CN115136436A - 具有固态互锁机构的固态电路中断器 - Google Patents

Abstract

一种系统包括：第一断路器(10B‑10N)，该第一断路器包括第一固态开关(100)、第一机械接触(500A)和电流传感器，该电流传感器被构造成感测流经所述第一断路器的电流；以及第二断路器(10A)，该第二断路器电耦合到所述第一断路器(10B‑10N)并且被构造成中断流向该第一断路器的电流，其中该第一断路器(10B‑10N)被构造成在检测到该第一固态开关(100)的故障模式时，向该第二断路器(10A)发送请求(SSI请求信号)，并且其中该第二断路器(10A)被构造成响应于接收到该请求，中断流向该第一断路器(10B‑10N)的电流，并且该第一断路器(10B‑10N)被进一步构造成当流经该第一断路器(10B‑10N)的电流降至预定水平时，断开该第一机械接触(500A)。

Description

具有固态互锁机构的固态电路中断器

背景技术

技术领域

本发明所公开的概念整体涉及电路中断器，尤其是涉及具有固态互锁机构的电路中断器。

背景信息

电路中断器(例如但不限于断路器)通常用于保护电路不受过电流状况的损害，诸如过载状况、短路或其他故障状况，例如电弧故障或接地故障。固态电路中断器使用固态部件，例如半导体器件，以接通和切断从电源流到负载的电流。固态电路中断器可以提供优于常规机械电路中断器的优点，例如，中断更快、尺寸更小或可靠性更好。

UL 489I是用于固态塑壳式断路器的调查要求纲要。它与UL 489结合使用，该UL489是用于塑壳式断路器、塑壳式开关和断路器壳体的安全标准。UL 489I的范围覆盖额定电压高达1000Vac和1500Vdc的固态塑壳式断路器，其使用半导体进行切换并且具有整体式气隙以提供隔离。已知所使用的半导体器件具有漏电流，因此仍然需要气隙来为负载提供电流隔离。机械接触通常用于产生这种气隙。

固态断路器优于传统断路器的一个优点在于此气隙的大小。固态断路器可以使用小得多的气隙，并且不需要使用电弧斜槽，因为能量在半导体器件本身内耗散。断路器的可靠性基于半导体在产生气隙之前中断电流的能力。

然而，固态部件(例如，半导体器件)的故障模式之一是短路。当发生此类短路故障时，固态断路器将无法断开。断路器的这种跳闸故障可能对固态断路器、包括发生故障的固态电路的电路中断系统和负载有害。

固态断路器和包括固态断路器的系统还存在改进的余地。

发明内容

通过所公开概念的实施方案来满足这些需求和其他需求，其中故障模式下的固态断路器请求上游断路器中断流向其的电流，使得该固态断路器可以断开其机械接触。

根据本发明所公开的概念的一个方面，一种系统包括：第一断路器，该第一断路器包括第一固态开关、第一机械接触和电流传感器，该电流传感器被构造成感测流经该第一断路器的电流；以及第二断路器，该第二断路器电耦合到该第一断路器并且被构造成中断流向该第一断路器的电流，其中该第一断路器被构造成在检测到故障模式时向该第二断路器发送请求，并且其中该第二断路器被构造成响应于接收到该请求，中断流向该第一断路器的电流，并且该第一断路器被进一步构造成当流经该第一断路器的电流降至预定水平时，断开该第一机械接触。

根据本发明所公开的概念的另一方面，固态断路器包括：固态开关，该固态开关被构造成断开以中断流经该固态断路器的电流；机械接触，该机械接触被构造成断开以提供电流隔离；电流传感器，该电流传感器被构造成感测流经该固态断路器的电流；以及电子跳闸单元，该电子跳闸单元被构造成控制该固态开关以断开或闭合并且控制该机械接触断开，其中该固态断路器被构造成检测该固态开关的故障模式，并且作为响应地向上游断路器发送请求以中断流向该固态断路器的电流。

根据本发明所公开的概念的另一方面，一种方法包括：由第一断路器检测故障模式，该故障模式包括断开该第一断路器的第一固态开关失败；由该第一断路器向第二断路器发送请求；由该第二断路器接收该请求；响应于接收到该请求，由该第二断路器中断流向该第一断路器的电流；检测到流经该第一断路器的电流已降至预定水平；以及响应于检测到流经该第一断路器的该电流已降至该预定水平，由该第一断路器断开机械接触。

附图说明

当结合附图阅读时，可以从以下优选的实施方案描述中获得对本发明所公开的概念的完整理解，其中：

图1是根据本发明所公开的概念的示例性实施方案的固态断路器的示意图；

图2是根据本发明所公开的概念的示例性实施方案的系统的另一示意图；

图3示出了根据本发明所公开的概念的示例性实施方案的流经断路器的电流的波形；

图4是根据本发明所公开的概念的示例性实施方案的固态互锁的方法的流程图；并且

图5是根据本发明所公开的概念的示例性实施方案的固态互锁的方法的另一流程图。

具体实施方式

本文使用的方向短语，诸如例如左、右、前、后、顶部、底部、以及它们的衍生词，涉及附图中所示的元件的取向，并且并不限制权利要求书，除非在其中明确地表述。

如本文所用，两个或更多个零件“联接”在一起的表述应当意为这些零件直接接合在一起或通过一个或多个中间零件接合在一起。

图1是根据本发明所公开的概念的示例性实施方案的固态断路器10的示意图。固态断路器10可以是较大型系统的一部分，包括附加断路器、固态断路器和/或机械断路器，诸如图2所示的系统。

固态断路器10被构造成经由线路2和负载导体4电连接在电源和负载12之间。上游断路器可以设置在电源与固态断路器10之间。固态断路器10被构造成在故障状况(例如，但不限于过电流状况)的情况下跳闸断开或开关断开以中断流向负载12的电流，以保护负载12、与负载12相关联的电路以及固态断路器10内的部件。

固态断路器10包括固态开关100、电子跳闸单元200、操作机构300、传感器400和机械接触500。固态开关100包括固态开关元件(例如，但不限于金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、绝缘栅双极晶体管(IGBT))，其被构造成接通和关断(即，断开和闭合)以允许或中断流向负载12的电流。固态开关100电耦合到负载12和电子跳闸单元200。

电子跳闸单元200被构造成基于来自传感器400的信号控制固态开关100断开和闭合，并且还控制操作机构300跳闸断开机械接触500。电子跳闸单元200可以包括处理单元，该处理单元可以包括处理器和存储器。处理器可以是例如但不限于微处理器、微控制器，或者一些其他合适的处理设备或电路。存储器可以是各种类型的内部和/或外部存储介质中的一种或多种中的任何一种，该各种类型的内部和/或外部存储介质为诸如但不限于RAM、ROM、EPROM、EEPROM、FLASH等，它们提供存储寄存器(即，机器可读介质)以用于进行数据存储，诸如以计算机的内部存储区域的方式进行数据存储，并且可以是易失性存储器或非易失性存储器。存储器可以存储用于固态互锁(SSI)的固件解决方案，其中第一固态断路器(例如，下游断路器)例如由于其中的固态开关的短路而无法断开其固态开关。SSI由第一固态断路器和第二断路器执行，例如，到该第一固态断路器的上游断路器。第二断路器可以是或可以不是固态断路器。支持SSI的下游断路器电路和支持SSI的上游断路器可以一起监测并响应其功率半导体的中断能力。参考图2进一步讨论SSI。

电子跳闸单元200被构造成确定故障状况(例如，但不限于过电流故障)并且响应于该故障状况控制固态开关100断开。断开固态开关100中断流向负载12的电流。

操作机构300被构造成响应于来自电子跳闸单元200的信号而断开机械接触500。断开机械接触500在电源与负载12之间提供电流隔离。例如并且不受限制，操作机构300被构造成使得机械接触500通过例如但不限于移动可移动臂而断开，以使得机械接触500分离。电子跳闸单元200被构造成仅在固态开关100已断开以中断流经固态断路器10的电流之后，控制操作机构300断开机械接触500。在一些示例性实施方案中，机械接触500不被设计成中断流经固态断路器10的额定电流，并且固态断路器10可以不含诸如电弧斜槽的部件，以处理机械接触500中断额定电流的影响。因此，机械接触500仅在流经固态断路器10的电流已降至安全地断开机械接触500的水平时才应断开。

传感器400可以是被构造成感测流经固态断路器10的电流的电流传感器(例如，但不限于电流互感器、霍尔效应传感器等)。传感器400的输出可以提供给电子跳闸单元200。

电子跳闸单元200被构造成检测固态断路器10的故障模式。故障模式是固态开关100断开的故障。响应于检测到故障模式，电子跳闸单元200被构造成输出对上游断路器的请求。响应于该请求，上游断路器被构造成中断流向固态断路器10的电流，从而导致流经固态断路器10的电流降低。电子跳闸单元200被构造成监测流经固态断路器10的电流，并且当电流降低时确定该电流何时降至预定水平。该预定水平是安全断开机械接触500的水平。示例性预定水平为5A。然而，可以在不脱离所公开概念的范围的情况下修改预定水平。一旦电流达到预定水平，电子跳闸单元200就控制操作机构300断开机械接触500。在断开机械接触500之后，电子跳闸单元200向上游断路器发送明确请求。该明确请求指示上游断路器可以停止对流向固态断路器10的电流的中断。流经固态断路器10的电流的降低允许机械接触500的安全断开。该明确请求允许上游断路器快速恢复电流，使得对该上游断路器下游的其他负载的中断降至最低。在一些示例性实施方案中，中断的持续时间可以在微秒的数量级，并且对上游断路器下游的其他负载几乎没有影响。

图2是根据本发明所公开的概念的示例性实施方案的系统1的示意图。系统1可以包括一个或多个固态断路器10。在图2中，系统1包括多个断路器，例如上游断路器10A和下游固态断路器10B-10N，其中N为整数。上游断路器10A可以是或可以不是固态断路器。

断路器10A-10N彼此电耦合，并且通过任何合适的通信协议彼此通信。例如，断路器10A-10N可以被构造成通过有线或无线通信进行通信。在有线通信中，断路器10A-10N可以经由电力线通信或经由控制线进行通信。应当理解，在不脱离本发明所公开的概念的范围的情况下，可以在断路器10A-10N之间采用任何合适的通信方式。当检测到故障模式(例如，断开固态开关失败)并且一个或多个固态断路器无法断开时，断路器10A-10N可以彼此通信以便例如请求或执行固态互锁(SSI)。例如，如果下游固态断路器10B的固态开关100被短路100A，则下游固态断路器10B的固态开关100可能无法断开。当固态开关100无法断开并且电流继续流经下游固态断路器10B时，断开机械接触500A是不安全的。响应于故障模式，下游断路器10B向上游断路器10A发送请求(例如，SSI请求)。

SSI是对与固态断路器中的功率半导体器件相关联的故障模式之一的硬件和固件解决方案。SSI提供固件解决方案，例如当固态断路器无法在短路事件期间断开时，SSI提供通信方案并且允许上游断路器识别故障模式下的下游断路器并对其进行响应。例如，当支持SSI的固态断路器感测到其一个或多个半导体器件中的短路故障时，它向最接近的上游断路器发送SSI请求，并且作为响应，最接近的上游断路器中断流向下游断路器的电流。SSI请求可以指示断开下游断路器10B的固态开关存在故障并请求上游断路器10A中断流向下游断路器10B的电流。可以通过嵌入断路器中的中断逻辑部件来执行SSI。

下游断路器10B被构造成监测由于中断引起的电流下降，并且然后当电流达到预定水平时断开其机械接触500A。该预定水平可以是请求断路器的机械接触能够在所有阶段安全断开的电流水平。上游断路器10A可以通过暂时关断其半导体器件(例如，SiC MOSFET、IGBT等)来产生流向下游断路器10B的中断电流。可以调整上游断路器进行电流中断的持续时间，以便对上游断路器10A下游的其他负载的影响最小。零电流的持续时间可以是微秒级(μs)。在上游断路器为非固态断路器(非SSCB)的示例中，非SSCB上游断路器可以通过断开其机械接触来中断电流。因此，非SSCB还可能需要另外的操作来重新闭合其本身。但在一些示例性实施方案中，非SSCB可以能够重新闭合其机械接触。

一旦电流被中断，下游固态断路器10B通过电流传感器(例如，参考图1所述的电流传感器400)检测流经它的电流的下降是否达到预定水平，并且断开其机械接触500A。在断开机械接触500A时，下游断路器10B可以向上游断路器10A发送明确请求。该明确请求可以指示现已修复故障模式，例如，下游断路器10B的机械接触现已断开，并且因此明确需要上游断路器10A终止SSI机构并恢复其正常操作。

在接收到明确请求后，上游断路器10A可以例如通过闭合其机械接触或固态开关来终止SSI。然后，上游断路器10A恢复其正常操作。

图3包括根据本发明所公开的概念的示例性实施方案的流经下游断路器和上游断路器的电流的波形。A是流经下游断路器(例如，支持SSI的下游固态断路器)的电流的波形。B是流经上游断路器(例如，支持SSI的上游断路器)的电流的波形。

在时间t1处，下游断路器和上游断路器均闭合。

在时间t1之后并且在时间t2之前，发生下游断路器的故障模式(即，断开固态开关失败)。下游断路器检测到此故障模式。

在时间t2处，下游断路器向上游断路器发送请求。响应于所述请求，上游断路器中断流向下游断路器的电流，从而导致流经下游断路器的电流下降。然后，下游断路器等待流经它的电流降至安全断开其机械接触的预定水平。

在时间t3处，流经下游断路器的电流达到预定水平。在一个示例中，对于100A固态断路器而言，预定水平可以是5A或更小。然而，应当理解，在不脱离本发明所公开的概念的范围的情况下，可采用其他预定水平。在时间t3处，下游可以开始断开其机械接触的过程。由于此过程需要一定量的时间，因此机械接触实际上可能直到t4才能断开。一旦机械接触断开，下游断路器就向上游断路器发送明确请求，指示上游断路器可以停止对流向下游断路器的电流的中断。

在时间t5处，上游断路器可以接收来自下游断路器的明确请求，并且通过例如闭合其固体状态开关或机械接触来停止对流向下游断路器的电流的中断。

在时间t5(此时上游断路器停止对电流的中断)和时间t6之间，流经上游断路器的电流上升到其正常水平，该正常水平在时间t6处达到。

图4是根据本发明所公开的概念的示例性实施方案的方法400的流程图。该方法可以由参考图1至图3所述的电路中断器的上游断路器和下游断路器以及相应处理单元执行。

在410处，第一断路器检测到故障模式(即，打开固态开关失败)。该第一断路器可以是如参考图2所述的下游断路器。

请求可以指示断开第一断路器的固态开关存在故障并请求第二断路器中断流向第一断路器的电流。在420处，第一断路器向第二断路器发送请求。第二断路器可以是如参考图2所述的上游断路器。电路中断器内可能存在一个或多个上游断路器，并且下游断路器向最接近的上游断路器发送SSI请求信号。上游断路器可以是固态断路器或非固态断路器。

在430处，第二断路器从第一断路器接收请求。

在440处，第二断路器中断流向第一断路器的电流。第二断路器可通过经由嵌入上游断路器的存储器内的中断逻辑部件暂时关断其半导体器件，例如SiC MOSFET、IGBT等，来中断电流。可以调整第二断路器进行中断的持续时间，以便对下游断路器的负载影响最小。该持续时间为微秒级(μs)。

在450处，当流经第一断路器的电流降至预定水平时，该第一断路器断开机械接触。第二断路器等待来自第一断路器的明确请求信号。该明确请求信号可以指示第一断路器的机械接触已断开，并且因此，明确需要第二断路器停止中断并恢复其正常操作。

在460处，第一断路器向第二断路器发送明确请求。

在470处，第二断路器至少部分地基于所接收的明确请求停止对流向第一断路器的电流的中断。然后，第二断路器恢复正常操作。

图5是根据本发明所公开的概念的示例性实施方案的方法500的另一流程图。该方法可以由参考图1至图3所述的电路中断器的上游断路器和下游断路器以及耦接到其中的相应存储器的相应处理单元执行。

在510处，下游断路器和上游断路器均闭合并且执行正常操作。

在512处，下游断路器内发生故障事件。该故障事件可以包括过电流事件。

在514处，下游断路器检测到发生故障模式。也就是说，下游断路器检测到其固态开关无法断开。

在516处，下游断路器向上游断路器发送请求信号。

在518处，上游断路器从下游断路器接收请求。

在520处，上游断路器断开其固态开关以中断流向下游断路器的电流。

在522处，下游断路器检测流经它的电流水平，并且当其检测到该电流水平已降至预定水平时，该方法前进至526。下游断路器可以经由电流传感器(例如，参考图1讨论的电流传感器400)检测零电流。该预定水平是下游断路器安全断开其机械接触的水平。

在524处，下游断路器断开其机械接触。

在526处，下游断路器向上游断路器发送明确请求。

在528处，上游断路器从下游断路器接收该明确请求。

在530处，上游断路器通过例如断开其固态开关来停止中断流向下游断路器的电流。

在532处，上游断路器恢复正常操作。

虽然已经详细地描述了本发明所公开的概念的特定实施方案，但是本领域的技术人员应当理解，可以根据本公开的总体教导内容来开发出那些细节的各种修改和替换。因此，所公开的特定布置仅是说明性的，而不限制本发明所公开的概念的范围，本发明所公开的概念的范围由所附权利要求书的全部范围以及其任何和所有等同物给出。

Claims (15)

1.一种系统，包括：

第一断路器，所述第一断路器包括第一固态开关、第一机械接触和电流传感器，所述电流传感器被构造成感测流经所述第一断路器的电流；和

第二断路器，所述第二断路器电耦合到所述第一断路器并且被构造成中断流向所述第一断路器的电流，

其中所述第一断路器被构造成在检测到故障模式时向所述第二断路器发送请求，并且

其中所述第二断路器被构造成响应于接收到所述请求而中断流向所述第一断路器的电流，并且所述第一断路器被进一步构造成当流经所述第一断路器的所述电流降至预定水平时断开所述第一机械接触。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述第二断路器包括第二固态开关，并且其中所述第二断路器被构造成响应于接收到来自所述第一断路器的所述请求，断开所述第二固态开关以中断流向所述第一断路器的电流。

3.根据权利要求2所述的系统，其中所述第一断路器被进一步构造成当所述第一机械接触已断开时，向所述第二断路器发送明确请求，并且其中所述第二断路器被构造成响应于接收到来自所述第一断路器的所述明确请求，闭合所述第二固态开关以停止中断流向所述第一断路器的电流。

4.根据权利要求1所述的系统，其中所述第二断路器包括第二机械接触，并且其中所述第二断路器被构造成响应于接收到来自所述第一断路器的所述请求，断开所述第二机械接触以中断流向所述第一断路器的电流，并且其中所述第一断路器被进一步构造成当所述第一机械接触已断开时，向所述第二断路器发送明确请求，并且其中所述第二断路器被构造成响应于接收到来自所述第一断路器的所述明确请求，闭合所述第二机械接触以停止中断流向所述第一断路器的电流。

5.根据权利要求1所述的系统，其中所述预定电流水平包括允许所述第一断路器安全断开所述第一机械接触的电流值。

6.根据权利要求1所述的系统，其中所述第二断路器被构造成在中断流向所述第一断路器的电流之后的预定时间内停止中断流向所述第一断路器的电流。

7.根据权利要求1所述的系统，其中所述第二断路器设置在所述第一断路器的上游，并且其中所述系统进一步包括设置在所述第二断路器下游的第三断路器。

8.根据权利要求1所述的系统，其中所述故障模式包括断开所述第一固态开关失败。

9.一种固态断路器，包括：

固态开关，所述固态开关被构造成断开以中断流经所述固态断路器的电流；

机械接触，所述机械接触被构造成断开以提供电流隔离；

电流传感器，所述电流传感器被构造成感测流经所述固态断路器的电流；和

电子跳闸单元，所述电子跳闸单元被构造成控制所述固态开关以断开或闭合并且控制所述机械接触断开，

其中所述固态断路器被构造成检测所述固态开关的故障模式，并且作为响应地向上游断路器发送请求以中断流向所述固态断路器的电流。

10.根据权利要求9所述的固态断路器，其中所述电子跳闸单元被构造成检测流经所述固态断路器的所述电流是否降至预定水平，并且当流经所述固态断路器的所述电流降至所述预定水平时，控制所述机械接触断开。

11.根据权利要求10所述的固态断路器，其中所述电子跳闸单元被构造成在控制所述机械接触断开之后，向所述上游断路器发送明确请求，并且其中所述预定水平包括允许所述固态断路器安全断开所述机械接触的电流值。

12.一种方法，包括：

由第一断路器检测故障模式，所述故障模式包括断开所述第一断路器的第一固态开关失败；

由所述第一断路器向第二断路器发送请求；

由所述第二断路器接收所述请求；

响应于接收到所述请求，由所述第二断路器中断流向所述第一断路器的电流；

检测到流经所述第一断路器的电流已降至预定水平；以及

响应于检测到流经所述第一断路器的所述电流已降至所述预定水平，由所述第一断路器断开机械接触。

13.根据权利要求12所述的方法，还包括：

当所述机械接触已断开时，由所述第一断路器向所述第二断路器发送明确请求；以及

响应于接收到所述明确请求，由所述第二断路器停止中断流向所述第一断路器的电流。

14.根据权利要求13所述的方法，其中中断流向所述第一断路器的电流包括断开所述第二断路器的第二固态开关，并且其中停止中断流向所述第一断路器的电流包括闭合所述第二断路器的所述第二固态开关。

15.根据权利要求12所述的方法，还包括：

在中断流向所述第一断路器的电流之后的预定时间内停止中断流向所述第一断路器的电流。

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