具体实施方式

以下描述本质上仅仅是示例性的，并不旨在限制本公开、应用或用途。

参照图1，一种操作主动(active)断开连接装置10的系统及方法包括断开连接装置12，该断开连接装置12具有低损耗半导体开关14，半导体开关14将输入电源16与也定义为负载18的输出连接或将输入电源16与也定义为负载18的输出断开连接。根据数个方面，断开连接装置10可能用于将机动车辆的电气系统的特征或元件断开连接。半导体开关14可能包括多个半导体芯管，该多个半导体芯管使用半导体材料(例如，硅、碳化硅、氧化镓和氮化镓)来形成MOSFET或IGBT。断开连接装置12也许能够在断开状态期间单向或双向阻断高电压。电子感测、控制和保护电路20连接到半导体开关14并向半导体开关14提供主动级控制或被动(passive)级控制操作。电子感测、控制和保护电路20经由控制路径24与控制单元22(例如，系统控制器)相通信以向电子感测、控制和保护电路20提供控制和通信。断开连接装置12也连接到接地26。根据数个方面，断开连接装置12是无任何运动部件的可复位、可编程的电子断开连接装置。

参照图1a和图1b，示出了适用于由高压(HV)直流(DC)电源供电的DC负载的示例性主动断开连接装置12的示意图。从图1a可以看出，示例性断开连接装置包括半导体电源开关12、多个传感器(包括电流传感器15、热传感器17和电压传感器19)、信号接口连接器21、电源23、开关驱动器25和控制块27。单个或并联的多个功率金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)用作输入端子16和输出端子18之间的电源开关14。一个或多个MOSFET的漏极或一个或多个多个端子1连接到输入功率端子16，一个或多个MOSFET的源极或一个或多个端子2通过电流传感器15连接到输出负载端子18，电流传感器15可以是分阻器、霍尔效应传感器、磁阻传感器，或其他合适的、生成与通过开关流向负载的电流成比例的信号的传感器。

信号连接器46将主动断开连接装置12与图1中的外部控制器22对接，以接收偏置功率、接地(Gnd)和命令输入并提供开关状态反馈。偏置电源的电压相对于接地为3.3V至24V，更优选地，在5V至15V之间，并且由电流隔离的电源供应器用来向传感器、控制器和驱动器电路生成稳压电源(例如5至15V)，该传感器、控制器和驱动器电路以输出端子18或电源开关端子2为参考。

系统控制器侧上的命令信号27和状态信号29通过开关控制器44内的信号隔离器21，以提供与开关端子上高压的电流隔离，该开关端子可在高于接地电位200V至900V的电压范围内工作。隔离的输出命令信号27由开关控制块用来经由开关驱动器主动地关闭电源开关。此外，开关控制块从电压传感器19、电流传感器15和温度传感器17接收输出信号，并识别是否存在故障状况，该故障状况将被锁定且用于关闭电源开关12，并通过信号隔离器21经由状态线56报告给参照图3所描述的系统控制器54。

控制器逻辑44、开关驱动器25和信号隔离器21可能集成在单芯片集成电路(IC)内或作为多芯片模块，以使封装尺寸和成本最小化。电源开关14的被动过压保护电路也可能以电阻器-电容器缓冲器31或瞬态电压抑制器(TVS)齐纳二极管电压钳的形式，并入主动断开连接装置12中，连接在电源开关端子1和2两端，以在过流故障情况下在负载断开连接期间限制瞬态电压。

图1b还示出了主动断开连接装置12在HV电池13供电的负载电路中的典型连接。输入端子33连接到正电池端子35，输出端子37连接到负载18的正负载端子37。信号连接器39与系统控制器41对接，以接收偏置功率信号43、接地信号45和命令信号47并通过电流隔离发送装置状态反馈49，如前文所描述的那样。还可以设想使用单个信号线，该单个信号线可以用于使用集电极开路型逻辑信号(open collector type logic signal)的命令和状态双向通信，以最大程度地降低成本。

参照图2并且再次参照图1，可能以多种配置来设置断开连接装置12，以满足操作要求以及装置所允许的空间包络。根据数个方面，断开连接装置12包括例如由铝制成的安装板28，安装板上施加有电气隔离的导热基板30。第一导电材料层32(例如，经蚀刻的铜)施加到基板30上。例如由铜制成的第一导电母线(conductive bus bar)34连接到第一层32并向输入电源16提供连接。根据数个方面，参照图1所描述的半导体开关14限定了也连接到第一层32的电源开关36。根据数个方面，电源开关36可能是具有预定特性(包括但不限于电压、电流、开关速度、尺寸等)的低损耗功率半导体开关。

与第一层32(例如，经蚀刻的铜)相似的第二导电材料层38也施加到基板30上，该第二层38与第一层32分离并因此与第一层32电气隔离。例如由铜制成的第二导电母线40连接到第二层38和负载18。印刷电路板42、开关驱动器和控制器44以及信号连接器46也连接到第二层38。印刷电路板42在电源开关36和开关驱动器以及控制器44与信号连接器46之间提供通信。开关驱动器和控制器44提供内置感测和保护，以在故障负载反复地重新连接和断开连接的情况下防止过压和热过载，并可能包括跳闸电流-时间设定点(trip-currentvs time set point)，用于断开负载18与输入电源16的连接。跳闸电流-时间设定点可能是与温度无关或与温度有关。断开连接装置12具有高感测速度和限定为≤0.2ms响应时间的快速响应。根据数个方面，电源开关36是低损耗半导体开关，其可能是具有预定特性的硅Si绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、SiC金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、GaN场效应晶体管(FET)等，并与高速电子感测、控制和保护电路耦合。还可以设想利用合适的模拟和数字逻辑电路来代替控制器44，以实现将电源开关36断开连接所需的保护和故障检测功能。被动过压保护装置(例如，电阻器-电容器(R-C)缓冲器和/或一个或多个瞬态电压抑制器(TVS)装置)也可能并入(未示出)在电源开关的第一和第二功率端子两端。

参照图3并且再次参照图1和图2，电源开关36可能包括多个导体构件，根据数个方面，这些导体构件包括限定第一功率端子的第一导体构件48、限定第二功率端子的第二导体构件50以及限定栅极或控制端子的第三导体构件52。第三导体构件52与驱动器和控制器44相通信。控制器44也与信号和功率连接器46相通信。控制器44以及信号和偏置功率连接器46与系统控制器54相通信，系统控制器54为电源开关36的操作，生成范围在从大约零到偏置电源电压电平的低压偏置功率和控制信号，偏置电源电压电平通常可以在3.3V到24V之间，更优选地，在5V到15V之间。信号或通信链路56在系统控制器54和信号连接器46之间提供电气隔离的通信路径，以接收命令和/或提供状态反馈。

根据数个方面，断开连接装置12的装置状态可能在断开连接装置12和系统控制器54之间传送。装置状态可能包括但不限于电源开关36为断开或闭合。装置状态可能由系统控制器54用来生成控制命令信号，该控制命令信号用于在断开连接装置12与负载18断开之后的可编程时间段之后，远程地或自动地闭合电源开关36，以将断开连接装置12与负载18重新连接。由于例如高于预定阈值的AC或DC高电压、高于预定电流阈值的过流状况或负载两端的短路故障，断开连接装置12可能与电源开关36断开连接。

系统控制器54可能执行多个功能。这些功能包括但不限于，在非电气故障状况下(例如在安全气囊展开期间)命令主动断开连接装置打开以防止发生热事件。这些功能还可能包括如果例如使用空中传输信号更新了断开连接装置12所连接的车辆的参数，那么对断开连接装置12的特性进行重新编程。这些功能还可能包括在由加速度计信号引发的电动车辆(EV)事故之后命令断开连接装置12打开，以提供对电池系统的过流保护，从而避免电池故障。根据数个方面，系统控制器54可能与断开连接装置12分离或者可能并入断开连接装置12的空间包络(space envelope)中。

如前文所描述的那样，开关控制器44和信号连接器46与系统控制器54相通信，其向电源开关36的操作提供偏置功率和控制信号。控制信号可能偏置成例如零伏或更低(限定电源开关36的断开位置)，并使用例如连接到电压源60(例如5伏直流或12伏直流源)的上拉电阻器58偏置成5伏或12伏或更高(限定电源开关36的闭合位置)。

参照图4并且再次参照图2和图3，断开连接装置12内的功率半导体开关36两端的电压降在操作期间生成热量，因此安装板28由导热材料制成以促进热量从断开连接装置12传递出去。为了进一步促进热传递，安装板28可能附着到散热器62以经由安装板28将热量传导到散热器62中并且从断开连接装置12传导出去。为了对断开连接装置12提供环境保护，例如抵抗大气或环境湿气和抵抗电气短路，可能在断开连接装置12周围设置非导电覆盖物64，例如浇注、喷涂或包覆成型的聚合或环氧材料。

参照图5并且再次参照图1至图4，本公开的断开连接装置12的尺寸可能设定成并入到通用系统模块壳体66中，例如，用于例如车辆驱动电机控制的牵引功率逆变器模块(TPIM)，或者并入到用于加热或空气调节控制的类似模块。壳体66包括通常为熔断器提供通道的端口70，该端口70可能修改成将断开连接装置12包括在内，从而无需通道来移除或更换断开连接装置12。这防止了环境因素(例如湿气和尘土)进入壳体66并影响断开连接装置12或壳体66内的其他高压电电子组件的操作。此外，参照图4所述的非导电覆盖物64进一步减轻了环境因素对断开连接装置12的操作的影响。壳体66通常包括电源端口72，该电源端口72向从HV电池的引入正负高压(HV)电缆提供密封连接。壳体66还可能包括输出HV端口74，该输出HV端口74向引向负载的传出正负高压(HV)引线提供密封连接。断开连接装置12的第一功率端子34和第二功率端子40分别连接在输入功率端口72的正极端子和输出功率端口74的正极功率端子之间。

根据数个方面，包括断开连接装置12的控制器44的控制电路提供随时间变化的可编程跳闸电流，用于将负载18与电源16断开连接，其基本上与温度无关。断开连接装置12可能连续不断地或以预定时间间隔向系统控制器54传送断开连接装置状态。在通过断开电源开关36来断开连接之后，可能通过来自系统控制器54的信号远程地通过闭合电源开关36来重新连接断开连接装置12。断开连接装置12也可能自主地重新连接，例如，在接收到可能由来自控制器44的信号启动的开关打开命令信号后的预定时间段之后。

根据数个方面，断开连接装置12的感测和控制特性允许在超过熔断器的已知工作限值的温度、电压和电流强度状况下工作。例如，断开连接装置12可能在高达125摄氏度、450V输入电压和50Amp输出电流下工作。断开连接装置12还可能被编程为在高于这些值时工作一段预定时间而无不断开电源开关36，例如，以允许在电动车辆的工作期间短时快速车辆加速汲取例如100Amp的高电流。

本公开的断开连接装置12具有几个优点。这些优点包括快速主动断开连接装置，该装置没有用于直流(DC)或交流(AC)高电压高电流电路的任何动触点，以使电路和系统免受过流和短路故障影响。断开连接装置采用具有预定特性(例如电压、电流、开关速度、尺寸等)的离散或集成的低损耗功率的一个或多个半导体开关，结合高速电子感测、控制和保护电路，当在过载或短路状况下负载电流随时间变化超过预定值时，安全地将负载与电源断开连接。断开连接装置可能从系统控制器获得低压偏置电源，并且可能向控制器传送断开连接装置状态，且可以在可编程或预定义的时间段之后远程地或自主地重新连接。断开连接装置12具有内置的感测和/或保护，在故障负载反复地重新连接和断开连接的情况下，防止过压和热过载。

本公开的描述本质上仅是示例性的，并且不脱离本公开的主旨的变型旨在包括在本公开的范围内。此类变型不应被视为脱离本公开的精神和范围。