专利名称：高压直流系统中控制直流电弧的高压电子开关及其操作方法
技术领域：
本发明主题总体上涉及高压直流分配和方法，更具体地涉及用于控制直流电弧的高压电子开关和相关方法。
背景技术：
与更常见的交流(AC)系统相反，高压直流(HVDC)电力传输系统使用直流大容量传输电力。HVDC系统可以提供以比AC系统更低的资本成本和更低的损耗远距离传输大量电力的能力。因而，HDVC系统可以允许远离负载中心高效地利用能源。然而，HVDC系统会出现AC系统中不出现的问题。比如，不同于AC系统，HVDC系统电路断路器可能难以建立，因为通常某些机构必须包括在电路断路器中以迫使电流为零，否则电弧放电和接触磨损将太大而不允许可靠切换。
发明内容
本发明构思的一些实施例提供高压直流系统，其包括至少一个插座(outlet);以及与所述至少一个插座关联的电子限流器电路。电子限流器电路配置成在与所述至少一个插座关联的直流总线被通电的情况下，当连接器被插入和/或拔离所述至少一个插座时，限制电流涌入以便不损坏连接器；和/或隔离连接到所述至少一个插座的负载中的直流故障和/或过度电流汲取，从而保护该系统不关闭。在另外实施例中，提供了一种配电单元，其包括所述至少一个插座。在某些实施例中，所述至少一个插座可以是两个或更多个插座，每个插座具有关联的电子限流器电路。在再另外实施例中，电子限流器电路可包括在直流源和负载之间与电感器串联的金属氧化物半导体场效应晶体管(M0SFET)。在某些实施例中，响应于检测到直流故障，MOSFET可以配置成被关断(switch off)并且电感器可以配置成被短路，使得由消除直流故障造成的负载中断时间可以减小。响应于直流故障已被消除的指示，MOSFET可以配置成被接通(switch on)并且可以使电感器不短路。在一些实施例中，MOSFET可以配置成是接通的，直至故障被检测到，并且可以配置成通过将连接器拔离并且将连接器重新插入所述至少一个插座而被复位。在另外实施例中,MOSFET可以配置成在第一电流量阈值被关断以及在低于第一电流量阈值的第二电流量阈值被通电，从而将峰值电流限制为容许直流。在某些实施例中，MOSFET可以配置成针对去饱和而被监测以及在故障被用信号发出之前转变到切换模式持续预定时间段。
在再另外实施例中，MOSFET可以配置成周期性地被关断以迫使电流为零。在某些实施例中，MOSFET可以配置成大约每隔0.1 μ s被关断大约10.0 μ S。在一些实施例中，MOSFET可以配置成保持关断，直至连接器在所述至少一个插座被检测到。在另外实施例中，MOSFET可以配置成周期性地被监测以确定MOSFET是否故障。在某些实施例中，MOSFET可以配置成大约每隔10.0秒至大约每隔1.0分钟被周期性地监测。在再另外实施例中，该系统可以进一步包括直流额定继电器。当MOSFET的故障被检测到时，负载可以利用直流额定继电器被断电。在某些实施例中，该系统可以进一步包括至少一个直流额定熔断器。所述至少一个直流额定熔断器可以与MOSFET串联布置。所述至少一个直流额定熔断器可以是与每对所述至少一个插座/电子限流器电路关联的一对直流额定熔断器。在一些实施例中，MOSFET可以配置成将电流保持在所述至少一个直流额定熔断器的曲线内，从而在MOSFET工作时防止直流熔断器断路(open)。在另外实施例中，该系统可以进一步配置成:监测MOSFET的漏极-源极电压；当漏极-源极电压超过小于去饱和点的预定水平时，估计MOSFET中的电流水平；基于估计的电流水平，响应于所检测的过载，使MOSFET去饱和；触发电流限制突发(burst)持续预定时间，该电流限制突发配置成使得与所述至少一个插座关联的直流熔断器不断路；如果达到该预定时间则关断MOSFET ；以及响应于关断MOSFET将故障用信号发出。在再另外实施例中，该电感器可以为大约2.0 μ H至大约40 μ H。在某些实施例中，电感器可以配置成被短路，并且MOSFET可以配置成在故障被检测到时断路大约1.0至大约
4.0 μ s以使电弧淬灭。在一些实施例中，连接器可以配置成由所述至少一个插座接收，并且可包括受保护的接触，从而在连接器被插入和/或拔离所述至少一个插座时减小对所述接触的损坏。另外实施例提供高压直流系统，其包括具有正和负引线的直流源；以及耦合到直流源的正和/或负引线的电子限流器电路。电子限流器电路包括至少一个开关和至少一个控制电路。电子限流器电路配置成，在与直流源关联的直流总线被通电的情况下，当连接器被插入和/或拔离至少一个插座时，限制电流涌入从而不损坏连接器；和/或隔离连接到所述至少一个插座的负载中的直流故障和/或过度电流汲取，从而保护该系统不关闭。在再另外实施例中，所述至少一个开关可包括第一和第二开关，并且所述至少一个控制电路可包括第一和第二控制电路。第一开关和第一控制电路可以耦合到直流源的正引线。第二开关和第二控制电路可以耦合到直流源的负引线。在一些实施例中，该系统包括与负载串联的至少两个器件。本发明主题的另外实施例提供控制直流高压系统中的电弧的方法。该方法包括:在与插座关联的直流总线被通电的情况下，当器件被插入和/或拔离插座时，限制电流涌入从而不损坏关联的连接器；和/或隔离连接到插座的负载中的直流故障和/或过度电流汲取，从而保护该系统不关闭。
图1为示出依据本发明主题的一些实施例的配电单元(PDU)的顶部部分的图示。
图2为示出依据本发明主题的一些实施例的用于电源架的安装组件的图示。图3为示出依据一些实施例的配电单元(PDU)的缆线端部的图示。图4为示出依据一些实施例附连到电源架的rou的缆线端部的图示。图5为示出依据一些实施例的电子限流器电路的电路图。图6为示出依据一些实施例的电子限流器电路的更详细电路图。图7和8为示出依据一些实施例的直流的错误中断的条件的图示。图9为示出依据一些实施例的电子限流器电路的电路图。图1OA至IOC为示出依据一些实施例的正常电流和电弧故障电流的示例的曲线图。图11为示出依据一些实施例的前置放大器电路的电路图。图12示出这样的电路图，其示出依据一些实施例具有包络检测的2.0kHz和8. OkHz滤波器。图13的框图示出据本发明构思的一些实施例，在DC源的正和负引线上都具有控制电路的一些实施例。图14-16为示出依据一些实施例的高压直流系统的各种操作的流程图。
具体实施例方式现在参考附图描述本发明主题的特定实施例。然而本发明主题当然可以按照许多不同形式实施并且不应解读为限于此处列举的实施例；相反，这些实施例被提供为使得此公开内容将更全面和彻底，并且向本领域技术人员充分传递本发明主题的范围。在图中，相似的附图标记指代相似的元件。将理解，当提到将元件”连接”或”耦合”到另一元件时，该元件可以直接连接或耦合到该另一元件，或者可能存在中间元件。如此处使用的术语”和/或”包括一个或多个相关列出项的任何和全部组合。此处使用的专业术语仅仅是用于描述具体实施例的目的并且不是旨在限制本发明主题。如此处使用的单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非明确地另有说明。还将理解，在此说明书中使用时，术语“包括”、“包含”、“包括有”和/或“包括有”指明存在所阐述的特征、完整物、步骤、操作、元件和/或部件，但是不排除存在或添加一个或多个其它特征、完整物、步骤、操作、元件、部件和/或其群组。除非另外限定，此处使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与本发明主题所属的技术领域的普通技术人员所通常理解的意思相同的意思。还将理解，术语，诸如在通常使用的字典中的那些术语，应被解读为具有与在说明书和相关领域上下文中它们的含义相一致的含义，并且将不在理想化或过于正式的意义上解读，除非此处明确如此限定。本领域技术人员将理解，本发明主题可以实施为系统、方法和计算机程序产品。本发明主题的一些实施例可包括硬件和/或硬件和软件的组合。本发明主题的一些实施例包括电路系统，其配置成提供此处描述的功能。将理解，这种电路系统可包括模拟电路、数字电路以及模拟和数字电路的组合。参考根据本发明主题的各种实施例的系统和方法的框图和/或操作(例如流程图)图示，在下文描述本发明主题的实施例。将理解，框图和/或操作图示的每个方框以及框图和/或操作图示中方框的组合，可以由模拟和/或数字硬件，和/或计算机程序指令来实施。这些计算机程序指令可以被提供到通用计算机、专用计算机、ASIC和/或其它可编程数据处理设备的处理器，使得经由计算机和/或其它可编程数据处理设备的处理器来执行的所述指令形成用于实施在框图和/或操作图示中指定的功能/动作的装置。在一些实施方式中，在图中指出的功能/动作可以不按照框图和/或操作图示中指出的顺序进行。比如，取决于所涉及的功能/动作，被示为连续发生的两个操作实际上可以基本上同时执行，或者所述操作有时可以按相反的顺序执行。如上所述，存在使用高压直流分配(HVDC)而不是交流(AC)电流分配从而提高数据室效率的兴趣。在数据中心中或者在机架(rack)层利用直流(DC)分配可以提供所期望的效率上升。在一些实施例中，机架层实施方式可以在机架中提供AC至DC转换器。DC于是被分配到信息技术(IT)设备。IT设备设计成接收受调节的DC输入。典型地，输出为大约300至大约400V DC。将期望DC分配系统具有与现有AC分配系统相同的附连(attachment)能力。然而，使用DC系统会出现AC系统不出现的问题。如，对于AC故障，电源提供足够的穿越(r i de through )以允许熔断器或电路断路器进行清理(c I ear )并且干线可以提供非常高的故障电流以加速保护元件清理。对于DC分配，故障电流是有限的并且趋于在电源下游得到更少支持。不采用某种类型的故障隔离，DC故障可能通过例如使DC总线陷波而关闭系统。另外，系统操作者典型地期望在总线被通电的同时插入和/或拔出设备的能力，即热插入设备是期望的。在HVDC系统中，如果在HVDC总线被通电的同时设备被插入和/或拔离，涌入和电弧放电可能损坏正常连接器和/或该系统本身。因此，此处讨论的本发明主题的一些实施例提供一种具有热插入能力的HVDC系统。因而，此处讨论的方法和设备提供了中断由热插入连接器形成的DC电弧的能力。另外，如此处进一步参考图1至16所讨论，一些实施例可以在DC故障条件下为所连接的负载提供类似熔断器的保护以及为公共HV总线上的其它负载提供缓冲。首先参考图1，将讨论这样的图示，其示出依据本发明主题的一些实施例的配电单元(PDU)的顶部部分。rouioo设计成为电源架的附件。图1中示出的rouioo的实施例具有4个受保护节段110 (在图1的俯视图中仅仅一个节段110可见)。每个节段110包括四个插座115A、115B、115C和115D。因而，每个I3DUlOO包括四个节段110以及总共16个插座。每个节段110可以具有防触电的2极熔断器托架。将在下文进一步讨论，在一些实施例中每个节段110都可以由直流(DC)额定熔断器保护。在一些实施例中DC额定熔断器可以为20-30A熔断器。在一些实施例中，每个节段中的插座115A至11 可以为安德森电力产品 Saf-D-Grid品牌直流电源插座(receptacle)。将理解，尽管rouioo的实施例如上所讨论为具有4个节段110，每个具有4个插座115A至115D，本发明主题的实施例不限于这种配置。比如，具有比4个更少或更多的插座的比4个更少或更多的节段可以被提供在PDU上，而不背离此处讨论的实施例的范围。利用依据本发明的一些实施例的电子限流器(ECL)电路保护每个节段110的每个插座115A至11 。将在下文参考图5至12进一步讨论有关ECL电路的细节。ECL电路可以配置成在与插座115A-11 关联的直流总线被通电的情况下，当连接器被插入和/或拔离插座115A-11 之一时，限制电流涌入以便不损坏连接器。ECL电路可以进一步或替代地配置成隔离连接到插座的负载中的过度电流汲取和/或直流故障，从而保护该系统不由于DC总线陷波而关闭。隔离直流故障也可以减少其它并联连接的负载的潜在中断。依据一些实施例与ECL电路关联的损耗比较低并且预期为吸收到PDU壳体的热量。在一些实施例中，PDU壳体可以是铝挤压件，其具有锯齿形表面从而增大外表面积以辅助冷却。如图1中所进一步示出，一个或多个器件190、192可以被插入插座115A-115D。具体而言，与器件190、192关联的连接器195、197可以被插入插座115A-115D。在一些实施例中，连接器190、192具有一个或多个接触199、198。在一些实施例中，所述接触可以为受保护的接触，这在下文进一步讨论。如上所述，PDU100设计成为电源架的附件。现在参考图2，将讨论依据本发明主题的一些实施例在电源架201中的示例安装的图示。如图2所示出，电源架201中的空腔205具有底盘安装的安德森电力产品2x5电源插座。存在锁定翼片开口 217，用以辅助固定支架的紧固。该支架可以利用螺丝紧固到底盘。将理解，图2的图示被提供仅仅用于示例性目的，并且因此此处讨论的实施例不限于此处图示的配置。现在参考图3，将讨论示出依据一些实施例的rouioo (图1)的缆线端部的图示。如所示出，柔性导管325利用锁定翼片317连接到固定支架320。在一些实施例中，连接器327可以是2x5阵列的安德森电力产品⑧PP45。将理解，图3的图示被提供仅仅用于示例性目的，并且因此此处讨论的实施例不限于此处图示的配置。现在参考图4，现在将讨论示出依据一些实施例的附连到电源架401的TOU400的缆线端部的图示。安德森电力产品⑧连接器连接到电源插座及其所紧固就位的覆盖板。将理解，图4的图示被提供仅仅用于示例性目的，并且因此此处讨论的实施例不限于此处图示的配置。还将理解，该连接器配置成由插座接收并且包括受保护接触，从而在连接器被插入和/或拔离插座115A至11 之一时减小对所述接触的损坏。现在参考图5，将讨论示出依据一些实施例的ECL电路580的电路图。如图5所示，ECL电路580可包括300至400V高压直流源530、直流继电器535、直流额定熔断器540、12V控制电源550、控制电路565以及用于连接到负载的电感器575和M0SFET568的续流二极管570，该负载由与电容器546并联的电阻器(Rload) 545来示出。ECL电路580的元件如图5所示被连接。将参考图5讨论依据一些实施例的ECL电路580的操作。源530和负载之间的串联的M0SFET568和电感器575配置成提供涌入和电弧控制。在一些实施例中，电感器575为比较小的电感器，比如，电感器可以为大约2.0 μ H至大约40 μ H。在操作期间，当连接器被插入I3DUlOO上的图1的插座115A-11 时，峰值电流可以被限制为容许值。在一些实施例中，为了将峰值电流限制为容许直流，M0SFET568配置成在第一电流量阈值被关断并且在第二电流量阈值被通电，第二电流量阈值低于第一电流量阈值。M0SFET568配置成针对去饱和被监测，并且可以在故障被用信号发出以及M0SFET568被关断之前，转变到切换模式持续预定时间阶段。在一些实施例中，M0SFET568可以配置成周期性地被关断以迫使电流为零，从而消除任何直流电弧。该中断可以以低占空比持续短的时间段。比如，M0SFET568可以配置成大约每隔大约0.1s被关断大约10.0 μ S。这种简短中断几乎在电弧开始就消除该电弧。这种简短中断可能产生的问题为，每次中断发生时，电感器575都可能需要被放电和重新充电。在图7中示出这样的图示，其示出强迫断开直流的结果。用于控制电流的电感器575越大，则需要更长的中断时间来迫使电流为零。为了应对高电感，在一些实施例中，电感器575可以配置成在电流中断期间被短路。因而，电流将继续在电感器绕组中流动并且电感器575的值将下降，因而仅仅漏电流将被充电和放电，如图8所示出。在中断之后，电感器将不短路。现在参考图6，将讨论示出依据一些实施例的ECL电路的更详细电路图。相似的附图标记在说明书中始终指代相似的元件，因此为了简化起见将不重复有关相似元件的细节。因此，将参考图6讨论控制部665的细节。在一些实施例中，M0SFET668可以保持关断，直至在插座115A-115D中检测到连接器。插座中存在连接器可以利用许多检测方法来检测。比如，连接器可以配置成包括用于指示插座中存在连接器的机械特征。在一些实施例中，连接器可包括引脚，该引脚被特别指定为指不插座中存在连接器。在另外实施例中，连接器可包括另外的连接，所述另外的连接将最后配对(mate-last)以及首先断开，从而分别指示连接器何时插入或拔离插座。比如，最后配对/首先断开的引脚可以连接到控制电路665的引脚P。当连接器被检测到被拔离时，比如当所述另外的最后配对/首先断开的连接被断开时，这将向M0SFET668发出信号从而将其关断。在一些实施例中，M0SFET668配置成周期性地被监测以确定MOSFET是否故障。t匕如，M0SFET668可以配置成大约每隔10. O秒至大约每隔1. O分钟被周期性地监测。如果确定M0SFET668故障，可以利用直流额定继电器635将负载断电。过电流保护可以由与M0SFET668串联的至少一个直流额定熔断器640提供。在涌入限制和故障期间电流的持续时间和量值可以利用直流额定熔断器640来调整。在一些实施例中，M0SFET668配置成将电流保持在所述至少一个直流额定熔断器的曲线内，以防止在MOSFET操作时直流熔断器断开。尽管图5和6的ECL电路580、680分别包括正接地DC电源，本发明的实施例不限于这种配置。比如，可以对部件进行适当的重新布置而利用负接地DC电源来实现该ECL电路，而不背离本发明主题的范围。尽管参考单个电子限制器电路，即DC源530、630的正引线被接地来讨论本发明的实施例，但是将理解，本发明的实施例不限于这种配置。具体而言，在比如图5和6示出的实施例中，如此处所讨论，仅仅需要一个开关保护负载免受DC电弧。然而，当接地点被移除或移动到另一位置时，在DC源530、630的正和负引线上都需要开关。因而，在比如图13示出的这些实施例中，开关1367、续流二极管1369、电感器1371和控制电路1365也被提供，耦合到DC源1330的正引线。将理解，图13中示出的配置被提供仅仅用于示例性目的并且各实施例不限于这种配置。因此，依据本发明的实施例，连接到DC源1330的两个或更多个负载(器件)可以被保护免受DC电弧。 再次参考图6，在一些实施例中，可以利用电阻器RS655提供电流检测。以此方式使用电阻器655可以增大瓦特数并且可以有效地被监测Q1M0SFET668的漏极-源极电压所替代。比如，当漏极-源极电压超过小于去饱和点的预定水平时，M0SFET668的漏极-源极电压可以被监测并且M0SFET668中的电流水平可以被估计。可以利用控制电路665的引脚D来监测去饱和。基于估计的电流水平，响应于所检测的过载，可以使M0SFET668去饱和。可以触发电流限制突发持续预定时间，该电流限制突发配置成使得与插座关联的直流熔断器不断路。如果达到该预定时间，M0SFET668可以关断，并且响应于关断M0SFET668，故障可以被用信号发出。现在参考图9，将讨论示出依据一些实施例的ECL电路990的电路图。如上所述，ECL电路配置成将电流涌入限制为可预测的值，并且隔离连接到插座的负载中的任何故障或过度电流汲取。这也可以减小如下情况的可能性或者有可能防止如下情况:负载故障使DC总线陷波以及其它并联连接负载的可能中断。因而，由于高压直流系统中清理熔断器或电路断路器的时间以及有限的故障电流，ECL电路是需要的。如果没有由ECL电路提供的故障隔离，故障可能通过使DC总线陷波而关闭系统。如上所述，PDU上的每个插座具有关联的ECL电路990。每个PDU可以具有多个节段，比如4个，并且每个节段可以具有多个插座，比如4个。在一些实施例中，插座可以是安德森电力产品 Saf-D-Grid品牌直流电源插座并且连接器可以是配置成插入该插座的Saf-D-Grid连接器927。ECL电路可以配置成像电路断路器那样工作。如上所述，ECL利用与电感器串联的MOSFET响应于MOSFET的去饱和(DS)来提供电流限制。ECL电路也可以配置成针对DC电弧故障而监测负载并且将它们断开。图9的ECL电路的控制电路965包括复位输入(RS)。当电路由于电弧故障或过电流而跳闸时，RS输入配置成指示该负载仍被附连。一旦负载移除，电路将通过闭合或接通MOSFET而复位。如图9中进一步示出，控制电路965进一步包括DESAT (DS)输入。当DESAT输入检测到漏极-源极电压上升到大约0.3V时，栅极驱动被关断持续大约10.0us并且闭合(栅极驱动接通)。栅极驱动接通之后的消隐时间为大约100ns。DESAT重复率大于COUNT=IO,LATCH OFF (锁存器关闭)。向下计数为每秒I个计数并且在零停止。当RS指示负载被移除时，LATCH OFF将被清除。如图9进一步示出，图9的控制电路965进一步包括ARC FAULT (电弧故障，AF)输入。在一些实施例中，直流电弧可以从MOSFET的Rdsm测量。它可以AC耦合到增益级，被有源带通滤波、整流以及包络检测并且最终耦合到阈值比较器。频率可包括大约5.0kHz至大约15.0kHz并且15db来自背景。将理解，可以存在来自电力转换器的、量值使该电路跳闸的多个单独的频率，但是该电路可以配置成区分正常频率和电弧故障从而防止系统的错误跳闸。如上所述，在一些实施例中电感器被短路。图9的控制电路包括L-短路输入。电感器配置成控制电流的上升率。电感器的并联绕组在某些条件下可以被短路以减小电感器的表观值。比如，响应于电弧故障(AF)，电感器绕组可以被短路并且主要MOSFET可以被断开持续大约1.0至大约4.0 μ S，从而使电弧淬灭。在该时间段结束时，MOSFET被闭合并且电感器绕组上的短路被移除。如果检测到电弧故障，则MOSFET被断开并且随后系统等待负载移除。将讨论有关本发明主题的特定实施例的细节，然而将理解，本发明的实施例不限于这种配置。此处讨论的一些实施例使用低引脚数Pic⑧闪存微控制器，比如PIC16F690 ；轨至轨输入和输出电压反馈放大器，诸如LMH6646 ；以及M0SFETS (主要)，诸如ST部件STY112N65M5 或 STW77N65M5。
如上所述，每个节段存在4个电路并且每个电路具有M0SFET、电感器和输出电源插座。MOSFET是绝缘的并且PDU壳体是散热器。电感器是封装且绝缘的并且PDU壳体是散热器。PDU壳体在外部可以是锯齿形的从而增大表面积。在一些实施例中，每个节段可以由一对DC额定熔断器保护，所述DC额定熔断器比如为 Fuseholder Ferraz Shawmut 类型 USM2 (2 极,用于 Midgetl_l/2〃xl3/32〃DC 额定溶断器)，诸如ATM20或ATM30。每个部分利用单独的10条AWG导线往回连线到电源架。用于控制电路的电力可以从电源架供应或者本地得到，而不背离本发明主题的范围。本发明的
一些实施例使用柔性金属导管。现在参考图1OA至IOC说明这样的曲线图，其示出依据一些实施例的正常电流和电弧故障电流。注意故障的宽带性质以及来自DC总线上的逆变器或转换器的窄带噪声的可能性。存在系列的电弧故障，其中电弧电压将减小负载看到的电压。如果负载为恒定电流，电流将上升。频谱将是宽带的。为了辨认电弧标记，选择了低于15kHz的两个频率范围，2kHz和8kHz。在两个范围中必须都存在信号来宣称电弧故障(系列)。并行电弧故障将造成电流显著增大。MOSFET器件将最可能去饱和。过电流必须被定性为电弧故障并且不对负载电容器充电。对负载电容器充电将造成MOSFET去饱和持续有限时间段。电弧故障将或者是断续的或者持续超过对负载电容器充电的时间。MOSFET的断续的去饱和将通过下述来解决将去饱和事件计数到最大值并且如果未达到最大值则非常缓慢地向下计数，比如20个计数的最大值并且每秒向下计数I个计数。图11为示出依据一些实施例的前置放大器电路的电路图。O. 01欧姆检测电阻器可以为MOSFET的Rdson。当MOSFET处于切换模式时，输入可能需要保护。因为存在与负载和电弧噪声串联的电感器，将会在Rdson看到的电弧噪声可以通过仿真来估计。图12为示出电路图的图示，所述电路图示出依据一些实施例的具有包络检测的
2.OkHz和8. OkHz滤波器。两个滤波器输出都将到微控制器(PIC)，分别到达电平阈值比较器电路。两个滤波器上的真实输出是用于电弧故障动作的标准。现在参考图14至16的流程图讨论依据本发明主题的一些实施例的ECL电路的操作。首先参考图14，操作在方框1400通过下述开始在与插座关联的直流总线被通电的情况下，当器件被插入和/或拔离插座时，限制电流涌入从而不损坏关联的连接器。连接到插座的负载中的直流故障和/或过度电流汲取被隔离，从而保护该系统不关闭(方框1420)。现在参考图15，操作通过确定是否出现直流故障(方框1550)而开始。如果确定没有出现直流故障(方框150)，则操作保留在方框1550直至直流故障被检测到。如果确定出现直流故障(方框1550)，操作进行到方框1560，在该方框处在直流源和负载之间与电感器串联的MOSFET被关断并且电感器被短路从而减小由于消除检测到的直流故障造成的负载中断时间。随后确定直流故障是否已被消除(方框1570)。如果故障未被消除，操作保留在方框1560直至确定故障已被消除(方框1570)。另一方面，如果确定故障已被消除(方框1570)，操作进行到方框1580，在该方框处MOSFET再次被接通并且使电感器不短路。因此，在故障被清理的同时，负载的中断可以被减少。现在参考图16，操作在方框1665通过监测MOSFET的漏极-源极电压而开始。确定漏极-源极电压是否超过小于去饱和点的预定水平(方框1667)。如果确定未超过阈值(方框1667),操作保留在方框1665直至确定超过阈值(方框1667)。如果确定超过阈值，MOSFET中的电流水平被估计(方框1675)。基于估计的电流水平，响应于所检测的过载，使MOSFET去饱和(方框1677)。触发电流限制突发持续预定时间，该电流限制突发配置成使得与所述至少一个插座关联的直流熔断器不断路(方框1685)。确定是否达到预定时间(方框1687)。如果确定未达到预定时间(方框1687),操作保留在方框1685直至确定已经达到预定时间(方框1687)。如果确定已经达到预定时间，MOSFET被关断(方框1695)并且响应于此，故障被用信号发出(方框1697)。在图和说明书中已经公开了本发明主题的示例性实施例。尽管采用了特定的术语，所述术语在通用和描述性的意义上被使用，并且不是用于限制的目的，本发明主题的范围由下述权利要求限定。
权利要求
1.一种高压直流系统，包括: 至少一个插座(115A、115B、115C、l15D);以及 与所述至少一个插座(115A、115B、115C、l15D)关联的电子限流器电路(580、680、990)，该电子限流器电路(580、680、990)配置成: 在与所述至少一个插座(115八、1158、115c:、115D)关联的直流总线(530、630)被通电的情况下，当连接器(195、197、927)被插入和/或拔离所述至少一个插座(115A、115B、115C、115D)时，限制电流涌入以便不损坏连接器(195、197、927);和/或 隔离连接到所述至少一个插座(1 15A、115B、115C、115D)的负载中的直流故障和/或过度电流汲取，从而保护该系统不关闭。
2.权利要求1的高压直流系统，还包括配电单元(100，400)，该配电单元包括所述至少一个插座(115a、115b、115c、115D)。
3.权利要求2的高压直流系统，其中所述至少一个插座(115A、115b、115C、115d)包括两个或更多个插座(115A、115b、115C、115d)每个插座具有关联的电子限流器电路(580、680、990)。
4.权利要求1的高压直流系统，其中电子限流器电路(580、680、990)包括在直流源(530、630)和负载之间与电感器(575、675)串联的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET) (568、668)。
5.权利要求4的高压直流系统，其中，响应于检测到直流故障，MOSFET(568、668)配置成被关断并且电感器(575、675)配置成被短路，使得由于消除直流故障造成的负载中断时间可以减少。
6.权利要求5的高压直流系统，其中，响应于直流故障已被消除的指示，MOSFET(568、668)配置成被接通并且使电感器(575、675)不短路。
7.权利要求4的高压直流系统，其中MOSFET(568、668)配置成是接通的，直至故障被检测到，并且其中MOSFET (568、668)配置成通过将连接器(195、197、927)拔离以及将连接器(195、197、927)重新插入所述至少一个插座(115A、115B、115C、115D)而被复位。
8.权利要求4的高压直流系统，其中MOSFET(568、668)配置成在第一电流量阈值被关断，以及在低于第一电流量阈值的第二电流量阈值被通电，以便将峰值电流限制为容许直流。
9.权利要求8的高压直流系统，其中MOSFET(568,668)配置成针对去饱和被监测，以及在故障被用信号发出之前转变到切换模式持续预定时间段。
10.权利要求6的高压直流系统，其中MOSFET(568、668)配置成周期性地被关断以迫使电流为零。
11.权利要求10的高压直流系统，其中MOSFET(568,668)配置成大约每隔0.1 μ s被关断大约10.0 μ S。
12.权利要求6的高压直流系统，其中MOSFET(568、668)配置成保持关断，直至在所述至少一个插座(115Α、115Β、115C、115D)中检测到连接器(195、197、927)。
13.权利要求4的高压直流系统，其中MOSFET(568、668)配置成被周期性地监测以确定 MOSFET (568、668)是否故障。
14.权利要求13的高压直流系统，其中MOSFET(568,668)配置成大约每隔10.0秒至大约每隔1.0分钟被周期性地监测。
15.权利要求13的高压直流系统，还包括直流额定继电器(535，635)，其中当MOSFET(568,668)的故障被检测到时，利用直流额定继电器(535，635)将负载断电。
16.权利要求15的高压直流系统，还包括至少一个直流额定熔断器(540、640)，所述至少一个直流额定熔断器(540、640)与MOSFET (568,668)串联布置。
17.权利要求16的高压直流系统，其中所述至少一个直流额定熔断器(540、640)包括与每个所述至少一个插座(115A、115B、115C、115D) /电子限流器电路(580、680、990)对关联的一对直流额定熔断器(540、640)。
18.权利要求16的高压直流系统，其中MOSFET(568、668)配置成将电流保持在所述至少一个直流额定熔断器(540、640)的曲线内，从而防止在MOSFET (568、668)操作时直流熔断器(540、640)断路。
19.权利要求4的高压直流系统，其中该系统进一步配置成: 监测MOSFET (568、668)的漏极-源极电压； 当漏极-源极电压超过小于去饱和点的预定水平时，估计MOSFET (568、668)中的电流水平； 基于估计的电流水平，响应于检测到的过载，使MOSFET (568、668)去饱和； 触发电流限制突发持续预定时间，该电流限制突发配置成使得与所述至少一个插座(115A、115B、115C、115D)关联的直流熔断器(540、640)不断路； 如果达到该预定时间则关断MOSFET (568、668);以及 响应于关断MOSFET (568、668)将故障用信号发出。
20.权利要求4的高压直流系统，其中电感器(575、675)为大约2.0 μ H至大约40 μ H。
21.权利要求20的高压直流系统，其中在故障被检测到时，电感器(575、675)配置成被短路，并且MOSFET (568,668)配置成断路大约1.0至大约4.0 μ S，以淬灭电弧。
22.权利要求1的高压直流系统，其中连接器(195、197、927)配置成由所述至少一个插座(115A、115B、115C、liro)接收，并且包括受保护的接触(198、199)，从而在连接器(195、197、927)被插入和/或拔离所述至少一个插座(115八、1158、115(:、11^))时减小对所述接触(198、199)的损坏。
23.—种高压直流系统，该系统包括: 直流源(530、630)，其具有正和负引线；以及 电子限流器电路(580、680、990)，其耦合到直流源(530、630)的正和/或负引线，并且包括至少一个开关(1367)和至少一个控制电路(565、665、965、1365)，该电子限流器电路(580,680,990)配置成: 在与直流源(530、630)关联的直流总线被通电的情况下，当连接器(195、197、927)被插入和/或拔离至少一个插座(115A、115B、115C、liro)时，限制电流涌入以便不损坏连接器(195、197、927);和 / 或 隔离连接到所述至少一个插座(I 15A、115B、115C、I MD)的负载中的直流故障和/或过度电流汲取，从而保护该系统不关闭。
24.权利要求21的高压直流系统: 其中所述至少一个开关 (1367)包括第一和第二开关，并且所述至少一个控制电路(565、665、965、1365)包括第一和第二控制电路； 其中第一开关和第一控制电路耦合到直流源的正引线；并且 其中第二开关和第二控制电路耦合到直流源的负引线。
25.权利要求24的高压直流系统，其中该系统包括与负载串联的至少两个器件。
26.使用电子限流器电路(580、680、990)控制直流高压系统中的电弧的方法，该方法包括: 在与至少一个插座关联的直流总线(530、630)被通电的情况下，当至少一个器件(190、192 )被插入和/或拔离所述至少一个插座(115A、115B、115C、I MD)时，限制电流涌入以便不损坏关联的连接器(195、197、927);和/或 隔离连接到所述至少一个插座(I 15A、115B、115C、I MD)的负载中的直流故障和/或过度电流汲取，从而保护该系统不关闭。
27.权利要求26的方法，还包括: 检测直流故障；以及 响应于检测到的直流故障，将在直流源(530、630)和负载之间与电感器(575、675)串联的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET) (568、668)关断并且使电感器(575、675)短路，以便减少由于消除检测到的直流故障造成的负载中断时间。
28.权利要求27的方法，还包括: 检测到直流故障已被消除；以及 响应于检测到直流故障已被消除，接通MOSFET (568、668)并且使电感器(575、675)不短路。
29.权利要求26的方法，还包括周期性地监测电子限流器电路(580、680、990)的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET) (568,668),以确定MOSFET (568,668)是否故障。
30.权利要求29的方法，其中监测MOSFET(568,668)包括大约每隔10.0秒到大约每隔1.0分钟周期性地监测MOSFET (568、668)。
31.权利要求29的方法，还包括: 检测MOSFET (568、668)的故障；以及 当MOSFET (568,668)的故障被检测到时，将负载断电。
32.权利要求26的方法，还包括: 监测MOSFET (568、668)的漏极-源极电压； 当漏极-源极电压超过小于去饱和点的预定水平时，估计MOSFET (568、668)中的电流水平； 基于估计的电流水平，响应于所检测的过载，使MOSFET (568、668)去饱和； 触发电流限制突发持续预定时间，该电流限制突发配置成使得与所述至少一个插座(115A、115B、115C、115D)关联的直流熔断器(540、640)不断路； 如果达到该预定时间则关断MOSFET (568、668);以及 响应于关断MOSFET (568、668)，将故障用信号发出。
全文摘要
本发明涉及高压直流系统中控制直流电弧的高压电子开关及其操作方法。提供了高压直流系统，其包括一个或多个插座(115)以及与一个或多个插座关联的电子限流器电路。该电子限流器电路配置成在与一个或多个插座关联的直流总线被通电的情况下，当连接器(195、197)被插入和/或拔离一个或多个插座时，限制电流涌入从而不损坏连接器；和/或隔离连接到一个或多个插座的负载中的直流故障和/或过度电流汲取，从而保护该系统不关闭。
文档编号H02H9/00GK103081270SQ201180041905
公开日2013年5月1日 申请日期2011年8月30日 优先权日2010年8月31日
发明者R·W·小约翰逊 申请人:伊顿公司