CN115940302A

CN115940302A - 持久dc断路器

Info

Publication number: CN115940302A
Application number: CN202210113678.5A
Authority: CN
Inventors: 陈拱辰
Original assignee: Power Transmission Technology Co
Current assignee: Power Transmission Technology Co
Priority date: 2021-08-13
Filing date: 2022-01-30
Publication date: 2023-04-07
Also published as: US11831167B2; US20230050719A1

Abstract

本发明涉及持久DC断路器。一种持久DC断路器对耦接到配电板的配电电路提供持久单或双DC电压。控制机制确保来自持久DC断路器的恒定且一致的DC电力输出。持久DC断路器可以替代AC断路器，将AC电力板转换为共存的AC和DC电力板或整个DC电力板。

Description

持久DC断路器

技术领域

本发明涉及一种用于AC(Alternating Current)和DC(Direct Current)电力共同分配的装置和方法，并且更特别地，涉及配置持久(persistent)DC断路器来替换AC断路器，以方便AC和持久DC共存的电力板。

背景技术

连接到AC电力的AC电力板包括多个AC断路器以驱动AC配电电路。现有系统的一个缺点是，几乎所有的电子设备包含以DC电力运行的集成电路，而该DC电力不可直接从AC配电电路获得。因此，需要电源适配器将AC电力转换成DC。可直接在配电电路上获取DC电力是非常有用的，该配电电路使电子设备(例如，移动电话或笔记本电脑)能够直接从配电电路接入DC电力而无需使用电源适配器。可提供DC电力供电子设备使用并提供AC电力以满足物理基础设施中传统AC设备的需求的电力板是令人期望的。

发明内容

相当多的电子装备或设备仍然以AC电力操作。因此，通用配电系统不仅必须向DC配电电路递送DC电力以供固态电子设备使用，其还必须向AC配电电路提供AC电力以满足家庭中传统AC设备的需求。本公开的实施方式在共存的AC和DC系统中提供了这种通用电力。

电子设备可以在不同的电源电压下操作。因此，根据本公开的实施方式，对于需要不同DC电压的不同电子设备，DC配电系统有利地向不同的DC配电电路供应不同的DC电压。为了实现这一点，根据本公开的实施方式，在电力板中并入持久DC断路器，其中电力板中的AC断路器可以由持久DC断路器代替，该持久DC断路器还将AC配电电路转换成DC配电电路，以提供所需的DC电压。更换断路器在分配DC电力方面具有成本效益和高度灵活性。它还使得AC电力系统能够被转换为共存的AC电力和DC电力的共供电系统，或仅DC供电系统。

DC配电电路的一个要求是，不管外部DC电源的可用性如何，DC电力都必须恒定地且持续地可用。换句话说，DC电力是理想的持久电力。

存在用于确保持久DC电源的两种技术。第一种技术是在电力板中使用集中式AC到DC转换器(ADC)来生成DC电力，以输出到全部DC配电电路，当外部或再生的DC能量变得不可用时，激活集中式ADC。

第二种技术是分布式方法，其中通过在断路器中并入AC到DC电力转换器，从而用持久DC断路器代替AC断路器。类似地，持久DC断路器中的ADC仅在外部DC电源不可用时被激活。持久DC断路器持久地使用AC电力进行DC转换来输出DC电力。

集中式ADC限制了可以从电力板供应以驱动连接到电力板的所有DC配电电路的DC电力的数量。因此，需要附加的DC-DC转换器连接到DC配电电路，以增加或降低DC电压。

第二种技术比第一种技术更灵活。通过在电力板中利用持久DC断路器替换AC断路器，将AC配电电路转换为DC配电电路也很简单。建筑物中相同的电力互连件可以用作AC配电电路或DC配电电路，这取决于在电力板中选择AC断路器还是DC断路器来驱动配电互连件。

此外，可以利用AC配电电路在供应120V的AC电力的同一电力互连件上供应多达两个不同的DC电压，或者在供应240V的AC电力的同一电力互连件上提供多达三个不同的DC电压。向AC配电电路输送返回电流的零线可以用来输送与用于AC相线的线上的DC电压不同的附加的DC电压。在AC配电电路中不输送AC电流的接地线可以用作DC电流返回路径，并可以承载DC配电电路中的最高的DC电流。

附图说明

图1示出了并入有AC和持久DC断路器的示例性AC和持久DC共存的电力板。

图2示出了具有针对配电电路异常的保护的持久单DC断路器的示例性功能框图。

图3示出了具有故障保护特征的持久双DC断路器的示例性功能框图。

具体实施方式

根据本公开的实施方式，DC电力在配电电路上直接供应给电子设备，例如，移动电话或笔记本电脑。为了实现这一点，根据一个实施方式，电力板向电子设备提供DC电力，同时还提供AC电力以满足物理基础设施中的传统AC设备的需求。因此，本公开的实施方式消除了对电源适配器的需求，同时支持建筑物中现有的传统AC设备，以便有效地使用再生能量。

共存的AC和持久DC电力板在建筑物中提供AC电力和DC电力两者。通过利用持久DC断路器替换其AC断路器，可以将AC电力板转换为AC和DC共存的电力板。图1示出了这种电力板100的示例性配置。来自外部DC电源115的DC输入连接到面板。外部DC电力115(例如，由太阳能电池板再生的能量或存储在电池组中的能量)可以在施加到电力板100之前由电压调节器116调节。到电力板100的DC电力输入可以通过DC主开关125手动关闭。

还存在AC主开关120，用于控制AC电力到电力板100中的AC断路器和DC断路器的输入。AC电力是用于AC断路器的主要电力。然而，AC电力是用于持久DC断路器的辅助电力。在美国，AC电力输入通常包括两条相线和零线，其中相线和零线提供120V的AC电力。两条相线提供240V的AC电力，以满足更高的电力要求。

在图1中示出的示例性实施方式中，AC断路器131将AC电力分配给AC电力分配电路141。持久单DC断路器132向DC配电电路142分配单一DC电压，以及持久双DC断路器138、139向DC配电电路148、149分配两个DC电压。两个DC配电电路148、149上的电压可以是不同的。

AC断路器和持久DC断路器的互换能够在AC配电电路和DC配电电路之间进行转换。AC电力、单DC电力或双DC电力可以在正确选择或替换电力板中的断路器插槽处的断路器的情况下被分配到配电电路。以相对较低的成本在共存的AC和持久DC电力系统中配置电力输出是灵活的。持久DC断路器也可程控为输出不同的DC电压以供使用。

在AC断路器中，接地线不接通，在DC断路器中也不接地接通。出于安全考虑，接地连接到AC插座。然而，接地连接到DC配电电路上的插座，对插在插座上的DC设备提供接地电压基准，并向DC配电电路提供电流返回路径。

图2示出了持久单DC断路器的示例性功能框图。持久DC断路器是指不管外部再生DC电力的可用性如何，由断路器使用的基本恒定且一致的DC电压的无中断的可用性。

AC电力开关211和DC电力开关212包括在图2中示出的持久DC断路器200中。AC电力开关211和DC电力开关212两者都可以手动控制，以将各自的AC和DC电力输入连接到断路器200。在图2中，即使AC开关211被手动关闭，只要外部DC能量可用，持久DC断路器200仍然可以输出DC电力。当DC开关212被手动关闭或者没有到外部DC电力的连接时，如果提供AC电力向其嵌入式ADC 235上电，则持久DC断路器200仍然可以连续地提供DC电力。只有当AC开关211和DC开关212两者被手动关闭时，持久DC断路器才不能输出DC电力。持久DC断路器200包括持久DC电力模块205，控制电路使持久DC断路器200能够提供持久DC电力。

在图2中，通过DC电力开关212的外部DC输入215被提供给持久单DC电力模块205。外部DC输入215由DC调节器225调节到连接到断路器200的DC配电电路所需的电压。

在持久DC电力模块205中存在AC自动开关220，其可以在电压监控设备(即，AC切换控制比较器(AC switching control comparator)230)的控制下自动接通或断开，以便根据需要启动到DC电力模块的AC输入210。AC切换控制比较器通过将其衰减的输入与基准电压(例如，基准电压Vrefa)进行比较来监控外部DC电力的可用性和强度。可以施加分压器来将DC输入215衰减到与设备供应电压VCC兼容的电压水平。VCC可以从可充电电池导出，或者通过使用DC电力215的DC-DC调节器生成，或者利用将AC电力作为输入的AC-DC调节器生成，或者甚至利用到断路器的外部VCC输入来生成。

如果衰减的DC输入高于Vrefa，则比较器230将输出高电平。逆变器231的输出将保持低电平而而不影响常开(NO)AC自动开关220，该AC自动开关将继续保持处于作为常开(NO)的其默认状态。AC手动开关211的输出可以与逆变器231的输出相加，以控制AC自动开关220的切换。而且，AC手动开关211可以在相线处与AC自动开关220串联连接。

当外部DC输入215减弱并且其衰减的输入下降到Vrefa以下时，AC切换控制比较器将把其输出改变为低电平。到逆变器231输出处的高电平的改变将闭合常开AC自动开关220，以使AC输入210能够向嵌入式ADC 235供电。AC自动开关220可以是使用双刀或MOSFET来控制其开关的固态继电器(solid-state relay，SSR)或电磁继电器(electromagneticrelay，EMR)。

ADC 235的输出也以与DC调节器225的经调节的输出相同的方式被调节到电压，以确保恒定的DC电压可从持久DC断路器200获取。基准电压Vrefr用作控制电压，以确保来自DC调节器225和ADC 235中的调节器的相同的经调节的输出电压。

存在另一电压检测设备232(例如，输出开关控制比较器)，它将来自DC输入215的经衰减的DC电压与基准电压Vrefo进行比较。当经衰减的DC输入低于Vrefo时，输出开关控制比较器232将从高电平改变为低电平。反相器233的输出因此从低电平变到高电平，从而随着常开(NO)DC开关241的闭合，使得经调节的ADC输出被传送到DC输出端口250；同时，比较器232的输出将导致常开DC开关240返回到断开，以断开DC调节器225到DC输出端口250的输出。

DC开关240、241可以是包括MOSFET设备以控制DC开关的负载开关。如果在其传输栅极中使用增强模式MOSFET，固态DC开关可以被实施为常开。替代性地，如果在其传输栅极中使用耗尽型MOSFET，则可以将耗尽型MOSFET实施为常闭。为了清楚起见，在整个描述中使用了正逻辑。SSR或EMR也可以用作DC开关。

这一对DC开关240、241用于选择来自外部DC输入215的经调节的DC电压，或者选择ADC 235转换后的电压以输出到持久DC断路器200，这一对开关可以由DC多路复用器(或者DC多路复用器(DC mux))代替，其中当输出开关控制比较器232输出高电平时，DC调节器225的输出被传送到DC多路复用器的输出，并且当输出切换控制比较器232输出低电平时，ADC235的经调节的输出被传输到DC多路复用器输出。

Vrefo的电压水平低于Vrefa的电压水平。这确保了当外部DC输入215开始下降时，AC自动开关220提前打开以向ADC 235上电。然而，Vrefo高于Vrefr。这确保了DC调节器225在一对DC开关240、241改变状态之前由外部DC输入215预先充电，以使得来自DC调节器225的经调节的输出能够被供应在持久DC断路器200的输出处。因此，持久DC电力始终以相同的恒定DC电压从持久DC断路器200供应。

基准电压Vrefa、Vrefo和Vrefr可程控以满足基准电压要求。替代性地，可以对持久DC电力模块205选择单一基准电压，即最高的基准电压Vrefa，然后将该电压步降到Vrefo，并且进一步将该电压逐步降低到Vrefr，以保持该组基准电压之间的固定电压差。当从DC断路器200输出的电压已知时，Vrefa也可以是在DC断路器200中程控的预定固定值。

如果出现任何配电电路异常(例如，短路、电弧、过压或过热)，断路器将切断其电力输出。为了实现这一点，在持久DC电力模块205中实施的DC故障保护逻辑245包括故障检测或故障保护电路246，该故障检测或故障保护电路监控DC断路器200的输出，以检测在其驱动的DC配电电路中是否发生任何电路异常。在配电电路中遇到任何异常的情况下，连接到故障保护电路246的反相器247的反相输出将打开两个DC电路开关240、241。

在连接到断路器200的DC配电电路中发生任何电路异常的情况下，DC电力多路复用器(power mux)的输出(如果用于替换这一对DC开关240、241)也将从DC断路器200的输出断开连接。

包括有助于输入DC电力检测、电力调节、电力转换和电路故障保护的控制电路的持久单DC电力模块205可以实施或制造在多芯片封装(multi-chip package，MCP)中，或者作为一个或多个集成电路包含在需要紧凑物理尺寸的DC断路器中。

图3示出了根据本公开的一个实施方式的持久双DC断路器300的示例性功能框图。持久双DC电力模块305被包括在这种断路器300中作为主控制电路。如图2所示，持久双DC电力模块可以通过将两个持久单DC电力模块组合在一起来实施。类似地，它可以实施为MCP，或者被制造为一个或多个集成电路，以提供双DC电力。

如上所述，AC配电电路可用于用作双DC电力递送。可以选择双刀单掷(DPST)手动开关311来切断持久双DC断路器300中来自AC输入310的一对相线。替代性地，可以选择两个单独的SPST开关来切断到持久双DC断路器300的AC输入310中的两个相线，其中每个SPST开关控制120V的AC电力输入到相应的ADC 335或336。替代性地，两条相线可以被供应给单一ADC，以生成两个经调节的DC电压。

通过在电力板中加入集中式ADC，连接到电力板的所有断路器主要充当机械开关的作用。这与本公开的实施方式不同，本公开的实施方式具有嵌入在每个DC断路器中的ADC，该ADC作为具有相应自动控制功能的主动DC断路器操作。

ADC增加了配置DC电力板方面的灵活性，向各自的DC配电电路提供所需的DC电力。分布式DC断路器提供了更大的灵活性，以提供不同的DC输出电压以供使用。

如果其调节器控制基准电压Vrefr是可调的或可程控的，则持久DC断路器可以具有更多的灵活性以具有不同的输出电压。

利用可移除持久DC断路器，可以通过替换电力板中的断路器，将现有的AC电力板配置为AC电力板、共存的AC和DC电力板、或持久DC电力板。外部DC电力需要输入到持久DC电力板，而与集中式还是分布式方法无关。在分布式方法中，每个持久DC断路器需要在每个断路器上的附加DC连接。合适的连接器包含在持久DC电力板中以插入外部DC电力，从而接收到断路器的DC电力输入。

Claims

1.一种适于提供持久DC电力的装置，该装置包括：

外壳，所述外壳适于耦接到电力板，其中，所述外壳包括：

AC电力输入端口，所述AC电力输入端口耦接到由AC开关控制的AC电力供应；

由DC开关控制的DC输入端口，所述DC输入端口耦接到外部DC电力；

DC输出端口；以及

持久DC电力模块，所述持久DC电力模块包括：

DC电压调节器，其中，根据第一基准电压调节从所述DC输入端口接收的所述外部DC电力，以生成经调节的DC电压；

AC到DC转换器(ADC)，所述AC到DC转换器适于根据所述第一基准电压将从所述AC电力输入端口接收的所述AC电力供应转换成经转换的DC电压；

DC输出接口端口，所述DC输出接口端口耦接到所述DC输出端口；以及

控制电路，所述控制电路适于监控所述外部DC电力，所述控制电路适于

当所述外部DC电力被检测到高于第二基准电压时，使经调节的DC电压能够被递送到所述DC输出接口端口，并且

当所述外部DC电力被检测到低于所述第二基准电压时，使经转换后的DC电压能够递送到所述DC输出接口端口。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述控制电路还包括

第一DC开关和第二DC开关；以及

第一监控设备，所述第一监控设备适于与所述第二基准电压进行比较，其中，

当所述第一监控设备的输出为高电平时，所述第一DC开关将所述经调节的DC电压连接到所述DC输出接口端口，并且所述第二DC开关将所述经转换的DC电压从所述DC输出接口端口断开，并且

当所述第一监控设备的输出为低电平时，所述第一DC开关将所述经调节的DC电压从所述DC输出接口端口断开，并且所述第二DC开关将所述经转换的DC电压连接到所述DC输出接口端口。

3.根据权利要求2所述的装置，还包括DC电力多路复用器；以及

比较器，所述比较器适于与所述第二基准电压进行比较，其中，

当所述比较器的输出为高电平时，所述经调节的DC电压递送到所述DC输出接口端口，以及

当所述比较器的输出为低电平时，所述经转换的DC电压被递送到所述DC输出接口端口。

4.根据权利要求1所述的装置，还包括：

AC自动开关；以及

第二监控设备，所述第二监控设备适于：

当所述外部DC电力被检测到低于第三基准电压时，启用到所述ADC的AC电力供应，并且

当所述外部DC电力被检测到高于所述第三基准电压时，禁用到所述ADC的所述AC电力供应。

5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一基准电压可编程以调节所述持久DC电力模块的输出电压。

6.根据权利要求4所述的装置，其中，所述第三基准电压高于所述第二基准电压，并且所述第二基准电压高于所述第一基准电压。

7.根据权利要求4所述的装置，其中，

所述第一基准电压和所述第二基准电压由所述第三基准电压生成，并且小于所述第三基准电压。

8.根据权利要求1所述的装置，其中，所述持久DC电力模块被制造成一个或多个集成电路。

9.根据权利要求1所述的装置，其中，所述持久DC电力模块被组装在多芯片模块(MCP)中。

10.根据权利要求1所述的装置，其中，所述持久DC电力模块与一组分立设备组装在一起。

11.根据权利要求4所述的装置，其中，所述AC手动开关和所述AC自动开关串联连接在所述AC电力供应的相线输入上。

12.根据权利要求4所述的装置，其中，所述AC自动开关由所述AC手动开关的输出选通，以禁用所述AC自动开关。

13.根据权利要求3所述的装置，还包括所述持久DC电力模块中的故障保护电路，以监控连接到所述DC输出端口的配电电路上的异常，并且当电路异常发生时，断开所述DC电力多路复用器到所述DC输出接口端口的输出。

14.根据权利要求4所述的装置，还包括所述持久DC电力模块中的故障保护电路，以监控连接到所述DC输出端口的配电电路上的异常，并且当电路异常发生时，断开所述第一和第二DC开关到所述DC输出接口端口的输出。

15.根据权利要求14所述的装置，其中，所述故障保护电路检测短路、电弧、过电压和过热的电路异常事件，以保护连接到所述DC输出端口的设备免受损坏。

16.根据权利要求14所述的装置，所述装置形成持久的单DC断路器，以对连接到所述装置的配电电路分配单DC电力。

17.根据权利要求1所述的装置，其中，所述外壳包括连接到所述外部DC电力的DC连接器。

18.根据权利要求1所述的装置，所述装置是没有所述DC输入端口的DC断路器。

19.根据权利要求14所述的装置，其中，两组持久DC电力模块被组合以形成持久双DC断路器，以输出用于连接到所述电力板的配电电路的两个DC输出。

20.根据权利要求19所述的装置，包括双刀单掷开关，用于手动控制所述AC电力供应中的两相线的通/断。

21.根据权利要求19所述的装置，所述持久双DC断路器安装在AC电力板中，以替代AC断路器，从而形成AC和持久双DC共存的电力板。