到所述第二栅极驱动器电路，并且可操作以向所述第二栅极驱动器电路供电，以用于生成所述第二栅极驱动信号。
22.根据权利要求21所述的固态开关系统，其中所述第二栅极驱动器电路被构造为向所述至少一个晶闸管型器件提供脉冲栅极驱动信号。
23.根据权利要求21所述的固态开关系统，其中所述第二栅极驱动器电路被构造为向所述至少一个晶闸管型器件提供恒定栅极驱动信号。
24.根据权利要求20所述的固态开关系统，还包括：隔离器，耦合到所述命令输入和所述第一栅极驱动器电路，并且可操作以向所述第一栅极驱动器电路提供隔离命令信号。
25.根据权利要求24所述的固态开关系统，其中所述隔离器是光电耦合器。
26.根据权利要求20所述的固态开关系统，还包括：隔离器，耦合到所述命令输入，并且可操作以提供隔离命令信号，以用于生成所述第二栅极驱动信号。
27.根据权利要求20所述的固态开关系统，还包括：电压VAK测量电路，可操作以将所述至少一个晶闸管型器件两端的电压VAK与阈值电压进行比较，其中所述第二栅极驱动器电路可操作以当所述电压VAK超过所述阈值电压时、以及当所述命令信号为高时，向所述至少一个晶闸管型器件发送栅极驱动信号。
28.根据权利要求20所述的固态开关系统，其中所述第一栅极驱动器电路可操作以在从所述命令信号变高时起所测量的第一时间延迟之后，向所述至少一个FET型器件提供所述第一栅极驱动信号；并且其中所述第二栅极驱动器电路可操作以在从所述命令信号变高时起所测量的第二时间延迟之后，向所述至少一个晶闸管型器件提供所述第二栅极驱动信号，其中所述第一时间延迟和所述第二时间延迟被配置为在所述命令信号变高之后，实现所述至少一个FET型器件和所述至少一个晶闸管型器件的同时接通。
29.根据权利要求20所述的固态开关系统，其中所述第一栅极驱动器电路可操作以在从所述命令信号变低时起所测量的第三时间延迟之后，对所述至少一个FET型器件去激活；其中所述第二栅极驱动器电路可操作以在所述至少一个FET型器件被去激活的同时，激活所述至少一个晶闸管型器件；并且其中所述第二栅极驱动器电路可操作以随后在从所述命令信号变低时起所测量的第四时间延迟之后，提供栅极驱动信号，所述栅极驱动信号可操作以允许所述至少一个晶闸管型器件在过零点处自然地关断。
30.根据权利要求20所述的固态开关系统，其中所述第二栅极驱动器电路包括光学三端双向可控硅开关，所述光学三端双向可控硅开关耦合到所述命令输入、并耦合到所述至少一个晶闸管型器件，其中所述光学三端双向可控硅开关可操作以根据所述至少一个晶闸管型器件两端的电压升高而生成所述第二栅极驱动信号。
31.根据权利要求30所述的固态开关系统，还包括电流测量电路，所述电流测量电路耦合到所述第一栅极驱动器电路，其中所述第一栅极驱动器电路被构造为基于所述电流测量电路的输出，在冲击电流期间禁用所述至少一个FET型器件。
32.根据权利要求20所述的固态开关系统，还包括：
电压测量电路，可操作以测量所述至少一个FET型器件两端的电压；以及
隔离器，耦合到所述电压测量电路并耦合到所述至少一个晶闸管型器件，
其中所述第二栅极驱动器电路被配置为：仅当所述至少一个FET型器件两端的所述电压超过阈值电压时，才接通所述至少一个晶闸管型器件。
33.根据权利要求20所述的固态开关系统，还包括：
电压测量电路，可操作以测量所述至少一个晶闸管型器件两端的电压；以及
隔离器，耦合到所述电压测量电路并耦合到所述至少一个晶闸管型器件，
其中所述第二栅极驱动器电路被配置为：仅当所述至少一个晶闸管型器件两端的所述电压超过阈值电压时，才接通所述至少一个晶闸管型器件。
34.根据权利要求20所述的固态开关系统，还包括电压测量电路，所述电压测量电路可操作以测量所述至少一个FET型器件两端的电压，其中所述第二栅极驱动器电路包括：脉冲发生器，耦合到所述电压测量电路；以及脉冲电流互感器，耦合到所述脉冲发生器，其中所述第二栅极驱动器电路被配置为仅当所述至少一个晶闸管型器件两端的电压超过阈值电压时，才接通所述至少一个晶闸管型器件。
35.根据权利要求20所述的固态开关系统，其中所述第一栅极驱动器电路包括测量和延迟电路，所述测量和延迟电路可操作以感测过零点、并且生成延迟的第一栅极驱动信号脉冲，以在所述至少一个晶闸管型器件已经导通之后激活所述至少一个FET型器件，并且在所述过零点之前对所述至少一个FET型器件去激活。
36.一种操作固态开关的方法，用以将电气设备连接到电源以及将所述电气设备与所述电源断开连接，包括：
接收命令信号；以及
在所述命令信号变高以后的第一时间延迟之后，通过激活至少一个FET型器件来将所述电气设备连接到所述电源；以及在所述命令信号变高以后的第二时间延迟之后，激活至少一个晶闸管型器件。
37.根据权利要求36所述的方法，其中所述第一时间延迟和所述第二时间延迟被配置为实现所述至少一个FET型器件和所述至少一个晶闸管型器件的同时接通。
38.根据权利要求36所述的方法，还包括：在所述命令信号变低以后的第三时间延迟之后，通过对所述至少一个FET型器件去激活来将所述电气设备与所述电源断开连接；以及在对所述至少一个FET型器件去激活的同时，激活所述至少一个晶闸管型器件。
39.根据权利要求38所述的方法，还包括：提供栅极驱动信号，所述栅极驱动信号被配置为在大于所述第三延迟的第四延迟之后，允许所述至少一个晶闸管型器件在过零点处自然地关断。
40.一种固态开关系统，用于将电气设备连接到电源以及将所述电气设备与所述电源断开连接，包括：
至少一个FET型器件，耦合到所述电气设备；
至少一个晶闸管型器件，与所述至少一个FET型器件并联地耦合到所述电气设备和所述电源；以及
用于控制所述至少一个FET型器件和所述至少一个晶闸管型器件以选择性地执行电流共享的装置。
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