双芯击穿保护电感器拓扑的制作方法

1.本公开总体上涉及针对暴露于击穿电流尖峰的电路的击穿电流故障保护电路。


背景技术：

2.电路(诸如，在卫星和航天器中使用的那些电路)包括许多不同电力要求。从dc转换到ac、从dc转换到dc以及许多其他标准电力系统实现涉及利用多个串联布置的晶体管的桥接电路，诸如h桥电路，该多个串联布置的晶体管被交替地接通以提供适当的电力转换。暴露于在空间应用中更普遍的某些状况可能导致电路内的一个或多个开关的不期望闭合。当闭合的开关导致正端子串联连接到负端子时，短路发生并且电流方面的快速增加将产生。该状况被称作击穿事件。
3.在一些情况下，快速电流增加可能使经过开关或其他电子器件的电流超过额定电流电平，并且电子器件可能被损坏或毁坏。进一步地，由于电流在击穿事件中上升的速度，反应式的(即，仅在事件被检测到之后活动的)现有保护系统可能太慢而不能在一些事件期间提供充足保护。


技术实现要素：

4.在一个示例性实施例中，一种击穿保护电路包括：第一开关，连接到正总线且经由第一电气路径连接到第一中心节点；第二开关，连接到负总线且经由第二电气路径连接到所述第一中心节点；迂回第三电气路径，将所述第一中心节点连接到第一负载输出；第一磁芯，围绕所述第一电气路径和所述迂回第三电气路径；第二磁芯，围绕所述第二电气路径和所述迂回第三电气路径，并且其中所述第一电气路径和所述第二电气路径中的一个的极性与所述第一磁芯和所述第二磁芯中对应的一个内的迂回第三电气路径的极性一致，并且所述第一电气路径和所述第二电气路径中的另一个的极性与所述第一磁芯和所述第二磁芯中对应的一个内的迂回第三电气路径的极性相反。
5.上面描述的击穿保护电路的另一示例进一步包括：第三开关，连接到所述正总线且经由第四电气路径连接到第二中心节点；第四开关，连接到所述负总线且经由第五电气路径连接到所述第二中心节点；迂回第六电气路径，将所述第二中心节点连接到第二负载输出；所述第一磁芯，围绕所述第四电气路径和所述迂回第六电气路径；所述第二磁芯，围绕所述第五电气路径和所述迂回第六电气路径，并且其中所述第四电气路径和所述第五电气路径中的一个的极性与所述第一磁芯和所述第二磁芯中对应的一个内的迂回第六电气路径的极性一致，并且所述第四电气路径和所述第五电气路径中的另一个的极性与所述第一磁芯和所述第二磁芯中对应的一个内的迂回第六电气路径的极性相反。
6.在上面描述的击穿保护电路中的任一个的另一示例中，所述第一电气路径的极性与所述第一磁芯中的迂回第三电气路径的极性一致，并且所述第四电气路径的极性与所述第一磁芯中的迂回第六电气路径的极性相反。
7.在上面描述的击穿保护电路中的任一个的另一示例中，所述第二电气路径的极性
与所述第二磁芯中的迂回第三电气路径的极性相反，并且其中所述第五电气路径的极性与所述第二磁芯中的迂回第六电气路径的极性一致。
8.在上面描述的击穿保护电路中的任一个的另一示例中，所述第一、第二、第三和第四开关连接作为h桥拓扑。
9.在上面描述的击穿保护电路中的任一个的另一示例中，所述电路的特征在于缺少零伏开关(zvs)电感器。
10.在上面描述的击穿保护电路中的任一个的另一示例中，所述第一和第二开关中的至少一个包括电压尖峰缓冲器(snubber)。
11.在上面描述的击穿保护电路中的任一个的另一示例中，所述第一和第二开关中的至少一个缺少电压尖峰缓冲器。
12.在上面描述的击穿保护电路中的任一个的另一示例中，所述第一开关和所述第二开关中的每一个是场效应晶体管(fet)。
13.在上面描述的击穿保护电路中的任一个的另一示例中，所述第一开关和所述第二开关被布置为半桥拓扑。
14.一种用于减轻击穿事件的示例性方法包括：经由第一电气路径将第一开关连接到中心节点；经由第二电气路径将第二开关连接到所述中心节点；经由迂回第三电气路径将所述中心节点连接到负载；使所述第一电气路径和所述迂回第三电气路径经过第一磁芯；使所述第二电气路径和所述迂回第三电气路径经过第二磁芯，并且其中所述第一电气路径与所述第一磁芯内的迂回第三电气路径一致，并且所述第二电气路径的极性与所述第二磁芯内的迂回第三电气路径相反。
15.上面描述的用于减轻击穿事件的方法的另一示例进一步包括：经由第四电气路径将第三开关连接到第二中心节点；经由第五电气路径将第四开关连接到所述第二中心节点；经由迂回第六电气路径将所述第二中心节点连接到所述负载；使所述第四电气路径和所述迂回第六电气路径经过所述第一磁芯；使所述第五电气路径和所述迂回第六电气路径经过所述第二磁芯，并且其中所述第四电气路径的极性与所述第一磁芯内的迂回第六电气路径的极性相反，并且其中所述第五电气路径的极性与所述第二磁芯内的迂回第六电气路径一致。
16.在上面描述的用于减轻击穿事件的方法中的任一个的另一示例中，所述第一开关和所述第二开关是场效应晶体管。
17.上面描述的用于减轻击穿事件的方法中的任一个的另一示例进一步包括：使用所述第一开关和所述第二开关中的每一个的体二极管来缓冲零电压开关电压。
18.可以从以下说明书和附图最佳地理解本发明的这些和其他特征，以下是附图的简要描述。
附图说明
19.图1图示了示例性现有技术h桥开关电路拓扑。
20.图2示意性地图示了示例性双芯击穿保护电感器h桥整流器拓扑。
21.图3示意性地图示了示例性双芯击穿保护半桥整流器拓扑。
具体实施方式
22.图1示意性地图示了根据现有电路设计的示例性h桥拓扑10。h桥10包括：四个晶体管22、24、26、28，具有串联布置的两个晶体管22、24的第一集合、串联布置的两个晶体管26、28的第二集合。电感器30跨节点40、42而连接，节点40、42连接晶体管22、24、26、28的每个集合。电感器30创建到变压器50的电磁连接，并且控制器60控制晶体管22、24、26、28的操作，从而防止任何集合中的两个晶体管同时闭合。晶体管22、24、26、28的每个集合的正和负端子连接到对应dc总线的正和负端子。控制器60根据已知h桥控制原理来进行操作，以将电力提供给配电系统。电感器30还操作为零电压开关(zvs)电感器并减轻击穿事件。
23.在正常操作期间，晶体管22、24、26、28被控制器60交替地切换，以提供跨40和42的正确电力输出。由于晶体管的半导体构造，暴露于辐射或电磁脉冲可能超控控制信号输入并将晶体管22、24、26、28强制到闭合(可替换地，被称作击穿)状态。当晶体管的给定集合中的全部两个晶体管22、24或26、28或者全部两个集合同时在闭合状态中操作时，短路发生，从而直接连接正和负端子。短路导致到可烧尽所连接的电路或晶体管22、24、26、28自身的高电流电平的快速电流斜坡(di/dt)，从而导致不可恢复的失效状态。
24.大多数地面应用未被预期暴露于可能导致上面描述的失效状态的类型的危险。然而，诸如卫星、空间站和类似系统之类的空间应用暴露于辐射尖峰，其可能导致贯穿辐射尖峰的持续时间的上面描述的失效状态。类似地，被预期暴露于相当数量的辐射或电磁脉冲的地面应用可能经历相同或类似失效状态。在全部两种情况下，当h桥中的晶体管暴露于事件时，晶体管可能被强制闭合(击穿)直到该事件完全过去。
25.继续参考图1的通用h桥配置，并且其中相似附图标记指示相似元件，图2示意性地图示了h桥配置100，包括被配置成保护免于上面描述的失效状态的双芯击穿保护电感器布置。如传统h桥10一样，图2的h桥100包括晶体管122、124、126、128的两个集合，其中每个集合是串联布置的且经由电气路径182、184、186、188连接到对应中心节点对140、142。晶体管122、124和126、128集合中的每一个将正端子连接到负端子。现有技术中的连接节点140、142的零电压开关电感器30被省略(在图2中以虚线形式图示省略)且被替换为在双击穿保护配置中布置的一对磁芯132、134。所图示的方向箭头指示正常操作期间的示例性瞬时电流流动。
26.节点140、142中的每一个经由对应迂回电气路径170、172连接到负载190的端子。如本文所使用，电气路径指代将电气部件与最小或可忽略阻抗相连接的任何组合电线、电路迹线或其他电流路径。每个迂回电气路径170、172与双磁芯132、134缠绕，使得随着电气路径170、172经过芯132、134中的一个，电气路径170、172与对应晶体管122、124、126、128的极性一致，并且随着电气路径170、172经过芯132、134中的另一个，电气路径170、172与对应晶体管122、124、126、128的极性相反。如本文所使用，极性一致指代电流流动的预期方向匹配，并且相反极性指代电流流动的预期方向相反。
27.电气路径170、172被配置成使得在芯132、134中的每一个中，一个电气路径170、172与对应电气路径182、184、186、188的极性匹配，并且一个电气路径170、172与对应电气路径182、184、186、188的极性相反。在正常操作期间，该配置导致来自芯132、134的通量中的大多数抵消掉，且允许芯132、134代替传统h桥10(参见图1)的零电压开关电感器130进行操作。正常操作包括重复晶体管122、124、126、128切换，并且每次切换导致负电压尖峰。在
一些示例中，体二极管180被充分确定大小、与未抵消的通量组合，以紧固由于切换所致的负电压尖峰，并且不要求附加电路。在可替换示例中，预期负电压尖峰可能超过晶体管体二极管180的能力，并且电压缓冲器电路被包括。电压缓冲器电路可以是能够处置由于切换而出现的电压尖峰的预期量值的任何可用电压缓冲器电路，且可以连接到任何已知缓冲配置。
28.当辐射事件或者使所有晶体管122、124、126、128在闭合(击穿)状态中操作的任何其他事件发生时，正节点中的每一个直接连接到对应负节点，并且所有电流在正到负的相同方向上经过芯132、134。针对击穿事件的持续时间的电流流动的一致极性在芯132、134中生成一致通量，并且不存在通量抵消。由此，经过芯132、134的线170、172的电感限制电流能够增加的速率。受限制的电流增加允许晶体管以及连接到正和负端子的任何电气部件幸存度过击穿事件，直到控制器或其他保护系统关断所有晶体管122、124、126、128。在击穿事件完成之后，控制器或其他保护系统可以重置晶体管122、124、126、128，从而允许晶体管122、124、126、128返回到标准操作。在其中击穿事件的持续时间充分短的可替换的发生中，晶体管122、124、126、128可以立即返回到标准操作，并且不要求保护电路重置。
29.继续参考图1和2，图3示意性地图示了将双芯击穿保护电感器配置应用于半桥配置200。本领域技术人员应当领会，本文包括的教导可以被外推到三相桥和任何其他类似电路。半桥配置200包括：两个晶体管222、224，被串联布置且经由第一电气路径282和第二电气路径284连接到中心节点240。节点240经由在相反方向上经过芯230、232的迂回电气路径270连接到地。如h桥100示例一样，经过芯230、232的电流流动使由于通量所致的大多数但不是所有电感以及剩余电感功能无效，以替代传统半桥中的会将节点240连接到地241的电感器。
30.尽管上面关于利用晶体管开关元件的h桥拓扑和半桥拓扑加以描述，但上面关于图2和3图示和描述的双芯击穿电感器配置可以被扩展到受制于潜在损坏击穿事件的任何开关布置，包括但不限于电机驱动器、其他半导体开关类型和/或其他类型的场效应晶体管(fet)。
31.应当进一步理解，上面描述的构思中的任一个可以是单独使用的或与其他上面描述的构思中的任一个或全部组合使用的。尽管已经公开了本发明的实施例，但本领域技术人员应当认识到，某些修改将落在本发明的范围内。出于该原因，应当研究所附权利要求书以确定本发明的真实范围和内容。

技术特征：
1.一种击穿保护电路，包括：第一开关，连接到正总线且经由第一电气路径连接到第一中心节点；第二开关，连接到负总线且经由第二电气路径连接到所述第一中心节点；迂回第三电气路径，将所述第一中心节点连接到第一负载输出；第一磁芯，围绕所述第一电气路径和所述迂回第三电气路径；第二磁芯，围绕所述第二电气路径和所述迂回第三电气路径；并且其中所述第一电气路径和所述第二电气路径中的一个的极性与所述第一磁芯和所述第二磁芯中对应的一个内的迂回第三电气路径的极性一致，并且所述第一电气路径和所述第二电气路径中的另一个的极性与所述第一磁芯和所述第二磁芯中对应的一个内的迂回第三电气路径的极性相反。2.如权利要求1所述的击穿保护电路，进一步包括：第三开关，连接到所述正总线且经由第四电气路径连接到第二中心节点；第四开关，连接到所述负总线且经由第五电气路径连接到所述第二中心节点；迂回第六电气路径，将所述第二中心节点连接到第二负载输出；所述第一磁芯，围绕所述第四电气路径和所述迂回第六电气路径；所述第二磁芯，围绕所述第五电气路径和所述迂回第六电气路径；并且其中所述第四电气路径和所述第五电气路径中的一个的极性与所述第一磁芯和所述第二磁芯中对应的一个内的迂回第六电气路径的极性一致，并且所述第四电气路径和所述第五电气路径中的另一个的极性与所述第一磁芯和所述第二磁芯中对应的一个内的迂回第六电气路径的极性相反。3.如权利要求2所述的击穿保护电路，其中所述第一电气路径的极性与所述第一磁芯中的迂回第三电气路径的极性一致，并且所述第四电气路径的极性与所述第一磁芯中的迂回第六电气路径的极性相反。4.如权利要求3所述的击穿保护电路，其中所述第二电气路径的极性与所述第二磁芯中的迂回第三电气路径的极性相反，并且其中所述第五电气路径的极性与所述第二磁芯中的迂回第六电气路径的极性一致。5.如权利要求2所述的击穿保护电路，其中所述第一、第二、第三和第四开关连接作为h桥拓扑。6.如权利要求1所述的击穿保护电路，其中所述电路的特征在于缺少零伏开关(zvs)电感器。7.如权利要求1所述的击穿保护电路，其中所述第一和第二开关中的至少一个包括电压尖峰缓冲器。8.如权利要求1所述的击穿保护电路，其中所述第一和第二开关中的至少一个缺少电压尖峰缓冲器。9.如权利要求1所述的击穿保护电路，其中所述第一开关和所述第二开关中的每一个是场效应晶体管(fet)。10.如权利要求1所述的击穿保护电路，其中所述第一开关和所述第二开关被布置为半桥拓扑。11.一种用于减轻击穿事件的方法，包括：
经由第一电气路径将第一开关连接到中心节点，经由第二电气路径将第二开关连接到所述中心节点；经由迂回第三电气路径将所述中心节点连接到负载；使所述第一电气路径和所述迂回第三电气路径经过第一磁芯；使所述第二电气路径和所述迂回第三电气路径经过第二磁芯；并且其中所述第一电气路径与所述第一磁芯内的迂回第三电气路径一致，并且所述第二电气路径的极性与所述第二磁芯内的迂回第三电气路径相反。12.如权利要求11所述的方法，进一步包括：经由第四电气路径将第三开关连接到第二中心节点，经由第五电气路径将第四开关连接到所述第二中心节点；经由迂回第六电气路径将所述第二中心节点连接到所述负载；使所述第四电气路径和所述迂回第六电气路径经过所述第一磁芯；使所述第五电气路径和所述迂回第六电气路径经过所述第二磁芯；并且其中所述第四电气路径的极性与所述第一磁芯内的迂回第六电气路径的极性相反，并且其中所述第五电气路径的极性与所述第二磁芯内的迂回第六电气路径一致。13.如权利要求11所述的方法，其中所述第一开关和所述第二开关是场效应晶体管。14.如权利要求11所述的方法，进一步包括：使用所述第一开关和所述第二开关中的每一个的体二极管来缓冲零电压开关电压。

技术总结
一种击穿保护电路，包括：第一开关，连接到正总线且经由第一电气路径连接到第一中心节点；第二开关，连接到负总线且经由第二电气路径连接到所述第一中心节点；迂回第三电气路径，将所述第一中心节点连接到第一负载输出；第一磁芯，围绕所述第一电气路径和所述迂回第三电气路径；第二磁芯，围绕所述第二电气路径和所述迂回第三电气路径，并且其中所述第一电气路径和所述第二电气路径中的一个的极性与所述第一磁芯和所述第二磁芯中对应的一个内的迂回第三电气路径的极性一致，并且所述第一电气路径和所述第二电气路径中的另一个的极性与所述第一磁芯和所述第二磁芯中对应的一个内的迂回第三电气路径的极性相反。个内的迂回第三电气路径的极性相反。个内的迂回第三电气路径的极性相反。


技术研发人员：C
受保护的技术使用者：航天喷气发动机洛克达因股份有限公司
技术研发日：2020.12.09
技术公布日：2023/8/24