JP2015134596A - 航空機用の固体電力制御装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】航空機用の固体電力制御装置を提供する。
【解決手段】航空機用の固体電力制御装置１００に関する。固体電力制御装置は、電力出力バス１６０を導通させるための固体スイッチング装置と、固体スイッチング装置を制御するための制御ユニット１２０と、電力出力バスを流れる電流を監視するための電流検出回路１５０とを備える。電流検出回路は、単純化された、より信頼性の高い固体電力制御装置を実現する検出ヒューズ１４０を含む。
【選択図】図２
【解決手段】航空機用の固体電力制御装置１００に関する。固体電力制御装置は、電力出力バス１６０を導通させるための固体スイッチング装置と、固体スイッチング装置を制御するための制御ユニット１２０と、電力出力バスを流れる電流を監視するための電流検出回路１５０とを備える。電流検出回路は、単純化された、より信頼性の高い固体電力制御装置を実現する検出ヒューズ１４０を含む。
【選択図】図２
Description
本発明は、一般に、航空機用の固体電力制御装置（ＳＳＰＣ：ｓｏｌｉｄ ｓｔａｔｅ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）に関する。より具体的には、本発明は、航空機に使用される種類の固体電力制御装置を保護するための改善された装置に関する。
様々な、航空機の電力システム（１〜６）で用いる固体電力制御装置が知られている。
しかしながら、最近の業界および認証ガイドラインは、すべてのこのようなＳＳＰＣが、その中に設けられた一次的なスイッチング装置（一般的には、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ））の故障の場合に備えて二次的なフェイルセーフの絶縁機構を有するべきであるという要件を強調している。
このような二次的なフェイルセーフの絶縁機構を設ける１つの手法は、通常動作時は電流を制御し、故障状態時はこれを制限するためにＦＥＴ素子を使用することである。このようなＦＥＴ素子が、図１に描かれている。
図１のＦＥＴ素子に関して、電源入力ライン１２が、ＦＥＴ１０のドレインに接続されている。ＦＥＴ１０のソースは、値の低い検出抵抗４０の第１の端部およびオペアンプ３０の第１の入力端子に接続されている。オペアンプ３０の第２の入力端子は、検出抵抗４０の第２の端部に接続されており、これによって、オペアンプ３０は、ＦＥＴ１０を流れる電流によって生じる検出抵抗４０における電圧変動を示す信号をその出力から供給することができるようになっている。
また、検出抵抗４０の第２の端部は、ヒューズ５０を介して電源出力ライン６０に直列に接続されている。電源出力ライン６０は、航空機において、これに接続される様々な電気負荷を駆動するために使用されてもよい。
オペアンプ３０の出力は、制御ユニット２０に接続されており、制御ユニット２０は、ＦＥＴ１０のゲートにさらに接続されている。制御ユニット２０は、ＦＥＴ１０をオン／オフするように動作可能である。
このように、ＦＥＴ素子は、通常動作中に電源出力ライン６０に接続された負荷によって電源入力ライン１２から引き出される電流を調整するための制御ループに使用される内部電流測定システムを実現する。
ＦＥＴ１０が、ソースおよびドレイン間を短絡させることができなくなった場合、または、制御ループが、このような短絡を効果的に可能にすることができなくなった場合、負荷によって引き出される電流が、ヒューズ５０の定格電流を超えて上昇し、ヒューズ５０が飛ぶ可能性がある。このように、ＦＥＴ素子は、必要とされる二次的なフェイルセーフの絶縁機構をも実現する。
上述した周知の従来のＦＥＴ素子は、現在の産業および認証要件に対して適切な解決策を提供しているが、これに対する改善は、当該技術分野において歓迎される。
これを受けて、本発明の様々な態様および実施形態が、本発明者によって開発された。
したがって、本発明の第１の態様によれば、航空機用の固体電力制御装置であって、電力バスを導通させるための固体スイッチング装置と、固体スイッチング装置を制御するための制御ユニットと、電力バスを流れる電流を監視するための電流検出回路とを備える固体電力制御装置が提供される。電流検出回路は、単一部品において検出抵抗およびヒューズの両方の機能を組み合わせた新規の検出ヒューズをさらに含む。
このような検出ヒューズを使用することによって、固体電力制御装置における部品数および熱放出の両方が低減され、これにより、改善された回路電気効率、改善された動作信頼性、ならびに重量および体積の低減がもたらされる。
様々なさらなる利点は、以下で説明される本発明の様々な実施形態を検討するときに当業者に明らかとなる。
次に、本発明の様々な態様および実施形態が、添付図面に関連して説明される。
図２は、本発明の様々な実施形態に係る固体電力制御装置１００を示している。
固体電力制御装置１００は、ＦＥＴ素子タイプのものであり、ＦＥＴ１１０、電流検出・保護回路１５０、および次に電力出力バス１６０に直列に接続された電源入力ライン１１２を含む。電力出力バス１６０は、航空機において、これに接続された様々な電気負荷を駆動するために使用されてもよい。
ＦＥＴ１１０は、電流検出・保護回路１５０から電流検出信号を得る制御ユニット１２０によって制御され、また、電力出力バス１６０を導通させるように動作可能である。電流検出・保護回路１５０は、検出ヒューズ１４０およびセンサアンプ１３０を備える。
電源入力ライン１１２は、ＦＥＴ１１０のソース端子に接続されている。ＦＥＴ１１０のドレイン端子は、センサアンプ１３０の第１の入力端子および検出ヒューズ１４０の第１の端子１４１ａに接続されている。検出ヒューズ１４０は、ＦＥＴ１１０のソース端子と電力出力バス１６０との間に直列に接続されている。センサアンプ１３０の第２の入力端子は、電力出力バス１６０および検出ヒューズ１４０の第２の端子１４１ｂの両方に接続されている。
センサアンプ１３０からの出力は、電流検出信号として制御ユニット１２０に供給される。このとき、制御ユニット１２０は、この電流検出信号に応じてＦＥＴ１１０のゲートに電圧信号を印加することによってＦＥＴ１１０を制御するように動作可能である。例えば、制御ユニット１２０は、ＦＥＴ１１０をオン／オフするように動作可能である。
通常動作電流範囲にわたって、検出ヒューズ１４０は、検出ヒューズ１４０がセンサとして機能することを可能にする略一定の抵抗を有する。ＦＥＴ１１０を通って負荷に流れる電流によって生じる検出ヒューズ１４０における電圧は、センサアンプ１３０によって増幅され、これに略比例する。
しかしながら、検出ヒューズ１４０は、通常動作電流範囲外で動作する場合、検出ヒューズ１４０は、センサとしてではなくヒューズとして機能する。過電流は、検出ヒューズ１４０が、例えばトリッピングまたは抵抗加熱のいずれかによって飛ぶ原因となる。
例えば図４に関連して以下で説明されるような様々な検出ヒューズが考えられる。しかしながら、これらはすべて、これらを流れる電流に応じて単一装置が抵抗センサおよびヒューズの両方として機能することを可能にする特別に適合された非線形の電流応答を有する。
例えば、約１００℃の動作温度に至るまで実質的に安定した抵抗を有する検出ヒューズが用意されてもよい。このようなヒューズは、破壊された場合に残骸がその中に収容されるように設計される。
図３は、本発明の実施形態に係る、航空機の固体電力制御装置システム３００の詳細図を示している。航空機の固体電力制御装置システム３００は、並列に接続された、図２に示されている種類の複数の固体電力制御装置１００を備える。図３の実施形態では、１６のこのような固体電力制御装置１００が設けられているが、当業者は、この数が限定的なものでは決してないことに気付くであろう。固体電力制御装置１００を並列に接続することによって、より高い電流レベルを達成することができる。
固体電力制御装置１００のそれぞれは、それぞれの検出ヒューズ１４０および関連するセンサアンプ１３０に接続された、それぞれの１対の検出ライン１５２を含む。それぞれの制御ユニット１２０は、それぞれのＦＥＴ制御・電流制限回路２００（ＦＥＴ制御セルとしても知られている）およびそれぞれのＦＥＴ１１０のゲートに接続されたゲート抵抗１２２を含む。
電源入力ライン１１２は、過渡抑制回路３０２を介してグランドに接続されている。電力出力バス１６０は、フライホイールダイオード３０４および受動プルダウン３０６の両方を介してグランドに電気的に接続されている。逆バイアスダイオード３０８が、ＦＥＴ１１０のうちの少なくとも１つのゲートおよびドレイン間に並列に、これに対する逆ＥＭＦ保護を行うために設けられている。
電源ユニット３１０が、航空機の固体電力制御装置システム３００に用意されている。２８ボルトのＡＣ電源入力が、第１のＳＳＰＣイネーブルライン３１４および第２のＳＳＰＣイネーブルライン３１６によって動作するようにイネーブルされ得る電源ユニット３１０の変圧器に供給される。２０ボルトの供給が、電源ユニット３１０の出力ライン３１８に行われ、ＦＥＴ制御セル２００およびローカル用の３．３ボルト供給を行うために使用されるローカルバックコンバータ（ｌｏｃａｌ ｂｕｃｋ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）３２０に電力を供給するために使用される。
プロセッサ３２２は、航空機の固体電力制御装置システム３００の設定の管理およびその動作の監視を行うために用意されている。プロセッサへの／からの外部通信は、第１のＲＳ４８５通信バス３２４および第２のＲＳ４８５通信バス３２６によって、ならびに構成アドレスバス３２８を介して行われる。代替的な実施形態は、ＲＳ４８５以外の通信バスを使用してもよい。
プロセッサ３２２は、ＦＥＴ制御セル２００のそれぞれの電流制限を設定するために使用されるデジタル／アナログコンバータ３３４を制御する。また、制御ユニット３３６は、プロセッサ３２２に接続されており、個別の固体電力制御装置１００のそれぞれのＯＮ／ＯＦＦ状態を設定するために使用される。
ＦＥＴ制御セル２００のそれぞれは、電流監視ユニット３３８に接続されている。このユニット３３８は、プロセッサ３２２にフィードバックされ、次に、航空機の固体電力制御装置システム３００の電流全体を監視するために使用される信号を生成するように構成されている。
また、電源入力ライン１１２と電力出力バス１６０との間に接続された電圧監視ユニット３４２が用意されている。電圧監視ユニット３４２は、プロセッサ３２２において使用される制御アルゴリズムのための入力として使用するためにプロセッサ３２２にフィードバックされる様々な信号を生成するようにさらに構成されている。
さらに、ＦＥＴ制御セル２００の監視は、アーク故障（ＡＦ）検出器３４０および再生検出器３４４によって行われる。再生検出器３４４は、電流が出力から入力に逆流したときに再生電流を検出するように動作可能である。
プルダウン・ＢＩＴ回路３４６は、プロセッサ３２２と電力出力バス１６０とを接続している。プルダウン回路部品は、ＦＥＴスイッチ１１０がオフのときに出力電圧が妥当なレベルに維持されることを確実にする。ＢＩＴ回路部品は、個々のＦＥＴ１１０のそれぞれが予想通りに機能することを確実にする組込み試験（ＢＩＴ：ｂｕｉｌｔ−ｉｎ ｔｅｓｔ）機能を実現する。
図４は、本発明の様々な実施形態で用いる検出ヒューズ１４０を示している。検出ヒューズ１４０は、検出ヒューズ１４０を外部回路に接続するための第１の端子１４１ａおよび第２の端子１４１ｂを有する。様々な実施形態において、最大で約１００℃までの動作温度範囲にわたって２％以下の許容誤差を有する、例えば約３〜約５ミリオーム（ｍΩ）の抵抗を有する検出ヒューズ１４０が実現されてもよい。
描かれている実施形態において、第１の端子１４１ａおよび第２の端子１４１ｂは、ヒューズ製造の技術分野では周知の種類の略カップ状の金属部分である。例えば、カップ状の金属部分は、標準的な筒形ヒューズの部分を形成してもよい。したがって、これらは、標準的なヒューズホルダに適合するサイズに形成されてもよい。
第１の端子１４１ａおよび第２の端子１４１ｂは、互いに離間されて、円筒状ケーシング１４２によって支持されている。ケーシングは、当該技術分野で知られているようにガラス、セラミック、または他の絶縁材料から作製されてもよい。
検出ヒューズ１４０の第１の端子１４１ａは、接合部１４５によってヒューズ線１４３の第１の端部に接続されている。様々な実施形態において、接合部１４５は、第１の端子１４１ａとヒューズ線１４３との間に設けられるろう付け接合部（例えば、２７０℃超に加熱することによって形成される）である。あるいは、接合部１４５は、第１の端子１４１ａとヒューズ線１４３との高温はんだ付けによって形成されてもよい。例えば、金（Ａｕ）、金−錫（ＡｕＳｎ）、金−シリコン（ＡｕＳｉ）、および金−ゲルマニウム（ＡｕＧｅ）などの高温はんだを使用するはんだ付けが使用されてもよい。
ヒューズ線１４３の第２の端部は、さらなる接合部１４４によって検出ヒューズ１４０の第２の端子１４１ｂに接続されている。接合部１４４は、低温はんだを使用して形成されることが好ましい。例えば、約５０℃〜約１５０℃の融点を有する低温はんだが使用されてもよい。このような低温はんだの例は、インジウム含有合金およびビスマス含有合金（様々な比率で形成されるビスマス−錫（ＢｉＳｎ）など）を含んでもよい。
このように、検出ヒューズ１４０は、二成分のヒューズ素子を実現する。一方の要素（例えば、はんだ接合部１４４）は、温度ヒューズ動作の略すべてを実現し、他方の要素（例えば、ヒューズ線１４３）は、通常電流動作範囲内における抵抗の略すべてを実現する。これらが作製される元素および材料の注意深い選択により、所望の非線形の電流応答が実現される。
様々な実施形態において、ヒューズ線１４３は、銅または銅合金などの高融点材料を含む。このようなヒューズ線は、定格値と比較して比較的低い電流範囲にわたって動作されるとき比較的小さな温度変化を有する。例えば、ヒューズ線１４３が、その定格電流の１０％の範囲にわたって動作される場合、その抵抗加熱は、検出要素としてのその性能に影響を及ぼすほどに大きくは検出ヒューズ１４０の抵抗を変化させない。さらに、ヒューズ線は、高い融点を有する（例えば、銅は、約１０８５℃で融解する）。したがって、その通常動作範囲外で（例えば、定格値の０〜１０％の範囲外で）動作されるとき、ヒューズ線１４３は、熱くなるが、それ自体の融解温度に著しくは近づかず、一方、はんだは、ヒューズ動作および開回路を実現するために明確なかなり低い温度で融解する。
このように、単体部品（ｓｉｎｇｌｅ ｕｎｉｔａｒｙ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）において検出抵抗およびヒューズの機能を組み合わせるのと同時に、検出抵抗および別個のヒューズの両方を使用する従来の装置と比較して発生する余分な熱を低減する検出ヒューズの様々な実施形態が実現されてもよい。
当業者は、固体電力制御装置の多くの異なる実施形態が可能であることに気付くであろう。例えば、本発明の実施形態は、ＦＥＴ制御セルに関連して説明されているが、当業者は、本発明が、これに限定されないことおよび様々な非ＦＥＴベースの固体電力制御装置が実現されてもよいことに気付くであろう。
また、当業者は、このような固体電力制御装置を使用する、航空機の電力供給および／または固体電力制御装置システムの様々な実施形態が作製されてもよいことを理解するであろう。
さらに、検出ヒューズの特定の実施形態について、図４に関連して説明してきたが、様々なこのような検出ヒューズが、本明細書の教示を読んだ当業者には明らかになるであろう。例えば、第１の端子と第２の端子との間のどこかに設けられた第３の低温接合部によって接合されているヒューズ線の部分が、その先端に関しては、それぞれの高温接合部によって第１の端子および第２の端子のそれぞれに接合されてもよい。代替的な検出ヒューズの構造も明らかであろう。
その同等の任意の方法を含むすべてのこのような実施形態は、添付の特許請求の範囲およびその精神に含まれることが意図されている。
この記載された説明では、好ましい実施形態を含めて本発明を開示するために、さらには、任意の当業者が任意の装置またはシステムの作製および使用ならびに任意の組み込み方法の実行を含めて本発明を実施することを可能にするために、例が使用されている。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって規定されており、また、当業者によって想到される他の例を含み得る。このような他の例は、特許請求の範囲の文言と異ならない構造的要素を有する場合または特許請求の範囲の文言と実質的に異ならない均等な構造的要素を含む場合に、特許請求の範囲内にあることが意図されている。
１０、１１０ ＦＥＴ
１２、１１２ 電源入力ライン
２０、１２０ 制御ユニット
３０ オペアンプ
４０ 検出抵抗
５０ ヒューズ
６０ 電源出力ライン
１００ 固体電力制御装置
１２２ ゲート抵抗
１３０ センサアンプ
１４０ 検出ヒューズ
１４１ａ 第１の端子
１４１ｂ 第２の端子
１５０ 電流検出・保護回路
１５２ 検出ライン
１６０ 電力出力バス
２００ ＦＥＴ制御・電流制限回路
３００ 航空機の固体電力制御装置システム
３０２ 過渡抑制回路
３０４ フライホイールダイオード
３０６ 受動プルダウン
３０８ 逆バイアスダイオード
３１０ 電源ユニット
３１４ 第１のＳＳＰＣイネーブルライン
３１６ 第２のＳＳＰＣイネーブルライン
３１８ 電源ユニットの出力ライン
３２０ ローカルバックコンバータ
３２２ プロセッサ
３２４ 第１のＲＳ４８５通信バス
３２６ 第２のＲＳ４８５通信バス
３２８ 構成アドレスバス
３３４ デジタル／アナログコンバータ
３３６ 制御ユニット
３３８ 電流監視ユニット
３４０ アーク故障（ＡＦ）検出器
３４２ 電圧監視ユニット
３４４ 再生検出器
３４６ プルダウン・ＢＩＴ回路
１２、１１２ 電源入力ライン
２０、１２０ 制御ユニット
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１２２ ゲート抵抗
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３００ 航空機の固体電力制御装置システム
３０２ 過渡抑制回路
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３１０ 電源ユニット
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３４２ 電圧監視ユニット
３４４ 再生検出器
３４６ プルダウン・ＢＩＴ回路
Claims (11)
- 電力バス（１６０）を導通させるための固体スイッチング装置（１１０）と、前記固体スイッチング装置（１１０）を制御するための制御ユニット（１２０）と、前記電力バス（１６０）を流れる電流を監視するための電流検出・保護回路（１５０）であって、検出ヒューズ（１４０）を含む電流検出・保護回路（１５０）とを備える、航空機のための固体電力制御装置（１００）。
- 前記電流検出・保護回路（１５０）が、検出信号を前記制御ユニット（１２０）に供給するためのセンサアンプ（１３０）をさらに備える、請求項１に記載の固体電力制御装置（１００）。
- 前記検出ヒューズ（１４０）が、はんだ接合部に電気的および熱的に接続されたヒューズ線要素を備える、請求項１または２に記載の固体電力制御装置（１００）。
- 前記ヒューズ線要素が、銅または銅合金を含む、請求項３に記載の固体電力制御装置（１００）。
- 前記はんだ接合部が、約５０℃〜約１５０℃の融点を有する低温はんだを含む、請求項３または４に記載の固体電力制御装置（１００）。
- 並列に接続された、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の複数の固体電力制御装置（１００）を備える、航空機の固体電力制御装置システム（３００）。
- 航空機の固体電力制御装置（１００）を制御する方法であって、電力バス（１６０）に電力を供給するために固体スイッチング装置（１１０）を動作させるステップと、検出ヒューズ（１４０）に発生する電圧を測定することによって前記電力バス（１６０）を流れる電流を監視するステップと、前記監視される電流に基づいて前記固体スイッチング装置（１１０）を制御するステップとを含む方法。
- 前記監視される電流に基づいて前記固体スイッチング装置（１１０）を制御する前記ステップが、前記検出ヒューズ（１４０）を流れる電流を、所定の通常動作電流範囲内に維持することを含む、請求項７に記載の方法。
- 添付図面を参照しながら上に記載されているのと実質的に同様の、航空機用の固体電力制御装置（１００）。
- 添付図面を参照しながら上に記載されているのと実質的に同様の、航空機の固体電力制御装置システム（３００）。
- 添付図面を参照しながら上に記載されているのと実質的に同様に航空機の固体電力制御装置（１００）を制御する方法。
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