用于高功率直流总线分布的固态调节器和断路器制造技术

一种电路以及一种用于调节电流并将断路器设置到电路的方法。该电路包括：双向单元，该双向单元包括用于在正向操作模式期间的功率流的一组正向开关和用于在反向操作模式期间提供反向功率流的一组反向开关；控制电感器，其用于在反向操作模式期间控制电流流动；以及电压钳位开关，其被配置成在反向操作模式期间将控制电感器设置在电路中并且在正向操作模式期间将控制电感器从电路中移除。在至少反向操作模式下操作该电路。

Solid state regulators and breakers for high power DC bus distribution

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于高功率直流总线分布的固态调节器和断路器
技术介绍
本公开内容总体上涉及固态电路，并且更具体地，涉及在正向功率和反向功率两种操作模式下结合了断路能力和电流调节能力的固态电路。许多已知的电力和分布系统包括断路器，所述断路器被配置成响应于电路故障情况(例如，短路情况)而完全中断在系统的两点之间流动的电流。此外，机电断路器通常需要数毫秒来响应短路故障情况。因此，例如，新兴的固态断路器经常利用诸如绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的半导体器件来完全中断流过电路的电流。基于晶体管的传统固态断路器通常具有低浪涌电流能力并且无法承受内部故障。此外，响应于瞬间中断电流流动的电流电平的瞬态变化可以引起电压浪涌，该电压浪涌可以使半导体开关劣化和/或损坏，从而导致应力引起的开关故障。通常在传统的固态断路器中实施暂态电压抑制部件以保护晶体管免受电压浪涌的影响。然而，这些暂态电压抑制部件增加了整个断路器的成本和复杂性。暂态电压抑制部件也容易受到应力引起的劣化的影响，从而随着时间推移导致对半导体器件的保护不可靠。
技术实现思路
根据非限制性实施方式，电路包括双向单元，该双向单元包括：用于在正向操作模式期间的功率流的一组正向开关和用于在反向操作模式期间提供反向功率流的一组反向开关；控制电感器，其用于在反向操作模式期间控制电流流动；以及电压钳位开关，其被配置成在反向操作模式期间将控制电感器设置在电路中，并且在正向操作模式期间将控制电感器从电路中移除。根据另一非限制性实施方式，一种调节电流并将断路器设置到电路的方法包括：在第一输入电压轨与第二输入电压轨之间形成电路，该电路包括：双向单元，其包括用于在正向操作模式期间的功率流的一组正向开关和用于在反向操作模式期间提供反向功率流的一组反向开关；控制电感器，其用于在反向操作模式期间控制电流流动；以及电压钳位开关，其在反向操作模式期间活跃以将控制电感器包括在电路中并且在正向操作模式期间不活跃以将控制电感器从电路中移除；以及在至少反向操作模式下操作电路。根据又一非限制性实施方式，一种电气系统，包括用于功率调节和断路的电路，所述电路包括：双向单元，其包括用于在正向操作模式期间的功率流的一组正向开关和用于在反向操作模式期间提供反向功率流的一组反向开关；控制电感器，其用于在反向操作模式期间控制电流流动；以及电压钳位开关，其被配置成在反向操作模式期间将控制电感器设置在电路中提并且在正向操作模式期间将控制电感器从电路中移除。通过本专利技术的技术实现了另外的特征。本专利技术的其他实施方式和各方面在本文中被详细描述并且被视为所要求保护的专利技术的一部分。为了更好地理解本专利技术的优点和特征，请参照说明书和附图。附图说明为了更完整地理解本公开内容，现结合附图和具体实施方式，参照以下简要说明，在附图中相同的附图标记表示相同的部件：图1示出了根据实施方式的固态调节器和断路器装置；图1A示出了图1的用于选择性地中断电流流动的开关器件的细节；图2示出了根据实施方式的固态调节器和断路器装置；图3示出了图1和图2的示例性装置中至少一个的电压对电流特性的图；图4示出了当在正向功率模式下运行时的示例性装置的各种参数的图；以及图5示出了当在反向功率模式下运行时的示例性装置的各种参数的图。具体实施方式根据本专利技术的各种非限制性实施方式，提供了一种提供断路能力和功率调节能力的电路。该电路包括双向单元，该双向单元具有用于在正向操作模式(正向功率模式)期间的功率流的一组正向开关和用于在反向操作模式(反向功率模式)期间提供反向功率流的一组反向开关。在反向操作模式期间在电路中包括控制电感器，用于在反向操作模式期间控制电流流动。电压钳位开关在反向操作模式期间被激活以将控制电感器设置在电路中，并且在正向操作模式期间被去激活以将控制电感器从电路中移除。处理器在正向操作模式期间激活该组正向开关并且在反向操作模式期间激活该组反向开关。可以在至少反向操作模式期间控制该控制电感器。在一个实施方式中，控制电感器经由主控制器来控制。双向单元包括电容器，该电容器在正向操作模式期间与该组正向开关形成桥式整流器电路并且在反向操作模式期间与该组反向开关形成桥式整流器电路。现在转至图1，示出了根据一个实施方式的固态调节器和断路器装置100。调节器和断路器装置100在正向功率流操作模式和反向功率流操作模式下都在电压输入轨(104a，104b)与电压输出轨(110a，110b)之间提供断路器和电压调节能力。装置100包括在正向功率模式和反向功率模式下都工作的若干电路元件。另外地，装置100包括仅在正向功率模式期间工作的一些电路元件和仅在反向功率模式期间工作的一些电路元件。这些电路元件将在下面进一步详细讨论。装置100包括第一双向谐振单元102a和第二双向谐振单元102b。第一双向谐振单元102a包括输入端子106a和输出端子106b。输入端子106a连接至第一输入电压轨104a(标记为Vin+)。在输出端子106b处，连接有第一谐振电感器108a。第一谐振电感器108a具有连接至第一双向谐振单元102a的输出端子106b的第一端子和连接至第一电压输出轨110a(标记为Vout+)的第二端子。第二双向谐振单元102包括输入端子106c和输出端子106d。输入端子106c连接至第二输入电压轨104b(标记为Vin-)。在输出端子106d处，连接有第二谐振电感器108b。第二谐振电感器108b具有连接至第二双向谐振单元102b的输出端子106d的第一端子和连接至第二输出电压轨110b(标记为Vout-)的第二端子。跨第一电压输出轨110a(Vout+)与第二电压输出轨110b(Vout-)之间可以连接有负载(未示出)。第一谐振电感器108a和第二谐振电感器108b根据电感耦合值(k)相对于彼此磁耦合。如本领域的普通技术人员所理解的，可以改变第一谐振电感器108a与第二谐振电感器108b之间的耦合因数k的值，以实现期望的机电和热特性。输出滤波器114(平滑电容器“Cout”)可以连接在第一电压输出轨110a与第二电压输出轨110b之间，以减少流过第一电压输出轨110a和第二电压输出轨110b的输出电流中的非期望的残差周期性变化(即以平滑电流瞬变)。输入滤波器115(平滑电容器“Cin”)桥接第一输入电压轨104a(Vin+)和第二输入电压轨104b(Vin-)，以对流过第一电压输入轨104a和第二电压输入轨104b的电流瞬变进行平滑。第一双向谐振单元102a包括多个电流方向受控的半导体开关器件，在本文中也称为开关。多个开关被分为当装置100在正向功率模式下操作时活跃的第一组开关(开关S1，S1’，S3和S3’)和当装置100在反向功率模式下操作时活跃的第二组开关(开关S5，S5’，S7和S7’)。第一谐振电容器116a被布置成形成桥式整流器电路，该桥式整流器电路在正向操作模式期间包括第一组开关(S1，S1’，S3和S3’)并且在反向操作模式期间包括第二组开关(S5，S5’，S7和S7本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电路，包括：/n双向单元，其包括用于在正向操作模式期间的功率流的一组正向开关和用于在反向操作模式期间提供反向功率流的一组反向开关；/n控制电感器，其用于在所述反向操作模式期间控制电流流动；以及/n电压钳位开关，其被配置成在所述反向操作模式期间将所述控制电感器设置在所述电路中，并且在所述正向操作模式期间将所述控制电感器从所述电路中移除。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170620 US 15/628,0151.一种电路，包括：
双向单元，其包括用于在正向操作模式期间的功率流的一组正向开关和用于在反向操作模式期间提供反向功率流的一组反向开关；
控制电感器，其用于在所述反向操作模式期间控制电流流动；以及
电压钳位开关，其被配置成在所述反向操作模式期间将所述控制电感器设置在所述电路中，并且在所述正向操作模式期间将所述控制电感器从所述电路中移除。


2.根据权利要求1所述的电路，其中，所述双向单元包括电容器，所述电容器在所述正向操作模式下与所述一组正向开关形成桥式整流器电路，并且在所述反向操作模式下与所述一组反向开关形成桥式整流器电路。


3.根据权利要求1所述的电路，还包括主控制电感器，其用于在至少所述反向操作模式期间控制所述控制电感器。


4.根据权利要求3所述的电路，还包括处理器，其在所述正向操作模式期间激活所述一组正向开关并且在所述反向操作模式期间激活所述一组反向开关。


5.根据权利要求1所述的电路装置，还包括：
第一双向单元，其具有输出端子以及连接至第一输入电压轨的输入端子；
第二双向单元，其具有输出端子以及连接至第二输入电压轨的输入端子；
第一电路支路，其将所述第二双向谐振单元的输出端子连接至所述第一输入电压轨，其中，所述第一电路支路包括第一控制电感器和第一钳位开关，所述第一钳位开关在所述反向操作模式期间将所述第一控制电感器设置到所述电路中；以及
第二电路支路，其将所述第二输入电压轨连接至所述第一双向谐振单元的输出端子，其中，所述第二电路支路包括第二控制电感器和第二钳位开关，所述第二钳位开关在所述反向操作模式期间将所述第二控制电感器设置到所述电路中。


6.根据权利要求5所述的电路装置，还包括主控制电感器，所述主控制电感器控制所述第一控制电感器和所述第二控制电感器的操作。


7.根据权利要求5所述的电路装置，还包括：
第一双向单元，其具有输出端子以及连接至第一输入电压轨的输入端子；
第二双向单元，其具有输出端子以及连接至第二输入电压轨的输入端子；
第一电路支路，其将所述第二双向谐振单元的输出端子连接至所述第一输入电压轨，所述第一电路支路包括在所述正向操作模式期间活跃的第一钳位开关；以及
第二电路支路，其将所述第二输入电压轨连接至所述第一双向谐振单元的输出端子，所述第二电路支路包括在所述正向操作模式期间活跃的第二钳位开关；
第三电路支路，其将所述第二双向谐振单元的输出端子连接至所述第一输入电压轨，所述第三电路支路包括第二控制电感器和第三钳位开关，所述第三钳位开关在所述反向操作模式期间活跃，以将所述第二控制电感器设置到所述电路中；
第四电路支路，其将所述第二输入电压轨连接至所述第一双向谐振单元的输出端子，所述第四电路支路包括第一控制电感器和第四钳位开关，所述第四钳位开关在所述反向操作模式期间活跃，以将所述第一控制电感器设置到所述电路中。


8.一种调节电流并将断路器设置到电路的方法，所述方法包括：
在第一输入电压轨与第二输入电压轨之间形成电路，所述电路包括：
双向单元，其包括用于在正向操作模式期间的功率流的一组正向开关和用于在反向操作模式期间提供反向功率流的一组反向开关，
控制电感器，其用于在反向操作模式期间控制电流流动，以及
电压钳位开关，其在反向操作模式期间活跃，以将所述控制电感器包括在所述电路中，并且其在正向操作模式期间不活跃，以将所述控制电感器从所述电路中移除；以及
在至少所述反向操作模式下操作所述电路。


9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述双向单元包括电容器，所述电容器在所述正向操作模式下与所述一组正向开关形成桥式整流器电路，并且在所述反向操作模式下与所述一组反向开关形成桥式整流器电路。


10.根据权利要求9所述的方法，还包括：控制接通所述电压钳位开关的时间，以便动态地调节装置中的最大电流和功率。


11.根据权利要求10所述的方法，还包括：在所述正向操作模式期间激活所述一组正向开关，并且在所述反向操作模式期间激活所述一组反向开关。


12.根据权利要求8所述的方法，其中，所述电路还包括：
第一双向单元，其具有输出端子以及连接至所述第一输入电压轨的输入端子；
第二双向单元，其具有输出端子以及连接至所述第二输入电压轨的输入端子...

【专利技术属性】
技术研发人员：鲍里斯·S·雅各布森，
申请(专利权)人：雷神公司，
类型：发明
国别省市：美国;US