JP2023514090A - シュートスルー電流検出および保護回路 - Google Patents

Abstract

シュートスルー保護回路が、少なくとも負荷抵抗（１２０）によってコンパレータ（２３０）の入力部に接続されたセンサ信号を供給する電流センサを備える。スイッチ保護回路（２５０）が、コンパレータの出力部に接続された保護入力部と、複数の出力部とを備える。各出力部は、複数の積み重ねられたスイッチの対応するスイッチ（２７０）に接続される。スイッチ保護回路は、コンパレータからの正の出力信号に応答して複数の積み重ねられたスイッチの各スイッチを開くように構成される。

Description

本開示は、一般に、過電流保護システムに関し、より詳細には、シュートスルー条件に対して保護する過電流保護システムに関する。

本発明は、ＮＡＳＡによって付与された契約番号ＮＮＣ１６ＣＡ２１Ｃのもと、米国政府の補助によりなされた。政府は、本発明の一定の権利を有する。

宇宙旅行車両および衛星は、地球の雰囲気内に自然に存在する事象を超えて放射事象にさらされる。この事象が生じるときに、事象は、宇宙旅行車両に搭載された特定の形式の電子機器を妨げ得る。この妨げにさらされる１つの形式の電子機器は、トランジスタ、例えばＭＯＳＦＥＴである。代替的に、他の形式のトランジスタが、放射事象によって直接に、または事象によって引き起こされる他の回路故障の結果、不適切にオンにされる。

積み重ねられたトランジスタが同時にオンにされるときに、望ましくない回路接続が形成され、この望ましくない回路接続は、シュートスルー事象を生じさせ得る。シュートスルー事象は、高い電流過大応力条件を生じさせ、この条件は、シュートスルー事象中に高い電流過大応力を結果として受ける回路要素および／または装置または導体を損傷または破壊させ得る。

１つの例示的な実施例では、シュートスルー保護回路が、少なくとも負荷抵抗によってコンパレータの入力部に接続されたセンサ信号を供給する電流センサと、コンパレータの出力部に接続された保護入力部、および複数の積み重ねられたスイッチの対応するスイッチにそれぞれ接続された複数の出力部を有するスイッチ保護回路と、を備え、スイッチ保護回路は、コンパレータからの正の出力信号に応答して複数の積み重ねられたスイッチの各スイッチを開くように構成される。

上述のシュートスルー保護回路の他の例では、スイッチ保護回路は変圧器を有する。

任意の上述のシュートスルー保護回路の他の例では、電流センサは、負荷抵抗およびインダクタによってコンパレータの入力部に接続される。

任意の上述のシュートスルー保護回路の他の例では、負荷抵抗とインダクタとは直列である。

任意の上述のシュートスルー保護回路の他の例では、コンパレータの入力部と電流センサとの間の接続がインダクタを省略する。

任意の上述のシュートスルー保護回路の他の例では、スイッチ保護回路は、絶縁変圧器を有する。

任意の上述のシュートスルー保護回路の他の例では、絶縁変圧器は、コンパレータの出力部に接続された入力巻き線と、複数の積み重ねられたスイッチの１つのスイッチにそれぞれ対応した複数の出力巻き線と、を有する。

任意の上述のシュートスルー保護回路の他の例では、複数の積み重ねられたスイッチの各スイッチは、半導体スイッチである。

任意の上述のシュートスルー保護回路の他の例では、コンパレータは基準電圧入力をさらに有し、コンパレータは、基準電圧入力における電圧を超えるコンパレータの入力部における電圧に応答して信号を出力するように構成される。

任意の上述のシュートスルー保護回路の他の例では、コンパレータは内部基準電圧を有し、コンパレータは、内部基準電圧を超えるコンパレータの入力に応答して信号を出力するように構成される。

任意の上述のシュートスルー保護回路の他の例では、複数の積み重ねられたスイッチは、宇宙船の電力変換器スイッチである。

積み重ねられたスイッチのセットを保護する例示的な方法が、電流センサを用いて電流を検出し、負荷抵抗を用いて電流センサを電圧に変換し、基準電圧を超える電圧に応答して積み重ねられたスイッチのセットの各スイッチを開くことを含む。

積み重ねられたスイッチのセットを保護する上述の方法の他の例では、負荷抵抗を用いて電流センサを電圧に変換することは、負荷抵抗およびインダクタを用いることを含む。

積み重ねられたスイッチのセットを保護する任意の上述の方法の他の例では、電流センサを電圧に変換することは、インダクタおよび負荷抵抗を介して電流センサ出力を通過させ、これにより、コンパレータの入力部における電圧を生成することと、この電圧を基準電圧と比較することとを含む。

積み重ねられたスイッチのセットを保護する任意の上述の方法の他の例は、基準電圧を超える電圧に応答してコンパレータの出力を生成することと、コンパレータの出力を絶縁変圧器の入力巻き線に供給することとをさらに含む。

積み重ねられたスイッチのセットを保護する任意の上述の方法の他の例は、コンパレータの出力を受ける入力巻き線に応答して、各出力巻き線が対応するスイッチを開くように、対応するスイッチに絶縁変圧器の複数の出力巻き線を接続することをさらに含む。

積み重ねられたスイッチのセットを保護する任意の上述の方法の他の例は、電圧が基準電圧を下回ったあとに、積み重ねられたスイッチのセットの基本的な作動を再開することをさらに含む。

積み重ねられたスイッチのセットを保護する任意の上述の方法の他の例は、所定の遅延期間の間に電圧が基準電圧を下回ったあとに、積み重ねられたスイッチのセットの基本的な作動を再開することを遅延することをさらに含む。

本発明のこれらおよび他の特徴部は、以下の明細書および図面から最も理解されることができる。

複数の搭載電子要素を有した例示的な衛星を示す図である。 １つの例に従う過シュート条件に対して保護するように構成された過電流検出回路の概略図である。 図２の過電流検出回路を実施する詳細な例示的な回路の概略図である。 図２および図３の過電流勾配検出回路を作動する方法を示す図である。

図１は、電力分配回路４０を介して高電力負荷３０に電力を供給する電力源２０を有してなる衛星１０を概略的に示している。例示として、高電力負荷３０は、電気推進ユニットを有することができる。代替的な例として、他の高電力負荷３０が、本明細書で説明されるのと同様のシュートスルー過電流から保護されることができる。

宇宙船において電気推進負荷および他の高電力負荷を包含することは、宇宙船１０内に高電力源を組み込む必要性を生じさせる。このような装置の典型的な電力レベルでは、シュートスルー事象に影響を受けない、および／または、そうでなければシュートスルー事象に対して抵抗力のある電力供給回路トポロジーは、必要なシステム３０への電力の調整および分配を扱うのに実用的ではない。その代わりに、フルブリッジ回路トポロジーを含むコンバータおよび他の同様のスイッチネットワークが、電力を調整および分配するように使用される。

フルブリッジトポロジーおよび他のスイッチ基トポロジーは、積み重ねられたスイッチを備えており、スイッチの積み重ねられた特性に起因してシュートスルー脆弱性にさらされる。本明細書で用いられているように、一対の積み重ねられたスイッチが、入力バスを直接横切って配置された、（回路図で示されているように）垂直に積み重ねられている。標準的な作動では、このトポロジーは機能的であり、これは、所定の積み重なりにおいて積み重ねられたスイッチの１つのみが所定の時間に閉じられることになるからである。宇宙用途、または放射事象が生じ得る他の状況では、単一の積み重なりにおける両スイッチが、放射事象の期間、または放射事象によって影響を受ける駆動回路の回復の期間に同時に閉じられることが可能である。

単一の積み重なりにおける両スイッチが同時に閉じられるときに、入力電力バスを横切る直接的な短絡が形成され、スイッチを通る電流が迅速に上昇する。電流の迅速な上昇は、数百ナノ秒よりも小さいナノ秒でスイッチを損傷させ得る。電流が上昇する速度と、積み重ねられたスイッチに損傷が生じる前の短い期間のために、電力分配回路４０は、保護回路を有しており、この保護回路は、永久的な損傷を被る前に電流信号における高いｄｉ／ｄｔ（時間に対する電流の変化）を検出することによって、高い１次電流を検出し、この高い１次電流を他の電流から区別する。

高いｄｉ／ｄｔが検出されると、保護回路は、積み重ねられたスイッチにおけるスイッチの制御入力に対してオーバーライドを提供する。このオーバーライドは、各スイッチの制御入力における電圧を減少させ、これにより、可能な限り迅速に全てのスイッチを開く。全てのスイッチが開かれると、制御回路は、所定の遅延の間、スイッチを開いたままとし、遅延の後に通常の作動が再開される。所定の遅延は、予期される放射事象が消散し、回路が完全に回復するのに十分長く、および負荷３０の作動に対する断絶を最小化するのに十分短い期間となり得る。

図１を継続して参照し、図２は、積み重ねられたトランジスタ１７０が同時に閉じることに起因してシュートスルー条件から生じる過電流を検出し、この過電流に応答する例示的な検出回路１００を概略的に示している。電流センサが、検出回路１００の入力部１１０に信号を供給する。電流は、インダクタ１２２および抵抗１２０を通して流れ、これにより、インダクタ１２２および抵抗１２０にわたる検出電圧を生成する。電圧差が、一対の入力部１３２，１３３によってコンパレータ１３０に印加される。コンパレータ１３０は、入力部１３２，１３３における電圧と、基準入力部１３４における電圧とを比較し、（入力部１３２，１３３における）電流センサ１１０および負荷抵抗１２０からの電圧が基準電圧を超えるときを判定する。代替的な例では、基準電圧はコンパレータ１３０内に格納されることができ、一定の基準電圧入力部１３４が省略されることができる。

ある例では、より速い検出が必要とされる場合、またはシュートスルー事象と他の許容可能な高電流事象との間のより明確な区別を行う検出手段が必要とされる場合に、任意選択的なインダクタ１２２が抵抗１２０と直列に含まれることができる。インダクタ１２２は、ｄｉ／ｄｔの増加に応答して入力部１３２における電圧をさらに上昇させることにより検出の速度を増加させるが、抵抗１２０は、電流ｉの増加に応答して電圧を増加させる。ある例では、インダクタ１２２の包含によって、約８５ナノ秒だけ、コンパレータの応答時間を減少させ、２００ナノ秒よりも小さい回路１００の全応答時間をもたらすことができる。１つの特定の例では、回路１００の全応答時間は、開始から停止までで約１６０ナノ秒であり、検出後応答時間が約１００ナノ秒である。

入力部１３２における電圧が、基準電圧によって設定された閾値を超えるときに、コンパレータ１３０は、出力ピン１３６から高い信号を出力する。高い信号１４０は、保護入力部１５２においてスイッチ保護変圧器１５０に供給される。スイッチ保護変圧器１５０は、複数の積み重ねられたスイッチ１７０の各々の制御信号１６０に接続されており、また、スイッチ保護変圧器１５０は、制御入力１６０を低い値にし、スイッチ１７０を開け、これにより、スイッチ１７０を通る電流の流れを阻止することによって、保護入力部１５２における高い入力に応答するように構成されている。

図２を継続して参照し、図３は、より詳細であり、アナログな構成要素で全体的に構成される、図２の１つの例示的な構成を概略的に示している。代替の実施では、１つまたは複数の構成要素が、対応するデジタルな構成要素に置き換えられ、同様の機能性を提供することができる。図２と同様に、シュートスルー電流の最初の検出は、負荷抵抗２２０およびインダクタ２２２により生成された入力電圧を受けるコンパレータ２３０によって実施される。電圧の増加が検出されるときに、コンパレータ２３０は、変圧器２５０に信号２４０を出力する。変圧器２５０は、スイッチ２７０を電気的に絶縁し、スイッチ２７０の制御入力に電流を駆動し、これにより、変圧器２５０で受けられる信号２４０に応答してスイッチ２７０を切る（開く）。

図２の例および図３の例の双方を参照して、ある例では、コンパレータ１３０，２３０は、所定の期間の間、検出された状態でラッチするように構成される。ラッチは、シュートスルー事象が消散し、影響を受けた回路が完全に回復するのに十分な時間を提供し、同時に、スイッチ１７０，２７０が可能な限り迅速に通常の機能を再開し、負荷の遮断を最小化することを確実にする。

図１～図３を継続して参照し、図４は、図１～図３のシステムを作動する方法３００を示している。最初に、「電流スパイクを検出する」ステップ３１０において、電流スパイクが、コンパレータを用いて基準電圧に対して電圧入力を比較することにより検出される。検出された電圧が基準電圧を超えるときに、「オーバーライドを出力する」ステップ３２０において、コンパレータは、オーバーライド信号を出力する。「トランジスタを開く」ステップ３３０において、オーバーライド信号は、制御入力信号を無効にし、積み重ねにおけるスイッチ１７０，２７０を開く。

開かれると、「遅延させる」ステップ３４０において、トランジスタは、遅延期間の間、開いたままに維持される。負荷抵抗１２０，２２０は、シュートスルー事象が生じている限り、コンパレータの入力部１３２における電圧を維持する。この例では、遅延は、厳密なこの長さに伝播時間を足したものの間、維持される。代替的な例では、コンパレータは、遅延ラッチを有することができ、この遅延ラッチは、基準電圧を超過する入力電圧を検出することをコンパレータ１３０が停止するときを超えた期間の間、出力をラッチする。この例では、「基本的な作動を再開する」ステップ３５０において、ラッチによって提供される付加的な遅延が、基本的な作動を再開する前に、回路の回復、システムのリセットおよび／または他の必要な動作を生じさせることができる。

本明細書で説明されたシュートスルー保護回路を組み込むことにより、保護回路の応答時間が、１００ナノ秒の検出後よりも小さく減少される。さらに、インダクタ１２２，２２２を組み込むことにより、事前検出時間が１４５ナノ秒から８０ナノ秒に減少される。減少された応答時間は、スイッチの焼損を防止する助けとなる。

積み重ねられた２つのトランジスタを含むように、図２および図３の例示的な回路で示されているが、上述のシュートスルー検出および応答は、任意の数の積み重ねられたスイッチに適用されることができ、２つのトランジスタの例への実施に限定されるものではないことが理解される。

さらに、宇宙船および衛星の特定の背景内で説明されたが、放射事象にさらされる陸地に基づいた用途を含む、シュートスルー事象が生じ得る任意の状況において、シュートスルー保護が機能的であることが理解される。

任意の上述の概念が単独で、もしくは任意のまたは全ての他の上述された概念と組み合わせて用いられることができることがさらに理解される。本発明の実施例が開示されたが、本技術の当業者は、特定の修正が本発明の範囲内に含まれ得ることを理解するであろう。この理由のために、以下の特許請求の範囲が、本発明の真の範囲および内容を決定するために検討されるべきである。

Claims (18)

1. 少なくとも負荷抵抗によってコンパレータの入力部に接続されたセンサ信号を供給する電流センサと、
   前記コンパレータの出力部に接続された保護入力部、および複数の積み重ねられたスイッチの対応するスイッチにそれぞれ接続された複数の出力部を有するスイッチ保護回路と、
   を備え、
   前記スイッチ保護回路は、前記コンパレータからの正の出力信号に応答して前記複数の積み重ねられたスイッチの各スイッチを開くように構成されることを特徴とするシュートスルー保護回路。
2. 前記スイッチ保護回路は、変圧器を有することを特徴とする請求項１に記載のシュートスルー保護回路。
3. 前記電流センサは、前記負荷抵抗およびインダクタによって前記コンパレータの入力部に接続されることを特徴とする請求項１に記載のシュートスルー保護回路。
4. 前記負荷抵抗と前記インダクタとは直列であることを特徴とする請求項３に記載のシュートスルー保護回路。
5. 前記コンパレータの入力部と前記電流センサとの間の接続がインダクタを省略することを特徴とする請求項１に記載のシュートスルー保護回路。
6. 前記スイッチ保護回路は、絶縁変圧器を有することを特徴とする請求項１に記載のシュートスルー保護回路。
7. 前記絶縁変圧器は、前記コンパレータの出力部に接続された入力巻き線と、前記複数の積み重ねられたスイッチの１つのスイッチにそれぞれ対応した複数の出力巻き線と、を有することを特徴とする請求項６に記載のシュートスルー保護回路。
8. 前記複数の積み重ねられたスイッチの各スイッチは、半導体スイッチであることを特徴とする請求項１に記載のシュートスルー保護回路。
9. 前記コンパレータは基準電圧入力をさらに有し、前記コンパレータは、前記基準電圧入力における電圧を超える前記コンパレータの入力部における電圧に応答して信号を出力するように構成されることを特徴とする請求項１に記載のシュートスルー保護回路。
10. 前記コンパレータは内部基準電圧を有し、前記コンパレータは、前記内部基準電圧を超える前記コンパレータの入力に応答して信号を出力するように構成されることを特徴とする請求項１に記載のシュートスルー保護回路。
11. 前記複数の積み重ねられたスイッチは、宇宙船の電力変換器スイッチであることを特徴とする請求項１に記載のシュートスルー保護回路。
12. 積み重ねられたスイッチのセットを保護する方法であって、
    電流センサを用いて電流を検出し、
    負荷抵抗を用いて前記電流センサを電圧に変換し、
    基準電圧を超える電圧に応答して前記積み重ねられたスイッチのセットの各スイッチを開くことを含むことを特徴とする方法。
13. 前記負荷抵抗を用いて前記電流センサを電圧に変換することは、負荷抵抗およびインダクタを用いることを含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
14. 前記電流センサを電圧に変換することは、前記インダクタおよび前記負荷抵抗を介して電流センサ出力を通過させ、これにより、コンパレータの入力部における電圧を生成することと、この電圧を前記基準電圧と比較することとを含むことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
15. 前記基準電圧を超える電圧に応答してコンパレータの出力を生成することと、前記コンパレータの出力を絶縁変圧器の入力巻き線に供給することとをさらに含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
16. コンパレータの出力を受ける前記入力巻き線に応答して、各出力巻き線が対応するスイッチを開くように、前記対応するスイッチに前記絶縁変圧器の複数の出力巻き線を接続することをさらに含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
17. 前記電圧が前記基準電圧を下回ったあとに、前記積み重ねられたスイッチのセットの基本的な作動を再開することをさらに含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
18. 所定の遅延期間の間に前記電圧が前記基準電圧を下回ったあとに、前記積み重ねられたスイッチのセットの基本的な作動を再開することを遅延することをさらに含むことを特徴とする請求項１７に記載の方法。

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