JP2017070189A

JP2017070189A - バイポーラ高電圧直流電力配電のためのシステム、方法、およびデバイス

Info

Publication number: JP2017070189A
Application number: JP2016156067A
Authority: JP
Inventors: ピーター・ジェームス・ハンディー; James Handy Peter
Original assignee: GE Aviation Systems Ltd
Current assignee: GE Aviation Systems Ltd
Priority date: 2015-08-20
Filing date: 2016-08-09
Publication date: 2017-04-06
Also published as: CA2939740A1; CN106469907A; GB201514878D0; US20170054438A1; US10027317B2; FR3040247A1; BR102016019182A2; GB2541451B; GB2541451A

Abstract

【課題】バイポーラ高電圧直流電力配電のためのシステム、方法、およびデバイスを提供すること。
【解決手段】航空機配電のためのシステム、方法、およびデバイスが、バイポーラ高電圧直流源構成部品［５２］と、バイポーラ高電圧直流源構成部品［５２］から電力を取り出すことができる電気装荷構成部品［５８］と、バイポーラ高電圧直流源構成部品［５２］からの電力を電気装荷構成部品［５８］に選択的に結合するように構成されたスイッチング構成部品の組［５４］と、過渡抑制構成部品［５６］とを含む。過渡抑制構成部品［５６］は、スイッチング構成部品の組［５４］の第１または第２のサブセット中を流れる電流を、第１および第２のサブセットが同じ状態にないとき、制限するように構成される。
【選択図】図２

Description

本発明は、バイポーラ高電圧直流電力配電に関する。

電力配電システムは、分配された電力を消費する電気負荷へのエネルギー源からの電力の配分を管理する。航空機において、航空機を推進するためのガスタービンエンジンは、典型的には、発電機、始動機／発電機、永久磁石発電機（ＰＭＧ）、燃料ポンプ、および油圧ポンプ、例えば、航空機上に推進以外で必要とされる機能のための機器などの多くの異なる装備品に最終的に給電する機械エネルギーを提供する。例えば、現代の航空機は、航空電子機器、電動機、および他の電気機器に関連した電気負荷に電力を必要とする。

長年の間に、航空機の電源電圧が増加してきた。直流（ＤＣ）１４および２８ボルト（Ｖ）の電力系統を有する航空機が、交流（ＡＣ）１１５ボルト（Ｖ）およびＡＣ２３０Ｖで動作する電力系統を有する航空機に移行してきた。現在、航空機は、ＤＣプラス／マイナス２７０Ｖを含む電圧で動作する、１つまたは複数の電源を含むことができる。例えば、現在の広胴型双発商用ジェット旅客機は、ＤＣプラスおよびマイナス２７０Ｖの電源を含むバイポーラ高電圧直流サブシステムとともにＡＣ２３０Ｖ、ＡＣ１１５Ｖ、ＤＣ２８Ｖの電圧で動作するサブシステムを含むハイブリッド電圧システムである電気系統を使用する。

高電圧直流電気系統における電圧は、家庭用交流系統に匹敵するレベルに達し、システム内に起き得る異常な電流の流れを検出し異常な電流の流れに反応するために故障軽減機能を含む必要がある。家庭用交流系統において、故障保護デバイスは、典型的には、故障状態の場合には、典型的にはおよそ５０ミリ秒（ｍｓ）で作動して、給電ラインの電源を切ることができる電気機械スイッチによりオフ位置に作動することができる回路遮断器を含む。高電圧直流源から電気負荷に電流を通す電気機械スイッチは、開いているスイッチの接点にわたる電子の流れが接点間の間隙にわたる空気分子をイオン化して、気体プラズマを形成するとき、スイッチを開くと同時にアークを生じる。プラズマは抵抗が低く、電力の流れを持続することができる。プラズマは、高温であり、スイッチ接点の金属表面を腐食することがある。電流アーク放電により、接点に、したがって、電気機械スイッチに、およびまたアーク抑制法の使用を必要とすることがある電磁妨害（ＥＭＩ）に劣化が生じる。

一態様において、航空機配電のためのシステムは、正の電圧リードおよび負の電圧リードを有するバイポーラ高電圧直流源構成部品と、バイポーラ高電圧直流源構成部品から電力を取り出すことができる電気装荷構成部品と、バイポーラ高電圧直流源構成部品からの電力を電気装荷構成部品に減結合する開状態とバイポーラ高電圧直流源構成部品からの電力を電気装荷構成部品に結合する閉状態とを切り替えることによってバイポーラ高電圧直流源構成部品からの電力を電気装荷構成部品に選択的に結合するように構成されたスイッチング構成部品の組であって、スイッチング構成部品の第１のサブセットが、バイポーラ高電圧直流源構成部品の正のリードに結合され、スイッチング構成部品の第２のサブセットが、バイポーラ高電圧直流源構成部品の負のリードに結合される、スイッチング構成部品の組と、過渡抑制構成部品とを含む。過渡抑制構成部品は、スイッチング構成部品の組の第１または第２のサブセット中を流れる電流を、第１および第２のサブセットが同じ状態にないとき、制限するように構成される。

別の態様において、配電の方法は、バイポーラ高電圧直流源構成部品からの電力を電気装荷構成部品に減結合する開状態とバイポーラ高電圧直流源構成部品からの電力を電気装荷構成部品に結合する閉状態とを切り替えることによってバイポーラ高電圧直流源構成部品からの電力を電気装荷構成部品に選択的に結合するように構成されたスイッチング構成部品の組を通じて、正の電圧リードおよび負の電圧リードを有するバイポーラ高電圧直流源構成部品からの電力をバイポーラ高電圧直流源構成部品から電力を取り出すことができる電気装荷構成部品に印加するステップであって、スイッチング構成部品の第１のサブセットは、バイポーラ高電圧直流源構成部品の正のリードに結合され、スイッチング構成部品の第２のサブセットは、バイポーラ高電圧直流源構成部品の負のリードに結合される、印加するステップと、過渡抑制構成部品を用いてスイッチング構成部品の組中を流れる電流を、第１のサブセットおよび第２のサブセットが同じ状態にないとき、制限するステップとを含む。

別の態様において、電力スイッチングデバイスは、バイポーラ高電圧直流源構成部品からの電力を電気装荷構成部品に減結合する開状態とバイポーラ高電圧直流源構成部品からの電力を電気装荷構成部品に結合する閉状態とを切り替えることによってバイポーラ高電圧直流源構成部品からの電力を電気装荷構成部品に選択的に結合するように構成されたスイッチング構成部品の組であって、スイッチング構成部品の第１のサブセットは、バイポーラ高電圧直流源構成部品の正のリードに結合され、スイッチング構成部品の第２のサブセットは、バイポーラ高電圧直流源構成部品の負のリードに結合される、スイッチング構成部品の組と、スイッチング構成部品の組に結合された過渡抑制構成部品とを含む。過渡抑制構成部品は、スイッチング構成部品の組の第１または第２のサブセット中を流れる電流を、第１および第２のサブセットが同じ状態にないとき、制限するように構成される。

航空機、および本明細書に説明する様々な態様による電力配電システムの概略的上面図例である。本明細書に説明する様々な態様による、高電圧直流電力配電システムの図例である。本明細書に説明する様々な態様による、バイポーラ高電圧直流電力系統上の配電する方法を例示する流れ図である。本明細書に説明する様々な態様による、バイポーラ高電圧電力配電システムの回路図例である。本明細書に説明する様々な態様による、バイポーラ高電圧電力配電システムの回路図例である。本明細書に説明する様々な態様による、バイポーラ高電圧電力配電システムの回路図例である。本明細書に説明する様々な態様による、バイポーラ高電圧電力配電システムの動作を示す電圧および電流波形のグラフ例である。本明細書に説明する様々な態様による、バイポーラ高電圧電力配電システムの動作を示す電圧および電流波形のグラフ例である。

本発明の実施形態は、タービンエンジン、ジェット燃料、水素などのエネルギー源からの電力の生産を可能とする航空機の文脈で本明細書に説明する。しかし、本発明の一実施形態を航空機環境で示すが、本発明はそのように限定されず、他のモバイル用途ならびに非モバイル工業、商業、および住宅用途などの非航空機用途において電力配電システムに一般的に適用されることが理解されよう。例えば、適用可能なモバイル環境には、航空機、宇宙船、宇宙発射ロケット、人工衛星、機関車、自動車などを含むことができる。商業環境には、製造施設または発電および配電施設もしくはインフラストラクチャを含むことができる。

本発明の実施形態の少なくともいくつかは、過渡検出および軽減機能を含む、バイポーラ高電圧電力配電システム、方法および装置を提供する。バイポーラ高電圧電力配電システムは、固体電力コントローラ（ＳＳＰＣ：ｓｏｌｉｄ−ｓｔａｔｅｐｏｗｅｒｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）などのスイッチング構成部品の組を含む。「組」は、単一の固体スイッチを含む任意の数の固体スイッチを含むことができることが理解されよう。同様に、「組」は、本明細書では、単一の素子を含む任意の数の素子を含むことができる。バイポーラ直流電力供給装置またはバイポーラ直流電源は、本明細書では、出力電圧を正または負に設定することができ、電流を引き出すことができる直流電源と定義することができることが理解されよう。高電圧直流とは、本明細書では、電気故障の場合に固体構成部品を損傷するのに十分な高い電圧における電気エネルギーと定義することができ、多くの従来の航空機に統合されたＤＣ２８Ｖの電源によって提供されるよりも大きい電圧を含むことができるが、それに限定されないことを理解されよう。

現在、ＤＣプラスおよびマイナス２７０Ｖなどのバイポーラ高電圧電源を含む航空機はほとんどなく、これらの航空機はいずれもバイポーラ高電圧電力用に電力配電システムを統合していない。しかし、高電圧直流配電システムの設備により、バイポーラ高電圧直流源は、もはや航空機の単一の領域に限定されない。したがって、バイポーラ高電圧直流源は、配電システムにより、負荷がバイポーラ高電圧直流源によって給電される航空機上のどこかで起き得る、過渡電気活動を抑制し、故障事象を軽減する能力が必要とされる。

信頼性およびスイッチング速度に関連した電気機械スイッチに関連している問題のため、固体スイッチは、典型的には、航空機において見出される電力系統など、および高電圧直流電力用途を含む、安全を最重視すべき電力系統に使用される。固体スイッチは、回路または電気系統における過渡応答から結果として生じる損傷の影響を受けやすい。航空機上に提供されるなどの電力系統は、機器故障および落雷を含むがそれらに限定されない過渡電気活動の多くの潜在源にさらされている。高電圧直流配電システムの過渡保護方式は、高電圧直流源の正および負の給電路に結合された固体スイッチを開閉するタイミングを調整するステップを含む。固体スイッチの調整は、正および負の給電路のうちの一方に結合された固体スイッチが故障した場合、他方が損傷されないような保護対策を含む。

次に図１を見てみると、航空機、および本明細書に説明する様々な態様による電力配電システムの概略的上面図例が示される。航空機２は、ここでは互いに実質的に同一であり得る左エンジン系１２および右エンジン系１４として示される、少なくとも１つのガスタービンエンジンを有するものとして例示される。航空機２は、任意の数のエンジン系を有することができる。左エンジン系１２は、機械エネルギーを電力に変換する１つまたは複数の電源１６に結合することができる。左および右エンジン系１２、１４を含む、航空機２におけるエンジンのいずれかまたはすべては、そのように１つまたは複数のバイポーラ高電圧直流電源１６に結合することができることが理解されよう。バイポーラ高電圧直流電源１６は、集合的に電気負荷を構成する航空機２上のシステムおよびデバイスの組に選択的に通電する電力配電システム１８に結合することができる。電力配電システム１８によりバイポーラ高電圧直流電源１６によって給電されるシステムおよびデバイスは、電気負荷を取り出すことができる航空機上の任意のシステムまたはデバイスであり得、飛行制御アクチュエータ２６、コックピットディスプレイ用の局部ダウンコンバータ２７、環境制御システム２８などを含むがそれらに限定されない。

航空機２において、動作時の左および右エンジン系１２、１４は、スプールを介して抽出して、バイポーラ高電圧直流電源１６の駆動力を提供することができる機械エネルギーを提供する。他の電源は、発電機、蓄電池、燃料電池、ラムエアタービン（ＲＡＴ）などのバックアップ電源、１つまたは複数の交流電源入力をバイポーラ高電圧直流源に変換するための整流器などを含むことができるが、それらに限定されない。次いで、電源１６は、電力配電システム１８によって分配される発生電力を負荷動作のためにシステムおよびデバイスの電気負荷２６、２７、２８に提供する。

次に図２を見てみると、本明細書に説明する様々な態様による、バイポーラ高電圧直流電力配電システム５０の図例が示される。バイポーラ高電圧直流電力配電システムは、スイッチング構成部品の組５４に結合されたバイポーラ高電圧直流源構成部品５２を含む。スイッチング構成部品の組５４は、バイポーラ高電圧直流源構成部品５２からの電力を電気装荷構成部品５８に選択的に結合する。スイッチング構成部品の組５４は、過渡電圧事象の間、固体スイッチング構成部品の組中を流れる電流を制限するために過渡抑制構成部品５６を含む。通信構成部品６０は、スイッチング構成部品の組５４の状態を制御し監視するためにスイッチング構成部品の組５４に結合される。

バイポーラ高電圧直流源構成部品５２は、バイポーラ高電圧直流電源はまたは電力供給装置である。バイポーラ高電圧直流源構成部品５２は、正および負の２７０Ｖを含むがそれに限定されない電力を電気装荷構成部品５８に分配するのに使用されるための任意の正および負の電圧レベルを出力することができる。

スイッチング構成部品の組５４は、固体スイッチの組を含む。固体スイッチの組は、外部電圧がスイッチの制御端子の組にわたって印加されたとき、オンまたはオフに切り替える（すなわち、閉じるまたは開く）ことができる任意のタイプの固体スイッチを含むことができる。スイッチング構成部品の組５４における固体スイッチの各々は、電力を電気装荷構成部品５８の負荷回路に切り替える固体電子スイッチングデバイスと、電気機械構成部品なしで制御信号がスイッチを作動させることを可能にする結合機構とを含むことができる。スイッチング構成部品の組５４は、固体電力コントローラ（ＳＳＰＣ）、単一の金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）を含む固体リレー、並列構成で配列された複数のＭＯＳＦＥＴを含む固体リレーなどを含むがそれらに限定されない任意のタイプの固体電子スイッチであり得る。スイッチング構成部品の組の半導体スイッチング素子は、シリコン、炭化ケイ素、窒化ガリウムなどを含むがそれらに限定されない固体スイッチング電子用途に使用される任意の材料で形成することができる。

スイッチング構成部品の組５４の一構成は、負荷に供給された電力を制御する半導体デバイスであるＳＳＰＣの用意を含む。さらに、ＳＳＰＣは、過負荷状態を識別し、短絡を防止するために監視および診断機能を実施する。機能的に、ＳＳＰＣは、配線および負荷を故障から保護する電気機械スイッチング素子を有する回路遮断器と同様である。ＳＳＰＣは、１つの状態から別の状態への移行を完了するのにおよそ３０ｍｓ以上を要し得る電気機械スイッチに比較してマイクロ秒程度内で状態を切り替えることができる。ＳＳＰＣを用いて実装された、スイッチング構成部品の組５４は、電圧監視、電流監視、正および負のＳＳＰＣが確実に過熱しないようにするための温度監視、電流制限、Ｉ²ｔ監視、アーク故障保護、および低忠実度接地故障保護などを含むがそれらに限定されない組込み監視および保護機能を含むことができる。ＳＳＰＣの組込み監視および保護機能により、スイッチング構成部品の組５４は、適正な動作を確実にするために負荷への出力を制御することができるコントローラとして機能することが可能になる。ＳＳＰＣは、制御特性を高めるようにプログラムすることができる構成可能なマイクロプロセッサを含むことができる。各ＳＳＰＣは、通電機能を高めるために並列に１つまたは複数の半導体デバイスを含むために各ＳＳＰＣの用意を含むがそれに限定されない高電圧直流電力配電システム５０において電力を切り換えるのに使用されるための任意の構成、トポロジーまたは電子構成部品を含むことができ、ＳＳＰＣの構成は、２つの一方向デバイスを直列に使用することによって双方向にするなどとするものとする。

スイッチング構成部品の組５４は、バイポーラ高電圧直流源構成部品５２からの正のリードに結合された１つのスイッチおよびバイポーラ高電圧直流源構成部品５２からの負のリードに結合された第２のスイッチを含むがそれらに限定されない任意の数のスイッチを含むことができる。したがって、一構成において、スイッチング構成部品の組５４は、バイポーラ高電圧直流源構成部品５２からの正のリードに結合された第１のＳＳＰＣと、バイポーラ高電圧直流源構成部品５２からの負のリードに結合された第２のＳＳＰＣとを含む。

通信構成部品６０は、部分的に航空機の他の制御素子と通信することによってスイッチング構成部品の組５４の状態を制御し監視する。例えば、通信構成部品６０は、ＳＳＰＣの状態の報告を他の車両管理制御システムに返す。通信構成部品６０は、命令を示すデータをスイッチに伝送し、スイッチが開いているかまたは閉じているかを含むスイッチの状態を表示し、スイッチの健全性を監視することができる。例えば、スイッチの状態は、スイッチが開いているかまたは閉じているかの指示を含むことができ、スイッチの健全性は、温度の指示を含むことができる。通信構成部品６０は、認定標準４８５（ＲＳ−４８５）を実装するように構成された平衡相互接続ケーブル、コントローラエリアネットワーク（ＣＡＮバス）プロトコルを実装するように構成された２線シリアルケーブル、認定標準２３２（ＲＳ−２３２）を実装するように構成された３線または５線シリアルケーブルなどを含むがそれらに限定されない、スイッチング構成部品の組５４の制御および状態に関連したデータを伝送することができる任意のデータ通信ハードウェアおよびプロトコルに基づくことができる。

過渡抑制構成部品５６は、バイポーラ高電圧直流配電システム５０におけるスイッチング構成部品の組５４中を流れる電流の流れを制限する。バイポーラ高電圧配電システム５０により、電流は、バイポーラ高電圧直流源構成部品５２から出てスイッチング構成部品の組５４に進み、それを出て電気装荷構成部品５８に進み、次いで元に戻る。したがって、過渡抑制構成部品５６は、スイッチング構成部品の組５４の１つまたは複数における損傷レベルの電流を潜在的に吸い込むことができる過電圧状態の間、スイッチング構成部品の組５４中を流れる電流を制限または阻止するように構成される。過渡抑制構成部品５６は、スイッチング構成部品の組５４の内部および外部の素子を含む、金属酸化物バリスタ（ＭＯＶ：ｍｅｔａｌ−ｏｘｉｄｅｖａｒｉｓｔｏｒ）、過渡電圧サプレッサ（ＴＶＳ：ｔｒａｎｓｉｅｎｔｖｏｌｔａｇｅｓｕｐｐｒｅｓｓｏｒ）、フライホイール（すなわち、フライバック、抑制、クランプなど）ダイオードおよびそれらの組合せを含むがそれらに限定されない固体スイッチング素子中を流れる電流を制限することができる任意のデバイスから形成し任意のデバイスで構成することができる。

次に図３を参照すると、本明細書に説明する様々な態様による、バイポーラ高電圧直流電力系統５０上の配電する方法１００を例示する流れ図が示される。１１０において、バイポーラ高電圧直流源構成部品５２は、電力をバイポーラ高電圧直流配電システム５０に印加する。バイポーラ高電圧直流源構成部品５２のタイプまたは構成により、電力の印加は、発電機の作動、エンジンの始動、電源に通電する制御命令の発行、１つまたは複数の回路の閉路などを含むことができる。正常または理想動作の間、スイッチング構成部品の組５４が閉じ、電気装荷構成部品５８が通電され、前記電気装荷構成部品５８の動作要件により、正しく電力を取り込む。異常な動作において、またはさらに実際の、公称の現実世界の動作においても、スイッチング構成部品の組５４は、必ずしも同じ状態にあるとは限らない。例えば、１つのスイッチは、別のスイッチが閉じているとき、開いていることがある。場合によっては、バイポーラ高電圧直流配電システム５０における故障のため、スイッチング構成部品の組５４の状態に非対称が起きる。他の場合には、スイッチング事象の同時性の欠如のため、スイッチング構成部品の組５４の状態に非対称が起きる。すなわち、スイッチング構成部品の組５４において１つのスイッチが別のスイッチの前に状態を変更する。スイッチング構成部品の組５４のスイッチングの同時性の欠如は、部分的に、電子制御により達成することができる有限レベルの調整のため起きる。さらにまたはあるいは、同時性の欠如は、スイッチの物理的分離を含むことができるがそれに限定されない動作要件によってさらに悪化され得る。例えば、スイッチは、しばしば、バイポーラ高電圧直流電力系統５０の高電圧により電気的絶縁を実施するために少なくとも１フィートだけ分離される。物理的分離は、スイッチ間の通信の遅延により、小さな非同期スイッチングを起こさせることがある。

したがって、ステップ１１２において、スイッチング構成部品の組５４の状態の決定は、スイッチのすべてが開いているかまたは閉じているかを決定するステップを含む。スイッチング構成部品の組５４におけるスイッチのすべてが同じ状態にない場合、過渡抑制構成部品５６は、固体スイッチング構成部品の組５４中を流れる電流を制限する。ステップ１１４において、過渡抑制構成部５６は、固体スイッチング構成部品の組５４中を流れる電流を制限して、固体スイッチング構成部品の組５４の保護対策を提供する。

次に図４を参照すると、本明細書に説明する様々な態様による、バイポーラ高電圧電力配電システム２００の回路図例が示される。バイポーラ高電圧直流源構成部品２１０は、一方が負のリードにより、他方が正のリードにより、各々胴体接地２３６に結合された２つの高電圧直流源２１１を含む。バイポーラ高電圧直流源構成部品２１０は、バイポーラ高電圧直流源構成部品２１０の正側に結合された第１のＳＳＰＣ２１２と、バイポーラ高電圧直流源構成部品２１０の負側に結合された第２のＳＳＰＣ２１４との２つのＳＳＰＣ２１２および２１４を含むスイッチング構成部品の組２１６に結合される。バイポーラ高電圧直流源構成部品２１０とスイッチング構成部品の組２１６との結合には、電流制限線２３８を含むことができる。スイッチング構成部品の組２１６は、電気装荷構成部品２２６に結合される。スイッチング構成部品の組２１６と電気装荷構成部品２２６との結合には、電流制限線２３８を含むことができる。

第１および第２のＳＳＰＣ２１２、２１４は、スイッチング構成部品の組２１６を制御し保護するためのいくつかのサブ構成部品およびモジュールを含むことができる。ＳＳＰＣ２１２、２１４は、電気装荷構成部品２２６をバイポーラ高電圧直流源構成部品２１０に結合または減結合するために開くまたは閉じる主固体スイッチ２２４を含むことができる。図４に示すように、主固体スイッチ２２４は、金属酸化物バリスタ（ＭＯＶ）、過渡電圧サプレッサ（ＴＶＳ）などを含むがそれらに限定されない１つまたは複数の保護素子で形成することができる過渡抑制構成部品２２５を含むことができる。過渡抑制構成部品２２５は、過渡事象を示す突然のまたは瞬時の過負荷状態に反応し、主スイッチ２２４中の電流の流れを制限する。ＳＳＰＣ２１２、２１４は、スイッチを開いたときに回路インダクタンスによって起こされる電圧スパイクを抑制し、リンギングを減衰させるためにスイッチの入力、スイッチの出力または両方にわたって１つまたは複数のスナバ回路２２８を含むことができる。ＳＳＰＣ２１２、２１４は、組込み試験（ＢＩＴ）機能を提供するために１つまたは複数の組込み試験回路２３０を含むことができる。組込み試験回路２３０により、ＳＳＰＣ２１２、２１４の適正な機能を確認するためにＳＳＰＣ２１２、２１４のセルフテストをすることを可能にする組込み試験開始（ＩＢＩＴ）方式の動作が可能になる。組込み試験回路２３０は、ＳＳＰＣの任意の機能を試験することができ、アーク故障の検出のためのアーク故障検出回路を含むがそれに限定されない。両方のＳＳＰＣが開いたとき、半導体リークにより各ＳＳＰＣの出力に生じた電圧は、ＳＳＰＣ２１２、２１４の出力および胴体接地２３６に結合された抵抗素子２４０、２４１によって管理される。ＳＳＰＣ２１２、２１４は、外部通信構成部品２３４との通信を調整することができ、監視モジュール２１８を介して保護機能を有効にし、ＳＳＰＣ２１２、２１４の主スイッチ２２４の状態を制御するスイッチ制御サブ構成部品２２２を含むことができる。監視モジュール２１８は、電圧監視、電流監視、温度監視、電流制限、Ｉ²ｔ監視、アーク故障保護、および低忠実度接地故障保護などを含むがそれらに限定されない、スイッチを損傷することがある潜在的事象を決定するための任意の監視機能を含むことができる。ＳＳＰＣ２１２、２１４は、正のＳＳＰＣ２１２および負のＳＳＰＣ２１４の出力電流が全接地故障を決定するために比較される差動給電故障保護を提供することができる。監視モジュール２１８は、ＳＳＰＣ２１２、２１４における出力電流および電圧を監視して、直列および並列アーク故障検出を行うことができる。ＳＳＰＣ２１２、２１４は、電流制限事象の間、電流がＳＳＰＣ２１２、２１４間で均等に分けられることを確実にするために各ＳＳＰＣ２１２、２１４が局部閉ループ電流帰還を使用する閉ループ電流制限を含む。監視モジュール２１８は、線形電流制限およびパルス幅変調（ＰＷＭ）技法を含むがそれらに限定されない電流制限固体デバイスに有用な任意の構成または技法によって電流制限を行うことができる。制御モジュール２２０は、外部通信構成部品２３４または監視モジュール２１８またはそれらの組合せのいずれかからの入力に基づいて、主スイッチ２２４の状態を制御することができる。

上記に定義された監視および保護対策を実装することによって、バイポーラ高電圧電力配電システム２００は、ＳＳＰＣ２１２、２１４を制御し調整するためにいくつかのステップを実装することができる。例えば、バイポーラ高電圧電力配電システム２００は、各主スイッチ２２４が開および閉状態にあるとき、各主スイッチ２２４の状態を連続的に監視する能力を含む。各主スイッチ２２４が閉状態にあるとき、監視モジュール２１８は、監視モジュール２１８が電流が所定の閾値曲線から外れたことを決定する場合、制御モジュールからの命令により、両方の主スイッチ２２４を開状態に設定することができるＩ²ｔ線保護を実装することができる。所定の閾値は、サンプル曲線を提供する航空宇宙および業界標準を含むがそれらに限定されないＩ²ｔトリップを決定する任意の電流対時間曲線であり得る。同様に、監視モジュール２１８がＳＳＰＣ２１２、２１４のいずれかにおけるスイッチ電流が所定の閾値を超えたことを決定する場合、電流を制限することができ、主スイッチ２２４を開状態に作動させることができる。所定の閾値は、１０から１０００アンペア（Ａ）の間の範囲にわたる電流レベルを含むがそれに限定されない電流をＳＳＰＣ中に通すのに利用可能なスイッチング半導体の数により、任意の電流レベルであり得る。監視モジュールがＳＳＰＣ２１２、２１４の温度が公称レベルを超えたことを決定する場合、制御モジュール２２０は、両方のＳＳＰＣ２１２、２１４を開状態に設定することができ、または通信構成部品２３４を介して外部制御構成部品に報告を返すことができる。公称レベルは、特定のＳＳＰＣにより、摂氏１００度（°Ｃ）を含むがそれに限定されない任意の温度であり得る。

図４に示すように、２つの電流制限ＳＳＰＣ２１２、２１４を直列で使用するとき、各ＳＳＰＣ２１２、２１４の電流制限レベルが等しい場合、バイポーラ高電圧電力配電システム２００は、閉ループ電流制御において不安定性を受けることがある。したがって、スイッチング構成部品の組２１６は、各ＳＳＰＣ２１２、２１４の互い違いの電流制限レベルを含むことができる。例えば、正のＳＳＰＣ２１２電流制限は、６００％に設定することができ、負のＳＳＰＣ電流制限２１４は５００％に設定することができる。このようにして、互い違いの電流制限レベルにより、短絡した負荷の状況の間、正のＳＳＰＣ２１２がまず電流を制限することが確実にされる。電圧および電流は、状態および健全性監視目的で、監視される。ＳＳＰＣ２１２、２１４は、ブリーダ抵抗２４０を含むがそれに限定されない半導体漏れを制御するための素子および方法を含むことができる。ＳＳＰＣ２１２、２１４の状態、いわゆる「ターンオン」および「ターンオフ」事象を切り換えたとき、ＳＳＰＣ２１２、２１４は、閉ループ帰還をｄＶ／ｄｔ上に提供することによって負荷電圧ｄＶ／ｄｔを具体的な帯域内で制御することができる。具体的な帯域は、ＤＣプラスおよびマイナス２７０Ｖのシステムにおいて各スイッチに対して１００Ｖ／マイクロ秒を含むがそれに限定されない単位時間当たりの任意の電圧変化であり得る。ＳＳＰＣ「ターンオン」および「ターンオフ」事象の間、ＳＳＰＣ２１２、２１４は、電流制限設定点を増加させて、負荷電流ｄＩ／ｄｔの上昇率を制御することができる。

図５は、本明細書に説明する様々な態様による、バイポーラ高電圧電力配電システム３００の回路図例である。バイポーラ高電圧電力配電システムは、図４に例示するバイポーラ高電圧電力配電システムと同様である。したがって、同じ部分は１００だけ増加された同じ符号で識別され、第１のバイポーラ高電圧電力配電システムの同じ部分の説明は、特に他の記載がない限り、第２のバイポーラ高電圧電力配電システムに当てはまることが理解される。図５は、追加の素子をスイッチング構成部品の組３１６の外部のフライホイールダイオード３５０として示す過渡抑制構成部品３２５を含む。フライホイールダイオード３５０は、ＳＳＰＣ３１２、３１４の主スイッチ３２４にわたるＭＯＶまたはＴＶＳデバイスにおいて消費される過渡エネルギーを低減することができる。図６は、本明細書に記載する様々な態様による、バイポーラ高電圧電力配電システム４００の回路図例である。過渡抑制構成部品４２５は、スイッチング構成部品の組４１６の出力にわたるフライホイールダイオード４５０を含む。ＭＯＶまたはＴＶＳデバイス４５２、４５４はＳＳＰＣ４１２、４１４の入力にわたって配置される。図５および図６において、２つのＳＳＰＣ３１２、３１４、４１２、４１４がフライホイールダイオード３５０、４５０の配線における損失を低減するために同一場所に配置される必要があるが、図４における構成では、スイッチング構成部品の組２１６は同一場所に配置される必要がない。

図７は、本明細書に記載する様々な態様による、バイポーラ高電圧電力配電システムの動作を示す電圧および電流波形のグラフ例である。グラフは、正のＳＳＰＣ２１２、３１２、４１２および負のＳＳＰＣ２１４、３１４、４１４が同一場所に配置されないとき起きるなど、上記のスイッチトポロジーがどのように正のＳＳＰＣ２１２、３１２、４１２および負のＳＳＰＣ２１４、３１４、４１４の非同期スイッチングを扱うかを示す。時間（１）において、電力が、図４〜６に２１０、３１０、４１０として示すなど、正および負のＤＣ２７０Ｖの供給装置であるバイポーラ高電圧直流源構成部品５２に印加される。ＳＳＰＣ２１６、３１６、４１６の組中を流れる電流は、入力および出力スナバ２２８、３２８、４２８のコンデンサが充電するとき、瞬間的に増大する。ＳＳＰＣ２１６、３１６、４１６の組の入力における各ＳＳＰＣ上の電圧は、ＤＣプラスおよびマイナス２７０Ｖまで上昇し、ＳＳＰＣ２１６、３１６、４１６の組の主スイッチ２２４、３２４、４２４が開状態に設定されて、正および負の両方の主スイッチ２２４、３２４、４２４にわたる電圧はＤＣ２７０Ｖである。

時間（２）において、負のＳＳＰＣ２１４、３１４、４１４の主スイッチ２２４、３２４、４２４が閉じ、負のＳＳＰＣ２１４、３１４、４１４の主スイッチ２２４、３２４、４２４にわたる電圧が０Ｖまで低減し、負のＳＳＰＣ２１４、３１４、４１４からの出力電圧（「Ｖ_{OUT Negative}」）が−２７０Ｖまで低減する。同様に、電位が電気装荷構成部品２２６、３２６、４２６において存在するので、正のＳＳＰＣ２１２、３１２、４１２の出力電圧（「Ｖ_{OUT Positive}」）も−２７０Ｖに低減する。正のＳＳＰＣ２１２、３１２、４１２の主スイッチにわたる電圧はＤＣ５４０Ｖである。この時間の間、負荷電圧は、正のＳＳＰＣ２１２、３１２、４１２の主スイッチ２２４、３２４、４２４が閉状態に設定されていないので、ゼロにとどまる。全電流（「Ｉ_{Total Positive}」および「Ｉ_{Total Negative}」）は、正および負の出力スナバ２２８、３２８、４２８の充電のため、小さい。

時間（３）において、正のＳＳＰＣ２１２、３１２、４１２の主スイッチ２２４、３２４、４２４が閉状態に設定され、正のＳＳＰＣ２１２、３１２、４１２の主スイッチ２２４、３２４、４２４にわたる電圧が０Ｖに低減し、正のＳＳＰＣ２１２、３１２、４１２の出力電圧が正の２７０Ｖまで上昇する。同様に、電気装荷構成部品２２６、３２６、４２６は、バイポーラ高電圧直流源構成部品２１０、３１０、４１０に電気的に結合され、したがって、負荷電圧が５４０Ｖまで増加し、全電流が１００％の定格電流（例えば、１２０Ａ）まで上昇する。

時間（４）において、正のＳＳＰＣ２１２、３１２、４１２の主スイッチ２２４、３２４、４２４が開状態に設定され、正のＳＳＰＣ２１２、３１２、４１２の主スイッチ２２４、３２４、４２４にわたる電圧が、配線ループインダクタンスによってひき起こされたＭＯＶ／ＴＶＳクランプバック起電力（ＥＭＦ）により、およそ１ｋＶまで増加する。正のＳＳＰＣ２１２、３１２、４１２の主スイッチ２２４、３２４、４２４にわたる電圧は、５４０Ｖの定常状態まで低減する。負荷電圧もゼロまで低減し、全ＳＳＰＣ出力電流は０Ａまで低減する。

図８のグラフは、負のＳＳＰＣ２１４、３１４、４１４の主スイッチ２２４、３２４、４２４が時間（５）において開状態に設定されるときを示す。各々が顕著なエネルギーを保持する出力スナバ２２８、３２８、４２８および漏れ抵抗２４０、２４１、３４０、３４１、４４０、４４１が定常状態損失を低減するために相対的に高い抵抗値を含むので、スナバ２２８、３２８、４２８のコンデンサは、およそ２５ｍｓで放電する。したがって、正および負の出力電圧ならびに正および負の主スイッチ電圧は、負のＳＳＰＣ２１４、３１４、４１４の主スイッチ２２４、３２４、４２４が開状態に設定されてから２５ｍｓ後まで、それぞれ、０Ｖ、０Ｖ、２７０Ｖおよび２７０Ｖに戻らない。

航空機における高電圧直流バイポーラ配電の有益な効果は、低電圧直流システムにおいて必要とされる電流レベルに比較して、高レベルの電力をより低い電流レベルで所与の負荷に供給することができることである。場合により、所与の負荷の必要な電流が、一定の電力要件を所与として低減し、したがって、これは、所与の負荷の必要な線番を低減し、したがって、結果としてより軽い配線となる。高電圧直流バイポーラ電力供給装置の固体スイッチングの上記の実施形態の有益な効果は、短絡事象の迅速な保護および短絡事象の間の電流制限、電線故障およびアーク故障に対する迅速な保護、容量負荷の充電の制御、ならびに誘導負荷スイッチングおよび落雷に対する保護を含む。上記の素子の構成は、開閉故障を含むスイッチ故障事象に耐え、非同期スイッチングに耐え、各スイッチの二次保護を提供する電気系統トポロジーを提供する。さらに、トポロジーは、一方向または双方向として実装され得る。

まだ説明していない限りにおいて、様々な実施形態の異なる特徴および構造を所望の通りに互いに組み合わせて使用することができる。１つの特徴を実施形態のすべてにおいて例示することができないことは、例示することができないと解釈されることが意図されているのではなく、説明の簡潔さのためにそうしている。したがって、新たな実施形態が明示的に説明されているかどうかにかかわらず、異なる実施形態の様々な特徴を所望の通りに混合し、合致させて、新たな実施形態を構成することができる。本明細書に説明する特徴のすべての組合せまたは並び替えは、本開示によって包含される。

この書面による説明は、最良の態様を含む例を使用して本発明を開示し、また当業者が任意のデバイスまたはシステムを製作し使用し、任意の組み込まれた方法を実施することを含み、本発明を実施することも可能にする。本発明の特許可能範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が思いつく他の例を含むことができる。そのような他の例は、特許請求の範囲の文字通りの言語と異ならない構造要素を有する場合、または特許請求の範囲の文字通りの言語と非実質的な相違を有する同等の構造要素を含む場合、特許請求の範囲内にあることが意図される。

２航空機
１２左エンジン系
１４右エンジン系
１６バイポーラ高電圧直流電源
１８電力配電システム
２６飛行制御アクチュエータ
２７局部ダウンコンバータ
２８環境制御システム
５０バイポーラ高電圧直流電力配電システム、バイポーラ高電圧直流電力系統
５２バイポーラ高電圧直流源構成部品
５４スイッチング構成部品の組
５６過渡抑制構成部品
５８電気装荷構成部品
６０通信構成部品
１００配電する方法
１１２ステップ
１１４ステップ
２００バイポーラ高電圧電力配電システム
２１０バイポーラ高電圧直流源構成部品
２１１高電圧直流源、直流電力供給装置
２１２ＳＳＰＣ
２１４ＳＳＰＣ
２１６スイッチング構成部品の組
２１８監視モジュール
２２０制御モジュール
２２２スイッチ制御サブ構成部品
２２４主固体スイッチ、主スイッチ
２２５過渡抑制構成部品
２２６電気装荷構成部品
２２８スナバ回路
２３０組込み試験回路
２３４外部通信構成部品、通信構成部品
２３６胴体接地
２３８電流制限線
２４０抵抗素子、ブリーダ抵抗、漏れ抵抗
２４１抵抗素子、漏れ抵抗
３００バイポーラ高電圧電力配電システム
３１０バイポーラ高電圧直流源構成部品
３１２ＳＳＰＣ
３１４ＳＳＰＣ
３１６スイッチング構成部品の組
３１８監視モジュール
３２０制御モジュール
３２４主スイッチ
３２５過渡抑制構成部品
３２６電気装荷構成部品
３２８入力および出力スナバ、正および負の出力スナバ
３４０漏れ抵抗
３４１漏れ抵抗
３５０フライホイールダイオード
４００バイポーラ高電圧電力配電システム
４１０バイポーラ高電圧直流源構成部品
４１２ＳＳＰＣ
４１４ＳＳＰＣ
４１６スイッチング構成部品の組
４２４主スイッチ
４２５過渡抑制構成部品
４２６電気装荷構成部品
４２８入力および出力スナバ、正および負の出力スナバ
４４０漏れ抵抗
４４１漏れ抵抗
４５０フライホイールダイオード
４５２ＭＯＶまたはＴＶＳデバイス
４５４ＭＯＶまたはＴＶＳデバイス

Claims

正の電圧リードおよび負の電圧リードを有するバイポーラ高電圧直流源構成部品［５２］と、
前記バイポーラ高電圧直流源構成部品［５２］から電力を取り出すことができる電気装荷構成部品［５８］と、
前記バイポーラ高電圧直流源構成部品［５２］からの電力を前記電気装荷構成部品［５８］に減結合する開状態と前記バイポーラ高電圧直流源構成部品［５２］からの電力を前記電気装荷構成部品［５８］に結合する閉状態とを切り替えることによって前記バイポーラ高電圧直流源構成部品［５２］からの電力を前記電気装荷構成部品［５８］に選択的に結合するように構成されたスイッチング構成部品の組［５４］であって、スイッチング構成部品の第１のサブセットが、前記バイポーラ高電圧直流源構成部品［５２］の前記正のリードに結合され、スイッチング構成部品の第２のサブセットが、前記バイポーラ高電圧直流源構成部品［５２］の前記負のリードに結合される、スイッチング構成部品の組［５４］と、
前記スイッチング構成部品の組［５４］に結合され、前記スイッチング構成部品の組［５４］の前記第１または前記第２のサブセット中を流れる電流を、前記第１および前記第２のサブセットが同じ状態にないとき、制限するように構成された過渡抑制構成部品［５６］とを備える航空機配電のためのシステム。
前記スイッチング構成部品［２１２］の前記第１のサブセットが、前記電気装荷構成部品［２２６］が短絡を受けるとき、前記スイッチング構成部品［２１２］の前記第１のサブセットが前記スイッチング構成部品［２１４］の前記第２のサブセットの前に電流を制限するように、前記スイッチング構成部品［２１４］の前記第２のサブセットの電流制限レベルと互い違いにされた電流制限レベルを含む、請求項１記載のシステム。
前記バイポーラ高電圧直流源構成部品［２１０］が、２つの２７０ボルト直流電力供給装置［２１１］を含む、請求項１記載のシステム。
前記２つの２７０ボルト直流電力供給装置のうちの一方の負のリードが、胴体接地［２３６］に結合され、前記２つの２７０ボルト直流電力供給装置のうちの他方の正のリードが、前記胴体接地［２３６］に結合される、請求項３記載のシステム。
前記スイッチング構成部品の組［２１６］が、２つの固体電力コントローラを含む、請求項１記載のシステム。
前記スイッチング構成部品の組の状態を変更するために前記スイッチング構成部品の組［５４］の制御端子の組にわたって外部電圧を印加するように構成された通信構成部品［６０］をさらに備える、請求項１記載のシステム。
前記過渡抑制構成部品［２２５、３２５］が、過渡電圧サプレッサの組または金属酸化物バリスタの組を含む、請求項１記載のシステム。
前記過渡抑制構成部品［３２５］が、前記スイッチング構成部品の組［３１６］の出力にわたって結合されたフライホイールダイオード［３５０］をさらに含む、請求項７記載のシステム。
前記固体電力コントローラが、固体電力コントローラにおける前記スイッチ電流が、所定の閾値を超えるかどうかを決定する監視モジュール［２１８、３１８］と、前記決定されたスイッチ電流に応答して前記固体電力コントローラの両方の状態を設定することができる制御モジュール［２２０、３２０］とを含む、請求項５記載のシステム。
前記固体電力コントローラが、前記固体電力コントローラの温度が所定の閾値を超えるかどうかを決定する監視モジュール［２１８、３１８］と、前記決定された温度に応答して前記固体電力コントローラの両方の状態を設定することができる制御モジュール［２２０、３２０］とを含む、請求項５記載のシステム。