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Hintergrund
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Die vorliegende Erfindung befasst sich mit Festkörper-Schaltvorrichtungen zum Verteilen von Wechselstrom-(AC-)Leistung und betrifft im Spezielleren Leckage-Reduzierschaltungen zum Minimieren des Wechselstrom-Leckstroms in Festkörper-Schaltvorrichtungen.
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Festkörper-Wechselstromschalter werden häufig anstelle von mechanischen Relais verwendet, um Leistung von einer Quelle zu einer Last zu verteilen. Festkörper-Wechselstromschalter beinhalten typischerweise ein Paar Festkörper-Schaltvorrichtungen (solid-state switching devices bzw. SSSDs), die miteinander in Reihe verbunden sind. Jede SSSD beinhaltet einen Steueranschluss und mindestens zwei gesteuerte Anschlüsse. Ein dem Steueranschluss zugeführtes Steuersignal gibt vor, ob die SSSD ein oder aus ist. Wenn die SSSD eingeschaltet ist, gestattet die Vorrichtung, dass an einem ersten gesteuerten Anschluss bereitgestellte Leistung einem zweiten gesteuerten Anschluss zugeführt wird. Wenn die SSSD ausgeschaltet ist, verhindert die Vorrichtung, dass an einem ersten gesteuerten Anschluss bereitgestellte Leistung einem zweiten gesteuerten Anschluss zugeführt wird. Die meisten SSSDs sind jedoch unidirektional, wobei dies bedeutet, dass sie selbst im ausgeschalteten Zustand einen Stromfluss in einer Richtung erlauben. Aus diesem Grund benötigt ein Festkörper-Wechselstromschalter ein Paar Festkörper-Schaltvorrichtungen, die in einer Konfiguration Rücken an Rücken verbunden sind, um sowohl die positive Zyklushälfte als auch die negative Zyklushälfte der Wechselstrom-Eingangsleistung zu blockieren.
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Leckstrom ist das Resultat davon, dass ein gewisser Strom selbst dann fließen kann, wenn beide der in Reihe geschalteten SSSDs ausgeschaltet sind. Hierbei handelt es sich um ein Resultat parasitärer Kapazitäten in Verbindung mit jeder SSSD, die während der Zyklushälften der Wechselstrom-Wellenform laden/entladen. Beispielsweise erlaubt die den SSSDs zugeordnete Übergangskapazität ein Speichern von Energie während einer Zyklushälfte der Wechselstrom-Wellenform, und während die Wechselstromspannung in Richtung auf den Nulldurchgang absinkt, wird die Übergangskapazität entladen, wobei dies zu einem unerwünschten Fließen von Leckstrom durch die SSSD führt.
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Aus der
WO 2006/016259 A2 ist ein Leistungsverteilungssystem mit einem reduzierten Leckstrom bekannt. Das Leistungsverteilungssystem hat einen Eingangsanschluss, einen Ausgangsanschluss und eine Vielzahl Transistoren, die zwischen dem Eingangsanschluss und dem Ausgangsanschluss miteinander verbunden sind, wobei jeder Transistor mit einem allgemeinen Steuerungssignal verbunden ist, welches die Transistoren zwischen einem leitfähigen Modus, in dem Strom durch die Transistoren von dem Eingangsanschluss zu dem Ausgangsanschluss fließen kann, und einem nicht-leitfähigen Modus, in dem der Strom nicht durch die Transistoren von dem Eingangsanschluss zu dem Ausgangsanschluss fließen kann, umschalten kann. Jeder der Transistoren ist auf einem separaten Substratabschnitt vorgesehen, wobei das Substrat ein elektrisches Potential besitzt und Verstärkermittel betreibbar vorgesehen sind, um das Potential von jedem der Substratabschnitte auf ein Level zu erhöhen oder zu verringern, das im Wesentlichen ähnlich zu dem des Eingangsanschlusses bzw. des Ausgangsanschlusses ist, um den Leckstrom zu reduzieren.
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Kurzbeschreibung
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Ein Festkörper-Leistungsverteilungssystem beinhaltet einen Eingangsanschluss, der mit einer Wechselstrom-Energiequelle verbindbar ist, sowie einen Ausgangsanschluss, der mit einer Last verbindbar ist. Eine erste Festkörper-Schaltvorrichtung (SSSD) und eine zweite Festkörper-Schaltvorrichtung (SSSD), die jeweils einen Steueranschluss und zwei gesteuerte Anschlüsse aufweisen, sind zwischen dem Eingangsanschluss und dem Ausgangsanschluss in Reihe miteinander verbunden. Die erste und die zweite SSSD werden eingeschaltet, um Leistung von der Wechselstromquelle zu der Last selektiv zu verteilen, und ausgeschaltet, um die Leistungsverteilung von der Wechselstromquelle zu der Last zu unterbinden. Eine Leckstrom-Reduzierschaltung ist derart geschaltet, dass sie eine positive Vorspannungsspannung über gesteuerten Anschlüssen der ersten und der zweiten SSSD bereitstellt. Die Vorspannungsspannung wird angelegt, wenn die erste und die zweite SSSD ausgeschaltet sind, um die Erzeugung von Leckströmen in dem Festkörper-Leistungsverteilungssystem zu reduzieren.
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Figurenliste
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In den Zeichnungen zeigen:
- 1 ein Schaltbild der Festkörper-Schaltvorrichtung mit Leckage-Reduzierschaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
- 2A und 2B Wellenformdiagramme zur Veranschaulichung der Arbeitsweise des Wechselstrom-Schaltkreises ohne die Leckage-Reduzierschaltung; und
- 3A und 3B Wellenformdiagramme zur Erläuterung der Arbeitsweise des Wechselstrom-Schaltkreises mit der Leckage-Reduzierschaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Ausführliche Beschreibung
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Die vorliegende Erfindung schafft ein System und ein Verfahren zum Reduzieren von Leckströmen, die sich über Festkörper-Schaltvorrichtungen (SSSDs) entwickeln, die zum Verteilen von Wechselstrom-Leistung zu einer Last verwendet werden. Im Spezielleren stellt eine Leckage-Reduzierschaltung sicher, dass eine minimale Spannung über gesteuerten Anschlüssen der SSSDs aufrecht erhalten wird, um die Entstehung von Leckstrom zu verhindern, der ansonsten während Nulldurchgängen der Wechselstromenergie auftreten kann. In den im Folgenden angegebenen Ausführungsbeispielen werden Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) als Festkörper-Schaltvorrichtungen (SSSDs) verwendet, wobei der Gateanschluss jedes MOSFET einen Steueranschluss der SSSD darstellt und der Drainanschluss und der Sourceanschluss die gesteuerten Anschlüsse der SSSD darstellen. Ein dem Steueranschluss (z. B. dem Gateanschluss) zugeführtes Steuersignal legt fest, ob die SSSD ein oder aus ist. Wenn die SSSD ein ist, kann Leistung zwischen den gesteuerten Anschlüssen (z. B. zwischen dem Drain und der Source) fließen. Wenn die SSSD aus ist, ist das Fließen von Leistung zwischen den gesteuerten Anschlüssen verhindert. Bei weiteren Ausführungsformen können auch andere Arten von Vorrichtungen verwendet werden, wie z. B. Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBTs).
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1 zeigt ein Schaltbild eines elektrischen Stromverteilungssystems bzw. Leistungsverteilungssystems 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, das einen Wechselstromschalter 12 (AC-Schalter) und eine Leckage-Reduzierschaltung 14 verwendet. Der Wechselstromschalter 12 wird eingeschaltet, um Leistung von einer Wechselstromquelle 16 zu einer Last 18 zu führen, und ausgeschaltet, um die Verteilung von Leistung von der Wechselstromquelle 16 zu der Last 18 zu verhindern. Die Leckage-Reduzierschaltung 14 bewirkt eine Verringerung des Leckstroms in dem Verteilungssystem 10, wenn der Wechselstromschalter 12 ausgeschaltet ist. Die Kombination aus dem Wechselstromschalter 12 und der Leckage-Reduzierschaltung 14 stellt einen bestimmten Kanal innerhalb des Leistungsverteilungssystems 10 dar. Beispielsweise können in Flugzeuganwendungen verwendete sekundäre Leistungsverteilungssysteme (SPDS) eine Mehrzahl von Kanälen beinhalten, die jeweils ihre eigenen Festkörper-Wechselstromschalter in Kombination mit einer Leckage-Reduzierschaltung aufweisen.
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Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel beinhaltet der Wechselstromschalter 12 ein Paar SSSDs M1 und M2, die in einer Konfiguration Rücken an Rücken zwischen einem Eingangsanschluss Vin und einem Ausgangsanschluss Vout angeschlossen sind. Ein dem Steuersignal (beispielsweise dem Gateanschluss) jeder SSSD M1 und M2 zugeführtes Steuersignal schreibt vor, ob die betreffende SSSD ein oder aus ist. Zum selektiven Zuführen von Leistung von der Wechselstromquelle 16 zu der Last 18 werden beide SSSDs M1 und M2 eingeschaltet. Zum Verhindern der Zufuhr von Leistung von der Wechselstromquelle 16 zu der Last 18 werden in entsprechender Weise beide SSSDs M1 und M2 ausgeschaltet. Steuersignale (z. B. Steuerung 1, Steuerung 2), die an den jeweiligen Steueranschlüssen der SSSDs M1 und M2 bereitgestellt werden, werden typischerweise von einer Steuerung (nicht gezeigt) bereitgestellt, die häufig als Festkörper-Leistungssteuerung (SSPC) bezeichnet wird. Zusätzlich zu Steuerfunktionen kann die SSPC Schutz- und Testfunktionen haben. Beispielsweise überwacht eine SSPC den Stromfluss durch den Wechselstromschalter durch Überwachen der Spannung über einem Strommesswiderstand bzw. Stromerfassungswiderstand R1. Ansprechend auf einen Anstieg des Stroms über einen Schwellenwert für eine längere Zeitdauer kann die SSPC den Wechselstromschalter 12 ausschalten (d. h. die SSSDs M1 und M2 ausschalten), um eine Beschädigung der Drähte, der Last und/oder der eigentlichen Schaltvorrichtungen zu verhindern.
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Im Gegensatz zu mechanischen Kontakten erlauben SSSDs typischerweise einen Stromfluss in einer Richtung durch die Vorrichtung, selbst wenn die Vorrichtung aus ist, und zwar aufgrund des Body-Dioden-Effekts zwischen den gesteuerten Anschlüssen jeder SSSD. Bei Wechselstromanwendungen, bei denen die Wellenform eine positive Zyklushälfte und eine negative Zyklushälfte aufweist, wird ein Paar SSSDs mit entgegengesetzt orientierten Body-Dioden verwendet, um beide Bereiche der Wechselstromwellenform zu blockieren, wenn die SSSDs aus sind. Beispielsweise handelt es sich bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel bei den SSSDs M1 und M2 um n-leitende MOSFETs, die in der sogenannten Rücken-an-Rücken-Konfiguration konfiguriert sind (die Sourceanschlüsse sind durch den Stromerfassungswiderstand R1 verbunden), und die einen entgegengesetzt orientierten Body-Dioden-Effekt aufweisen. In dem Ausführungsbeispiel der 1 sind die Body-Dioden der SSSDs M1 und M2 im Umriss durch Dioden BD1 und BD2 veranschaulicht.
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Jede SSSD beinhaltet jedoch auch eine parasitäre Kapazität zwischen den gesteuerten Anschlüssen, die während der jeweiligen positiven und negativen Zyklushälften der Wechselstromquelle geladen wird, wenn die SSSD aus ist. In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die parasitären Kapazitäten der SSSDs M1 und M2 im Umriss durch Kapazitäten PC1 und PC2 veranschaulicht. Das Vorhandensein eines reaktiven Elements (d. h. einer Kapazität) zwischen den gesteuerten Anschlüssen erlaubt die Übermittlung von Wechselstromsignalen über die SSSDs, selbst wenn diese aus sind, so dass unerwünschter Leckstrom entsteht. Bei kapazitiven Schaltungen eilt der Strom der Spannung um 90° voraus. Wenn die der Wechselstromquelle zugeordnete sinusförmige Spannung sich von der positiven Zyklushälfte an einen Nulldurchgang annähert, nähert sich als Ergebnis hiervon eine der SSSD M1 zugeordnete parasitäre Kapazität einem negativen Spitzenwert, wobei dies zur Erzeugung von unerwünschten Leckstromspitzen führt.
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Um das Auftreten dieser Leckstromspitzen zu verhindern, spannt die Leckage-Reduzierschaltung 14 die SSSDs M1 und M2 derart vor, dass diese die Spannung über den gesteuerten Anschlüssen über einem bestimmten Schwellenwert halten, wenn die SSSDs M1 und M2 ausgeschaltet sind. Die Vorspannungsspannung hält die Festkörper-Schaltvorrichtungen M1 und M2 innerhalb eines Spannungsbereichs, der die unerwünschte Entladung dieser parasitären Kapazitäten verhindert. Insbesondere sorgt die Leckage-Reduzierschaltung 14 für eine positive Vorspannungsspannung über der SSSD M1 und der SSSD M2 an verschiedenen Punkten innerhalb des Wechselstromzyklus, um somit die Spannung über den gesteuerten Anschlüssen innerhalb eines erwünschten Spannungsbereichs zu halten.
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Bei dem Ausführungsbeispiel der 1 beinhaltet die Leckage-Reduzierschaltung 14 eine erste Vorspannungsschaltung 20a zum Vorspannen der SSSD M1 und eine zweite Vorspannungsschaltung 20b zum Vorspannen der SSSD M2. Die erste Vorspannungsschaltung 20a beinhaltet einen Kondensator C1, einen Widerstand R2 und eine Diode D1, und die zweite Vorspannungsschaltung 20b beinhaltet einen Kondensator C2, einen Widerstand R3 und eine Diode D2. Zusätzliche Dioden D3 und D4 sind zwischen den am Mittelpunkt befindlichen Spannungsknoten zwischen den SSSDs M1 und M2 sowie die jeweiligen Kondensatoren C1 und C2 geschaltet. Die Arbeitsweise der Leckage-Reduzierschaltung 14 und der zugeordneten Vorspannungsschaltungen wird in Bezug auf ein Szenario beschrieben, bei dem die beiden SSSDs M1 und M2 ausgeschaltet sind.
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Während einer positiven Zyklushälfte des Wechselstrom-Leistungseingangs veranlasst die positive Spannung auf dem Eingangsbus Vin einen Stromfluss in dem Schaltungsweg, der durch den Widerstand R2, den Kondensator C1 und die Diode D1 gebildet ist, zu dem Ausgangsbus Vout, so dass der Kondensator C1 zum Laden veranlasst wird. In der negativen Zyklushälfte liefert der Kondensator C1 eine Vorspannungsspannung über den gesteuerten Anschlüssen der SSSD M1. Die Vorspannungsspannung verhindert das Entladen von Energie von der parasitären Kapazität, die der SSSD M1 zugeordnet ist, so dass Leckstrom verringert/eliminiert wird.
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Gleichermaßen veranlasst während der negativen Zyklushälfte des Wechselstrom-Leistungseingangs die negative Spannung auf dem Eingangsbus Vin einen Stromfluss in dem Schaltungsweg, der durch den Widerstand R3, den Kondensator C2 und die Diode D2 geschaffen ist, so dass der Kondensator C2 zum Laden veranlasst wird. In der positiven Zyklushälfte liefert der Kondensator C2 eine Vorspannungsspannung über den gesteuerten Anschlüssen der SSSD M2. Die Vorspannungsspannung verhindert wiederum das Entladen von Energie von der parasitären Kapazität, die der SSSD M2 zugeordnet ist, so dass Leckstrom reduziert/eliminiert wird.
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Die 2A-2B und 3A-3B veranschaulichen die Fähigkeit der vorliegenden Erfindung zum Reduzieren von Leckstromspitzen. Die 2A-2B zeigen Wellenformdiagramme zur Erläuterung der Arbeitsweise des Wechselstrom-Schaltkreises ohne die Leckage-Reduzierschaltung, wie dies im Stand der Technik bekannt ist. Im Spezielleren veranschaulicht 2A Spannungen, die zwischen den gesteuerten Anschlüssen der SSSD M1 (bezeichnet mit „30“) und den gesteuerten Anschlüssen der SSSD M2 (bezeichnet mit „32“) gemessen werden. Die über der SSSD M1 gemessene Spannung wird zwischen dem Spannungsknoten Vin und Vcenter gemessen, und die über der SSSD M2 gemessene Spannung wird zwischen dem Spannungsknoten Vout und Vcenter gemessen. 2A veranschaulicht, dass dann, wenn beide SSSDs ausgeschaltet sind, die Spannung über den gesteuerten Anschlüssen jeder SSSD während der einen Zyklushälfte des Wechselstrom-Leistungseingangs gleich Null beträgt. 2B veranschaulicht die Wechselstromspannung (mit ,34" bezeichnet), die von der Wechselstromquelle 16 bereitgestellt wird, sowie den resultierenden Leckstrom ILeckage (mit ,36" bezeichnet), der ansprechend auf die Wechselstromspannung erzeugt wird, obwohl beide SSSDs ausgeschaltet sind.
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Wie in 2A gezeigt ist, variiert die Spannung über den SSSDs M1 und M2 zusammen mit den jeweiligen Zyklushälften der von der Wechselstromquelle 16 bereitgestellten Wechselstromspannung. Die Spannung über der SSSD M1 steigt mit der positiven Zyklushälfte der Wechselstromspannung an und sinkt während der negativen Zyklushälfte der Wechselstromspannung auf einen Wert nahe Null. Gleichermaßen steigt die Spannung über der SSSD M2 mit der negativen Zyklushälfte der Wechselstromspannung an und sinkt während der positiven Zyklushälfte der Wechselstromspannung auf einen Wert nahe Null. Wie in 2B veranschaulicht ist, eilt der Leckstrom der Spannung um 90° voraus, wobei dies die mit jeder SSSD verbundene parasitäre Kapazität widerspiegelt. Wenn sich die Wechselstromspannung einem Nulldurchgang nähert, steigt der Leckstrom auf einen maximalen positiven Wert an (z. B. ca. achtzehn Milliampere). An dem nächsten Nulldurchgang nimmt der Leckstrom auf einen maximalen negativen Wert ab (z. B. ca. -achtzehn Milliampere).
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Die 3A und 3B zeigen Wellenformdiagramme zur Erläuterung der Arbeitsweise des Wechselstrom-Schaltkreises mit der Leckage-Reduzierschaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. 3A veranschaulicht Spannungen, die zwischen den gesteuerten Anschlüssen der SSSD M1 (Linie 40) und den gesteuerten Anschlüssen der SSSD M2 (Linie 42) gemessen werden. Die über der SSSD M1 gemessene Spannung wird wiederum zwischen den Spannungsknoten Vin und Vcenter gemessen, und die über der SSSD M2 gemessene Spannung wird zwischen den Spannungsknoten Vout und Vcenter gemessen. Ansprechend auf die Vorspannungsspannung, die von der Leckage-Reduzierschaltung 14 bereitgestellt wird, wird die minimale Spannung über den SSSDs über Null gehalten. Bei dem Beispiel der 3A wird die Mindestspannung über einem Schwellenwert von ca. 40 Volt gehalten. Dies steht im Gegensatz zu dem Ausführungsbeispiel des Standes der Technik, bei dem die Spannung über den SSSDs auf einen Wert nahe 0 Volt absinken kann.
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3B veranschaulicht, wie das Anlegen der Vorspannungsspannung über den SSSDs M1 und M2 gemäß der Darstellung in 3A den resultierenden Leckstrom begrenzt. Im Vergleich zu dem Ausführungsbeispiel der 2B, in dem sich der Leckstrom an seiner Spitze einem Wert von nahezu 20 mA genähert hat, wird bei dem in 3B dargestellten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dagegen der Leckstrom auf weniger als 5 mA minimiert. Auf diese Weise bewirkt die Leckstrom-Reduzierschaltung 14, dass die Spannung über den gesteuerten Anschlüssen der jeweiligen SSSDs auf einem gewissen Mindestschwellenwert gehalten wird. Die Vorspannungsspannungen über den SSSDs wiederum begrenzen die Entstehung von Stromspitzen durch den Wechselstromschalter.
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Obwohl die Erfindung in Bezug auf eine oder mehrere exemplarische Ausführungsformen beschrieben worden ist, versteht es sich für die Fachleute, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können und Äquivalente als Ersatz für Elemente von diesen verwendet werden können, ohne dass man den Umfang der Erfindung verlässt. Ferner können viele Modifikationen vorgenommen werden, um eine bestimmte Situation oder ein bestimmtes Material an die Lehren der Erfindung anzupassen, ohne dass man den wesentlichen Umfang von dieser verlässt. Es ist daher beabsichtigt, dass die Erfindung nicht auf die offenbarten speziellen Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern dass die Erfindung alle Ausführungsformen beinhaltet, die im Umfang der beigefügten Ansprüche liegen.
