CN110912074A - 固态功率控制器 - Google Patents

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Abstract

公开了一种固态功率控制器(10)，包括：至少一个固态开关装置(18)，所述至少一个固态开关装置(18)连接至将要从电力馈线(12)供应电力的至少一个负载，并且被配置来选择性地将所述相应负载连接至所述电力馈线(12)或将所述相应负载与所述电力馈线(12)断开连接；至少一个SSPC控制电路(20)，所述至少一个SSPC控制电路(20)被配置来将控制电压供应至所述固态开关装置(18)的控制终端(22)；以及离散输出电路(100)，所述离散输出电路(100)电连接至所述SSPC控制电路(20)和/或所述固态开关装置(18)的所述控制终端(22)并且与其电流隔离；其中所述离散输出电路(100)包括离散输出终端(104)并且被配置来在所述离散输出终端(104)处供应指示所述固态开关装置(18)的所述控制终端(22)的状态的离散输出信号。

Description

固态功率控制器
本发明的实施方案涉及固态功率控制器(SSPC)，并且更特别地，涉及包括自锁离散输出端的固态功率控制器。这种固态功率控制器特别地用于将电力分配至交通工具(例如飞机)中的各种电负载。
通常，在如飞机的交通工具中，负载需要通过不同电压电平或不同类型的电压来供应。每个单独的负载需要其自己的电力供应以将由交通工具中的电源供应的馈线电压连接至负载。结合将电力切换至这些负载的固态功率转换器，根据需要使用多个固态功率控制器(SSPC) 来将馈线电压切换至负载。每个负载通过那个负载自己的与其相关联的SSPC连接至馈线电压。每个SSPC包括并联连接至电力馈线的至少一个(通常为多个)SSPC通道，其中每个SSPC通道具有用于连接至相应负载的接口。多个SSPC通道由同一电源通过电力馈线供电。多个SSPC通常结合在固态功率模块中。
通常，SSPC(或SSPC通道)需要具有用于提供离散输出端功能的辅助输出端或触点。这种离散输出端用于递送指示SSPC或SSPC通道的状态(例如，SSPC或SSPC通道是否处于其中相应的负载与馈线电压断开连接的断开状态(OFF(关断)条件)，或者SSPC或SSPC通道是否处于其中相应的负载连接至馈线电压的闭合状态(ON(接通)条件))的输出信号。期望的是，离散输出端与SSPC电流隔离。电流隔离的离散输出端的提供迄今为止通过机电接触器实现。
提供包括电流隔离的离散输出端的更有效的固态功率控制器将会是有益的。
本发明的实施方案提供一种固态功率控制器(SSPC)，其包括：至少一个固态开关装置(SSSD)，所述至少一个SSSD连接至将要从电力馈线供应电力的至少一个负载，并且被配置来选择性地将所述相应负载连接至所述电力馈线或将所述相应负载与所述电力馈线断开连接。所述SSPC包括：至少一个SSPC控制电路，所述至少一个SSPC控制电路被配置来将控制电压供应至所述固态开关装置的控制终端；以及离散输出电路，所述离散输出电路电连接至所述SSPC控制电路和 /或所述固态开关装置的所述控制终端并且与其电流隔离。所述离散输出电路包括离散输出终端，并且被配置来在所述离散输出终端处供应指示所述固态开关装置的所述控制终端的状态的离散输出信号。所述离散输出电路被配置来检测连接至所述离散输出终端的电路中的过流，并且在检测到过流的情况下限制输出电流和/或中断所述离散输出信号的供应。
所述SSPC可包括并联连接至所述电力馈线的至少一个(通常为多个)SSPC通道，其中每个SSPC通道具有用于连接至相应负载的接口。在本公开中，为简单起见，术语“SSPC”相对于SSPC的任何构型使用。应当理解，在具有多个SSPC通道的SSPC中，术语SSPC可指代SSPC通道中的每一个，特别地，SSPC通道中的每一个可具有其自己的离散输出电路。在一些实施方案中，多个SSPC通道可共享共同的离散输出电路。那么，术语SSPC指代共享离散输出电路的 SSPC通道。每个SSPC通道包括至少一个固态开关装置以及至少一个SSPC控制电路。
离散输出电路在离散输出终端处递送可用于指示由SSPC控制电路控制的SSPC或SSPC通道的状态的信号，例如光学地通过将LED 或其他信号装置连接至离散输出终端，或通过将控制板或类似装置连接至离散输出终端。在离散输出终端处递送的信号还可用于控制另外的装置的操作。在此类情况下，离散输出终端可连接至供应离散输出信号的更复杂电路。连接至离散输出终端的任何装置或电路形成离散输出信号供应电路。异常条件，特别是过流和/或过压(在下文中，任何此类异常情况将简称为“过流”)可在离散输出供应电路中发生并且导致危险情况。因此，期望SSPC能够检测离散输出供应电路中是否发生这种过流并且作出相应的反应(至少在检测到过流超过阈值时间的情况下，通常通过限制输出电流和/或终止离散输出信号的供应)。
根据本文所述的实施方案，离散输出电路被配置来检测离散输出供应电路中的过流，并且在检测到过流的情况下，限制输出电流和/ 或中断离散输出信号的供应。离散输出电路与SSPC或SSPC控制电路之间不需要相互作用来检测离散输出供应电路中的过流并限制输出电流和/或中断离散输出信号的供应。相反，离散输出电路被配置来在过流的情况下自主地锁定自身。检测过流以及限制输出电流和/ 或中断离散输出信号的供应独立于SSPC的固态开关装置的控制终端的状态。限制输出电流和/或中断离散输出信号的供应不影响SSPC的固态开关装置的控制终端的状态。特别地，通过由离散输出电路限制输出电流和/或中断离散输出信号的供应，SSPC的至少一个固态开关装置的控制终端电压保持不受影响。
特别地，离散输出电路由SSPC或SSPC控制电路在SSPC从其中负载与电力馈线断开连接的断开状态(OFF条件)切换至其中负载连接至电力馈线的闭合状态(ON条件)时触发以供应离散输出信号。当接收到指示SSPC从断开状态(OFF条件)切换至闭合状态(ON条件) 的信号时，离散输出电路被配置来将自己切换至ON，即供应离散输出信号。离散输出电路还被配置来在于离散输出供应电路中检测到过流的情况下锁定自身。一旦锁定自身，离散输出电路就被配置来限制输出电流和/或不再供应离散输出信号(不论SSPC保持在闭合状态还是切换至断开状态)，特别是检测到过流达较长时间的情况下。在离散输出电路通过电流隔离连接从SSPC接收到指示SSPC从断开状态再次切换至闭合状态的随后信号的情况下，离散输出电路可被触发以再次供应离散输出信号。
离散输出电路的自锁能力允许防止在以电流隔离方式彼此连接的离散输出电路与SSPC或SSPC控制电路之间交换信号。仅需要一个触发信号来在SSPC从断开状态(OFF条件)切换至闭合状态(ON条件)时触发离散输出电路以供应离散输出信号。这降低了电路板空间的消耗，因为不需要通过电流隔离连接进行多次信号交换。
SSPC控制电路和/或固态开关装置的控制终端与离散输出电路之间的电流隔离电连接可通过任何已知技术实现，例如使用光耦合器、电感耦合装置、电容耦合装置或如DC-DC转换器的任何其他耦合电路。
特别地，本文所述的SSPC可用在被配置用于在飞机中管理和分配电力的电力分配系统中。实施方案还提供包括这种电力分配系统的飞机。
具体实施方案可单独地或与其他特征组合地包括以下可选特征中的任何特征：
离散输出电路可包括以电流隔离方式连接至SSPC控制电路的控制电路输出的离散输入终端。以此方式，用于切换SSPC的固态开关装置的控制电压可由离散输入终端接收，并且用于在控制电压从OFF (SSPC的断开状态)切换至ON(SSPC的闭合状态)的情况下触发离散输出信号的供应。
此外，离散输出电路可包括连接至离散输出终端的离散输出开关，所述离散输出开关被配置来在切换至闭合状态时在离散输出终端处供应离散输出信号。离散输出开关可具有离散输出开关控制终端，所述离散输出开关控制终端连接至离散输出电路的离散输入终端并由此接收用于供应离散输出信号的触发信号。原理上，离散输出开关的控制终端可直接连接至离散输入终端。在大多数实施方案中，离散输出开关的控制终端可连接至控制终端驱动电路，所述控制终端驱动电路自身可由供应至离散输入终端的信号触发，如下文更详细地所述。
离散输出开关可为固态开关装置，特别是如IGBT的晶体管或如 MOSFET或JFET的场效应晶体管。在场效应晶体管的情况下，离散输出开关的控制终端为栅极终端，并且在通过将对应的控制电压施加至栅极终端来将场效应晶体管切换至ON条件(即，漏极-源极路径电导通)的情况下，在场效应晶体管的漏极-源极电路中供应离散输出信号。
此外，离散输出电路可包括第一过流限制电路，所述第一过流限制电路被配置来根据连接至离散输出电路的离散输出终端的电路(也称为离散输出信号供应电路)中的输出电流的增大而减小施加至离散输出开关的控制终端的控制电压，以便增大在离散输出终端处提供的输出电阻。第一过流限制电路可包括反馈回路，所述反馈回路用于反馈指示到离散输出开关的控制终端的输出电流的信号。反馈回路可被配置为不活动的，只要输出电流保持低于反馈回路激活阈值。反馈回路可进一步被配置，其方式为使得在反馈回路激活之后，输出电流的增大会导致离散输出终端处的输出电阻的增大。
第一过流限制电路可被配置来在反馈回路激活之后(即，在输出电流增大至或高于反馈回路激活阈值的情况下)在线性模式下操作离散输出开关。特别地，反馈回路可被配置来在反馈回路激活之后将离散输出开关的操作模式从欧姆模式变换至线性模式。当在线性模式下操作时，离散输出开关提供取决于离散输出开关控制终端的状态的输出电阻。作为一个实例，在离散输出开关为场效应晶体管的情况下，当场效应晶体管在线性模式下操作时，漏极-源极路径的输出电阻将取决于供应至栅极终端的控制电压(供应至栅极终端的控制电压越低，漏极-源极路径中的输出电阻越高)。类似考虑适用于离散输出开关为晶体管的情况。一旦激活，第一过流限制电路的反馈回路就可因此影响供应至离散输出开关的控制终端的控制电压，其方式为使得输出电流的增大引起供应至离散输出开关的控制终端的控制电压的减小，从而增大离散输出电路的输出电阻。
特别地，第一过流限制电路可包括稳流晶体管，所述稳流晶体管具有连接至离散输出信号供应电路的基极、连接至离散输出开关的控制终端的集电极、以及接地的发射极。反馈回路包括稳流晶体管，其连接方式为使得稳流晶体管的基极-发射极电压随着离散输出信号供应电路中的输出电流的增大而增大。一旦基极-发射极电压增大至阈值电压或以上，稳流晶体管就变成导通的。这激活第一过流限制电路的反馈回路。在激活状态下，离散输出信号供应电路中的输出电流引起稳流晶体管中的基极-发射极电流。基极-发射极电流导致稳流晶体管的集电极-发射极电路中的放大电流。由此，离散输出信号供应电路中的输出电流的增大会引起集电极-发射极电路中的电阻的减小。以此方式，稳流晶体管将根据在离散输出信号供应电路中流动的输出电流的增大而减小供应至离散输出开关的控制终端的控制电压。控制电压的减小还导致：在第一过流限制电路的反馈回路激活后，离散输出开关在线性模式下操作(例如，以在线性模式下操作的MOSFET或 FET的形式)。在线性模式下，离散输出开关的输出电阻将根据供应至离散输出开关的控制终端的控制电压的减小而增大。增大的输出电阻将减小离散输出信号供应电路中的输出电流。因此，一旦离散输出限制电路中的输出电流达到预定义反馈回路激活阈值，第一过流限制电路的反馈回路就被激活并且稳定离散输出信号供应电路中的输出电流。
此外，离散输出电路可包括连接在离散输入终端与离散输出开关的控制终端之间的锁存电路。锁存电路可具有本领域已知的任何构型。特别地，当触发信号被提供至锁存电路的输入终端时，锁存电路会将其输出终端切换至HIGH(高)并且在输出终端处提供HIGH信号，直到在锁存电路的重置终端处接收到重置信号为止。将锁存电路的输入终端连接至离散输入终端因此将允许将锁存电路切换至HIGH 并且在锁存电路的输出终端处提供指示HIGH条件的信号。锁存电路的输出终端可直接连接至离散输出开关的控制终端。另选地，离散输出电路可包括连接在锁存电路的输出终端与离散输出开关的控制终端之间的控制终端驱动器。如果期望切换到其中离散输出开关在线性模式下操作的闭合状态，控制终端驱动可具有提供用于将离散输出开关从断开状态切换至闭合状态的合适控制电压的运算放大器的构型。
此外，离散输出电路可包括第二过流限制电路，所述第二过流限制电路被配置来检测连接至离散输出终端的电路中的过流，即，可被检测为连接至离散输出终端的电路(也称为离散输出信号供应电路)中的过流和/或过压的任何异常情况。过流/过压是指超过预定义阈值电平的电流/电压。
第二过流限制电路包括比较器，所述比较器具有接收根据连接至离散输出终端的电路中的电流和/或电压的信号的第一输入端以及由参考信号供应的第二终端。参考信号指示预定义过流检测阈值。在于连接至离散输出终端的电路中测量的电流和/或电压达到或超过过流检测阈值的情况下，比较器检测到过流条件并且在其输出端处供应比较器过流信号。
第二过流限制电路还包括AND(与)逻辑，所述AND逻辑具有连接至比较器的输出端的第一输入端、连接至离散输入终端的第二输入端、以及连接至锁存电路的重置输入端的输出端。AND逻辑于在其第一输入端处接收到来自比较器的比较器过流信号并且在其第二输入终端处接收到对应于SSPC的固态开关装置的ON条件的控制电压的情况下，在其输出端处提供AND逻辑过流信号。因为AND逻辑的输出端连接至锁存电路的重置输入端，所以在AND逻辑在其输出端处提供AND逻辑过流信号的情况下，锁存电路被重置(清零)。重置(清零)锁存电路将会将锁存电路的输出终端设置至LOW(低)，并由此将离散输出开关切换至OFF条件(其中离散输出开关的源极漏极路径电中断)。一旦离散输出开关切换至OFF信号，就不再在离散输出终端处供应离散输出。
第二过流限制电路还可包括连接在比较器的输出端与AND逻辑的第一输入端之间的第一RC构件。关于在比较器输入端处在离散输出信号供应电路中的电流信号与指示预定义过流检测阈值的参考信号之间出现差异，第一RC构件可延迟比较器过流信号从比较器输出端到AND逻辑的第一输入端的供应。因此，锁存电路的重置(清零) 可相对于比较器检测到过流延迟预定义时间，所述预定义时间可通过第一RC构件的电容和电阻来调节。第一RC构件可使在过流情况下的第二过流限制电路的激活相对于过流发生的时间延迟。因此，在离散输出信号供应电路中的过流条件的情况下，作为主要措施，可在过流超过反馈回路激活阈值时激活第一过流限制电路。第一过流限制电路的反馈回路的激活将导致离散输出开关在线性模式下的操作以及输出电流的稳定。由于离散输出开关当在线性模式下操作时将会经受显著的功率消耗，所以期望将离散输出开关在线性模式下的操作限制到特定时间段。这可通过在激活第一过流限制电路的反馈回路一段时间之后激活第二过流限制电路以便切断离散输出开关并由此停止离散输出信号的输出来实现。第一过流限制电路的反馈回路的激活与第二电限流电路的激活之间的延迟可通过选择第一RC构件来调节。由第一RC构件引起的典型延迟为10ms。在这种情况下，第一电流限制电路可导致离散输出开关在线性模式下操作以用于稳定输出电流达约10ms。在10ms后，第二电流限制构件将被激活，并由此切断离散输出开关并中断离散输出信号。
用于激活第一过流限制电路的反馈回路激活阈值与第二过流限制电路的过流检测阈值可被设置为同一值。同样方便的是，将第二过流限制电路的过流检测阈值设置为低于反馈回路检测阈值的值以确保第二过流限制电路将会在预定义时间后停止离散输出开关在线性模式下的操作。此外，第二过流限制电路能够检测大于离散输出电路的正常操作范围、但低于第一过流限制电路的反馈回路激活阈值的高输出电流。
在具有(特别是由第一RC构件调节的)预定义延迟的情况下激活第二过流限制电路还具有以下优点：离散输出信号的输出仅在过流延续超过预定义时间的情况下中断。在短过流事件(例如，输出电流尖峰)在预定义延迟流逝之前终止的情况下，这些过流事件将不会引起离散输出信号的中断。如果需要，第一过流限制电路将限制此类短过流。
此外，离散输出电路可包括连接在离散输入终端与锁存电路的使能/CLK输入端之间的第二RC构件。第二RC构件可延迟CLK信号到锁存电路的供应以确保当供应CLK信号以将锁存电路的状态从 OFF改变至ON时，供应至锁存电路的第一输入终端的控制电压已经存在一段时间(通常为数微秒)。
说明书结尾处的权利要求书中具体指出并明确要求保护被认为是本发明的主题。通过以下结合附图进行的详细描述可清楚地了解本发明的上述及其他特征和优点，在附图中：
附图说明
图1示出包括离散输出电路的固态功率控制器(SSPC)的简化框图；以及
图2示出图1的离散输出电路的更详细框图。
本文所述实施方案涉及在图1中总体由10指示的固态功率控制器(SSPC)，其包括在图1和图2中总体由100指示的离散输出电路。 SSPC 10连接到电力馈线12，所述电力馈线12在图1中的左侧端部14处连接至电源(图1中未示出)。电力馈线12在图1中的右侧端部 16处连接至负载(图1中未示出)。图1中所示的SSPC 10包括SSPC 通道，所述SSPC通道连接至电力馈线12并且具有用于连接至相应负载的接口。应当理解，在大多数情况下，SSPC 10可包括并联连接至电力馈线12的多个SSPC通道，其中每个SSPC通道具有用于连接至相应负载的接口。
SSPC 10被配置来选择性地将相应负载连接至电力馈线12或将相应负载与电力馈线12断开连接。除了SSPC 10之外，可提供至少一个功率转换模块(未示出)。功率转换模块被配置来将电功率从电力馈线电压转换为负载所需的特定负载电压。至少一个功率转换模块可连接在电力馈线12与SSPC 10之间。
SSPC在电力管理和分配系统中用于取代传统机电断路器。SSPC 的主要功能为分配电力以及保护各种电负载。与机电装置比较，SSPC 提供相对快的反应时间，并且可消除关断瞬态期间的电弧和接通瞬态期间的弹跳。SSPC促进高级保护和诊断，从而允许有效的电力管理和分配架构。SSPC包括控制供应至负载的电力(电压和/或电流)的功率半导体装置。SSPC执行监控和诊断功能以识别并阻止过载和短路状况。SSPC的部件可包括功率半导体开关装置、监测输出电压和电流与功率半导体装置温度的传感器以及控制电路系统。控制电路系统可包括微控制器，所述微控制器由算术逻辑单元(ALU)、存储器、计时器/计数器、串行端口、输入/输出(I/O)端口和时钟振荡器构成。一些SSPC可通过计算机、用户或通过任何专有方法编程。
馈线电压可为任何类型的DC电压或AC电压，并且可具有任何电压电平。在飞机电力分配系统中，典型馈线DC电压包括28V DC 或270V DC。典型AC电压包括处于400Hz的115V或200V。
如针对图1的SSPC 10(其仅包括一个SSPC通道)所示，每个 SSPC通道包括固态开关装置(SSSD)18。SSSD 18包括在将要从电力馈线12供应电力的至少一个负载的一侧上连接至电力馈线12的第一终端26(例如，在场效应晶体管情况下的漏极D)，以及在电源的一侧上连接至电力馈线12的第二终端24(例如，在场效应晶体管情况下的源极S)。应当理解，SSSD 18的第一终端26和第二终端24可连接至电力馈线12，反之亦然。SSSD 18还包括第三终端或控制终端22(在场效应晶体管情况下的栅极G)。控制终端22通过控制终端驱动器28和控制终端电阻器30连接至SSPC控制电路20。SSPC控制电路20 被配置来在控制电路输出端34处供应控制信号32。控制信号32被供应至控制终端驱动器28，控制终端驱动器28将控制电压提供至SSSD 18的控制终端22以用于在OFF条件(断开状态，即SSSD 18 的第一终端26与第二终端24之间的电流路径中断)与ON条件(闭合状态，即SSSD 18的第一终端26与第二终端24之间的电流路径电导通)之间切换SSSD 18。SSSD 18被配置来根据供应至控制终端22的控制电压选择性地将相应负载连接至电力馈线12或将相应负载与电力馈线12断开连接。SSPC控制电路20可被配置来在线性模式下操作SSSD 18。当在线性模式下操作SSSD18时，在SSSD 18的ON条件下，SSSD 18的第一终端26与第二终端24之间的电流路径的电阻根据供应至控制终端22的控制电压变化。
SSPC 10还包括离散输出电路100。离散输出电路100具有电连接至SSPC控制电路20的输出端的离散输入终端102，SSPC控制电路20供应用于SSSD 18的控制终端22的控制信号。然而，如图1 和图2中的虚线40示意性地所指示，离散输入终端102与SSPC控制电路20和SSSD 18的控制终端22电流隔离。电流隔离可通过用于以电流隔离方式连接电气部件的任何已知部件实现，例如，通过使用光耦合器、电感耦合装置、电容耦合装置，或包括此类装置的任何电路。特别地，离散输出电路100的离散输出端102可通过提供电流隔离的DC-DC转换器连接至SSPC控制电路20和SSSD 18的控制终端 22。
离散输出电路100还包括离散输出终端104。离散输出终端104 提供指示SSSD 18的控制终端22的状态的离散输出信号。特别地，离散输出电路100被配置来在SSSD 18处于ON条件下(即，切换至其中通过电力馈线12将电力从电源供应至负载的断开构型)的情况下在离散输出终端104处提供离散输出信号。
由离散输出电路100在离散输出终端104处递送的离散输出信号可用于指示由SSPC控制电路20控制的SSPC或一个或多个SSPC通道的状态。例如，LED或其他光学指示装置可连接至离散输出终端 104。离散输出终端104还可连接至将离散输出信号供应至其他装置或控制电路的更复杂电路。
根据本文所述的实施方案，离散输出电路100被配置来检测连接至离散输出终端104的电路中的过流(如本文所使用的，术语“过流”用来指代任何异常电路条件，特别是任何形式的过流和/或过压)。此外，离散输出电路104被配置来在检测到过流的情况下限制输出电流和/或中断在离散输出终端104处的离散输出信号的供应。离散输出电路100被配置来自主地提供这些功能。因为离散输出电路100被配置来在过流的情况下自主地锁定自身，离散输出电路100与SSPC 10 或SSPC控制电路20之间不需要相互作用。检测过流以及限制输出电流和/或中断离散输出终端处的离散输出信号的供应是独立于供应至SSSD 18的控制终端22的控制电压提供的。此外，限制输出电流和/或中断离散输出终端104处的离散输出信号的供应不影响供应至 SSSD 18的控制终端22的控制电压。
离散输出电路100接收由SSPC控制电路20供应的控制信号32 以用于调节到SSSD18的控制终端22的控制电压。因此，离散输出终端104处的离散输出信号的供应由SSPC或SSPC控制电路20在 SSSD 18从其中负载与电力馈线12断开连接的断开状态(OFF条件) 切换至其中负载连接至电力馈线12的闭合状态(ON条件)时触发。当接收到指示SSSD 18从断开状态(OFF条件)切换至闭合状态(ON条件) 的信号时，离散输出电路100被配置来将自己切换为ON，即在离散输出终端104处供应离散输出信号。离散输出电路100还被配置来在于离散输出供应电路中检测到过流的情况下锁定自身。一旦锁定自身，离散输出电路100就限制输出电流和/或终止在离散输出终端104 处供应离散输出信号。其发生与SSSD 18是保持在闭合状态(ON条件) 还是切换至断开状态(OFF条件)无关。在因为过流已经停止供应离散输出信号后，在离散输出电路100通过电流隔离连接40从SSPC控制电路20接收指示SSSD 18从断开状态(OFF条件)再次切换至闭合状态(ON条件)的随后的控制信号32的情况下，离散输出电路100可由SSPC控制电路20触发以再次供应离散输出信号。
离散输出电路100的自锁能力允许防止在离散输出电路100与 SSPC 10或SSPC控制电路20之间交换信号。仅需要一个触发信号来在SSSD 18从断开状态(OFF条件)切换至闭合状态(ON条件)时触发离散输出电路100以在离散输出终端处供应离散输出信号。这降低了电路板空间的消耗，因为不需要通过电流隔离连接进行多次信号交换。
SSPC控制电路20和/或SSSD 18的控制终端22与离散输入终端 102之间的电流隔离电连接可通过任何已知技术实现，例如使用光耦合器、电感耦合装置、电容耦合装置或如DC-DC转换器的任何其他耦合电路。
离散输出电路100还包括离散输出开关106，所述离散输出开关 106连接至离散输出终端104，并且被配置来在切换至闭合状态时在离散输出终端104处供应离散输出信号。离散输出开关106包括在离散输出终端104的一侧上连接至离散输出信号供应电路114的第一终端108(例如，在场效应晶体管情况下的漏极D)，以及在接地的相反侧上连接至离散输出信号供应电路114的第二终端110(例如，在场效应晶体管情况下的源极S)。应当理解，离散输出开关106的第一终端108和第二终端110可连接至离散输出信号供应电路114，反之亦然。离散输出开关106还包括第三终端或控制终端112(在场效应晶体管情况下的栅极G)。根据施加至控制终端112的控制电压，离散输出开关106的第一终端108与第二终端110之间的电流路径可为导通的(ON条件)或非导通的/隔离的(OFF条件)。为简单起见，离散输出开关106的第一终端108与第二终端112之间的电流路径将称为离散输出开关106的漏极-源极路径。
控制终端112通过锁存电路116和控制终端驱动器118连接至离散输出电路100的离散输入终端102。因此，离散输出开关106的控制终端112从离散输入终端102接收用于在离散输出终端104处供应离散输出信号的触发信号。供应至离散输入终端102的信号32触发锁存电路116，使得锁存电路116提供用于将离散输出开关106切换进入ON条件的控制信号，如下文更详细地所述。
离散输出开关106可为固态开关装置，特别是如IGBT的晶体管或如MOSFET或JFET的场效应晶体管。在场效应晶体管的情况下，离散输出开关106的控制终端112称为栅极终端，并且在通过将对应的控制电压施加至栅极终端112来将场效应晶体管切换至ON条件(即，漏极-源极路径电导通)的情况下，在场效应晶体管的漏极-源极电路中供应离散输出信号。在特定实施方案中，当切换至ON条件时，离散输出开关106在线性模式下操作，即离散输出开关106的漏极- 源极路径中的输出电阻取决于供应至离散输出开关106的控制终端112的控制电压。
此外，离散输出电路100包括第一过流限制电路120，所述第一过流限制电路120被配置来根据连接至离散输出电路100的离散输出终端104的电路(也称为离散输出信号供应电路)中的输出电流的增大而增大由离散输出开关106在离散输出终端104处提供的输出电阻。第一过流限制电路120包括反馈回路，所述反馈回路被配置来反馈指示到离散输出开关106的控制终端112的输出电流的信号。反馈回路被配置成使得在激活反馈回路之后，输出电流的增大将导致由离散输出开关106的漏极-源极路径在离散输出终端104处提供的输出电阻的增大。
当在线性模式下操作时，离散输出开关106在其漏极-源极路径中提供输出电阻，所述输出电阻取决于供应至离散输出开关106的控制终端112的控制电压。作为一个实例，在离散输出开关106为场效应晶体管的情况下，当在线性模式下操作时，漏极-源极路径的输出电阻将决定于供应至栅极终端112的控制电压。特别地，供应至栅极终端112的控制电压越低，漏极-源极路径中的输出电阻将越高。类似考虑适用于离散输出开关106为晶体管的情况。第一过流限制电路 120的反馈回路在激活后可因此影响供应至离散输出开关106的控制终端112的控制电压，其方式为使得离散输出信号供应电路114中的输出电流的增大引起供应至离散输出开关106的控制终端112的控制电压的减小，从而增大离散输出电路100的输出电阻。
如图2所示，第一过流限制电路120可包括稳流晶体管122，所述稳流晶体管122具有连接至离散输出信号供应电路114的基极124、连接至离散输出开关106的控制终端112的集电极126以及接地的发射极128。反馈回路包括稳流晶体管122，其连接方式为使得稳流晶体管122的基极-发射极电压随着离散输出信号供应电路114中的输出电流的增大而增大。一旦基极-发射极电压增大至阈值电压或以上，稳流晶体管就变成导通的。这激活第一过流限制电路120的反馈回路。在激活状态下，离散输出信号供应电路114中的输出电流引起稳流晶体管122中的基极-发射极电流。基极-发射极电流导致稳流晶体管122的集电极-发射极电路中的放大电流。由此，离散输出信号供应电路114中的输出电流的增大会引起稳流晶体管122的集电极-发射极电路中的电阻的减小。以此方式，作为对在离散输出信号供应电路114中流动的输出电流的增大的反应，稳流晶体管122导致供应至离散输出开关106的控制终端112的控制电压减小。当离散输出开关 106在线性模式下操作(例如，以在线性模式下操作的MOSFET或FET 的形式)时，离散输出开关106的漏极-源极路径的输出电阻将根据供应至离散输出开关106的控制终端112的控制电压的减小而增大。增大的输出电阻会减小离散输出信号供应电路114中的输出电流。因此，一旦离散输出限制电路114中的输出电流达到预定义反馈回路激活阈值，第一过流限制电路120的反馈回路就被激活并且稳定离散输出信号供应电路114中的输出电流。
连接在离散输入终端102与离散输出开关106的控制终端112之间的锁存电路116可具有本领域已知的任何构型。特别地，当触发信号32被提供至锁存电路116的输入终端132时，锁存电路116会将其输出终端134切换至HIGH并且在输出终端134处提供HIGH信号，直到在锁存电路116的重置终端136处接收到重置信号为止。将锁存电路116的输入终端132连接至离散输入终端102允许将锁存电路 116切换至HIGH并且在锁存电路116的输出终端134处提供指示 HIGH条件的信号。锁存电路116的输出终端134通过控制终端驱动器118连接至离散输出开关106的控制终端112，控制终端驱动器118 连接在锁存电路116的输出终端134与离散输出开关106的控制终端 112之间。如果期望切换到其中离散输出开关106在线性模式下操作的闭合状态，控制终端驱动118具有提供用于将离散输出开关106从断开状态切换至闭合状态的合适控制电压的运算放大器的构型。
此外，离散输出电路100包括第二过流限制电路140，所述第二过流限制电路140被配置来检测连接至离散输出终端104的电路114 (也称为离散输出信号供应电路114)中的过流，即可被检测为电路114 中的过流和/或过压的任何异常情况。过流/过压是指超过预定义阈值电平的电流/电压。
过流检测电路140包括比较器142，所述比较器142具有接收根据连接至离散输出终端104的电路114中的电流和/或电压的信号的第一输入端144，以及由参考信号供应的第二输入终端146。参考信号指示预定义过流检测阈值。在于连接至离散输出终端104的电路114中测量的电流和/或电压超过过流检测阈值的情况下，比较器142 检测到过流条件并且在其输出端148处供应比较器过流信号150。
过流检测电路140还包括AND逻辑156，所述逻辑156具有连接至比较器142的输出端148的第一输入端158、连接至离散输入终端102的第二输入端160、以及连接至锁存电路116的重置输入端136 的输出端162。AND逻辑156于在其第一输入端158处接收到来自比较器142的比较器过流信号150并且在其第二输入终端160处接收到对应于SSPC 10的SSSD 18的ON条件的控制信号32的情况下，在其输出端164处提供AND逻辑过流信号164。因为AND逻辑156 的输出端162连接至锁存电路116的重置输入端136时，所以在AND 逻辑156在其输出端162处提供AND逻辑过流信号164的情况下，锁存电路116被重置(清零)。重置(清零)锁存电路116会将锁存电路 116的输出终端134设置至LOW，并由此将离散输出开关106切换至OFF条件(其中离散输出开关106的源极漏极路径电隔离)。一旦离散输出开关106切换至OFF条件，就不再在离散输出终端104处供应离散输出信号。
第二过流限制电路140还可包括连接在比较器142的输出端148 与AND逻辑156的第一输入端158之间的第一RC构件152、154。第一RC 152、154构件可延迟比较器过流信号从比较器输出端148 到AND逻辑156的第一输入端158的供应。因此，通过重置(清零) 锁存电路116进行的第二限流电路的激活可相对于比较器142检测到过流延迟预定义时间，所述预定义时间可通过选择第一RC构件152、 154的电容和电阻来调节。在第一限流电路120的反馈回路激活之后且在通过第一RC构件152、154调节的延迟时间流逝之前的时间内，仅第一过流限制电路120将被激活。在此时间内，第一过流限制电路 120将导致离散输出开关106在线性操作模式下操作并且将离散输出信号供应电路114中的电流稳定至预定义电流值。在延迟时间流逝后，第二过流检测电路140将被激活并且导致重置(清空)锁存电路116 以将锁存电路116的输出终端134设置至LOW，并由此将离散输出开关106切换至OFF条件。一旦离散输出开关106切换至OFF条件，就不再在离散输出终端104处供应离散输出信号。
此外，离散输出电路100可包括连接在离散输入终端102与锁存电路116的使能/CLK输入端138之间的第二RC构件166、168。第二RC构件166、168可供应CLK信号至锁存电路116以确保当将 CLK信号供应至使能/CLK输入138以将锁存电路116的状态从OFF 改变至ON时，供应至锁存电路116的第一输入终端132的控制电压已经存在一段时间(通常为数微秒)。
虽然已经参考示例性实施方案描述了本发明，但本领域技术人员将理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可做出各种改变并可用等效物来取代示例性实施方案的要素。此外，在不脱离本发明的基本范围的情况下，可做出许多修改来使特定情况或材料适应于本发明的教义。因此，意图本发明不限于所公开的具体实施方案，而是本发明包括落在权利要求范围内的所有实施方案。

Claims (15)

1.一种固态功率控制器(10)，其包括：
至少一个固态开关装置(18)，所述至少一个固态开关装置(18)连接至将要从电力馈线(12)供应电力的至少一个负载，并且被配置来选择性地将所述相应负载连接至所述电力馈线(12)或将所述相应负载与所述电力馈线(12)断开连接；
至少一个SSPC控制电路(20)，所述至少一个SSPC控制电路(20)被配置来将控制电压供应至所述固态开关装置(18)的控制终端(22)；以及
离散输出电路(100)，所述离散输出电路(100)电连接至所述SSPC控制电路(20)和/或所述固态开关装置(18)的所述控制终端(22)并且与其电流隔离；
其中所述离散输出电路(100)包括离散输出终端(104)，并且被配置来在所述离散输出终端(104)处供应指示所述固态开关装置(18)的所述控制终端(22)的状态的离散输出信号，并且
其中所述离散输出电路(100)被配置来检测连接至所述离散输出终端(104)的电路(114)中的过流，并且在检测到过流的情况下限制输出电流和/或中断所述离散输出信号的供应。
2.根据权利要求1所述的固态功率控制器(10)，其中所述离散输出电路(100)包括以电流隔离方式连接至所述SSPC控制电路(20)的控制终端输出端(34)的离散输入终端(102)。
3.根据权利要求1或2所述的固态功率控制器(10)，其中所述离散输出电路(100)包括连接至所述离散输出终端(104)的离散输出开关(106)，所述离散输出开关(106)被配置来在切换至闭合状态时在所述离散输出终端(104)处供应所述离散输出信号。
4.根据权利要求3所述的固态功率控制器(10)，其中所述离散输出开关(106)具有连接至所述离散输出电路(100)的所述离散输入终端(102)的离散输出开关控制终端(112)。
5.根据权利要求3或4所述的固态功率控制器(10)，其中所述离散输出开关(106)为固态开关装置，特别是MOSFET或FET。
6.根据权利要求4或5所述的固态功率控制器(10)，其中所述离散输出电路(100)包括第一过流限制电路(140)(120)，所述第一过流限制电路(140)(120)被配置来根据连接至所述离散输出电路(100)的所述离散输出终端(104)的电路(114)中的输出电流的增大而减小施加至所述离散输出开关(106)的所述控制终端(112)的控制电压，以便增大在所述离散输出终端(104)处提供的输出电阻。
7.根据权利要求6所述的固态功率控制器(10)，其中所述第一过流限制电路(120)被配置来在第一过流的情况下在线性模式下操作所述离散输出开关(106)。
8.根据权利要求6或7所述的固态功率控制器(10)，其中所述第一过流限制电路(120)包括稳流晶体管(122)，所述稳流晶体管(122)具有接收根据连接至所述离散输出电路(100)的所述离散输出终端(104)的电路(114)中的输出电流的信号的基极(124)、连接至所述离散输出开关的所述控制终端的集电极、以及接地的发射极。
9.根据权利要求3至8中任一项所述的固态功率控制器(10)，其中所述离散输出电路(100)包括连接在所述离散输入终端(102)与所述离散输出开关(106)的所述控制终端(112)之间的锁存电路(116)。
10.根据权利要求9所述的固态功率控制器(10)，其中所述离散输出电路(100)包括连接在所述锁存电路(116)的输出端(134)与所述离散输出开关(106)的所述控制终端(112)之间的控制终端驱动器(118)。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的固态功率控制器(10)，其中所述离散输出电路(100)包括第二过流限制电路(140)，所述第二过流限制电路(140)被配置来检测连接至所述离散输出终端(104)的电路(114)中的过流。
12.根据权利要求11所述的固态功率控制器(10)，其中所述第二过流检测电路(140)包括比较器(142)，所述比较器(142)具有接收根据连接至所述离散输出终端(104)的电路(114)中的输出电流的信号的第一输入端(144)，以及由参考信号供应的第二输入终端(146)。
13.根据权利要求12所述的固态功率控制器(10)，其中第二过流限制电路(140)包括AND逻辑(156)，所述逻辑(156)具有连接至所述比较器(144)的所述输出端(148)的第一输入端(158)、连接至所述离散输入终端(102)的第二输入端(160)、以及连接至所述锁存电路(116)的重置输入端(136)的输出端(162)。
14.根据权利要求12或13所述的固态功率控制器(10)，其中所述第二过流限制电路(140)包括连接在所述比较器(144)的所述输出端(148)与所述AND逻辑(156)的所述第一输入端(158)之间的第一RC构件(152、154)。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的固态功率控制器(10)，其中所述离散输出电路(100)包括连接在所述离散输入终端(102)与所述锁存电路的使能/CLK输入端(138)之间的第二RC构件(166、168)。
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