(57)【要約】二重冗長標準データバス（１）を介してビークル管理コンピュータ（ＶＭＣ）（５０）にインターフェースするロジック（１１２）を含むゲートウェイモジュール（１００）を含む配電システムが、開示されている。このゲートウェイモジュール（１００）は、このＶＭＣ（５０）に動作可能に接続されて複数の個別の電気的負荷（１２０）に対する電力の供給を選択的に制御する冗長マイクロコントローラ（１１４、１１６）を有する。複数の負荷管理モジュール（３００）が設けられる。各負荷管理モジュール（３００）は、ローカルマイクロコントローラ（３１０）と、パワースイッチングデバイス（３２０）と、このパワースイッチングデバイス（３２０）をこのローカルマイクロコントローラ（３１０）に対してインターフェースさせる特定用途向け集積回路ＡＳＩＣ（３３０）とを含んでいる。各ＡＳＩＣ（３３０）は、過電流保護特性をプログラムするために使用される対応するデジタルポテンショメータ（６００）に接続することができる。さらに、各ＡＳＩＣ（３３０）は、真のＲＭＳ電流値をこのローカルマイクロコントローラ（３１０）に対して提供する電圧周波数コンバータ（３８１）を含むことが可能である。
2005526473.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
二重冗長標準データバス（１）を介してビークル管理コンピュータ（ＶＭＣ、５０）にインターフェースするロジック（１１２）を含み、前記ＶＭＣ（５０）に動作可能に接続されて複数の個別の電気的負荷（１２０）に対して電力の供給を選択的に制御する冗長マイクロコントローラ（１１４、１１６）を含むゲートウェイモジュール（１００）と、
２つの異なるタイプからなり、前記冗長マイクロコントローラ（１１４、１１６）がそれぞれ動作可能に接続されている２つの内部シリアルデータバス（２、３）と、
各負荷管理モジュール（３００）が前記内部シリアルデータバス（２、３）に動作可能に接続されて前記ゲートウェイモジュール（１１０）からの制御コマンドを受け取る複数の負荷管理モジュール（ＬＭＭ、３００）と、を備え、
各負荷管理モジュール（３００）が、
ローカルマイクロコントローラ（３１０）と、
複数のパワースイッチングデバイス（３２０）と、
前記パワースイッチングデバイス（３２０）を前記ローカルマイクロコントローラ（３１０）に対してインターフェースさせるための、前記複数のパワースイッチングデバイス（３２０）に対応する複数の特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ、３３０）と
を備え、各ＡＳＩＣ（３３０）が、前記ＡＳＩＣ（３３０）の過電流保護特性をプログラムするために使用される対応するデジタルポテンショメータ（６００）に接続される、配電センタ。
【請求項２】
前記過電流保護特性は、前記デジタルポテンショメータ（６００）の抵抗値によって設定されるＩ２ｔ曲線の統合パラメータであり、各ＡＳＩＣ（３３０）が、センス抵抗（３２２）の両端の負荷電流センス電圧を調整して真のＲＭＳ電流値を生成するアナログ信号処理ブロックを含む、請求項１に記載の配電センタ。
【請求項３】
前記デジタルポテンショメータ（６００）は、不揮発性メモリ（６０１）およびプログラム可能ポテンショメータ（６０２）を含み、前記プログラム可能ポテンショメータ（６００）の抵抗値が、電力遮断中に保持される、請求項１に記載の配電センタ。
【請求項４】
前記デジタルポテンショメータ（６００）と並列に接続されたフェイルセーフ抵抗（６１０）をさらに備える、請求項１に記載の配電センタ。
【請求項５】
二重冗長標準データバス（１）を介してビークル管理コンピュータ（ＶＭＣ、５０）にインターフェースするロジック（１１２）を含み、前記ＶＭＣ（５０）に動作可能に接続されて複数の個別の電気的負荷（１２０）に対して電力の供給を選択的に制御する冗長マイクロコントローラ（１１４、１１６）を含むゲートウェイモジュール（１００）と、
２つの異なるタイプからなり、前記冗長マイクロコントローラ（１１４、１１６）がそれぞれ動作可能に接続されている２つの内部シリアルデータバス（２、３）と、
各負荷管理モジュール（３００）が前記内部シリアルデータバス（２、３）に動作可能に接続されて前記ゲートウェイモジュール（１１０）からの制御コマンドを受け取る複数の負荷管理モジュール（ＬＭＭ、３００）と、を備え、
各負荷管理モジュール（３００）が、
ローカルマイクロコントローラ（３１０）と、
複数のパワースイッチングデバイス（３２０）と、
前記パワースイッチングデバイス（３２０）を前記ローカルマイクロコントローラ（３１０）に対してインターフェースさせるための、前記複数のパワースイッチングデバイス（３２０）に対応する複数の特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ、３３０）と
を備え、各ＡＳＩＣ（３３０）が、真のＲＭＳ電流値を前記ローカルマイクロコントローラ（３１０）に対して提供される対応する周波数へと変換する電圧周波数コンバータ（３８１）を含む、配電センタ。
【請求項６】
前記ＡＳＩＣ（３３０）と前記ローカルマイクロコントローラ（３１０）の間に接続され、ローカルマイクロコントローラ（３１０）に対して前記周波数を伝送する光カプラ（３８２）をさらに備え、前記ローカルマイクロコントローラがアキュムレータを使用して前記周波数を真のＲＭＳ電流値を表す値に変換する、請求項１１に記載の配電センタ。
【請求項７】
二重冗長標準データバス（１）を介してビークル管理コンピュータ（ＶＭＣ、５０）にインターフェースするロジック（１１２）を含み、前記ＶＭＣ（５０）に動作可能に接続されて複数の個別の電気的負荷（１２０）に対して電力の供給を選択的に制御する冗長マイクロコントローラ（１１４、１１６）を含むゲートウェイモジュール（１００）と、
２つの異なるタイプからなり、前記冗長マイクロコントローラ（１１４、１１６）がそれぞれ動作可能に接続されている２つの内部シリアルデータバス（２、３）と、
各負荷管理モジュール（３００）が前記内部シリアルデータバス（２、３）に動作可能に接続されて前記ゲートウェイモジュール（１１０）からの制御コマンドを受け取る複数の負荷管理モジュール（ＬＭＭ、３００）と、を備え、
各負荷管理モジュール（３００）が、
ローカルマイクロコントローラ（３１０）と、
複数のパワースイッチングデバイス（３２０）と、
前記パワースイッチングデバイス（３２０）を前記ローカルマイクロコントローラ（３１０）に対してインターフェースさせるための、前記複数のパワースイッチングデバイス（３２０）に対応する複数の特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ、３３０）と
を備え、各ＡＳＩＣが、前記複数のパワースイッチングデバイス（３２０）のうちのどれを作動化するかを決定するチャネルＩＤを復号化するためのデコーダ（３４５）を含む、配電センタ。
【請求項８】
各ＡＳＩＣは、前記マイクロコントローラ（３１０）に監視データの報告を返すために使用されるステータス情報と共に前記チャネルＩＤを符号化するエンコーダ（３４６）を含む、請求項７に記載の配電センタ。
【請求項９】
各ＡＳＩＣ（３３０）は、前記エンコーダ（３４６）によって符号化される前記チャネルＩＤとして使用されるワイヤードロケーションＩＤ（３４７）を含む、請求項８に記載の配電センタ。
【請求項１０】
前記チャネルＩＤは、すべてのＡＳＩＣ（３３０）に同報通信され、各ＡＳＩＣ（３３０）が、前記チャネルＩＤと比較されるワイヤードロケーションＩＤ（３４７）を含み、前記ワイヤードロケーションＩＤ（３４７）とチャネルＩＤが一致するとき、前記チャネルＩＤに関連する情報が前記ＡＳＩＣ（３３０）に渡される、請求項１５に記載の配電センタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の個別に制御される電気的負荷を有する用途のための電力管理システムおよび配電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
本出願は、２００２年５月１６日出願の米国仮出願第６０／３８１，０６７号の米国特許法第１１９条（ｅ）の下に、また２００１年２月８日出願の米国仮出願第６０／２６７，５２０号の恩典を主張する、２００１年１２月１４日出願の第１０／０１７，１２５号の一部継続出願としての米国特許法第１２０条の下に優先権を主張するものであり、各出願のその全体内容は、参照により本明細書中に組み込まれている。
【０００３】
航空機および他のビークルに電力を配電するために、電力コントローラが使用されている。さらに、故障状態の下で保守と操作性の両方をうまく実施するために、ビークル電力を供給するモジュール方式が使用されている。
【０００４】
新世代のビークルは、かなり異なる電力要件を有する。例えば、航空宇宙システムにおいては、主として機械的制御または電気機械的制御から、バックアップのないまたはバックアップを最小限にした、主として電子的なコンピュータベースの制御へと基本的なパラダイムシフトがあった。コンピュータ操舵システムへのこの移行は、ヨーロッパにおいてエアバス社によって開拓されてきており、今では安全にとって必須なシステムを含むようになっている。
【０００５】
技術におけるこのシフトにより、基本的な技術的課題および商業上の課題が課されており、これらの課題によって、ＥＬＭＣ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｌｏａｄ  ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ  Ｃｅｎｔｅｒ；電気的負荷管理センタ）などの高度な配電コントローラが必要とされている。スイッチング技術（ソリッドステート）およびコンピュータ制御における進歩が、今や完全に自動化されたＥＰＳ（ｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｐｏｗｅｒ  ｓｙｓｔｅｍ；電力システム）を提供している。ＳＳＰＣ（ｓｏｌｉｄ  ｓｔａｔｅ  ｐｏｗｅｒ  ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ；ソリッドステート電力コントローラ）、遠隔電力コントローラ、スマート接触器、および自動システムプロセッサが組み合わさって、ＥＬＭＣへと発展してきている。
【０００６】
コンピュータ制御システム技術が進化するにつれて、電力制御を含めてさらに多くのシステム機能が、コンピュータ制御コマンド下に置かれるようになっている。電力制御および保護におけるさらに高度な技術が航空宇宙電力システムに入り込み、機械的な回路ブレーカやリレーに代わりつつある。
【０００７】
Ｄａｒｔｙ他に対して発行された米国特許第５，７５２，０４７号では、マイクロコントローラを有するモジュール方式ソリッドステート電力コントローラが開示されている。このモジュール方式ソリッドステート電力コントローラは、負荷カード内に埋め込まれた低コストで低速のマイクロコンピュータを含み、対応する電気負荷回路に関連したいくつかの半導体電力スイッチを制御する。コントローラカード上のマスタコントローラのマイクロコンピュータは、バックプレーンカードに沿って延びる、このコントローラマイクロコンピュータを各負荷カードと相互接続するシリアルデータパスを経由して、負荷カード内に埋め込まれた各マイクロコンピュータと相互に通信する。各負荷カードは、各スレーブカードに関連づけられた半導体電力スイッチを含み、これらのスレーブカードは、このコントローラマイクロコンピュータから発行されたコマンドに応じて作動化される。
【０００８】
しかし、Ｄａｒｔｙ他の設計では、個別コンポーネントを利用してこの電力スイッチの限られた制御しか実現できない。したがって、マイクロコンピュータを用いたこのモジュール方式ソリッドステート電力コントローラは、電力スイッチの基本的なオン／オフ制御だけに制限され、ＳＳＰＣの局所制御機能および柔軟な構成を可能にしてはいない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
したがって、ローカルマイクロコントローラとインターフェースされ、各個別電力スイッチの追加制御および構成を可能とする一体化された高度な電力スイッチコントローラを含むＥＬＭＣを有することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明によれば、従来システムの欠陥は、二重冗長標準データバスを介してＶＭＣ（ｖｅｈｉｃｌｅ  ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ  ｃｏｍｐｕｔｅｒ；ビークル管理コンピュータ）にインターフェースするロジックを含むゲートウェイモジュールであって、このＶＭＣに動作可能に接続されて複数の個別の電気的負荷に対して電力の供給を選択的に制御する冗長マイクロコントローラを備えるゲートウェイモジュールと、２つの異なるタイプからなり、その冗長マイクロコントローラがそれぞれ動作可能に接続されている２つの内部シリアルデータバスと、各負荷管理モジュールがこの内部シリアルデータバスに動作可能に接続されてこのゲートウェイモジュールからの制御コマンドを受け取る複数の負荷管理モジュール（ＬＭＭ）とを備え、各負荷管理モジュールが、ローカルマイクロコントローラと、複数のパワースイッチングデバイスと、このパワースイッチングデバイスをこのローカルマイクロコントローラに対してインターフェースさせるための、複数のパワースイッチングデバイスに対応する複数のＡＳＩＣ（ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  ｓｐｅｃｉｆｉｃ  ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  ｃｉｒｃｕｉｔ；特定用途向け集積回路）とを備え、各ＡＳＩＣが、このＡＳＩＣの過電流保護特性をプログラムするために使用される対応するデジタルポテンショメータに接続される配電センタを提供することによって克服される。
【００１１】
さらに本発明では、二重冗長標準データバスを介してビークル管理コンピュータ（ＶＭＣ）にインターフェースするロジックを含むゲートウェイモジュールであって、このＶＭＣに動作可能に接続されて複数の個別の電気的負荷に対して電力の供給を選択的に制御する冗長マイクロコントローラを備えるゲートウェイモジュールと、２つの異なるタイプからなり、その冗長マイクロコントローラがそれぞれ動作可能に接続されている２つの内部シリアルデータバスと、各負荷管理モジュールがこの内部シリアルデータバスに動作可能に接続されてこのゲートウェイモジュールからの制御コマンドを受け取る複数の負荷管理モジュール（ＬＭＭ）とを備え、各負荷管理モジュールが、ローカルマイクロコントローラと、複数のパワースイッチングデバイスと、このパワースイッチングデバイスをこのローカルマイクロコントローラに対してインターフェースさせるための、複数のパワースイッチングデバイスに対応する複数の特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）とを備え、各ＡＳＩＣが、真のＲＭＳ電流値をこのローカルマイクロコントローラに対して提供される対応する周波数へと変換する電圧周波数コンバータを含んでいる配電センタが提供されている。
【００１２】
さらになお、本発明では、二重冗長標準データバスを介してビークル管理コンピュータ（ＶＭＣ）にインターフェースするロジックを含むゲートウェイモジュールであって、このＶＭＣに動作可能に接続されて複数の個別の電気的負荷に対して電力の供給を選択的に制御する冗長マイクロコントローラを備えるゲートウェイモジュールと、２つの内部シリアルデータバスとを備える配電センタが提供されている。この２つの内部シリアルデータバスは、２つの異なるタイプからなり、これらの冗長マイクロコントローラは、この２つの内部シリアルデータバスにそれぞれ動作可能に接続されている。複数の負荷管理モジュール（ＬＭＭ）が提供される。各負荷管理モジュールは、この内部シリアルデータバスに動作可能に接続され、このゲートウェイモジュールからの制御コマンドを受け取る。各負荷管理モジュールは、ローカルマイクロコントローラと、複数のパワースイッチングデバイスと、このパワースイッチングデバイスをこのローカルマイクロコントローラに対してインターフェースさせるための、複数のパワースイッチングデバイスに対応する複数の特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）とを備えている。各ＡＳＩＣは、この複数のパワースイッチングデバイスのうちのどれを作動化するかを決定するチャネルＩＤを復号化するためのデコーダを含んでいる。本発明を適用することが可能なさらなる範囲は、以下に提供される詳細な説明から明らかになろう。
【００１３】
本発明のさらに完全な理解については、以下の説明を添付図面と併せ解釈することにより明らかになろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の態様を、以下の説明中に開示している。本発明の趣旨または範囲を逸脱することなく代替実施形態を創作することができることが当業者には理解されよう。
電気負荷管理センタ（ＥＬＭＣ）は、ビークルへの配電を担うものである。このＥＬＭＣは、一部のビークルシステムについての制御ロジックを提供することも可能である。したがって、ＥＬＭＣは、従来のサブシステム制御部の一部分である複雑なリレーロジックおよび回路カードに置き換わる。さらに、ＥＬＭＣは、電力システムディスプレイにステータス情報を提供してこの電力システム構成の実時間画像を提供することができる。
【００１５】
システムの複雑さを減少させシステム機能を増加させることにより、ＥＬＭＣでは、システムの重量を低下させ、信頼性を高め、システムの使用可能性を高め、保守性を改善し、エンドユーザにとっての所有コストを低下させることができる。
【００１６】
前述したように、現代のビークルはかなり異なる電力要件を有している。これらの要件は、遠隔制御／ビークル管理コンピュータとのインターフェース、信頼性の増大、（例えば、配線による電源供給またはフライバイワイヤによる実装および機能についてカバーする）フォールトトレランス、電力需要の増大およびＤＭＣ（ｄｉｒｅｃｔ  ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ  ｃｏｓｔ；直接保守コスト）の低下を含んでいる。
【００１７】
このＥＬＭＣは、使用可能性および保守性を改善するために制御、保護、およびＢＩＴ（ｂｕｉｌｔ−ｉｎ  ｔｅｓｔ；ビルトインテスト）機能を組み込んでいる。ＥＬＭＣは、コマンド制御およびステータス報告のためにより高レベルの管理コンピュータとインターフェースすることができる。この電力および制御ハードウェアは、サイズ、重量、および効率制約条件を最適化しながら、電力フローおよびステータスデータを提供するように、現行のビークル（例えば、航空機）システムへの互換性が保たれるように注意深く設計される。
【００１８】
さらに、本発明によるＥＬＭＣは、様々な故障検出機能および故障分離機能を有している。このＥＬＭＣは、システムの（例えば、電力などの）調子をテストし監視し報告する機能、および特定のＬＭＭにおける故障したＳＳＳＤ（ｓｏｌｉｄ  ｓｔａｔｅ  ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ  ｄｅｖｉｃｅ；ソリッドステートスイッチングデバイス）／ＰＳＤ（ｐｏｗｅｒ  ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ  ｄｅｖｉｃｅ；パワースイッチングデバイス）を個々に識別してビークル全体における保守の取組みを最小にする機能を有する。
【００１９】
本発明の別の態様は、空中、海上、地上または宇宙のビークルについての配電に使用されるＬＲＵ（Ｌｉｎｅ  Ｒｅｐｌａｃｅａｂｌｅ  Ｕｎｉｔ；ライン交換可能ユニット）として構成されるＥＬＭＣである。この文脈においては、用語「配電」は、それだけには限定されないが、ＥＬＭＣ内における様々な電源バスからの電力のスイッチング、このパワースイッチングデバイスの配線下流の保護、このパワースイッチングデバイスのステータスの報告を返すこと、および負荷制限、負荷スイッチングの連続などの負荷管理機能の用意を包含している。
【００２０】
前述のＥＬＭＣは、柔軟性についてのモジュール方式のアーキテクチャの概念に基づいて構築されている。このＥＬＭＣは、調整された電源と、ゲートウェイモジュールおよび関連したコントローラを介してホストのビークルを調整しそれとインターフェースするアナログ信号およびデジタル信号を提供するためにＬＭＭおよび他の回路カードを含んでいる。
【００２１】
ＬＭＭは、複数のソリッドステートスイッチングデバイス／パワースイッチングデバイスを含む回路カードアセンブリである。このＬＭＭを使用してＡＣ電力またはＤＣ電力を切り換え、過電流状態から配線を保護し、利用装置に対して配電を行う。このＬＭＭは、ハイブリッドのソリッドステート電力コントローラ、またはリレーと回路ブレーカの組合せに置き換わることができる。このＳＳＳＤおよびＬＭＭは、設計それ自体がモジュール方式となっており、その結果、それぞれ多くの用途に適用することが可能である。このＬＭＭ上にやはり配置されているマイクロコントローラは、このＳＳＳＤをこのゲートウェイモジュールとインターフェースさせる。各ＳＳＳＤは、スイッチドライバ、監視機能および過電流保護機能などを制御する混載技術の特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）を含んでいる。このＬＭＭ上に取り付けられた各パワースイッチングデバイス（ＰＳＤ）は、ラインパワースイッチングを実現し、ＡＳＩＣによって制御される。
【００２２】
本発明によるモジュール方式アーキテクチャの実施形態の一例が、図１Ａおよび１Ｂを含む図１に示されている。ゲートウェイモジュール１００は、二重冗長標準データバス１を介してビークル管理コンピュータ（ＶＭＣ）５０にインターフェースするためにロジック１１２を含む。本明細書中で使用される用語「ロジック」は、当業者に理解されるように、関連する機能を実装するハードウェア、ソフトウェア、および／またはハードウェアとソフトウェアの組合せの任意の組合せを意味している。このゲートウェイモジュール１００は、ＶＭＣ５０に動作可能に接続されて複数の個別の電気的負荷１２０に対する電力の供給を選択的に制御する冗長マイクロコントローラ１１４、１１６を備えている。このＶＭＣ５０との通信は、ＡＲＩＮＣ４２９、ＡＲＩＮＣ６２９、ＭＩＬ−ＳＴＤ−１  ５５３、ＡＦＤＸ（Ａｖｉｏｎｉｃｓ  Ｆｕｌｌ  Ｄｕｐｌｅｘ  Ｓｗｉｔｃｈ  Ｅｔｈｅｒｎｅｔ；航空電子工学全二重スイッチイーサネット）などの適切な任意のシリアル通信によって実装される。本発明のモジュール方式設計においては、ゲートウェイモジュール１００だけを修正して新しい通信プロトコルに対応させることができる。
【００２３】
このＥＬＭＣ内では、２タイプのシリアルデータバス２、３がＥＬＭＣ内通信のために使用される。この冗長マイクロコントローラ１１４、１１６は、それぞれ２つの内部シリアル制御バス２、３に動作可能に接続されている。この例では、この２つの内部シリアルデータバスは、同期式ＳＰＩ（Ｓｅｒｉａｌ  Ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ  Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ；シリアル周辺インターフェース）および非同期式ＳＣＩ（Ｓｅｒｉａｌ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ  Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ；シリアル通信インターフェース）であり、これらは異なる目的のために選択されたものである。このＳＰＩは、高速通信全二重３線式同期転送バスである。このＳＣＩは、シリアルＵＡＲＴタイプ非同期通信バスであり、全二重単線式動作モードになっている。このＥＬＭＣマザーボードは、ゲートウェイモジュールとＬＭＭの間の重要な共通リンクとなるので、この２つの通信バスは、二重化冗長度を提供し、コモンモード故障の発生率を低下させる。異なる制御技法および通信技法を重要なシステムにおいて使用してコモンモード故障を低下させる。例えば、検出されないソフトウェアエラー（例えば、ウィルス、バグなど）は、一方のシステムには影響を及ぼすが、他方では複製されることはなく、すなわち他方のシステムには影響を及ぼさないことになる。
【００２４】
外部の離散的アナログ入力信号４を、サブシステムの制御のためにゲートウェイモジュール１００およびＬＭＭ３００に供給することができる。ローカルマイクロコントローラ３１０を含む複数のＬＭＭ３００が示されている。各負荷管理モジュール３００が内部シリアルデータバス２、３に動作可能に接続されてこのゲートウェイモジュール１００を介して制御コマンドが受け取られる。
【００２５】
図２を参照すると、このゲートウェイモジュールのブロック図が示されている。二重化チャネルを有するマイクロコントローラなどの重要なコンポーネントが、複数使用されてフォールトトレランスが実現される。このゲートウェイモジュール１００は、データバス遠隔端末インターフェース２１４、２１６へとインターフェースされるチャネルごとにそれぞれ１個の低コストのマイクロコントローラ１１４、１１６を含んでいる。これらデータバスインターフェースは、内部制御バス２３０を介してマイクロコントローラ１１４、１１６と通信する。冗長制御ロジック２４０は、監視制御を提供し、特定の任意の時刻に（両方が同時にアクティブである）これらのチャネルのうちのどちらが制御されているかが判定される。どちらかのマイクロコントローラ１１４、１１６が内部シリアルデータバス２、３のうちのどちらかを使用してこの冗長データバス１およびＬＭＭ３００を介してＶＭＣ５０と通信することができるようにゲートウェイモジュール１００が相互接続されることが当業者には理解されよう。したがって、これらのコンポーネントのうちのどちらか１つが故障することにより、このＥＬＭＣの動作が妨げられることはない。
【００２６】
負荷管理モジュール３００のブロック図が、図３Ａａおよび３Ａｂを含む図３Ａに示されている。各負荷管理モジュールは、ローカルマイクロコントローラ３１０と、複数のパワースイッチングデバイス３２０と、このローカルマイクロコントローラ３１０にこのパワースイッチングデバイス３２０をインターフェースするための、複数のパワースイッチングデバイスに対応する複数の特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）３３０とを含んでいる。
【００２７】
このＬＭＭは従来デバイスと比較すると、コストおよび熱放散を最小にするようにパッケージされる。ＬＭＭレベルでは、このローカルな監視はチャネル追跡に基づいている。この方式の利点は、このシステムの振る舞いを侵入することなく観察できることである。この方式では、アプリケーションタスクを実行中に観察し、タスク状態、離散値などを追跡する追加のソフトウェアが必要になることが当業者には理解されよう。
【００２８】
さらに高レベルの集積化を実現するために、これらの機能および関連する回路は、図３Ｂａ、３Ｂｂおよび３Ｂｃを含む図３Ｂに示すように、混成技術ＡＳＩＣ３３０中に組み込まれている。ＡＳＩＣ３３０は、負荷スイッチング機能および保護機能を組み込み、パッケージ化する。これらの機能は、関連した「ロジック」によって可能とされ、このロジックは、以上で指摘し当業者には理解されるようにこの関連する機能を実装するハードウェア、ソフトウェアおよび／またはハードウェアとソフトウェアの組合せの任意の組合せを意味している。このＡＳＩＣは、ＡＣモードもＤＣモードも様々な電流定格を伴う用途も包含している。モード選択は、モード選択ピン３３１を対応するロジックレベルに接続することによって達成される。例えば、このデフォルトモード（非接続状態）は、ＡＣである。
【００２９】
電源投入リセットロジック３３２は、電源投入シーケンス中に内部リセットおよびキャリブレーションサイクルを実行して温度範囲およびエージング範囲についての精度を増大させる。ＡＳＩＣ３３０の追加の機能／回路の例には、コマンド信号に応答してこのＰＳＤのゲートオンを提供するためのゲートドライバ３３３、Ｉ２ｔ特性３３４の提供、高速シャットダウン（すなわち、瞬時トリップ機能）３３５、パワースイッチングデバイスの実時間ステータスの提供、およびパワースイッチング機能を調整してスイッチング中の電流の変化率を制御し制限すること（例えば、ＤＣについてのソフトターンオン／ターンオフ、およびＡＣについてのゼロ交差電圧ターンオン／ゼロ交差電流ターンオフ）が含まれる。
【００３０】
各ＡＳＩＣ３３０は、シャント抵抗３２２の両端にかかる負荷電流センス電圧を調整してＲＭＳ値計算ロジック３３７を介して真のＲＭＳ電流値を生成するアナログ信号処理ブロック３３８も含んでいる。真のＲＭＳ電流は、そのＤＣ電流が純粋なＤＣ電流でなくそのＡＣ電流が１つの周波数しか含まない純粋な正弦波ではない場合のスイッチ電源システムにおいては特に、得るための自明な値ではないことが当業者には理解されよう。しかし、真のＲＭＳ電流は、保護されたコンポーネントおよび保護された配線のＲＭＳ加熱、および熱限界に関連したＩ２ｔ値を計算するためには必須である。例えば、各ＡＳＩＣは、このＩ２ｔ値を使用して異なる印加構成（例えば、Ｉ２ｔ式に基づく計算される期間の間の過電流）の下で可変のトリップ時間（すなわち、下流のデバイスからの電力を除去）を制御するアナログプロセッサ３３４を含んでいる。
【００３１】
前述のように、各ＡＳＩＣは、ゼロ交差電流処理／検出部３３９およびゼロ交差電圧処理／検出部３４１を含んでいる。ゼロ交差電圧検出は、中央集中ロケーション（例えば、電源モジュール）で行われる。このゼロ交差電圧検出により、ＡＣライン電圧と位相の合った方形波が表される（したがって、これはＡＣライン電圧の周期と位相に従う（一定周波数または可変周波数））。このゼロ交差電流処理／検出部３３９およびゼロ交差電圧処理／検出部３４１は、ＡＣモードで動作する際に、この対応するパワースイッチングデバイスのオン／オフ作動化タイミングおよび各不作動化タイミングを制御するために使用される。ソフトスタート関数は、ＤＣモードで動作する際に使用されることが当業者には理解されよう。このソフトスタートは、当技術分野においてよく知られているように単純ランプ関数、対数関数、Ｓ−関数などとすることが可能である。
【００３２】
さらに従来技術の設計とは異なり、このＥＬＭＣの設計により、個々のＡＳＩＣがそれによって連動して動作できるように調整することが可能になる。図３Ａに示すように、このＬＭＭ３１０は、複数（例えば、図に示すように８つ）のパワースイッチングデバイス３２０、および対応するＡＳＩＣ３３０を有している。例えば、３つのＡＳＩＣ３３０をＡＣモードで連動動作させて３相の電源を制御することができる。以前に述べた米国特許第５，７５２，０４７号など従来のシステムには、多相の負荷を調整して制御する実用的な方法が存在しない。ＡＳＩＣ３３０を連動して動作させることができるソフトウェア制御により、連動する各ＡＳＩＣの動作を他の連動するＡＳＩＣ３３０と協調させることになることが当業者には理解されよう。例えば、連動動作においては、連動するＡＳＩＣのうちの１つが制御するＰＳＤのうちの１つを作動化するコマンドは、他の連動するＡＳＩＣに関連した他のＰＳＤを作動化する役割を果たすことになる。さらに、連動動作（例えば、トリップ、ステータスなど）において協調する他の関連した関数は、当技術分野においてよく知られており、本明細書中では詳述しないことにする。
【００３３】
図３Ａｂに示すように、ローカルマイクロコントローラ３１０は、ＡＳＩＣ３３０の高電圧側のドライバおよび光カプラ３４０を使用した電力線から絶縁分離される。冗長電源３４２、３４４は、個々のＡＳＩＣチャネルに通電し、絶縁を保持する。この冗長電源３４２、３４４は、電力をＡＳＩＣ３３０に供給する絶縁された低電力ＤＣ−ＤＣコンバータである。ＤＣ−ＤＣコンバータについては当技術分野においてよく知られており、本明細書中ではさらには説明しないことにする。
【００３４】
光カプラ３４０は、マイクロコントローラ３１０とＡＳＩＣ３３０の間の絶縁された通信ブリッジを提供する様々な個別のカプラを含んでいる。マイクロコントローラ３１０からＡＳＩＣ３３０へと渡される信号のうちの１つが、図３Ｂａに示すようにチャネルＩＤ信号であり、この信号をデコーダ３４５によって復号化して適切なＡＳＩＣ３３０を有効にする。したがって、各ＡＳＩＣ３３０は、関連したチャネルＩＤ（例えば、１〜ｎ）を有しており、このＩＤは、各ＡＳＩＣ３３０によって制御されるＰＳＤ３２０に対応している。したがって、このチャネルＩＤ信号は、適切なコマンドと共にすべてのＡＳＩＣ３３０に同報通信することが可能であり、所望のＰＳＤ３２０だけが作動化されることになる。ＶＭＣ５０が生成するアドレス（チャネルＩＤ）は、ＡＳＩＣ３３０のワイヤードロケーションＩＤ３４７と比較され、これらが一致するときにこの情報は、このＡＳＩＣ３３０の内部に渡される。例えば、ＶＭＣ５０は、ゲートウェイモジュール１００およびローカルマイクロコントローラ３１０を介してデバイスのアドレスおよびそのデバイス用のコマンドを適切なＡＳＩＣ３３０に対して送信する。このＶＭＣ５０からのデータは、このゲートウェイモジュール１００を介して内部シリアルバスに渡される。この内部バス上のシリアル通信は、このローカルマイクロコントローラ３１０によって受信され、内部でＡＳＩＣ３３０に中継され、ここで、各ＡＳＣＩＣ３３０は、この情報に関連するこのアドレス（チャネルＩＤ）をそのワイヤードロケーションＩＤ３４７と比較する。このアドレスとワイヤードロケーションＩＤ３４７が一致するのに応じて、この関連する情報を、後続の処理（例えば、ＰＳＤ３２０の作動化）のためにＡＳＩＣ３３０が受信する。
【００３５】
（今回はエンコーダ３４６を使用した）この同じ方式を使用してこのマイクロコントローラおよびデータを監視するＶＭＣに報告を返すことが可能である。これらのシリアル通信技法によって、複数チャネルを有するシステムについての光カプラ数が最小になることが当業者には理解されよう。
【００３６】
ＰＳＤ３２０は、気密封止コンポーネントおよび極限環境状態のためのパッケージングを使用することができ、また商業上の用途ではプラスチックパッケージを使用することもできる。このＰＳＤ３２０は、パワーＭＯＳＦＥＴ技術を使用してパワースイッチングデバイスからの電力消費を最小にし、ＡＣ機能もＤＣ機能も提供する。各ＰＳＤは、少なくとも１つのトランジスタ／スイッチングデバイス（図示せず）、センス抵抗（シャント）３２２および温度センサ３２４を含んでいる。各ＡＳＩＣ３３０は、図３Ｂに示すように、熱シャットダウン回路３３６を含んでおり、これは、温度センサ３２４で検出されたとき、このパワースイッチングデバイスの基板が所定の基準温度を超過したときには、この対応するパワースイッチングデバイスをオープンにする。この所定の基準温度は、外部設定抵抗（図示せず）を使用して調整することが可能である。このＥＬＭＣの動作は、ＰＳＤ３２０の保全性に非常に依存するので、各ＰＳＤ３２０の接合温度は、その安全な動作領域内に維持されるべきである。これを達成するために、このパワー半導体についてのシリコンの量の注意深い選択と熱経路の最適化が行われている。ＬＭＭ３１０の設計により、前述のように、適切な冷却が行われ、関連するＡＳＩＣ３３０を介してＰＳＤ３２０についての熱シャットダウン保護機能が組み込まれる。
【００３７】
別の実施形態では、個々のＭＯＳＦＥＴトランジスタにおけるワイヤボンドが、トランジスタと直列のヒューズリンクとしての役割を果たすように設計される。ＭＯＳＦＥＴトランジスタに固有の弱点の１つは、デバイスが故障したときのドレインとソースの間で形成される短絡回路である。パワースイッチングデバイスおよび保護デバイスにおいて、この故障モードは、この保護されたデバイス（例えば、負荷、配線など）について、壊滅的なものとなり得る。したがって、ワイヤボンドをヒューズリンクとしての役割を果たすように設計することにより、この保護されたデバイスへのダメージを緩和することができる。ヒューズの設計において使用される同様なデザインルール（例えば、保護された配線の安全動作領域の下で計算されるＩ２ｔ）を適用することによって、このＭＯＳＦＥＴワイヤボンドは、このＳＳＳＤの公称電流定格についての遅延ヒューズ（例えば、１０アンペアの公称定格電圧についての１４アンペアのヒューズ）を提供するように設計することが可能である。この特定の設計判断基準が、ワイヤボンド材、予想される周囲温度および動作温度などのファクタ数に依存することが当業者には理解されよう。さらに、ＭＯＳＦＥＴが並列に接続されるときに良好な電流共用デバイスであるので、ヒューズリンクを並列化することもまた設計において考慮されることになる。
【００３８】
ＥＬＭＣパッケージングは、図４に示すように実装することができる。この特定のケースでは、このＥＬＭＣは、１枚のリレーＬＭＭカード４０５、５枚のＡＣ  ＳＳＳＤ  ＬＭＭ４０６ないし４１０、１枚の電源カード４１１、１枚の（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｌｏａｄ  Ｃｏｎｔａｃｔｏｒ  ＵｎｉｔＥＬＣＵ；電子的負荷接触器ユニット）カード４１２、５枚のＤＣ  ＳＳＳＤ  ＬＭＭ４１３ないし４１７、および１枚のゲートウェイカード４１８を含んでいる。このリレーカードは、ＳＳＳＤ  ＬＭＭと同様に構築される。このリレーカードは、１相のＡＣまたはＤＣ用途についての複数の２ＰＤＴ（ｐｏｌｅ  ｄｏｕｂｌｅ  ｔｈｒｏｗ；極双投）スイッチ、ＡＣ３相用途についての４ＰＤＴスイッチ、およびこのローカルマイクロコントローラによって制御される関連するリレードライバを含んでいる。関連する監視回路が必要に応じて提供される。１枚のＥＬＣＵカードが、ＥＬＭＣの外部にある複数の電気機械的接触器を制御するために提供される。このＥＬＣＵカードはＳＳＳＤ  ＬＭＭと同様に構築される。このＳＳＳＤは、接触器コイルドライバとして使用される。このＡＳＩＣは、接触器の極を介して導通する電流を監視し、前述と同様にして関連する監視を実施する。このシャーシの前面の環状コネクタ４２１は、ホストのビークルとの電気的インターフェースである。このＬＭＭに対する内部通信、信号の調整、および内部電源は、このシャーシの底部半分にあるマザーボードカード４１９によって処理される。すべての電源線および配電線は、バックプレーン４２０を使用してこの底部の他の半分上で配線される。
【００３９】
以前に論じたように、各ＬＭＭは、いくつかのＳＳＳＤを制御し監視する埋込み型マイクロコントローラを含んでいる。このＬＭＭは、シリアルデータバスを介して他のサブシステムプロセッサと通信するスタンドアローンモジュールとして機能することが可能であり、またこのマザーボード４１９に沿って延びるこのシリアルデータバスを介してゲートウェイモジュールカードと通信することが可能である。この個々のＬＭＭシステムアーキテクチャが限られた使用可能な入力数に基づいて局所的な判断を行う機能に対応できるように設計されることが当業者には理解されよう。
【００４０】
図５は、ＡＳＩＣ３３０のトリップ機能のプログラム可能な態様を示すものである。このＬＭＭのＳＳＰＣが一般に離散的な電力範囲（例えば、５アンペア、１５アンペアおよび２５アンペア）について設計されるので、このＡＳＩＣを離散的な電力範囲の間にあるレベルでトリップするようにプログラムする方法を有することが望ましい。例えば、２０アンペアしか必要としない負荷のために２５アンペアのシステムを供給することもあり得る。したがって、このトリップ条件は、必要な２０アンペアを示すように調整すべきであり、このモジュールの限度一杯の２５アンペアとすべきではない。したがって、デジタル制御されたポテンショメータ６００が、以前に説明したＡＳＩＣ３３０とインターフェースするように提供されて、このＩ２ｔ特性および瞬時トリップ機能が調整される。
【００４１】
このデジタル制御されたポテンショメータ６００は、不揮発性メモリ６０１およびプログラム可能ポテンショメータ６０２を備えている。これはデジタルポテンショメータ６００の簡略化版であり、かかるデバイスおよび等価な可変抵抗は、市販されていることが当業者には理解されよう。したがって、本発明はこの特定のデバイスに限定されるものではなく、同様な機能を提供するどのようなデバイスを利用することもできる。この例では、摺動子６０３の位置は、不揮発性メモリ６０１に記憶され、この位置は後続の電源投入動作ごとに回復される。コンポーネントの選択（すなわち、プログラムすべきＡＳＩＣに対応するデジタルポテンショメータのアドレス）、摺動子の移動方向（センス）および増分数（増分）は、低電圧側のコンポーネントの電気絶縁を保持するために光カプラを介してこのローカルマイクロコントローラから送られる。このプログラム可能ポテンショメータ６０１の抵抗値（Ｒ−値）は、デジタルポテンショメータ６００からこのマイクロコントローラへのフィードバックとして提供される。このデジタルポテンショメータ６００とこのローカルマイクロコントローラ／ＶＭＣの間の通信（例えば、Ｒ−値、センス、増分、アドレス）は、絶縁する必要がある独立の通信線の数を減らすための、以前に説明したシリアルアドレス指定技法、復号化技法および符号化技法を使用して実施することができる。あるいは、これらの通信は、独立した線、またはこのシステム設計パラメータ（例えば、チャネル数、通信されるデータ、使用可能な光カプラ数、回路ボードサイズなど）に最も適合するこれらの技法の組合せを使用して実施することができる。
【００４２】
ＡＳＩＣ３３０のＴＲＩＰ＿ＰＲＯＧ入力に接続されたプログラム可能ポテンショメータ６０１の抵抗値を変更することにより、増幅器の利得をデジタルポテンショメータ６００によってプログラムしてこのトリップ曲線の対応する定格にこの電流読取りをスケールすることが可能である。さらに、万一デジタルポテンショメータ６００が故障した場合に、フェイルセーフ抵抗６１０を提供して開回路状態が起こらないようにすることができる。例えば、このフェイルセーフ抵抗６１０は、ＡＳＩＣ３３０に関連するＰＳＤを格付けする最小電流に対応したものとすることができる。外部のデジタルポテンショメータ６００を用いてこのＡＳＩＣの過電流保護特性をプログラムすることにより、ＡＳＩＣ上の処理負荷は、このＡＳＩＣとこのマイクロコントローラの間の通信要件と同様に減少する。さらに、このデジタルポテンショメータがこの設定値を記憶する不揮発性メモリを有するので、このトリップ位置を一度設定し、状態が変化することによって必要となるまでは再プログラムしなくて済むようにすることができる。したがって、本システムでは、従来技術のシステムにおいて必要とされるようには、電源投入／リセットシーケンス後ごとにこのデバイストリップパラメータを再ロードする必要がない。
【００４３】
図６を参照すると、本発明の電流報告機能のブロック図が示されている。この電流は、このＰＳＤ内部のシャント抵抗３２２から検出され、ＡＳＩＣ３３０によって処理されて以前に説明したように真のＲＭＳ電流値が生成される。この真のＲＭＳ電流値は、Ｉ２ｔ計算のために使用される。さらに、この真のＲＭＳ電流値は、電圧周波数コンバータ３８１において周波数へと変換される。この周波数出力は、低電圧コンポーネントと高電圧コンポーネントを絶縁するために光カプラ３８２を介して受け渡しされ、それによってこのＡＳＩＣとローカルマイクロコントローラ間の電気絶縁が保たれる。この絶縁された周波数がこのマイクロコントローラに提供されて、この真のＲＭＳ電流値がこのマイクロコントローラにもたらされる。基本的なアキュムレータを使用してこの周波数入力をこの真のＲＭＳ電流値を表すデジタル値に変換することができる。しかし、この周波数信号をデジタル値に変換する他の方法が存在し、これらの方法を使用してこのＲＭＳ電流値をこのマイクロコントローラに供給することができることが当業者には理解されよう。
【００４４】
さらに、このローカルマイクロコントローラ３１０にインターフェースすることにより、このＬＭＭは、追加のデバイス、ロジックなどにインターフェースすることができる。このローカルマイクロコントローラ３１０は、割込み（ＩＲＱ）ポートを介して、またシリアル通信バス２、３を介して埋込み型アナログデジタルコンバータおよびロジックＩ／Ｏにおいてアナログ信号および離散信号４を用いてインターフェースすることが可能である。例えば、ＧＦＩ（ｇｒｏｕｎｄ  ｆａｕｌｔ  ｉｎｔｅｒｒｕｐｔｅｒ；接地故障遮断器）機能をこのローカルマイクロコントローラ３１０にインターフェースして、（関連するＰＳＤのスイッチを切ることによって）人や装置をさらに保護することができる。さらにＡＦＤ（Ａｒｃ  Ｆａｕｌｔ  Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ；アーク故障検出）機能を使用して航空機または他のビークル中の配線を保護することが可能である。この配電システムの外部で処理されるロジック機能は、同様にしてローカルマイクロコントローラ３１０に対してインターフェースすることができる。例えば、この温度が低いしきい値に達した後に６０秒遅れてファンを切る必要があり、あるいは２つの離散信号が共に高ロジックレベルにある場合にはこの電源のスイッチを切る必要がある。これらのタイプのロジック機能は、このローカルマイクロコントローラ中で簡単に実施される。したがって、他の場合にはこれらの動作を制御するために必要となる一部のリレーロジックは、外部の離散信号およびアナログ入力信号４を用いて入力を介してこれらの信号をこのローカルマイクロコントローラに提供することによってなくすることが可能である。モトローラ社の６８ＨＣ９１２シリーズなどの市販のマイクロコントローラは、以上で説明した動作を可能とするアナログ入力機能およびデジタル入力機能を集積化していることが、当業者には理解されよう。したがって、このインターフェースの詳細については、本明細書中でさらには説明しないことにする。
【００４５】
前記は、本発明の原理を単に示すにすぎない。本明細書中で明示的には説明され示されはいないが、当業者なら本発明の趣旨および範囲を実施する様々な構成について工夫することができるようになることが理解されよう。例えば、説明した各コンポーネントは、全体ユニット（例えば、ＬＲＵ）として、またはモジュール（例えば、ライン交換可能モジュールＬＲＭ）として使用することができる。さらに、このＡＳＩＣは、このＰＳＤおよび関連エレクトロニクスと組み合わせてハイブリッド容器に入れてパッケージして１つのソリッドステート電力コントローラ機能を提供することが可能である。したがって、本発明の範囲は、前述の説明によっては限定されず、ただ添付の特許請求の範囲によってのみ定義される。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１ａ】本発明の一態様によるモジュール方式アーキテクチャを示す図である。
【図１ｂ】本発明の一態様によるモジュール方式アーキテクチャを示す図である。
【図２】本発明の一態様による、ビークルを伴うＥＬＭＣ通信のブロック図である。
【図３Ａａ】本発明の一態様による負荷管理モジュールのブロック図の一部分を示す図である。
【図３Ａｂ】本発明の一態様による負荷管理モジュールのブロック図の一部分を示す図である。
【図３Ｂａ】本発明の一態様による特定用途向け集積回路中のロジックのブロック図の一部分を示す図である。
【図３Ｂｂ】本発明の一態様による特定用途向け集積回路中のロジックのブロック図の一部分を示す図である。
【図３Ｂｃ】本発明の一態様による特定用途向け集積回路中のロジックのブロック図の一部分を示す図である。
【図４】本発明の一態様によるＥＬＭＣのパッケージングを示す図である。
【図５】本発明の一態様によるプログラム可能なトリップ機能を示す図である。
【図６】本発明の一態様による電流報告機能を示す図である。
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図２】
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【図３Ａａ】
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【図３Ａｂ】
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【図３Ｂａ】
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【図３Ｂｂ】
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【図３Ｂｃ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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