帶故障保護的雙向直流電力控制器的製作方法

2024-01-29 21:33:15 1

專利名稱：帶故障保護的雙向直流電力控制器的製作方法
技術領域：
本發明涉及直流電力控制器，更具體地，涉及包含故障測定與保護電路的雙向直流電力控制器。
現在正在研製用於飛機及空間應用的高壓直流配電系統。這些電力系統對將要用於控制和保護載荷和載荷總線的固態電力控制器提出了超過現有技術的固態或機電開關裝置所能提供的更複雜的要求。這種電力控制器必須為雙向直流電路提供電流而同時維持低的開關電壓降和低的能耗。與控制和限制電流的同時必須包括在控制和保護特性。
本發明提供了一種符合上述要求的用於高壓直流電力系統的電力控制器並且包含了獨一無二的故障保護電路，這種電路容易地將高壓直流輸電線電力與低壓控制電路進行接口。
根據本發明所構成的雙向直流電力控制器包括連接在一對接線端之間的一個雙向直流電力開關，這兩個接線端是用於將控制器連接到直流電力系統的。連接了一對差分放大器以監視這些接線端上的電壓。放大器之一當接線端中的第一個上的電壓超過第二個接線端上的電壓時生成一個與兩個接線端上的電壓差成正比的輸出信號，而當第二接線端上的電壓大於第一接線端上的電壓時則為低電平。另一個差分放大器當第二接線端上的電壓超過第一接線端上的電壓時生成一個與接線端之間的電壓差成正比的輸出信號，而當第一接線端上的電壓超過第二接線端上的電壓時則為低電平。合併差分放大器的輸出信號以生成一個與接線端間的電壓差的絕對值成正的控制信號。這一控制信號被電力控制器中的一個控制電路用以控制雙向直流開關的操作。
差分放大器電路提供獨有的內在電壓遠距離發送能力能使簡單的信號傳輸跨越高壓電位。這些放大器同時提供容易合併生成開關電壓極性信號的輸出信號。
一個分路器策略地放置在電力開關中以提供一個與開關中的電流成正比的電壓信號，從而提供了電流檢測。將這一電壓信號送到一個受電壓控制的電流源，該電流源包括一個高壓接口並向一固定電阻供應電流以生成一個附加的控制信號，該信號與雙向直流開關中的電流成正比。
單張附圖
是根據本發明的優選實施例所構成的一種雙向直流電力控制器的示意圖。
參見附圖，本發明的優選實施例包括一個電氣地連接在一對接線端12和14之間的雙向直流開關10。接線端12連接在一個第一輸電導線16上，它接收來自電源線18的相對高壓的直流電，例如150至200伏直流電。接線端14連接在一個第二輸電線20上，它在開關10接通時向負載22發送輸電線上電力。在難於預測的時刻，電源18和負載22的地位可能轉換。例如，如果電源18是蓄電池，則在充電時它就成了負載。
雙向直流電力開關10包括一對電晶體Q1與Q2，每個有一條主導電通路和一個控制電極，即基極。電晶體Q1和Q2的主導電通路在一個具有位於電晶體之間的一個第一連接點24的第一電路分支中互相電氣地串聯。第二分支電路包括一對二極體D1和D2以位於它們之間的第二連接點26的反向串聯。在兩個連接點之間連有一個電阻分路R1，使得流經開關10的電流生成一個表示在導線28與30上跨越分路R1的指示電流的直流電壓信號。這一指示電流的電壓信號被送至一受電壓控制的電流源32，該電流源包括操作放大器U1，電阻R2，R3，R4和R5，穩壓二極體CR1′和CR2，以及電晶體Q3。恆定電流電路32由輸電源(連接到接線端12或14)供電，恆定電流電路32的操作電壓受穩壓二極體CR2的調整，使之產生一個與電源電壓變化無關的恆定電流，該恆定電流是與跨越分路R1所發生的電壓成正比的，這一恆定電流被送至一個負載電阻R6，使在導線34和36上產生一個與雙向直流開關中的電流成正比的電壓信號。可以根據已知技術構成的控制，保護與監視電路38接受這一電壓控制信號並以它為依據通過驅動電路40控制雙向直流電力開關的操作。電阻R4和R5是作為受電壓控制的電流源12和低壓控制保護與監視電路38之間的高壓接口。電阻分路R1的關鍵位置有效地校正了雙向直流負載電流，使在導線28與30上的電流指示電壓信號是一個與兩個方向上的負載電流成正比的直流電壓。電阻分路的位置同時允許電壓控制的電流源從輸電源供應得到電力，以此消除了為電流檢測控制電路供電而需要獨立的電力供應。
電流源32從電晶體Q3的集電極到地產生一個輸出電流Is，它非常接近地等於電流指示電壓信號Vs除以R2，即，Is＝Vs/R2＝(R1×I)/R2，這裡I為流經開關10的負載電流。這一輸出電流Is用於生成一個跨越電阻R6的地電平電位的檢測電壓Vo，它等於Vo＝R6×(Is)＝(R1×I)×(R6/R2)＝KI，這裡K是一個常數。電壓Vo用於在地電平電位進行控制保護和監視。
電壓檢測電路42包括一對差分放大器44和46，它們生成輸出信號，它們被電阻R7與R8進行「或」運算，在導線48上生成一個大小與接線端12與14間的電壓差成正比的控制信號。差分放大器44包括操作放大器U2和電阻R9，R10，R11，R12和R13，其連接方式如圖所示。電阻R9的一端是作為這一差分放大器的第一輸入的，它與接線端14電氣地相連，而電阻R10的一端是作為放大器的第二輸入，它與接線端12相連接。差分放大器部件之間是這樣連接的當接線端12上的電壓大於接線端18上的電壓時，放大器在導線50上產生一個輸出電壓信號，該信號與接線端12與14之間的電壓差成正比;而當接線端14上的電壓大於接線端12上的電壓時，該電壓信號為常量(零)。
差分放大器46包括操作放大器U2與電阻R14，R15，R16，R17和R18。電阻R14的一端是作為差分放大器46的第一輸入並與接線端14電氣地相連接。電阻R15的一端是作為放大器46的第二輸入並與接線端12電氣地相連接。差分放大器46的部件的電連接方式是當接線端14上的電壓大於接線端12上的電壓時，在導線52上生成一個與接線端12與14之間的電壓差成正比的輸出電壓信號;而當接線端12上的電壓大於接線端14上的電壓時，該電壓信號為常量(零)。接線端50和52上的電壓信號被電阻R7和R8進行「或」運算在導線48上生成一個控制信號，該信號與接線端12和14上的電壓差的絕對值成正比。
極性指示器電路54包括一個比較器U4，它具有接收導線50與52上的電壓信號的輸入端並在導線56上生成一個極性指示邏輯信號。導線48上的控制信號與導線56上的極性指示信號都送至現有技術的控制，保護與監視電路38用於控制開關10的操作。
在本發明的一個實施例中，其中電阻R9，R10，R14與R15有相等的電阻值;電阻R7，R8，R11，R12，R16與R17有相等的電阻值;而且電阻R13與R18有相等電阻值，導線50上的電壓信號Vs1等於當V12＞V14時，Vs1＝(R11/R9)×(V12-V14)，這裡V12是接線端12上的電壓而V14是接線端14上的電壓。當V12V14時，Vs1＝0。同樣，導線52上的電壓，V52等於當V14＞V12時，Vs2＝(R16/R14)×(V14-V12)，而當V14V12時Vs2＝0。這使得在導線48上的一個控制電壓Vc的結果等於一個常數乘V12-V14的絕對值。電阻R9，R10，R14和R15是作為導線16與20上的高壓和低壓控制電路38之間的一個高壓接口。
由此可見，本發明提供了一種具有獨一無二的故障保護電路的雙向直流電力控制器。這些電路包括雙向電流與電壓的單點檢測以及與所測得的信號跨越高壓電位進行接口。電壓檢測電路提供與開關電壓的絕對值成正比的有效的電力開關電壓檢測。利用差分放大器電路的輸出端所產生的電壓提供了一種簡單的開關電壓極性裝置。將所檢測到的電壓從高電壓電平翻譯成低電壓控制電路電平是應用高電壓接口電阻實現的。電流檢測電路提供了雙向電力開關電流的單點檢測並且利用一個電壓控制的電流源以提供將雙向電流檢測電壓從高電平翻譯到地電平電位的一種有效裝置。
雖然本發明是以目前認為是它的最佳實施例的方式說明的，但對於精於此，者而言並不脫離本發明的範圍可以作出種種改變是顯而易見的。因而，附在後面的權利要求意在復蓋這些改變。
權利要求
1.一種雙向直流電水控制器包括一個雙向直流開關(10)電氣地連接在一個連接第一傳輸電力導線(16)的第一接線端(12)，和一個連接第二傳輸電力導線(20)的第二接線端(14)之間；以及一個用於根據控制信號控制所述開關的控制電路；其特徵在於一個第一差分放大器(U2)，它具有一個正輸入端連接到所述第一接線端，一個負輸入端連接到所述第二接線端，和一個輸出端，所述第一差分放大器產生一個第一輸出電壓信號，當在所述第一接線端上的電壓大於所述第二接線端上的電壓時，該輸出電壓信號與所述第一與第二接線端之間的電壓差成正比，而當所述第二接線端上的電壓大於所述第一接線端上的電壓時則為一常量；一個第二差放大器(U3)，它具有一個正輸入端連接到所述第二接線端，一個負輸入端連接到所述第一接線端；和一個輸出端，所述第二差分放大器產生一個第二輸出電壓信號，當所述第二接線端上的電壓大於所述第一接線端上的電壓時該信號與所述第一與第二接線端的電壓差成正比，而當所述第一接線端上的電壓大於所述第二接線端上的電壓時該信號為一常量；以及裝置(R7，R8)用於合
來自所述差分放大器的所述第一與第二輸出電壓信號以生成具有與所述第一與第二接線端上的電壓差的絕對值成正比的值的所述控制信號。
2.權利要求1所描述的雙向直流電力控制器，其進一步特徵在於每一個所述放大器包括一個操作放大器具有一個正輸入端，一個負輸入端和一個輸出端;一個第一電阻(R10)電氣地連接在所述接線端中的一個第一接線端和所述操作放大器的正輸入端之間;一個第二電阻(R9)電氣地連接在所述接線端中的一個第二接線端和所述操作放大器的負輸入端之間;一個第三電阻(R11)電氣地連接在所述操作放大器的輸出端和所述操作放大器的所述輸入端之一之間;一個第四電阻(R12)電氣地連接在所述操作放大器的正輸入端與地之間;以及一個第五電阻(R13)電氣地連接在所述操作放大器的輸出端與地之間。
3.權利要求1中所述的雙向直流電力控制器，其進一步特徵在於一個比較器(54)，具有接收來自所述第一與第二差分放大器的輸出電壓信號的輸入端，並響應所述第一與第二接線端上的相對極性產生一個極性指示邏輯信號。
4.權利要求1中所述的雙向直流電力控制器，其進一步特徵在於所述雙向直流開關包括第一與第二電晶體(Q1，Q2)，各有一個主導電通路和一個控制電極，所述主導電通路在一個第一電路分支中互相電氣地串聯，該電路分支含有一個位於所述電晶體之間的第一連接點(24);第一對二極體(D1，D2)在一個第二分支電路中電氣地反向串聯，該分支電路有一個位於所述二極體之間的第二連接點(26);所述第一與第二電路分支在所述第一與第二接線端之間電氣地相互並聯，以及一個電阻分路(R1)電氣地連接在所述第一與第二連接點之間。
5.權利要求4中所述的雙向直流電力控制器，其進一步特徵在於連接了一個電壓控制時電流源(32)以接受一個指示電流的電壓信號，該信號是由流經所述雙向直流開關的電流跨越所述電阻分路生成的，所述電流源生成一個與所述指示電流的電壓信號成正比的輸出電流;以及連接一個負載電阻(R6)以接收來自所述電流源的所述輸出電流，便與所述雙向直流開關中流過的所述電流成正比的一個第三電壓信號得以跨越所述負載電阻而生成。
6.權利要求5所述的雙向直流電力控制器，其進一步特徵在於所述電壓控制的電流源從連接到所述電阻分路的一端的連接點上接收電力;並且所述電壓控制的電流源進一步包括一個電壓校正設備(CR2)，電氣地連接在所述電阻分路的所述一端與地之間。
全文摘要
為一種雙向直流電力控制器提供了一個連接在一對接線端(12，14)之間的雙向直流開關(10)，該一對接線端是用於連接輸電導線(16，20)的。連接了一對差分放大器(U2，U3)用於接收這兩個接線端上的電壓。每一放大器生成一個輸出電壓信號，當一個接線端上的電壓大於另一個接線端上的電壓時，該電壓信號與這兩個接線端上的電壓之差成正比，而當第二個接線端上的電壓大於(或等於)第一個接線端上的電壓時，該電壓信號為常量。合併差分放大器的輸出以生成一個與接線端上電壓之差的絕對值成正比的控制電壓信號。這一控制信號用於控制雙向直流開關的操作。
文檔編號H03G3/30GK1039665SQ89104469
公開日1990年2月14日 申請日期1989年7月5日 優先權日1988年7月6日
發明者威廉·W·比林斯, 大衛·A·福克斯 申請人:西屋電氣公司