Un módulo conmutador de doble sentido (60), que comprende:

(a) un conmutador de doble sentido (5,

30, 65) capaz de activar/desactivar un flujo de energía (21, 26, 40, 50) en cualquier sentido entre un primer y un segundo terminal (20, 115, 25, 110) del conmutador de doble sentido en respuesta a una señal de control (125) aplicada a un terminal de control (140) del conmutador de doble sentido;

(b) un sensor (90) capaz de detectar una magnitud media del flujo de energía en cualquier sentido entre el primer y el segundo terminal del conmutador de doble sentido; y

(c) un procesador (120), que incluye un código programable que puede funcionar en el procesador;

el procesador activa/desactiva de manera controlada el flujo de energía (21, 26, 40, 50) en cualquier sentido aplicando una señal de control (125) variable con el tiempo al terminal de control (140) del conmutador de doble sentido (5, 30, 65) de modo que la magnitud media no supere una o más magnitudes medias predefinidas.

Módulo conmutador semiconductor de doble sentido auto-protector de alta corriente y bajas pérdidas y método de funcionamiento.

Derechos de autor

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Campo de la invención Esta invención está relacionada con conmutadores de doble sentido de estado sólido de alta potencia utilizados en sistemas eléctricos de vehículos. En particular, esta invención está relacionada con un conmutador semiconductor de doble sentido auto-protector de alta corriente y bajas pérdidas y con un método de funcionamiento, en el que el dispositivo conmutador comprende un controlador inteligente para la conmutación controlable en respuesta a varias condiciones de funcionamiento.

Antecedentes

La presente invención está relacionada con un dispositivo conmutador semiconductor de doble sentido de alta corriente y bajas pérdidas y con un método de funcionamiento. Más específicamente, la presente invención se centra en un módulo conmutador semiconductor de doble sentido capaz de controlar la magnitud y el sentido de un flujo de energía, por ejemplo corriente eléctrica, entre un primer y un segundo terminal del módulo conmutador de doble sentido en respuesta a un valor medido del flujo de energía y un valor predefinido, y en el que el valor predefinido podría ser reemplazado por un valor de entrada recibido a través de un receptor incluido en el módulo conmutador de doble sentido. El dispositivo se construye de tal manera que se puede absorber alta corriente, normalmente de 100 a 1000 amperios, haciéndolo ideal para aplicaciones en sistemas eléctricos de vehículos.

Los sistemas eléctricos que comprenden dispositivos bi-funcionales en los que cada dispositivo puede funcionar ya sea como una carga o una fuente necesitan un conmutador de doble sentido de modo que se pueda intercambiar energía eléctrica entre los dispositivos según las condiciones de funcionamiento del sistema. Por ejemplo, un sistema eléctrico de un vehículo comprende generalmente una batería y un alternador, en el que cada dispositivo puede funcionar ya sea como una carga o como una fuente. Siempre que el alternador no está funcionado, incluyendo el proceso de arranque del motor, la batería proporciona energía eléctrica sistema eléctrico del vehículo. Cuando la batería es la fuente de energía eléctrica es deseable tener un monitor conmutador y limitar la energía de descarga de la batería, y desconectar la batería del sistema eléctrico si fuera necesario. El alternador funciona como una fuente de energía eléctrica después de que alcanza unas determinadas RPM, en cuyo momento la batería es recargada por el alternador. Cuando el alternador es la fuente de energía eléctrica, es deseable tener un monitor conmutador y limitar la potencia del alternador hacia la batería y el sistema eléctrico, y desconectar la batería del sistema eléctrico si la demanda de corriente de recarga de la batería provoca que se supere la capacidad del alternador. También es deseable que el conmutador pueda detectar una corriente de cortocircuito en cualquier sentido y desconectar la fuente de energía del cortocircuito. Por lo tanto, se necesita un módulo conmutador de doble sentido que pueda controlar la magnitud y el sentido de la corriente eléctrica por activación/desactivación controlada de dicha corriente eléctrica en cualquier sentido entre dos de tales dispositivos bi-funcionales.

Los sistemas eléctricos de vehículos que comprenden múltiples sistemas de baterías necesitan un intercambio controlado de energía eléctrica entre las baterías. Por ejemplo, un sistema eléctrico de vehículo que utiliza un sistema principal y uno auxiliar de baterías requiere una conmutación controlable de la corriente eléctrica entre los sistemas de baterías según las condiciones de funcionamiento del vehículo. El sistema principal se utiliza durante el arranque y siempre que el alternador no esté funcionando, y el sistema auxiliar se utiliza cuando el motor del vehículo no está en funcionamiento. Los sistemas principales y auxiliares se conectan en una configuración en paralelo y requieren unos medios conmutables entre ellos para controlar el intercambio de energía eléctrica en ambos sentidos según las condiciones de funcionamiento del vehículo.

En caso de que el Sistema principal esté agotado o defectuoso de alguna otra manera, el sistema auxiliar puede transferir energía eléctrica al sistema principal. Similarmente, si el sistema auxiliar ha agotado su energía y todavía hay una necesidad crítica de proporcionar energía eléctrica a las cargas eléctricas, el Sistema principal puede transferir energía eléctrica al sistema auxiliar. Sin embargo, no es deseable una transferencia de energía eléctrica entre estos sistemas basada únicamente en la cantidad de energía almacenada dentro de estos sistemas. En una situación en la que se necesita energía eléctrica del sistema principal para el arranque del vehículo, es perjudicial permitir que el Sistema suministre energía eléctrica a un sistema auxiliar agotado. Similarmente, cuando hay una necesidad crítica de que el sistema auxiliar proporcione energía eléctrica a una carga auxiliar, no es deseable permitir que el sistema auxiliar suministre energía eléctrica a un sistema principal agotado. Se prefiere un módulo conmutador de doble sentido que puede recibir valores de entrada para controlar la magnitud y el sentido de intercambio de energía eléctrica según las condiciones de funcionamiento del vehículo.

Aunque se han propuesto varios dispositivos que abordan algunos aspectos de la presente invención, no se ha construido ningún dispositivo individual que proporcione la conmutación controlada de corrientes eléctricas altas en cualquier sentido entre dos dispositivos bi-funcionales. Por ejemplo, la patente de EE.UU. Nº . 5.323.044, de Rumennikr, describe una manera novedosa de construir conmutadores de doble sentido que utilizan MOSFET, pero no aborda el control de la magnitud y el sentido de la corriente eléctrica entre tales MOSFET. En la patente de EE.UU. Nº . 4.755.697 de Kinzer, la invención se centra en un transistor semiconductor de efecto de campo de alto voltaje de salida de doble sentido que funciona en voltajes altos y reemplaza a relés electromecánicos de láminas. La presente invención controla corrientes eléctricas altas de 100-1000 amperios. La patente de Juzswik, patente de EE.UU. Nº . 5.210.475, describe un circuito de detección de corriente que utiliza MOSFET para detectar una condición de exceso de corriente en circuitos de entrega de potencia "tipo puente en H" para motores de doble sentido, pero no aborda la conmutación controlada de corrientes eléctricas altas. En el documento EP 1 241 041 A1 de Charaudeau et al, una unidad de control, que puede funcionar para controlar el par aplicado a las ruedas de un vehículo, manipula un circuito de emparejamiento de voltaje para controlar el sentido del flujo de la energía eléctrica a través de un condensador, pero falla al describir un módulo conmutador capaz de controlar la energía eléctrica en cualquier sentido basándose en la magnitud media del flujo de energía. Por consiguiente, existe la necesidad de un módulo conmutador de doble sentido que pueda controlar la magnitud y el sentido de corrientes eléctricas grandes entre un primer y un segundo terminal de tal módulo conmutador.

Los sistemas eléctricos modernos de vehículos utilizan dispositivos bi-funcionales que demandan grandes corrientes eléctricas. Además, debe controlarse el intercambio de energía eléctrica entre estos dispositivos, basándose no simplemente en la energía disponible, sino también en las condiciones de funcionamiento del vehículo. Diversas condiciones de funcionamiento del vehículo afectan a la función de cada dispositivo que compone el sistema eléctrico del vehículo. Por ejemplo en un sistema eléctrico de vehículo que comprende una batería y un alternador, la batería funciona como una fuente de energía eléctrica durante el proceso de arranque del vehículo y posteriormente se convierte en una carga eléctrica cuando el vehículo está funcionando. El alternador es una carga de energía eléctrica durante el proceso de arranque y funciona como una fuente de energía eléctrica mientras el motor de vehículo está en funcionamiento.... [Seguir leyendo]

1. Un módulo conmutador de doble sentido (60) , que comprende:

(a) un conmutador de doble sentido (5, 30, 65) capaz de activar/desactivar un flujo de energía (21, 26, 40, 50) en cualquier sentido entre un primer y un segundo terminal (20, 115, 25, 110) del conmutador de doble sentido en respuesta a una señal de control (125) aplicada a un terminal de control (140) del conmutador de doble sentido;

(b) un sensor (90) capaz de detectar una magnitud media del flujo de energía en cualquier sentido entre el primer y el segundo terminal del conmutador de doble sentido; y

(c) un procesador (120) , que incluye un código programable que puede funcionar en el procesador;

el procesador activa/desactiva de manera controlada el flujo de energía (21, 26, 40, 50) en cualquier sentido aplicando una señal de control (125) variable con el tiempo al terminal de control (140) del conmutador de doble sentido (5, 30, 65) de modo que la magnitud media no supere una o más magnitudes medias predefinidas.

2. El módulo conmutador de doble sentido (60) de la reivindicación 1, en el que el conmutador de doble sentido (5, 30, 65) comprende un conmutador semiconductor de doble sentido (145) .

3. El módulo conmutador de doble sentido (60) de la reivindicación 1, en el que el sensor (90) comprende un sensor de corriente eléctrica capaz de detectar una magnitud media de una corriente eléctrica en cualquier sentido.

4. El módulo conmutador de doble sentido (60) de la reivindicación 1, en el que el conmutador de doble sentido (5, 30, 65) se configura para permitir que la energía fluya (21, 26, 40, 50) desde el primer terminal al segundo terminal (20, 115, 25, 110) cuando un nivel de voltaje de la señal eléctrica (125) variable con el tiempo está substancialmente por encima de un nivel medio de voltaje.

5. El módulo conmutador de doble sentido (60) de la reivindicación 1, en el que el conmutador de doble sentido (5, 30, 30, 65) se configura para permitir que la energía fluya (21, 26, 40, 50) desde el segundo terminal al primer terminal cuando un nivel de voltaje de la señal eléctrica (125) variable con el tiempo está substancialmente por debajo de un nivel medio de voltaje.

6. El módulo conmutador de doble sentido (60) de la reivindicación 1, en el que:

el sensor (90) es capaz además de detectar una magnitud instantánea de un flujo de energía (21, 26, 40, 50) en cualquier sentido; y en el que:

el procesador (120) desactiva el flujo de energía (21, 26, 40, 50) en cualquier sentido aplicando una señal (125) de desactivación por corriente transitoria al terminal de control (140) cuando la magnitud instantánea es mayor que una o más magnitudes de corriente transitoria.

7. El módulo conmutador de doble sentido (60) de la reivindicación 1, en el que:

el sensor (90) es capaz además de detectar una magnitud instantánea de un flujo de energía (21, 26, 40, 50) en cualquier sentido; y en el que:

el procesador (120) determina un intervalo de tiempo que empieza en el momento en el que la magnitud instantánea sobrepasa una o más magnitudes de exceso de capacidad y termina en el momento en el que la magnitud instantánea cae por debajo de una o más magnitudes de exceso de capacidad, y desactiva el flujo de energía (21, 26, 40, 50) aplicando una señal (125) de desactivación por exceso de capacidad al terminal de control (140) cuando el intervalo de tiempo es substancialmente equivalente a uno o más intervalos de tiempo de exceso de capacidad.

8. El módulo conmutador de doble sentido (60) de la reivindicación 1, en el que:

el sensor (90) es además capaz de detectar una magnitud de diferencia de un flujo de energía (21, 26, 40, 50) entre dos magnitudes instantáneas consecutivas del flujo de energía obtenidas en un intervalo de tiempo de diferencia aparte; y en el que:

el procesador (120) desactiva el flujo de energía (21, 26, 40, 50) aplicando una señal (125) de desactivación por cambio al terminal de control (140) cuando la magnitud de diferencia es mayor que una o más magnitudes de cambio.

9. El módulo conmutador de doble sentido (60) de la reivindicación 1, en el que: el sensor (90) es además capaz de detectar una temperatura del módulo conmutador de doble sentido (60) ; y en el que:

el procesador (120) desactiva el flujo de energía (21, 26, 40, 50) en cualquier sentido aplicando una señal (125) de sobrecalentamiento al terminal de control (140) cuando la temperatura es mayor que una o más temperaturas de sobrecalentamiento.

10. El módulo conmutador de doble sentido (60) de la reivindicación 1, que comprende además:

un receptor (35, 135) capaz de recibir una o más magnitudes medias de entrada;

en el que el procesador (129) se configura para activar/desactivar de manera controlada el flujo de energía (21, 26, 40, 50) aplicando una señal de control (125) variable con el tiempo al terminal de control (140) del conmutador de doble sentido (5, 30, 65) de modo que la magnitud media no supere por lo menos una o más magnitudes medias de entrada.

11. Un método para conmutar un módulo conmutador de doble sentido (60) , que comprende:

(a) detectar (185) una magnitud media de un flujo de energía (21, 26, 40, 50) en cualquier sentido entre un primer y un segundo terminal (20, 115, 25, 110) del módulo conmutador de doble sentido (60) ;

(b) comparar (195, 220, 230, 255) la magnitud media con una o más magnitudes medias predefinidas; y

(c) activar/desactivar de manera controlada (205, 240, 265, 275) el flujo de energía (21, 26, 40, 50) en cualquier sentido aplicando una señal de control (125) variable con el tiempo de modo que la magnitud media no supere por lo menos una o más magnitudes medias predefinidas.

12. El método de la reivindicación 11, en el que la una o más magnitudes medias predefinidas comprenden una primera magnitud media predefinida que corresponde a un primer sentido (40) desde el primer terminal al segundo terminal y una segunda magnitud media predefinida que corresponde a un segundo sentido (50) desde el segundo terminal al primer terminal.

13. El método de la reivindicación 11, que comprende además:

(a) detectar (185) una magnitud instantánea de un flujo de energía (21, 26, 40, 50) en cualquier sentido;

(b) comparar (195, 220, 230, 255) la magnitud instantánea con una o más magnitudes de corriente transitoria; y

(c) desactivar (205, 240, 265, 275) el flujo de energía (21, 26, 40, 50) en cualquier sentido aplicando una señal (125) de desactivación por corriente transitoria cuando la magnitud instantánea es mayor que por lo menos una de las magnitudes de corriente transitoria.

14. El método de la reivindicación 11, que comprende además:

(a) detectar (185) una magnitud instantánea de un flujo de energía (21, 26, 40, 50) en cualquier sentido;

(b) determinar (195, 220, 230, 255) un intervalo de tiempo que empieza en un momento en el que la magnitud instantánea sobrepasa una o más magnitudes de exceso de capacidad y termina en un momento en el que la magnitud instantánea cae por debajo de la una o más magnitudes de exceso de capacidad;

(c) comparar (195, 220, 230, 255) el intervalo de tiempo con uno o más intervalos de tiempo de exceso de capacidad; y

(d) desactivar (205, 240, 265, 275) el flujo de energía (21, 26, 40, 50) en cualquier sentido aplicando una señal (125) de desactivación por exceso de capacidad cuando el intervalo de tiempo es substancialmente equivalente a por lo menos uno o más intervalos de tiempo de exceso de capacidad.

15. El método de la reivindicación 11, que comprende además:

(a) detectar (185) una magnitud de diferencia de un flujo de energía (21, 26, 40, 50) en cualquier sentido entre dos magnitudes instantáneas consecutivas del flujo de energía obtenidas en un intervalo de tiempo de diferencia aparte;

(b) comparar (195, 220, 230, 255) la magnitud de diferencia con una o más magnitudes de cambio; y

(c) desactivar (205, 240, 265, 275) el flujo de energía (21, 26, 40, 50) en cualquier sentido aplicando una señal (125) de desactivación por cambio cuando la magnitud de diferencia es mayor que por lo menos una de las magnitudes de cambio.

16. El método de la reivindicación 11, que comprende además: 5 (a) detectar (185) una temperatura del módulo conmutador de doble sentido (60) ;

(b) comparar (195, 220, 230, 255) la temperatura con una o más temperaturas de sobrecalentamiento; y (c) desactivar (205, 240, 265, 275) el flujo de energía (21, 26, 40, 50) en cualquier sentido aplicando una señal (125) de sobrecalentamiento cuando la temperatura es mayor que por lo menos una o más temperaturas de sobrecalentamiento.

17. El método de la reivindicación 11, que comprende además:

(d) recibir (185, 135) una o más magnitudes medias de entrada;

en el que (b) comprende comparar (195, 220, 230, 255) la magnitud media con una o más magnitudes medias de entrada; y en el que (c) comprende activar/desactivar de manera controlada (205, 240, 265, 275) el flujo de energía (21, 26, 40, 15 50) en cualquier sentido aplicando una señal de control (125) variable con el tiempo de modo que la magnitud media no supere por lo menos una o más magnitudes medias de entrada.