(57)【要約】【課題】突入電流及び放電電流の両方を制限する双方向性電流リミッタが提供される。【解決手段】実施例は、突入制限ステージ４１０及び放電制限ステージ４１２を有する電流リミッタ４０８へ向けられる。突入制限ステージは、放電制限ステージと直列に通信可能に結合される。突入制限ステージは、第１の入力電流を第１の方向に受け、第１の入力電流に対して突入制限操作を実行し、突入制限出力電流を第１の方向の放電制限ステージへ通すように構成される。放電制限ステージは、第１の方向へ実質的に不変の突入制限出力電流を通すように構成される。放電制限ステージは、さらに、第２の入力電流を第２の方向に受け、第２の入力電流に対して放電制限操作を実行し、放電制限出力電流を第２の方向の突入制限ステージへ通すように構成される。突入制限ステージは、さらに、第２の方向へ実質的に不変の放電制限出力電流を通すように構成される。【選択図】図４
2017079584.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
突入制限ステージと、
前記突入制限ステージと直列に通信可能に結合された放電制限ステージと、
を備える電流リミッタであって、
前記突入制限ステージが、第１の入力電流を第１の方向に受け、前記第１の入力電流に対して突入制限操作を実行し、突入制限出力電流を前記第１の方向の前記放電制限ステージへ通すように構成され、
前記放電制限ステージが、前記第１の方向へ実質的に不変の前記突入制限出力電流を通すように構成され、
前記放電制限ステージが、さらに、第２の入力電流を第２の方向に受け、前記第２の入力電流に対して放電制限操作を実行し、放電制限出力電流を前記第２の方向の前記突入制限ステージへ通すように構成され、
前記突入制限ステージが、さらに、前記第２の方向へ実質的に不変の前記放電制限出力電流を通すように構成されることを特徴とする電流リミッタ。
【請求項２】
前記突入制限操作が、前記第１の入力電流が所定の定常状態突入リミットを超過するとの確定に少なくとも部分的に基づいて前記突入制限出力電流を生成することを含むことを特徴とする請求項１に記載のリミッタ。
【請求項３】
前記放電制限操作が、前記第２の入力電流が所定の定常状態放電リミットを超過するとの確定に少なくとも部分的に基づいて前記放電制限出力電流を生成することを含むことを特徴とする請求項１に記載のリミッタ。
【請求項４】
前記突入制限ステージが、双方向性スイッチング回路を含み、
前記双方向性スイッチング回路が、前記第１の方向へ前記双方向性スイッチング回路を通過する電流に少なくとも部分的に基づいて前記突入制限操作を実行するように構成され、
前記双方向性スイッチング回路が、さらに、前記第２の方向へ前記双方向性スイッチング回路を通過する電流に少なくとも部分的に基づいて閉スイッチ操作を実行するように構成され、
前記閉スイッチ操作が、前記第１の方向へ前記双方向性スイッチング回路を通過する実質的に不変の電流を通すことを含むことを特徴とする請求項１に記載のリミッタ。
【請求項５】
前記放電制限ステージが、双方向性スイッチング回路を含み、
前記双方向性スイッチング回路が、前記第２の方向へ前記双方向性スイッチング回路を通過する電流に少なくとも部分的に基づいて前記放電制限操作を実行するように構成され、
前記双方向性スイッチング回路が、さらに、前記第２の方向へ前記双方向性スイッチング回路を通過する電流に少なくとも部分的に基づいて閉スイッチ操作を実行するように構成され、
前記閉スイッチ操作が、前記第２の方向へ前記双方向性スイッチング回路を通過する実質的に不変の電流を通すことを含むことを特徴とする請求項１に記載のリミッタ。
【請求項６】
前記突入制限ステージの突入制限回路構成部品セットが、前記放電制限ステージの放電回路構成部品セットに対して鏡像関係に配置されることを特徴とする請求項１に記載のリミッタ。
【請求項７】
前記放電制限ステージが、前記突入制限ステージへ逆直列関係で通信可能に結合されることを特徴とする請求項６に記載のリミッタ。
【請求項８】
前記突入制限ステージが、
抵抗性回路と、
前記抵抗性回路に通信可能に結合されたコンパレータ回路と、
前記抵抗性回路及び前記コンパレータ回路に通信可能に結合されたスイッチング回路と、
を備え、
前記突入制限操作が、
前記抵抗性回路を使用して、前記第１の方向の前記第１の入力電流の一部を感知し、
前記コンパレータ回路を使用して、前記抵抗性回路によって感知された前記第１の入力電流の前記一部が突入電流リミットを超過するかどうかを確定し、
前記抵抗性回路によって感知された前記第１の入力電流の前記一部が前記突入リミットを超過するとの前記コンパレータ回路の確定に少なくとも部分的に基づいて、前記コンパレータ回路を使用して、前記突入制限出力電流を生成して前記突入制限出力電流を前記第１の方向の前記放電制限ステージへ通すように前記スイッチング回路を起動させる、
ことを含むことを特徴とする請求項１に記載のリミッタ。
【請求項９】
前記放電制限ステージが、
抵抗性回路と、
前記抵抗性回路に通信可能に結合されたコンパレータ回路と、
前記抵抗性回路及び前記コンパレータ回路に通信可能に結合されたスイッチング回路と、
を備え、
前記放電制限操作が、
前記抵抗回路を使用して、前記第２の方向の前記第２の入力電流の一部を感知し、
前記コンパレータ回路を使用して、前記抵抗性回路によって感知された前記第２の入力電流の前記一部が放電電流リミットを超過するかどうかを確定し、
前記抵抗性回路によって感知された前記第２の入力電流の前記一部が前記放電リミットを超過するとの前記コンパレータ回路の確定に少なくとも部分的に基づいて、前記コンパレータ回路を使用して、前記放電制限出力電流を生成して前記放電制限出力電流を前記第２の方向の前記突入制限ステージへ通すように前記スイッチング回路を起動させる、
ことを含むことを特徴とする請求項１に記載のリミッタ。
【請求項１０】
電流リミッタの形成方法であって、
突入制限ステージを提供し、
前記突入制限ステージと直列に通信可能に結合された放電制限ステージを提供し、
前記突入制限ステージが、第１の入力電流を第１の方向に受け、前記第１の入力電流に対して突入制限操作を実行し、突入制限出力電流を前記第１の方向の前記放電制限ステージへ通すように構成し、
前記放電制限ステージが、前記第１の方向へ実質的に不変の前記突入制限出力電流を通すように構成し、
前記放電制限ステージが、第２の入力電流を第２の方向に受け、前記第２の入力電流に対して放電制限操作を実行し、放電制限出力電流を前記第２の方向の前記突入制限ステージへ通すように構成し、
前記突入制限ステージが、前記第２の方向へ実質的に不変の前記放電制限出力電流を通すように構成する、
ことを含むことを特徴とする、電流リミッタの形成方法。
【請求項１１】
前記突入制限ステージが、双方向性スイッチング回路を含み、
前記方法が、さらに、
前記双方向性スイッチング回路が、前記第１の方向へ前記双方向性スイッチング回路を通過する電流に少なくとも部分的に基づいて前記突入制限操作を実行するように構成し、
前記双方向性スイッチング回路が、前記第２の方向へ前記双方向性スイッチング回路を通過する電流に少なくとも部分的に基づいて閉スイッチ操作を実行するように構成する、
ことを含み、
前記閉スイッチ操作が、前記第１の方向へ前記双方向性スイッチング回路を通過する実質的に不変の電流を通すことを含むことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記放電制限ステージが、双方向性スイッチング回路を含み、
前記方法が、さらに、
前記双方向性スイッチング回路が、前記第２の方向へ前記双方向性スイッチング回路を通過する電流に少なくとも部分的に基づいて前記放電制限操作を実行するように構成し、
前記双方向性スイッチング回路が、前記第２の方向へ前記双方向性スイッチング回路を通過する電流に少なくとも部分的に基づいて閉スイッチ操作を実行するように構成する、
ことを含み、
前記閉スイッチ操作が、前記第２の方向へ前記双方向性スイッチング回路を通過する実質的に不変の電流を通すことを含むことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
さらに、前記突入制限ステージの突入制限回路構成部品セットを、前記放電制限ステージの放電回路構成部品セットと鏡像関係に配置することを含むことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
さらに、前記放電制限ステージを、逆直列関係で前記突入制限ステージへ通信可能に結合させることを含むことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１５】
前記突入制限操作が、前記第１の入力電流が所定の定常状態突入リミットを超過するとの確定に少なくとも部分的に基づいて前記突入制限出力電流を生成することを含み、
前記放電制限操作が、前記第２の入力電流が所定の定常状態放電リミットを超過するとの確定に少なくとも部分的に基づいて前記放電制限出力電流を生成することを含むことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、概して、電流サージから回路及び構成部品を保護することに関し、より具体的には、突入電流及び放電電流の両方を制限する双方向性電流リミッタに関するものである。
【０００２】
［米政府のライセンス権］
本開示で説明する発明は、政府契約番号ＮＮＭ０７ＡＢ０３Ｃの下で米航空宇宙局から授与された政府支援を受けて実現された。米国政府は、本発明に特定の権利を有する。
【背景技術】
【０００３】
電子回路の全体的な有効性は、電源断中のホールドアップ時間、突入電流及び放電電流などの、種々の性能関連因子に依存する。
【０００４】
用語「ホールドアップ時間」は、入力電力喪失後に規定電圧範囲内で回路が作動を維持可能な、通常ミリ秒単位で測定される全時間を指す。多くの「高信頼性」システム（例えば、航空宇宙システム）は、短期入力電源断中であっても特定の重要な回路またはモジュールが作動を維持することを要求する。入力電源断は、電力入力ワイヤの短絡によって、または、電源バス故障発生時における一次電源から冗長電源への切り替えによって発生する場合がある。電源断中の回路作動維持方法の１つは、回路に、電源断中にアクセス及び利用可能なエネルギーを蓄えておくバルク容量性負荷を備えることである。
【０００５】
突入電流は、電力が最初に投入された際の電気回路が吸い込む最大瞬間入力電流である。例えば、負荷回路に電力が初めて投入されると、負荷回路及びその構成部品の定常電流値を超過する大きな突入電流が流れる。負荷回路が、所望の電流ホールドアップ時間に適合する必要のあり得る大きな静電容量を含む場合、初期電力供給中、負荷回路内へは、それらコンデンサを充電するために大きな電流が流れる。加えて、電力投入直後、負荷回路の他の非容量性構成部品は、低抵抗を示すことがあり、このことも大電流の起因となる。負荷回路構成部品が発熱し暖まると、それらの抵抗値は増加し、電流は定常電流へと低下する。
【０００６】
負荷回路への適用電力が、例えば、電力入力ワイヤ間の短絡によって突然変化すると、電力入力ワイヤ間に低抵抗接続が生じることがある。これは、回路の容量性負荷から流出する過度の放電電流サージに至る。その容量性負荷が、回路の所望ホールドアップ時間への適合要求に優っているからである。過剰な放電電流は、回路内での過度の電力散逸による非常に高い温度を発生させて、上流回路に損傷を与える可能性がある。容量性負荷が完全に充電されて高電圧である場合、生じる放電電流及び電力散逸の規模は、上流回路構成部品に重大な損傷を与える可能性がある。
【０００７】
突入電流の概念を表すために、図１は、負荷回路に電力が投入されたときに発生する電流波形の一例を示す。電力が投入されると、電流は、流れ始めて、定常電流値よりも大きなピーク電流値に到達する。電流値は、それから、定常電流に安定するまで徐々に減少する。電流が定常状態に到達する以前の、波形の陰影部分が、突入電流である。突入電流の大きさ（すなわち、ピーク電流値と定常電流値との差）及び継続時間（すなわち、パルス幅）に応じて、突入電流の大きさが、負荷回路またはその構成部品に許容可能な電流値を超過した場合、負荷回路及び／または構成部品が過熱し、負荷回路及び／または構成部品が誤作動または故障する可能性がある。図１に類似の波形が、放電電流に対しても発生することがある。放電電流は、正の方向へ時間軸（すなわち、「ｘ」軸）に沿って後に、突入電流の鏡像として生じる。したがって、放電電流は、電流軸（すなわち、「ｙ」軸）に沿って負の方向へまたは反対方向へ流れる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述のように、回路の全体的な有効性は、電源断中のホールドアップ時間、突入電流及び放電電流などの、種々の性能関連因子に依存する。とりわけ、回路内に比較的に大きな容量性負荷を提供することによって、ホールドアップ時間への対策が取られる場合は、突入電流及び放電電流に対する電位は、さらにより大きいものとなる。このため、所望のコンデンサ・ベースのホールドアップ時間、突入電流リミット及び／または放電電流リミットを設けた単純で効率的な回路構成を提供することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
実施例は、突入制限ステージ及び放電制限ステージを有する電流リミッタへ向けられる。突入制限ステージは、放電制限ステージと直列に通信可能に結合される。突入制限ステージは、第１の方向に第１の入力電流を受け、第１の入力電流に対して突入制限操作を実行し、突入制限出力電流を第１の方向の放電制限ステージへ通すように構成される。放電制限ステージは、第１の方向へ実質的に不変の突入制限出力電流を通すように構成される。放電制限ステージは、さらに、第２の方向に第２の入力電流を受け、第２の入力電流に対して放電制限操作を実行し、放電制限出力電流を第２の方向の突入制限ステージへ通すように構成される。突入制限ステージは、さらに、第２の方向へ実質的に不変の放電制限出力電流を通すように構成される。
【００１０】
実施例は、さらに、電流リミッタの形成方法へ向けられる。その方法は、突入制限ステージと、その突入制限ステージと直列に通信可能に結合された放電制限ステージとを提供することを含む。方法は、さらに、突入制限ステージが、第１の方向に第１の入力電流を受け、第１の入力電流に対して突入制限操作を実行し、突入制限出力電流を第１の方向の放電制限ステージへ通すように構成することを含む。方法は、さらに、放電制限ステージが、第１の方向へ実質的に不変の突入制限出力電流を通すように構成することを含む。方法は、さらに、放電制限ステージが、第２の方向に第２の入力電流を受け、第２の入力電流に対して放電制限操作を実行し、放電制限出力電流を第２の方向の突入制限ステージへ通すように構成することを含む。方法は、さらに、突入制限ステージが、第２の方向へ実質的に不変の放電制限出力電流を通すように構成することを含む。
【００１１】
実施例は、さらに、電圧源、電圧源に通信可能に結合された容量性負荷、及び、電圧源及び容量性負荷に通信可能に結合された双方向性電流リミッタを含む電流制限回路へ向けられる。双方向性電流リミッタは、突入制限ステージと、突入制限ステージと直列に通信可能に結合された放電制限ステージとを含む。突入制限ステージは、第１の方向に第１の入力電流を受け、第１の入力電流に対して突入制限操作を実行し、突入制限出力電流を第１の方向の放電制限ステージへ通すように構成される。放電制限ステージは、第１の方向へ実質的に不変の突入制限出力電流を通すように構成される。放電制限ステージは、さらに、第２の方向に第２の入力電流を受け、第２の入力電流に対して放電制限操作を実行し、放電制限出力電流を第２の方向の突入制限ステージへ通すように構成される。突入制限ステージは、さらに、第２の方向へ実質的に不変の放電制限出力電流を通すように構成される。
【００１２】
本開示の技術によって、追加の特徴及び利点も実現する。本開示の他の実施例及び態様は、この明細書で詳細に説明する。利点及び特徴を有する本開示のより良い理解のためには、説明文及び図面を参照すべきである。
【００１３】
本開示の内容は、特に、明細書末尾の請求項で指摘され、明確に主張される。本開示の前述の及び他の特徴、及び利点は、添付図面と併せて考察すべき以下の詳細説明から明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】負荷回路に電力が投入されると発生し得る突入電流を表す電流波形を示す図である。
【図２】突入または放電制限回路を備えない回路を表す図を示す。
【図３】図２に示す回路内で発生し得る突入電流及び放電電流を表す波形を示す図である。
【図４】本開示による負側双方向性電流リミッタを有する回路を表すブロック図である。
【図５】図４に示す双方向性電流リミッタのより詳細な実施例を表す回路図である。
【図６】図５に示す双方向性電流リミッタがどのように作動可能かを表すタイミング図である。
【図７】１つまたは複数の実施例による方法を表す流れ図を示す。
【図８】１つまたは複数の実施例によるもう１つの方法を表す流れ図を示す。
【図９】本開示による双方向性電流リミッタのもう１つのより詳細な実施例を有する回路を表す回路図である。
【図１０】本開示による正側双方向性電流リミッタを有する回路を表すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
明細書で説明する実施例は、突入電流及び放電電流の両方を制限する双方向性電流リミッタに関する。双方向性電流リミッタは、電源及び容量性負荷を有する回路内に設けられてもよい。１つまたは複数の実施例における双方向性電流リミッタは、放電電流リミッタ・ステージと直列に突入電流リミッタ・ステージを含む。電流は、両方向に突入電流リミッタ・ステージ及び放電電流リミッタ・ステージを通って流れることができる。
【００１６】
突入電流リミッタ・ステージ及び放電電流リミッタ・ステージによって実行される機能は、特定のステージを通過する電流の大きさ及び方向に依存する。例えば、回路に電力が初めて投入されると、第１の方向に（例えば、時計回りに）突入電流リミッタ・ステージを通過する電流の大きさは、突入リミットを超過可能である。突入電流リミッタ・ステージは、第１の方向の電流を感知し、電流に対して突入制限操作を実行し、突入制限電流を第１の方向の放電電流リミッタ・ステージへ通す。突入制限電流が第１の方向へ移動するので、放電電流リミッタ・ステージは、実質的に閉スイッチとして機能し、実質的に不変の突入制限電流を通す。
【００１７】
同様に、例えば電源の入出力ワイヤを横切る短絡によって、回路に適用されている電力が突然中断されると、容量性負荷は、それの入力端子を介して蓄積エネルギーを放出しようとするため、第２の方向へ（例えば、反時計方向へ）回路を通過する放電電流が生じる。第２の方向へ放電電流リミッタ・ステージを通過する放電電流の大きさは、放電リミットを超過可能である。放電電流リミッタ・ステージは、第２の方向の放電電流を感知し、放電電流に対して放電制限操作を実行し、放電制限電流を第２の方向の突入電流リミッタ・ステージへ通す。放電制限電流が第２の方向へ移動するので、突入電流リミッタ・ステージは、実質的に閉スイッチとして機能し、実質的に不変の放電制限電流を通す。
【００１８】
１つまたは複数の実施例における突入電流リミッタ・ステージの構成部品は、放電電流リミッタ・ステージの構成部品の鏡像として構成されるため、突入電流リミッタ・ステージと放電電流リミッタ・ステージとの間には逆直列関係が形成される。
【００１９】
１つまたは複数の実施例における上記の回路は、入力電力の一部を電圧源から吸い込み、それを調整し、調整済み電力を双方向性電流リミッタの能動素子に提供する内部電源回路を含む。調整済み電力は、突入電流リミット及び放電電流リミットを各々独立させて設定するために突入電流リミッタ・ステージ及び放電電流リミッタ・ステージによって使用される複数の基準電圧を独立させて供給するために、さらに分割される。したがって、突入電流リミット及び放電電流リミットは、異なる値に設定されてもよい。回路に適用されている電力が突然中断されると、内部電源は、容量性負荷から放出される電力を受け、その容量性放電電力を、所望の回路ホールドアップ時間の少なくとも一部分に渡って回路作動を維持するよう双方向性電流リミッタの能動素子へ調整済み電力を供給し続けるために使用する。
【００２０】
したがって、突入電流リミッタ・ステージ及び放電電流リミッタ・ステージは、各々、一方向の電流（例えば、時計回りの突入電流）に対しては短絡回路として、また、他方向の電流（例えば、反時計方向への放電電流）に対しては開回路として作用する。突入電流リミッタ・ステージ及び放電電流リミッタ・ステージの電子部品を相互の鏡像として設け、また、突入電流リミッタ・ステージと放電電流リミッタ・ステージとを直列に配置することによって、突入電流リミッタ・ステージと放電制限ステージとの間には逆直列関係が確立される。したがって、両ステージを通る短絡回路状態が同時に存在することは決してなく、また、各ステージを通る電流は、独立させて切り換えることができる。
【００２１】
図２は、電圧源２０２及び容量性負荷２０４を有する回路２００を表す。これには、全く突入制限または放電制限が設けられていない。図３は、印加電圧と、その結果として図２に示す回路２００内で発生し得る電流波形を表す。静電容量及び印加電圧の量に応じて容量性負荷２０４が充電される場合、充電中には一定量のエネルギーが供給されなければならない。また、放電中には一定量のエネルギーが吸収または放散されなければならない。電流制限を利用しない場合、（図３に示す）突入ピーク電流及び放電ピーク電流は、回路内の組み合わせ直列インピーダンスによって制限されるのみである。抑制されなければ、結果として生じる突入ピーク電流及び放電ピーク電流は、印加電圧の上昇時間及び直列インピーダンス値に応じて、数千アンペアになり得る。
【００２２】
図４は、本開示による双方向性電流リミッタ４０８を有する回路４００を表すブロック図である。回路４００は、電圧源４０２、内部電源４０４、負荷４０６及び双方向性電流リミッタ４０８を含み、図示のように構成されて配置される。双方向性電流リミッタ４０８は、放電電流リミッタ・ステージ４１２と直列に突入電流リミッタ・ステージ４１０を含む。電圧源４０２は、負荷４０６に電力を提供する。内部電源４０４は、電圧源４０２によって供給される電力の一部をＶINで受け、突入電流リミッタ・ステージ４１０及び放電電流リミッタ・ステージ４１２へグラウンド（Ｇｎｄ）結合及び調整済みＶOUTを提供する。
【００２３】
突入電流リミッタ・ステージ４１０及び放電電流リミッタ・ステージ４１２によって実行される機能は、特定のリミッタ・ステージ４１０、４１２を通過する電流の方向に依存する。突入電流リミッタ・ステージ４１０を第１の方向に（例えば、時計回りに）通過する電流は、突入電流リミッタ・ステージ４１０に、その電流を感知させ、その電流に対して突入制限操作を実行させ、突入制限電流を第１の方向の放電電流リミッタ・ステージ４１２へ通させる。突入制限電流が第１の方向へ移動するので、放電電流リミッタ４１２は、実質的に閉スイッチとして機能し、実質的に不変の突入制限電流を通す。
【００２４】
同様に、例えば電源４０２の入出力ワイヤを横切る短絡回路によって、電圧源４０２によって回路４００に適用されている電力が突然中断された場合、負荷４０６のいずれの容量性構成部品も、それらの入力端子を介して蓄積エネルギー放出しようとするため、第２の方向へ（例えば、反時計方向へ）回路４００を通過する放電電流を生じさせる。第２の方向へ放電電流リミッタ・ステージ４１２を通過する放電電流の大きさは、放電リミットを超過可能である。放電電流リミッタ・ステージ４１２は、第２の方向の放電電流を感知し、その放電電流に対して放電制限操作を実行し、放電制限電流を第２の方向の突入電流リミッタ・ステージ４１０へ通す。放電制限電流が第２の方向へ移動するので、突入電流リミッタ・ステージ４１０は、実質的に閉スイッチとして機能し、実質的に不変の放電制限電流を通す。
【００２５】
内部電源４０４は、電圧源４０２からの入力電力の一部を吸い込んで、それを調整し、調整済み電力を双方向性電流リミッタ４０８の能動素子へ提供する。調整済み電力は、突入電流リミット及び放電電流リミットを各々独立させて設定するために突入電流リミッタ・ステージ４１０及び放電電流リミッタ・ステージ４１２によって使用される複数の基準電圧を独立させて供給するよう、さらに分割される。電圧源４０２によって回路４００に適用されている電力が突然中断された場合、内部電源４０４は、負荷４０６のいずれの容量性構成部品から放出される電力をも受け、その容量性放電電力を、所望の回路ホールドアップ時間の少なくとも一部分に渡って回路作動を維持するよう双方向性電流リミッタ４０８の能動素子へ調整済み電力を供給し続けるために使用する。
【００２６】
図５は、本開示による双方向性電流リミッタ４０８Ａを有する回路４００Ａを表す。双方向性電流リミッタ４０８Ａは、図４に示す双方向性電流リミッタ４０８のより詳細な実施例である。回路４００Ａは、直流（ＤＣ）電圧源４０２Ａ、内部電源４０４、負荷４０６Ａ及び双方向性電流リミッタ４０８Ａを含み、図示のように構成及び配置される。負荷４０６Ａは、容量性負荷５０２及び抵抗性負荷５０３を含み、図示のように構成及び配置される。双方向性電流リミッタ４０８Ａは、放電電流リミッタ・ステージ４１２Ａと直列に突入電流リミッタ・ステージ４１０Ａを含む。ＤＣ電圧源４０２Ａは、負荷４０６Ａに電力を提供する。内部電源４０４は、ＶINでＤＣ電圧源４０２によって供給される電力の一部を受け、突入電流リミッタ・ステージ４１０Ａ及び放電電流リミッタ・ステージ４１２ＡへＧｎｄ結合及びＶOUTを提供する。
【００２７】
突入電流リミッタ・ステージ４１０Ａ及び放電電流リミッタ・ステージ４１２Ａによって実行される機能は、特定のリミッタ・ステージ４１０Ａ、４１２Ａを通過する電流の方向に依存する。第１の方向へ突入電流リミッタ・ステージ４１０Ａを通過する電流（例えば、時計回りの電流Ｉ１）は、突入電流リミッタ・ステージ４１０Ａに、その電流を感知させ、その電流に対して突入制限操作を実行させ、突入制限電流を第１の方向の放電電流リミッタ・ステージ４１２Ａへ通す。突入制限電流が第１の方向へ移動するので、放電電流リミッタ・ステージ４１２Ａは、実質的に閉スイッチとして機能し、実質的に不変の突入制限電流を通す。
【００２８】
同様に、例えば電源４０２Ａの入出力ワイヤを横切る短絡回路によって、電圧源４０２Ａによって回路４００Ａに適用されている電力が突然中断された場合、容量性負荷５０２は、それの入力端子を介して蓄積エネルギーを放出しようとするため、第２の方向へ回路４００Ａを通過する放電電流（例えば、反時計方向への電流Ｉ２）を生じさせる。第２の方向へ放電電流リミッタ・ステージ４１２Ａを通過する放電電流の大きさは、放電リミットを超過可能である。放電電流リミッタ・ステージ４１２Ａは、第２の方向の放電電流を感知し、その放電電流に対して放電制限操作を実行し、放電制限電流を第２の方向の突入電流リミッタ・ステージ４１０Ａへ通す。放電制限電流が第２の方向へ移動するので、突入電流リミッタ・ステージ４１０Ａは、実質的に閉スイッチとして機能し、実質的に不変の放電制限電流を通す。
【００２９】
内部電源４０４は、電圧源４０２Ａからの入力電力の一部を吸い込み、それを調整し、調整済み電力を双方向性電流リミッタ４０８の能動素子へ提供する。調整済み電力は、突入電流リミット及び放電電流リミットを各々独立させて設定するために突入電流リミッタ・ステージ４１０Ａ及び放電電流リミッタ・ステージ４１２Ａによって使用される複数の基準電圧を独立させて供給するよう、さらに分割される。電圧源４０２Ａによって回路４００Ａに適用されている電力が突然中断された場合、内部電源４０４は、容量性負荷５０２から放出される電力を受け、その容量性放電電力を、所望の回路ホールドアップ時間の少なくとも一部分に渡って回路作動を維持するよう双方向性電流リミッタ４０８Ａの能動素子へ調整済み電力を供給し続けるために使用する。
【００３０】
突入電流リミッタ・ステージ４１０Ａの電子部品（すなわち、５０４、５０６、５０８、５１０）は、実質的に、放電電流リミッタ・ステージ４１２Ａの電子部品（すなわち、５０４Ａ、５０６Ａ、５０８Ａ、５１０Ａ）の鏡像である。したがって、突入電流リミッタ・ステージ４１０Ａと放電電流リミッタ・ステージ４１２Ａとの直列結合は、逆直列結合である。
【００３１】
突入電流リミッタ・ステージ４１０Ａの電子部品は、（電源投入時の電流に経路を提供する）ボディ・ダイオード５０６、電流センス抵抗５０８及びコンパレータ（またはオペアンプ）５１０を有するＭＯＳＦＥＴスイッチ５０４を含み、図示のように構成及び配置される。電流センス抵抗５０８は、コンパレータ５１０の両入力端子を結ぶシャントとして構成される。コンパレータ５１０の出力は、ＭＯＳＦＥＴスイッチ５０４へ印加されるゲート電圧を制御し、それによって、ＭＯＳＦＥＴスイッチ５０４を通過するソース／ドレイン電流を制御する。同様に、放電電流リミッタ・ステージ４１２Ａの電子部品は、（電源投入時の電流に経路を提供する）ボディ・ダイオード５０６Ａ、電流センス抵抗５０８Ａ及びコンパレータ（またはオペアンプ）５１０Ａを有するＭＯＳＦＥＴスイッチ５０４Ａを含み、図示のように構成及び配置される。電流センス抵抗５０８Ａは、コンパレータ５１０Ａの両入力端子を結ぶシャントとして構成される。コンパレータ５１０Ａの出力は、ＭＯＳＦＥＴスイッチ５０４Ａへ印加されるゲート電圧を制御し、それによって、ＭＯＳＦＥＴスイッチ５０４Ａを通過するソース／ドレイン電流を制御する。
【００３２】
内部電源４０４は、ＶINでＤＣ電圧源４０２Ａの正端子から電力を吸い込み、調整済み電力をＶOUTからＭＯＳＦＥＴスイッチ５０４、５０４Ａ及びコンパレータ５１０、５１０Ａへ提供する。ＤＣ電源４０２Ａも、負荷４０６Ａへ電力を供給する。負荷４０６Ａからの戻りラインは、ＭＯＳＦＥＴスイッチ５０４、５０４Ａ及び電流センス抵抗５０８、５０８Ａを通過し、ＤＣ電源４０２Ａの負端子へ流れ戻る。コンパレータ５１０、５１０Ａは、電流センス抵抗５０８、５０８Ａによってモニターされる電流を電圧へ変換する。コンパレータ５１０、５１０Ａは、これらの電圧を、内部電源４０４によって生成された調整済み電力から分割された基準電圧と比較する。コンパレータ５１０に対する基準電圧は、突入電流リミットに対応する。コンパレータ５１０Ａに対する基準電圧は、放電電流リミットに対応する。コンパレータ５１０、５１０Ａが、センス電圧がこれらの基準を超過していると確定すると、ＭＯＳＦＥＴスイッチ５０４、５０４Ａへのゲート駆動電圧が低減され、いずれの方向への電流も制限される。
【００３３】
図６は、図５に示す回路４００ＡのＤＣ電圧源４０２Ａからの印加電圧の適用及び以降の除去中の、特定の信号変化を経時的に表すタイミング図である。図７及び図８は、図５に示す回路４００ＡのＤＣ電圧源４０２Ａからの印加電圧の適用及び以降の除去方法７００、８００を表す。さて、図５に示す回路４００Ａ、図６のタイミング図、ならびに図７及び図８の方法７００、８００を参照しながら、回路４００Ａの作動を説明する。図６のタイミング図の横時間軸（図示せず）に沿って左から右へ移動するとき、内部電源４０４及び負荷４０６Ａへ電圧が印加される（ブロック７０２）。内部電源４０４は、安定し、コンパレータ５１０、５１０Ａのための電力を提供する（ブロック７０４）。コンパレータ５１０、５１０Ａへ全ゲート電圧が印加され、このことにより、コンパレータ５１０、５１０Ａは飽和状態へ到達することが可能である（ブロック７０６）。最初、容量性負荷５０２は実質的に短絡回路であり、電流は、負荷４０６Ａへ、また負荷４０６Ａから、初期に非制御で流れる（ブロック７０８）。負荷４０６Ａからの電流は、ボディ・ダイオード５０６を通過し、電流センス抵抗５０８によって感知される。コンパレータ５１０が、センス電流が閾値を超えていると確定すると、コンパレータ５１０は、ＭＯＳＦＥＴスイッチ５０４のゲート駆動を低減し始めるため、それによる電流がセンス電流を制限する（ブロック７１０）。均衡点に到達することで、充電電流が制限される（ブロック７１２）。容量性負荷５０２がＤＣ源電圧へ充電されるにつれ、突入電流に対する要求は終了し、ＭＯＳＦＥＴスイッチ５０４の全ゲート電圧が回復する。電力は、最小の電圧降下で抵抗性負荷５０３へ供給される。このことは、抵抗性負荷５０３のＭＯＳＦＥＴスイッチ５０４内への最小の電力散逸を可能にする。
【００３４】
その後、印加電圧が突然ゼロへ低下する（ブロック８０２）。これは、ＤＣ電圧源４０２Ａの入出力ワイヤ間の短絡回路に起因するものであってもよい。内部電源４０４は、コンパレータ５１０、５１０Ａのための電力を提供し続ける（ブロック８０４）。全ゲート電圧が、ＭＯＳＦＥＴスイッチ５０４、５０４Ａへ印加される（ブロック８０６）。電流は、容量性負荷５０２から、電圧源４０２Ａを横切って現在存在する短絡回路内へ、初期に非制御で流れる（ブロック８０８）。負荷４０６Ａからの電流は、ボディ・ダイオード５０６、突入リミッタ４１０Ａを通過し、電流センス抵抗５０８Ａによって感知される。コンパレータ５１０Ａが、センス電流が閾値を超えていると確定すると、コンパレータ５１０Ａは、ＭＯＳＦＥＴスイッチ５０４Ａのゲート駆動を低減し始め、それによる電流がセンス電流を制限する（ブロック８１０）。センス電流が制限されると均衡点に到達する（ブロック８１２）。容量性負荷５０２が放電されるにつれ、電流源が終了し、内部電源４０４が枯渇するときに、ＭＯＳＦＥＴスイッチ５０４、５０４Ａのゲート電圧は降下する（ブロック８１４）。
【００３５】
図９は、本開示による双方向性電流リミッタ４０８Ｂを有する回路４００Ｂを表す回路図である。双方向性電流リミッタ４０８Ｂは、図４及び図５に示す双方向性電流リミッタ４０８、４０８Ａのより詳細な実施例である。双方向性電流リミッタ４０８Ｂは、突入電流リミッタ・ステージ４１０Ｂ及び放電電流リミッタ・ステージ４１２Ｂを含み、図示のように構成及び配置される。図４及び図５に示す双方向性電流リミッタの実施例と同様に、突入電流リミッタ・ステージ４１０Ｂの電子部品は、実質的に、放電電流リミッタ・ステージ４１２Ｂの電子部品の鏡像である。したがって、突入電流リミッタ・ステージ４１０Ｂと放電電流リミッタ・ステージ４１２Ｂとの直列結合は、逆直列結合である。
【００３６】
回路４００Ｂには、本開示の非限定的、教示的、例示的な実施例としての回路４００Ｂの具現を促進するよう、十分に詳細な実施例構成部品値を提供している。この回路において、Ｖ１は２８Ｖであり、調整済み電圧は１５Ｖであり、突入及び放電に対する電流制限は１０アンペアである。電流制限は、禁超過（ｎｏｔ−ｔｏ−ｅｘｃｅｅｄ）電流レベルの観点から表現できるし、または、特定の時間に渡って平均電流を制限するアンペア／秒で表してもよい。
【００３７】
図９に示すように、Ｖ１が回路４００Ｂへ印加されると、電流は時計回りに、Ｖ１からＣＬｏａｄへと流れる。ＣＬｏａｄが完全充電されるまで、ＣＬｏａｄは、最初、短絡回路として機能する。したがって、初期電流は、ＣＬｏａｄを通って時計回りに流れ、ＭＯＳＦＥＴ  Ｍ１を通過しようとする。Ｍ１は初期に逆バイアス状態にあるので、開回路のようである。同時に、Ｖ１の一部は、Ｄ１及びＲ１１を通って電圧レギュレータ内へも流れ、電圧レギュレータが、Ｑ２のエミッタに、調整済み１５Ｖ出力を提供する。Ｄ１は、Ｃ２の放電中、逆ベース・エミッタ電圧からＱ２を保護する。Ｄ１は、また、Ｃ２のホールドアップ時間を延長する。調整済み１５Ｖは、コンパレータＵ２及びＵ１を駆動する。調整済み１５Ｖは、また、Ｒ４によって生成される電圧基準をも作り出す。
【００３８】
Ｒ４の底部における電圧基準は、コンパレータＵ２をオンにしようとするＵ２の正入力端子へ繋がっている。このことは、Ｒ５を通る電流がまだ存在しないので、Ｕ２の出力端子が高くなるように付勢する。Ｕ２の負入力端子の電圧はゼロである。しかし、Ｕ２の正入力端子が、Ｕ２の負入力端子に対して正であるため、Ｕ２の出力端子は高くなり、そのことがＭＯＳＦＥＴ  Ｍ１のゲート電圧をオンにする。ＭＯＳＦＥＴ  Ｍ１のゲート電圧が高いと、ＭＯＳＦＥＴ  Ｍ１はオンになり、ＭＯＳＦＥＴ  Ｍ１は、突入電流が、ＣＬｏａｄから時計回りに、ＭＯＳＦＥＴ  Ｍ１、Ｒ５、Ｒ１、及びＭＯＳＦＥＴ  Ｍ２の（上方を指す矢印によって示す）ボディ・ダイオードを通って流れるための経路を提供する。
【００３９】
電力投入時にＣＬｏａｄが非常に低いインピーダンス及び非常に低い電圧を有するため、時計回りの電流は急上昇する。このことは、Ｒ５を横切る比例電圧降下を生じさせる。Ｒ５はＵ２の負入力端子へ繋がっており、Ｒ５を横切る電圧が、Ｕ２の正入力端子に固定された基準電圧を超過すると、Ｕ２の出力端子は、Ｕ２の出力端子電圧を下げることによってＭＯＳＦＥＴ  Ｍ１をオフにしようとする。このことが閉ループ状態を作り出す。この状態における電流は、Ｒ５を横切る電圧がＵ２の正入力端子へ印加された電圧に一致すると、一定の電流モード及び一定の電流値へ安定する。このことにより、ＣＬｏａｄを横切る電圧上昇が抑制され、また、回路４００Ｂを通る突入電流が制限される。ＣＬｏａｄが完全充電されると、電流は急激に低下し、それから、ＭＯＳＦＥＴ  Ｍ１のゲート電圧が高く留まるため、ＭＯＳＦＥＴ  Ｍ１は、再び短絡回路になる。
【００４０】
Ｖ１が、故障条件によって中断されたか、または、電圧源ではなく短絡回路になった場合、ＣＬｏａｄ内に蓄積されたエネルギーは、放電電流を生成する。その放電電流は、ＣＬｏａｄの入力端子から反時計方向へ流出し、ＭＯＳＦＥＴ  Ｍ２を通って流れようとする。ＭＯＳＦＥＴ  Ｍ２は、既に「オン」状態にあるため、放電電流はそれを通過し、Ｒ１によって感知される。結果として生じる電圧降下が、Ｒ１を横切って確立され、Ｕ１の負入力端子によって感知される。Ｕ１が、Ｕ１の負入力端子の電圧がＵ１の正端子の基準電圧を超過していると確定すると、Ｕ１の出力端子は、Ｕ１の出力端子電圧を下げることによってＭＯＳＦＥＴ  Ｍ２をオフにしようとする。これは閉ループ状態を作り出す。この状態における放電電流は、Ｒ１を横切る電圧がＵ１の正入力端子へ印加された電圧に一致すると、一定の電流モード及び一定の電流値へ安定する。このことにより、ＣＬｏａｄからの電圧放電が抑制され、また、回路４００Ｂを通る放電電流が制限される。Ｕ１は、ＣＬｏａｄ内の全エネルギーが放散されてしまうまで、放電電流を安全なレベルへ制御する。
【００４１】
ＣＬｏａｄからの放出エネルギーは、反時計方向へ流れるため、電圧レギュレータをも駆動する。また、ＣＬｏａｄからのこの放出電力は、ＣＬｏａｄからのエネルギーが枯渇するまでの時間に渡って回路４００Ｂを作動状態に維持するために、電圧レギュレータによって使用される。ＣＬｏａｄが枯渇した後、ＭＯＳＦＥＴ  Ｍ１及びＭ２は、開状態になり、電流の流れは終了する。
【００４２】
図１０は、本開示による双方向性電流リミッタ４０８Ｃを有する回路４００Ｃを表すブロック図である。回路４００Ｃは、電圧源４０２、内部電源４０４、負荷４０６及び双方向性電流リミッタ４０８Ｃを含み、図示のように構成及び配置される。双方向性電流リミッタ４０８Ｃは、放電電流リミッタ・ステージ４１２Ｃと直列に突入電流リミッタ・ステージ４１０Ｃを含む。回路４００Ｃは、（図４に示す）回路４００の代替構成である。この回路において、放電電流リミッタ・ステージ４１２Ｃ及び突入電流リミッタ・ステージ４１０Ｃは、電圧源４０２の正端子と負荷４０６との間に設けられる。加えて、内部電源４０４は、放電電流リミッタ・ステージ４１２Ｃと突入電流リミッタ・ステージ４１０Ｃとの間の結線に接続することによって、電圧源４０２が供給する電力の一部にアクセスする。回路４００Ｃ全体に渡って共通グラウンド（Ｇｎｄ）が設けられている。放電電流リミッタ・ステージ４１２Ｃ及び突入電流リミッタ・ステージ４１０Ｃの逆直列結合の順位は、逆であってもよい。
【００４３】
（各々、図５及び図９に示す）双方向性電流リミッタ４０８Ａ、４０８Ｂは、電圧源４０２Ａの「負」側にあるため、Ｖ１、ｎチャネルＭＯＳＦＥＴ５０４、５０４Ａ、Ｍ１、Ｍ２は、一次電流制限操作を実行するために使用される。（図１１に示す）双方向性電流リミッタ４０８Ｃは、電圧源４０２の「正」側にあるため、ｐチャネルＭＯＳＦＥＴ（図示せず）が、一次電流制限操作を実行するために使用される。ｐチャネルＭＯＳＦＥＴが一次電流制限操作を実行するために使用される場合、ＭＯＳＦＥＴをオンにするために、ＭＯＳＦＥＴゲートは、ソース端子に対して負へ引かれる。このｐチャネルＭＯＳＦＥＴ作動ロジックは、双方向性電流リミッタ４０８Ａ、４０８ＢのｎチャネルＭＯＳＦＥＴ５０４、５０４Ａ、Ｍ１、Ｍ２に比較して、反転している。正側ｐチャネルＭＯＳＦＥＴをオフにするために、コンパレータは、それの出力をグラウンド端子へ引き下げることのみが可能であるので、ＰＮＰトランジスタ（図示せず）の形態にあるインバータが使用される。回路４００Ｃ内に過電流状態が存在する場合、センス抵抗が、コンパレータへの閾値電圧を超過する電圧を提供し、この電圧が、コンパレータ出力を引き下げる。これが起こると、ＰＮＰトランジスタはオンにされ、ｐチャネルＭＯＳＦＥＴのゲートから電荷を素早く取り除き、双方向性電流リミッタ４０８Ｃを、電流制限が可能な先に述べた閉ループ・フィードバック・モードへ移行させる。したがって、ＰＮＰトランジスタは、双方向性電流リミッタ４０８ＣのｐチャネルＭＯＳＦＥＴによって形成された反転をキャンセルする。
【００４４】
本開示は、限られた数の実施例のみに関連させて詳述されたが、そのような開示の実施例に限定されないことは容易に理解できる。むしろ、本開示は、明細書に述べられていないが本開示の原理及び範囲に相応な多くの変形例、変更、代用または等価の構成を統合させるよう修正可能である。
【００４５】
加えて、本開示の種々の実施例を説明したが、本開示の態様が、説明した実施例のいくつかのみを含んでもよいことは理解すべきである。したがって、本開示は、前述の説明文によって限定されると解釈すべきではなく、添付の請求項の範囲によってのみ制限される。
【００４６】
用語「約」は、出願申請時に利用可能な器具に基づく特定の数量の測定に関するエラーの程度を含むことを意図している。例えば、「約」は、任意の値の±８％、５％または２％の範囲を含んでもよい。
【００４７】
明細書で使用する用語は、特定の実施例を説明するためだけのものであり、開示を制限することを意図していない。明細書で使用する単数形「１つ」及び「その」は、文脈が明確に否定しない限り、複数形をも含むことを意図している。さらに、本明細書に使用される用語「備える」及び／または「含む」は、記述の特徴、整数、ステップ、作動、要素及び／または構成部品の存在を特定するが、１つまたは複数の他の特徴、整数、ステップ、作動、要素、構成部品及び／またはそれらのグループの存在または追加を排除しないことは理解すべきである。
【００４８】
本開示は、限られた数の実施例のみに関連させて詳述されたが、そのような開示の実施例に限定されないことは容易に理解できる。むしろ、本開示は、明細書に述べられていないが本開示の原理及び範囲に相応な多くの変形例、変更、代用または等価の構成を統合させるよう修正可能である。加えて、本開示の種々の実施例を説明したが、例示的な実施例が、説明の例示態様のいくつかのみを含んでもよいことは理解すべきである。したがって、本開示は、前述の説明文によって限定されると解釈すべきではなく、添付の請求項の範囲によってのみ制限される。
【符号の説明】
【００４９】
２００…回路
２０２…電圧源
２０４…容量性負荷
４００…回路
４０２…電圧源
４０４…内部電源
４０６…負荷
４０８…双方向性電流リミッタ
４１０…突入電流リミッタ・ステージ
４１２…放電電流リミッタ・ステージ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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