CN112840517A - 用于低压直流（lvdc）电网的电气保护装置 - Google Patents

Abstract

用于低压直流电网的电气保护装置(EPDL)包括控制器，控制器在启动时首先闭合接地线中的机械继电器(20)，等待第一延迟，闭合双极型晶体管(24)以允许电流流过正极电源线，在输出电压达到最小目标值时，闭合与双极型晶体管(24)并联连接的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)(22)。当检测到过电压、输入功率或积分电流故障时，控制器将反转启动顺序，先断开MOSFET(22)、双极型晶体管(24)，最后断开机械继电器(20)。将输出电流随时间积分并与阈值进行比较，从而允许电容器充电或其它暂时性过负载。当输出电压骤降到最小目标值以下时，断开MOSFET(22)，直到电压恢复。如果电压在一段时间内未恢复，则双极型晶体管(24)以及机械继电器(20)都将断开。

Description

用于低压直流（LVDC）电网的电气保护装置

技术领域

本发明涉及断路器，并且更具体地涉及用于直流电网的半导体电气保护装置。

背景技术

直流(DC)电网可用于为直流装置供电，并且可以运用在电池存储系统、太阳能系统、电动汽车以及建筑物和数据中心的直流电网中。与交流 (AC)电网类似，直流电网需要断路器来保护电源、负载、电缆和其它组件在发生异常电气状况时(例如短路和过负载时)免受损坏。

机械断路器，例如微型断路器(MCB)，可以用来保护直流电网。但是，这些机械断路器可能需要几毫秒(ms)才能断开电路，然而基于半导体的电源和负载可能会在几微秒(μs)内失效。微小的半导体特征(feature) 可被破坏的速度是机械开关可动作的一千倍。

由于直流电网缺少交流电中可以在最小电流附近启动断路器的过零点，会产生严重的电弧。而且，直流系统中的电感通常比交流系统低得多，因此，当发生短路时，电流将非常迅速地增加。因此，机械断路器无法为直流系统中的电源和负载提供及时的保护。

民用电气化可以使用符合诸如IEC/EN 60947-2：2016之类标准的开关装置来实现，低压配电线路包括最高为1500伏的额定直流电压的断路器。

这样的低压直流电网可以由固态断路器(SSCB)保护，但是由于两个电极(pole)都由半导体开关保护，因此它们往往有非常高的成本。微型断路器(MCB)本质上是机械的，且比半导体开关便宜，但速度慢得多。

混合断路器(HCB)串行地包括固态开关和机械继电器两者。与纯机械断路器相比，混合断路器可以具有更快的断开速度，但仍然具有较高的成本。

期望的是基于半导体的用于低压直流电网的电气保护装置(EPDL)。需要包括半导体断路器和机械继电器来保护两个电极的EPDL装置。期望具有快速响应时间以提供及时保护的EPDL装置。

附图说明

图1A-1B示出发生短路时的输出电流和电压。

图2是用于低压直流电网的电气保护装置(EPDL)的图示。

图3示出EPDL故障识别功能和栅控制。

图4重点示出图2-3的EPDL断路器器件的整体控制逻辑。

图5是示出电流和电压的正常操作范围的3维图，其通过对电流在时间上进行积分而扩展。

图6是示出电流和电压的正常操作范围的3维图，其通过电压骤降区域扩展。

图7A-7C是EPDL装置的操作的流程图。

图8是包括一系列MOSFET的备选EPDL。

图9是双向EPDL，其中IGBT与机械继电器并联。

图10是包括保护半导体开关的二极管电网的双向EPDL。

图11是包括两个串联的半导体开关的双向EPDL。

图12是3电极单向EPDL，每个电极包括一个半导体开关。

图13是示出使用电流积分的故障检测的流程图。

具体实施方式

本发明涉及DC半导体断路器的改进。呈现以下描述以使本领域的普通技术人员能够制造和使用在特定应用及其要求的上下文中提供的本发明。对优选实施例的各种修改对于本领域技术人员将是显而易见的，并且本文中描述的一般原理可以应用于其它实施例。因此，本发明不旨在限于所示出和描述的特定实施例，而是要与符合本文公开的原理和新颖性特征的最宽范围相一致。

图1A-1B示出发生短路时的输出电流和电压。在图1A中，直流电网由机械断路器保护。输出电压为400伏，直到发生短路。然后，端子电压在约1ms的时间段下降。发生短路后，输出电流跳升更高，且最终下降，然后在超过1毫秒之后稳定下来。因为机械断路器的响应时间超过1ms，所以机械断路器的缓慢动作使得短路电流产生浪涌。

在图1B中，直流电网通过用于低压直流电网的电气保护装置(EPDL) 保护。EPDL中的半导体断路器元件在约10微秒内迅速断开电源。短路电流只能流动短得多的时间段。DC负载中的寄生电感、电容和电阻性元件对于图1A和1B是相同的。由于图1B的EPDL在约10微秒内响应，而图 1A的机械断路器在1ms内响应，因此图1A中的峰值电流约为3000安培，而图1B中的峰值电流小于200安培。峰值电流为1/15，电流曲线的积分或耗散的能量为约1/100。减少的能量更好地保护直流装置免受损坏。

图2是用于低压直流电网的电气保护装置(EPDL)的示意图。当栅信号G1处于非活跃状态(例如低电压)时，机械继电器20将输入接地GND_IN 与通向直流电网的输出接地GND_OUT断开。机械继电器20相对较慢，并且可以是包括移动板的机电继电器，当向电磁体供电打开(或闭合)继电器触点时，该移动板被拉动。

通过包括金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)22和绝缘栅双极型晶体管(IGBT)24的半导体开关，电源的正端子POS_IN与通向直流电网的正端子POS_OUT断开连接。

在POS_IN和POS_OUT之间没有机械开关，只有半导体开关。对于GND_IN 和GND_OUT之间的负极，没有半导体开关，只有机械开关。因此，正极仅包括半导体开关，而负极仅包括机械开关。这提供了正极的非常快速的断开，但是负极的断开慢得多。在正极中包括纯半导体开关，而在负极中包括纯机械开关允许断开这两个电极，而无需在负极中增加半导体开关的成本。

如果输入极性相反，且POS_IN低于GND_IN，则二极管36闭合。类似地，如果输出极性相反，且POS_OUT低于GND_OUT，则二极管38闭合。二极管36、38为诸如由于短路而可能发生的异常电流尖峰提供保护。

电感器42和电流传感器40与POS_IN串联。电感器42抵抗输入电流的突然变化，从而有助于过滤输入噪声。来自电流传感器40的电流在支路重新组合来驱动POS_OUT之前被转移到三个支路中的一个支路。

在主支路中，MOSFET 22通过栅信号G3被断开。在旁路支路中，IGBT 24通过栅信号G2被断开。IGBT 24在旁路支路中与电阻器26串联。IGBT 24可以是NPN双极型晶体管，该NPN双极型晶体管在其绝缘栅极上(在其基极上方)接收G2，而MOSFET 22可以是在其栅极接收G3的n沟道增强型晶体管。

第三个支路是保护支路。变阻器30可以是包括非线性可变电阻的金属氧化物变阻器(MOV)，提供对电压尖峰的抑制和钳位(clamping)。变阻器 30与电阻器32和电容器34并联以形成保护电网。在正常操作电压下，变阻器30的电阻可能很大。然而，当施加高电压时，变阻器30的电阻减小。因此，变阻器30提供大电压尖峰的钳位。可以将电阻器32和电容器34的 R和C值设置为所需的RC值，以在MOSFET 22和IGBT 24断开时限制敏感组件(例如MOSFET22)上的电压。

在正常操作期间，大部分电流流经主支路和MOSFET 22，因为MOSFET 22 可以以低的源极-漏极电压闭合，而与电阻器26串联的IGBT 24则需要较大的电压来传导给定电流。变阻器30需要更高的电压来传导，因此在正常操作期间，第三支路在没有大电压尖峰的情况下不会承载电流。

电压传感器44检测POS_OUT上的输出电压。电压传感器44的输出电压可用于检测过电压和电压骤降(dip)情况。电流传感器40可以用于检测其它故障状况，例如过电流。

图3示出EPDL故障识别功能和栅控制。通过电流传感器40检测通过图2的EPDL装置正端子的电流，并通过过电流检测器50将检测到的电流值与阈值电流进行比较，从而检测过电流情况。过负载检测器52将检测到的电流值在时间上积分，从而检测热模型的过负载条件。包括两个电流过负载检测器允许过电流检测器50具有较高的瞬时电流限制(limit)，因为过负载检测器52检测到较低的电流，该较低的电流可在一段时间内因较低电流产生的热而引起损坏。

由电压传感器44检测到的输出电压值被施加到过电压检测器54、电压骤降检测器56和启动检测器48。过电压检测器54将检测到的电压与极限电压进行比较，从而检测过电压状况。电压骤降检测器56将检测到的电压与目标电压值进行比较，检测测量到的电压骤降到目标电压值以下。启动检测器48将检测到的电压与目标电压值进行比较，并且在足够的时间段内检测到的电压在目标电压值之上时发出信号，指示启动或初始化成功。

栅极驱动器58接收来自过电流检测器50、过负载检测器52、过电压检测器54、电压骤降检测器56、启动检测器48和Vcc检测器49的输出，这些输出指示正在检测的各种状况。栅极驱动器58中的状态机或其它顺序逻辑确定何时断开和闭合EPDL装置(图2)中的开关。特别地，当继电器 20是常开继电器时，第一栅信号G1被激活，从而闭合继电器20，第二栅信号G2被激活，从而闭合IGBT 24中的沟道，第三栅信号G3被激活，从而闭合MOSFET 22中的导电沟道。

当闭合EPDL断路器时，在继电器20是常开继电器的情况下，栅极驱动器58首先激活G1来闭合(turn on)继电器20，然后在延迟之后激活 G2来闭合IGBT 24，最后在另一延迟之后激活G3来闭合MOSFET 22。当断开EPDL断路器时，遵循相反的顺序。栅极驱动器58首先反激活(deactivate) G3，快速断开MOSFET 22。然后，在一延迟之后，栅极驱动器58反激活G2 来断开IGBT 24，最后在另一延迟之后，反激活G1来断开继电器20。首先闭合并且最后断开最慢的装置、即继电器20。最后闭合并且首先断开最快的装置MOSFET 22。该序列使得在MOSFET 22闭合或断开时使IGBT 24保持闭合状态，从而与IGBT 24串联的电阻器26限制电流，且由此限制MOSFET 22两端的电压，防止损坏MOSFET 22。

图4重点示出图2-3的EPDL断路器装置的整体控制逻辑。当施加功率时，启动序列190发生，使栅极驱动器58依次激活G1、G2和G3，以此顺序，在达到目标电压值后闭合继电器20、IGBT 24以及MOSFET 22。如果在启动序列190期间未达到目标电压值，则在步骤192启动序列失败，并且通过使栅极驱动器58反激活G1，G2和G3，在步骤110断开断路器。

如果在启动序列190期间达到目标电压值，则在步骤192启动序列已经通过(pass)，并且EPDL装置进入正常操作模式，其中故障识别194检查故障。将电压传感器44检测到的输出电压和电流传感器40检测到的电流与各种极限值和目标值进行比较以检测故障。当在步骤196没有检测到故障时，正常操作继续。EPDL装置可能会穿越(ride through)120由于负载电容充电引起的短时电压骤降或瞬时电流浪涌。EPDL装置继续使用故障识别194来检查故障。

当在步骤196检测到故障时，在步骤110，使栅极驱动器58反激活G1、 G2和G3来断开断路器。

图5是3维曲线图，示出电流和电压的正常操作范围，其通过对电流随时间进行积分而扩展。EPDL装置具有正常操作区域10，其中，所检测的输出电压小于最大极限值VOMAX并且大于最小目标电压值VOMIN。对于正常操作区域10，输出电流小于正常电流(normalcurrent)值，例如I(N)。正常操作区域10的时间值可以从零开始运行到无穷大，直至EPDL装置断开。

有时，例如当对电容性负载进行充电时，或者当在负载元件闭合和断开时该负载另外汲取额外电流时，输出电流可超过正常电流值I(N)。过量电流可能对外部元件(例如电源、负载、电缆)以及内部元件(例如MOSFET 22)造成熔化或其它热损坏。这种热损坏被认为在一段时间上是电流的函数。当输出电流超出正常电流值I(N)较小的量时，到热失效的时间为 T_THERMAL。

可以将热损害建模为随时间积分的输出电流。与较高的电流(例如10 x I(N))相比，较低的过量电流(例如3x I(N))可以被承受更长的时间段。过电流区域12的电流超过正常电流值I(N)，但是当这些过量电流在时间上积分时，积分值低于阈值。当在时间上积分的电流超过触发面12' 时，就会触发故障并断开EPDL装置。

图6是3维图，示出电流和电压的正常操作范围，其通过电压骤降区域扩展。电压骤降区域14在图5中隐藏。电压骤降区域14在图6中可见，因为为了更好地观察，过电流区域12已被移除。实际的EPDL包括图5的图示，其中电压骤降区域14被隐藏不可见。实际的EPDL包括图5和6两者的特征，包括所有三个区域10、12、14。

EPDL包括正常操作区域10，其中检测到的输出电压小于最大极限值 VOMAX且大于最小目标电压值VOMIN。对于正常操作区域10，输出电流小于正常电流值I(N)。

例如，由于对电容器负载加载或者充电，输出电压可能在短时间段内骤降到最小目标电压值VOMIN以下。当发生过电流时可能会发生输出电压骤降，或者可能会在没有过电流的情况下发生输出电压骤降。

当输出电压骤降到最小目标电压值VOMIN以下但不长于骤降时间极限值TDIP时，EPDL保持闭合。电压骤降区域14可以受到正常电流值I(N) 的限制，或者可以在过电流区域12的一部分下方延伸(图5)。可以指定最低的可允许电压骤降电平VDIP，例如略高于地电平。

图7A-7C是EPDL装置的操作的流程图。当将电源电压Vcc施加到EPDL 装置时，启动序列开始(步骤140)。在步骤142，启动检测器48(图2) 检测到Vcc的存在，并使栅极驱动器58将G1驱动为高以闭合机械继电器 20(图3)，对于常开继电器类型。计时器在经过1秒后发出信号(步骤 144)，然后栅极驱动器58将G2驱动为高，闭合IGBT 24(步骤146)。机械继电器20闭合会接地，而IGBT 24闭合则将POS_IN连接到POS_OUT，由此建立电流环路，允许POS_OUT上的输出电压上升。

当输出电压从接地朝向最小目标电压值(例如300伏)升高时，栅极驱动器58将G3驱动为高，从而使MOSFET 22闭合。如果输出电压不能达到最小目标电压值，则重复地将输出电压与目标相比较(步骤148)。此电压比较持续进行达一定的时间，例如10秒(步骤150)。一旦计时器发出信号，自Vcc激活计时器以来已经过了10秒钟，步骤150，则启动失败。可能存在对POS_OUT的输出负载的短路，电源故障或阻止POS_OUT升至目标电压值的过负载。该过程在图7B(步骤176)中继续，其中，栅极驱动器58将低电压驱动至G2，断开IGBT 24。然后，在经过5微秒的延迟后(步骤178)，栅极驱动器58将低驱动至G1，断开机械继电器20(步骤180)。因此，当在启动时检测到短路、电源故障或过负载时，MOSFET 22不会闭合。

一旦达到最小目标电压值(图5中的VOMIN)、例如300伏，在步骤 148，栅极驱动器58将G3驱动为高，闭合MOSFET 22(步骤152)。机械继电器20首先被闭合,然后在一段延迟(例如1秒)来允许慢机械继电器闭合并接地之后，IGBT 24闭合来连接正端子POS_IN和POS_OUT。通过电源、负载、以及IGBT 24和机械继电器20形成电流环路。然后，在电压达到300V最小目标电压值之后，MOSFET 22闭合。MOSFET 22具有非常低的导通电阻，而IGBT 24需要电压降来导通PN结，因此在正常操作期间，主电流流经MOSFET 22，而不是流经IGBT 24。MOSFET 22提供低损耗电流路径，从而提高了EPDL的效率。

一旦MOSFET 22在成功启动之后被闭合(步骤152(图7A))，则故障识别194(图4)就被激活。从步骤152开始并行执行六个支路。

如图7A所示，故障识别的第一支路针对电压骤降检测器56(图3)。当电压传感器44(图2)测得的输出电压下降到最小目标电压值以下，但仍高于骤降电压(图6中的VDIP)时(步骤154)，则MOSFET 22断开(步骤156)。如果输出电压升至300伏最小目标电压值以上(步骤148)，则 MOSFET 22再次闭合(步骤152)。但是，如果在一段时间(例如10秒) 内(步骤150)输出电压没能再达到300伏的最小目标值，则IGBT 24断开(步骤176)，且在5微秒延迟后(步骤178)，机械继电器20也被断开(步骤180)。

该第一支路允许发生小于计时器周期TDIP的电压骤降，其中该电压小于最小目标电压值VOMIN，但仍大于骤降最小电压VDIP。图6中的电压骤降区域14在VOMIN以下但在VDIP之上，并且持续时间比TDIP短。VOMIN 可以是300伏，TDIP可以是10秒，VDIP可以是100伏。

图7B中所示的故障检测的第二支路是针对使用热模型的过负载检测器52。当电流传感器40(图2)测得的瞬时负载电流IL大于正常电流IN (图5，I(N))时(步骤160)，负载电流将在时间上积分(步骤162)，并且积分结果INT(I x T)与阈值TH相比较。一旦积分结果大于阈值(步骤162)，则MOSFET 22断开(步骤170)。在5微秒延迟后(步骤174)， IGBT 24断开(步骤176)。在另外5微秒延迟后(步骤178)，机械继电器20断开(步骤180)。

积分可以计算为真实积分，也可以是近似，例如在每个时间段ΔT之后将瞬时电流值加到运行总和上的逐段线性(PWL)计算器。图5的过电流区域12示出IL大于I(N)并且积分电流小于阈值TH的情况。面12’是电流的积分与阈值TH匹配的地方。阈值TH可以随积分时间段而变化。

故障检测的第三支路针对过电压检测器54。当电压传感器44测量的输出电压超过最大目标电压值(例如420伏)时(步骤166)，则断开MOSFET 22(步骤170)，然后在5微秒延迟后(步骤174、178)，将IGBT 24和机械继电器20断开(步骤176、180)。在图5-6的图中，该最大目标电压值显示为VOMAX。

故障检测的第四支路检测电源故障。当施加到EPDL装置的Vcc功率小于10伏时(步骤168)，则断开MOSFET 22(步骤170)，且在5微秒延迟后(步骤174、178)，则断开IGBT 24和机械继电器20(步骤176、180)。 Vcc可以取自POS_IN，也可以是为图3-4的控制逻辑、处理器或其它装置供电的另一电源电压。

在图7C中，当瞬时负载电流IL比正常电流I(N)大得多时，例如10x I(N)(步骤169)，则(图7B)MOSFET 22断开(步骤170)。在5微秒的延迟之后(步骤174)，IGBT 24断开(步骤176)。在另外5微秒的延迟之后(步骤178)，机械继电器20断开(步骤180)。

当所测量的输出电压小于VDIP时(步骤167)，则从断开MOSFET 22 开始断开断路器(图7B，步骤170)。

图8是包括一系列MOSFET的备选EPDL。在该示例中，不是在初级支路中包括单个MOSFET 22，而是存在串联的三个MOSFET 22。当栅极驱动器 58将栅信号G3驱动为高时，三个MOSFET 22全部闭合并传导电流。由于现在每个MOSFET 22的漏极-源极电压是图2中单个IGBT 24的电压的三分之一，因此，串联连接的MOSFET 22不太可能击穿、失效或损坏。可靠性提高。

图9是双向EPDL，其中IGBT与机械继电器并联。半导体开关100包括与图2所描述的变阻器30并联的MOSFET 22和IGBT 24。接地电流IGBT 25、27彼此串联连接并且与机械继电器20并联在GND_IN和GND_OUT之间。与IGBT 24和IGBT 25相比，接地电流IGBT 27的集电器端子和发射器端子颠倒。接地电流IGBT 25、27的绝缘栅极由栅信号G4驱动，该信号可以与G2相同。

图10是包括二极管网络的双向EPDL。半导体开关100包括与图2所描述的变阻器30并联的MOSFET 22和IGBT 24。二极管60、62确保电流只能通过电感器42和电流传感器40流入半导体开关100的左侧，从而实现从POS_IN到POS_OUT的正向电流。二极管64、66确保电流只能从POS_OUT 流到POS_IN。二极管62、64的作用是允许来自POS_OUT的反向电流绕过半导体开关100到达POS_IN，从而实现双向电流流动。半导体开关100可用于断开从POS_OUT通过二极管64、然后通过电感器42和电流传感器40 和半导体开关100、再通过二极管66到达POS_IN的反向电流，因为二极管60、62、64、66的作用是使反向电流沿正确的方向通过半导体开关100。

电流可以通过图10的双向EPDL向后流动。当POS_OUT的电压高于 POS_IN的电压时，来自负载的电流可以从POS_OUT流动，通过二极管64 到达电感器42和电流传感器40，到达半导体开关100的输入，然后从左到右通过半导体开关100，再通过二极管66到POS_IN。二极管60、62被反向偏置并防止正向电流流动。

因此，增加的二极管60、62、64、66允许在电流的两个方向上使用半导体开关100。这对于将EPDL扩展到交流系统很有用。

图11是包括两个串联的半导体开关的双向EPDL。半导体开关100包括与图2所描述的变阻器30并联的MOSFET 22和IGBT 24。半导体开关101 是半导体开关100的镜像。相同的栅信号G2施加到两个半导体开关100、 101中的MOSFET 22的栅极。类似地，栅信号G3施加到两个半导体开关100、 101中的IGBT 24的绝缘栅极。来自POS_OUT的反向电流可以流经半导体开关101中的MOSFET 22和IGBT 24并由其控制，再通过半导体开关100 中的MOSFET 22和IGBT 24的体二极管。反向电流可能源自负载中放电的电容器，也可能出现在交流系统中。

图12是3电极单向EPDL，每个电极包括一个半导体开关。半导体开关100包括与图2所描述的变阻器30并联的MOSFET 22和IGBT 24。半导体开关101是半导体开关100的镜像。在这两个半导体开关100、101中，相同的栅信号G2、G3施加到MOSFET 22的栅极。

正电极中的电流从POS_IN流过电感器42和电流传感器40进入半导体开关100，再输出到POS_OUT来驱动POS_OUT和GND_OUT之间的负载。该电流回路从GND_OUT上的负载返回，再通过机械继电器20流回GND_IN并到达电源，从而完成电流回路。

对于反向电流，接地线中的电流从GND_IN开始，然后通过机械继电器 20，再流到GND_OUT来驱动GND_OUT和NEG_OUT之间的负载。该电流回路返回到半导体开关101，通过电流传感器40和电感器42，然后再返回到 NEG_IN和电源，从而完成电流回路。

图13示出使用电流积分的故障检测的流程图。图7B的步骤160、162 可以由该更详细的流程代替。在MOSFET 22已经闭合并且故障检测启动之后，重置参数A、B和时间T(步骤202)。当电流传感器40测量到的负载电流IL大于正常电流IN时(步骤204)，将测量到的电流IL在时间T上积分(步骤206)。通常，A-B大于零(步骤208)，在该同一时间段T上，对期望的正常电流IN进行积分(步骤210)。从所测量的电流的积分A中减去正常电流的积分B，将A-B与阈值TH进行比较(步骤212)。当A-B 超过阈值TH时，断开断路器(步骤212)，这例如通过遵循图7B中的步骤170至180来执行。

当积分差A-B不超过阈值TH时(步骤210)，则在时间延迟之后(步骤214)，将所测量的负载电流IL再次与IN进行比较(步骤204)。在负载电流仍然较高时(步骤204)，在更长的时间段T上再次计算积分A(步骤206)。当负载电流降至IN以下时(步骤204)，保留负载电流的先前积分A，并将其与B的最后一个值进行比较(步骤208)。针对增加的时间段计算B的新值(步骤210)，由于B上升但A保持不变，所以A-B减小。如果针对几个时间段所测量到的电流都低于IN(步骤204)，则最终B将变得大于或等于A，步骤208将激活步骤202来重置积分。

备选实施例

本发明人设想了一些其它实施例。例如，可以将更复杂的3电极EPDL 设计为双向而不是单向。通过在如图11所示的POS_IN和POS_OUT之间的正极路径中增加与半导体开关100串联的附加半导体开关101，可以将图 12的单向3电极EPDL扩展为3电极双向EPDL，与半导体开关101串联的附加半导体开关100已经显示于NEG_IN和NEG_OUT之间。

通过添加两个串联连接的和镜像的接地电流IGBT 25(其跨机械继电器20而并联)，可以根据图12得到另一个3电极双向EPDL。这类似于图 9，但是有两个接地电流IGBT25，而不是一个，并且具有图12中所示的负电极。

通过如图10所示在正电极处、在半导体开关100周围添加二极管60、 62、64、66，可以根据图12得到又一个3电极双向EPDL。另一组四个二极管60、62、64、66在负电极处、在半导体开关101周围添加。在该实施例中，可以在负电极处使用半导体开关100代替图12的半导体开关101，从而不需要镜像的半导体开关101。

虽然已经在半导体开关100的输入上示出电流传感器40和电感器42，但是它们可以被移动到半导体开关100的输出，或者电流传感器40可以位于半导体开关100之后，而电感器42位于半导体开关100之前。更复杂的网络可用于电感器42，或者可用于变阻器30、电阻器32和电容器34。除变阻器30之外的其它种类的可变电阻器可用于调谐RC网络。变阻器30的额定值可以在原型(prototype)测试后固定。可以将另外的无源组件添加到 RC网络。

可以检测各种类型的故障，例如有或没有输出电压骤降的电流过负载、没有电流过负载的输出电压骤降、短路、输出电压的过电压、以及各种组合。当操作条件移动到正常操作区域10之外时(图5-6)，MOSFET 22可以立即快速断开，除非操作条件从正常操作区域10进入过电流区域12或电压骤降区域14，在这种情况下，断开会延迟到积分电流超过阈值或经过一段时间TDIP的电压骤降之后。当进入电压骤降区域14时，MOSFET 22 可以立即断开，而IGBT 24保持闭合，直到TDIP过去。因此，暂时性电压骤降仅会具有电流驱动的减小、部分断开。

尽管针对MOSFET与IGBT 24的闭合/断开之间的延迟描述了5微秒的延迟，但是可以有其它延迟值。类似地，可以将1秒和10秒延迟和TDIP 调整为其它值。电压值也可以更改，例如VOMIN和VOMAX的300和420伏值。内部电源电压Vcc可以不同于POS_IN，或者可以从POS_IN导出或分压。正常电流值I(N)的值可以针对不同的负载和环境进行调整。

机械继电器20可以是机电继电器，例如单极接触器、多极继电器的一部分、低温接触器、真空开关、汤普森线圈致动器、直流接触器、常开型或常关型器件。尽管将机械继电器20描述为常开继电器，但是也可以将常闭继电器用于机械继电器20。栅信号(例如，G1)的极性可以根据需要反转。即使继电器的默认状态是闭合而不是断开，也可以认为常闭继电器由 G1激活来闭合，且由G1反激活来断开继电器。到继电器的第一栅信号可以是到继电器的功率信号，该功率信号使继电器通电从而对于常开继电器闭合或对于常闭继电器断开。对于常闭继电器，可以将施加到继电器的功率信号视为正的栅信号G1或有效低栅信号G1的反转。

类似地，MOSFET 22可以是耗尽型晶体管而不是增强型晶体管，并且具有常态闭合状态而不是常态断开状态。MOSFET 22可以是p沟道器件而不是n沟道器件。同样，除了NPN，PNP也可以用于包括或不包括绝缘栅极的IGBT 24，或者可以用MOSFET或其它半导体器件代替IGBT 24。

可以使用比本文描述的简单电流积分器更复杂的热模型。可以使用多个阈值，或者可以基于应用程序、环境或其它特征重新编程或选择阈值或延迟。可以缩放值或对值进行其它操作。诸如延迟和目标之类的参数可以基于诸如装置温度或检测到的故障之间的时间长度的条件、或所驱动的特定负载的统计数据或属性之类的条件，来进行调整或缩放。例如，与包括较小电容或较小开关速度的负载电容的负载相比，包括大电容的大负载可能会设置更长的TDIP延迟以及具有更大的阈值TH值。当负载使用更高频率的时钟时，可以增加TDIP和TH，从而允许为更多的电容器充电。

某些类型的故障可能被禁止，而其它故障可能被允许。EPDL的不同应用或使用可能对于被允许的某些类型的故障具有故障识别功能，而禁止针对其它类型的故障的故障识别功能。可以通过向负载中的下游装置提供故障信号来支持欠压锁定(UVLO)，它们可以在EPDL继续运行时禁用其自身。

可以识别其它故障类型。某些故障可能会向负载电路中的控制器激活故障信号，该控制器可能会例如通过挂起、休眠、减慢或断开负载中的某些模块来对这些故障信号起作用。另外，EPDL装置可能不会理会通过使用外部控制器来识别的这些故障。故障信号可以作为电信号发送到其它模块、可以一起被编码、也可以被无线发送(例如通过蓝牙)。

诸如启动检测器48、过负载检测器52、过电压检测器54、电压骤降检测器56、过电流检测器50和栅极驱动器58之类的控制逻辑可以实施为硬件、固件、软件或组合，例如可编程控制器。延迟可能由计时器、分频器或系统时钟、系统中断、命令循环等产生。

虽然示出了一个MOSFET 22(图2)或三个串联的MOSFET 22(图8)，但也可以使用不同数量的串联的MOSFET 22，例如2、4、8、10、16个等。串联的所有MOSFET 22可以具有相同的尺寸，或者它们的尺寸可以不同，例如逐渐变细(tapered)。各种特性和几何形状可用于MOSFET 22和IGBT 24，例如环形(doughnut)晶体管、圆形或环形栅、多脚(multi-leg)晶体管、保护环等。

在图9中，可以与地电流IGBT 25的发射器串联地增加电阻器。备选地，可以去除与IGBT 24的发射器串联的电阻器26，或者只是利用IGBT 24 的寄生电阻。

电感器42、电流传感器40和半导体开关100串联或串联连接。它们可以以任何顺序串联在一起，例如电流传感器40、电感器42、半导体开关 100，或半导体开关100、电流传感器40、电感器42，或电感器42、半导体开关100、电流传感器40，或任何其它顺序进行串联。

可以在各种节点处添加附加元件，例如电阻器、电容器、电感器、晶体管、缓冲器、分压器等，并且还可以存在寄生元件。启用和断开电路可以使用另外的晶体管或以其它方式来实现。可以添加传输栅(pass-gate) 晶体管或传输门(transmission gate)来进行隔离。可以添加反相或额外的缓冲。某些元件可使用单独的电源和接地。可以添加多个过滤器。可以替换有效低信号而非有效高信号。

出于各种目的可在各个节点处添加其它元件，例如用于掉电模式的切断开关、电压移位器、用于设置操作点的偏置电流等。可以使用各种参考电压或虚拟电源来代替硬接地。

发明背景技术部分可能包含关于本发明的问题或本发明的环境的背景信息，这并非描述其他人的现有技术。因此，在背景技术部分中包括的材料并不是本申请人对现有技术的承认。

本文描述的任何方法或过程是机器实施的或计算机实施的，并且意在由机器、计算机或其它设备执行，并且不意图在没有此类机器帮助的情况下仅由人执行。产生的有形结果可以包括在诸如计算机监视器之类的显示装置、投影设备、音频生成设备和相关媒体设备上的报告或其它机器生成的显示，并且可包括也是机器生成的硬拷贝打印输出。其它机器的计算机控制是另一有形结果。

所描述的任何优点和益处可能并不适用于本发明的所有实施例。当在权利要求要素中记载字词“部件(means)”时，申请人意于该权利要求要素落入美国专利法35USC第112条第6段的条款。通常在“部件”一词前加上一个或多个字词的标签。字词“部件”之前的一个或多个字词旨在方便权利要求要素的引用，并且不旨在施加结构限制。此类部件加功能的权利要求不仅旨在覆盖本文描述的用于执行功能的结构及其结构等效物，而且还覆盖等同结构。例如，尽管钉和螺钉具有不同的结构，但是由于它们均执行紧固功能，因此它们是等同结构。不使用“部件”一词的权利要求不旨在落入35USC第112条第6段的条款。信号通常是电子信号，但也可以是光信号，例如可以是通过光纤线路传送的光信号。

已经出于例示和描述的目的给出了本发明的实施例的前述描述。其并非旨在穷举或将本发明限制为所公开的精确形式。根据以上教导，许多修改和变化是可能的。本发明的范围不意于由上述具体实施方式限制，而是由其所附的权利要求书限制。

Claims (20)

1.一种用于操作低压直流电网的电气保护装置(EPDL)的方法，包括：

当启动电源电压时，闭合接地输入和接地输出之间的机械继电器；

在第一延迟和第一栅信号处于活动状态之后，激活第二栅信号，使双极型晶体管能够通过半导体开关中的第二电流支路从功率输入传导电流，从而驱动功率输出上的负载来生成输出电压；

检测电压传感器测量到的所述输出电压超过最小目标值，并且作为响应激活第三栅信号，使金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)能够通过所述半导体开关中的第一电流支路传导电流至所述功率输出；

当所述电压传感器测量到所述输出电压未在启动故障时间段内超过所述最小目标值时，通过反激活所述第二栅信号来断开所述双极型晶体管传导电流，从而激活第一断开序列，且在第二延迟后，反激活所述第一栅信号来断开机械继电器；

在闭合MOSFET之后检测所述电压传感器测量到的输出电压低于所述最小目标值，反激活所述第三栅信号来断开MOSFET，并且在所述电压传感器测量到的输出电压重新高于所述最小目标值时，重新激活所述第三栅信号来重新闭合MOSFET，或者当所述电压传感器在第三时间段内未测量到所述输出电压高于所述最小目标值时，在第三时间段之后激活所述第一断开序列；和

检测所述电压传感器测量到的所述输出电压超过最大目标值，并作为响应反激活所述第三栅信号来闭合MOSFET传导电流，从而激活第二断开序列，并且在第三延迟后激活所述第一断开序列，断开所述双极型晶体管，然后断开所述机械继电器。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括：

检测与所述半导体开关串联的电流传感器测量到的电流值超过目标电流值；

其中，所述电流传感器针对不同时间值生成一系列电流值；

启动电流积分器对电流值在时间值上进行积分，从而生成积分电流值；

生成随不同时间值而变化的积分阈值；

比较所述积分电流值和所述积分阈值，并在所述积分电流值超过所述积分阈值时发出过负载故障信号；以及

在发出所述过负载故障信号时，激活第二断开序列。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述第一延迟是所述第二延迟或所述第三延迟的至少10,000倍长。

4.一种直流(DC)电气保护装置，包括：

继电器，其连接在电源的接地输入与通向负载的接地输出之间，所述继电器是响应于第一栅信号的机电继电器；

在所述电源的功率输入与通向所述负载的功率输出之间串联连接的电感器、电流传感器和半导体开关；

其中，所述半导体开关还包括：

旁路支路，包括双极型晶体管，所述双极型晶体管被第二栅信号闭合和断开；

主支路，包括金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，该MOSFET包括由第三栅信号控制的栅极；

包括电阻器和电容器的无源网络的无源支路；

其中，主支路、旁路支路和无源支路彼此并联连接；

电压传感器，其测量所述功率输出与所述接地输出之间的输出电压；和

栅极驱动器，其用于生成启动序列并且用于生成由故障激活的断开序列；

其中，所述启动序列依次激活第一、第二和第三栅信号，在每次激活之间有延迟，使得先激活继电器，在延迟后激活双极型晶体管，然后在另一延迟之后激活MOSFET；

其中，所述断开序列依次将第三、第二和第一栅信号反激活，在每次反激活之间有延迟，从而先反激活MOSFET，在延迟后反激活双极型晶体管，然后在另一延迟之后反激活继电器。

5.根据权利要求4所述的DC电气保护装置，还包括：

过电压检测器，在电压传感器测得所述输出电压高于最大目标电压值时，所述过电压检测器向栅极驱动器产生过电压故障，以启动所述断开序列。

6.根据权利要求5所述的DC电气保护装置，还包括：

电流积分器，其对由所述电流传感器测量的输出电流在时间上进行积分，从而生成积分电流值；

过负载检测器，在所述输出电流超过电流目标值时，所述过负载检测器激活电流积分器，从而开始对所述输出电流进行积分，当积分电流值超过阈值时，所述过负载检测器产生过负载故障；

其中，当检测到所述过负载故障时，所述栅极驱动器启动所述断开序列；

由此，当积分电流值还没有超过阈值时，允许所述输出电流超过所述电流目标值，从而允许暂时性电流浪涌为负载电容充电，并且不会激活所述断开序列。

7.根据权利要求6所述的DC电气保护装置，还包括：

电压骤降检测器，当所述电压传感器测量到所述输出电压低于最小目标电压值且高于骤降最小电压时，所述电压骤降检测器产生电压骤降故障；

其中，所述栅极驱动器响应于所述电压骤降故障，反激活所述第三栅信号来断开MOSFET，当所述输出电压再次升至最小目标电压值以上时，所述栅极驱动器重新激活所述第三栅信号，当所述输出电压在超过电压骤降时间段保持在最小目标电压值以下时，所述栅极驱动器继续所述断开序列；由此，MOSFET针对暂时性电压骤降而暂时断开。

8.根据权利要求7所述的DC电气保护装置，还包括：

功率失效检测器，其在电源电压降至最小电源电压以下时激活功率失效故障，所述功率失效故障导致栅极驱动器激活所述断开序列。

9.根据权利要求8所述的DC电气保护装置，还包括：

启动检测器，当所述输出电压在一段时间内未达到最小目标电压值时，所述启动检测器激活启动故障，所述启动故障导致栅极驱动器激活所述断开序列。

10.根据权利要求7所述的DC电气保护装置，其中，所述启动序列依次包括：

激活所述第一栅信号来闭合继电器；

等待第一延迟；

激活所述第二栅信号，从而使所述双极型晶体管能够传导电流；

当所述电压传感器测量到所述输出电压已达到或超过最小目标电压值时，激活所述第三栅信号，从而使MOSFET能够传导电流。

11.根据权利要求10所述的DC电气保护装置，其中，所述断开序列还依次包括：

反激活所述第三栅信号，从而断开MOSFET传导电流；

等待第二延迟；

反激活所述第二栅信号，从而断开所述双极型晶体管传导电流；

等待第二延迟；

反激活所述第一栅信号，从而断开继电器。

12.根据权利要求7所述的DC电气保护装置，其中，所述双极型晶体管是绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，其绝缘栅极位于基极之上，其中，所述绝缘栅极接收所述第二栅信号。

13.根据权利要求12所述的DC电气保护装置，还包括：

与所述双极型晶体管串联的电阻器。

14.根据权利要求7所述的DC电气保护装置，其中，MOSFET包括串联的多个MOSFET。

15.根据权利要求7所述的DC电气保护装置，其中，所述无源支路还包括：

与所述电阻器和所述电容器并联的变阻器；

其中，所述电阻器和所述电容器彼此串联连接，

其中，所述变阻器钳位所述无源网络。

16.根据权利要求7所述的DC电气保护装置，还包括：

所述半导体开关的镜像，其与所述半导体开关、所述电感器和所述电流传感器串联连接；

由此，电流能以任一方向通过串联连接的所述半导体开关的镜像、所述半导体开关、所述电感器和所述电流传感器流动。

17.根据权利要求7所述的DC电气保护装置，其中，所述电源是三电极电源，并且所述负载是三电极负载；

还包括：

所述电源的负电极输入；

通向所述负载的负电极输出；以及

在所述负电极输入和所述负电极输出之间、与第二电感器和第二电流传感器串联连接的半导体开关的镜像。

18.根据权利要求7所述的DC电气保护装置，还包括：

第一二极管，其被连接成使得从所述功率输入传导至串联输入；

其中，所述串联输入是串联连接的所述电感器、电流传感器和半导体开关的输入，并且包括串联输出；

第一反馈二极管，其被连接成使得从所述功率输出传导至所述串联输入；

第二二极管，其被连接成使得从所述串联输出传导至所述功率输出；

第二反馈二极管，其被连接成使得从所述串联输出传导至所述功率输入；

其中，所述直流(DC)电气保护装置是双向的。

19.一种用于低压直流电网的电气保护装置(EPDL)，包括：

机械继电器，其连接在接地输入和接地输出之间，并由第一栅信号控制；

电流传感器；

电感器；

半导体开关，其与所述电流传感器和所述电感器串联耦联，从而在功率输入和功率输出之间通断电流；

在所述半导体开关的输入与输出之间的第二支路中与电阻器串联的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，该IGBT包括由第二栅信号控制的控制栅极；

金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，其包括由第三栅信号控制的栅极，该MOSFET位于所述半导体开关的第一支路中，该MOSFET耦联在所述半导体开关的输入与输出之间；

在第三支路中耦联在所述半导体开关的输入与输出之间的电阻器和电容器网络；

电流积分器，用于在一段时间上对由电流传感器测量到的电流进行积分，从而产生积分电流；

过负载检测器，其在所述电流传感器测量到的电流超过目标电流值时，激活所述电流积分器来开始对电流积分，并且在积分电流超过阈值时，产生过负载故障信号；

电压传感器，其测量所述功率输出的输出电压；

电压骤降检测器，其在所述输出电压降低至低于目标电压值时，激活电压骤降信号，并且在所述输出电压上升到所述目标电压值以上时，反激活所述电压骤降信号；

栅极驱动器控制器，其在所述电压骤降信号被激活时，通过断开所述第三栅信号来断开MOSFET，且在所述电压骤降信号被反激活时，通过允许所述第三栅信号来重新启用MOSFET；以及

断开定序器，其激活所述栅极驱动器控制器，来反激活所述第二栅信号，从而断开IGBT传导电流，在等待第三延迟之后，反激活所述第一栅信号来断开所述机械继电器；

其中，当在超过骤降时间段时，所述输出仍低于所述目标电压值，则通过所述电压骤降检测器激活断开定序器。

20.根据权利要求19所述的EPDL，还包括：

全断开定序器，其激活所述栅极驱动器控制器，从而反激活第三栅信号来断开MOSFET传导电流，在等待第二延迟之后，激活断开定序器，反激活所述第二栅信号来断开IGBT传导电流，并反激活所述第一栅信号来断开所述机械继电器；

过电压检测器，其在所述电压传感器检测到所述输出电压超过最大目标电压值时，激活所述全断开定序器。

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