CN112787368A - 电流限制电路 - Google Patents

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钱德纳·J·加贾纳亚克
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Abstract

本发明题为“电流限制电路。”本公开涉及用于功率转换器的电流限制电路，该电流限制电路可用于限制电功率存储单元的充电电流和放电电流。在示例性实施方案中，电流限制电路(101)包括：第一场效应晶体管和第二场效应晶体管(102,103)，每个场效应晶体管具有源极连接部、栅极连接部和漏极连接部，其中该第一晶体管(102)的该源极连接部(102s)连接到该第二晶体管(103)的该栅极连接部(103g)，并且该第二晶体管(103)的该源极连接部(103s)连接到该第一晶体管(102)的该栅极连接部(102g)；以及电阻器(104)，该电阻器连接在该第一晶体管和该第二晶体管(102,103)的该源极连接部(102s，103s)之间，其中该第一晶体管和该第二晶体管(102,103)的漏极连接部(102d,103d)能够连接在DC电源(105)和电负载(107)之间，以限制在电源(105)和电负载(107)之间流动的最大电流。

Description

电流限制电路
技术领域
本公开涉及用于功率转换器的电流限制电路，该电流限制电路可用于限制电功率存储单元的充电电流和放电电流。
背景技术
随着多电飞行器(MEA)的电功率需求增加，存在对DC功率分配、电机和能够在高功率下操作的功率转换器的使用的需要的增加。还存在减轻重量的趋势，使用固态功率控制器(SSPC)代替机电开关和断路器可有助于减轻重量。利用SSPC，可更灵活地控制在电功率储存装置的充电和放电期间流动的电流，并且可通过使用电子控制器来实现各种特征，诸如故障检测、电路保护和动态负载管理，该电子控制器不能通过传统机电开关来启用。
SSPC中的器件需要保护以保留在安全操作区域内。在预充电期间某些负载中的初始浪涌电流应当是有限的，SSPC应当能够调节该初始浪涌电流。在航空航天应用中，SSPC通常与需要预充电和放电的功率转换器和大容量电容器组合使用，从而需要限制电流以防止损坏。然而，在预充电和放电期间限制电流可能需要添加单独的转换器和/或其他部件，这可增加部件数量和总体系统重量。
可逆电荷限制器件可用于限制往返于电容器的充电电流和放电电流，例如，如Alwash等人在于2016年9月18日至22日举办的主题为“具有SiC电流限制器的功率转换器的短路保护(Short-CircuitProtectionofPowerConverterswithSiCCurrentLimiters)”的2016年IEEE能量转换博览会上披露，其中以背对背构型设置一对SiC JFET，以实现用于限制充电(浪涌)电流和放电(故障)电流两者的双向电流限制能力。此类布置中的电流受到每个JFET的内部特征诸如沟道夹断和自加热的限制，这意味着对电流限制的控制是固定的器件属性。
发明内容
根据第一方面，提供了一种电流限制电路，该电流限制电路包括：
第一场效应晶体管和第二场效应晶体管，每个场效应晶体管具有源极连接部、栅极连接部和漏极连接部，其中该第一晶体管的该源极连接部连接到该第二晶体管的该栅极连接部，并且该第二晶体管的该源极连接部连接到该第一晶体管的该栅极连接部；和
电阻器，该电阻器连接在该第一晶体管的该源极连接部和该第二晶体管的该源极连接部之间，
其中该第一晶体管的漏极连接部和该第二晶体管的漏极连接部能够连接在电源和电负载之间，以限制在该电源和该电负载之间流动的最大电流。
该电流限制电路可用作预充电和放电电路的一部分，从而实现可与SSPC结合使用的紧凑且轻质的解决方案。该电路使得浪涌电流能够被限制，同时允许大容量电容器在缩短的预定义时间内充电。该电路还使得大容量电容器能够在关断时安全地放电。
电源可以是DC电源，例如电池或DC电总线，或者在一些示例中可以是整流电源。
第一场效应晶体管和第二场效应晶体管之间的电阻器可具有介于5mΩ和5Ω之间的电阻值。该电阻器的值根据电流的方向确定第一晶体管和第二晶体管的栅极电压，从而确定电路的电流限制。
第一场效应晶体管和第二场效应晶体管可以是耗尽型MOSFET或JFET，使得晶体管处于正常导通模式，其中限制电流通过设置在晶体管的源极连接部之间的电阻器的值来设置。
根据第二方面，提供了一种电功率转换器系统，该电功率转换器系统包括：
电源；
电功率输出端，该电功率输出端能够跨电功率负载连接；
第一开关，该第一开关位于该电源和该电功率输出端之间；
电容器，该电容器跨该电功率输出端连接；以及
根据第一方面的电流限制电路，该电流限制电路跨该开关连接。
该电功率转换器系统可包括第二开关，该第二开关被布置成在第一位置将第一场效应晶体管的漏极连接部连接到电源以对电容器充电，并且在第二位置将第一场效应晶体管的漏极连接部连接到公共连接件以使电容器放电。
该电功率转换器系统可包括控制器，该控制器被配置为控制电源、开关和电流限制电路的操作。
该控制器可被配置为在预充电模式下在第一开关打开时操作第二开关以将电流限制电路连接到电源以对电容器充电，并且在电容器充电之后闭合第一开关。
该控制器可被配置为在预充电模式下监测电容器上的电压并且如果该电压在预先确定的超时时间段内未达到预定值则报告故障。
该控制器可被配置为在放电模式下操作第二开关以经由电流限制电路将电容器连接到公共连接件，以使电容器放电。
飞行器可包括连接到根据第二方面的电功率转换器系统的电负载，该电负载的优点在于与另选解决方案相比可减少部件数量和总重量。
根据第三方面，提供了一种操作根据第二方面的电功率转换器系统的方法，该方法包括：
在预充电模式下，在第一开关打开时操作第二开关以将电流限制电路连接到电源，以及在电容器充电之后闭合第一开关。
在预充电模式下，可监测电容器上的电压，并且如果该电压在预定超时时间段内不超过预先确定的值，则可报告故障。
该方法可还包括在放电模式下操作第二开关以经由电流限制电路将电容器连接到公共连接件，以使电容器放电。
本领域的技术人员将理解，除非相互排斥，否则关于任何一个上述方面描述的特征如作适当变动，可以应用于任何其他方面。此外，除非相互排斥，否则本文中描述的任何特征可以应用于任何方面以及/或者与本文中描述的任何其他特征组合。
附图说明
现在将参考附图仅以举例的方式来描述实施方案，其中：
图1是包括电流限制电路的示例性电功率转换器系统的示意性电路图；
图2是例示了操作该功率转换器系统的方法的示意性流程图。
图3a是针对常规电阻器限制的预充电操作的作为时间的函数的电流的曲线图；
图3b是针对使用示例性电流限制电路的预充电操作的作为时间的函数的电流的曲线图；
图4是包括电流限制电路的另选电功率转换器系统的电路图；并且
图5是包括电流限制电路的另一个另选电功率转换器系统的电路图。
具体实施方式
在图1中例示了示例性电功率转换器系统100。系统100包括电源105和电负载107。电源105可以是DC电源、电力储存单元诸如电池或具有一个或多个电源的DC总线。电源105可以是DC电源，或者在另选示例中可以是整流电源。负载107可以是功率电子器件负载(诸如被布置用于驱动电机的逆变器)和/或电阻性负载。DC链路电容器109跨系统100的功率输出端106(即跨电负载107)连接。控制器112监测并控制电存储单元105，并且控制第一开关108和第二开关110的操作。控制器112还可监测输出端106，例如以在预充电和/或放电过程期间确定电容器109上的电荷水平。
在正常使用中，第一开关108将电源105连接到电功率输出端106，从而连接到电负载107。然而，在系统100的启动期间，立即连接开关108将引起高初始电流，直到电容器109充分充电。此外，在系统100关断时，电容器109可保持在短路时可能是安全隐患的电荷。因此，电流限制电路101连接在电容器109与电源105之间，即跨开关108，其目的是使得在启动和关断时能够限制充电电流和放电电流。
电流限制电路101包括以背对背构型布置的一对晶体管102、103，其中第一晶体管102的栅极连接部102g连接到第二晶体管103的源极连接部103s，并且第二晶体管103的栅极连接部103g连接到第一晶体管102的源极连接部102s。电阻器104连接在第一晶体管102的源极连接部102s和第二晶体管103的源极连接部103s之间。电阻器104的值连同晶体管102、103的参数一起确定流过电路101的最大电流。
第二晶体管103的漏极连接部103d连接到电容器109的第一端子，而电容器109的第二端子连接到公共(或接地)连接件111。第二开关110能够在第一位置和第二位置之间操作，该第一位置在图1中示出。在该第一位置，第二开关110将第一晶体管102的漏极连接部102d连接到电源105，从而允许电流流过电流限制电路101以对电容器109充电。一旦电容器109充分充电，第一开关108就可闭合，从而允许电流不受电路101的限制来流向电负载107。
在系统100关断时，开关108可打开，从而在电容器109上留下电荷。为了使电容器109放电，可操作第二开关110以将漏极连接部102d连接到公共连接件111，从而使电容器109以由电路101的电流限制设定的速率放电到地。
第一晶体管102和第二晶体管103可以是耗尽型MOSFET或者可以是JFET。在电流从电源105流动到负载107的情况下，第二晶体管103完全导通，并且第一晶体管102在线性区域中操作。电阻器104偏压晶体管102、103两者，从而使部件计数最小化。电阻器104被选择为针对系统100的尺寸和重量进行优化并为充电和放电提供最佳恒定电流。
电阻器和栅极偏压的组合确定通过该电路的恒定最大电流，该恒定最大电流取决于设定的栅极电压。偏压使晶体管中的一个晶体管在其线性区域中操作，从而使该晶体管成为恒定电流源。由于晶体管经由电阻器自偏压，因此该任务不需要数字信号处理器(DSP)，从而允许晶体管运行用于控制/保护第一开关108和第二开关110的控制算法。
在预充电时间段完成之后，通过闭合第一开关108来有效地绕过电路101，尽管电路101可保持连接。如果预充电过程花费比预期更长的时间，则这可指示输出侧中出现故障。因此，该特征可用作故障检测步骤，从而使能有机会检测短路故障。图2例示了用于控制器112的操作以检测故障状况的流程图。在第一步骤201中，预充电过程随着系统启动而启动。然后，在第二步骤202中，控制器112测量电容器109上的电压Vcap。在第三步骤203中，控制器确定预先确定的超时时间段是否已经过去。如果该预先确定的时间段尚未过去，则重复步骤202。考虑到已知大小的电容器在提供恒定电流时将在已知时间内充电至给定水平，该预先确定的超时时间段可由电容器109和电路101的参数设定。一旦预定超时时间段已经过去，在第四步骤204中，控制器112确定Vcap是否已达到其指定的预先确定的值。如果已经达到该预先确定的值，则预充电操作完成，并且在步骤205中控制器前进到正常操作，即通过闭合开关108并启用系统100的正常操作。如果未达到该预先确定的值，则控制器112前进至步骤206，从而抑制预充电操作和/或报告故障。
图3a示出了针对仅使用电阻器限制电流的常规方法的充电电流作为时间的函数的曲线图，其中DC总线为270V，最大电流被设定为10A并且电容器为1250μF。如预期的那样，当电容器充电并且电流逐渐减小时，充电电流沿循指数曲线。图3b以相同的比例示出了使用本文所述类型的电流限制电路时充电电流作为时间的函数的曲线图。电流最初保持在约10A的恒定水平，导致电容器被完全充电的时间短得多，在这种情况下，针对常规方法在约30ms之后，而不是约80ms之后。结合监测电容器上的电压的控制器，使用本文所述类型的电流限制电路允许电容器更快地充电至预设水平，之后可闭合主开关108(图3b的曲线图上的点301)并且电容器完全充电。
图4例示了另选的示例性系统400，其中电源105包括三相AC电源和二极管桥整流器。一旦AC电源被接通，二极管将开始导电，从而导致电流浪涌对电容器109进行充电。与上述示例一样，电流限制电路101控制该初始浪涌电流。一旦电容器109已被充分充电，电流限制电路101就被绕过并且系统正常操作。
图5例示了另选的示例性系统500，其中电流限制电路501被布置成仅为电容器109的预充电提供单向限流。场效应晶体管502的漏极连接部502d连接到电源105，并且其源极连接部502s连接到电阻器504。栅极连接部502g经由电阻器504连接到源极连接部502s。晶体管开关503与FET502串联连接以激活电流限制电路501。系统500以与上述系统100相同的方式操作，但仅被配置用于预充电期间的单向操作。
概括地说，本文所述的电路能够支持双向恒定电流流动，并因此可用于预充电和放电两者。与常规方法相比，恒定电流实现轻质设计并且实现涌入电流限制。因此，可以更受控的方式并在预定时间内实现预充电，以实现更快的预充电速率以及更快的放电速率。恒定电流预充电还实现了早期短路故障检测。
应当理解，本发明不限于上述实施方案，并且在不脱离本文中描述的概念的情况下可进行各种修改和改进。除非相互排斥，否则任何特征可以单独使用或与任何其他特征组合使用，并且本公开扩展到并包括本文中描述的一个或多个特征的所有组合和子组合。

Claims (15)

1.一种电功率转换器系统(100)，所述电功率转换器系统包括双向预充电和放电电流限制电路(101)，所述双向预充电和放电电流限制电路用于在所述系统(100)启动和关断时限制充电电流和放电电流，所述系统(100)还包括：
电源(105)；
电功率输出端(106)，所述电功率输出端能够跨电负载(107)连接；
第一开关(108)，所述第一开关位于所述电源(105)和所述电功率输出端(106)之间；以及
电容器(109)，所述电容器跨所述电功率输出端(106)连接；
其中所述电流限制电路(101)跨所述第一开关(108)连接并包括：第一场效应晶体管和第二场效应晶体管(102,103)，每个场效应晶体管具有源极连接部、栅极连接部和漏极连接部，其中所述第一晶体管(102)的所述源极连接部(102s)连接到所述第二晶体管(103)的所述栅极连接部(103g)，并且所述第二晶体管(103)的所述源极连接部(103s)连接到所述第一晶体管(102)的所述栅极连接部(102g)；以及电阻器(104)，所述电阻器连接在所述第一晶体管和所述第二晶体管(102,103)的所述源极连接部(102s，103s)之间，并且
其中所述第一晶体管和所述第二晶体管(102,103)的漏极连接部(102d，103d)能够连接在所述电源(105)和所述电负载(107)之间，以限制在所述系统(100)启动和关断时流动的最大电流。
2.根据权利要求1所述的电功率转换器系统(100)，其中所述电阻器(104)具有介于5mΩ和5Ω之间的电阻值。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的电功率转换器系统(100)，其中所述第一场效应晶体管(102)和/或所述第二场效应晶体管(103)是耗尽型MOSFET或JFET。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的电功率转换器系统(100)，其中所述电阻器(104)是偏压所述第一晶体管和所述第二晶体管(102,103)两者的单个电阻器。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的电功率转换器系统(100)，包括第二开关(110)，所述第二开关被布置成在第一位置将所述第一场效应晶体管(102)的所述漏极连接部(102d)连接到所述电源(105)以对所述电容器(109)充电，并且在第二位置将所述第一场效应晶体管(102)的所述漏极连接部(102d)连接到公共连接件(111)以使所述电容器(109)放电。
6.根据权利要求5所述的电功率转换器系统(100)，包括控制器(112)，所述控制器被配置为控制所述电源(105)、所述第一开关(108)和所述电流限制电路(101)的操作。
7.根据权利要求6所述的电功率转换器系统(100)，其中所述控制器(112)被配置为在预充电模式下在所述第一开关(108)打开时操作所述第二开关(110)来将所述电流限制电路(101)连接到所述电源(105)以对所述电容器(109)充电，并且在所述电容器(109)充电之后闭合所述第一开关(108)。
8.根据权利要求7所述的电功率转换器系统(100)，其中所述控制器(112)被配置为在所述预充电模式下监测所述电容器(109)上的电压并且如果所述电压在预先确定的超时时间段内未达到预定值则报告故障。
9.根据权利要求6、权利要求7或权利要求8所述的电功率转换器系统(100)，其中所述控制器(112)被配置为在放电模式下操作所述第二开关(110)以经由所述电流限制电路(101)将所述电容器(109)连接到所述公共连接件(111)来使所述电容器(109)放电。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的电功率转换器系统(100)，其中所述电源(105)是DC电总线。
11.一种飞行器推进系统，所述飞行器推进系统包括根据任意前述权利要求所述的电功率转换器系统(100)。
12.一种飞行器，所述飞行器包括连接到根据权利要求1至10中的任一项所述的电功率转换器系统(100)的电负载(107)。
13.一种操作根据权利要求1至10中的任一项所述的电功率转换器系统(100)的方法，所述方法包括：
在预充电模式下，在所述第一开关(108)打开时操作所述第二开关(110)以将所述电流限制电路(101)连接到电源(105)，以及在所述电容器(109)充电之后闭合所述第一开关(108)。
14.根据权利要求13所述的方法，其中在所述预充电模式下，监测所述电容器(109)上的电压，并且如果所述电容器(109)上的所述电压在预定超时时间段内不超过预先确定的值，则报告故障。
15.根据权利要求13或权利要求14所述的方法，包括在放电模式下操作所述第二开关(110)以经由所述电流限制电路(101)将所述电容器(109)连接到所述公共连接件(111)来使所述电容器(109)放电。
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