CN114977799A - 固态功率控制器和航空器 - Google Patents

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Abstract

提供固态功率控制器(SSPC)和航空器。SSPC包括被配置为连接在功率源和负载之间的功率供给线。此外，固态功率控制器包括半导体开关单元，该半导体开关单元设置在功率供给线上，并且被配置为根据命令信号在至少两个状态之间切换。该至少两种状态包括导通状态和非导通状态。此外，固态功率控制器包括状态机，该状态机被配置为呈现包括接通状态和断开状态的至少两个状态。该状态机还被配置为根据状态机的当前状态输出命令信号。

Description

固态功率控制器和航空器
技术领域
本发明涉及固态功率控制器和航空器(aircraft)。
背景技术
近年来，电力作为用于驱动空中运载工具的能源的形式变得越来越重要。这尤其包括具有垂直起降功能(eVTOL)的电动航空器。
包括eVTOL的电动(即，电驱动/电推进)航空器的关键组件是适当的功率控制器，该功率控制器控制由功率源向如推进单元或多个推进单元(特别是电推进单元(EPU))那样的负载供给的功率。
一般而言，功率控制器是控制供给至负载的功率(电压和/或电流)的装置。功率控制器进行监控和诊断功能，以识别过载状况、检测短路并中断功率流。在这方面，希望在短路的情况下尽可能快地中断功率流以限制潜在损坏。此外，功率控制器可以在容性负载的启动期间限制电流，保护负载和布线免受过电流的影响，并且出于维护目的而切断负载。
实现这些功能的当前解决方案包括机电开关(接触器)和如热熔断器那样的过电流保护系统的串联连接。该解决方案具有高机械复杂性、高质量和低效率。另外，所述解决方案可能容易发生由于移动部件而产生的老化效应、由于电弧而产生的接触腐蚀、以及/或者由于热机械应力而产生的疲劳。因此，需要密切监测和可能的终身维护。
传统的固态功率控制器(SSPC)是如下的半导体装置，其在保护负载免于危险故障方面与电子断路器类似，但在断电时可以更可靠且更快。SSPC包括可编程微处理器，其使得能够进行经由数字总线的控制以及电流/时间特性的灵活调整。涉及固态功率控制器系统的当前解决方案依赖于复杂的电子器件来实现诸如过电流保护等的安全关键功能，这需要冗余度和相异度。
与空中交通的一般情况一样，最高安全标准适用于航空器的组件，这些包括如SSPC那样的功率控制器、功率源和负载(EPU)。然而，由于传统SSPC的复杂度，这些SSPC可能经受许多故障状况，这些故障状况包括但不限于软件漏洞、隐藏的设计或制造缺陷、或者有故障的维护措施。
为了确保飞行期间和地面上的安全操作，应以使安全性最大化的方式检测和处理航空器内的SSPC的故障，其中应尽可能地维持航空器的主要功能(即，维持飞行期间的安全状态)。
因此，在功率控制器的设计期间，特别是对于航空器内的应用而言，关键任务是使任何组件的故障风险最小化，这些组件的可靠性高并且降低维护要求。
发明内容
本发明的目的在于提供表现出高可靠性、低故障风险、低维护要求和低老化效应的功率控制器。
这通过独立权利要求的特征来实现。从属权利要求描述有利的实施例。
根据第一方面，提供一种固态功率控制器(SSPC)。固态功率控制器包括功率供给线，该功率供给线被配置为连接在功率源和负载之间。此外，固态功率控制器包括半导体开关单元，该半导体开关单元设置在功率供给线上，并且被配置为根据命令信号在至少两个状态之间进行切换。该至少两个状态包括导通状态和非导通状态。此外，固态功率控制器包括状态机，该状态机被配置为呈现包括接通(ON)状态和断开(OFF)状态的至少两个状态。状态机还被配置为根据状态机的当前状态来输出命令信号。
换句话说，SSPC被配置为设置在连接功率源和负载的功率供给线上。状态机呈现至少两个状态，根据这两个状态，使用命令信号来控制半导体开关单元。具体地，如果半导体开关单元以导通状态进行操作，则半导体开关单元可以电连接功率源和负载。另一方面，在半导体开关单元以非导通状态进行操作的情况下，半导体开关单元中断功率源和负载之间的电连接。状态机呈现至少两个状态(即，接通状态和断开状态)，并且允许在状态机的状态之间的转变。
半导体开关单元的状态可被称为开关状态，以将所述开关状态与状态机的状态区分开。
半导体开关单元的导通状态可以是经过半导体开关单元的电阻低于第一阈值的状态。非导通状态可以是经过半导体开关单元的电阻高于第二阈值的状态。
注意，状态机的状态的数量不限于两个状态，而且可以是三个、四个或多于四个。一般而言，状态机可以呈现包括接通状态和断开状态的多个状态。半导体开关单元由命令信号控制，该命令信号是由状态机根据其当前状态输出的。命令信号可以表示半导体开关单元要转变到的状态，或者使半导体开关单元根据命令信号进入导通状态或非导通状态。
根据ARP4754A:“Guidelines for Development of Civil Aircraft andSystems”,December 2010,https://www.sae.org/standards/content/arp4754a/，SSPC的配置可允许认证为电子硬件。
附加地或可选地，根据“RTCA DO-254/EUROCAE ED-80,Design AssuranceGuidance for Airborne Electronic Hardware”dated April 19,2000,from RTCA,Inc.,http://www.rtca.org/，SSPC的配置可允许认证为“简单硬件”。
此外，本发明可以实现更低的设备质量以及因此增加的有效载荷、更少的维护周期和开发过程期间的认证工作的减少以及因此更快地进入服务的进展。
根据实施例，状态机是由多个不可编程电子组件构成的不可编程逻辑部件。半导体开关单元由一个或多于一个不可编程电子组件构成。
不可编程电子组件可以是电气回路内的特性和行为仅由其硬件配置确定的电子组件。换句话说，不可编程电子组件的特性和行为不能由软件或固件定义。
不可编程电子组件包括放大器、比较器和如乘法器那样的其他模拟组件、电流传感器、电压传感器、温度传感器、以及如数字隔离器、隔离放大器或光耦合器那样的隔离信号组件。此外，不可编程电子组件包括线性和开关电压调节器、振荡器、逻辑门、缓冲器、触发器、寄存器和锁存器、以及模数转换器和电压参考。所述一系列示例是非详尽的。
状态机可以由不可编程组件构成，因此可以是如下的硬件装置，对于该硬件装置，适用于特定开发保证水平的确定性测试和分析的全面组合可以确保在所有可预见的操作状况下的正确功能性能，而无异常行为。逻辑部件也可被称为逻辑电路。
SSPC提供在失去通信、感测或监测时提供具有安全状态开启(ON)的功率控制功能。SSPC可以基于简单的电流感测和用于电流时间特性的不可编程组件来提供过电流保护功能。
使用不可编程电子器件来实现安全状态开启而将复杂/可编程电子器件仅用于监测和通信功能，这可以允许系统的关键部件的确定性行为，由此简化测试和认证。
在实施例中，如果状态机的当前状态是断开状态，则命令信号表示半导体开关单元要处于非导通状态。此外，如果状态机的当前状态是接通状态，则命令信号表示半导体开关单元要处于导通状态。
换句话说，半导体开关单元被控制为在状态机的当前状态是接通状态时，电连接功率源和负载，并且在状态机的当前状态是断开状态时，电中断功率源和负载之间的连接。
在实施例中，固态功率控制器包括电流传感器，该电流传感器设置在功率供给线上并且被配置为检测电流。此外，固态功率控制器包括过电流检测单元，该过电流检测单元被配置为使用电流传感器所检测到的电流来检测过电流。状态机被配置为基于过电流检测单元的检测结果来改变当前状态。
换句话说，电流传感器测量流经功率供给线的电流，并将测量信号提供到过电流检测单元。过电流检测单元判断是否满足过电流状况。根据判断结果，状态机可以改变其当前状态。例如，状态机可被配置为在过电流检测单元检测到过电流的情况下转变到断开状态。例如，在检测到过电流的情况下，状态机可以从接通状态或另一状态转变到断开状态。如果状态机的当前状态是断开状态并且过电流检测单元检测到过电流，则状态机可以维持其当前状态、即断开状态。
在实施例中，固态功率控制器包括：电流传感器，其设置在所述功率供给线上，并且被配置为检测电流；以及过电流检测单元，其被配置为使用电流传感器所检测到的电流来检测过电流。状态机可被配置为在过电流检测单元检测到过电流的情况下，转变到断开状态。
例如，过电流检测单元被配置为通过在预定时间段内对所检测到的电流的平方进行积分并将积分结果与积分阈值进行比较，来检测过电流。
换句话说，过电流检测单元可以模拟表现出特定I2t特性的熔断器的行为。I2t额定值与通过相应电组件引导的能量的量相关。过电流检测单元可被配置为如果积分结果高于积分阈值，则判断为存在流经功率供给线的过电流。
根据实施例，固态功率控制器还包括温度传感器，该温度传感器被配置为检测固态功率控制器的温度并将表示所检测到的温度的温度信号输出到状态机。状态机可被配置为基于温度信号来改变当前状态。
换句话说，状态机可以使用温度传感器所输出的温度测量信号来改变当前状态。例如，可以将测量信号与温度阈值进行比较。在温度高于温度阈值的情况下，状态机可被配置为转变到断开状态。如果当前状态是断开状态并且温度高于所述温度阈值，则状态机可被配置为维持当前状态、即断开状态。
温度传感器可以设置在任何合适的位置。例如，温度传感器可以测量像半导体开关单元那样的SSPC的一个特定组件的温度。
在实施例中，固态功率控制器包括温度传感器，该温度传感器被配置为检测固态功率控制器的温度并将表示所检测到的温度的温度信号输出到状态机，其中状态机被配置为在由温度信号表示的温度高于温度阈值的情况下，转变到断开状态。
根据实施例，固态功率控制器还包括电压传感器，该电压传感器被配置为检测半导体开关单元下游的电压，并将表示所检测到的电压的电压信号输出到状态机。状态机可被配置为基于电压信号来改变当前状态。
换句话说，状态机可以使用电压传感器所输出的电压测量信号来改变当前状态。例如，可以将测量信号与电压阈值进行比较。在电压高于电压阈值的情况下，状态机可被配置为转变到断开状态。如果当前状态是断开状态并且电压高于所述电压阈值，则状态机可被配置为维持当前状态、即断开状态。
电压传感器可以设置在任何合适的位置。例如，可以提供电压传感器以测量半导体开关单元两端的电压。
在实施例中，固态功率控制器包括电压传感器，该电压传感器被配置为检测半导体开关单元下游的功率供给线的电压，并将表示所检测到的电压的电压信号输出到状态机，其中状态机被配置为在由电压信号表示的电压高于电压阈值的情况下，转变到断开状态。
在实施例中，半导体开关单元的状态还包括中间状态，其中半导体开关单元被配置为根据命令信号将功率供给线上的电流限制为低于预定电流阈值。如果状态机的当前状态是预充电状态，则命令信号表示半导体开关单元要处于中间状态。
换句话说，状态机的状态包括导通状态、非导通状态和中间状态，其允许特定电流流经功率供给线，并因此流经半导体开关单元。此外，状态机除了呈现接通状态和断开状态之外，至少还呈现预充电状态。在预充电状态下，状态机将命令信号输出到半导体开关单元，从而使半导体开关单元限制流经半导体开关单元的电流。
例如，在半导体开关单元两端的电压低于预充电电压的情况下、以及/或者在经过半导体开关单元的电流低于预充电电流阈值的情况下，状态机可被配置为从预充电状态转变到接通状态。
在实施例中，半导体开关单元通过根据命令信号表现出电阻来限制功率供给线上的电流。
换句话说，中间状态可以是半导体开关单元表现出在上述的第一阈值和第二阈值之间的电阻的状态。流经功率供给线(并因此流经SSPC、特别是半导体开关元件)的电流受到开关单元所表现出的电阻限制。
在实施例中，中间状态是半导体开关单元在导通状态和非导通状态之间交替切换的状态，由此限制随时间的经过而平均流经半导体开关单元的电流。
根据实施例，半导体开关单元是金属氧化物半导体场效应晶体管即MOSFET。MOSFET的源极端子和漏极端子可以连接到功率供给线。MOSFET的栅极端子可以连接到状态机。
例如，MOSFET是p型或n型增强MOSFET。
例如，状态机可被配置为将命令信号输出到MOSFET的栅极端子。
在实施例中，固态功率控制器还包括连接到状态机的电路系统。该电路系统被配置为监测状态机的状态、电流传感器所检测到的电流、半导体开关单元的状态、温度传感器所检测到的温度、和/或电压传感器所检测到的电压。此外，该电路系统可被配置为向状态机输出运载工具命令信号。运载工具命令信号可以表示状态机要转变到的状态。
换句话说，SSPC包括监测如电压、电流或温度传感器那样的专用传感器的读数的电路系统。此外，该电路系统可以监测状态机的当前状态和/或半导体开关单元的状态。为此，该电路系统可以连接到各个传感器和/或组件(状态机、半导体开关单元等)。
在实施例中，电路系统可被配置成连接到外部通信线路并且被配置为经由外部通信线路进行通信。
换句话说，半导体开关单元可以连接到如总线那样的外部通信线路，并且与一个或多于一个外部装置进行通信。例如，电路系统可以与飞行控制系统(FCS)进行通信，并且接收命令信号、以及发送报告信号等。例如，电路系统可以从外部FCS接收命令信号，并且根据所接收到的命令信号向状态机输出运载工具命令信号。
根据第二方面，提供一种航空器。该航空器包括根据第一方面或其实施例中的任一个的固态功率控制器、功率源、以及负载。
航空器可以是能够通过使用静态或动态升力从空气获得支撑而飞行的运载工具。航空器可以是任何航空器，其包括但不限于如飞机那样的固定翼航空器或者如直升机那样的旋转翼航空器等。负载可以是推进单元，特别是如电风扇、推进器或涵道风扇那样的电推进单元。
优选地，航空器是电动垂直起降(eVTOL)航空器。
附图说明
如附图所示，本发明的附加特征和优点将在以下更具体的说明中变得显而易见，其中：
图1是根据实施例的固态功率控制器的示意结构图；
图2是根据实施例的固态功率控制器的实现示例的示意图；
图3是根据第一实施例的固态功率控制器的实现示例的另一示意图；
图4是根据第一实施例的固态功率控制器的实现示例的另一示意图；
图5是根据第一实施例的固态功率控制器的实现示例的另一示意图；
图6例示过电流检测装置的实现示例；
图7是根据实施例的航空器的示意图。
具体实施方式
本发明涉及固态功率控制器(SSPC)，该固态功率控制器例如可用在电驱动航空器中。SSPC包括状态机和半导体开关单元，该SSPC可以根据状态机的状态通过半导体开关单元连接或中断功率供给线的电连接。
图1是根据实施例的SSPC的示意结构图。SSPC 100包括功率供给线110，该功率供给线110被配置为连接到功率源200和负载300。在功率供给线110上设置有半导体开关单元120。此外，在功率供给线110上设置有电流传感器140，该电流传感器140被配置为测量流经功率供给线110的电流。另外，SSPC 100包括电压传感器，该电压传感器测量功率供给线110上(例如，半导体开关单元120下游)的电压。电压传感器可以(附加地或可替代地)测量MOSFET 120两端的电压。此外，SSPC 100包括过电流检测单元150、温度传感器160、电压传感器170和状态机130。SSPC 100可进一步包括电路系统180，该电路系统180可以经由如总线那样的外部通信线进行通信。
如上文进一步定义的，SSPC的由虚线表示的部分内的组件可以由多个不可编程电子组件构成。该电路系统可以是可编程的，并且可以是例如微控制器或微处理器。
半导体开关单元120是增强型金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，其漏极端子和源极端子连接到功率供给线110。MOSFET 120的栅极端子连接到状态机130。根据由状态机130提供并输入到MOSFET 120的栅极端子的命令信号，MOSFET 120呈现导通状态、中间状态和非导通状态。MOSFET 120可以根据施加到其栅极端子的电压而以导通状态、非导通状态或中间状态进行操作。在中间状态下，MOSFET 120可以以其线性状态进行操作。
电压传感器170感测功率供给线110上(例如，MOSFET 120下游)的电压。然而，电压传感器170可被配置为测量如MOSFET 120那样的某个电子组件两端的电压降。电压传感器170将表示所检测到的电压的信号输出到状态机130和电路系统180。
电流传感器140设置在功率供给线110上，并将表示流经功率供给线110的电流的电流信号输出到过电流检测单元150和电路系统180。
过电流检测单元150被配置为判断在功率供给线110上是否发生过电流。过电流检测单元150可以是如下的简单比较器，该简单比较器被配置为将电流传感器140所输出的电流信号与参考信号进行比较，并且在电流信号高于参考信号的情况下判断为存在过电流。可替代地，过电流检测单元150可以在预定时间段内对电流信号的平方进行积分，并将积分结果与(不同的)参考信号进行比较。在积分结果高于参考信号的情况下，可以判断为发生了过电流。过电流检测单元150被配置为向状态机输出表示是否检测到过电流的过电流信号。以下参考图6来说明过电流检测单元150的具体实现。
温度传感器160被配置为测量SSPC 100的温度，并将相应的温度信号输出到状态机130和电路系统180。
电路系统180连接到状态机130、各个温度传感器160、过电流检测单元150、电流传感器140、电压传感器170、MOSFET 120和/或外部通信线路。电路系统180被配置为监测传感器的读数以及状态机130和MOSFET 120的状态。例如，电路系统180可以经由外部通信线路发送表示任何监测值的消息。此外，电路系统180可经由外部通信线路例如从飞行控制系统(FCS)接收命令消息，并将表示状态机130应转变到的状态的运载工具命令输出到状态机130。
状态机130连接到温度传感器160、过电流检测单元150、电压传感器170、半导体开关单元120和电路系统180。状态机呈现三个状态，即接通(ON)状态、断开(OFF)状态和预充电状态。状态机130的当前状态由电压传感器170的读数、过电流检测单元150的输入信号、由温度传感器160提供的温度信号、以及可以由电路系统180输入的运载工具命令来确定。状态机130被配置为根据状态机130的当前状态来控制MOSFET 120以导通状态、中间状态或非导通状态进行操作。
在接通状态下，MOSFET 120被控制在导通状态内，由此使得电流能够流经功率供给线110。在断开状态下，MOSFET 120被控制在非导通状态内，由此防止电流流经功率供给线110。在预充电状态下，MOSFET 120被控制成限制流经功率供给线110的电流。例如，在状态机在预充电状态内时，MOSFET 120以其线性状态进行操作。在负载表现出大电容的情况下，可能需要限制流经功率供给线110的电流，由此引起经过功率供给线110的初始大电流(浪涌电流)。
状态机130使得能够在接通状态、断开状态和预充电状态之间进行转变。具体地，状态机130可以从断开状态转变到预充电状态，反之亦然。此外，状态机可以从预充电状态转变到接通状态并且从接通状态转变到断开状态。各转变由向状态机130的各种输入来确定。
例如，如果将表示状态机130转变到预充电的运载工具命令输入到当前状态是断开状态的状态机130，则状态机130从断开状态转变到预充电状态。在过电流检测单元150检测到过电流的情况下，状态机130从预充电状态或从接通状态转变到断开状态。在温度传感器160所检测到的温度高于某个温度阈值的情况下、以及/或者在电压传感器170所检测到的电压高于电压阈值的情况下，这可以同样适用。在状态机130的当前状态是预充电状态的情况下，状态机130可以在MOSFET 120两端(即，漏极端子和源极端子两端)的电压降低于预充电电压阈值、或者经过MOSFET 120的电流低于预充电电流阈值的情况下转变到接通状态。为了测量电压降，SSPC 100可以包括专用电压传感器。
具体地，状态机130以及(除电路系统180以外的)其他组件可以由多个不可编程电子组件构成。以下说明其具体实现。
图2是根据实施例的固态功率控制器100的实现示例的示意图。由虚线矩形表示的状态机130是不可编程逻辑部件，其包括或(OR)门1、锁存器2(触发器)、CMOS反相器3、栅极驱动放大器4和乘法器5。此外，SSPC 100包括电流传感器140、电压传感器170和功率供给线110。
将过电流(OC)信号和超温(OT)信号输入到或门。OC信号可以由过电流检测单元150提供，并且可以通过逻辑真(高值)表示过电流状况，且通过逻辑假(低值/零)表示不存在过电流。由温度传感器160提供的信号可被输入到比较器，该比较器通过使用参考信号以与由温度传感器160提供的信号进行比较来提供OT温度。OT信号可以在超温状况下表示逻辑真。如果OC和OT信号中的一个或两个表示真，则或门1的输出信号表示真。
或门1的输出被输入到锁存器2的设置输入(S)。FCS:Reset信号可以由电路系统180(根据从飞行控制系统(FCS)经由外部通信线路接收到的命令)输入到锁存器2的复位输入(R)。锁存器的非反相输出Q连接到CMOS反相器3的输入。因此，如果发生了OC和/或OT(并且锁存器2未被FCS复位)，则将表示真的信号输出到CMOS反相器3，并且如果没有发生OC或OT，则将表示假的信号输入到CMOS反相器3。
根据CMOS反相器输入信号，将参考电压Vref或零输入到栅极驱动放大器4的非反相输入。乘法器5基于由电压传感器170在MOSFET 120两端测量到的电压和由电流传感器140测量到的流经MOSFET 120的电流来计算在MOSFET 120中耗散的功率。将与MOSFET 120内的功率耗散成比例的乘法器的输出信号输入到栅极驱动放大器的反相端子。
栅极驱动放大器4放大CMOS反相器3的输出与乘法器5之间的差，并将放大后的信号输出到MOSFET 120的栅电极。栅极驱动放大器4的输出信号使输入信号的差最小化。因此，在CMOS反相器3的输出为零(即，发生了OC和/或OT)的情况下，MOSFET 120中的功率耗散被最小化。如果没有发生OT或OC，则将参考电压Vref施加到栅极驱动放大器4的反相输入。基准电压Vref是预定电压并且与MOSFET 120的最大功率耗散相对应，以限制经过功率供给线110的电流。例如，可以将参考电压设置为与160W的特定功率耗散相对应的电压。
因此，根据实现示例的状态机130呈现作为发生了错误时的当前状态的断开状态、以及未发生故障(OC、OT)时的组合预充电和接通状态。在预充电/接通状态下，MOSFET 120中的最大功率耗散由参考电压Vref确定。也就是说，在预充电/接通状态下，MOSFET 120内的功率耗散受到限制，因此防止了可能发生的浪涌电流。
图3是根据另一实施例的固态功率控制器的实现示例的示意图。图3所示的SSPC中的与如图2所示的SSPC的组件等同的组件用相同的附图标记来表示，并且以上给出的说明同样适用。
图3所示的SSPC 100与图2所示的SSPC 100的不同之处在于第二锁存器6、第二或门7、比较器8、第三锁存器9和第二CMOS反相器10。
可以将运载工具命令FCS:Arm输入到第二锁存器6的S输入。该运载工具命令可以由电路系统180(未示出)基于经由外部通信线路从FCS发送来的命令来输入。如以下将示出的，状态机130保持在断开状态内，直到正在接收FCS:Arm运载工具命令为止。第二锁存器6的反相输出连接到第二或门7的输入。此外，(第一)锁存器2的输出被输入到第二或门7的另一输入。也就是说，如果发生了OC/OT、以及/或者FCS:Arm命令尚未被输入到第二锁存器6，则第二或门7的输出是表示真的信号。也就是说，如果发生了OT/OC、或者状态机130未被FCS:Arm命令指示进入预充电状态，则向栅极驱动放大器4的非反相端子的输入为零。
在FCS:Arm命令被输入到第二锁存器6并且没有发生OT/OC时，CMOS反相器3的输出等于第二CMOS反相器10的输出。因此，根据向第二CMOS反相器的输入，控制MOSFET 120内的功率耗散以对应于由第二CMOS反相器输出的电压(该电压是参考电压Vref或正供给功率电压)。向第二CMOS反相器的输入取决于MOSFET 120两端的电压是否降至低于电压阈值Vth。Vth是输入到比较器8的非反相输入的预定阈值电压。MOSFET 120两端的电压Vds(例如，经由低通滤波器)被输入到比较器8的反相输入。如果Vds大于Vth，则将表示真的信号输入到第三锁存器9，从而使表示假的信号输入到第二CMOS反相器10，使Vref施加到栅极驱动放大器4。在Vdc降至低于Vth的情况下，将正供给功率输入到栅极驱动放大器4。
综上所述，根据实施例的SSPC在未接收到FCS:Arm以及/或者发生了OT/OC的情况下，呈现断开状态，其中MOSFET 120中的功率耗散被控制为零。此外，SSPC 100呈现预充电状态，其中Vds高于Vth且接收到了FCS:Arm，其中根据参考电压Vth来控制MOSFET 120内的功率耗散。一旦Vds降至低于Vth，SSPC 100立即进入接通状态，其中根据正供给功率电压来控制MOSFET120中的功率耗散。
换句话说，MOSFET 120被控制为：在当前状态是接通状态的情况下处于导通状态，在当前状态是断开状态的情况下处于非导通状态，并且在SSPC100处于预充电状态的情况下处于中间状态，其中MOSFET 120内的功率耗散被控制为不超过阈值。特别地，在发生了OC/OT的情况下，SSPC 100转变到断开状态。此外，尽管SSPC 100可以由电路系统180(通过提供FCS:Arm)控制以进入预充电状态，但电路系统180不能使SSPC 100进行任何其他转变。
图4是根据另一实施例的固态功率控制器100的实现示例的示意图。在本实施例中，通过使用脉冲宽度调制操作MOSFET 120，在预充电状态下限制电流。状态机130包括或门11、锁存器12、电压误差放大器13、PWM比较器14、以及具有保护特征的栅极驱动放大器15。例如，如去饱和检测或软关断那样的保护特征对于驱动绝缘栅双极型晶体管的组件通常是已知的。某些实现可以利用米勒箝位或欠压锁定(UVLO)。
与参考图2和图3所述的实施例一样，将过电流(OC)信号和超温(OT)信号输入到或门11，该或门11的输出被输入到锁存器12的S输入。FCS:Reset信号可被输入到锁存器12的R输入。FCS:Reset信号可以由电路系统180提供。锁存器12的反相输出信号被输入到栅极驱动放大器15的保护输入(EN)。栅极驱动放大器15被配置为在表示假的信号被输入到保护输入(EN)的情况下输出零。
为了防止由于导致永久地提供FCS:Reset的故障而使电路系统180无意地复位状态机130，除非自先前的FCS:Reset命令起经过了一定量的时间，否则可以防止电路系统180的输出被输入到状态机130。为此，SSPC 100可以包括连接在电路系统180和状态机130之间的计时器电路。FCS:Reset命令可以被输入到计时器电路，该计时器电路被配置为仅在从先前的FCS:Reset命令起经过了预定量时才将FCS:Reset命令输出到状态机130。在计时器电路输出FCS:Reset命令时，可以重启计时器电路。
将参考电压Vref和由电压传感器170在MOSFET 120两端测量到的电压Vds输入电压误差放大器13。例如，参考电压Vref可以是预先确定的。电压误差放大器13的输出(即，Vds和Vref之间的放大差)被输入到PWM比较器14的反相输入。将锯齿状电压信号输入到PWM比较器14的非反相输入。
因此，PWM比较器14的输出是脉冲信号，其中该脉冲信号的占空比取决于Vref和Vds之间的差。在放大差等于或高于锯齿状电压信号的峰值电压的情况下，比较器输出零。在放大差等于或低于锯齿状电压信号的最小电压的情况下，PWM比较器14输出恒定信号。此外，在放大差在锯齿状电压信号的最小电压和最大电压之间的情况下，输出脉冲信号，其中脉冲宽度随着放大差的减小而增加。
PWM比较器14的输出被输入到栅极驱动放大器15，该栅极驱动放大器15放大信号并将放大后的信号输出到MOSFET 120的栅极端子。因此，根据栅极驱动放大器15所输出的信号的值，MOSFET 120被控制为处于导通或非导通状态。具体地，如果Vds大于Vref、同时这两者之间的放大差等于或高于锯齿状电压信号的最大值，则MOSFET被控制为处于非导通状态。如果Vds等于或大于Vref、同时这两者之间的放大差低于锯齿状电压信号的最大值，则以脉冲方式控制MOSFET 120，从而使MOSFET 120以交替方式处于导通状态和非导通状态。如果Vds低于Vref，则MOSFET 120被控制为连续处于导通状态。
因此，综上所述，包括如上所述的状态机130的SSPC 100呈现三个状态(断开、接通、预充电)，其中MOSFET处于导通状态、非导通状态或中间状态，其中MOSFET根据上述PWM在导通状态和非导通状态之间切换。
图5是根据另一实施例的固态功率控制器的实现示例的示意图。图5所示的SSPC100中的与如图4所示的SSPC 100的组件等同的组件用相同的附图标记来表示，并且以上给出的说明同样适用。
状态机130包括第一或门11、第一锁存器12、比较器16、第二锁存器17、第三锁存器18、CMOS反相器19、第二或门20、以及具有保护特征的栅极驱动放大器15。
将由电压传感器170测量到的MOSFET 120两端的电压Vds(例如，经由低通滤波器)输入到比较器16的反相输入。预定阈值电压Vth用作向比较器16的非反相输入的输入。比较器16的输出是在Vds低于Vth的情况下表示真的信号。另一方面，在Vds大于Vth的情况下，比较器16输出零。比较器的输出(经由锁存器17)被输入到第二或门20。
可以将运载工具命令FCS:Arm输入到第三锁存器18的S输入，并且可以将运载工具命令FCS:Reset输入到第三锁存器的R输入。第三锁存器18的反相输出端子的输出信号被输入到CMOS反相器19。取决于所述输出信号，CMOS反相器19将零或脉冲信号输出到第二或门20。该脉冲信号可以是从如以上参考图4所述的电路(其包括电压误差放大器13和PWM比较器14)输入到CMOS反相器19的。第二或门的输出被输入到栅极驱动放大器15，该栅极驱动放大器15相应地控制MOSFET 120。
因此，在提供FCS:Arm运载工具命令时，将脉冲信号输入到第二或门20，从而使MOSFET 120根据PWM(MOSFET 120的中间状态/状态机130的预充电状态)在导通/不导通之间切换。在预充电完成、因此Vds降至低于Vth时，第二或门15输出恒定信号，从而使MOSFET120连续地以导通状态(状态机130的接通状态)进行操作。如果发生了OC和/或OT、或者未提供FCS:Arm运载工具命令信号，则MOSFET 120以非导通状态(状态机130的断开状态)进行操作。
综上所述，图5所示的实现的状态机130呈现接通状态、断开状态和预充电状态。在接通状态下，MOSFET 120以导通状态进行操作。在断开状态下，MOSFET 120以非导通状态进行操作。在预充电状态下，MOSFET 120以中间状态进行操作，其中MOSFET 120根据PWM信号在导通和非导通之间切换。此外，状态机130在接收到FCS:Arm运载工具命令时，从断开状态转变到预充电状态。此外，在预充电完成时，状态机转变到接通状态。此外，在发生了故障(OT和/或OC)时，状态机130转变到断开状态。
尽管在上述实施例中使用MOSFET 120，但本发明不限于此，并且可以使用另一可控半导体开关单元。例如，可以使用双极结型晶体管(BJT)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)或结型栅场效应晶体管(JFET)。此外，可以利用多个MOSFET 120作为半导体开关单元，其中MOSFET以并联配置彼此连接。
图6例示过电流检测装置的实现示例。如例如在Ron Mancini的第A.4.9节：“OpAmps For Everyone:Design Reference”,Texas Instruments,Newnes,第二版，2003年4月中所述，过电流检测装置由具有电阻复位的模拟积分器电路构成。积分器电路的输出与输入电压VIN的(一定时间段内的)积分值成比例。
如通常已知的，特定积分特性取决于电阻器RG和RF以及电容C的特性。为了模拟熔断器的I2t曲线，例如，可以并联组合所例示的几个积分电路。EP0 600 751A2和US 5 723915A描述了模拟I2t曲线的模拟电路。此外，EP 3 624339A1提供了使用简单逻辑元件的过电流限制电路的描述。
向过电流检测单元的输入可以是与由电流传感器140提供的经过功率供给线110的电流相对应的电压信号。可以将积分电路的输出输入到比较器，该比较器被配置为将所述输出与预定参考电压进行比较，并且输出表示积分值是否高于所述积分阈值的信号。
图7是根据实施例的航空器的示意图。例如，航空器可以是具有如US2016/0023754A1中所述的一般配置的航空器。然而，本发明不限于此，并且航空器可以是具有任何其他传统航空器的一般配置的航空器。如图7所示，航空器400包括多个功率源200a、200b、多个负载300a-d、以及多个SSPC100a-d。在例示的配置中，航空器400包括两个单独的功率供给电路，各功率供给电路包括功率源、两个SSPC、以及彼此连接的两个负载。然而，本发明不限于此，并且航空器400可以包括任何其他数量的功率源、SSPC和负载。负载300a-d可以是推进单元，更具体地是如推进器或涵道风扇那样的电推进单元。SSPC可以根据上述实施例中的任一实施例来配置。
本发明由所附权利要求书来限定，并且不限于以上具体实施方式部分的实施例的细节。
总之，本发明涉及固态功率控制器(SSPC)。SSPC包括被配置为连接在功率源和负载之间的功率供给线。此外，固态功率控制器包括半导体开关单元，该半导体开关单元设置在功率供给线上，并且被配置为根据命令信号在至少两个状态之间切换。该至少两个状态包括导通状态和非导通状态。此外，固态功率控制器包括状态机，该状态机被配置为呈现至少两个状态，这两个状态包括接通状态和断开状态。状态机还被配置为根据状态机的当前状态来输出命令信号。

Claims (15)

1.一种固态功率控制器，包括：
功率供给线(110)，其被配置为连接在功率源(200)和负载(300)之间；
半导体开关单元(120)，其设置在所述功率供给线(110)上，并且被配置为根据命令信号在包括导通状态和非导通状态的至少两个状态之间进行切换；
状态机(130)，其被配置为：
呈现包括接通状态和断开状态的至少两个状态；以及
根据所述状态机(130)的当前状态来输出所述命令信号。
2.根据权利要求1所述的固态功率控制器，其中，
所述状态机(130)是由多个不可编程电子组件形成的不可编程逻辑部件，以及
所述半导体开关单元(120)由一个或多于一个不可编程电子组件形成。
3.根据权利要求1或2所述的固态功率控制器，其中，
如果所述状态机(130)的当前状态是所述断开状态，则所述命令信号表示所述半导体开关单元(120)要处于所述非导通状态，以及
如果所述状态机(130)的当前状态是所述接通状态，则所述命令信号表示所述半导体开关单元(120)要处于所述导通状态。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的固态功率控制器，还包括：
电流传感器(140)，其设置在所述功率供给线上，并且被配置为检测电流；以及
过电流检测单元(150)，其被配置为使用所述电流传感器(140)所检测到的电流来检测过电流，
其中，所述状态机(130)被配置为基于所述过电流检测单元(150)的检测结果来改变所述当前状态。
5.根据权利要求4所述的固态功率控制器，其中，
所述过电流检测单元(150)被配置为通过针对预定时间段对所检测到的电流的平方进行积分、并且将积分结果与积分阈值进行比较，来检测所述过电流。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的固态功率控制器，还包括：
温度传感器(160)，其被配置为检测所述固态功率控制器的温度，并且将表示所检测到的温度的温度信号输出到所述状态机(130)，
其中，所述状态机(130)被配置为基于所述温度信号来改变所述当前状态。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的固态功率控制器，还包括：
电压传感器(170)，其被配置为检测所述半导体开关单元(120)下游的所述功率供给线(110)的电压，并且将表示所检测到的电压的电压信号输出到所述状态机(130)，
其中，所述状态机(130)被配置为基于所述电压信号来改变状态。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的固态功率控制器，其中，
所述半导体开关单元(120)的状态还包括中间状态，其中所述半导体开关单元(120)被配置为根据所述命令信号将所述功率供给线(110)上的电流限制为低于预定电流阈值，以及
如果所述状态机(130)的当前状态是预充电状态，则所述命令信号表示所述半导体开关单元(120)要处于所述中间状态。
9.根据权利要求8所述的固态功率控制器，其中，
所述状态机(130)被配置为在所述半导体开关单元(120)两端的电压低于预充电电压阈值的情况下、以及/或者在经过所述半导体开关单元(120)的电流低于预充电电流阈值的情况下，从所述预充电状态转变到所述接通状态。
10.根据权利要求8或9所述的固态功率控制器，其中，
所述半导体开关单元(120)通过根据所述命令信号表现出电阻来限制所述功率供给线上的电流。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的固态功率控制器，
其中，所述半导体开关单元(120)是金属氧化物半导体场效应晶体管即MOSFET，其中所述MOSFET的源极端子和漏极端子连接到所述功率供给线(110)，并且所述MOSFET的栅极端子连接到所述状态机(130)。
12.根据权利要求11所述的固态功率控制器，其中，
所述状态机(130)被配置为将所述命令信号输出到所述MOSFET的栅极端子。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的固态功率控制器，还包括：
电路系统(180)，其连接到所述状态机(130)，其中所述电路系统(180)被配置为：
监测所述状态机(130)的状态、所述电流传感器(140)所检测到的电流、所述半导体开关单元(120)的状态、所述温度传感器(160)所检测到的温度和/或所述电压传感器(170)所检测到的电压；以及
将表示所述状态机(130)要转变到的状态的运载工具命令信号输出到所述状态机(130)。
14.根据权利要求13所述的固态功率控制器，其中，
所述电路系统(180)还被配置为连接到外部通信线路，并且被配置为经由所述外部通信线路进行通信。
15.一种航空器，包括：
根据权利要求1至14中任一项所述的固态功率控制器(100)；
所述功率源(200)；以及
所述负载(300)。
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