CN114342200A - 具有自诊断、自维护和自保护能力的固态断路器 - Google Patents

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Abstract

具有自诊断、自维护和自保护能力的固态断路器(SSCB)包括：功率半导体器件；与功率半导体器件串联连接的气隙断开单元；感测和驱动电路，在检测到短路或令人无法接受的长持续时间的过载时，该感测和驱动电路将功率半导体器件切换为关闭状态；以及微控制器单元(MCU)，在感测和驱动电路将功率半导体器件切换为关闭状态之后，该MCU触发气隙断开单元形成气隙并电流隔离附接负载。MCU进一步被配置为监测SSCB的气隙断开单元、功率半导体器件和其它关键部件的可操作性，并在适用时采取纠正措施，以防止SSCB和连接负载被损坏或破坏，和/或保护人和环境免于暴露于危险电气条件。

Description

具有自诊断、自维护和自保护能力的固态断路器
相关申请的交叉引用
本申请要求于2019年9月3日提交的美国临时专利申请No.62/895,182的权益。
背景技术
断路器用于配电系统中，以保护电路及其负载免受短路和过载的影响。传统断路器具有机电构造，其通常包括：电磁体，当发生短路时，该电磁体操作用于尽快分离断路器的触点；以及热响应双金属片，其在电路中持续存在过载已长达令人无法接受的长持续时间后将断路器的触点分离。
尽管传统断路器一旦跳闸就可以有效地隔离故障，但它们的一个显著缺点是它们很慢(通常需要几毫秒来做出响应并隔离故障)。为了规避该限制，近年来人们努力将高功率半导体(即，“固态”器件)适用于断路器应用。固态器件很有吸引力，因为它们可以被控制为在几微秒内隔离故障，相比之下，传统断路器通常需要几毫秒才能隔离类似故障。快速反应时间是有益的，因为它降低了火灾风险、电气设备损坏以及发生电弧闪光的可能性。此外，由于固态器件的工作特性从一个部分到另一部分变化很小，因此断路器可以由表现出精确且良好控制的时间-电流特性的固态器件构成。这与传统断路器不同，传统断路器由于其热、磁和机械构造而在时间-电流特性方面表现出很大差异。
鉴于固态断路器的各种优势，固态断路器有可能在不久的将来取代传统断路器。然而，为了实现这种转变，固态断路器将需要设计成耐用的且能够在无人看管(即，不需要过多的人工监督和维护)的情况下长时间工作。与该目标一致，期望固态断路器能够监测其自身的关键功能、识别与其预期操作的任何偏差、诊断和预测故障的原因和来源、保护自己免受否则可能导致其破坏和/或对人和环境造成伤害的危险条件的影响并在条件允许时将其自身锁定以电气地和电流地隔离其相关联的负载。
发明内容
公开了一种具有自诊断、自维护和自保护能力的固态断路器(SSCB)。SSCB的示例性实施方式包括功率半导体器件；与功率半导体器件串联连接的气隙断开单元；感测和驱动电路，在检测到短路或令人无法接受的长持续时间的过载时，该感测和驱动电路将功率半导体器件切换为关闭状态；以及微控制器单元(MCU)，在感测和驱动电路将功率半导体器件切换为关闭状态之后，该MCU触发气隙断开单元形成气隙并电流隔离附接负载(attachedload)。MCU进一步被配置为监测SSCB的气隙断开单元、功率半导体器件和其它关键部件的可操作性，并在适用时采取纠正措施，以防止SSCB和连接负载(connected load)被损坏或破坏，和/或保护人和环境免于暴露于危险电气条件。
现在将参照附图详细描述本发明(包括对本发明的以上总结的和其它示例性实施方式的详细描述)的进一步的特征和优点，其中，使用相同的附图标记来表示相同或功能相似的要素。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施方式的固态断路器(SSCB)的框图；
图2是根据本发明的一个实施方式的在图1中描绘的SSCB的立体图，其揭示了SSCB的一些主要部件；
图3是根据本发明的一个实施方式的在图1中描绘的SSCB的分解图，其进一步揭示了SSCB的一些主要部件；
图4是根据本发明的一个实施方式的在图1中描绘的SSCB的气隙断开单元的立体图；
图5是根据本发明的一个实施方式的在图1中描绘的SSCB的前透视图，其例示了SSCB如何优选地容纳在壳体内并揭示了SSCB的电子显示器、开启/关闭/备用按钮以及气隙断开单元的复位按钮和释放按钮；
图6是根据本发明的一个实施方式的在图1中描绘的SSCB的线路侧立体图，其揭示了SSCB的线路输入端子；
图7是根据本发明的一个实施方式的在图1中描绘的SSCB的负载侧立体图，其揭示了SSCB的线路输出端子；
图8是根据本发明的一个实施方式的流程图，该流程图例示了供SSCB的MCU执行以监测SSCB的核心功能的方法，以及当MCU确定SSCB的核心功能已发生故障或可能已发生故障后如何响应；
图9是根据本发明的一个实施方式的流程图，该流程图例示了供SSCB的MCU执行以监测和诊断SSCB中的气隙断开单元是否已发生闭合故障或可能已发生闭合故障的方法，以及SSCB在确定气隙断开单元已发生闭合故障或可能已发生闭合故障时采取的措施；
图10是根据本发明的一个实施方式的流程图，该流程图例示了供SSCB的MCU执行以监测和诊断SSCB中的气隙断开单元是否已发生断开故障或可能已发生断开故障的方法，以及SSCB在确定气隙断开单元已发生断开故障或可能已发生断开故障时采取的措施；
图11是流程图，该流程图例示了供SSCB的MCU执行以监测和诊断SSCB中的气隙断开电容器的活力(vitality)、功效和可操作性的方法，以及SSCB在确定气隙断开电容器已发生故障或正发生故障时采取的措施；
图12是例示了在SSCB的一个实施方式中如何将SSCB的MCU配置为生成周期性心跳信号的框图，外部看门狗电路持续监测该周期性心跳信号以确认MCU的活力和可操作性；
图13是根据本发明的一个实施方式的流程图，该流程图例示了供SSCB的MCU执行以监测SSCB的用作SSCB内的MCU和其它DC供电电子设备的主要DC电源的AC/DC转换器的活力、功效和可操作性的方法，以及SSCB在确定AC/DC转换器已发生故障或可能正发生故障时采取的措施；
图14是根据本发明的一个实施方式的流程图，该流程图例示了供SSCB的MCU执行以监测SSCB中的场效应晶体管(FET)功率模块的功率FET的活力、功效和可操作性的方法，以及MCU在确定一个或更多个功率FET已发生故障、可能已发生故障或者正发生故障时采取的措施；
图15是根据本发明的一个实施方式的流程图，该流程图例示了供SSCB的MCU执行以监测SSCB的FET功率模块的功率FET的活力、功效和可操作性的方法，以及MCU在确定一个或更多个功率FET已发生故障、可能已发生故障或者正发生故障时采取的措施；
图16是根据本发明的一个实施方式的流程图，该流程图例示了供SSCB的MCU响应于由安装在SSCB的FET功率模块中的热敏电阻感测/测量的感测/测量功率FET结温而执行的方法，以及MCU在确定FET功率模块中的一个或更多个FET的结温TJ超过预定最大允许结温TMAX时采取什么措施；
图17是根据本发明的一个实施方式的流程图，该流程图例示了供SSCB的MCU执行以检测FET功率模块中的一个或更多个功率FET的故障或可能故障的方法，以及MCU在确定一个或更多个功率FET已发生故障时采取的措施；
图18是根据本发明的一个实施方式的流程图，该流程图例示了供SSCB的单相版本的MCU执行以检测SSCB的功率FET的故障或可能故障的方法，以及MCU在确定功率FET已发生故障、可能已发生故障或可能正发生故障时采取的措施；
图19是根据本发明的一个实施方式的流程图，该流程图例示了供SSCB的MCU执行以监测SSCB中的线路输出霍尔效应传感器的性能并诊断该线路输出霍尔效应传感器的任何故障的方法，以及MCU在确定一个或更多个霍尔效应传感器已发生故障、可能已发生故障或可能正发生故障时采取什么措施；
图20是根据本发明的一个实施方式的流程图，该流程图例示了供SSCB的MCU执行以验证SSCB的气隙断开单元已响应于人按下SSCB的复位按钮而成功重新接合的方法，以及MCU在确定气隙断开单元未能成功重新接合时采取什么措施；
图21是根据本发明的一个实施方式的SSCB的FET功率模块的主要部件的示意图，突出显示了根据本发明的一个实施方式的功率FET的连接和FET功率模块中各种浪涌保护器件(SPD)的放置；
图22是根据本发明的一个实施方式的流程图，该流程图例示了供SSCB的MCU执行以监测FET功率模块中的SPD的健康状况的方法，以及MCU在确定一个或更多个SPD已发生故障时采取什么措施；
图23是根据本发明的一个实施方式的流程图，该流程图例示了供SSCB的MCU执行以监测被配置为指示SSCB的复位按钮的物理位移的一个或更多个微动开关的操作状态的方法，以及MCU在确定一个或更多个微动开关中的一者或更多者已发生故障时执行什么措施；
图24是根据本发明的一个实施方式的图，该图示出了被配置在配电面板中的多个SSCB、SSCB如何与具有头端接口的通信和控制(comm/control)总线进行电通信以及外部本地或远程定位的计算机(图中的平板计算机)如何用于执行按需SSCB诊断和维护并经由用户交互式图形用户界面(GUI)调度周期性SSCB诊断和/或维护；以及
图25是突出显示了用于执行按需SSCB诊断和维护以及经由用户交互式GUI调度周期性SSCB诊断和/或维护的外部本地或远程控制计算机的主要部件的框图。
具体实施方式
参照图1，示出了根据本发明的一个实施方式的具有自诊断、自维护和自保护能力的固态断路器(SSCB)100的框图。SSCB 100的主要部件包括：微控制器单元(MCU)102；感测和驱动电路104、场效应晶体管(FET)功率模块106；以及气隙断开单元108。气隙断开单元108具有三个气隙触点开关114，并且FET功率模块106具有三个功率FET 116，每个功率FET116被配置为使得其漏极-源极路径与气隙触点开关114之一串联。换句话说，FET功率模块106和气隙断开单元108串联连接在线路输入端子110与线路输出端子112之间。在正常操作条件期间，气隙断开单元108中的三个气隙触点开关114闭合并且FET功率模块106中的三个功率FET 116开启。这允许从电源进入线路输入端子110的线路电流(例如，从分配面板内分配至SSCB 100的线路输入端子110的交流电(AC))流向连接至线路输出端子112(例如，经由布线至商业建筑或住宅中的负载的电缆)的负载(未示出)。然而，在SSCB 100检测到短路或令人无法接受的长持续时间的过载时，感测和驱动电路104将功率FET 116切换为关闭状态，以防止任何进一步的电流流向负载。同时或在功率FET 116切换为关闭状态后不久，MCU102生成螺线管触发信号，气隙断开单元108响应于该螺线管触发信号‘断开接合’，以断开气隙触点开关114并电流隔离负载。请注意，在图1和本公开的其它图中描绘的SSCB 100的示例性实施方式是三相器件。因此，它具有三个线路输入端子110、三个气隙触点开关114、三个功率FET 116和三个线路输出端子112。SSCB的单相版本将仅具有这些部件中的每一者的一个，如本领域普通技术人员将认识到和理解的。还应该提到的是，在本发明的优选实施方式中，功率FET 116包括碳化硅(SiC)MOSFET。然而，可以另选地使用其它类型的功率半导体器件(例如，GaN高电子迁移率晶体管(HEMT))，如本领域普通技术人员将认识到和理解的。
当SSCB 100处于“跳闸”状态时，功率FET 116自身完全能够将负载与输入电源隔离。然而，因为当断路器处于跳闸状态时，政府、监管和认证机构通常要求负载与输入电源电流隔离，所以SSCB 100优选地(尽管在本发明的每个实施方式中不一定)配有气隙断开单元108，当处于‘断开接合’状态时，该气隙断开单元108在线路输入端子110与线路输出端子112之间形成气隙。除其它部件外，气隙断开单元108包括大的(即，高电容的)气隙断开电容器117(例如，10000微法拉或更高)、螺线管118以及选择性地将气隙断开电容器117的端子跨螺线管118的线圈耦合的开关120。SSCB 100的一个示例性实施方式中的气隙断开电容器117和螺线管118的物理关系可以在SSCB 100的在图2中呈现的立体图和在图3中呈现的分解图以及图4中气隙断开单元108本身的立体图中看到。
在本发明的一个实施方式中，气隙断开单元108被设计成使得可以自动地(通过致动螺线管118)、手动地(没有螺线管118的辅助但响应于人按下释放按钮122)或响应于来自被配置为经由通信和控制(comm/control)总线124与SSCB 100交互的本地或远程计算机的命令被触发，以断开接合并在线路输入端子110与线路输出端子112之间形成气隙。在感测和驱动电路104检测到SSCB 100的负载电路中的短路或其它电气异常(例如，令人无法接受的长持续时间的过载)时，发生自动触发。当发生这种情况时，感测和驱动电路104生成选通禁用信号并将其施加到FET功率模块106中的功率FET 116的栅极，从而导致功率FET 116在几微秒内被切换为关闭状态。还可以指示功率FET 116延迟它们被切换为关闭状态，以允许在电流过零期间被切换为关闭状态。在电流的零点期间被切换为关闭状态的能力减少了上游电力系统的干扰。同时或在功率FET 116被切换为关闭状态后不久，MCU 102生成螺线管触发信号，该螺线管触发信号闭合开关120(参见图1)，使得气隙断开电容器117的端子跨螺线管118的线圈连接。SSCB 100被设计成使得气隙断开电容器117在正常操作条件期间保持充电。在本发明的一个实施方式中，AC/DC转换器126(其用作SSCB 100中的DC供电电子设备(例如，MCU 102、CRM 103以及感测和驱动电路板104上的DC部件)的主DC电源)进一步被配置为对气隙断开电容器117充电并将其保持在完全充电状态。因此，当螺线管触发信号施加到开关120以使其闭合并且气隙断开电容器117的端子然后跨螺线管118的线圈连接时，大电流开始流过螺线管的线圈。大线圈电流进而会产生磁场，该磁场使螺线管118将其柱塞128拉入螺线管壳体内。当柱塞128被拉入螺线管壳体时，它与闩锁130接合，该闩锁130绕枢轴旋转并摆动远离机架(holster)136的上唇缘132。(参见图2至图4。)在正常操作条件下，闩锁130被定位成使得其将机架136保持为向下(通过向下压在上唇缘132上)，从而保持气隙触点开关114闭合。然而，当螺线管118被触发并且螺线管118的柱塞128导致闩锁130旋转并摆动离开上唇缘132时，闩锁130不再将机架136保持为向下，并且通常压缩的断开弹簧138解压缩，以迫使机架136向上。迫使机架136向上会导致气隙触点开关114断开，从而在线路输入端子110与线路输出端子112之间形成气隙。该气隙将负载与施加到线路输入端子110的输入电源电流隔离，因此，在功率FET 116关闭且气隙断开单元108断开接合(其中在线路输入端子110与线路输出端子112之间形成气隙)的情况下，SSCB 100处于完全“跳闸”状态。
在本发明的一个实施方式中，气隙断开单元108进一步被设计成使得可以手动(具体地，响应于人按下释放按钮122)断开接合。当人按下释放按钮122时，连接构件140(参见图2至图4)推压闩锁130上的凸轮表面142，从而导致闩锁130旋转并从机架136的上唇缘132释放(断开接合)并允许正常压缩的断开弹簧138解压缩和迫使机架136向上，以断开气隙触点开关114并形成气隙。当迫使机架136向上时，它还推压并抬起复位按钮144，以暴露上锁挂牌(LOTO)孔146，维修或维护(维修/维护)工人可以通过该LOTO孔插入挂锁或其它锁定装置，以完成LOTO安全程序。请注意，无论气隙断开单元108被触发以自动断开接合(通过MCU102致动螺线管118)还是手动断开接合(通过人按下释放按钮122)，复位按钮114都会弹出以示出LOTO孔146。完成LOTO安全程序确保了维修/维护工人或其他人不会无意地或意外地重新接合气隙断开单元108。在完成维修/维护后，维修/维护工人然后可以移除挂锁或其它锁定装置并通过推动复位按钮144而重新接合气隙断开单元108。当按下复位按钮144时，它会接合机架136并重新压缩断开弹簧138。它还接合旋转闩锁130，以使其重新接合机架136的上唇缘132，以再次使机架136保持向下并闭合气隙触点开关114。包括类似气隙断开单元的SSCB 100的进一步细节可以在题为“Solid-State Circuit Breaker with GalvanicIsolation”的共同未决和共同转让的美国专利申请No.16/898,538中找到，其通过引用并入本文。
应该提到的是，SSCB 100优选地包括附加锁定机构160，该附加锁定机构160可以由SSCB 100本身激活(即，无需任何人的参与)，以防止复位按钮144被按下，并且防止气隙断开单元108在条件允许时重新接合。该附加锁定机构160可以由SSCB100激活，无论挂锁或其它锁定装置是否插入通过复位按钮144的LOTO孔146。在本发明的一个实施方式中，附加锁定机构160包括次级螺线管，该次级螺线管与用于将气隙断开单元108断开接合的初级螺线管118相比尺寸较小。在MCU 102已确定SSCB 100的主要部件或关键功能之一已发生故障或可能正发生故障并且MCU 102已触发初级螺线管118将气隙断开单元108断开接合之后(例如，在执行本文所述的各种自诊断、自维护和自保护方法之一后)，MCU 102触发次级螺线管。次级螺线管的柱塞被配置为使得其接合复位按钮144(或接合连接至复位按钮144的一些其它机械连杆)并防止复位按钮144被压入SSCB 100的壳体中。因此，在SSCB 100已确定可能存在危险状况和/或已确定其主要部件或关键功能之一已发生故障或可能正发生故障之后，次级锁定机构160防止人试图重新接合气隙断开单元108。
在图1和图2描绘的SSCB 100的示例性实施方式中，MCU 102连同计算机可读存储器(CRM)103一起安装在控制板105上。CRM 103包括用于存储对MCU 102的操作进行指导(direct)的固件和软件的闪存存储器和/或电可擦除只读存储器(EPROM)，以及MCU 102在执行固件和软件指令时使用的随机存取存储器(RAM)。如本领域普通技术人员将理解的，CRM 103可以在MCU 102外部(如图1所描绘的)、嵌入在MCU 102中或者可以包括部分嵌入在MCU 102中并且部分在MCU外部的计算机可读存储器。
优选地，SSCB 100被封装在壳体(即，‘外壳’)内，如图5至图7所例示，并且包括人可以按下的开启按钮107、关闭按钮109和备用按钮111(开启/关闭/备用)以及电子显示器113。在SSCB 100的一个实施方式中，电子显示器113是电子墨水显示器，其是如下显示技术：即使显示器的电力中断或完全移除，当前显示的信息也可以继续显示。(请注意，带状电缆119(参见图2)提供控制板105与开启按钮107/关闭按钮109/备用按钮111之间的电连接。)在本发明的一个实施方式中，开启按钮107/关闭按钮109/备用按钮111是半透明的，并且分别为绿色、红色和黄色，并且发光二极管(LED)(图中未示出)被配置在每个按钮下方。无论哪个LED亮起，都指示和强调SSCB 100的当前状态。具体地，当开启按钮107(带有“I”指示灯的绿色按钮)被按下以处于开启状态并且其下方的LED亮起时，绿色强调表示SSCB 100处于完全操作状态(气隙断开单元108接合(气隙触点开关114闭合)并且FET功率模块106中的功率FET 116开启)。当按下备用按钮109(标有“X”的黄色按钮)并且其下方的LED亮起时，黄色强调指示SSCB 100处于备用状态(气隙断开单元108接合但FET功率模块106中的功率FET 116关闭)。(请注意，如果需要，则可以通过简单地推动开启(绿色)按钮107来从备用状态转换到开启状态。)最后，关闭红色按钮111(在本文描述的SSCB 100的示例性实施方式中，它实际上不是可按下的按钮(但在另选设计中可以是))在气隙断开单元108断开接合(气隙触点开关114断开)并且FET功率模块116中的功率FET 106处于关闭状态时由其下方的LED照亮。红色强调表示SSCB 100处于‘跳闸’状态，即，完全关闭状态(FET功率模块106中的功率FET 116处于关闭状态并且气隙断开单元108断开接合)。关闭红色按钮111不需要是可按下按钮的原因是，释放按钮122已经提供了该功能，当释放按钮122被按下时，该释放按钮122会使SSCB的电子设备和驱动电路将FET功率模块106中的功率FET 116切换成关闭状态并且此后不久触发气隙断开单元108断开接合。
图7(其是封装的SSCB 100的负载侧立体图)揭示了线路输出端子112，在该特定示例性实施方式中，其包括负载侧连接接线片148，电力电缆可以连接至该负载侧连接接线片148并布线至负载。它还揭示了通信和控制(comm/control)总线屏蔽件150，当SSCB 100安装在配电板中时，该comm/control总线屏蔽件150保护将SSCB100连接至comm/control总线124的电气comm/control总线连接器，类似于在题为“Distribution Panel forIntelligently Controlled Solid State Circuit Breakers”的共同未决和共同转让的美国专利申请No.16/898,569中描述的，其通过引用并入本文。该comm/control总线124(其例如可以是IC间(I2C)或控制器局域网(CAN)总线)为SSCB 100提供与本地或远程计算机进行通信并受其控制的能力，类似于在题为“Hybrid Air-Gap/Solid-State CircuitBreaker”的共同转让的美国专利No.10,541,530和题为“Dynamic Coordination ofProtection Devices in Electrical Distribution Systems”的共同转让的美国专利No.10,276,321中描述的，两者也通过引用并入本文。它还为SSCB 100提供了向本地或远程计算机报告其操作状态(实时或非实时)(例如，在执行一组调度或按需诊断测试之后)的能力，如下面将进一步详细解释的。
控制板105用作SSCB 100的“大脑”，并且在SSCB 100的一个示例性实施方式中包括MCU 102和CRM 103。存储在CRM 103中并由MCU 102检索和执行的固件和其它计算机程序指令(即，软件)控制SSCB 100的总体操作，包括确定和控制MCU 102是否、如何以及何时与SSCB 100中的其它部件进行交互的指令，以及允许MCU通过comm/control总线124与其它设备(例如，外部计算机)进行通信并受其控制的指令和协议。在SSCB 100的一些实施方式中，计算机程序指令进一步包括当由MCU 102执行时赋予MCU 102以下能力的指令：1)监测和诊断气隙断开单元108的活力、功效和可操作性，包括在适当或必要时确定气隙断开单元108是否已发生断开故障或闭合故障；2)监测和诊断FET功率模块106中的功率FET 116的活力、功效和可操作性，并在条件允许时指导感测和驱动电路104将功率FET 116切换为关闭状态；3)当条件允许时，生成螺线管触发信号，以使气隙断开单元108断开接合并在线路输入端子110与线路输出端子112之间形成气隙；4)监测AC/DC转换器126的活力、功效和可操作性，并且如果AC/DC转换器126已发生故障或被确定为正发生故障，则指导感测和驱动电路104将功率FET 116切换为关闭状态(如果需要，使用存储在气隙断开电容器117中的能量)；5)监测和诊断气隙断开电容器117的活力、功效和可操作性，并生成电容器旁路信号，如果MCU 102确定气隙断开电容器117已发生故障或正发生故障，则该电容器旁路信号允许AC/DC转换器126绕过气隙断开电容器117；6)生成看门狗信号，外部看门狗利用该看门狗信号来监测MCU 102的活力、功效和可操作性；7)监测和诊断电流和电压传感器154和156的故障以及可能或很可能的故障，该电流和电压传感器154和156用于感测FET功率模块106的输入端和输出端处的线路电流和电压；8)监测浪涌保护器件(SPD)的活力、功效和可操作性，该SPD用于防止功率FET 116暴露于高电压，并且如果SPD中的一个或更多个SPD已发生故障或已退化到超出其实际实用性，则锁定SSCB 100；9)指导和控制SSCB 100的电子显示器113显示有关SSCB 100及其各种部件的活力、功效和可操作性的信息(实时和非实时)；10)经由comm/control总线124向系统监督者(例如，电工、住宅/建筑物所有者或电力公司)报告关于SSCB 100的活力、功效和可操作性的信息(实时和非实时两者)；以及11)向系统监督者推荐纠正措施，系统监督者可能采取该纠正措施，以解决或补救SSCB 100可能已经历或当前正经历的任何特定故障或问题。例如，推荐的纠正措施可以包括基于在下游SSCB中诊断出的故障关闭上游断路器(其也可以是在结构上与本文描述的示例性SSCB 100相似的SSCB)。如果故障危及或消除下游SSCB的保护功能，则采取这种纠正措施将降低下游设备的风险。SSCB 100的这些和其它功能和能力将在下面进一步详细讨论。
图8是流程图，其例示了供MCU 102(与SSCB 100的其它协作部件一起)执行以验证SSCB 100的基本(即，“核心”)功能的方法800，以及当MCU 102确定SSCB 100的核心功能(特别是在需要时跳闸)已发生故障或可能已发生故障时采取什么措施。根据该方法，假设SSCB100被配置在配电系统中，其中输入电源(例如，AC干线)附接至SSCB的线路输入端子110并且负载附接至线路输出端子112。首先，在步骤802，SSCB 100被切换为开启状态(功率FET闭合并且气隙断开单元接合(无气隙)。在步骤804，MCU 102将SSCB 100的跳闸阈值降低到并超过负载的标称电流。如果SSCB的核心功能正常运行，则当跳闸阈值被调整到标称负载电流以下时，SSCB 100应该跳闸(功率FET 116断开，气隙断开单元断开接合)。为确定SSCB100是否按照预期确实跳闸，执行步骤806。具体地，在步骤806，MCU 102确定线路输入端子110与线路输出端子112之间的电压差ΔV。如果在判定808确定ΔV足够大于零从而指示负载的电流隔离(在判定808处为“是”)，则MCU 102能够正确地断定SSCB的核心功能正在正确运行，在步骤810将跳闸阈值设置回标称，并且在步骤812，功率FET 116被快速切换回开启状态(因此，去往负载的电流仅在测试期间被短暂中断)，气隙断开单元108重新接合以闭合气隙，并且方法800结束。然而，如果在判定808，MCU 102确定线路输入端子110与线路输出端子112之间的ΔV为零或没有足够大于零从而指示适当的电流隔离(在判定808处为“否”)，则MCU 102断定SSCB的核心功能已发生故障，并且在步骤814警告系统监督者SSCB的核心功能已发生故障。例如，SSCB 100的核心功能的故障可以归因于FET功率模块106中的损坏的功率FET 116、失效的气隙断开单元108、损坏的或破坏的感测和驱动电路104、损坏的电流和/或电流和电压传感器154和156或者可能是由某些其它损坏的或失效的部件引起的。在本发明的一些实施方式中，MCU 102经由comm/control总线124向远程计算机报告故障，和/或指导SSCB在SSCB的电子显示器113上显示故障信息。为了进一步隔离和识别核心功能故障源，可以在判定808处为“否”之后执行下面讨论的一些或更多诊断测试。
在刚刚描述的核心功能诊断方法800中，气隙断开单元108必须在SSCB 100的核心功能已被验证(即，以下在判定808处“是”)后(例如，通过用户按下复位按钮144)重新接合。在另选方法中，MCU 102在核心功能诊断检查期间不触发气隙断开单元108断开接合，而是在整个测试期间将气隙断开单元108保持在接合位置(线路输入端子110与线路输出端子112之间无气隙)。根据该另选方法，如果在判定808，MCU 102确定ΔV为零或没有足够大于零(在判定808处为“否”)，则MCU 102能够正确地断定功率FET 116中的一个或更多个功率FET 116已发生故障和/或电流/电压传感器154和156中的一个或更多个已发生故障或可能已发生故障，并且在步骤814，随后向系统监督者警告该故障或可能故障。这种另选核心功能诊断检查的一个好处是不需要人(即，“用户”)在诊断检查之后重新接合气隙断开单元108(因为在检查期间MCU 102不触发气隙断开单元108断开接合)。另一好处是，与气隙断开单元108断开接合然后重新接合的方法相比，诊断检查的速度快得多，从而导致对流向负载的电流产生几乎察觉不到的影响。还应该指出，这种另选核心功能诊断检查也可以有益地用于不包括气隙断开单元108的SSCB 100的实施方式中，换句话说，用于在线路输入端子110与线路输出端子112之间仅包括功率半导体并因此在发生故障或过载的情况下仅依靠功率半导体来隔离负载的SSCB 100的实施方式中。
图9(包括图9A和图9B)是如下方法900的流程图，即供MCU 102(与SSCB 100的其它协作部件一起)执行以监测和诊断气隙断开单元108的活力、功效和可操作性并且特别是监测和诊断气隙断开单元108是否发生闭合故障(可能是由于气隙触点开关114中的一个或更多个气隙触点开关114未能闭合而没有任何重新断开的能力)，以及在MCU 102确定气隙断开单元108实际上已发生闭合故障之后SSCB 100如何响应的方法900。根据该方法900，MCU102还具有检测线路输入和/或线路输出电流/电压传感器154和156的可能故障的能力。在步骤902，MCU 102命令气隙断开单元108断开接合并形成气隙(通过生成螺线管触发信号来闭合开关120，将气隙断开电容器117跨螺线管118的线圈连接，并断开气隙触点开关114，如前所述)，并且在已形成气隙之后命令感测和驱动电路104将功率FET 116切换为开启状态。在步骤904和步骤906，在FET功率模块106的线路输入侧和线路输出侧两者测量所有三个相的输入电压和输出电压。所感测/所测量的线路输入电压和线路输出电压被引导到MCU102，并且在步骤908，MCU 102比较线路输入电压V(线路输入)和线路输出电压V(线路输出)，或针对每个相计算它们之间的差。然后，在判定910，如果MCU 102确定针对任何给定的相V(线路输入)<V(线路输出)(在判定910处为“是”)，则MCU 102能够正确地断定气隙断开单元108已发生闭合故障和/或线路输入电流/电压传感器154和线路输出电流/电压传感器156中的一个或更多个已发生故障。为了消除线路输出电流/电压传感器156中的一个或更多个已发生故障的可能性，执行步骤912和判定914。具体地，在步骤912，MCU 102指导感测和驱动电路104将处于确定V(线路输入)＜V(线路输出)的相中的功率FET 116切换为关闭状态。然后，线路输出电流/电压传感器156测量刚刚切换为关闭状态的功率FET 116的输出端处的V(线路输出)，并且在判定914，MCU 102确定V(线路输出)是否变低。如果V(线路输出)确实变低，则MCU 102能够断定气隙断开单元108已发生闭合故障并且线路输入电流/电压传感器154中的一个以上可能已发生故障。由于两者都是严重的问题，因此在步骤916，MCU 102指导感测和驱动电路104将剩余的功率FET 116切换为关闭状态并防止将功率FET116重新切换回开启状态的任何进一步尝试，并且在步骤918，向系统监督者报告气隙断开单元108已发生闭合故障并且线路输入电流/电压传感器154中的一个或更多个也可能已发生故障。MCU 102还可以经由comm/control总线124向远程计算机报告故障或可能故障，和/或指导SSCB 100的显示器在其电子显示器113上显示故障信息，如步骤918所示。
如果在判定814处V(线路输出)没有变低(在判定914处为“否”)，则MCU 102能够断定气隙断开单元108没有发生闭合故障，而是线路输出电流/电压传感器156中的一个或更多个可能已发生故障。因此，在步骤922，MCU 102指导感测和驱动电路104将剩余的功率FET116切换为关闭状态，禁止气隙断开单元108重新接合，并防止将功率FET 116切换回开启状态的任何进一步尝试。在这种状态下，SSCB 100被锁定，直到可以由能胜任的电工或工程师进行维修/修理。最后，在步骤924，MCU 102向系统监督者报告线路输出电流/电压传感器156中的一个或更多个的可能故障和/或指导SSCB 100在其电子显示器113上指示线路输出电流/电压传感器156中的一个或更多个可能已发生故障。
在判定910，如果MCU 102确定在三个相中的任何一个相中V(线路输入)不小于V(线路输出)(在判定810处为“否”)，则MCU 102能够正确地断定气隙断开单元108未发生闭合故障并且线路输入电流/电压传感器154按预期运行。然而，该判定本身并不排除线路输出电流/电压传感器156中的一个或更多个已发生故障的可能性。为确保线路输出电流/电压传感器156按预期工作，执行判定920，具体地，查询针对任何给定相是否V(线路输入)>V(线路输出)。如果针对任何给定相V(线路输入)>V(线路输出)(在判定920处为“是”)，则MCU102能够正确地断定尽管气隙断开单元108未发生闭合故障并且线路输入电流/电压传感器154按预期运行，但线路输出电流/电压传感器156中的一个或更多个可能已发生故障。因此，执行步骤922以锁定SSCB 100，最后，在步骤924，MCU 102向系统监督者报告线路输出电流/电压传感器156中的一个或更多个的可能故障和/或指导SSCB 100在其电子显示器113上指示线路输出电流/电压传感器156中的一个或更多个可能已发生故障。
除了被编程为监测和诊断气隙断开单元108是否已发生闭合故障，在本发明的一个实施方式中，MCU 102被编程为还监测和诊断气隙断开单元108是否已发生断开故障。图10(包括图10A和图10B)是MCU 102(与SSCB 100的其它协作部件一起)在这方面执行的方法1000的流程图。在方法1000开始之前，假设所有功率FET 116都处于开启状态并且气隙断开单元108被接合(气隙触点开关114闭合)。然后，在步骤1002和步骤1004，在FET功率模块106的线路输入侧和线路输出侧测量所有三个相的输入电压和输出电压。在判定1006，使用MCU102从线路输入电流/电压传感器154和线路输出电流/电压传感器165接收的电流/电压测量结果，该MCU 102确定在任何给定相中是否在FET功率模块106的线路输入侧和线路输出侧两者都没有可测量的电压。如果存在(在判定1006处为“是”)，则MCU 102能够断定气隙断开单元108的一个或更多个相已发生断开故障。因此，在步骤1008，MCU 102通过comm/control总线124向系统监督者报告气隙断开单元108的一个或更多个相已发生断开故障。
如果MCU 102确定针对三个相中的每一个相在FET功率模块106的线路输入侧和线路输出侧都没有可测量的电压(在判定1006处为“否”)，则线路输入电流/电压传感器154和线路输出电流/电压传感器156中的一个或更多个仍然可能已发生故障或可能正发生故障。为了进一步确认并隔离任何已发生故障或可能正发生故障的线路输入电流/电压传感器154或者已发生故障或可能正发生故障的线路输出电流/电压传感器156，执行步骤1010至步骤1022。具体地，在判定1010，MCU 102根据由线路输入电流/电压传感器154和线路输出电流/电压传感器156进行的线路输入和线路输出电压测量确定在三个相中的任何一个相中线路输入电压与线路输出电压之间是否存在电压差异。如果“否”，则MCU 102能够断定所有线路输入和线路输出电压传感器154和156以及气隙断开单元108都正常工作并且方法1000结束。另一方面，如果在判定1010处MCU 102确定在三个相中的任何一个相中在线路输入电压与线路输出电压之间存在电压差异(在判定1010处为“是”)，则MCU 102能够正确地断定电压传感器154和/或156中的一个或更多个已发生故障或可能正发生故障。为了确定任何发生故障的相中的已发生故障或正发生故障的电压传感器是线路输入电流/电压传感器154还是线路输出电压传感器156，在步骤1012，MCU 102指导感测和驱动电路104将在判定1010中确定电压传感器154和/或156中的一个或更多个已发生故障或可能正发生故障的每个相中的功率FET 116切换为关闭状态，并且在判定1014，MCU 102然后确定这些相中的每个相中V(线路输出)是否变低或保持高。如果V(线路输出)在任何相中都没有变低(在判定1014处为“否”)，则MCU 102断定线路输出电压传感器156中的一个或更多个已发生故障或可能正发生故障和/或功率FET 116中的一个或更多个功率FET 116已发生故障，并且根据该确定，在步骤1016中防止将功率FET 116切换回开启状态的任何进一步尝试。然后在步骤1018，MCU 102向系统监督者报告线路输出电压传感器156中的一个或更多个已发生故障或可能正发生故障和/或功率FET 116中的一个或更多个功率FET 116已发生故障，和/或指导SSCB 100的电子显示器113指示线路输出电压传感器156中的一个或更多个已发生故障或可能正发生故障和/或功率FET 116中的一个或更多个功率FET 116已发生故障。另一方面，如果MCU 102在判定1014处确定在步骤1012将功率FET 116切换为关闭状态之后V(线路输出)在所有相中变低(在判定1014处为“是”)，则MCU 102断定线路输入电压传感器154中的一个或更多个已发生故障或可能正发生故障。根据该确定，在步骤1020，MCU 102防止将功率FET 116切换回开启状态的任何进一步尝试。最后，在步骤1022，MCU 102向系统监督者报告线路输入电流/电压传感器154中的一个或更多个已发生故障或可能正发生故障和/或指导SSCB 100的电子显示器113指示线路输入电压传感器154中的一个或更多个已发生故障或可能正发生故障。
气隙断开单元108中的螺线管118需要大量能量来驱动气隙断开单元108断开。为了避免由AC/DC转换器126(如上所述，其用作SSCB 100中的DC电子设备(包括MCU 102、CRM103和感测和驱动电路104上的DC部件)的DC电源)产生的DC电压VDC出现不期望的骤降，大气隙断开电容器117用作触发螺线管118的能量源。(请注意：在本发明的一些实施方式中，气隙断开电容器117还被配置为用作短时间的备份DC电源，其在AC/DC转换器126产生的DC电压VDC丢失的情况下，提供备份DC电压VDC(备份))。在本发明的一个实施方式中，MCU 102被编程为监测和诊断气隙断开电容器117的活力、功效和可操作性，并且在确定气隙断开电容器117已发生故障或正发生故障时生成允许AC/DC转换器126绕过气隙断开电容器117的电容器旁路信号。图11是例示了该方法1100的流程图。方法1100是在气隙断开电容器117充电时执行的，特别是在每次SSCB 100启动时以及在每次由于气隙断开单元108中的螺线管118点火而放电后再次充电时。在第一步骤1102期间，在气隙断开电容器117充电时，MCU102测量充电电压速率dV/dt(测量的)。在步骤1104，MCU 102将所测量的充电速率dV/dt(测量的)与预期的(预定的)充电速率dV/dt(预期的)进行比较，然后在判定1106处确定dV/dt(测量的)是否显著超过或显著下降到低于预期的充电速率dV/dt(预期的)。如果不是(在判定1106处为“否”)，则MCU 102能够断定气隙断开电容器117正常运行并且方法1100结束。另一方面，如果在判定1106处，MCU 102确定所测量的充电速率dV/dt(测量的)显著大于或显著小于预期的充电速率dV/dt(预期的)(在判定1106处为“是”)，则在步骤1108，MCU 102断定气隙断开电容器117已发生故障或可能正发生故障，并且MCU 102生成并施加使电容器旁路开关123(参见图1)处于闭合状态以绕过气隙断开电容器117的电容器旁路控制信号。在该旁路配置中，AC/DC功率转换器127用于触发气隙断开单元108。由于这不是优选配置(优选的是使用存储在气隙断开电容器117中的能量来触发气隙断开单元的螺线管118)，所以在步骤1110，MCU 102向系统监督者报告气隙断开电容器117已发生故障或可能正发生故障并且需要更换。另外地(或另选地)，MCU 102还可以指导SSCB 100的电子显示器113指示气隙断开电容器117已发生故障或可能正发生故障。
因为MCU 102是SSCB 100的‘大脑’，所以它不会发生故障是很重要的，但是在它确实发生故障的不太可能的情况下，最好有某种方式在不具有MCU 102的所需辅助的情况下使SSCB 102跳闸。为了实现该目标并且如图12所例示，在本发明的一个实施方式中，MCU102被编程为在其输出端之一处产生周期性‘心跳’(例如，10kHz方波)。心跳被馈送到外部‘看门狗’1202的输入端，该外部‘看门狗’产生将功率FET 116切换为关闭状态(或用于指导感测和驱动电路104将功率FET 116切换为关闭状态)的输出信号。另外地，看门狗1202生成触发气隙断开单元108断开接合(断开气隙触点开关114)的螺线管触发信号，类似于当MCU102正常工作时MCU 102如何生成螺线管触发信号来触发气隙断开单元108断开接合。另选地，看门狗1202被配置为在将功率FET 116切换为关闭状态之前和在触发气隙断开单元108之前首先尝试复位MCU 102。可以以各种方式构造看门狗1202。在本发明的一个实施方式中，看门狗1202包括计数器和触发器，它们一起监测MCU 102的心跳并生成禁用信号来在心跳呈平线或变得不稳定或非周期性时将功率FET 116切换为关闭状态并将气隙断开单元108断开接合。
在本文描述的SSCB 100的示例性实施方式中，AC/DC转换器126(参见图1)用作SSCB 100内的MCU 102、CRM 103、感测和驱动电路104以及其它DC供电电子设备的主DC电源。在本发明的一个实施方式中，AC/DC转换器126的AC输入电力是由AC干线供应的AC干线电力。因此，重要的是监测AC干线电力的存在以及AC/DC转换器126的活力和可操作性，以确保SSCB 100的预期和正确操作，并在AC输入电力丢失和/或AC/DC功率转换器126发生故障的情况下采取适当的措施。在本发明的一个实施方式中，持续监测AC输入电力的存在并且还监测AC/DC转换器126的活力、功效和可操作性。如果确定不存在AC输入电力和/或确定AC/DC转换器126已发生故障或确定其可能正发生故障，则MCU 102指导感测和驱动电路104将功率FET 116切换为关闭状态(如果需要，使用存储在气隙断开电容器117中的能量)。图13是进一步例示了该方法1300的流程图。在步骤1302监测AC/DC转换器126的DC输出电压VDC时，在判定1304，MCU 102确定VDC是否小于某个预定的低DC阈值VDC(阈值)，即，确定是否VDC<VDC(阈值)。如果MCU 102确定VDC已下降到阈值VDC(阈值)以下(在判定1304处为“是”)并且VDC已保持低于阈值的时间超过某个预定持续时间，并且在判定1306处MCU 102还确定AC电力存在于AC/DC转换器126的输入端，则MCU 102能够正确地断定AC/DC转换器126已发生故障或可能正发生故障。因此，在步骤1312，MCU 102：指导感测和驱动电路104将功率FET 116切换为关闭状态、生成使气隙断开单元108断开接合并断开气隙触点开关114的螺线管触发信号并防止将功率FET 116切换回开启状态并重新接合气隙断开单元108的任何进一步尝试，直到可以派遣电工或工程师更换SSCB 100或移除已发生故障或正发生故障的AC/DC转换器126并将其替换为正常工作的AC/DC转换器。如果在判定1306处MCU 102确定AC电力不存在于AC/DC转换器126的输入端，则MCU 102不能断定VDC由于已发生故障或正发生故障的AC/DC转换器126已下降到阈值VDC(阈值)以下。为了使SSCB 100能够在AC电力恢复的情况下恢复其正常操作，在步骤1312，SSCB 100的当前状态可以存储在SSCB 100的CRM 103的闪存存储器部分中。
气隙断开单元108被设计为在SSCB 100检测到故障或令人无法接受的长持续时间的过载时电流隔离负载。为了防止跨气隙产生电弧，最好在气隙断开单元108完成在线路输入端子110与线路输出端子112之间形成气隙之前将功率FET 116切换为关闭状态。为了实现这种保护，在本发明的一个实施方式中，MCU 102被编程为连续监测功率FET 116的活力、功效和可操作性。然后，在确定功率FET 116中的一个或更多个功率FET 116已发生故障(或可能正发生故障)后，禁止MCU 102生成触发气隙断开单元108断开气隙触点开关114的螺线管触发信号。图14是更详细地例示了该方法1400的流程图。首先，在步骤1402，FET功率模块中的功率FET 116被切换为关闭状态。然后，在步骤1404和步骤1406，电流/电压传感器154和156感测/测量FET功率模块106的线路输入侧和线路输出侧处的每个相的电压。使用所测量的电压，在步骤1408，MCU 102然后确定跨任何一个功率FET 116的漏极-源极端子是否存在电压降ΔV。由于功率FET 116在步骤1402被切换为关闭状态，因此应该存在电压ΔV。如果确定存在电压ΔV(在判定1410处为“是”)，则MCU 102能够正确地断定功率FET 116实际上被切换为了关闭状态并按预期操作，并且方法1400结束。然而，如果MCU 102确定跨任何一个功率FET 116的任何一个漏极-源极端子都没有出现电压降ΔV，或者仅出现非常小的电压降ΔV(在判定1410处为“否”)，则MCU 102能够断定功率FET 116中的一个或更多个功率FET 116已发生关闭故障(或可能已发生关闭故障或正发生关闭故障)。根据该确定，在步骤1412，MCU 102然后防止气隙断开单元108断开接合(因此线路输入端子110与线路输出端子112之间不可能发生电弧)并防止将功率FET 116切换回开启状态的任何进一步尝试。最后，在步骤1414，MCU 102向系统监督者报告功率FET 116中的一个或更多个功率FET 116已发生故障(或可能已发生故障或正发生故障)和/或指导SSCB 100的电子显示器指示功率FET 116中的一个或更多个功率FET 116已发生故障(或可能已发生故障或正发生故障)。
作为图14描绘的方法1400的另选方案，在判定1410处确定ΔV等于或略大于零之后，MCU 102被编程为命令气隙断开单元108触发并形成气隙，但仅当气隙断开单元108尚未超过某一预定的最大气隙电弧暴露数时。以这种方式，在功率FET 116中的一个或更多个功率FET 116已发生闭合故障并且只要尚未达到最大气隙电弧暴露数的情况下，可以有利地在线路输入端子110与线路输出端子112之间形成气隙并电流隔离负载。图15是例示了该另选方法1500的流程图。首先，在判定1410处确定ΔV不大于零之后，在判定1502，MCU 102确定是否已达到预定的最大气隙电弧数。如果不是(在判定1502处为“否”)，则在步骤1504，MCU 102命令气隙断开单元108在线路输入端子110与线路输出端子112之间形成气隙，尽管功率FET 116中的一个或更多个功率FET 116可能已发生闭合故障并且即使在线路输入端子110与线路输出端子112之间可能出现电弧也是如此。然后在步骤1506，MCU 102向系统监督者报告可能的功率FET故障和/或者指导SSCB 100的电子显示器113指示功率FET 116中的一个或更多个功率FET 116已发生故障或可能已发生故障。另一方面，如果MCU 102在判定1502处确定已达到预定的最大气隙电弧数(在判定1502处为“是”)，则在步骤1508，MCU102触发机械锁定机构160，以确保气隙断开单元108不能重新接合。
在SSCB 100的优选实施方式中，正温度系数(PTC)热敏电阻152(参见图1)尽可能靠近每个功率FET 116安装在FET功率模块106中。热敏电阻152被配置为测量和报告功率FET 116的实时工作温度，并且MCU 102被配置为根据图16中描绘的方法1600接收温度测量结果并对该温度测量结果做出响应。具体地，响应于由热敏电阻152感测/测量并报告给MCU102(步骤1602)的所感测/所测量的功率FET结温，在步骤1604，MCU 102确定功率FET 116中的任一个功率FET 116的所感测/所测量的结温TJ是否大于预定的最大允许结温TMAX，即，是否TJ＞TMAX。如果不是(在判定1604处为“否”)，则方法1600循环回到步骤1602。然而，如果MCU 102确定功率FET 116中的任一个功率FET 116的所感测/所测量的结温TJ大于预定的最大允许结温TMAX(在判定1604处为“是”)，则MCU 102能够断定功率FET 116中的一个或更多个功率FET 116中正发生可能的热失控情况。为了防止损坏SSCB 100中的功率FET 116和/或可能的其它部件，在步骤1606，MCU 102命令气隙断开单元108断开接合，以中断流过功率FET 116的电流，并且在步骤1608，MCU 102向系统监督者报告可能已发生热失控情况和/或指导SSCB 100的电子显示器113指示可能已发生热失控情况。另外地(或另选地)，MCU102还可以指导感测和驱动电路104将功率FET 116切换为关闭状态。
在本文公开的SSCB 100的示例性实施方式中，线路输入和线路输出电流和电压(电流/电压)传感器(例如，霍尔效应传感器)154和156被配置在FET功率模块116的输入端和输出端附近或输入端和输出端处。这些测量允许MCU 102确定功率FET 116中的任一个功率FET 116是否已发生关闭故障(如上所述)。在本发明的一个实施方式中，MCU 102被编程为通过确定与其它功率FET相比跨一个功率FET是否存在不平衡的Vdrop来进一步确定功率FET 116中的一个或更多个功率FET 116已发生故障(或可能正发生故障)。在正常操作条件下，线路电压的RMS值应该基本相同，因此在任何给定时间，跨所有三个功率FET 116的Vdrop的RMS值也应该基本相同。三个相之间的任何显著的Vdrop不平衡提供了功率FET 116中的一个或更多个功率FET 116已发生故障或可能正发生故障的指示。图17是流程图，该流程图突出显示了供MCU 102执行以检测这种不平衡的方法1700以及当确定存在Vdrop不平衡时采取的步骤。首先，在所有功率FET 116处于开启状态的情况下，在步骤1702和步骤1704，线路输入电流/电压传感器和线路输出电流/电压传感器感测/测量并报告所有三个功率FET 116的FET功率模块106的输入端和输出端处存在的线路输入电压和线路输出电压。接下来，使用所感测/所测量的电压，在步骤1706，MCU 102计算跨每个功率FET 116的Vdrop。在判定1708，如果Vdrop的值对于所有三个功率FET 116相同(在判定1708处为“否”)，则方法1700返回到步骤1702。然而，如果MCU 102确定与其它功率FET 116相比一个功率FET 116中存在显著的Vdrop不平衡(在判定1708处为“是”)，则MCU 102能够断定功率FET 116中的一个或更多个功率FET 116已发生故障或可能正发生故障。因此，在步骤1710，MCU 102指导感测和驱动电路104将功率FET 116切换为关闭状态并命令气隙断开单元108在线路输入端子110与线路输出端子112之间形成气隙。然后，在步骤1712，MCU 102向监督者报告功率FET 116中的一个或更多个功率FET 116已发生故障、可能正发生故障和/或指导SSCB 100的电子显示器113指示功率FET 116中的一个或更多个功率FET116已发生故障或可能正发生故障。
在刚刚参照图17描述的方法1700中，MCU 102被编程为使得当它确定三个功率FET116中存在Vdrop不平衡时，它能够确定功率FET 116中的一个或更多个功率FET 116已发生故障(或可能正发生故障)。在SSCB 100的仅采用了单个功率FET的单相版本中，MCU 102被编程为计算Vdrop(再次来自实时线路输入和线路输出电压测量结果，但仅跨单个电源FET)并基于Vdrop确定单个功率FET是否已发生故障。在图18中呈现的流程图中描述了该方法1800。首先，在步骤1802和步骤1804，感测/测量功率FET 116的线路输入侧和线路输出侧两者上的电流/电压传感器并将其报告给MCU 102。在步骤1806，MCU 102然后计算跨单个功率FET 116的Vdrop，并且在判定1808，基于流过单个功率FET 116的所测量的电流和功率FET的已知工作特性(例如，如在SSCB 100的设计期间从功率FET的表征获得的和/或从功率FET制造商提供的工作特性获得的)确定是否Vdrop>Vds(预期)。如果Vdrop接近Vds(预期)，则方法1800返回到步骤1802。然而，如果MCU 102在判定1708处确定Vdrop与Vds(预期)显著不同，则MCU 102能够正确地断定单个功率FET 116已发生故障或可能正发生故障。因此，在步骤1810，MCU 102指导感测和驱动电路104将功率FET 116切换为关闭状态和/或命令气隙断开单元108断开接合并在线路输入端子与线路输出端子之间形成气隙。最后，在步骤1812，MCU 102警告系统监督者功率FET 116已发生故障或可能正发生故障，以便随后可以派遣电工或工程师到现场用新的SSCB替换SSCB 100或移除有缺陷的功率模块106并将其替换为具有正常工作的功率FET 116的新的功率模块106。另外地(或另选地)，MCU 102可以指导SSCB100的电子显示器指示功率FET 116已发生故障或可能正发生故障。
在SSCB 100的优选实施方式中，线路输出电流/电压传感器156包括霍尔效应传感器，其产生与由于电流流过线路输出导体而形成在每个线路输出导体周围的磁场成比例的霍尔电压。因为磁场强度与流过线路输出导体的电流大小成正比，所以霍尔电压表示当功率FET 116被切换为开启状态并且气隙断开单元108被接合(气隙触点开关114闭合)时流过SSCB 100的电流的大小。因为准确的霍尔效应测量对于SSCB 100的正确操作至关重要，所以在本发明的一个实施方式中，MCU 102被编程为监测性能并诊断任何电流感测故障。SSCB100和MCU 102在这方面执行的示例性方法1900在图19中呈现。首先，在所有功率FET 116处于开启状态并且气隙断开单元108接合的情况下，在步骤1902，线路输出电流/电压传感器156中的霍尔效应传感器感测/测量流出线路输出端子112的线路电流。优选地，霍尔效应测量(霍尔电压)是实时执行的，必要时放大，并且报告给MCU 102。在判定1904，MCU 102基于霍尔电压确定三个所感测/所测量的电流中的任何一者的RMS是否与其它两个显著不同。如果“是”，则MCU 102能够断定霍尔效应传感器中的一个霍尔效应传感器已发生故障或正发生故障，因此在步骤1906指导感测和驱动电路104将功率FET 116切换为关闭状态和/或生成用于气隙断开单元108的螺线管触发信号，以触发气隙断开单元108断开接合并在线路输入端子110与线路输出端子112之间形成气隙。然后，在步骤1908，MCU 102向系统监督者报告当前传感器故障和/或使SSCB 100的电子显示器113指示电流传感器中的一个或更多个电流传感器已发生故障或可能正发生故障。如果在判定1904处MCU 102确定三个所感测/所测量的电流是平衡的(所有三个所感测/所测量的电流的RMS基本相同)(在判定1904处为“否”)，则该确定没有完全消除线路输入电流/电压传感器154和/或线路输出电流/电压传感器156中的一者或更多者已发生故障或可能正发生故障的可能性，因此执行步骤1910至步骤1914和决策1916。具体地，在步骤1910和步骤1912，在FET功率模块106的输入端和输出端处针对所有三个相测量线路输入电压和线路输出电压。在步骤1914，MCU 102然后针对所有三个相计算Vdrop＝V(线路输入)-V(线路输出)。最后，在判定1916，如果MCU 102确定针对任何给定相，V(线路输入)和V(线路输出)都为高且Vdrop高于预期而电流为低(在判定1916处为“是”)，则MCU 102能够断定线路输入电流/电压传感器154和/或线路输出电流/电压传感器156中的一者或更多者已发生故障或可能正发生故障并且执行步骤1906和步骤1908。否则(在判定1916处为“否”)，该方法返回到步骤1902。
本文所述的SSCB 100的示例性实施方式包括复位按钮144，人可以按下该复位按钮144以手动重新接合气隙断开单元108并关闭线路输入端子110与线路输出端子112之间的气隙。在按下复位按钮144并且闭合气隙触点开关104之后，人然后可以按下绿色开启按钮107，以将功率FET 116切换为开启状态，从而将SSCB 100置于完全开启状态。如果由于任何原因按下复位按钮144没有成功地重新接合气隙断开单元108并且人然后按下开启按钮107以将功率FET 116切换为开启状态，则当释放该机构时可能跨气隙断开开关114中的一者或更多者发生不期望的电弧。为了避免该问题，在本发明的一个实施方式中，SSCB 100的MCU 102和其它协作部件被配置为执行气隙接合验证方法2000，其示例性实施方式在图20中描绘。该气隙接合验证方法2000基于以下事实操作：每当人按下复位按钮144以接合气隙断开单元108时，当柱塞128被推出螺线管壳体以锁定并重新接合气隙断开单元108时，螺线管的柱塞128的运动导致在螺线管118的线圈中生成小的电脉冲。该脉冲的存在和形状由MCU 102在气隙接合验证方法2000中用于验证气隙断开单元108实际上已正确接合。具体地，在步骤2002，在按下复位按钮144后，出现在螺线管118的线圈的端子处的脉冲被放大、过滤并引导到MCU 102的输入端。接下来，在判定2004，MCU 102比较接收到的脉冲和预期脉冲。如果接收到的脉冲与预期脉冲匹配(在判定2004处为“是”)，则MCU 102能够断定气隙断开单元108已正确接合，并因此允许按下开启按钮107以将功率FET 116切换为开启状态。另一方面，如果接收到的脉冲与预期脉冲不匹配(或者如果在按下复位按钮144时MCU 102没有接收到脉冲)(在判定2004处为“否”)，则在步骤2008，MCU 102防止针对开启按钮107的任何按动以将功率FET 116切换为开启状态。以这种方式，如果功率FET 116以其它方式被允许切换为开启状态，则防止跨气隙触点开关114发生电弧。最后，在步骤2010，MCU 102向系统监督者报告气隙断开单元108可能已发生断开故障和/或指导SSCB 100的电子显示器113指示气隙断开单元108可能已发生断开故障。
在本发明的一个实施方式中，SSCB 100的三个相中的每个相都包括一对背靠背功率FET 116，而不仅仅是单个功率FET，如图21所例示。背靠背功率FET配置在某些应用中是可取的，因为除其它属性外，它还有助于感应电机负载的软启动，类似于前面提到的和共同转让的美国专利No.10,541,530中所解释的。在瞬时跳闸条件期间(例如，当线路电流中的一个或更多个线路电流超过SSCB 100的额定电流IRATED的某个倍数(例如，x6 IRATED)时，感测和驱动电路104将功率FET 116切换为关闭状态。当功率FET 116在这种情况下被切换为关闭状态时，会跨SSCB 100产生高压振铃(high-voltage ringing)，特别是在背靠背功率FET 116的一个或更多个功率FET 116的漏极与漏极之间。在FET功率模块106的在图21中描绘的版本中，浪涌保护器件(SPD)2102(例如，金属氧化物变阻器(MOV)或瞬态电压抑制(TVS)二极管)跨每对背靠背功率FET 116在每个相中连接。在瞬时跳闸条件期间，如果跨SPD 2102产生的电压超过某个预定阈值，则SPD 2102开启。当开启时，SPD 2102钳制跨每个背靠背功率FET配置的漏极到漏极的电压，以防止高压振铃。然而，SPD 2102在开始退化并最终发生故障之前只能承受如此多的高压抑制。在本发明的一个实施方式中，MCU 102被配置为执行方法2200，该方法2200监测SPD 2102的健康状况，并且如果SPD 2102中的任何一个或更多个SPD 2102发生故障或完全退化，则锁定SSCB 100，以便然后可以派遣电工或工程师到现场维修SSCB 100(例如，通过更换一个或更多个已发生故障或退化的SPD 2102)或用具有新的SPD 2102的新的SSCB 100更换该SSCB 100。图22是描绘了该SPD健康监测方法2200的示例性实施方式的流程图。首先，在步骤2202，MCU 102连续监测SSCB 100的输入端和输出端处的线路输入电压和线路输出电压。接下来，在判定2204确定发生瞬时跳闸条件时(在判定2204处为“是”)，在步骤2206，感测和驱动电路104将功率FET 116切换为关闭状态。一旦功率FET 116已切换为关闭状态，则在判定2208处MCU 102(基于由线路输入电流/电压传感器154和线路输出电流/电压传感器156进行的电压测量)确定跨任何一对背靠背功率FET 116的电压降Vdrop(即，跨任何SPD 2102的电压降Vdrop)是否小于某个预定的最小电压阈值(在一个示例性实施方式中，小于SPD的标称电压降的60％)。(请注意，由于每个SPD 2102跨其相关联的背靠背功率FET 116漏极到漏极连接，所以跨每对背靠背功率FET116的Vdrop与跨其相关联的SPD 2002的电压降相同。)在本发明的一个实施方式中，每个相的Vdrop是基于在瞬时跳闸条件事件期间进行的一系列瞬时电压降测量确定的平均电压降Vdrop(avg)。针对每个相，在MCU 102的每个执行周期上进行绝对瞬时电压降测量，并且MCU102通过检查瞬时值与之前的值来寻找平台(plateau)。为了确定每对背靠背功率FET 116的平均电压降Vdrop(avg)，对于给定电流水平，将平台区中的绝对瞬时电压降测量结果添加到累加器。该循环还计数平台的时间段。使用所计数的时间段和累加器值，然后针对定义电流计算平均电压降Vdrop(avg)。针对所有三个相重复该操作，从而产生三相平台区的平均钳位电压电平和时间段。由于三相系统的性质，所以SPD 2102中的两个SPD 2102将在瞬时跳闸条件事件期间以类似的方式受到影响。在执行判定2208时，通过测量电流来识别两个受影响的相，并且一旦被识别，MCU 102就确定两个识别相中的任一个的Vdrop(avg)是否已下降到预定最小电压阈值以下。如果MCU 102在判定2208确定所有SPD 2102仍在按预期工作(即，在判定2208处为“否”)，则在步骤2210，MCU 102生成螺线管触发信号，以使气隙断开单元108断开接合并在线路输入端子110与线路输出端子112之间形成气隙，从而对先前在判定2204处检测到的瞬时跳闸条件做出响应。另一方面，如果MCU 102在判定2208确定三个相中的任何一个相中的Vdrop(avg)已下降到小于预定最小电压阈值的水平(即，在判定2208处为“是”)，则MCU 102能够正确地断定SPD 2102中的一个或更多个SPD 2102可能已发生故障或已完全退化(因为抑制了太多的电压浪涌)，以致于应该更换它们。因此，如果在判定2208处结果为“是”，则在步骤2212，MCU 102生成螺线管触发信号，以使气隙断开单元108断开接合并在线路输入端子110与线路输出端子112之间形成气隙。最后，在步骤2214，MCU102警告系统监督者SSCB 100中的SPD 2102中的一个或更多个SPD 2102可能已发生故障或已完全退化至需要更换的程度，和/或使SSCB 100的电子显示器113指示SPD 2102中的一个或更多个SPD 2102可能已发生故障或已完全退化至需要更换的程度。
如上面详细解释的，优选地，在形成气隙之前首先关闭FET功率模块106中的功率FET 116，使得不会跨气隙发生电弧。为了便于该操作，在本发明的一个实施方式中，释放按钮122(参见图1至图3和图5)配备有微动开关，该微动开关根据释放按钮122的物理位移来断开和闭合。(在SSCB 100的优选实施方式中，使用了两个触觉机械开关115(参见图3)(两个用于冗余)。微动开关与MCU 102进行电通信，从而允许MCU 102监测其状态，即，断开或闭合。只要释放按钮122处于其自然状态(未被推动)，微动开关就保持闭合。然而，当人按下释放按钮122并且释放按钮移动到SSCB外壳中时，微动开关断开。当MCU 102检测到微动开关的这种状态变化时，它通过指导感测和驱动电路104将FET功率模块106中的功率FET 116切换为关闭状态而立即做出响应。在该过程中，功率FET 106非常快地被切换为关闭状态，远在气隙断开单元108能够完成形成气隙之前。以这种方式，防止了跨气隙的电弧。
在本发明的一个实施方式中，存储在CRM 103中并由MCU 102检索和执行的计算机程序指令不仅使MCU 102能够监测一个或更多个微动开关115的操作状态，它们进一步包括使MCU 102能够执行以下操作的指令：响应于任何确定的故障，确定一个或更多个微动开关115是否已发生故障，例如，通过锁定SSCB 100，以及向系统监督者通知任何故障。图23是例示了根据本发明的这个特定方面的供MCU 102执行的方法2300的流程图。首先，紧随SSCB100的输入端处的电压崩溃但内部电源的DC电力没有电压崩溃(步骤2302)，在判定2304，MCU 102确定它是否从一个或更多个微动开关接收到指示人按下释放按钮122的状态信号变化。如果在判定2304处为“是”，则MCU 102能够在步骤2306正确地断定释放按钮122实际上被按下，并且在步骤2308进入故障状态(功率FET 116被切换为关闭状态并且气隙断开单元108断开接合)。另一方面，如果MCU 102没有从一个或更多个微动开关115接收到信号(在判定2304处为“否”)，则仍然有可能人确实按下了释放按钮122，但由于某种原因MCU 102没有收到指示释放按钮已被按下的信号。为了确定释放按钮122是否确实被按下但是一个或更多个微动开关115可能已发生故障，执行判定2310。具体地，在判定2310，MCU 102询问是否在线路输入电压传感器154检测到SSCB输入端处的电压崩溃时SSCB 100启动了触发气隙断开单元108的命令(通过触发螺线管118自动地触发)。如果确实如此(在判定2310处为“是”)，则在步骤2312，MCU 102断定SSCB 100自动响应了故障(没有人按下释放按钮122)并且在步骤2314命令SSCB 100进入故障状态(功率FET 116被切换为关闭状态并且气隙断开单元108断开接合)。另一方面，如果MCU 102没有从一个或更多个微动开关115接收到状态变化信号(在判定2304处为“否”)并且MCU 102没有启动触发气隙断开单元108的命令(在判定2310处为“否”)，则MCU 102在步骤2316断定人实际上确实按下了释放按钮122，但由于某种原因，在释放按钮122被按下时，MCU 102没有从一个或更多个微动开关115接收到信号。换句话说，在步骤2216，MCU 102能够正确地断定尽管人实际上确实按下了释放按钮122，但一个或更多个微动开关115可能已发生故障。在做出该判定之后，在步骤2318，MCU 102指导感测和驱动电路104将功率FET 116切换为关闭状态、触发气隙断开单元108断开接合并在SSCB 100的电子显示器113上指示一个或更多个微动开关115可能已发生故障。最后，在步骤2320，MCU 102(经由comm/control总线124)向系统监督者报告一个或更多个微动开关115可能已发生故障并且需要更换。
在上述本发明的示例性实施方式中，SSCB 100被设计成使得它可以在没有任何人为干预的情况下执行各种诊断、维护和自保护方法。在本发明的一些实施方式中，SSCB 100被设计成使得上述各种方法中的许多方法也可以(或另选地)按需执行，即，由用户发起，例如，由电工、工程师或电力公司发起。当SSCB 100安装在分配面板2402(参见图24)中时，为了促进这种按需能力，SSCB 100并且特别是其MCU 102被编程为经由配置在分配面板2402中的有线(或无线)头端接口2404与外部用户计算机2406进行通信。图25是示出了用户计算机2406的主要部件的图，用户计算机2406可以包括服务器、台式计算机、膝上型计算机、平板计算机、智能手机或任何其它类型的计算设备。如图(图25)所示，用户计算机2406包括微处理器2502；CRM 2504；人机界面(HMI)2506，用户可以通过它与用户计算机2406进行交互；电子显示器2508；以及可选的大容量存储设备2510(例如，磁性硬盘驱动器或固态驱动器)。CRM 2504被配置为存储指导微处理器2502如何操作的计算机程序指令。这些计算机程序指令包括：为微处理器2502提供通过comm/control总线124经由头端接口2404与各种SSCB100中的MCU 102进行通信的能力的指令和协议、允许微处理器2502单独寻址SSCB 100中的每一个SSCB 110的指令，以及控制微处理器2502与各种SSCB 100中的MCU 102进行通信的时间的指令。在本发明的一个实施方式中，以用户交互图形用户界面(GUI)的形式呈现了由用户计算机2406提供的用户交互能力，并且存储在用户计算机2406的CRM 2504中的计算机程序指令包括指导微处理器2502生成并在用户计算机的电子显示器2508上显示一个或更多个GUI窗口或页面的指令。优选地，电子显示器2508配备有触摸屏技术，这使得用户计算机2406的用户能够通过触摸电子显示器2508的屏幕或通过使用触控笔与GUI窗口或页面进行交互。使用利用一根或更多根手指的简单或多点触摸手势，用户可以滚动、缩放、输入信息等，并控制在电子显示器2508上显示什么GUI窗口或页面和内容。GUI和电子显示器2508可以另选地(或另外地)被配置为使得用户可以使用鼠标、触摸板或其它非触摸输入设备与GUI窗口或页面和内容进行交互。为了便于用户交互，GUI窗口或页面优选地包括图标和小部件，诸如单选按钮、滑块、微调器、下拉列表、菜单、组合和文本框、滚动条等。供微处理器2502执行以生成GUI的计算机程序指令优选地包括托管在本地网关上的应用；然而，它另选地可以包括安装在本地服务器上或远程的(例如，在云中)的web服务。优选地，GUI包括允许用户调度诊断和/或维护的定期发生的日历，以及允许用户启动按需诊断和/或维护的用户交互图标和/或小部件。无论是调度的还是按需的，用户计算机2406的微处理器202优选地被编程为报告回显示任何诊断和/或维护运行的结果、任何给定SSCB 100的任何各种部件的任何故障(或预测的故障)以及推荐的纠正措施的GUI窗口或页面。为了进一步促进按需诊断和/或维护，在本发明的一个实施方式中，SSCB 100进一步包括按需诊断按钮(例如，标记为“测试”)，或者另选地，备用按钮111被配置为用作双重用途的按钮，当被按下时，该按钮启动按需诊断和/或维护过程。
虽然已经描述了本发明的各种实施方式，但是它们是通过示例而非限制的方式呈现的。对于相关领域的技术人员来说显而易见的是，在不脱离本发明的真实精神和范围的情况下，可以对示例性实施方式进行形式和细节上的各种改变。因此，本发明的范围不应由示例性实施方式的细节限制，而是应由所附权利要求确定，包括这些权利要求所赋予的等同物的全部范围。

Claims (48)

1.一种固态断路器SSCB，所述SSCB包括：
线路输入端子和线路输出端子；
功率半导体器件，所述功率半导体器件被配置在所述线路输入端子与所述线路输出端子之间；
感测和驱动电路，所述感测和驱动电路被配置为监测流过所述功率半导体器件的电流，并在检测到短路或令人无法接受的长持续时间的过度过载时将所述功率半导体器件切换为关闭状态；以及
微控制器单元MCU，所述MCU被配置为在所述功率半导体器件处于开启状态时在正常操作条件期间监测所述功率半导体器件的可操作性，并且在确定所述功率半导体器件已发生故障或可能已发生故障时，生成指示所述功率半导体器件已发生故障或可能已发生故障的警报。
2.根据权利要求1所述的SSCB，所述SSCB进一步包括气隙断开单元，所述气隙断开单元与所述功率半导体器件串联连接在所述线路输入端子与所述线路输出端子之间，所述气隙断开单元被配置为在所述感测和驱动电路将所述功率半导体器件切换为关闭状态之后在所述线路输入端子与所述线路输出端子之间形成气隙，其中，在正常操作条件期间，当所述功率半导体器件处于开启状态并且在所述线路输入端子与所述线路输出端子之间没有形成气隙时，所述MCU进一步被配置为监测所述气隙断开单元的所述可操作性，并且在确定所述气隙断开单元已发生故障或可能已发生故障时，指导所述感测和驱动电路将所述功率半导体器件切换为关闭状态。
3.根据权利要求2所述的SSCB，其中，所述MCU能够操作以确定所述气隙断开单元是否已发生断开故障或可能已发生断开故障，并且还能够操作以确定所述气隙断开单元是否已发生闭合故障或可能已发生闭合故障。
4.根据权利要求3所述的SSCB，其中，所述MCU被配置为在确定所述气隙断开单元已发生闭合故障时指导所述感测和驱动电路将所述功率半导体器件切换为关闭状态，并且防止所述功率半导体器件被切换回开启状态。
5.根据权利要求2所述的SSCB，其中，所述SSCB进一步包括复位按钮，在所述SSCB跳闸之后，人能够按下所述复位按钮以重新接合所述气隙断开单元并闭合所述气隙，并且所述MCU被配置为在允许所述感测和驱动电路将所述功率半导体器件切换回开启状态之前验证所述气隙断开单元响应于按下所述复位按钮而已成功重新接合。
6.根据权利要求5所述的SSCB，其中，所述复位按钮包括上锁挂牌LOTO孔，挂锁或其它锁定装置能够插入通过所述LOTO孔，以锁定所述复位按钮并防止所述复位按钮被按下而重新接合所述气隙断开单元。
7.根据权利要求6所述的SSCB，其中，所述SSCB进一步包括辅助锁定机构，在所述MCU确定所述SSCB的主要部件或主要功能中的任何一者或更多者已发生故障、可能已发生故障或可能正发生故障时，所述MCU触发所述辅助锁定机构，并且一旦被触发，无论所述挂锁或所述其它锁定装置是否插入通过所述LOTO孔，所述辅助锁定机构都会防止按下所述复位按钮而重新接合所述气隙断开单元。
8.根据权利要求2所述的SSCB，其中，所述SSCB进一步包括被配置在所述气隙断开单元与所述功率半导体器件之间的线路输入电流/电压传感器以及联接至所述线路输出端子的线路输出电流/电压传感器，并且所述MCU进一步被配置为监测所述线路输入电流/电压传感器和所述线路输出电流/电压传感器的可操作性，并且在确定所述线路输入电流/电压传感器已发生故障或可能正发生故障时，或者在确定所述线路输出电流/电压传感器已发生故障或可能正发生故障时，指导所述感测和驱动电路将所述功率半导体器件切换为关闭状态和/或触发所述气隙断开单元在所述线路输入端子与所述线路输出端子之间形成所述气隙。
9.根据权利要求2所述的SSCB，其中，所述MCU被配置为确定所述功率半导体器件是否已发生闭合故障或可能已发生闭合故障，并且在确定所述功率半导体器件已发生闭合故障或可能已发生闭合故障时，触发所述气隙断开单元在所述线路输入端子与所述线路输出端子之间形成所述气隙。
10.根据权利要求2所述的SSCB，其中，所述MCU进一步被配置为在发生短路或令人无法接受的长持续时间的过度过载时，无论所述感测和驱动电路是否已成功将所述功率半导体器件切换为关闭状态，都触发所述气隙断开单元在所述线路输入端子与所述线路输出端子之间形成所述气隙。
11.根据权利要求1所述的SSCB，所述SSCB进一步包括电子显示器，所述电子显示器被配置为在所述功率半导体器件已发生故障或可能已发生故障时向人发出警报。
12.根据权利要求2所述的SSCB，所述SSCB进一步包括电子显示器，所述电子显示器被配置为在所述气隙断开单元已发生故障或可能已发生故障时向人发出警报。
13.根据权利要求1所述的SSCB，其中，所述SSCB进一步包括直流DC电源，所述DC电源被配置为向所述SSCB的所述MCU和其它DC部件供应DC电力，并且所述MCU被配置为监测所述DC电源的输出电压，并且在确定所述输出电压已下降至预定阈值电压以下时，指导所述感测和驱动电路将所述功率半导体器件切换为关闭状态。
14.根据权利要求2所述的SSCB，其中，所述SSCB进一步包括直流DC电源，所述DC电源被配置为向所述SSCB的所述MCU和其它DC部件供应DC电力，并且所述MCU被配置为监测所述DC电源的输出电压，并且在确定所述输出电压已下降至预定阈值电压以下时，指导所述感测和驱动电路将所述功率半导体器件切换为关闭状态。
15.根据权利要求14所述的SSCB，其中，所述MCU进一步被配置为在确定所述DC电源的所述输出电压已下降至所述预定阈值电压以下时，触发所述气隙断开单元在所述线路输入端子与所述线路输出端子之间形成所述气隙。
16.根据权利要求15所述的SSCB，其中，所述气隙断开单元包括触发所述气隙断开单元的螺线管以及供应电流以致动所述螺线管的气隙断开电容器，并且所述MCU被配置为监测所述气隙断开电容器的可操作性，并且在确定所述气隙断开电容器已发生故障或可能正发生故障时，启用旁路电路，所述旁路电路绕过所述气隙断开电容器并临时配置所述DC电源以代替所述气隙断开电容器供应电流从而致动所述螺线管。
17.根据权利要求15所述的SSCB，其中，所述气隙断开单元包括气隙断开电容器，并且在所述MCU确定所述DC电源的所述输出电压已下降至所述预定阈值电压以下时，所述气隙断开电容器被配置为代替所述DC电源临时用作所述MCU的电源。
18.根据权利要求1所述的SSCB，其中，所述SSCB进一步包括紧邻所述功率半导体器件的热敏电阻，并且所述MCU进一步被配置为监测所述热敏电阻，并且在检测到所述功率半导体器件中的可能的热失控情况时，指导所述感测和驱动电路将所述功率半导体器件切换为关闭状态。
19.根据权利要求1所述的SSCB，所述SSCB进一步包括在所述MCU外部的看门狗电路，所述看门狗电路被配置为监测所述MCU的可操作性，并且在检测到所述MCU已发生故障或可能正发生故障时，将所述功率半导体器件切换为关闭状态，或指导所述感测和驱动电路将所述功率半导体器件切换为关闭状态。
20.根据权利要求19所述的SSCB，其中，所述SSCB进一步包括气隙断开单元，所述气隙断开单元与所述功率半导体器件串联连接在所述线路输入端子与所述线路输出端子之间，并且所述看门狗电路进一步被配置为在检测到所述MCU已发生故障或可能正发生故障时，触发所述气隙断开单元在所述线路输入端子与所述线路输出端子之间形成气隙。
21.根据权利要求2所述的SSCB，其中，所述SSCB进一步包括浪涌保护器件SPD，所述SPD被配置为防止所述功率半导体器件暴露于过高电压，并且所述MCU被配置为监测所述SPD的可操作性，并且在确定所述SPD已发生故障或已足够退化超过其预期和预定寿命后，触发所述气隙断开单元在所述线路输入端子与所述线路输出端子之间形成所述气隙。
22.根据权利要求2所述的SSCB，所述SSCB进一步包括与所述气隙断开单元机械连通的释放按钮，当由人手动按下所述释放按钮时，所述释放按钮使所述气隙断开单元断开接合，以在所述线路输入端子与所述线路输出端子之间形成所述气隙。
23.根据权利要求22所述的SSCB，其中，所述释放按钮配备有微动开关，所述微动开关根据所述释放按钮的物理位移而断开和闭合，并且其中，所述MCU被配置为监测所述微动开关的可操作性，并且在确定所述微动开关已发生故障或可能正发生故障时，指导所述感测和驱动电路将所述功率半导体器件切换为关闭状态和/或指导所述气隙断开单元在所述线路输入端子与所述线路输出端子之间形成所述气隙。
24.根据权利要求1所述的SSCB，其中，所述MCU进一步被配置为生成并提供有关所述SSCB的操作状态和诊断信息。
25.根据权利要求24所述的SSCB，其中，所述MCU被配置为自动生成并提供所述操作状态和所述诊断信息，并且另选地，按需或根据预定调度生成并提供所述操作状态和所述诊断信息。
26.根据权利要求24所述的SSCB，所述SSCB进一步包括通信和控制comm/control总线连接器，所述comm/control总线连接器被配置为连接至comm/control总线，所述MCU能够通过所述comm/control总线将所述操作状态和所述诊断信息发送至本地或远程计算机。
27.根据权利要求24所述的SSCB，其中，所述SSCB进一步包括电子显示器，所述电子显示器被配置为显示所述操作状态和所述诊断信息。
28.一种固态断路器SSCB，所述SSCB包括：
线路输入端子和线路输出端子；
功率半导体器件，所述功率半导体器件被配置在所述线路输入端子与所述线路输出端子之间；
气隙断开单元，所述气隙断开单元与所述功率半导体器件串联连接在所述线路输入端子与所述线路输出端子之间；以及
微控制器单元MCU，所述MCU被配置为在所述功率半导体器件处于开启状态时在正常操作条件期间监测所述功率半导体器件的可操作性，并且在确定所述功率半导体器件已发生故障或可能已发生故障时，触发所述气隙断开单元在所述线路输入端子与所述线路输出端子之间形成气隙。
29.根据权利要求28所述的SSCB，其中，所述MCU能够操作以确定所述气隙断开单元是否已发生断开故障或可能已发生断开故障，并且还能够操作以确定所述气隙断开单元是否已发生闭合故障或可能已发生闭合故障。
30.根据权利要求29所述的SSCB，其中，所述SSCB进一步包括感测和驱动电路，并且所述MCU被配置为在确定所述气隙断开单元已发生闭合故障时指导所述感测和驱动电路将所述功率半导体器件切换为关闭状态，并且防止所述功率半导体器件被切换回开启状态。
31.根据权利要求28所述的SSCB，其中，所述SSCB进一步包括复位按钮，在所述SSCB跳闸之后，人能够按下所述复位按钮以重新接合所述气隙断开单元并闭合所述气隙，并且所述MCU被配置为在允许将所述功率半导体器件切换回开启状态之前验证所述气隙断开单元响应于按下所述复位按钮而已成功重新接合。
32.根据权利要求31所述的SSCB，其中，所述复位按钮包括上锁挂牌LOTO孔，挂锁或其它锁定装置能够插入通过所述LOTO孔，以锁定所述复位按钮并防止所述复位按钮被按下而重新接合所述气隙断开单元。
33.根据权利要求32所述的SSCB，其中，所述SSCB进一步包括辅助锁定机构，在所述MCU确定所述SSCB的主要部件或主要功能中的任何一者或更多者已发生故障、可能已发生故障或可能正发生故障时，所述MCU触发所述辅助锁定机构，并且一旦被触发，无论所述挂锁或所述其它锁定装置是否插入通过所述LOTO孔，所述辅助锁定机构都会防止按下所述复位按钮而重新接合所述气隙断开单元。
34.根据权利要求28所述的SSCB，其中，所述SSCB进一步包括感测和驱动电路、被配置在所述气隙断开单元与所述功率半导体器件之间的线路输入电流/电压传感器以及联接至所述线路输出端子的线路输出电流/电压传感器，并且所述MCU进一步被配置为监测所述线路输入电流/电压传感器和所述线路输出电流/电压传感器的可操作性，并且在确定所述线路输入电流/电压传感器已发生故障或可能正发生故障时，或者在确定所述线路输出电流/电压传感器已发生故障或可能正发生故障时，指导所述感测和驱动电路将所述功率半导体器件切换为关闭状态和/或触发所述气隙断开单元在所述线路输入端子与所述线路输出端子之间形成所述气隙。
35.根据权利要求28所述的SSCB，其中，所述SSCB进一步包括感测和驱动电路以及直流DC电源，所述DC电源被配置为向所述SSCB的所述MCU和其它DC部件供应DC电力，并且所述MCU被配置为监测所述DC电源的输出电压，并且在确定所述输出电压已下降至预定阈值电压以下时，指导所述感测和驱动电路将所述功率半导体器件切换为关闭状态和/或触发所述气隙断开单元在所述线路输入端子与所述线路输出端子之间形成所述气隙。
36.根据权利要求35所述的SSCB，其中，所述气隙断开单元包括触发所述气隙断开单元的螺线管以及供应电流以致动所述螺线管的气隙断开电容器，并且所述MCU被配置为监测所述气隙断开电容器的可操作性，并且在确定所述气隙断开电容器已发生故障或可能正发生故障时，启用旁路电路，所述旁路电路绕过所述气隙断开电容器并临时配置所述DC电源以代替所述气隙断开电容器供应电流从而致动所述螺线管。
37.根据权利要求35所述的SSCB，其中，所述气隙断开单元包括气隙断开电容器，并且在所述MCU确定所述DC电源的所述输出电压已下降至所述预定阈值电压以下时，所述气隙断开电容器被配置为代替所述DC电源临时用作所述MCU的电源。
38.根据权利要求28所述的SSCB，其中，所述SSCB进一步包括紧邻所述功率半导体器件的热敏电阻，并且所述MCU进一步被配置为监测所述热敏电阻，并且在检测到所述功率半导体器件中的可能的热失控情况时，指导所述感测和驱动电路将所述功率半导体器件切换为关闭状态。
39.根据权利要求28所述的SSCB，所述SSCB进一步包括在所述MCU外部的看门狗电路，所述看门狗电路被配置为监测所述MCU的可操作性，并且在检测到所述MCU已发生故障或可能正发生故障时，生成将所述功率半导体器件切换为关闭状态的信号。
40.根据权利要求39所述的SSCB，其中，所述看门狗电路进一步被配置为在检测到所述MCU已发生故障或可能正发生故障时，触发所述气隙断开单元在所述线路输入端子与所述线路输出端子之间形成所述气隙。
41.根据权利要求28所述的SSCB，其中，所述SSCB进一步包括浪涌保护器件SPD，所述SPD被配置为防止所述功率半导体器件暴露于过高电压，并且所述MCU被配置为监测所述SPD的可操作性，并且在确定所述SPD已发生故障或已足够退化超过其预期和预定寿命时，触发所述气隙断开单元在所述线路输入端子与所述线路输出端子之间形成所述气隙。
42.根据权利要求28所述的SSCB，所述SSCB进一步包括与所述气隙断开单元机械连通的释放按钮，当由人手动按下所述释放按钮时，所述释放按钮使所述气隙断开单元断开接合，以在所述线路输入端子与所述线路输出端子之间形成所述气隙。
43.根据权利要求42所述的SSCB，其中，所述SSCB进一步包括感测和驱动电路，所述释放按钮配备有微动开关，所述微动开关根据所述释放按钮的物理位移而断开和闭合，并且所述MCU被配置为监测所述微动开关的可操作性，并且在确定所述微动开关已发生故障或可能正发生故障时，指导所述感测和驱动电路将所述功率半导体器件切换为关闭状态和/或指导所述气隙断开单元在所述线路输入端子与所述线路输出端子之间形成所述气隙。
44.根据权利要求28所述的SSCB，所述SSCB进一步包括电子显示器，所述电子显示器被配置为显示有关包括所述气隙断开单元和所述功率半导体器件的所述SSCB的可行性和操作状态的信息。
45.根据权利要求44所述的SSCB，其中，所述电子显示器包括即使在所述电子显示器的电力被移除之后也能够继续显示所述信息的显示技术。
46.根据权利要求28所述的SSCB，其中，所述MCU进一步被配置为提供有关所述SSCB的操作状态和诊断信息。
47.根据权利要求46所述的SSCB，其中，所述MCU被配置为自动生成并提供所述操作状态和所述诊断信息，并且另选地，按需或根据预定调度生成并提供所述操作状态和所述诊断信息。
48.根据权利要求46所述的SSCB，所述SSCB进一步包括通信和控制comm/control总线连接器，所述comm/control总线连接器被配置为连接至comm/control总线，所述MCU能够通过所述comm/control总线将所述操作状态和所述诊断信息发送至本地或远程计算机。
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