CN111740397B - 用于操作配电***的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

一种用于操作配电***的方法和设备，包括：在电源的下游和电负载的上游提供固态开关，固态开关可在传导模式和非传导模式中操作，传导模式启用从上游到输出的传导，非传导模式禁用从输入到输出的传导；提供瞬态电压抑制器，瞬态电压抑制器限定固态开关上游的击穿电压。

Description

用于操作配电***的方法和设备
技术领域
本公开涉及一种用于操作具有电压调节器电路的配电***的方法和设备，并且更具体地涉及响应于瞬态电压来操作电压钳位。
背景技术
电力***(诸如在飞行器配电***中发现的那些)采用发电***或电源(诸如发电机)，以生成电力来为飞行器的***和子***供电。当电力穿过电气母线以将电力从电源输送到电负载时，分散在整个电力***中的配电节点确保输送到电负载的电力符合负载的设计电力标准。配电节点可以例如进一步提供切换操作以选择性地启用或禁用向特定电负载的电力输送。
发明内容
在一个方面，本公开涉及一种配电***，该配电***包括：固态开关，该固态开关具有输入和输出，输入通过具有电感的馈线电缆与电源连接，固态开关能够在传导模式和非传导模式中操作，传导模式启用从输入到输出的传导，非传导模式禁用从输入到输出的传导；瞬态电压抑制器，该瞬态电压抑制器与固态开关的输入连接并限定击穿电压；固态开关控制电路。固态开关控制电路进一步包括：控制器模块，该控制器模块被构造为通过控制输出信号来驱动固态开关在传导模式和非传导模式之间的切换操作；电压钳位部件，该电压钳位部件连接至控制输出信号并限定瞬态电压钳位值，其中，选择电压钳位部件，使得通过瞬态电压钳位值将从固态开关输出的电压限制到预定值。当固态开关的输入接收到超过电压钳位值的上升瞬态电压，同时固态开关在传导模式中操作时，通过电压钳位值限制控制输出信号，从而限制固态开关的电压输出，并且其中，限制固态开关的电压输出将上升瞬态电压施加到瞬态电压抑制器，直到上升瞬态电压大于该击穿电压，从而使瞬态电压抑制器能够限制上升瞬态电压。
在另一方面，本公开涉及一种用于配电***的电压调节器电路，该电压调节器电路包括：电源；馈线电缆，该馈线电缆限定电感；固态开关，该固态开关具有输入和输出，输入通过馈线电缆与电源连接，固态开关能够在传导模式和非传导模式中操作，传导模式启用从输入到输出的传导，非传导模式禁用从输入到输出的传导；瞬态电压抑制器，该瞬态电压抑制器与固态开关上游的馈线电缆连接，限定击穿电压；固态开关控制电路。固态开关控制电路进一步包括：控制器模块，该控制器模块被构造为通过控制输出信号来驱动固态开关在传导模式和非传导模式之间的切换操作；齐纳二极管，该齐纳二极管连接至控制输出信号并限定瞬态电压钳位值，其中，选择齐纳二极管，使得齐纳二极管钳位来自控制器模块的最大控制输出信号电压。当固态开关的输入接收到超过瞬态电压钳位值的上升瞬态电压，同时固态开关在传导模式中操作时，通过齐纳二极管限制控制输出信号，从而限制固态开关的电压输出，并且其中，限制固态开关的电压输出限制通过固态开关传导的上升瞬态电压，直到上升瞬态电压大于瞬态电压抑制器击穿电压，从而使瞬态电压抑制器能够限制上升瞬态电压。
在另一方面，本公开涉及一种操作配电***的方法，该方法包括：在电源的下游和电负载的上游提供固态开关，固态开关能够在传导模式和非传导模式中操作，传导模式启用从上游到输出的传导，非传导模式禁用从输入到输出的传导；提供瞬态电压抑制器，瞬态电压抑制器在固态开关上游，限定瞬态电压抑制器击穿电压；响应于在固态开关处接收到上游瞬态电压，通过控制电路将固态开关的传导电压输出限制到最大电压，直到以下中的至少一个：上游瞬态电压消退或上游瞬态电压超过瞬态电压抑制器的击穿电压，从而使瞬态电压抑制器能够限制上游瞬态电压。
附图说明
在附图中：
图1是根据本文描述的各个方面的飞行器和飞行器中的配电***的俯视示意图。
图2示出了现有技术的配电***的示例示意图。
图3示出了根据本文描述的各个方面的图1的配电***的示意图。
图4示出了根据本文描述的各个方面的图1的配电***的另一示例示意图。
图5是示出根据本文描述的各个方面的操作配电***的方法的图。
具体实施方式
本公开的所描述的方面指向用于飞行器的电力分配***或配电节点，其使得能够产生和分配电力，例如从燃气涡轮发动机驱动的发电机到飞行器的电负载。将理解的是，尽管在飞行器环境中示出了本公开的方面或意图将其用于飞行器环境的现场使用，但是本公开不限于此，并且广泛应用于非飞行器应用(例如，其他移动应用和非移动工业，商业以及住宅应用)中的电力***。本公开的方面可进一步适用于在其他非紧急操作(例如起飞，着陆或巡航飞行操作)中提供电力，补充电力，应急电力，必要电力等。
尽管将描述“一组”各种元件，但是应理解，“一组”可包括任何数量的相应元件，包括仅一个元件。
本公开的非限制性方面旨在限制从上游电源到下游部件(例如电负载或耗电部件)的电力的输送，供应，提供等。此外，本公开的非限制性方面主要描述通过限流操作来控制电力输送的方面。将理解的是，限流操作仅是电力输送控制的一个示例。本公开的非限制性方面可以包括电力输送控制的限压操作，或者限压操作和限流操作的组合。
所有方向参考(例如上游，下游等)仅用于识别目的，以帮助读者理解本公开，并且不产生限制，特别是关于其位置，方向或用途的限制。除非另有说明，否则连接参考(例如，附接，联接，连接和接合)将被广义地解释，并且可包括元件集合之间的中间构件以及元件之间的相对移动。这样，连接参考不一定推断两个元件直接连接并且处于彼此固定的关系。在非限制性示例中，可以选择性地构造连接或断开以提供，启用，禁用等各个元件之间的电连接。在非限制性示例中，可以选择性地构造连接或断开以提供，启用，禁用等各个元件之间的电连接。非限制性示例配电总线连接或断开可以通过开关，总线连接逻辑或构造成启用或禁用总线下游的电负载的激励的任何其他连接器来启用或操作。
如本文所使用，“***”或“控制器模块”可包括至少一个处理器和存储器。存储器的非限制性示例可以包括随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，闪存或一种或多种不同类型的便携式电子存储器(例如光盘，DVD，CD-ROM等)，或这些类型的存储器的任何合适的组合。处理器可以被构造为运行被设计为执行各种方法，功能，处理任务，计算等的任何合适的程序或可执行指令，以启用或实现本文所述的技术操作或操作。该程序可以包括计算机程序产品，该计算机程序产品可以包括机器可读介质，该机器可读介质用于承载或具有存储在其上的机器可执行指令或数据结构。这样的机器可读介质可以是任何可用的介质，其可以由通用或专用计算机或具有处理器的其他机器访问。通常，这样的计算机程序可以包括例程，程序，对象，部件，数据结构，算法等，其具有执行特定任务或实施特定抽象数据类型的技术效果。
如本文中所使用的，可控切换元件或“开关”是可被控制以在第一操作模式(例如，“传导”模式)和第二操作模式(例如“非传导”模式)之间切换的电气装置，在第一操作模式中开关“闭合”，旨在将电流从开关输入传输或传导到开关输出，在第二操作模式中开关“打开”，旨在防止电流在开关输入和开关输出之间传输或传导。在非限制性示例中，可以选择性地构造连接或断开(例如通过可控切换元件启用或禁用的连接)，以提供，启用，禁用等各个元件之间的电连接。
本公开的方面可以在具有开关的任何电路环境中实施。可以包括本公开的方面的电路环境的非限制性示例可以包括飞行器电力***架构，该飞行器电力***架构使得能够从涡轮发动机(优选地燃气涡轮发动机)的至少一个线轴产生电力，并且经由至少一个固态开关(例如固态功率控制器(SSPC)切换装置)将电力输送到一组电负载。SSPC的一个非限制性示例可以包括基于碳化硅(SiC)或氮化镓(GaN)的高功率开关。可以基于SiC或GaN的固态材料结构，以较小和较轻的形状因数处理高压和大功率水平的能力，以及快速执行电气操作的高速切换能力来选择SiC或GaN。可以包括附加的切换装置或附加的基于硅的电力开关。SSPC可以进一步包括操作功能，包括但不限于电流限制，过电流保护，跳闸功能(即，响应于超出预期范围的值而打开可切换元件)等。
示例性附图仅出于说明的目的，并且所附附图中反映的尺寸，位置，顺序和相对大小可以变化。
如图1所示，示出的飞行器10具有至少一个发动机，最常见的是涡轮发动机，示出为左发动机***12和右发动机***14。替代地，动力***可以具有更少或附加的发动机***。左发动机***12和右发动机***14可以基本相似或相同，并且还可以在每个相应的发动机***12、14中进一步包括至少一个电源，例如电机或发电机18。虽然示意性地示出了一个发电机18，但是可以包括本公开的方面，其中例如在单个发动机***12、14处利用一组发电机来发电。
示出的飞行器还具有一组耗电部件或电负载20，例如致动器负载，飞行关键负载和非飞行关键负载。电负载20经由配电***与发电机18中的至少一个电联接，该配电***包括例如电力传输线22，导体，母线，一组配电节点15、16等。例如，配电节点15、16可以包括初级配电节点15和次级配电节点16。在一个非限制性示例中，初级配电节点15可以包括可切换操作，用于将来自电源或发电机18的电力输送到大电负载20或一组次级配电节点16。尽管示出并描述了初级配电节点15和次级配电节点16，但是可以包括任何数量的分层配电节点布置。
将理解的是，图1的公开的所示方面仅是配电***的一个非限制性示例，并且除所示的之外，许多其他可能的方面和构造是本公开所预期的。此外，图1中描绘的各种部件的数量和放置也是与本公开相关联的方面的非限制性示例。
在飞行器10中，操作左发动机***12和右发动机***14提供机械能，通常可经由涡轮发动机线轴提取该机械能，以为发电机18提供驱动力。发电机18又生成电力，例如直流(DC)电力或交流(AC)电力，并且将生成的电力提供给传输线22。在本公开的非限制性方面，传输线22或与其连接的配电节点15、16可以例如根据需要提供切换，电力转换或配电管理功能，以便向电负载20提供所需的电力用于负载操作。
示例配电管理功能可以包括但不限于，取决于例如可用配电供应，电负载20功能的关键性，或飞行器操作模式(例如起飞，巡航或地面操作)选择性地启用或禁用向特定电负载20的电力输送。可以包括附加的管理功能。此外，可以包括用于向电负载20提供电力的附加电源(例如应急电源，冲压空气涡轮***，启动机/发电机或电池)，并且附加电源可以替代电源。将理解的是，尽管在飞行器环境中示出了本公开的一个方面，但是本公开不限于此，并且广泛应用于非飞行器应用(例如其他移动应用和非移动工业，商业，以及住宅应用)中的电力***。
图2示出了配电***30的现有技术示意性示例。如图所示，示例电力供应部32与初级配电节点34连接，初级配电节点34进一步与次级配电节点36连接。初级配电节点34包括与电力供应部32并联连接的第一电力开关38和第二电力开关42。第一电力开关38还与大电负载40(诸如马达)连接。如本文所用，“大”是指电负载具有相对高功率需求。第二电力开关42进一步与次级配电节点36连接。次级配电节点36还包括进一步与第四电力开关50连接的第三电力开关48。示出的第四电力开关50还与相对小的电负载62连接。
每个电力开关38、42、48、50包括开关44和开关控制器46，由此开关44响应于来自开关控制器46的指令而操作为打开或闭合。配电***30还包括一组瞬态电压抑制器(TVS)，显示为位于初级配电节点34上游的第一TVS 54，位于初级配电节点34与次级配电节点36之间的第二TVS 56，位于第三电力开关48和第四电力开关50之间的第三TVS58，以及位于次级配电节点36下游的第四TVS 60。配电***30包括将电力供应部32输出输送到初级配电节点34的馈线，其示意性地示出为电感52。
在配电***30的操作期间，切换流过配电电路中的导体的高电流会导致负责供应低功率负载并且因此不适合处理大功率瞬变的该配电电路的另一部分中的大功率瞬变。如果所有电力开关均处于闭合状态(例如处于传导模式)，并且第一电力开关38处于打开状态，断开大电负载40，则由于电感52会在配电***30中产生瞬态电压。需要飞行器配电***30以确保其性能与向满足适当国际标准(诸如RTCA DO-160G和MIL-HDBK-704F)的电气***的配电兼容。
当第一电力开关38的打开非常快(例如1微秒)时，横跨电感52的电压将上升，直到其达到将允许电流继续流动的值为止，这涉及配电***30的部件击穿或绝缘。在现有技术中，TVS部件54、56、58、60的使用提供了瞬态电压抑制路径。但是，TVS部件54、56、58、60的变化(例如由于制造变化或公差，装置温度，电流流动等)导致意外的瞬态电压操作。如果第一TVS 54和第二TVS 56中的每一个具有350伏正负25伏的击穿电压，则第二TVS 56的实际击穿电压可能小于第一TVS 54的击穿电压(例如，第二TVS 56击穿电压为325伏，而第一TVS54击穿电压为375伏)。
由于电感52而引起的上升瞬态电压将继续上升，直到达到较小的击穿电压。因此，当上升瞬态电压达到325伏时，第二TVS 325将抑制瞬态电压，这将有效地通过导通的第二电力开关42输送高电流(可能比期望的高)。高电流又使第二电力开关跳闸或损坏。进一步设想，在某些情况下，瞬态电压通过初级配电节点34和次级配电节点36传送，直到达到该组TVS部件54、56、58、60的最低击穿电压。这进而使传导路径中的电力开关42、48、50中的任何一个或所有跳闸或损坏，尤其是当下游电力开关48、50设计或额定用于较低电流或电压能力时。
图3示出了根据本公开的方面的配电***70，包括但不限于图1的方面。如图所示，配电***70包括与电力开关74连接的电源72或电力供应器。如本文所述，在一个非限制性示例中，电力开关74可包括固态功率开关或固态功率控制器。电力开关74可以进一步与代表性电负载76连接。电力开关74可以包括固态可切换元件78和控制器模块80。如本文所述，固态可切换元件78的非限制性示例可以包括基于硅，基于碳化硅，基于氮化镓等的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，绝缘栅双极晶体管，或其他高速固态装置。控制器模块80可以包括处理器82和存储器84，并且被构造，启用等以生成提供给固态可切换元件78的控制输出信号86。配电***70还可以包括TVS 92，该TVS 92限定击穿电压，并位于电力开关74的上游。尽管示出了n型MOSFET，但是可以包括附加的固态可切换元件78类型。
由于高电流固态可切换元件78还能够非常快速地切换(例如，在传导和非传导状态之间)，因此它们可以在非常高电流水平下产生高压瞬变，必须对该高压瞬变进行仔细控制和协调，以防止它们压倒连接的低功率电路。
在这种意义上，固态可切换元件78可响应于控制器模块80的控制输出信号86来操作。除了控制器模块80和控制输出信号86之外，电力开关74可以包括适于或构造成限制最大电压的钳位部件。在一个非限制性示例中，电压钳位部件可以包括二极管(例如限定反向击穿电压或电压钳位值的齐纳二极管88)，但是可以包括提供电压钳位功能的附加电气部件。因此，在通过固态可切换元件78的电流的传导由控制输出信号86的电压控制的情况下，齐纳二极管88可以用作电压调节器以确保控制输出信号86不超过电压钳位值，从而起到限制或控制输送或提供给固态可切换元件78的最大控制输出信号86的作用。换句话说，来自固态可切换元件78的输出电压(源极连接)是其输入(漏极)电压和其控制(栅极)电压(例如由齐纳二极管88限制的最大控制输出信号86)中的较低者。通过限制最大控制输出信号86，控制输出信号86还起到限制或控制电力开关74的可变电流和传导电压输出的作用。尽管描述了MOSFET，但可以选择替代部件以通过控制输出信号86或用于限制或钳位由固态可切换元件78传导的最大电压的另一个电路来产生类似的电压调节。例如，替代固态可切换元件78可包括利用耗尽型场效应晶体管(FET)或绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，其中本公开的方面仍然适用。
在电力开关74处接收到上升瞬态电压的情况下，控制输出电压86最初将与输入瞬态电压同步上升，以使固态可切换元件78能够将全部电力传导至负载。然而，如果控制输出电压86继续上升，其可以达到一个值，在该值处，钳位部件(诸如齐纳二极管88)会将其限制在该最大值。因此，由于电力开关74的传导将受到限制，因此电力开关输入电压将继续升高(但不能横跨电力开关74传送)，直到发生以下两种情况之一：输入电压等于或超过TVS 92的击穿电压，使TVS 92能够传导，从而限制瞬态电压；或瞬态电压消退(例如，经过了瞬态周期)，并且配电***70以“正常”切换模式(例如，不受瞬态电压约束的稳态切换模式)操作。在一个非限制性示例中，可能希望将TVS 92放置在尽可能靠近电力开关74输入的位置，以限制由电力开关74“看到”或经历的输入电压。如果TVS 92和电力开关74之间有相当长的导体长度，则该导体本身将充当电感，其可以产生自己的瞬态电压。因此，TVS 92可以位于概述电力开关74的虚线框内，并且可以被包括为电力开关74的一部分，而不是导体或馈线电缆。
在一个非限制性示例中，可以选择TVS 92，齐纳二极管88中的至少一个或部件88、92两者，以确保电力开关74的最大输出电压(该最大输出电压由齐纳二极管88的反向击穿电压设置)小于TVS 92击穿电压。在另一个非限制性示例中，对于电力开关74处于受限传导模式的预期时间段，可以选择TVS 92，电力开关74的最大输出电压(该最大输出电压由齐纳二极管88设置)中的至少一个或部件88、92两者，以确保TVS击穿电压和电力开关74的最大输出电压(例如，横跨固态可切换元件78施加的电压)之间的电压差是可接受的，可管理的，耐热的等(例如，小于预定的电压值或将以其他方式损坏或可能损坏固态可切换元件的电压和时间脉冲，“损坏值”)。在一个特定的非限制性示例中，其中配电***70正在分配270伏直流电(DC)，瞬态电压(例如瞬态期间可接受的最大输出电压)可以包括大于预定电压范围的电压，例如大于300伏DC(正负10伏DC)。在该示例中，齐纳二极管88可以包括反向击穿电压，选择该反向击穿电压以将电力开关74的最大输出电压限制在290至310伏的范围内。同样，在该示例中，TVS 92可以包括325至375伏的击穿电压范围，例如以避免与由齐纳二极管88的电压击穿范围设置的电力开关74的最大输出电压重叠，并限制横跨电力开关74的电压。此外，在该示例中，可以选择齐纳二极管88或TVS 92中的至少一个，以确保在瞬态期间固态可切换元件78可以消散横跨电力开关74的有限电压。在上述示例中，固态可切换元件78可以耗散85伏(TVS 92的最大范围375伏与由齐纳二极管88的最小击穿电压范围控制的电力开关74的输出电压290伏之间的差)。可以包括其他非限制性示例。
图4示出了根据本公开的方面的另一种配电***170。配电***170类似于配电***70；因此，除非另有说明，否则将用相同数字增加100、200、300等来标识相同的部件，应该理解，配电***70的相同部件的描述适用于配电***170。
如图所示，配电***170可包括具有并联布置的第一电力开关174和第二电力开关274的初级配电节点94。第一电力开关174可以可切换地控制第一大电负载176(诸如马达)的激励。第二电力开关274可以进一步与次级配电节点96连接，该次级配电节点96进一步包括第四电力开关474上游的第三电力开关374。第四电力开关474可以进一步可切换地与第二电负载276连接。
配电***170还可以包括位于初级配电节点94上游的第一TVS 192，位于初级配电节点94和次级配电节点96之间的第二TVS 292，位于第三电力开关374和第四电力开关474之间的第三TVS 392，以及位于次级配电节点96下游的第四TVS 492。如这里所指出的，所示的该组TVS部件192、292、392、492的精确定位是非限制性的。
如本文所述，该组TVS部件192、292、392、492以及相应组电力开关174，274、374、474的所选择组齐纳二极管88的定位可以允许配电***170中的电压调节的级联布置，其中，可以利用多个TVS部件192、292、392、492来确保电压限制操作。例如，关于图3的描述同样适用于第一，第二，第三或第四电力开关174、274、374、474中的任何一个，并且相对于上游和下游相关TVS192、292、392、492的齐纳二极管的选择可以被布置，挑选，选择，相关等，使得可以抑制瞬态电压，而不管其在配电***中的何处发生。
此外，尽管已经相对于由上游电力开关的可切换操作引起的瞬态电压描述了瞬态电压，但是本公开的方面可以被应用于经历来自附加或替代源的瞬态电压的配电***70、170。例如，如果在第一电力开关174或第一电负载176中的一个或两个中发生电气故障，则第一电力开关174可在“跳闸”第一电力开关174(例如，将第一电力开关174的固态可切换元件78可切换地操作到非传导状态)之前传导通过电感90输送的大故障电流或故障电压，然后在第一电力开关174跳闸后，将继续通过配电***170的其余部分传送瞬态电压。利用本公开的齐纳二极管88，控制输出信号86的方面以及电压调节或电流限制方面，也可以抑制或以其他方式考虑该电气故障瞬态电压。
为了简洁描述本公开的方面，将理解的是，图3和图4中所示的部件具有示意性地表示的简单或理想的电气特性，例如理解的是，固态开关78的最大输出电压由连接到其栅极的齐纳二极管88的击穿电压限定，并等于连接到其栅极的齐纳二极管88的击穿电压。将理解的是，实际或“现实世界”电路装置的特性与简单理想装置之间的偏差可导致电路设计等的调整，以实现所描述的结果。例如，尽管TVS 92，齐纳二极管88中的至少一个或部件88、92两者在本文中被描述为被选择以确保电力开关74的最大输出电压(该最大输出电压由齐纳二极管88的反向击穿电压设置)小于TVS 92的击穿电压，将理解的是，齐纳二极管88控制电力开关74的最大输出电压，但是由于实际(例如“现实世界”)电路装置的设计或操作，齐纳二极管88的反向击穿电压不一定等于(例如，在大小上)电力开关74的最大输出电压。
图5示出了说明操作配电***70、170的方法500的流程图。在510处，方法500可以包括在电源72的下游和电负载76、176、276的上游提供固态开关74、174、274、374、474，固态开关74、174、274、374、474可以在传导模式和非传导模式中操作，传导模式启用从电源72到电负载76、176、276的传导，非传导模式禁用从电源72到电负载76、176、276的传导。接下来，在520处，方法500包括提供在固态开关74、174、274、374、474的上游限定击穿电压的瞬态电压抑制器92、192、292、392。最后，在530处，响应于在固态开关74、174、274、374、474处接收到上游瞬态电压，通过控制电路(例如控制器模块80和齐纳二极管88)将固态开关74、174、274、374、474的传导电压输出限制到最大电压，直到以下至少一个：上游瞬态电压消退或上游瞬态电压超过瞬态电压抑制器92、192、292、392的击穿电压，从而启用瞬态电压抑制器92、192、292、392以限制上游瞬态电压。
所描绘的次序仅出于说明性目的，并不意味着以任何方式限制方法500，因为应理解，在不脱离所描述方法的情况下，该方法的各部分可以以不同的逻辑顺序进行，可以包括附加或中间部分，或者可以将方法的所描述部分划分为多个部分，或者可以省略方法的所描述部分。在一个非限制性示例中，方法500可包括为固态开关74、174、274、374、474提供电压调节电路，包括限定反向击穿电压的齐纳二极管88。在另一个非限制性示例中，提供方法500的电压调节电路可以进一步包括选择具有反向击穿电压的齐纳二极管88，使得从电压调节电路输出的最大电压小于瞬态电压抑制器92、192、292、392的击穿电压。在又一个非限制性示例中，方法500可以包括选择齐纳二极管88，其中相应的TVS 92、192、292、392的击穿电压与相应的齐纳二极管88的反向击穿电压之间的差小于预定固态开关74、174、274、374、474的损坏电压，如本文所描述的。
在又一个非限制性示例中，方法500可以进一步包括定位齐纳二极管88以钳位控制输出信号86，控制输出信号86由控制器模块80生成，并构造成驱动固态开关74，174，274、374、474在传导模式和非传导模式之间的切换操作。在又一个非限制性示例中，方法500可以包括其中选择齐纳二极管88，使得控制输出信号86被钳位在大于来自控制器模块80的最大控制输出信号86电压的电压。在又一个非限制性示例中，方法500可以包括将固态开关74、174、274、374、474的传导电压输出限制到最大电压，以操作固态开关74、174、274、374、474作为电压调节器。在又一个非限制性示例中，方法500可以进一步包括提供在整个配电***70、170中以级联水平布置的一组固态开关74、174、274、374、474和一组瞬态电压抑制器92、192、292、392，例如图4中所示。
除以上附图中所示之外，本公开还设想了许多其他可能的方面和构造。例如，虽然仅示出和描述了来自电源72的导体的电感90，但是可以包括附加的电感(重要的或其他的)。另外，尽管描述了电源72，但是可以包括本公开的方面，其中可以包括任何上游电力源，例如上游配电单元，配电节点等。另外，本公开的所说明方面仅是用以实现所描述功能的电路布置的一个非限制性示意示例。除了所示的这些或替代所示的这些，完整的电路图可以包括电气部件，同时提供所述的相似功能。另外，可以重新布置各种部件的设计和放置，使得可以实现许多不同的串行构造。例如，虽然示出了DC配电***70、170，但是本领域的技术人员可以通过例如包括以与本文所述相似的控制模式操作的背靠背固态开关来将本公开的方面包括在交流(AC)配电***中。
本文公开的方面提供了用于操作配电***或配电节点的方法和设备。技术效果是，上述方面使配电节点或***的操作能够抑制***中可能发生的瞬态电压。在本公开的以上方面中可以实现的一个优点是，上述方面使得能够可靠地抑制瞬态电压，而不必借助于仔细筛选和分级部件(诸如TVS部件)来选择所需的击穿电压。本公开的方面的又一个优点可以包括减小配电***内和下游负载内的部件上的应力。本文描述的方面的又一个优点确保了防止由开关大电流引起的高功率瞬变通过配电***传播到下部配电区段和负载。实现此目标的实质是增强每个开关级以包括电压调节/钳位功能，其确保该级输出电压保持在“正常”操作限制内。因此，所描述的方面可以确保配电***的“较高层”的输出级保持在“正常”操作限制内，以及配电***的下一个，随后，下游或其他下一个“较低层”也保持在“正常”操作限制内。
在尚未描述的范围内，各个方面的不同特征和结构可以根据需要彼此组合使用。不能在所有方面中示出的一个特征并不意味着解释其不能有，而是为了描述简洁。因此，不管是否明确地描述了新方面，都可以根据需要混合和匹配不同方面的各种特征以形成新方面。本文所描述的特征的组合或置换被本公开覆盖。
本书面描述使用示例来公开本公开的方面，包括最佳模式，并且还使本领域技术人员能够实践本公开的方面，包括制造和使用任何装置或***以及执行任何结合的方法。本公开的可专利范围由权利要求书限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这样的其他示例具有与权利要求的字面语言没有不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言没有实质性差异的等效结构元件，则这些其他示例意图落入权利要求的范围内。
本发明的进一步方面由以下条项的主题提供：
一种配电***，包括：固态开关，该固态开关具有输入和输出，输入通过具有电感的馈线电缆与电源连接，固态开关能够在传导模式和非传导模式中操作，传导模式启用从输入到输出的传导，非传导模式禁用从输入到输出的传导；瞬态电压抑制器，该瞬态电压抑制器与固态开关的输入连接并限定击穿电压；固态开关控制电路，该固态开关控制电路进一步包括：控制器模块，该控制器模块被构造为通过控制输出信号来驱动固态开关在传导模式和非传导模式之间的切换操作；电压钳位部件，该电压钳位部件连接至控制输出信号并限定瞬态电压钳位值，其中，选择电压钳位部件，使得通过瞬态电压钳位值将从固态开关输出的电压限制到预定值；其中，当固态开关的输入接收到超过电压钳位值的上升瞬态电压，同时固态开关在传导模式中操作时，通过电压钳位值来限制控制输出信号，从而限制固态开关的电压输出，并且其中，限制固态开关的电压输出将上升瞬态电压施加到瞬态电压抑制器，直到上升瞬态电压大于该击穿电压，从而使瞬态电压抑制器能够限制上升瞬态电压。
根据前述条项中任一项所述的配电***，其中，瞬态电压钳位值小于瞬态电压抑制器击穿电压。
根据前述条项中任一项所述的配电***，其中，瞬态电压钳位值与瞬态电压抑制器击穿电压之间的差被施加到固态开关。
根据前述条项中任一项所述的配电***，其中，选择瞬态电压抑制器或电压钳位部件中的至少一个，使得施加到固态开关的瞬态电压钳位值与击穿电压之间的差小于预定固态开关损坏电压。
根据前述条项中任一项所述的配电***，其中，控制输出信号控制通过固态开关的可变电流传导。
根据前述条项中任一项所述的配电***，其中，固态开关操作为电压调节器，以限制固态开关的电压输出。
根据前述条项中任一项所述的配电***，其中，在整个配电***中以级联水平布置一组固态开关、瞬态电压抑制器和固态开关控制电路。
根据前述条项中任一项所述的配电***，其中，固态开关包括金属氧化物半导体场效应晶体管或绝缘栅双极晶体管中的至少一个。
根据前述条项中任一项所述的配电***，其中，选择电压钳位部件，使得瞬态电压钳位值确保从固态开关输出向下游传导的电压在至少一个下游电气部件的预期电气特性内。
一种用于配电***的电压调节器电路，包括：电源；馈线电缆，该馈线电缆限定电感；固态开关，该固态开关具有输入和输出，输入通过馈线电缆与电源连接，固态开关能够在传导模式和非传导模式中操作，传导模式启用从输入到输出的传导，非传导模式禁用从输入到输出的传导；瞬态电压抑制器，该瞬态电压抑制器与固态开关上游的馈线电缆连接，限定击穿电压；固态开关控制电路，该固态开关控制电路进一步包括：控制器模块，该控制器模块被构造为通过控制输出信号来驱动固态开关在传导模式和非传导模式之间的切换操作；齐纳二极管，该齐纳二极管连接至控制输出信号并限定瞬态电压钳位值，其中，选择齐纳二极管，使得齐纳二极管对来自控制器模块的最大控制输出信号电压进行钳位；其中，当固态开关的输入接收到超过瞬态电压钳位值的上升瞬态电压，同时固态开关在传导模式中操作时，通过齐纳二极管来限制控制输出信号，从而限制固态开关的电压输出，并且其中，限制固态开关的电压输出限制通过固态开关传导的上升瞬态电压，直到上升瞬态电压大于瞬态电压抑制器击穿电压，从而使瞬态电压抑制器能够限制上升瞬态电压。
根据前述条项中任一项所述的配电***，其中，齐纳二极管的瞬态电压钳位值小于瞬态电压抑制器击穿电压。
根据前述条项中任一项所述的配电***，其中，瞬态电压钳位值和瞬态电压抑制器击穿电压之间的差被施加到固态开关。
一种操作配电***的方法，包括：在电源的下游和电负载的上游提供固态开关，固态开关能够在传导模式和非传导模式中操作，传导模式启用从上游到输出的传导，非传导模式禁用从输入到输出的传导；提供瞬态电压抑制器，瞬态电压抑制器在固态开关上游，限定瞬态电压抑制器击穿电压；响应于在固态开关处接收到上游瞬态电压，通过控制电路将固态开关的传导电压输出限制到最大电压，直到以下中的至少一个：上游瞬态电压消退或上游瞬态电压超过瞬态电压抑制器的击穿电压，从而使瞬态电压抑制器能够限制上游瞬态电压。
根据前述条项中任一项所述的方法，进一步包括为固态开关提供电压调节电路，电压调节电路包括限定反向击穿电压的齐纳二极管。
根据前述条项中任一项所述的方法，其中，提供电压调节电路进一步包括选择具有反向击穿电压的齐纳二极管，使得固态开关的电压输出小于瞬态电压抑制器的击穿电压。
根据前述条项中任一项所述的方法，其中，选择齐纳二极管进一步包括选择齐纳二极管，其中瞬态电压抑制器击穿电压与由齐纳二极管反向击穿电压限定的最大电压输出之间的差小于预定固态开关损坏电压。
根据前述条项中任一项所述的方法，进一步包含定位齐纳二极管以对控制输出信号进行钳位，控制输出信号由控制器模块生成，并且被构造成实现固态开关在传导模式与非传导模式之间的切换操作。
根据前述条项中任一项所述的方法，其中，选择齐纳二极管以将控制输出信号钳位到小于下游第二瞬态电压抑制器的最小击穿电压的电压。
根据前述条项中任一项所述的方法，其中，将固态开关的控制输出信号限制到小于下游第二瞬态电压抑制器的最小击穿电压将固态开关操作为电压调节器。
根据前述条项中任一项所述的方法，进一步包括提供在整个配电***中以级联水平布置的一组固态开关和一组瞬态电压抑制器。

Claims (16)

1.一种配电***，其特征在于，包括：
固态开关，所述固态开关具有输入和输出，所述输入通过具有电感的馈线电缆与电源连接，所述固态开关能够在传导模式和非传导模式中操作，所述传导模式启用从所述输入到所述输出的传导，所述非传导模式禁用从所述输入到所述输出的传导；
瞬态电压抑制器，所述瞬态电压抑制器与所述固态开关的所述输入连接并限定击穿电压；和
固态开关控制电路，所述固态开关控制电路进一步包括：
控制器模块，所述控制器模块被构造为通过控制输出信号来驱动所述固态开关在所述传导模式和所述非传导模式之间的切换操作；和
电压钳位部件，所述电压钳位部件连接至所述控制输出信号并限定瞬态电压钳位值，所述瞬态电压钳位值小于所述瞬态电压抑制器的所述击穿电压，其中，选择所述电压钳位部件，使得通过所述瞬态电压钳位值将从所述固态开关输出的电压限制到预定值；
其中，当所述固态开关的所述输入接收到超过所述瞬态电压钳位值的上升瞬态电压，同时所述固态开关在所述传导模式下操作时，通过所述瞬态电压钳位值来限制所述控制输出信号，从而限制所述固态开关的电压输出，并且其中，限制所述固态开关的所述电压输出将所述上升瞬态电压施加到所述瞬态电压抑制器，直到所述上升瞬态电压大于所述击穿电压，从而使所述瞬态电压抑制器能够限制所述上升瞬态电压。
2.根据权利要求1所述的配电***，其特征在于，其中，所述瞬态电压钳位值与所述瞬态电压抑制器的所述击穿电压之间的差被施加到所述固态开关。
3.根据权利要求2所述的配电***，其特征在于，其中，选择所述瞬态电压抑制器或所述电压钳位部件中的至少一个，使得施加到所述固态开关的所述瞬态电压钳位值与所述击穿电压之间的所述差小于预定固态开关损坏电压。
4.根据权利要求1所述的配电***，其特征在于，其中，所述控制输出信号控制通过所述固态开关的可变电流传导。
5.根据权利要求4所述的配电***，其特征在于，其中，所述固态开关操作为电压调节器，以限制所述固态开关的所述电压输出。
6.根据权利要求1所述的配电***，其特征在于，其中，在整个所述配电***中以级联水平布置一组固态开关、瞬态电压抑制器和固态开关控制电路。
7.根据权利要求1所述的配电***，其特征在于，其中，所述固态开关包括金属氧化物半导体场效应晶体管或绝缘栅双极晶体管中的至少一个。
8.根据权利要求1所述的配电***，其特征在于，其中，选择所述电压钳位部件，使得所述瞬态电压钳位值确保从所述固态开关输出向下游传导的电压在至少一个下游电气部件的预期电气特性内。
9.一种用于配电***的电压调节器电路，其特征在于，包括：
电源；
馈线电缆，所述馈线电缆限定电感；
固态开关，所述固态开关具有输入和输出，所述输入通过所述馈线电缆与所述电源连接，所述固态开关能够在传导模式和非传导模式中操作，所述传导模式启用从所述输入到所述输出的传导，所述非传导模式禁用从所述输入到所述输出的传导；
瞬态电压抑制器，所述瞬态电压抑制器与所述固态开关上游的所述馈线电缆连接，限定击穿电压；和
固态开关控制电路，所述固态开关控制电路进一步包括：
控制器模块，所述控制器模块被构造为通过控制输出信号来驱动所述固态开关在所述传导模式和所述非传导模式之间的切换操作；和
齐纳二极管，所述齐纳二极管连接至控制输出信号并限定瞬态电压钳位值，所述瞬态电压钳位值小于所述瞬态电压抑制器的所述击穿电压，其中，选择所述齐纳二极管，使得所述齐纳二极管对来自所述控制器模块的最大控制输出信号电压进行钳位；
其中，当所述固态开关的所述输入接收到超过所述瞬态电压钳位值的上升瞬态电压，同时所述固态开关在所述传导模式下操作时，通过所述齐纳二极管来限制所述控制输出信号，从而限制所述固态开关的电压输出，并且其中，限制所述固态开关的所述电压输出限制通过所述固态开关传导的所述上升瞬态电压，直到所述上升瞬态电压大于所述瞬态电压抑制器的所述击穿电压，从而使所述瞬态电压抑制器能够限制所述上升瞬态电压。
10.根据权利要求9所述的用于配电***的电压调节器电路，其特征在于，其中，所述瞬态电压钳位值和所述瞬态电压抑制器的所述击穿电压之间的差被施加到所述固态开关。
11.一种操作配电***的方法，其特征在于，包括：
在电源的下游和电负载的上游提供固态开关，所述固态开关能够在传导模式和非传导模式中操作，所述传导模式启用从上游到输出的传导，所述非传导模式禁用从所述上游到所述输出的传导；
提供瞬态电压抑制器，所述瞬态电压抑制器在所述固态开关上游，限定瞬态电压抑制器击穿电压；
响应于在所述固态开关处接收到上游瞬态电压，通过控制电路将所述固态开关的传导电压输出限制到最大电压，直到以下中的至少一个：所述上游瞬态电压消退或所述上游瞬态电压超过所述瞬态电压抑制器的所述击穿电压，从而使所述瞬态电压抑制器能够限制所述上游瞬态电压；和
为所述固态开关提供电压调节电路，所述电压调节电路包括限定反向击穿电压的齐纳二极管，其中，提供所述电压调节电路进一步包括选择具有反向击穿电压的齐纳二极管，使得所述固态开关的电压输出小于所述瞬态电压抑制器的所述击穿电压。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，其中，选择所述齐纳二极管进一步包括选择齐纳二极管，其中所述瞬态电压抑制器击穿电压与由所述齐纳二极管反向击穿电压限定的所述最大电压输出之间的差小于预定固态开关损坏电压。
13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，进一步包含定位所述齐纳二极管以对控制输出信号进行钳位，所述控制输出信号由控制器模块生成，并且被构造成实现所述固态开关在所述传导模式与所述非传导模式之间的切换操作。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，其中，选择所述齐纳二极管以将所述控制输出信号钳位到小于下游第二瞬态电压抑制器的最小击穿电压的电压。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，其中，将所述固态开关的所述控制输出信号限制到小于下游第二瞬态电压抑制器的最小击穿电压将所述固态开关操作为电压调节器。
16.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，进一步包括提供在整个所述配电***中以级联水平布置的一组固态开关和一组瞬态电压抑制器。
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