用于电路断路器、继电器和接触器的集成电路模块的制作方法

相关专利申请的交叉引用

本申请要求以下申请的优先权并且以引用方式并入其全文：以发明人pramitnandy的名义提交于2019年11月4日且名称为“integratedcircuitmoduleforcircuitbreakersandprotectedrelays(用于电路断路器和保护继电器的集成电路模块)”的美国临时申请序列号62/930,101，以及以发明人pramitnandy的名义提交于2020年9月14日且名称为“integratedcircuitmoduleforcircuitbreakers,relaysandcontactors(用于电路断路器、继电器和接触器的集成电路模块)”的美国实用申请序列号17/019,799。

本文所述的技术整体涉及电路断路器、继电器和接触器。更具体地讲，本文所述的技术涉及用于电路断路器、继电器和接触器中的集成电路模块。

背景技术：

电路断路器、继电器和接触器通常使用这样的机电部件，该机电部件被配置为检测故障和/或危险电路条件并且对此作出响应而停止电力流动。然而，此类机电部件通常存在一个或多个能力缺陷，诸如具有较大的占用面积大小、缓慢的响应时间(如例如在一百或更多毫秒基础上测量)、变化的可靠性、有限的(如果有的话)涌流检测能力、有限的电流感测能力、受限于与部件中的高温相符的条件的检测、有限的相位失衡检测能力、缺少远程监测、控制和警告能力、有限的接地故障、电弧故障、硬短路、过电流和其他检测能力及其他。此外，此类部件通常缺少主动式冷却能力，具有有限的(如果有的话)在线路功率故障场景下执行诊断的能力及其他。因此，需要解决这些和其他问题的电路断路器、继电器和接触器。

技术实现要素：

本公开的各种实施方案描述了用于电路断路器、继电器和其他电接触器的集成电路模块。

根据本公开的至少一个实施方案，集成电路断路器可包括第一固态开关模块(sswm(1))。sswm可被配置为从电源接收具有第一相位的第一线路功率(lp(1))。sswm(1)可被配置为可切换地控制lp(1)，并且经由电路将第一相位下的第一开关功率(sp(1))输出到负载。集成电路断路器可包括第一线路功率传感器(lps(1))，该lps(1)被配置为感测lp(1)的至少一个特征。集成电路断路器可包括第一开关功率传感器(sps(1))，该sps(1)被配置为感测sp(1)的至少一个特征。集成电路断路器可包括：电源模块，该电源模块耦接到sswm(1)、lps(1)和sps(1)中的每一者，并被配置为基于电源模块从lps(1)和sps(1)中的至少一者接收到的至少一个传感器读数来控制sswm(1)的操作状态。

sswm(1)可包括至少一个固态开关。该至少一个固态开关可包括以下的至少一者：与碳化硅结型栅场效应晶体管(“sicjfet”)呈共源共栅配置的硅金属氧化物半导体场效应晶体管(“simosfet”)；第一碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管(“sicmosfet”)；硅超结金属氧化物半导体场效应晶体管(“sjfet”)；以及氮化镓高电子场效应晶体管(“ganfet”)。

lps(1)可被配置为感测lp(1)电流，并且sps(1)可被配置为感测sp(1)电流。lps(1)和sps(1)中的至少一者可被配置为感测温度。lps(1)和sps(1)各自还可包括以下的至少一者：集成感测场效应晶体管(“sensefet”)；感测电阻器；霍尔效应电流传感器；电流感测变压器；以及隧道磁电阻(“tmr”)电流传感器。

集成电路断路器可包括第二固态开关模块(sswm(2))，该sswm(2)被配置为从电源接收具有第二相位的第二线路功率(lp(2))。sswm(2)可以可切换地控制lp(2)，并且将第二相位下的第二开关功率(sp(2))输出到负载。集成电路断路器可包括第二线路功率传感器(lps(2))，该lps(2)被配置为感测lp(2)的至少一个特征。集成电路断路器可包括第二开关功率传感器(sps(2))，该sps(2)被配置为感测sp(2)的至少一个特征。电源模块还可耦接到sswm(2)、lps(2)和sps(2)中的每一者。电源模块还可被配置为基于电源模块从lps(1)、lps(2)、sps(1)和sps(2)中的至少一者接收到的至少一个传感器读数来控制sswm(1)和sswm(2)的操作状态。

集成电路断路器可包括中性线路传感器，该中性线路传感器被配置为感测中性线路的至少一个特征，该中性线路提供从负载经由电路到达电源的电返回路径。

集成电路断路器可包括具有高电压域和低电压域的电源模块。低电压域可包括低电压控制器。高电压域可包括耦接到sswm(1)的栅极驱动器及高电压控制器，该高电压控制器耦接到栅极驱动器，并被配置为向栅极驱动器提供高电压控制信号。集成电路断路器可基于高电压控制信号来配置，使得栅极驱动器生成栅极驱动信号，所述栅极驱动信号将由sswm(1)提供的一个或多个开关配置成开路或闭路操作状态。对于至少一个实施方案而言，集成电路断路器可包括高电压通信元件，该高电压通信元件被配置为促进高电压控制器与低电压控制器的通信耦接。

集成电路断路器可包括低电压域，该低电压域包括线路功率监测器，该线路功率监测器耦接到lps(1)和低电压控制器，并被配置为从lps(1)接收传感器读数，监测所接收到的传感器读数，并且在出现异常线路功率条件时生成至少一个线路功率标志。集成电路断路器可包括低电压域，该低电压域包括开关功率监测器，该开关功率监测器耦接到sps(1)和低电压控制器，并被配置为从sps(1)接收传感器读数，监测所接收到的传感器读数，并且在检测到异常开关功率条件时生成至少开关功率标志。集成电路断路器可包括低电压域，该低电压域包括低电压通信元件，该低电压通信元件被配置为促进低电压控制器与高电压控制器的通信耦接。

集成电路断路器可包括低电压域，该低电压域包括温度监测器。温度模块可被配置为监测sp(1)的温度。集成电路断路器可包括低电压域，该低电压域包括电源控制器模块，该电源控制器模块使低电压域与备用电源耦接。集成电路断路器可包括低电压域，该低电压域包括外部通信模块，该外部通信模块使集成电路断路器与外部控制设备通信地耦接。

集成电路断路器可包括低电压控制器，该低电压控制器可被配置为监测集成电路断路器的操作条件，生成表示操作条件的诊断数据，对从外部控制设备接收到的命令作出响应，并且将低电压控制信号传送到高电压控制器。

集成电路断路器可包括低电压控制信号的使用，该述低电压控制信号引起生成促进电源管理操作中的至少一个电源管理操作的栅极驱动信号。

集成电路断路器可用于配置为执行一个或多个电源管理操作。此类电源管理操作可包括波形整形、波形平衡、故障安全操作、启动操作、最小功率模式、紧急条件掉电和电荷泵浦中的至少一者。

集成电路断路器可被配置为使得电压域与低电压域电隔离。

集成电路断路器可包括冷却元件，该冷却元件被配置为向集成电路断路器提供主动式冷却和被动式冷却中的至少一者。

根据本公开的至少一个实施方案，集成电路继电器模块可包括第一固态开关模块(sswm(1))，该sswm(1)被配置为从电路接收具有第一相位的第一开关功率(sp(1))，可切换地控制sp(1)，并且将第一相位下的第一继电器功率(rp(1))输出到负载。集成电路继电器模块可包括第一继电器功率传感器(rps(1))[156(1)]，该rps(1)被配置为感测rp(1)的至少一个特征。集成电路继电器模块可包括电源模块，该电源模块耦接到sswm(1)和rps(1)中的每一者，并被配置为基于电源模块从rps(1)接收到的至少一个传感器读数来控制sswm(1)的操作状态。

集成电路继电器模块可包括浪涌保护模块，该浪涌保护模块被配置为分流以使sp(1)上出现的电源浪涌接地。

集成电路继电器模块可包括第二固态开关模块(sswm(2))，该sswm(2)被配置为从电路接收具有第二相位的第二开关功率(sp(2))，可切换地控制sp(2)，并且将第二相位下的第二继电器功率(rp(2))输出到负载。集成电路继电器模块可包括第二继电器功率传感器(rps(2))，该rps(2)被配置为感测rp(2)的至少一个特征。集成电路继电器模块可包括第三固态开关模块(sswm(3))，该sswm(3)被配置为从电路接收具有第三相位的第三开关功率(sp(3))，可切换地控制sp(3)，并且将第三相位下的第三继电器功率(rp(3))输出到负载。集成电路继电器模块可包括第三继电器功率传感器(rps(3))，该rps(3)被配置为感测rp(3)的至少一个特征。电源模块可耦接到swsm(2)、swsm(3)、rps(2)和rps(3)中的每一者。电源模块可被配置为基于从rps(1)、rps(2)和rps(3)中的一者或多者接收到的至少一个传感器读数来控制swsm(1)、sswm(2)和swsm(3)中的一者或多者的操作状态。

集成电路继电器模块可包括浪涌保护模块，该浪涌保护模块被配置为分流以使sp(1)、sp(2)和sp(3)中的一者或多者上出现的一个或多个电源浪涌接地。

集成电路继电器模块可包括电源模块，该电源模块具有通信地耦接到高电压域并与高电压域电隔离的低电压域。低电压域可包括低电压控制器、继电器功率监测器，该继电器功率监测器耦接到rps(1)、rps(2)和rps(3)中的每一者及低电压控制器。继电器功率模块可被配置为从rps(1)、rps(2)和rps(3)中的一者或多者接收传感器读数，监测所接收到的传感器读数，并且在检测到异常继电器功率条件时生成至少一个继电器功率标志。

集成电路继电器模块可包括低电压通信元件，该低电压通信元件被配置为促进低电压域与高电压域的通信耦接。集成电路继电器模块可包括温度监测器，该温度监测器被配置为监测rp(1)、rp(2)和rp(3)中的一者或多者的温度。集成电路继电器模块可包括电源控制器模块，该电源控制器模块被配置为使至少低电压域与备用电源耦接。集成电路继电器模块可包括外部通信模块，该外部通信模块使集成电路断路器与外部控制设备通信地耦接。低电压控制器可被配置为监测集成电路继电器模块的操作条件，生成表示操作条件的诊断数据，对从外部控制设备接收到的命令作出响应，并且将低电压控制信号输出到高电压域以便促进sswm(1)、sswm(2)和sswm(3)中的一者或多者的操作状态的控制。

集成电路继电器模块可包括高电压域，该高电压域通信地耦接到sswm(1)、sswm(2)和sswm(3)。高电压域可包括栅极驱动器，该栅极驱动器被配置为控制sswm(1)、sswm(2)和sswm(3)中的每一者的操作状态。高电压域可包括高电压控制器，该高电压控制器耦接到栅极驱动器，并被配置为向栅极驱动器提供高电压控制信号。对于至少一个实施方案而言并且基于高电压控制信号，栅极驱动器可被配置为生成栅极驱动信号，该栅极驱动信号将由sswm(1)、sswm(2)和sswm(3)中的一者或多者提供的一个或多个开关配置成开路操作状态或闭路操作状态。高电压域可包括高电压通信元件，该高电压通信元件被配置为促进高电压控制器与低电压控制器的通信耦接。低电压控制信号可引起生成促进电源管理操作中的至少一者的栅极驱动信号，该电源管理操作包括波形整形、波形平衡、故障安全操作、启动操作、最小功率模式、紧急条件掉电和电荷泵浦。

根据本公开的至少一个实施方案，用于控制负载与电源的电耦接的系统可包括集成电路断路器，该集成电路断路器被配置为从电源接收线路功率并且输出开关功率。该系统可包括机电开关，该机电开关被配置为从集成电路断路器接收开关功率，提供电源与电路之间的气隙，并且输出开关功率。该系统可包括电路，该电路电耦接到机电开关并且被配置为接收开关电功率并向第一负载和第二负载中的至少一者提供开关电功率。该系统可包括集成电路继电器模块，该集成电路继电器模块电耦接到该电路并且被配置为输出继电器功率。该系统可被配置为使得第一负载从集成电路继电器模块接收继电器功率并且第二负载从该电路接收开关功率。该系统可包括集成电路断路器的使用，该集成电路断路器被配置为监测、检测和响应于线路功率和开关功率的至少一个特征。该系统可包括集成电路断路器的使用，该集成电路断路器被配置为监测、检测和响应于继电器功率的至少一个特征。

附图说明

本文针对以下描述和附图中的至少一者进一步公开了由本公开的各种实施方案提供的设备、系统和方法的特征、方面、优点、功能、模块和部件。在附图中，相同类型的类似部件或元件可具有相同的参考标号并且可包括附加的字母指示符，诸如108a-108n等，其中该字母指示符指示带有相同参考标号(例如，108)的部件具有共同的特性和/或特征。此外，部件的各种视图可通过第一参考标记后跟连接号和第二参考标记来区分，其中出于该描述的目的，第二参考标记用于指定该部件的视图。如果在本说明书中仅使用了第一参考标记，则该描述适用于具有相同的第一参考标号的任何类似组件和/或视图，而不考虑任何附加的字母指示符或第二参考标号(如果有的话)。

图1a是使用至少一个集成电路断路器并根据本公开的至少一个实施方案的系统的功能框图。

图1b是使用至少一个集成继电器/接触器并根据本公开的至少一个实施方案的系统的功能框图。

图2a、图2b和图2c是被配置为与集成电路断路器、集成继电器和/或集成接触器的至少一个实施方案一起使用并根据本公开的至少一个实施方案的固态开关模块的实施方案的示意图。

图3是用于集成电路断路器、集成继电器和/或集成接触器中并根据本公开的至少一个实施方案的高电压域的功能框图。

图4a是用于集成电路断路器中并根据本公开的至少一个实施方案的低电压域的功能框图。

图4b是用于集成继电器中并根据本公开的至少一个实施方案的低电压域的功能框图。

具体实施方式

本文所述的各种实施方案涉及用于电路断路器、继电器和接触器的集成电路模块。

如图1a所示并且对于本公开的至少一个实施方案而言，与交流电源系统一起使用的提供一个或多个相位的系统100可包括集成电路断路器模块“icb”102。如图1b所示并且对于本公开的至少一个实施方案而言，与交流电源系统和/或直流电源系统一起使用的提供一个或多个相位的系统150可包括集成电路继电器/接触器模块152(“icr”)。

如本文所用，icb102通常用于使电路137(如通常通过离开配电板并端接于一个或多个插座(未示出)处的接线来为非专用电路进行配置)与电力源109(诸如在结构中的配电板处提供)耦接。电力可由任何提供商诸如由电力公司经由电源线、通过太阳能板或以其他方式提供。电路137通常位于车辆或结构内。对于非专用电路而言，电路137包括一个或多个标准配置插座，负载138的对应插头可物理地和电气地连接到该一个或多个标准配置插座中。还可使用专用电路。通常在一个或多个相位(n)下提供电力，其中n是整数。通常提供电力的一至三个相位。此类电力可在各种电压和电流下提供，诸如50至60hz下每相120vac并且通常由电气规程、法规及其他来规定。

如本文进一步所用，icr152通常用于提供电路137(如在一个或多个插座处访问)与一个或多个负载138之间的可切换的连接。icr152可被配置为与变压器(未示出)一起使用或分开。变压器及其配置的使用是本领域所熟知的。icr152与icb102的差别主要在于其预期用途，其中icr152被配置成与负载138并相对于馈送多个负载138的电路137呈并联电路关系，而icb102通常以电源109和为一个或多个负载138供电的电路137之间的串联电路关系使用。即，应当理解，icr152被配置用于监测和控制使用现有电路137向特定负载138提供的电力，而icb102涉及监测和控制由给定电路137提供的电力，该给定电路诸如为在各种时间向各种家用电器中的任何一种提供120vac(美国)的家用电路。此外，应当理解，icr152和icb102可被配置为与电路和负载一起使用，该电路和负载被配置为以包括但不限于230vac(如通常在欧盟和其他国家中使用)的任何期望电压和/或任何期望数量的电路相位(诸如通常在美国用于住宅电器应用及其他应用的三相电路)使用。

icb102可被配置为提供与电源109的可切换的耦接，该电源诸如为提供给定相位n下的电功率(本文为线路功率“lp”)的配电板、电路、变压器等。icb102进一步向电路137并最终向一个或多个负载138提供此类可切换的耦接。icb102向电路137提供给定相位(n)下的输出功率(本文为开关功率“sp”)。

可由icb102从电源109接收到提供不同相位下的交变电流的多个lp馈送。例如，可在第一相位lp(1)、第二相位lp(2)和/或第三相位lp(3)下提供电功率。在由icb102进行受控切换之后，将此类电力作为切换的第一相位sp(1)、切换的第二相位sp(2)和/或切换的第三相位sp(3)中的一者或多者下的开关/输出功率(sp)提供给电路137。icb102可包括所提供的电功率的每个相位的固态开关模块(“sswm”)104(n)。在图1中，单个相位的固态开关模块104(1)以实线描绘。对于多相电路(诸如三相电路)而言，可使用sswm104(2)和104(3)并且它们以虚线示出。

对于icb102的至少一个实施方案而言，sp可在提供给电路137之前路由通过机电开关(“ems”)126(n)。如特定实施方式所期望的，ems126(n)可用于所提供的每个相位(n)。下面进一步描述ems126(n)。应当理解，ems126(n)通常不与icr152结合使用。可使用浪涌保护模块154。浪涌保护模块是本领域所熟知的。在图1a和图1b中，仅为了清楚起见，针对第一相位示出了电源模块105与元件之间的数据线，而未示出任何第二和/或第三相位部件的数据线。

中性“n”连接提供从电路137(和负载138)返回到电源109、返回到接地节点或其他的返回电路路径。中性n可耦接到地电位。中性传感器ns124可用于监测跨中性连接传输的电流。

电源模块105提供监测、控制以及其他用于自适应地控制电源109经由给定icb102或icr152提供给电路137和负载138的电功率的特征和功能。通过自适应地激活和去激活与每个sswm104(n)一起提供的一个或多个开关，电源模块105可自适应地控制、监测和调节向电路137和/或负载138提供的电功率。电源模块105对电功率的监测可包括一个或多个传感器的使用，该一个或多个传感器包括但不限于“线路功率”传感器120(n)、“开关功率”传感器122(n)、“继电器功率”传感器156(n)、“中性”传感器ns124和温度传感器(未示出)。线路功率传感器、开关功率传感器、继电器功率传感器和/或中性传感器中的一者或多者可被配置为感测电流和/或温度。温度传感器可与线路传感器120(n)、开关传感器122(n)和/或继电器传感器156(n)中的一者或多者分开地和/或结合地提供。如图1b中不存在这些传感器所描绘，线路功率传感器120(n)和开关功率传感器122(n)可不用于icr152的至少一个实施方案，而继电器功率传感器156(n)可不用于icb102的至少一个实施方案。对于其他实施方案(未示出)而言，一个或多个线路功率传感器120(n)、开关功率传感器122(n)和/或继电器功率传感器126(n)在icb102中和/或icr152中可互换使用。下面进一步描述此类传感器。

电源模块105可包括高电压(hv)域106，该hv域通过隔离屏障116来与低电压(lv)域112电气分离。hv-lv通信链路118促进hv域106与lv域112之间的数据通信。此类通信链路包括hvcomm元件117和lvcomm元件119的使用。下面将更详细描述这些部件中的每个部件。

系统100和150的其他元件可包括但不限于ac/dc转换器128、冷却元件130、外部通信模块132、外部控制设备136和备用电源模块140。下面将更详细描述这些部件中的每个部件。

lps120(n)/sps122(n)/rps156(n)和ns124

对于icb101的至少一个实施方案而言，线路功率传感器(“lps”)120(n)和开关功率传感器(“sps”)122(n)可在针对线路功率lp(n)的给定相位(n)的通用封装件、模块、管芯或其他中提供。对于其他实施方案而言，lps120(n)和/或sps122(n)中的一者或多者可在与给定相位模块102(n)分开的单独封装件、模块、管芯或其他中提供。

lps120(n)、sps122(n)和/或继电器功率传感器(“rps”)156(n)可与给定sswm104(n)所提供的一个或多个固态开关一起在通用封装件、管芯、模块或其他中组合。例如且不作为限制，给定sswm104(n)可包括功率场效应晶体管(fet)，该fet包括集成感测fet(本文称为“sensefet”)。

lps120(n)、sps122(n)和/或rps156(n)中的一者或多者可通过使用一个或多个sensefet来提供。sensefet可被配置为向hv控制器110提供对应传感器读数。此类传感器读数可包括至电源模块105的电流、电压、温度或其他参数中的一者或多者。

当要在hv域106与lv域112之间提供隔离时，sensefet可被配置为通过使用一个或多个隔离通信链路(诸如本文针对hv-lv通信链路118所述的那些)来将来自lp102(n)的读数提供给lv控制器110。此外，输出sensefet可被配置为诸如在不需要隔离时直接将来自sps122(n)和/或来自rps156(n)的读数提供给lv控制器114，和/或在需要隔离时通过使用一个或多个隔离通信链路部件来将来自sps122(n)和/或来自rps156(n)的读数提供给lv控制器114。

可提供中性传感器ns124。ns124可在给定icb102中提供、与给定icb102一起和/或分开提供。对于icr152的至少一个实施方案而言，不利用中性传感器。ns124可在配电板中提供并且被配置为向位于icb102内并使用公共中性节点的两个或更多个相位提供传感器读数。ns124可被配置为提供电流、电压或其他的传感器读数。

每个lps120(n)可被配置为在通电或其他期间执行一个或多个自检操作，该一个或多个自检操作包括但不限于监测给定lp(n)的至少一个特征，诸如在此类电功率流过sswm104(n)所提供的固态开关或受到该固态开关抑制之前由电源109向icb102提供的给定相位(n)的电流和电压。每个sps122(n)可被配置为监测给定sp(n)的至少一个特征，诸如在电功率穿过sswm104(n)中利用的开关并且因此电功率由icb102输出到电路137并供负载138使用之后给定相位(n)的电流和/或电压。每个rps156(n)可被配置为监测给定rp(n)的至少一个特征，诸如在电功率穿过sswm104(n)中利用的开关并且因此电功率由icr152输出到负载138之后给定相位(n)的电流和/或电压。lps120(n)、sps122(n)、rps156(n)和ns124中的每一者可利用任何已知或稍后出现的电压和/或电流感测技术、它们的组合或其他。lps120(n)、sps122(n)和/或rps156(n)可包括一个或多个温度传感器。如本公开的一个实施方案的给定实施方式所期望的，可使用放大器来放大由一个或多个传感器提供给电源模块105的信号。

lps120(n)、sps122(n)、rps156(n)和ns124中的一者或多者(如果不是每一者的话)可被配置为在连续、周期性、按需、排定或另一种基础上提供一个或多个传感器读数。可将来自每个此类传感器的读数传送到低电压控制器112。如本公开的一个实施方案的任何特定实施方式所期望的，可在隔离或非隔离基础上提供lps120(n)、sps122(n)、rps156(n)和/或ns124中的一者或多者的传感器读数。

lps120(n)、sps122(n)、rps156(n)和ns124中的至少一者可包括感测电阻器的使用。应当理解，感测电阻器通常精确到百分之三至五(±3％至±5％)以内，但不提供隔离，并有较高插入损耗。例如且不作为限制，感测电阻器可用于高带宽应用，诸如切换在直流电至10mhz范围以内的那些。如本文所用，如用来指特定设备特征和/或特性的低、中、高等等可由本领域普通技术人员通过与替代传感器(诸如但不限于本文所识别的传感器)的已知特性的比较来确定。

lps120(n)、sps122(n)、rps156(n)和ns124中的至少一者可包括霍尔效应电流传感器的使用。霍尔效应电流传感器可为接触式传感器或非接触式传感器，其中精确度分别对于前者而言在百分之一至五的范围(±1％至±5％)以内并且对于后者而言在百分之五至十的范围(±5％至±10％)以内。例如且不作为限制，接触式霍尔效应电流传感器可用于提供中等级别隔离、中等级别插入损耗以及用于高功率需求。接触式霍尔效应电流传感器可支持直流电至1mhz范围以内的切换。例如且不作为限制，非接触式霍尔效应电流传感器可用于提供隔离、零插入损耗以及用于高功率需求。非接触式霍尔效应电流传感器可支持直流电至100khz范围以内的切换。

lps120(n)、sps122(n)、rps156(n)和ns124中的至少一者可包括电流感测变压器的使用。例如且不作为限制，电流感测变压器可用于提供百分之一至五的范围(±1％至±5％)以内的精确度，同时提供隔离、零插入损耗，不需要使用电源并且支持50hz至1mhz范围以内的切换。

对于期望电流感测精确度在百分之一(±1％)以内的至少一个实施方案而言，lps120(n)、sps122(n)、rps156(n)和ns124中的至少一者可包括隧道磁电阻(tmr)电流传感器的使用。tmr电流传感器可提供隔离、零插入损耗、低压电源的使用，并且支持直流电至1mhz范围以内的切换。

可由相应lps(n)、sps(n)、rps(n)(实施方式中使用的每个相位有一个)连续地监测输入/线路lp、输出/开关sp电流和继电器电流rp以针对一个或多个相位(n)检测给定电路内是否发生泄漏电流或其他电流异常。可例如由lvc114执行泄漏电流和/或其他异常的监测。当检测到泄漏电流时，lvc114可指示hvc110采取适当动作，诸如针对故障相位和/或所有相位将sswm104(n)中的固态开关配置成开路配置或其他配置。应当理解，如icb102和/或icr152所提供的泄漏电流和其他异常检测可用于替代和/或补充接地故障电路中断插座(gfci)和/或剩余电流电路断路器(rccb)，该gfci和/或rccb目前通常用于防止泄漏电流和其他故障和/或危险电功率条件。

sswm104(n)

固态开关模块sswm104(n)可被配置为包括一个或多个固态开关。两个固态开关可用于每个相位(n)。对于其他实施方案而言，任何数量的固态开关可用于给定相位(n)。各种已知和/或稍后出现的电源切换设备和/或其组合可用于给定sswm104(n)中。

如图2a所示并且对于本公开的至少一个实施方案而言，sswm104(n)可包括第一开关200-1(诸如与碳化硅结型栅场效应晶体管(sicjfet)呈共源共栅配置的硅金属氧化物半导体场效应晶体管(simosfet))的使用，该第一开关耦接到类似配置的第二开关202-1。simosfet中的每一个的栅极可由栅极驱动器108所提供的栅极控制信号单独地或联合地控制。应当理解，图2a的第一开关200和第二开关202可具有低损耗，因为sicjfet和simosfet中未使用体二极管，并且可存在低反向恢复电荷(qrrr)。此外，应当理解，与其他晶体管配置(诸如但不限于图2b的晶体管配置)相比，共源共栅配置的使用可引起更低的输入电阻和低密勒电容。simosfet可额定用于低电压应用，而sicjfet可额定用于高电压应用。如本公开的一个实施方案的给定实施方式所期望的，可使用其他电压额定值配置。

如图2b所示并且对于本公开的至少一个实施方案而言，sswm104(n)可包括使用碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管(sicmosfet)来配置的第一开关200-2。第一开关200-2可耦接到类似配置的第二开关202-2。sicmosfet中的每一个的栅极可由栅极驱动器108所提供的栅极控制信号单独地或联合地控制。应当理解，图2b所示的配置比图2a所示的配置更简单，而上文用图2a配置讨论的许多有益效果可能无法用图2b配置来实现。此外，应当理解，可在sswm104(n)中使用其他配置，包括单开关配置(如与图2a和图2b的双开关配置相比)、氮化镓高电子迁移率(ganhemt)晶体管、如图2c所示的si超结fet(sjfets)等等的使用。

电源模块105

如上所讨论，电源模块105可包括高电压(hv)域106、隔离屏障116、低电压(lv)域112、hvcomm元件117和lvcomm元件119。hvcomm元件117和lvcomm元件119促进hv域106与lv域112之间的hv-lv通信链路118的使用，同时保持hv域106与lv域112之间的电隔离。

hv域106

如图1a和图1b所示，如图3进一步所示并且对于本公开的至少一个实施方案而言，hv域106可包括栅极驱动器108，该栅极驱动器通信地耦接到hv控制器“hvc”110。hvc110通信地耦接到hvcomm元件117。

栅极驱动器108

栅极驱动器108可被配置为控制sswm104(n)中使用的固态开关的操作状态(断开/闭合)。使用栅极驱动信号302来控制固态开关中使用的晶体管并且从而控制最终向负载138提供的电功率的电压、电流和相位是本领域所熟知的并且本文不作进一步描述。任何此类已知或稍后出现的切换协议、方法、部件、技术等等可用于本公开的一个或多个实施方案。此外，应当理解，考虑到sswm104(n)中的固态开关的使用，可在任何期望的电压电位、电流等等下提供电压和电流。所提供的此类电压和电流可随时间推移或在任何其他基础上变化-如由栅极驱动器108输出到sswm104(n)中提供的开关的栅极驱动信号302所控制。

栅极驱动器108可被配置为从hvc110接收控制信号，并且基于此来生成栅极驱动信号302，该栅极驱动信号促进一个或多个电源管理操作，诸如波形整形。可基于负载条件来提供此类波形整形。可由hvc110和/或lvc114检测负载条件。波形整形能力可作为具有栅极驱动器的ic、作为多管芯封装件、作为多个ic或其他来单片地提供。对于至少实施方案而言，波形整形能力可由栅极驱动器108、hvc110和/或lvc114中的一者或多者提供，在栅极驱动器108、hvc110和/或lvc114中的一者或多者中提供，或与栅极驱动器108、hvc110和/或lvc114中的一者或多者一起使用。

栅极驱动器108可被配置为提供自适应栅极驱动能力。例如且不作为限制，栅极驱动器108可被配置为促进受控电机和/或其他电负载启动、操作期间的保护以及停机操作(本文称为“电机操作”)。此类电机操作可基于一个或多个数学模型、电机和/或其他负载电参数的集成测量方法、真实世界测试或其他。

对于要由电源模块105控制两个或更多个相位(n)的至少一个实施方案而言，栅极驱动器108可被配置为从hvc110接收控制信号，并且基于此来生成栅极驱动信号302，该栅极驱动信号促进其他电源管理操作，诸如相位平衡。可使用由hvc110或lvc114中的一者或多者提供的平衡监测器(未示出)来生成此类控制信号。平衡监测器可被配置为对用于给定电路的每个相位的电流读数进行差异比较。可由lps120(n)和/或sps122(n)(对于icb102而言)和/或由rps156(n)(对于icr152而言)提供此类电流读数。可由平衡逻辑(未示出)来评估差异比较所生成的结果以确定这些相位(n)中的一个或多个相位是否失衡。当检测到失衡条件时，促进平衡监测的控制器(hvc110或lvc114)可被配置为生成一个或多个失衡控制标志信号，该一个或多个失衡控制标志信号在传送到栅极驱动器108时引起向sswm104(n)中的一个或多个sswm提供的一个或多个栅极驱动信号的修改。

应当理解，可在任何时间基于故障条件或其他的检测来提供栅极驱动信号以促进任何给定的操作考虑。例如，栅极驱动控制信号可在检测到故障条件(诸如相位失衡)时使电路137和/或负载138能够以安全和/或受控的方式掉电。同样，栅极驱动控制信号可被配置为促进其他电源管理操作，包括但不限于负载的受控启动、最小功率模式(诸如在负载未激活时)、负载的受控非故障条件掉电、紧急条件掉电或其他。

失衡标志、其他标志和其他故障或监测条件信号可用于诊断、报告、监测和/或其他能力。

hvc110

hvc110可以以任何期望的形式或配置提供，包括但不限于作为专用集成电路(“asic”)、通用处理器、微控制器或其他。hvc110可被配置为促进各种hvc控制功能，包括但不限于电流限制、过电压、过温、涌流控制、故障管理和其他功能(本文称为“hvc功能”)。hvc110可通过向栅极驱动器108提供一个或多个hvc控制信号304来促进此类hvc控制功能。可由hvc110向栅极驱动器108并相对于用于提供电功率的一个或多个相位(n)的sswm104(n)中的一个或多个sswm单独地、共同地或以其他方式提供hvc控制信号304。可在任何给定时间向栅极驱动器108提供hvc控制信号304。hvc控制信号304可随时间推移、随相位(n)和其他而变化。

对于至少一个icr152实施方案而言，hvc110还可被配置为提供电源管理功能，包括但不限于电荷泵浦、过电压/欠电压管理、带隙、振荡器、内部稳压器和其他。

如图3进一步所示，hvc110可包括一个或多个程序输入(prog)306。prog306可用于不时或在另行确定的情况下修改hvc110在确定向栅极驱动器108提供的一个或多个hvc控制信号304中使用的一个或多个参数。可为栅极驱动器108所控制的sswm104(n)的每个相位(n)提供prog306。对于其他实施方案而言，可为给定栅极驱动器108所控制的sswm104(n)的两个或更多个相位(n)提供公共prog306。

给定hvc110可被配置为向两个或更多个栅极驱动器108提供控制信号；每个此类栅极驱动器108相对于不同电路137和/或相对于不同负载138来提供栅极驱动信号。

hvcomm元件117

hv域106还可被配置为包括hvcomm元件117，该hvcomm元件被配置为促进通过hv-lv通信链路118(如图1a和图1b所示)来与lv域112通信。hvcomm元件117可使用任何已知或稍后出现的技术来促进此类通信。此类通信可为串行的、并行的、双工的、双向的、单向的(在hv域106与lv域112之间)或其他。

在hv域106与lv域112之间促进了此类通信，同时保持了隔离。可通过使用耦接到hv接口310的hv收发器“hvxcvr”308来促进此类隔离和通信。如图3所示，hv接口310可被配置为第一感应线圈312。应当理解，其他形式的hv接口310技术可用于其他实施方案以促进hv域106与lv域112之间的隔离通信。此类接口技术的非限制性示例包括电容隔离、光耦合、任何前述技术的组合及其他。

lv域112

如图4a所示并且对于本公开的icb102的至少一个实施方案而言，lv域112可被配置为包括lp监测器402、sp监测器404、温度监测器406、lv收发器(“lvxcvr”)408、lv控制器114、lvcomm元件119、外部通信模块(“extcomm”)132和lv电源控制器模块(pwr)139。如图4b所示并且对于本公开的icr152的至少一个实施方案而言，lv域112可被配置为包括上述元件，其中lp监测器402和sp监测器404被替换为rp监测器418。

如图4a和图4b进一步所示，lv接口410可用于促进lv域112与hv域106之间的隔离通信。如图所示，lv接口410可包括例如第二感应线圈412的使用。应当理解，其他形式的hv接口310和lv接口410技术可用于其他实施方案以促进hv域106与lv域112之间的隔离通信。如上所讨论，此类接口技术的非限制性示例包括电容隔离、光耦合、任何前述技术的组合及其他。

lp监测器402/sp监测器404/rp监测器418/温度监测器406

根据至少一个实施方案，lp监测器402、sp监测器404、rp监测器418和/或温度监测器406可被配置为监测lps120(n)、sps122(n)、rps156(n)或其他中的一者或多者在适用情况下提供的传感器读数。可针对任何期望的可检测条件来监测此类传感器读数。监测器可在检测到异常电源条件时设立一个或多个标志。

lvc114

lvc114可以以任何期望的形式或配置提供，包括但不限于作为专用集成电路(“asic”)、通用处理器、微控制器或其他。lvc114可被配置为促进、增强和/或支持各种hvc控制功能。lvc114可通过以下方式促进此类hvc控制功能：向hvc110提供一个或多个lvc命令420，从而引起向栅极驱动器108提供一个或多个hvc控制信号304。可由hvc110单独地、共同地或以其他方式提供lvc命令420。可在任何给定时间向hvc110提供lvc命令420。lvc命令420可随时间推移、随相位(n)和其他而变化。

extcomm132

如图4a和图4b所示，lv域112可包括外部通信模块excomm132。excomm132可包括有线接口133和无线接口134中的至少一者。下面将进一步讨论此类部件。

pwr139

如图4a和图4b所示，lv域112可包括电源控制器模块(pwr)139。pwr可包括vcc电源控制器414和电池控制器416。vcc电源控制器414可被配置为将一致的输入电压和电流提供给lvc114并且在需要时提供给hvc110。电池控制器416可被配置为在不能从vcc电源控制器414获得功率时将一致的输入电压和电流提供给lvc114和hvc110。电池控制器416还可被配置为在需要时将电功率提供给hv域106和lv域112中提供的部件中的一个或多个部件，包括但不限于栅极驱动器108、收发器308/408、excomm132和其他。电池可用于在vcc功率不可用或不可靠或其他情况时将电力提供给lvc114以实现通信和/或诊断目的，诸如故障检测和报告。

lvcomm元件119

lv域112还可被配置为包括lvcomm元件119，该lvcomm元件被配置为促进通过hv-lv通信链路118(如图1a和图1b所示)来与hv域106通信。lvcomm元件119可使用任何已知或稍后出现的技术来促进此类通信。此类通信可为串行的、并行的、双工的、双向的、单向的(在hv域106与lv域112之间)或其他。

在hv域106与lv域112之间促进了此类通信，同时保持了隔离。可通过使用耦接到lv接口410的lv收发器“lvxcvr”408来促进此类隔离和通信。如图4a和图4b所示，lv接口410可被配置为第二感应线圈412。应当理解，其他形式的lv接口410技术可用于其他实施方案以促进hv域106与lv域112之间的隔离通信。此类接口技术的非限制性示例包括电容隔离、光耦合、任何前述技术的组合及其他。

ac/dc转换器128

如图1a和图1b进一步所示，ac/dc转换器128可用于向lv域112和/或hv域106提供电功率。任何已知或稍后出现的技术可用于ac/dc转换器128。

冷却元件130

如图1a和图1b进一步所示，冷却元件130可用于向icb102和/或icr152提供自适应冷却。冷却元件130可提供主动式和/或被动式冷却。可使用任何已知或稍后出现的冷却技术。被动式冷却技术的非限制性示例包括散热器、导热翅片、导热板等等。主动式冷却技术的非限制性示例包括风扇和热管或碳纳米管、热电冷却、液体冷却、直接浸入、低温等等。冷却元件130可由lvc114控制。

excomm132和外部控制设备136

如图1a、图1b、图4a和图4b所示，icb102和icr152可包括外部通信模块“com”132。com132可通信地耦接到一个或多个外部控制设备136。外部控制设备可包括被配置用于一个或多个icb102和/或icr152的远程监测、控制、报告等等的一个或多个设备。用户控制设备的非限制性示例包括智能电话、膝上型计算机、平板计算设备、台式计算机、远程服务器、web界面、人工智能系统等等。适合于支持本公开的一个实施方案的一个或多个远程控制和/或监测特征和功能的任何已知或稍后出现的技术可整体或部分地用于提供外部控制设备136。此外，此类外部控制设备136可与icb102或icr152共定位在诸如给定电箱中，邻近地定位在诸如其中物理地定位了ibc102或icr152的车辆、建筑或其他结构内，或远程地定位，诸如隔开大于给定本地网络、wi-fi或其他有限距离信号范围的地理距离。对于至少一个实施方案而言，外部用户设备136可通过使用互联网、局域网(lan)、广域网(wan)、蜂窝网或其他来通信地耦接到icb102和/或icr152。

如图进一步所示，用户设备136可通过使用如comm端口133所促进的一个或多个有线链路和/或如收发器134所促进的无线链路来通信地耦接到icb102和/或icr152。应当理解，任何已知或稍后出现的通信设备、系统、网络、协议、技术以及它们的组合(本文单独地和共同地称为“通信技术”)可用于促进icb102和/或icr152与外部控制设备136之间的通信。此类通信技术的非限制性示例可包括以太网、wi-fi、蓝牙、zigbee、i²c、串行外围接口(spi)、蜂窝(诸如3g、4g和5g)和其他。comm132、端口132、收发器134、外部控制设备136和通信技术可被配置为支持外部控制设备136对icb102和/或icr152的诊断报告、故障报告、控制。

备用电源模块140

如图1a和图1b所示，系统100可包括电耦接到lvc114的备用电源模块140。对于至少一个实施方案而言，备用电源模块140可包括电池，该电池可为可再充电的。对于至少一个实施方案而言，备用电源模块140可包括太阳能电池、风力涡轮机或其他电源技术的使用。对于至少一个实施方案而言并且在电源故障条件期间，备用电源模块140可被配置为向lvc114提供足够的电功率以便lvc114检测故障条件，运行诊断测试，响应于此而进行一个或多个故障安全操作，通过向excomm132和相关通信部件提供电功率来将状态信息传送到外部控制设备136，以及其他。

ecm126(n)

如图所示，机电开关ecm126(n)可用于使icb102与负载138耦接。ecm126(n)可用于符合各种政府法规、电气规程等等，诸如需要在配电板与负载之间提供气隙的那些。此类法规、规程等等的示例包括但不限于美国保险商试验所(underwriterlaboratories)标准ul489，该标准的全部内容以引用方式并入本文，并且根据该标准，本公开的每个实施方案可被配置为通过加入已知技术来与该标准相符。应当理解，如果ul489的要求等等被废止或另作修改(包括但不限于撤销对气隙的要求)，则可从本公开的实施方案排除机电开关126(n)并且可修改本公开的各种实施方案以符合此类变更。

本公开的各种实施方案可为电路断路器和/或继电器应用提供集成模块解决方案。实施方式可使用模块封装件内的ic来为icb102和/或icr152提供诸如但不限于以下的功能：外部通信、可调节和自适应的栅极驱动、可编程栅极驱动、系统诊断以及备用故障报告。一些实施方案可包括备用电池以便在移除输入功率的情况下以备用模式操作，从而实现诊断和“故障安全”操作。实施方式可包括诊断和故障报告以及无线或有线通信以便允许外部用户、程序或设备接收和/或响应于系统的状态。实施方案可通过更换、减少或消除所需的机械部件来允许较小占用面积、快速响应时间和/或较长寿命。

本公开的一些实施方案可为集成电子继电器(本文称为“ier”)和/或集成电子接触器(本文称为“iec”)应用提供icr152解决方案。ier和/或iec的实施方案可包括诸如但不限于以下的功能：平滑切换、备用故障报告、无线诊断以及集成ac-dc转换器。一些实施方案可包括备用电池以便在移除输入功率的情况下以备用模式操作，从而实现诊断和“故障安全”操作。实施方式可包括诊断和故障报告以及无线或有线通信以便允许外部用户或程序接收和/或响应于系统的状态。iec的实施方案可减少或消除因机械部件的减少或消除而引起的电弧放电。实施方案可通过使用hv域的过电压保护和有源箝位关断来减少对附加熔断器的需求。实施方案可通过更换、减少或消除所需的机械部件来允许较小占用面积、快速响应时间和/或较长寿命。本公开的实施方案可被配置用于任何实际用途，包括但不限于工业、住宅、商业、汽车、航空航天和其他可切换控制的电流应用中的用途。

上文已参考几个示例性实施方案描述了本技术。然而，可以在不脱离本技术的范围的情况下对示例性实施方案作出改变和修改。例如，尽管示例性实施方案可以描述多ic模块或集成驱动器，但本领域的技术人员将理解，该系统可以利用能够执行类似功能的其他方法来实现。此外，可能已经描述了示例性规格，诸如电压值，但本领域的技术人员将会理解，本技术不限于此类规格。这些和其他改变或修改旨在包括在本发明技术的范围内。

虽然上文已经以一定程度的特殊性或者参考一个或多个单独实施方案描述了受权利要求书保护的本发明的各种实施方案，但是本领域技术人员可在不脱离受权利要求书保护的本发明的实质或范围的情况下对所公开的实施方案进行许多改变。尽管本文所使用的各种附图示出了各种电路实施方案，但应当理解，其他实施方案(未示出)可修改、重新配置、添加和/或移除一个或多个电路部件、连接、耦接等。术语“大约”或“基本上”的使用意指元件的值具有预期接近陈述值或位置的参数。然而，如本领域所熟知，可存在妨碍值恰好等于陈述值的微小变化。因此，预期差异诸如10％差值是本领域普通技术人员将预计和获知的合理差异，并且相对于本公开的一个或多个实施方案的陈述或理想目标而言是可接受的。还应当理解，术语“顶部”和“底部”、“左”和“右”、“上”和“下”、“第一”、“第二”、“下一个”、“最后一个”、“之前”、“之后”和其他类似术语仅用于描述和便于参考的目的，并非旨在限于本公开的各种实施方案的任何元件的任何取向或构型或者或操作的任何序列。此外，术语“耦接”、“连接”或其他方式不旨在限制两个或更多个设备、系统、部件之间的此类交互和信号通信或以其他方式引导交互；也可发生间接联接和连接。此外，术语“和”和“或”并非旨在以限制或扩展性质使用，并且覆盖本公开的实施方案的元件和操作的组合的任何可能范围。因此可以设想到其他实施方案。意图在于，包含在以上描述中并且在附图中示出的所有内容应被解释为仅是对实施方案的说明而非限制。在不脱离如所附权利要求书中定义的本发明的基本要素的情况下，可以进行细节或结构的改变。