BRPI0704001B1

BRPI0704001B1 - Método de controlar um controlador de energia de estado sólido, e, sistema de controlador de energia de estado sólido

Info

Publication number: BRPI0704001B1
Application number: BRPI0704001-6A
Authority: BR
Inventors: Donald G. Kilroy; Nicholas J. Robertson; Bernd Lofflad; Josef Maier
Original assignee: Hamilton Sundstrand Corporation
Priority date: 2007-09-11
Filing date: 2007-09-11
Publication date: 2023-05-16
Also published as: BRPI0704001A2

Abstract

MÉTODO DE CONTROLAR UM CONTROLADOR DE ENERGIA DE ESTADO SÓLIDO, E, SISTEMA DE CONTROLADOR DE ENERGIA DE ESTADO SÓLIDO. Um método de controlar um controlador de energia de estado sólido que inclui permitir seletivamente uma corrente transiente através de um comutador de controle de energia de estado sólido em resposta à corrente transiente que excede pelo menos um limiar.

Description

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

[1] Esta invenção refere-se a sistemas de energia de veículo e, mais particularmente, a controles de energia de estado sólido.

[2] Veículos, tais como aviões, tipicamente utilizam uma ou mais unidades de distribuição de energia para distribuir energia a partir de uma fonte de energia primária para vários sistemas de veículo. Os controles de energia de estado sólido em uma unidade de distribuição de energia tipicamente incluem um comutador eletrônico, como um FET, e um circuito eletrônico que provê proteção de instalação elétrica. O FET e o circuito são freqüentemente referidos como um controlador de energia de estado sólido (“SSPC”). O SSPC encontrou uso difuso por causa de sua capacidade de status, confiabilidade e densidade de empacotamento. Uma unidade de distribuição de energia típica pode incluir centenas ou milhares de SSPCs.

[3] SSPCs também devem operar na presença de raio, que pode impactar adversamente dispositivos eletrônicos. Tradicionalmente, aviões têm uma camada externa de alumínio que atenua a corrente de raio induzida sobre os fios. Alguns aviões agora usam materiais compósitos, ao invés do alumínio, por benefícios de peso e resistência. Entretanto, materiais compósitos não provêem o mesmo nível de atenuação para raio como o alumínio. Quando o raio ocorre, centenas de volts podem surgir entre uma carga no sistema de veículo e o chassi do avião. Desse modo, as exigências de raio dos SSPCs aumentaram.

[4] O aumento nos níveis de raio coloca uma carga adicional significativa, porque o SSPC não provê isolamento galvânico no estado desligado, como faria um circuito eletro-mecânico típico, por exemplo. Em vez disso, o SSPC usa o FET para comutar e o circuito elétrico para prover a função de interruptor de circuito. Se o SSPC estiver em um estado desligado quando o raio bater, o grande potencial de voltagem aumentará de modo indesejável a voltagem através do FET. Um grampo de sobre-voltagem pode ser usado para proteger o FET de exceder sua capacidade de voltagem máxima colocando-se o FET dentro de uma região linear. Entretanto, o aumento da dissipação de energia do FET na região linear limita a quantidade de energia de raio que pode ser dissipada. Alternativamente, FETs de alta voltagem podem ser usados para bloquear a voltagem no estado desligado, dispositivos de supressão transiente podem ser colocados através dos FETs ou mais FETs paralelos podem ser adicionados, mas essas soluções são caras, exigem empacotamentos maiores, e reduzem a confiabilidade. Adicionalmente, para proteger as cargas, uma supressão de voltagem transiente é freqüentemente usada pela carga para derivar ou desviar a corrente de raio. Isso aumenta adicionalmente a energia de raio a que o SSPC deve sobreviver.

[5] Há uma necessidade de um SSPC simples, relativamente barato, com proteção contra raio aperfeiçoada. Esta invenção trata estas necessidades enquanto evitando as deficiências e inconvenientes da técnica anterior.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[6] Um exemplo de método de controlar um controlador de energia de estado sólido inclui permitir seletivamente uma corrente transiente através de um comutador de controle de energia de estado sólido em resposta à corrente transiente que excede pelo menos um limiar.

[7] Um exemplo de sistema de controlador de energia de estado sólido inclui um comutador tendo um estado fechado e um estado aberto e um micro-controlador que controla o comutador. Um módulo tendo um limiar associado também controla o comutador e permite seletivamente uma corrente através do comutador em resposta à corrente que excede o limiar.

[8] Um outro exemplo de método de controlar um controlador de energia de estado sólido inclui virar um comutador de controlador de energia de estado sólido para um estado DESLIGADO em resposta a uma corrente através do comutador que exceda um limiar e, automaticamente, re-ajustar o comutador.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[9] As várias características e vantagens desta invenção se tornarão visíveis para aqueles experientes na técnica a partir da seguinte descrição detalhada do modo de realização correntemente preferido. Os desenhos que acompanham a descrição detalhada podem ser descritos resumidamente como segue.

[10] A Figura 1 ilustra porções selecionadas de um exemplo de controlador de energia de estado sólido com proteção contra raio.

DESCRIÇÃO DETALHADA DO MODO DE REALIZAÇÃO PREFERIDO

[11] A Figura 1 ilustra porções selecionadas de um exemplo de controlador de energia de estado sólido (SSPC) 18 para o uso em um veículo, tal como um avião. Sob determinadas condições, tais como choque de raio, uma corrente transiente pode surgir através do veículo. A corrente transiente pode ser, por exemplo, uma corrente induzida, outro tipo conhecido de corrente transiente, ou uma corrente transiente proveniente de uma outra fonte além de raio. No exemplo revelado, o SSPC 18 provê proteção contra raio para reduzir o risco de que o SSPC 18 fique danificado pela corrente transiente. Como será apreciado a partir da ilustração e da seguinte descrição, o SSPC 18 dos exemplos revelados provê proteção contra raio sem penalidade significativa para densidade de empacotamento, confiabilidade ou custo. Embora o SSPC 18 seja de um tipo de corrente contínua nos exemplos revelados, alguém experiente na técnica que tenha o benefício desta revelação reconhecerá que os exemplos revelados também são aplicáveis a SSPCs do tipo de corrente alternada.

[12] Neste exemplo, o SSPC 18 inclui uma seção de lógica 32 e uma seção de energia 34. A seção de lógica 32 inclui um suprimento de energia 20, que provê energia a um micro-controlador 38 que controla a operação do SSPC 18. O suprimento de energia 20 é conectado tanto ao solo quanto a uma fonte de energia 22. O micro-controlador 38 interfaceia com um acionamento de porta 40, um comutador 42, um módulo de disparo instantâneo 44, e um módulo de raio 46. Embora somente um comutador 42 seja mostrado neste exemplo, múltiplos comutadores 42 podem ser usados da mesma maneira como descrito. O módulo de disparo instantâneo 44 e o módulo de raio 46 detectam o fluxo de corrente elétrica através do SSPC 18.

[13] No exemplo revelado, o micro-controlador 38 está em comunicação serial com um controle de veículo 54. Neste exemplo, o controle de veículo 54 inclui um microprocessador ativo 56 e um microprocessador de reserva 58. O microprocessador ativo 56 se comunica com o micro- controlador 38 para controlar a operação do SSPC 18. O microprocessador de reserva 58 se comunica com o micro-controlador 38 para estabelecer ou manter um status do SSPC 18. Cada um dentre o micro-processador ativo 56 e o micro-processador de reserva 58 envia sinais periódicos para o micro- controlador 38 para confirmar que a comunicação entre o controle de veículo 54 e o SSPC 18 não foi interrompida.

[14] O módulo de disparo instantâneo 44 inclui lógica de disparo instantâneo associada e o módulo de raio 46 inclui uma lógica de raio associada. O SSPC 18 responde em uma variedade de modos a uma corrente transiente, dependendo da magnitude da corrente que flui através do SSPC 18, de um limiar de disparo instantâneo associado ao módulo de disparo instantâneo 44, de um limiar de raio pré-estabelecido associado ao módulo de raio 46, e de se o SSPC 18 está em um estado LIGADO (por exemplo, o comutador 42 está fechado/LIGADO) ou em um estado DESLIGADO (por exemplo, o comutador 42 está aberto/DESLIGADO).

[15] Correntes maiores do que o limiar de disparo instantâneo são possíveis com cargas que têm supressão de voltagem transiente (por exemplo, derivações) ou cargas que cargas que são altamente capacitivas na natureza. No exemplo revelado, o comutador 42 inclui um circuito de grampo de voltagem que protege o comutador 42 de uma maneira conhecida de determinadas transientes de voltagem. O grampo de voltagem se ativa em uma região linear para dissipar a energia para, desse modo, absorver as correntes transientes até o limiar de disparo instantâneo. Além do limiar de disparo instantâneo, o módulo de disparo instantâneo 44, o módulo de raio 46, e sua lógica associada protegem o SSPC 18 da corrente transiente, como será descrito abaixo.

[16] Os exemplos a seguir ilustram a operação do módulo de disparo instantâneo 44 e do módulo de raio 46 sob várias condições para correntes transientes. Nos exemplos revelados, LIGAR o SSPC 18 passa a corrente transiente para a carga e, desse modo, protege contra a formação de uma ligação fusível e destruição do comutador 42. Os exemplos abaixo são pretendidos somente para ilustrar conceitos do módulo de disparo instantâneo 44 e do módulo de raio 46, e alguém experiente na técnica a quem é transmitida esta descrição reconhecerá a aplicação dos conceitos a outros exemplos.

[17] Em um exemplo, o SSPC 18 está DESLIGADO quando a corrente transiente ocorre. Sob esta condição (ou seja, o SSPC 18 DESLIGADO), o único momento em que é esperado que a corrente aumente acima do limiar de disparo instantâneo é se a linha Vlinha ou a conexão de saída de carga de SSPC 18 for colocada em curto para uma voltagem que exceda a proteção de grampo de sobre-voltagem do comutador 42, ou se a linha Vlinha ou a conexão de saída de carga de SSPC 18 for acoplada a uma voltagem transiente que exceda a proteção de grampo de sobre-voltagem do comutador 42. O grampo de sobre-voltagem do comutador 42 protege o comutador 42 ligando em uma região linear para dissipar a energia de uma maneira conhecida. Isso provê o benefício de absorver correntes transientes até o limiar de disparo instantâneo. Se, entretanto, a corrente transiente exceder o limiar de disparo instantâneo, o módulo de disparo instantâneo, o módulo de disparo de raio e sua lógica associada funcionam para proteger o comutador 42.

[18] No exemplo revelado, se a corrente transiente aumentar acima do limiar de disparo instantâneo, o módulo de disparo instantâneo 44 liga o acionamento de porta 40 para LIGAR o comutador 42. Neste exemplo, o comutador 42 pode manusear mais corrente transiente quando LIGADO porque a voltagem através do comutador 42 será mais baixa, o que reduz a energia transiente que o comutador 42 deve absorver. A corrente transiente flui para a carga durante esse tempo para, desse modo, proteger o SSPC 18 de dano. Quando a corrente transiente diminui abaixo do limiar de disparo instantâneo, o módulo de disparo instantâneo 44 remove o acionamento de acionamento de porta 40 para forçar o comutador 42 a DESLIGAR. Opcionalmente, um retardo de tempo é usado antes de se ligar o acionamento de porta 40 para permitir ao SSPC 18 esfriar.

[19] A comunicação direta entre o módulo de disparo instantâneo 44 e o acionamento de porta 40 provê o benefício de permitir a proteção de corrente transiente mesmo quando o micro-controlador 38 está em um modo inativo (por exemplo, um modo adormecido). Em um modo adormecido, por exemplo, o software de micro-controlador 38 não despertará para controlar o SSPC 18 para responder a uma ameaça de raio. Ligando-se diretamente o módulo de disparo instantâneo 44 a o acionamento de porta 40, o módulo de disparo instantâneo 44 pode controlar diretamente o acionamento de porta 40 sem o micro-controlador 38 para LIGAR rapidamente o comutador 42.

[20] Em um outro exemplo, o SSPC 18 está LIGADO quando a corrente transiente ocorre. A corrente transiente aumenta a corrente através do comutador 42 até que o limiar de disparo instantâneo seja excedido. Nesse ponto, o micro-controlador 38 começa a DESLIGAR o comutador 42 e ajustar uma função de auto-recuperação. O processo de LIGAR o comutador 42 toma algum tempo, tipicamente frações de um segundo. Durante esse tempo, a corrente pode aumentar, diminuir ou permanecer estável.

[21] Se a corrente aumentar, mas não rápido o suficiente para exceder o limiar de raio antes do comutador LIGAR, o comutador 42 volta a LIGAR quando se excede o limiar de raio. Se a corrente aumentar rápido o suficiente para exceder o limiar de raio antes do comutador 42 DESLIGAR, o micro-controlador 38 cancela o acionamento para DESLIGAR do comutador 42, de modo que o comutador permaneça LIGADO. No estado LIGADO, a corrente transiente passa para a carga para, desse modo, proteger o SSPC 18 de dano.

[22] Se a corrente transiente diminuir ou permanecer estável e não alcançar o limiar de raio, o comutador 42 DESLIGA e a lógica de auto- recuperação funciona para voltar a LIGAR o SSPC depois de um retardo de tempo para permitir o esfriamento.

[23] Depois do comutador 42 ser LIGADO de volta, se a corrente permanecer acima do limiar de disparo instantâneo, mas abaixo do limiar de raio, o comutador 42 DESLIGA e a lógica de auto-recuperação funciona novamente para LIGAR de volta o SSPC 18, depois de um outro retardo de tempo para permitir o esfriamento. É presumido que a corrente acima do limiar de disparo instantâneo é proveniente de uma carga em curto e não raio, se múltiplas tentativas para auto-recuperar continuarem a produzir corrente acima do limiar de disparo instantâneo, mas abaixo do limiar de raio. Em resposta, um disparo de proteção é ajustado no microprocessador 38, e o SSPC 18 DESLIGA.

[24] A lógica de auto-recuperação também pode ser usada nos SSPCs que não incluem o módulo de raio 46. Em um tal modo de realização, o módulo de disparo instantâneo 44 e seu limiar de disparo instantâneo associado funcionam para DESLIGAR o SSPC 18 se a corrente através do comutador 42 exceder o limiar de disparo instantâneo. A lógica de auto- recuperação LIGA de volta o comutador 42 depois de um retardo de tempo para permitir o esfriamento. Se a corrente permanecer acima do limiar de disparo instantâneo, o comutador 42 LIGA. A lógica de auto-recuperação funciona novamente para LIGAR de volta o SSPC 18 depois de um outro retardo de tempo para permitir o esfriamento. Se múltiplas tentativas para auto-recuperar continuarem a produzir corrente acima do limiar de disparo instantâneo, um disparo de proteção é ajustado no micro-processador 38, e o SSPC 18 LIGA. A lógica de auto-recuperação provê o beneficio de re-ajustar automaticamente o comutador 42 sem a necessidade de re-ajuste manual (por exemplo, do piloto do avião), o que é uma desvantagem dos SSPCs anteriores.

[25] Desse modo, os exemplos revelados provêem para LIGAR o SSPC 18 em resposta à corrente transiente que excede o limiar de disparo instantâneo ou o limiar de raio, dependendo do estado LIGADO ou DESLIGADO inicial do SSPC 18. Isso provê o benefício de passar a corrente transiente para a carga para proteger o SSPC 18 de dano. Além do mais, o módulo de raio 46 exige pouco hardware adicional no SSPC 18, o que ajuda a manter os custos e a densidade de empacotamento baixos.

[26] Embora um modo de realização preferido desta invenção tenha sido revelado, alguém experiente na técnica reconheceria que determinadas modificações ficariam dentro do escopo desta invenção. Por esta razão, as reivindicações a seguir devem ser estudadas para determinar o verdadeiro escopo e conteúdo desta invenção.

Claims

1. Método de controlar um controlador de energia de estado sólido, caracterizado pelo fato de compreender: manter o comutador (42) em um estado fechado e permitir seletivamente uma corrente através de um comutador de controle de energia de estado sólido (42) em resposta à corrente que excede pelo menos um limiar, em que a corrente é permitida através do comutador de controle de energia de estado sólido para prevenir que a corrente danifique o comutador de controle de energia de estado sólido.

2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de incluir fechar o comutador (42) a partir de um estado aberto em resposta à corrente que excede o pelo menos um limiar.

3. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o pelo menos um limiar inclui um primeiro limiar e um segundo limiar que é maior do que o primeiro limiar, e o comutador (42) compreende um estado fechado LIGADO e um estado aberto DESLIGADO.

4. Método de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de incluir comutar do estado DESLIGADO para o estado LIGADO em resposta à corrente que excede o primeiro limiar.

5. Método de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de incluir comutar do estado LIGADO para o estado DESLIGADO em resposta à corrente que excede o primeiro limiar.

6. Método de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de incluir comutar para o estado LIGADO em resposta à corrente que excede o segundo limiar.

7. Método de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de incluir reajustar o comutador (42) comutando para o estado LIGADO depois de um retardo de tempo, se a corrente não exceder o segundo limiar.

8. Método de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de incluir reajustar o comutador (42) uma segunda vez comutando para o estado LIGADO depois de um outro retardo de tempo, se a corrente não exceder o segundo limiar.

9. Método de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de incluir manter o estado DESLIGADO se a corrente exceder o primeiro limiar depois de um retardo de tempo.

10. Método de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de incluir manter o comutador (42) no estado LIGADO em resposta à corrente que excede o primeiro limiar.

11. Método de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de incluir manter o comutador (42) no estado LIGADO em resposta à corrente que excede o segundo limiar.

12. Método de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de incluir prover um grampo de sobre-voltagem sobre o comutador (42) para dissipar a energia transiente quando o comutador estiver no estado DESLIGADO.

13. Sistema de controlador de energia de estado sólido, caracterizado pelo fato de compreender: um comutador (42) tendo um estado fechado e um estado aberto; um micro-controlador (38) que controla o comutador (42); um módulo (46) que controla o comutador (42) e inclui um limiar associado, onde o módulo (46) é configurado para fazer com que o sistema de controlador de energia de estado sólido opere o método como definido na reivindicação 1.

14. Sistema de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de compreender adicionalmente um acionamento de porta que interfaceia com cada um dentre o micro-controlador (38) e o módulo (46) para mudar seletivamente o comutador (42) entre o estado fechado e o estado aberto.

15. Sistema de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que o comutador (42) inclui um grampo de sobre-voltagem.

16. Sistema de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que o micro-controlador (38) inclui um modo ativo e um modo inativo, e o micro-controlador (38) controla o comutador enquanto no modo ativo.

17. Sistema de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que o módulo (46) detecta uma corrente através do comutador (42) e controla o comutador (42) independentemente do micro-controlador (38) em resposta ao micro-controlador (38) estar no modo inativo.

18. Sistema de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de que o micro-controlador (38) interfaceia com o módulo.

19. Método de controlar um controlador de energia de estado sólido, caracterizado pelo fato de compreender: girar o comutador de controlador de energia de estado sólido (42) para um estado DESLIGADO em resposta a uma corrente através do comutador que exceda um limiar; e re-ajustar automaticamente o comutador.

20. Método de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de incluir re-ajustar automaticamente o comutador (42) girando o comutador para um estado LIGADO depois de um retardo de tempo.

21. Método de acordo com a reivindicação 20, caracterizado pelo fato de incluir voltar automaticamente o comutador (42) para o estado DESLIGADO se a corrente através do comutador (42) ainda exceder o limiar depois do retardo de tempo.

22. Método de acordo com a reivindicação 21, caracterizado pelo fato de incluir re-ajustar automaticamente o comutador (42) uma segunda vez comutando para o estado LIGADO depois de um outro retardo de tempo.

23. Método de acordo com a reivindicação 20, caracterizado pelo fato de incluir manter o comutador (42) no estado LIGADO se a corrente através do comutador (42) estiver abaixo do limiar depois do retardo de tempo.