CN113454864A - 固态电路中断器 - Google Patents

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Abstract

一种电路中断器，包含固态开关和模式控制电路。所述固态开关串联连接在所述电路中断器的线路输入端和负载输出端之间。所述模式控制电路配置为执行第一控制模式和第二控制模式以控制所述电路中断器的工作。所述第一控制模式配置为在所述电路中断器上电期间为所述固态开关生成自偏置接通阈值电压，同时保持所述固态开关处于关闭状态直到生成所述自偏置接通阈值电压。所述第二控制模式配置为中断所述自偏置接通阈值电压并将所述固态开关置于关闭状态。

Description

固态电路中断器
相关申请的交叉引用
本申请是2018年10月1日提交的美国专利申请序列号16/149,094的部份接续申请案，其公开内容通过引用的方式并入本文。
技术领域
本公开一般涉及电力控制系统和装置，特别是用于在故障条件或危险条件下中断电力负载的固态电路中断器装置和系统。
背景技术
电路中断器是配电系统中的重要组成部分，通常位于给定建筑或住宅结构内的输入大电流公用供应电路和小电流分支电路之间，以保护分支电路导体和电气负载不受过电流条件的影响。过电流条件有几种类型，包含过载条件和故障条件。过载条件被定义为设备的工作超过了其正常的满载额定值，或支路超过了其载流容量，当过载持续足够长的时间，将导致损坏或危险的过热。故障条件包括非计划中的或意外的负载条件，该类条件通常会产生比过载高得多的过电流条件，这取决于故障的阻抗。产生最大过电流状态的故障称为短路或“螺栓故障”。
常规的电路中断器本质上是机电的，并且具有电触头，电触头通过操作杆的手动干预物理分离或当故障条件或长时间过电流条件发生时自动分离，在这些情况下，电路中断器被视为“跳闸”。断路器的电触头分离可以通过电磁或机械方式进行，也可以两者结合进行。
常规的电路中断器的一个严重问题是，由于常规中断器的机电结构，它们对故障条件反应缓慢。常规的电路中断器通常需要至少几毫秒来隔离故障条件。缓慢的反应时间是不可取的，因为它提升了危险火灾、电气设备损坏、电弧闪光的风险，当螺栓故障没有足够快地隔离时，这些风险可能发生在短路位置。电弧闪光是电导体的电爆炸，该电导体会产生短路条件。电弧闪光的能量释放可以在终端产生超过35,000℉的温度，导致金属导体快速汽化、熔化金属爆炸以及以极端力量向外喷射的等离子体膨胀。因此，电弧闪光对生命、财产和电气设备极其危险，特别是在气体泄漏风险很大的工业和住宅应用中。
除了在隔离故障方面速度较慢之外，常规的电路中断器在响应故障或长时间过电流条件时，跳闸时间和电流跳闸限制也都有很大的变化。这种变化主要是由于断路器装置的机电设计的限制，以及安装应力和温度变化等物理因素的影响。跳闸时间和电流跳闸限制的变化本身可能因装置而异，即使装置是相同的类型、有相同的额定值、属于相同的制造商。
常规的电路中断器一旦跳闸就能提供强隔离能力。然而，它们的反应时间慢、缺乏精确性和高度的可变性都是非常不可取的特征。不仅反应时间慢导致对可能出现的电弧闪光的保护不足，而且高度的可变性和缺乏精确性使得在一个复杂系统中几乎不可能协调多个电路中断器。
作为一种保护装置，即使故障电流大大超过电路中断器跳闸电流额定值，电路中断器也必须能够从公用供应电路中隔离故障，从而防止故障成为内部单点故障。电路中断器的安培遮断容量(AIC)额定值指示当电路中断器装置的负载侧发生故障时，电路中断器装置能够安全清除的最大故障电流(以安培为单位)。电路中断器装置的AIC额定值是指电路中断器装置在不发生故障的情况下，可被电路中断器装置中断的最大故障电流。AIC额定值对短路保护水平的要求非常高，而家用电路中断器的AIC额定值通常在10,000安培以上。
发明内容
本公开的实施例包含用于中断从电源到负载的电力的固态电路中断器装置和系统。例如，在一个实施例中，电路中断器包括固态开关和模式控制电路。所述固态开关串联连接在所述电路中断器的线路输入端和负载输出端之间，并且配置为置于(i)接通状态和(ii)关闭状态中的一种，其中置于接通状态以提供线路输入端和负载输出端之间的电气通路中的电气连接。所述模式控制电路配置为执行第一控制模式和第二控制模式以控制所述电路中断器的工作。所述第一控制模式配置为在所述电路中断器上电期间为所述固态开关生成自偏置接通阈值电压，同时保持所述固态开关处于所述关闭状态直到生成所述自偏置接通阈值电压。所述第二控制模式配置为中断所述自偏置接通阈值电压并将所述固态开关置于所述关闭状态。
在另一个实施例中，电路中断器包括固态开关、气隙电磁开关、开关控制器、过零传感器和电流传感器。所述固态开关和所述气隙电磁开关串联连接在所述电路中断器的线路输入端和负载输出端之间。所述开关控制器配置为控制所述固态开关和所述气隙电磁开关的工作。所述过零传感器配置为检测输入到所述电路中断器的所述线路输入端的电源波形的过零点。所述电流传感器配置为感测在所述线路输入端与所述负载输出端之间的所述电气通路中流动的电流，并且检测故障条件。响应由所述电流传感器对故障条件的检测，所述开关控制器配置为生成开关控制信号，以(i)将所述固态开关置于关闭状态和(ii)将所述固态开关置于所述关闭状态后，将所述气隙电磁开关置于断开状态。所述开关控制器利用所述过零传感器输出的过零检测信号来检测所述电源波形的过零事件并且响应所述检测到的过零事件将所述气隙电磁开关置于所述断开状态。
其它实施例将在以下对实施例的详细描述中加以描述，这些描述应与附图一起阅读。
附图说明
图1A示意性地说明了电路中断器的一个常规实施例。
图1B示意性地说明了电路中断器的另一常规实施例。
图1C示意性地说明了电路中断器的另一常规实施例。
图2示意性地说明了根据本公开一个实施例的固态电路中断器。
图3示意性地说明了根据本公开的另一实施例的固态电路中断器。
图4示意性地说明了根据本公开的另一实施例的固态电路中断器。
图5示意性地说明了根据本公开的另一实施例的固态电路中断器。
图6示意性地说明了根据本公开的另一实施例的固态电路中断器。
图7示意性地说明了根据本公开的另一实施例的固态电路中断器。
图8示意性地说明了根据本公开的另一实施例的固态电路中断器。
图9A说明了输入到图8的固态电路中断器的线路侧的电源电压波形。
图9B说明了当图8的电路中断器的固态开关处于关闭状态并且电路中断器的气隙电磁开关处于闭合状态时，固态电路中断器的负载侧的输出电压波形。
图10是根据本公开一个实施例，由图8的固态电路中断器的开关控制器实现的开关控制过程的流程图。
图11A是根据本公开一个实施例，可在图8的固态电路中断器中实现的AC-DC转换器电路的示意框图。
图11B是根据本公开一个实施例，图11A的AC-DC转换器电路的示意电路图。
具体实施方式
本公开的实施例将进一步详细地描述用于基于故障条件(如短路故障、过电流故障、接地故障、电弧故障等)检测和危险环境条件(如洪水、化学品泄漏、气体泄漏等)检测中断从电源到负载的电力的固态电路中断器装置和系统。应理解的是，在所有图中都使用相同或类似的参考编号来表示相同或类似的特征、要素或结构，因此，对于相同或类似的特征、要素或结构的详细说明将不会在每一幅图中重复。此外，本文使用的关于百分数、范围等的术语“大约”或“大体上”，是指接近或近似，但不是精确地。例如，本文使用的术语“大约”或“大体上”意味着存在一个很小的误差范围，例如比规定的数量少1％或更少。本文使用的术语“示例性”，是指“作为例子、实例或例证”。任何在本文描述为“示例性”的实施例或设计不解释为优先于或优于其它实施例或设计。
图1A示意性地说明了电路中断器的一个常规实施例。特别地，图1A说明了电路中断器100，该电路中断器连接在公用电源10(此处指AC电源10)和负载20之间，该负载连接到由所述电路中断器100保护的支路上。进一步如图1A中所示，所述电路中断器100连接在所述AC电源10的热相11(指“线路热”)和所述负载20的负载热线路21之间，而所述AC电源10的中性相12(指“线路中性”)直接连接所述负载20的负载中性线路22。进一步如图1A中所示，所述线路中性12与接地14(GND)连接，从而提供了本领域中所知的附加保护。
所述电路中断器100包括AC开关105和控制器110。所述AC开关105包括TRIAC或可控硅整流器(SCR)。TRIAC开关105是三端电子装置，该三端电子装置在所述控制器110的控制下双向传导电流。所述TRIAC经常出现在传统壁挂式调光开关中。所述控制器110代表了许多可能的控制实施例，无论其是逻辑门、微控制器或机电控制，如在常规断路器中使用的双金属弯曲带。所述控制器110可以将控制信号应用到所述TRIAC开关105的栅极(G)以进行相位角调制并打开和关闭所述TRIAC开关105。所述TRIAC开关105的相位角控制可以控制流入所述负载20的平均电流，并且通常用于控制电机的速度、调暗灯光或控制电加热器等。
图1B示意性地说明了电路中断器101的另一常规实施例。所述电路中断器101包括控制器110和AC开关，该AC开关包括如图1B所示相互连接的第一二极管125、第二二极管130、第一晶体管135和第二晶体管140。所述第一晶体管135和所述第二晶体管140包括绝缘栅双极晶体管(IGBT)装置。所述控制器110通过同时向所述第一晶体管135和所述第二晶体管140注入控制信号来控制电流。AC开关配置如图1B所示，在所述AC电源10的电源电压波形的正半周期内电流仅流过第一开关135和所述第二二极管130，而在所述AC电源10的电源电压波形的负半周期内电流仅流过所述第二开关140和所述第一二极管125。
图1B所示的电路中断器101的一个缺点是，它需要实现四个分立元件(如二极管125和130以及BJT装置135和140)。此外，所述BJT装置135和140不能高效地作为双向开关工作，并且必须使用所述分立二极管125和130进行双向开关。此外，与所述BJT装置135和140的正偏压降(约0.1V-0.2V)相比，所述分立二极管125和130的正偏压降相对较大(约为0.7V)。因此，所述二极管125和130增加了电路中断器101的功率损耗。
图1C示意性地说明了电路中断器103的另一常规实施例。所述电路中断器103类似于图1B的所述电路中断器101，因为所述电路中断器103包括第一控制器110和第一AC开关，所述第一AC开关包括第一二极管125、第二二极管130、第一晶体管135和第二晶体管140，所述第一二极管、所述第二二极管、所述第一晶体管和所述第二晶体管如图1C所示相互连接以在所述线路热11和所述负载热21之间的所述电气通路中提供双向开关。所述电路中断器103进一步包括第二控制器111和第二AC开关，所述第二AC开关包括第一二极管145、第二二极管150、第一晶体管165和第二晶体管170，所述第一二极管、所述第二二极管、所述第一晶体管和所述第二晶体管如图1C所示相互连接以在线路中性12和负载中性22之间的电气通路中提供双向开关。所述晶体管135、140、165和170包括绝缘栅双极晶体管。
所述第一控制器110通过同时向开关135和140施加控制信号来控制电流，而所述第二控制器111通过同时向开关165和170施加控制信号来控制电流。在所述AC电源10的AC电源电压波形的正半周期期间，电流(i)通过所述开关135和所述二极管130在热线路通路中流动和(ii)通过所述开关170和所述二极管145在中性线路通路中流动。另一方面，在所述AC电源10的AC电源电压波形的负半周期期间，电流(i)通过所述开关140和所述二极管125在热线路通路中流动和(ii)通过所述开关165和所述二极管150在中性线路通路中流动。这种同时控制线路和中性上的AC开关的配置称为双极转换，并且可以应用于来自单个AC能量源的不同相的两条线路。线路和中性的双极转换是接地故障电路中断器救生应用中常用的AC转换技术。所述电路中断器103与上面讨论的所述电路中断器102有类似的缺点，但由于所述电路中断器包含4个额外的分立组件，而这些组件带有增加了功率损耗的额外二极管145和150，所以放大了缺点。
如图2、3、4、5、6、7和8所示的本公开的示例性实施例包含用于电路中断器装置和系统的新型架构，该新型架构可位于输入能量源和输出负载之间。虽然示例性电路中断器通常被描述为连接AC电源10和负载20，但应理解的是，示例性电路中断器可以体现在各种装置和应用中。例如，在一些实施例中，如图2-8所示的电路中断器可在电路断路器装置(如智能断路器装置)中实现，该装置设置在断路器配电板中。此外，在一些实施例中，如图2-8所示的电路中断器可在电插座装置或电灯开关(如壁挂式灯开关，或安装在智能灯具或智能天花板灯泡座上的灯开关)中实现。在其它实施例中，如图2-8所示的电路中断器可包括独立装置，该独立装置可以设置在住宅或建筑的电气网络中的工盒中，并且配置为保护一或多个连接在独立电路中断器装置的支路下游中的电气装置、电器、负载等。
图2示意性地说明了根据本公开一个实施例的固态电路中断器。特别地，图2示意性地说明了连接在AC电源10和负载20之间的固态电路中断器200。所述固态电路中断器200包括双刀单掷(DPST)开关电路202，该开关电路包括第一固态开关210、第二固态开关212、第一模式控制电路220、第二模式控制电路222、第一电流传感器230和第二电流传感器232。所述固态电路中断器200还包括第一偏置分支电路和第二偏置分支电路，所述第一偏置分支电路包括第一二极管240和第一电阻250，所述第二偏置分支电路包括第二二极管242和第二电阻252。所述第一二极管240和所述第一电阻250串联连接在所述线路中性12和所述第一模式控制电路220之间。所述第二二极管242和所述第二电阻252串联连接在所述线路热11和所述第二模式控制电路222之间。
在图2的示例性实施例中，所述第一和第二固态开关元件210和212包括功率MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)装置，特别是如图所示的具有栅极端子(G)、漏极端子(D)和源极端子(S)的N型增强MOSFET装置。在图2的示例性实施例(以及本文讨论的其它实施例)中，所述第一和第二固态开关210和212包括固有体二极管210-2和212-1，体二极管表示所述MOSFET装置的P型基板本体至N掺杂漏极区之间的P-N结。因此，所述体二极管210-1和212-1是MOSFET开关210和212的固有元件(即不是分立元件)。要指出的是，所述固态开关210和212的固有体-源二极管不显示为假定其连接在源区和基板本体之间而短路(例如，N+源和P体结通过源金属化短路)。
所述第一和第二模式控制电路220和222配置为实现对固态中断器200的多种控制模式，包含(i)自偏置接通阈值电压控制模式和(ii)强制关闭控制模式。在一些实施例中，自偏置接通阈值电压控制模式利用自偏置电路为所述固态开关210和212生成目标接通阈值电压水平，而在达到所述目标自偏置接通阈值电压水平并且所述目标自偏置接通阈值电压水平应用于所述固态开关210和212以接通所述固态开关210和212之前，防止所述固态开关210和212接通。
如下进一步详细说明，自偏置网络配置为延迟栅电压应用到所述固态开关210和212的栅极端子，该延迟足够长，以防止在自偏置接通阈值电压水平生成之前过早地“接通”所述开关210和212。实际上，过早地接通所述固态开关210和212将防止生成的自偏置接通阈值电压到达目标电压水平。自偏置接通阈值电压控制模式由具有相反循环布置的第一和第二偏置分支电路支持，所述第一和第二偏置分支电路由二极管240和242以及电阻250和252组成。
在一些实施例中，所述第一和第二模式控制电路220和222的强制关闭控制模式配置为响应某些事件的检测而强制关闭固态开关210和212，某些事件的检测包含但不限于故障事件检测、危险环境条件检测、电路中断远程命令等。如下进一步详细说明，强制关闭控制模式可以根据命令启动，如，通过直接硬件故障感测和控制和/或通过基于(但不限于)光学、磁、电容和RF绝缘技术的电绝缘控制输入。
在一些实施例中，所述第一和第二电流传感器230和232配置为感测流向负载20和从该负载流出的电流大小，并且生成电流感测数据，所述第一和第二模式控制电路220和222可利用所述电流感测数据识别故障事件(如短路故障事件、过电流故障事件、电弧故障事件等)。响应此类故障事件的检测，所述第一和第二电流传感器230和232配置为触发强制关闭模式，该强制关闭模式导致所述第一和第二固态开关210和212关闭。所述第一和第二电流传感器230和232可以使用各种类型的感测技术和电路来实现，包含但不限于基于所述固态开关210和212的感测电阻、电流互感器、霍尔效应传感器或内部阻抗(漏源电阻)的感测技术。所述模式控制电路220和222可以使用基于如逻辑门、微控制器、机电控制装置等的各种类型的控制架构来实现。
在固态中断器200的正常工作中，在AC电源10的电源电压波形的正半周期期间，所述第一模式控制电路230将所生成的自偏置接通阈值电压施加到所述第一固态开关210的栅极端子以接通所述第一固态开关210。在这种配置中，正电流从所述线路热11流过所述第一固态开关210到所述负载20，并且电流通过所述第二固态开关212的正偏置固有二极管212-1返回到所述线路中性12。另一方面，在AC电源10的电源电压波形的负半周期期间，所述第二模式控制电路222将生成的自偏置接通阈值电压施加到所述第二固态开关212的栅极端子以接通所述第二固态开关212。在这种配置中，负电流从所述线路中性12流过所述第二固态开关212到所述负载20，并且电流通过所述第一固态开关210的正偏置固有二极管210-1返回到所述线路热11。
图3示意性地说明了根据本公开的另一实施例的固态电路中断器。特别地，图3示意性地说明了基于图2框架的固态电路中断器300，但进一步说明了所述第一和第二模式控制电路220和222的示例性实施例。如图3所示，所述第一模式控制电路220包括电容310、齐纳二极管320、电阻330、运算放大器350(配置为比较器)、控制开关360和370以及传感器380。类似地，所述第二模式控制电路222包括电容312、齐纳二极管322、电阻332、运算放大器352(配置为比较器)、控制开关362和372以及传感器380。所述模式控制电路提供了示例性实施例，用于实现(i)使用电路组件310/312、320/322、330/332、350/352和360/362的自偏置接通阈值电压控制模式，以及(ii)使用电路组件340/342、370/372和传感器380的强制关闭控制模式。
例如，对于自偏置接通阈值电压控制模式，所述比较器350和352将输出控制电压，该控制电压足以激活所述控制开关360和362，并有效地短接所述第一和第二固态开关210和212的栅-源。所述固态开关210和212保持在关闭状态足够长的时间来为所述固态开关210和212生成自偏置接通阈值电压。
例如，在AC电源10的AC电源电压波形的正半周期期间，电流从线路热11流过所述第二分支电路(包括所述二极管242和所述电阻252)、所述电容312和所述体二极管212-1到所述线路中性12。此电流导致电容312上的电压增加，直到电容电压达到电容312上的目标自偏置接通阈值电压水平，此电压水平代表钳压(即所述齐纳二极管322的反向击穿电压，称为齐纳电压)。换句话说，所述齐纳二极管322的所述齐纳电压限制了为接通所述第二固态开关212所生成的自偏置接通阈值电压(VGS)的最大水平。
接下来，在AC电源10的AC电源电压波形的负半周期期间，电流从线路中性12流过所述第一分支电路(包括所述二极管240和所述电阻250)、所述电容310和所述体二极管210-1到所述线路热11。此电流导致电容310上的电压增加，直到电容电压达到电容310上的目标接通阈值电压水平，此电压水平代表齐纳二极管320的钳压(齐纳电压)。换句话说，所述齐纳二极管320的所述齐纳电压限制了为接通所述第一固态开关210所生成的自偏置接通阈值电压(VGS)的最大水平。
在本示例性实施例中，所述固态开关210和212的目标阈值电压水平受到所述齐纳二极管320和322的所述齐纳电压的限制，从而所述齐纳二极管320和322作为固态钳位来限制接通阈值电压。因此，所述自偏置接通阈值电压控制模式与输入线路电压无关，因为所述自偏置接通阈值电压水平受所述固态钳位的限制。
如上所述，在图3的示例性模式控制框架中，所述固态开关210和212保持在关闭状态足够长的时间，以将所述电容310和312充电到所述齐纳二极管320和322的所述齐纳电压。在一些实施例中，所述齐纳电压约为15V，并且所述固态开关210和212的接通阈值电压在约10V到约15V的范围内。如果由于漏电、MOSFET装置的米勒电容等原因，在到达所述齐纳二极管320和322的钳压之前，所述固态开关210和212过早接通，所述固态开关210和212实际上可以在不到2V的栅-源电压下接通，这将防止所述电容310和312充足够的电以生成与所述齐纳二极管320和322的钳压相对应的电容电压。因此，自偏压接通阈值电压控制模式配置为保持所述控制开关360和362接通一段时间，这段时间足够保持所述第一和第二固态开关210和212关闭并且让所述电容310和312充电到所述齐纳二极管320和322的钳压。
如上所述，所述模式控制电路220和222使用所述电路组件340、342、370、372和380实现强制关闭控制模式。特别地，在所述固态电路中断器300的工作过程中，开关370和372可以被传感器380中的一个激活，从而有效地分流栅-源端子并且关闭所述固态开关210和212。传感器380可以包含一或多个各种类型的传感器。例如，在一些实施例中，传感器380包含电流传感器，该电流传感器配置为测量感测电阻340和342压降并且基于测量到的电流感测电阻340和342的压降来确定所述AC电源10和所述负载20之间的热线路通路和中性线路通路中流动的电流大小。在一些实施例中，所述感测电阻340和342具有非常小的电阻值(例如，约10x小于1毫欧姆)，并且因此，所述感测电阻340和342的电压电位可以忽略不计，但对于电流感测来说已经足够了。所述运算放大器350和352配置有足够的增益驱动各自的控制开关360和362，即使配置有对应所述感测电阻340和342的压降的相对较小的电压输入。
在其它实施例中，所述传感器380包含配置为感测环境条件的一或多个传感器。例如，所述传感器380可以包含(i)配置为检测危险化学品存在的化学敏感检测器、(ii)配置为检测危险气体存在的气体敏感检测器、(iii)配置为检测高温(指示如火灾)的温度传感器、(iv)配置为检测大幅振动(如与爆炸、地震等有关)的压电检测器、(v)配置为检测洪水或潮湿条件的湿度传感器或水传感器以及配置为检测保证电路中断的危险的环境条件存在或发生的其它类型的传感器中的一或多个。
在一些实施例中，所述控制开关370和372包括光晶体管(如光电晶体管等)或其他类型的光控开关，该光控开关接收由例如传感器装置或微控制器控制的互补发光二极管(LED)发出的信号。所述传感器380和所述控制开关370和372之间的该光学耦合本质上提供了强制关闭控制电路和固态电路中断器300的转换电路之间的电流绝缘。在其它实施例中，可以使用磁、电容或射频(RF)绝缘技术来实现电流绝缘。
在其它实施例中，所述控制开关370和372可以响应远程命令(例如，报警信号)被激活，该远程命令可以从配置为检测故障的本地或远程控制器接收，或从个体接收，该个体可以通过智能技术(通过例如物联网(IoT)无线计算网络实施，其中所述固态电路中断器300包括智能无线IoT装置)来控制所述固态电路中断器300的操作。
图4示意性地说明了根据本公开的另一实施例的固态电路中断器。特别地，图4说明了连接在AC电源10和负载20之间的固态电路中断器400。所述固态电路中断器400包括单极开关电路，该单极开关电路包括第一固态开关401和相关体二极管401-1，以及第二固态开关402和相关体二极管402-1。所述第一和第二固态开关401和402串联连接在线路热11和负载热21之间的电气通路中，源极端子(S)通过感测电阻440串联连接，从而实现双向固态开关。所述固态电路中断器400还包括第一偏置分支电路和第二偏置分支电路，其中所述第一偏置分支电路包括第一二极管240和第一电阻250，所述第二偏置分支电路包括第二二极管242和第二电阻252，所述第一偏置分支电路和所述第二偏置分支电路如图所示串联连接在线路热11和线路中性12之间。
所述固态中断器400还包括模式控制电路405，该模式控制电路包括第一电容410、齐纳二极管420、电阻430、440、450和452、第二电容454、第一控制开关460、第二控制开关470和传感器480。所述第一和第二偏置分支电路连接到所述模式控制电路405的输入节点N1。如图4所示的所述模式控制电路405包括用于实现图2的模式控制电路220和222中的每一个的另一个示例性实施例。所述模式控制电路405配置为(i)使用电路组件410、420、430、450、452、454和460来实现自偏置接通阈值电压控制模式和(ii)使用电路组件440、470和480来实现强制关闭控制模式。
例如，对于自偏置接通阈值电压控制模式，所述电阻450和452以及所述电容454将在节点N2处生成电压，该电压足以激活所述第一控制开关460，并有效短接所述第一和第二固态开关401和402的栅-源。所述节点N2的电压将使固态开关401和402在一段延迟时间内保持关闭状态，这段时间对应于所述电阻452和所述电容454的RC时间常数。
在此RC时间常数延迟期间，并且在AC电源10的AC电源电压波形的负半周期期间，电流从线路中性12流过所述第一分支电路(包括所述二极管240和所述电阻250)、所述电容410和体二极管401-1到所述线路热11。此电流导致电容410上的电压增加，直到电容电压达到电容410上的目标接通阈值电压水平，此电压水平代表钳压(即所述齐纳二极管420的齐纳电压)。换句话说，所述齐纳二极管420的所述齐纳电压限制了为接通所述第一和第二固态开关401和402所生成的自偏置接通阈值电压(VGS)的最大水平。
在本示例性实施例中，所述目标阈值电压水平由所述齐纳二极管420的所述齐纳电压(即反向击穿电压)限制，从而所述齐纳二极管420作为固态钳位来限制接通阈值电压。因此，所述自偏置接通阈值电压控制模式与输入线路电压无关，因为所述自偏置接通阈值电压水平受所述固态钳位的限制。在所述AC电源10的AC电源电压波形的正半周期期间，所述二极管242、所述电阻252和所述电容410将通过所述齐纳二极管420的涓流充电来为所述第一和第二固态开关401和402保持接通阈值电压(即所述齐纳电压)。
如上所述，在图4的示例性模式控制框架中，所述固态开关401保持在关闭状态足够长的时间，以将所述电容410充电到所述齐纳二极管420的所述齐纳电压。在一些实施例中，所述齐纳电压约为15V，并且所述固态开关401和402的接通阈值电压在约10V到约15V的范围内。如果由于例如漏电、MOSFET装置的米勒电容等原因，在到达所述齐纳二极管的钳压之前，所述固态开关401过早接通，所述固态开关401实际上可以在不到2V的栅-源电压下接通，这将防止所述电容410充足够的电以生成与所述齐纳二极管420的钳压相对应的电容电压。因此，自偏压接通阈值电压控制模式配置为保持所述控制开关460接通一段时间，这段时间足够保持所述第一和第二固态开关401和402关闭并且让所述电容410充电到所述齐纳二极管420的钳压。
如上所述，所述模式控制电路405使用所述电路组件440、470和480实现强制关闭控制模式。特别地，在所述固态电路中断器400的工作过程中，开关470可以被传感器480中的一个激活，从而有效地分流栅-源极端子并且关闭所述固态开关401和402。传感器480可以包含一或多个各种类型的传感器。例如，在一些实施例中，传感器480包含电流传感器，该电流传感器配置为测量感测电阻440的压降并且基于测量到的电流感测电阻440的压降来确定所述线路热11和所述负载热21之间的热线路通路中的电流大小。在一些实施例中，所述感测电阻440具有小于1毫欧姆的电阻值。因此，所述感测电阻440的电压电位可以忽略不计，但对于电流感测来说已经足够了。感测电阻440与感测电路的接地电势差很小，并且会由于通过感测电阻440的双向电流而相互补偿。
在其它实施例中，所述传感器480包含配置为感测环境条件的一或多个传感器。例如，所述传感器480可以包含(i)配置为检测危险化学品存在的化学敏感检测器、(ii)配置为检测危险气体存在的气体敏感检测器、(iii)配置为检测高温(指示如火灾)的温度传感器、(iv)配置为检测大幅振动(如与爆炸、地震等有关)的压电检测器、(v)配置为检测洪水或潮湿条件的湿度传感器或水传感器以及配置为检测保证电路中断的危险的环境条件存在或发生的其它类型的传感器中的一或多个。
在一些实施例中，所述开关470包括光晶体管(如光电晶体管等)或其他类型的光控开关，该光控开关接收由传感器装置或微控制器控制的互补发光二极管(LED)发出的信号。所述传感器480和所述开关470之间的该光学耦合本质上提供了强制关闭控制电路和固态电路中断器400的转换电路之间的电流绝缘。在其它实施例中，可以使用磁、电容或射频(RF)绝缘技术来实现电流绝缘。
在其它实施例中，所述开关470可以响应远程命令(例如，报警信号)被激活，该远程命令可以从配置为检测故障的本地或远程控制器接收，或从个体接收，该个体可以通过智能技术(通过例如物联网(IoT)无线计算网络实施，其中所述固态电路中断器400包括智能无线IoT装置)来控制所述固态电路中断器400的操作。
图5示意性地说明了根据本公开的另一实施例的固态电路中断器。特别地，图5示意性地说明了固态电路中断器500，所述固态电路中断器类似于图4的所述固态电路中断器400，除了所述固态电路中断器500包括绝缘电路510以在所述固态开关401和402关闭时，在所述固态电路中断器500和所述负载20之间提供电流绝缘。当所述固态开关410和402关闭时，所述固态开关401和402可以生成少量的泄漏电流。例如，即使所述固态开关401和402偏置为完全关闭状态，仍有少量的泄漏电流(例如，200uA)可以流过所述固态开关401和402并且当所述负载20包括高阻抗负载时，在所述负载20上生成相当大的压降。
所述绝缘电路510通过关闭的固态开关401和402，将所述负载20从AC电源10流出的不需要的泄漏电流分流。所述绝缘电路510包括控制器520、MOSFET装置530和540以及相关体二极管530-1和540-1。在所述固态开关401和402的关闭期间，所述控制器520命令所述MOSFET开关530和540接通，从而分流不需要的泄漏，并防止该泄漏电流流入所述负载20。将泄漏电流从负载20旁通或分流的效果相当于使用所述AC电源10和所述负载20之间的气隙实现的电流绝缘技术。在这种配置中，所述绝缘电路510充当假气隙。
图6示意性地说明了根据本公开的另一实施例的固态电路中断器。特别地，图6示意性地说明了固态电路中断器600，所述固态电路中断器类似于图2的所述固态电路中断器200，除了所述DPST转换电路202的所述固态开关210和212分别与所述AC电源10的两个独立的热相10-1和10-2的线路热线路11-1和11-2耦合，其中所述热相10-1和10-2相差180度。在这种配置中，包括所述二极管240和所述电阻250的所述第一分支电路串联连接在所述线路中性12和所述第一模式控制电路220之间，并且包括所述二极管242和所述电阻252的所述第二分支电路串联连接在所述线路中性12和所述第二模式控制电路222之间。模式控制电路220和220可以使用上述结合图3、4和5讨论的电路架构和模式控制技术来实现。
图7示意性地说明了根据本公开的另一实施例的固态电路中断器。特别地，图7示意性地说明了固态电路中断器700，所述固态电路中断器类似于图2的所述固态电路中断器200，除了所述固态电路中断器700省略了图2所示的所述电流传感器230和232，并且还包含如图5的示例性实施例所示的所述绝缘电路510。所述绝缘电路510分流由处于其关闭状态的固态开关210和212生成的泄漏电流，从而防止所述泄漏电流流过所述负载20。如上所述，将泄漏电流从负载20旁通或分流的效果相当于电流绝缘。
虽然在所述固态电路中断器700中省略了所述外显电流传感器230和232，在模式控制电路710和712中的一或两个中的故障检测传感器仍可以利用所述固态开关210和212的内部漏源电阻(RDS-ON)来确定线路热或线路中性腿中的电流量，然后响应于检测到故障条件(如短路或过电流故障)停用所述开关210和212，并且激活所述绝缘电路510，以在所述固态开关210和212保持在关闭状态期间从所述负载20分流泄漏电流。
在一些实施例中，所述模式控制电路710和712可以利用具有浮动电压输出的独立绝缘AC-DC电源来实现自偏置接通阈值电压模式，该浮动电压输出作为接通阈值电压来偏置所述固态开关210和212。在其它实施例中，可以使用电流绝缘装置(如电容性、RF和光学绝缘装置)来实现自偏置接通阈值电压模式。
图8示意性地说明了根据本公开的另一实施例的固态电路中断器。特别地，图8示意性地说明了连接在AC电源10和负载20之间的固态电路中断器800，其中所述固态电路中断器800包括单极混合固态和机械电路中断器架构。所述固态电路中断器800包括串联连接在所述AC电源10的线路热11和所述负载20的负载热21之间的电气通路中的固态开关810和气隙电磁开关820(例如，所述气隙电磁开关820和所述固态开关810串联连接在所述固态电路中断器800的线路输入端和负载输出端之间)。所述固态电路中断器800还包括AC-DC转换器电路830、过零传感器840、电流传感器850、其他类型的传感器860(如环境传感器、光传感器等)和开关控制器870。
在如图8所示的一些实施例中，所述固态开关810包括具有如图所示的栅极端子(G)、漏极端子(D)和源极端子(S)的功率MOSFET开关810(例如N型增强MOSFET装置)，以及固有体二极管810-1。所述气隙电磁开关820包括配置为物理上断开和闭合一组电触头的任何合适类型的电磁开关机构，其中当所述气隙电磁开关820处于断开状态时，在所述电触头之间会形成气隙。例如，所述气隙电磁开关820可以包括闭锁电磁铁或继电器元件，该闭锁电磁铁或继电器元件响应来自所述开关控制器870的控制信号以自动断开或闭合所述气隙电磁开关820的所述电触头。
在所述线路热11和负载热21之间的线路通路中形成气隙，可以完全绝缘所述AC电源10和所述负载20，因为这可以防止电流从所述线路热11流向所述负载热21。所述气隙电磁开关820可以设置在所述固态开关810的线路侧(如图8所示)或在所述固态开关810的负载侧。所述固态电路中断器800提供了一种经济有效的解决方案，该解决方案允许一个固态开关在电气规程要求在电路中断器中实现气隙以完全绝缘的情况下得以使用(与上述示例性实施例中的若干固态开关相比)。
所述AC-DC转换器电路830配置为给固态电路中断器800的各种电路和元件提供DC电源，其中电路和元件包含所述过零传感器840、所述开关控制器860和可选地所述电流传感器850以及其它传感器860(根据这些传感器850和860的配置而定)。在开关810和820分别处于关闭和接通状态时，所述AC-DC转换器电路830配置为可在故障期间保持供电。在一些实施例中，所述AC-DC转换器电路830包括足够的存储电容，以在公用断电后立即给DC子系统供电，这样当公用电力崩溃时，所述开关控制器870可以获取并存储相关的电力中断或短路信息，然后使用与所述开关控制器870耦合或与所述开关控制器870集成的射频收发器(未示出)无线传输到远程节点、装置或系统。
所述过零传感器840配置为监测沿所述固态电路中断器800的热线路通路目标点的电压和/或电流，并检测所述AC电源10的AC电源电压波形的零电流和/或零电压交越。例如，如图8所示，所述过零传感器840耦合到开关820和810的热线路通路上游，以检测所述固态电路中断器800的线路输入上的所述AC电源10的AC电源波形的零电流和/或零电压交越的情况。所述过零传感器840通过一或多条数据采集和控制线840-1耦合到所述开关控制器870。所述过零传感器840可以使用任何合适类型的零电压和/或零电流感测电路实现，零电压和/或零电流感测电路配置为感测AC电源波形的电流和/或电压过零并生成检测信号，所述检测信号指示过零事件和电流或电压的相关方向(例如，从负到正过渡，或从正到负过渡)。因此，所述过零传感器840配置为接收AC波形作为输入，将输入的AC波形与零参考电压(例如线路中性电压)进行比较，并检测从正到负的AC波形过渡，当所述AC波形越过所述零点参考电压时，波形重合。每检测到AC电压波形的过零，所述过零检测器将在逻辑“1”和逻辑“0”输出之间过渡。
所述电流传感器850配置为检测所述负载20在所述固态电路中断器800的热线路通路上消耗的电流的大小。所述电流传感器850可以使用任何合适类型的电流感测电路实现，包含但不限于电流感测电阻、电流放大器、霍尔效应电流传感器等。所述电流传感器850通过一或多条数据采集和控制线路850-1耦合到所述开关控制器870。
所述传感器860包含一或多个可选传感器，所述可选传感器配置为检测可能的危险环境条件(例如，化学品、气体、湿度、水、温度、光线等)并生成指示潜在危险环境条件的传感器数据。所述传感器860通过一或多条数据采集和控制线路860-1耦合到所述开关控制器870。
所述开关控制器870与所述过零传感器840、所述电流传感器850和所述传感器860配合工作，以执行诸如以下功能：检测故障条件(例如短路故障、过电流故障、电弧故障、接地故障等)、检测危险环境条件(例如气体泄漏、化学品泄漏、火灾、洪水等)、响应检测到的故障条件或危险环境条件对所述开关810和820的断开和闭合提供定时控制从而避免在所述气隙电磁开关820中产生电弧。所述开关控制器870生成栅极控制信号，该栅极控制信号应用于所述固态开关810的栅极端子(G)以将所述固态开关810置于接通或关闭状态。在一些实施例中，响应由所述开关控制器870通过分析从所述电流传感器850和/或其他传感器860获得的传感器数据而检测到的故障条件(如短路故障、过电流故障以及其它故障或危险)，所述开关控制器870生成栅极控制信号来使所述固态开关810进入关闭状态。
所述开关控制器870可以使用处理器来实现，该处理器配置为处理传感器数据并实现本文所讨论的用于控制所述开关810和820的开关控制定时协议。此外，所述开关控制器870可以实现用于将传感器数据转换成适合处理器处理的适当格式的电路。所述开关控制器870可包含RF收发器，该RF收发器可与远程节点、装置、系统等进行无线通信以支持远程监测和检测故障条件并接收控制所述固态电路中断器800的远程命令。所述处理器可包括中央处理单元、微处理器、微控制器、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)和其它类型的处理器，以及可以基于软件、硬件、固件等执行处理功能的这些处理器的部分或组合。在其它实施例中，所述电路中断器800的各种组件(如830、840和870)的固态电路可以作为片上系统在单个模具上实现。
为防止所述电磁开关820的电触头之间生成电弧，所述开关控制器870配置为在将所述气隙电磁开关820置于断开或闭合状态之前，先将所述固态开关810置于关闭状态。然而，在图8的配置中，即使所述固态开关810处于关闭状态，假设所述气隙电磁开关820处于闭合状态，当所述AC电源10的AC电源波形处于负半周期时(即，当线路热11为负且线路中性12为正时)，所述固态开关810的体二极管810-1将允许负电流从所述负载20传导到所述AC电源10。事实上，在这种配置中，处于负半周期期间，体二极管810-1处于正偏状态，即使当所述固态开关810处于关闭状态时，负电流也能从所述负载20流向所述AC电源10。
在这种情况下，如果在AC电源波形的负半周期期间断开所述气隙电磁开关820，负电流的流动会在所述气隙电磁开关820的电触头之间生成电弧。为避免生成此种电弧，所述开关控制器870配置为使所述固态开关810处于关闭状态，然后跟踪从所述过零传感器840获得的传感器数据以确定所述固态电路中断器800的线路侧(如线路热11)的AC电压和/或电流的极性，并且当确定线路侧的AC电压和/或电流的极性为正(例如，所述AC电源电压波形处于正半周期)时，打开所述气隙电磁开关820。当在给定的时间，所述开关控制器870确定线路侧的AC电压和/或电流的极性为负(例如，所述AC电源电压波形处于负半周期)时，所述开关控制器870不会打开所述气隙电磁开关820，而是推迟打开所述气隙电磁开关820直到所述过零传感器840检测到下一个正过渡过零的情况。现在将参照图9A、9B和10进一步详细讨论由所述开关控制器870实现的开关定时控制。
图9A说明了输入到图8的所述固态电路中断器800的线路侧的电源电压波形。特别地，图9A说明了输入电压波形900，该输入电压波形表示所述AC电源10的电源电压波形。所述输入电压波形900包括正半周期902、负半周期904和T0、T1、T2、T3和T4时的零电压交越910。当所述固态开关810处于接通状态时并且所述气隙电磁开关820处于闭合状态时，所述输入电压波形900应用于所述负载20的所述负载热线路21。当所述开关控制器870确定电源应从所述负载20断开时，所述开关控制器870将生成栅控信号，该栅控信号应用于所述固态开关810的栅极端子G以使所述固态开关810处于关闭状态。
图9B说明了当所述固态开关810处于关闭状态并且所述气隙电磁开关820处于闭合状态时的图8中的所述固态电路中断器800的负载侧的输出电压波形920。在这种状态下，在所述输入电压波形900的负半周期904期间，所述固态开关810的体二极管810-1是正偏的，这整流了所述输入电压波形900并且得到图9B所示的所述输出电压波形920，其中对应于所述输入波形900的正半周期902的所述输出电压波形920的部分922是0V，并且其中所述输出电压波形920的部分924跟踪所述输入波形900的负半周期904的电压。在这种情况下，在每个负极半周期924期间，负电流将从所述负载20流向所述AC电源10，直到断开所述气隙电磁开关820。
如上所述，所述固态开关810关闭后，所述开关控制器870将处理从所述过零传感器840接收到的传感器数据以确定何时线路热通路中有很少电流或没有电流，然后生成控制信号以断开所述气隙电磁开关820来完全断开所述负载20的电源，同时防止或以其他方式减轻在所述气隙开关820中可能形成的电弧。
例如，在图9A和9B中T0到T1时段内，假设所述固态开关810处于关闭状态。在这个例子中，所述开关控制器870将检测到T1时的输入波形900的下一个零电压交越为负过渡零电压交越910，然后在关闭所述气隙电磁开关820之前等待T2时的下一个正过渡零电压交越910以确保当所述气隙电磁开关820断开时，所述负载20和AC电源10之间的线路热通路内没有电流流动。
需要理解的是，示例性的电压波形9A和9B表示功率因数约为一(1)的所述负载20，此处假设AC电压波形和所述负载20消耗的电流同相。在这种情况下，所述零电压交越被假定为零电流交越。然而，在所述负载20的功率因数小于1的情况下(例如，电容性负载或电感性负载)，电压波形和所述负载20消耗的电流将不同相。因此，所述过零传感器840可以包含零电流交越检测器以确定所述开关820和810的线路侧的电流波形的零电流交越或正过渡零电流交越，以保证在断开所述气隙电磁开关820之前，线路热通路内没有正电流流动。
图10是根据本公开一个实施例，由图8的所述固态电路中断器800的所述开关控制器870实现的开关控制过程的流程图。图10的开关控制过程表示用于恢复公用电力或手动、自动或远程激活控制来激活所述固态中断器800(框1000)的非限制示例性实施例。在这个例子中，假设所述固态开关810处于关闭状态，并且所述气隙电磁开关820处于闭合状态。
在闭合所述气隙电磁开关820(框1004)之前，所述开关控制器870等待检测到合适的过零(框1002)。虽然理想情况是在闭合所述气隙电磁开关820之前等待电压和/或电流过零事件，本领域普通技术人员仍将会明白，这并非是闭合的强制性条件。过零事件可以是正过渡过零事件，也可以是负过渡过零事件。如上所述，在一些实施例中，优选地，在即将到来的半周期的过零处闭合所述气隙电磁开关820，其中固态开关(如开关810)的体二极管(如二极管810-1)不是正偏和导电的。例如，在图8的示例性实施例中，所述固态开关810的所述体二极管810-1在AC电源10的电源电压波形的正半周期期间反偏且不导电。在这样的实施例中，理想的是在检测到正过渡(电流或电压)过零事件时将所述气隙电磁开关置于闭合状态(框1004)。在其它实施例中，根据用于所述固态开关和相关体二极管的MOSFET类型，可能理想的是在检测到负过渡(电流或电压)过零事件时闭合所述固态开关。
当所述气隙电磁开关820闭合时，所述开关控制器870将继续生成栅极控制信号以将所述固态开关810置于接通状态(框1006)。所述气隙电磁开关820闭合后，所述固态开关810可随时接通。例如，所述固态中断器电路800可以在“待机”模式下工作，其中所述气隙电磁开关820保持在闭合状态，并且所述开关控制器870等待某一触发事件(例如远程命令)的发生来继续激活所述固态开关810。
当开关810和820都被激活时，所述开关控制器870将进入等待状态，等待某一事件或命令来中断电源和负载之间的电路连接(框1008)。在等待期间，所述固态开关810和所述气隙电磁开关820将保持激活状态(框1010)。事件可以是检测通过所述开关控制器870处理从各种传感器850和860接收的传感器数据而确定的给定的故障条件或危险条件。命令可以是中断电路连接的手动命令或自动命令。
在检测到故障或危险条件(框1008中的肯定判断)或响应手动或自动命令中断电路时，所述开关控制器870将生成栅极控制信号以将所述固态开关810置于关闭状态(框1012)。然后所述开关控制器870将继续处理来自过零传感器840的数据以检测线路热通路的目标过零事件(例如正过渡过零事件)(框1014)，并且响应检测目标过零事件(框1014中的肯定判断)，所述开关控制器870将生成开关控制信号以将所述气隙电磁开关820置于断开状态(框1016)。
所述开关控制器870将进入等待状态(框1018)以等待需清除的故障事件或危险条件，并保持固态和气隙电磁开关处于非激活状态(框1020)。当清除故障事件或危险条件时(框1018中的肯定判断)，或当所述开关控制器870以其他方式接收到指示重新连接电源和负载的手动或远程命令时，控制过程返回到框1000，其中所述开关控制器870继续重新激活气隙和固态开关，从而重新连接电源和负载。应该理解的是，虽然图10的流程不明确地包含用于在断开和闭合所述固态开关810之前进行过零检测的流程步骤，本领域普通技术人员仍将会认识到并理解，在某些应用中，可以根据需要通过电压或电流过零事件来定时接通和关闭所述固态开关810。
图11A是根据本公开一个实施例，可在图8的所述固态电路中断器800中实现的AC-DC转换器电路1100的示意框图。所述AC-DC转换器电路1100包括不需要整流器生成DC电压的架构。所述AC-DC转换器电路1100包括浪涌保护电路1110、采样电路1120、开关驱动电路1130、控制开关和钳位电路1140、存储电路1150、稳压电路1160和电流绝缘电路1170。所述AC-DC转换器电路1100生成施加于负载电路1102的DC电源电压。
所述浪涌保护电路1110配置为限制AC-DC转换器电路1100的输入电流的大小。所述采样电路1120配置为对AC电源110的AC电源电压波形进行采样。所述采样电路1120将采样的电压输出到所述开关驱动电路1130。所述开关驱动电路1130配置为对所述控制开关和钳位电路1140的控制开关施加控制电压。所述控制开关和钳位电路1140配置为响应所述开关驱动电路1130施加的控制电压向所述存储电路1150供电。所述存储电路1150包括电压存储元件(如电容)，该电压存储元件配置为存储施加到所述稳压电路1160的DC电压。所述稳压电路1160配置为向所述负载电路1102生成稳定的DC电源电压。
在一些实施例中，所述开关驱动电路1130从所述存储电路1150接收反馈电压1180，并且至少部分基于反馈电压1180生成施加到所述控制开关和钳位电路1140的控制电压。在一些实施例中，可以消除所述反馈电压1180，并且所述AC-DC转换器电路1100作为前馈转换器工作，其中所述存储电路1150的存储元件由前向元件1120、1130和1140控制。
在一些实施例中，所述AC-DC转换器电路1100实现了从所述负载电路1102到所述开关驱动电路1130的反馈控制电路1190，以支持前馈和反馈控制。在一些实施例中，前馈和反馈控制的平衡由所述反馈电压1180和所述采样电路1120中组件的选择来决定。在一些实施例中，根据所述采样电路1120中的电阻元件和所述反馈电压1180配置前馈和反馈控制之间的平衡。在其它实施例中，利用可变元件来实现前馈和反馈控制的调整。在这些实施例中，所述反馈电路1190将包括所述开关驱动电路1130和所述负载电路1102之间的电流绝缘。
图11B是根据本公开一个实施例，图11A的AC-DC转换器电路的示意电路图。在图11B的示例性实施例中，所述浪涌保护电路1110包括连接到所述AC电源10的所述线路热11的第一输入电阻1111和连接到所述AC电源10的所述线路中性12的第二输入电阻1112。在其它实施例中，对于大功率和高效率应用，所述浪涌保护电路1110包括开关元件，所述开关元件配置为在启动时让电流流过电阻1111和1112，然后在达到稳态工作状态时旁通电阻1111和1112。在其它实施例中，所述浪涌保护电路1110包括取代第一和第二电阻1111和1112的第一和第二电感元件。
所以采样电路1120包括如图所示连接到各个节点N1、N2、N3和N4上的多个电阻1121、1122、1123和1124。所述电阻1121、1122和1123构成用于采样输入AC波形的分压器网络，其中分压器网络包括反馈节点N2和输出节点N3。所述电阻1124连接在所述反馈节点N2和所述存储电路1150的输出节点N4之间，以提供来自所述存储电容1152的反馈电压。所述开关驱动电路1130包括连接在节点N1和N5之间的电阻1131，以及开关元件1132。所述控制开关和钳位电路1140包括控制开关元件1141、电阻1142和齐纳二极管1143。所述存储电路1150包括二极管1151和存储电容1152。所述稳压电路1160包括开关元件1161、电阻1162、齐纳二极管1163和电容1164。
在一些实施例中，所述开关元件1132、1141和1161包括具有如图11B所示的栅极G、漏极D和源极S端子的n型增强MOSFET装置。在其它实施例中，所述开关元件1132、1141和1161可以使用双极晶体管或微机电开关来实现。如图11B所示，所述开关元件1143包括栅极端子G、漏极端子D和源极端子S，其中所述栅极端子G连接到所述采样电路1120的分压器网络的输出节点N3，所述漏极端子D连接到所述开关驱动电路1130的输出节点N5，所述源极端子S连接到所述浪涌保护电路1110的输出节点N3。所述开关元件1132的漏极端子D通过电阻1131耦合到所述浪涌保护电路1110的输出节点N1。
所述控制开关1141包括漏极端子D、栅极端子G和源极端子S，其中所述漏极端子D连接到所述浪涌电路1110的输出节点N1，所述栅极端子G连接到所述开关驱动电路的输出节点N5，所述源极端子S连接到所述存储电路1150的输入(即二极管1151的阳极)。所述齐纳二极管1143连接在所述控制开关1141的栅极端子G和源极端子S之间，所述齐纳二极管1143的阴极连接到所述控制开关1141的栅极端子G，所述齐纳二极管1143的阳极连接到所述控制开关1141的源极端子S。
所述稳压电路1160的所述开关元件1161包括漏极端子D、栅极端子G和源极端子S，其中所述漏极端子D连接到所述存储电路1150的输出节点N4，所述栅极端子G连接到所述电阻1162和所述齐纳二极管1163之间的节点N7，所述源极端子S连接到所述稳压电路1160的输出节点N8。所述电容1164连接在所述稳压电路1160的输出节点N8和所述浪涌保护电路1110的输出节点N6之间。
所述电阻1124(或感测电阻)连接在所述存储电路1150的输出节点N4之间以提供反馈电压，该反馈电压通过所述反馈电阻1124施加到采样电路1120的反馈节点N2上。由在节点N4和N2之间的所述反馈电阻1124的连接所提供的反馈通路提供了如图11A所示的所述反馈电压1180的示例性实施例，其中部分利用所述存储电容1152的电荷，在与所述开关驱动电路1130的所述开关元件1132的栅极端子G连接的所述采样电路1120的输出节点N3处生成控制电压。
所述开关元件1132由所述采样电路1120的分压器网络的输出节点N3处生成的栅极控制电压驱动。所述开关元件1132的选通控制所述开关驱动电路1130的控制开关1141的工作。选择所述电阻1121、1122、1123和1124的阻值，这样，被施加到所述开关驱动电路1130中所述开关元件1132的栅极端子G上的分压器网络节点N3上的电压将接通和关闭所述开关元件1132，从而同步关闭和接通所述控制开关元件1141。从而驱动所述控制开关元件1141输出预先选定的定时输出脉冲以对所述存储电容1152充电。
基于所述齐纳二极管1143的齐纳电压(即反向击穿电压)的预选值，将所述控制开关1141的峰值输出电流钳位到预选值，其中最大栅-源电压(VGS)受所述齐纳二极管1143的齐纳电压限制。所述控制开关1141的脉冲输出接通所述二极管1151，并且向节点N4提供电荷以给所述存储电容1152充电。连接在所述存储电路1160的输出节点N4和所述采样电路1120的反馈节点N2之间的电阻1124所提供的反馈用于驱动所述开关驱动电路1130，以使所述存储电容1152保持恒定电荷。
同步于AC电压输入，激活(断开或闭合)所述开关元件1132和所述控制开关1141。AC-DC转换器电路1100提供具有输入AC源的频率下的脉冲调制的低电压输出。在所述开关1132和1141的阈值电压范围内，接近所述AC源的过零的电压下激活(断开或闭合)所述开关1132和1141。所述存储电路1150的输出节点N4应用于所述稳压电路1160的输入，然后应用于所述负载电路1102。所述电容1164提供存储容量以缓冲并从而平顺从所述AC-DC转换器1100到所述负载电路1102的输出。
总之，如图11A和11B所示的示例性AC-DC转换器电路1100包括浪涌保护电路1110、电压采样电路1120、开关驱动电路1130、控制开关和钳位电路1140、存储电路1150和稳压电路1160。所述电压采样电路1120中组件的选择决定了所述开关驱动器1130的定时。所述控制开关和钳位电路1140中组件的选择决定了输出脉冲的峰值电压和电流。通过选择峰值电流和脉冲定时来控制功率输出。利用所述存储元件1152通过所述电压采样电路1120的反馈来选择脉冲定时。AC-DC转换器电路1100与AC电源110的AC电压波形同步工作。
虽然本文参照附图描述了示例性实施例，但需要理解的是，本发明不限于那些精确的实施例，而且在不偏离附加权利要求的范围的情况下，本领域的技术人员可以在其中进行各种其它的变化和修改。

Claims (20)

1.一种电路中断器，包括：
固态开关，所述固态开关串联连接在所述电路中断器的线路输入端和负载输出端之间，并且配置为置于(i)接通状态和(ii)关闭状态中的一种，其中置于接通状态以提供所述线路输入端和所述负载输出端之间的电气通路中的电气连接；和
模式控制电路，所述模式控制电路配置为执行第一控制模式和第二控制模式以控制所述电路中断器的工作；
其中所述第一控制模式配置为在所述电路中断器上电期间为所述固态开关生成自偏置接通阈值电压，同时保持所述固态开关处于所述关闭状态直到生成所述自偏置接通阈值电压；和
其中所述第二控制模式配置为中断所述自偏置接通阈值电压并将所述固态开关置于所述关闭状态。
2.根据权利要求1所述的电路中断器，其中所述模式控制电路包括：
自偏置电路，所述自偏置电路包括钳压电路和第一控制开关；
其中所述钳压电路配置为在所述电路中断器上电期间利用从应用到所述电路中断器的所述线路输入端的输入电源得出的电流为所述固态开关生成所述自偏置接通阈值电压；和
其中所述第一控制开关配置为短接所述固态开关的控制输入，以保持所述固态开关处于关闭状态直到生成所述自偏置接通阈值电压。
3.根据权利要求2所述的电路中断器，其中所述钳压电路包括并联的电容和齐纳二极管。
4.根据权利要求2所述的电路中断器，其中所述自偏置电路包括耦合到所述第一控制栅极的控制栅极的电阻-电容(RC)网络，其中所述RC网络在所述电路中断器上电期间利用从应用到所述电路中断器的所述线路输入端的所述输入电源得出的电流充电，其中所述RC网络配置为具有RC时间常数，所述RC时间常数对应于不小于在所述电路中断器上电期间为所述固态开关生成所述自偏置接通阈值电压所需时段的时段。
5.根据权利要求2所述的电路中断器，其中所述自偏置电路包括运算放大器，所述运算放大器具有连接到所述钳压电路的输入和连接到所述第一控制开关的控制栅极的输出，其中所述运算放大器配置为在生成所述自偏置接通阈值电压期间保持所述第一控制开关处于接通状态，并在生成所述自偏置接通阈值电压后将所述第一控制开关置于关闭状态，从而控制所述第一控制开关的工作。
6.根据权利要求1所述的电路中断器，其中所述模式控制电路包括第二控制开关，所述第二控制开关配置为短接所述固态开关的控制输入并中断所述自偏置接通阈值电压以响应所述第二控制开关的激活而将所述固态开关置于关闭状态。
7.根据权利要求6所述的电路中断器，还包括传感器电路，所述传感器电路配置为生成控制信号以响应所述传感器电路检测到保证将所述固态开关置于所述关闭状态的条件来激活所述第二控制开关。
8.根据权利要求7所述的电路中断器，其中所述传感器电路包括电流传感器，所述电流传感器配置为感测在所述线路输入端与所述负载输出端之间的所述电气通路中流动的电流，并且检测故障条件，其中所述故障条件包括短路故障条件、过电流故障条件、电弧故障条件和接地故障条件中的一种。
9.根据权利要求7所述的电路中断器，其中所述传感器电路包括环境传感器电路，所述环境传感器电路配置为感测危险环境条件。
10.根据权利要求9所述的电路中断器，其中所述环境传感器电路包括(i)配置为检测危险化学品存在的化学敏感检测器、(ii)配置为检测危险气体存在的气体敏感检测器、(iii)配置为检测温度的温度传感器、(iv)配置为检测振动的压电检测器和(v)配置为检测潮湿环境的湿度传感器中的一或多个。
11.根据权利要求7所述的电路中断器，其中所述第二控制开关包括光电晶体管，并且其中所述传感器电路光耦合所述第二控制开关从而响应光控制信号激活所述第二控制开关。
12.根据权利要求6所述的电路中断器，其中所述第二控制开关包括光电晶体管，并且其中响应光控制信号激活所述第二控制开关。
13.一种电路断路器，包括根据权利要求1所述的电路中断器。
14.一种电插座装置，包括根据权利要求1所述的电路中断器。
15.一种电灯开关装置，包括根据权利要求1所述的电路中断器。
16.一种电路中断器，包括：
固态开关和气隙电磁开关，所述固态开关和所述气隙电磁开关串联连接在所述电路中断器的线路输入端和负载输出端之间；
开关控制器，所述开关控制器配置为控制所述固态开关和所述气隙电磁开关的工作；
过零传感器，所述过零传感器配置为检测输入到所述电路中断器的所述线路输入端的电源波形的过零点；和
电流传感器，所述电流传感器配置为感测在所述线路输入端与所述负载输出端之间的所述电气通路中流动的电流，并且基于所述感测到的电流检测故障条件；
其中响应由所述电流传感器对故障条件的检测，所述开关控制器配置为生成开关控制信号，以(i)将所述固态开关置于关闭状态，和(ii)将所述固态开关置于所述关闭状态后，将所述气隙电磁开关置于接通状态；和
其中所述开关控制器利用所述过零传感器输出的过零检测信号来检测所述电源波形的过零事件并且响应所述检测到的过零事件将所述气隙电磁开关置于所述断开状态。
17.根据权利要求16所述的电路中断器，其中所述过零传感器配置为检测所述电源波形的(i)电流波形和(ii)电压波形中的至少一个的过零点。
18.根据权利要求17所述的电路中断器，其中所述过零传感器配置为检测所述电流波形和电压波形的相对半周期之间的极性转换的相关方向，并且其中当所述极性转换导致所述固态开关的体二极管反向偏置时，所述开关控制器将所述气隙电磁开关置于所述断开状态。
19.根据权利要求16所述的电路中断器，其中所述电流传感器配置为检测短路故障条件、过电流故障条件、电弧故障条件和接地故障条件中的至少一种。
20.根据权利要求16所述的电路中断器，还包括环境传感器电路，所述环境传感器电路配置为感测危险环境条件，其中所述环境传感器电路包括(i)配置为检测危险化学品存在的化学敏感检测器、(ii)配置为检测危险气体存在的气体敏感检测器、(iii)配置为检测温度的温度传感器、(iv)配置为检测振动的压电检测器和(v)配置为检测潮湿环境的湿度传感器中的一或多个。
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