Brevet FR3092951A1 — publié le 20200821

Description Titre de l'invention : Cellule de relais statique de sécurité et ensemble de cellules de relais statique associé [0001] La présente invention concerne une cellule de relais statique de sécurité du type comprenant une borne d'entrée et une borne de sortie, au moins un interrupteur principal en série entre la borne d'entrée et la borne de sortie, et une unité de contrôle conligurée pour commander indépendamment le ou chaque interrupteur principal. [0002] L'invention s'applique au domaine des systèmes électroniques de sécurité, en par- ticulier aux systèmes électroniques de sécurité pour la signalisation ferroviaire. [0003] Les relais statiques sont utilisés dans les systèmes électroniques de sécurité en tant qu'interrupteurs de sortie. Ce sont des dispositifs de commutation réalisés, notamment avec des composants électroniques à base de semi-conducteurs. Ces relais sont dits statiques car ils ne comportent pas de composants mécaniques ou électromécaniques. Ils permettent de contrôler le passage d'un courant d'intensité élevée avec un signal de commande de faible puissance. [0004] L'avantage de tels relais statique est la durabilité des composants utilisés, ceux-ci pouvant supporter un plus grand nombre de commutation que des relais électromécaniques de sécurité. Ceux-ci génèrent aussi moins de chaleur et leur vitesse d'ouverture est plus facilement contrôlable. [0005] Habituellement ces relais statiques comprennent des interrupteurs, tels que des inter- rupteurs à base de transistor, comme par exemple des transistors à effet de champ à grille isolée (MOSFET). [0006] Lc document CN 105946902 décrit une sortie utilisant des signaux de commande dynamique pour piloter via deux unités de commande des interrupteurs, tels que des transistors. [0007] Cependant, en utilisant de tels composants, les transistors soumis à une forte tension peuvent, même à l'état bloqué, laisser passer un faible courant, dû à l'usure ou aux dysfonctionnements des composants à semi-conducteur. Au-delà d'une certaine valeur, une charge pourrait être pilotée à tort, entraînant un problème de sécurité. [0008] L'invention a pour but de proposer une cellule de relais statique de sécurité et un ensemble de cellules de relais statique associé permettant de détecter une usure ou une défaillance des interrupteurs qui le compose. La cellule de relais statique de sécurité et l'ensemble de cellules de relais statique associé doivent pouvoir continuer d'assurer leur fonction de coupure, même en cas de panne d'un composant. [0009] A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif du type précité, caractérisé en ce qu'elle comprend un détecteur de courant de fuite, apte à détecter un courant de fuite 2 dans le ou chaque interrupteur principal. [0010] Une telle cellule de relais statique permet de détecter la présence d'un courant de fuite à travers les interrupteurs qui la compose. [0011] Suivant certains modes de réalisation, la cellule de relais statique de sécurité comporte l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : [0012] - le détecteur de courant de fuite comprend un module de mesure d'une tension de fuite, la tension de fuite étant représentative du courant de fuite, un générateur de signal périodique de tension, propre à générer un signal de comparaison, un comparateur propre à comparer la valeur de la tension de fuite et la valeur du signal de comparaison, et à donner en sortie un signal de détection de courant de fuite ayant un rapport cyclique représentatif du courant de fuite, [0013] - l'unité de contrôle comprend un module de réception relié en sortie du comparateur pour recevoir le signal de détection de courant de fuite, et un module de calcul propre à calculer le rapport cyclique du signal de détection de courant de fuite, [0014] - le générateur de signal périodique est un générateur de signal en dents de scie, le signal de comparaison généré étant un signal en dents de scie, [0015] - le générateur de signal périodique comprend une source de courant continu, un condensateur et un interrupteur secondaire, la source de courant continu étant apte à charger le condensateur, l'interrupteur secondaire étant apte à court-circuiter le condensateur lorsqu'il est en position fermée afin de provoquer la décharge du condensateur, et étant commandé par un signal de commande de décharge transmis par l'unité de contrôle, [0016] - le module de mesure de la tension de fuite comprend un pont diviseur de tension, le module de mesure étant connecté aux bornes de l'interrupteur principal ou de l'ensemble des interrupteurs principaux, [0017] - la cellule comprend au moins deux interrupteurs principaux en série, et [0018] - chaque interrupteur principal comporte un transistor et une diode connectée en anti- parallèle du transistor, et dans lequel au moins un transistor est un transistor à effet de champ, de préférence un transistor à effet de champ à grille isolée. [0019] L'invention a aussi pour objet un ensemble de cellules de relais statique du type comprenant une première cellule et une deuxième cellule de relais statique en série, chaque cellule étant du type précité, dans lequel la borne de sortie de la première cellule est connectée à la borne d'entrée de la deuxième cellule, les unités de contrôle de chaque cellule étant apte à communiquer entre elles. [0020] Suivant certains modes de réalisation, l'ensemble de cellules de relais statique comprend en outre une troisième cellule, une quatrième cellule et une cinquième cellule de relais statique, chaque cellule étant du type précité et dans lequel la borne d'entrée de la première cellule est connectée aux bornes d'entrée de la troisième cellule 3 et de la cinquième cellule, la borne de sortie de la troisième cellule est connectée à la borne de sortie de la cinquième cellule et à la borne d'entrée de la quatrième cellule, et la borne de sortie de la deuxième cellule est connectée à la borne de sortie de la quatrième cellule, les unités de contrôle de chaque cellule étant apte à communiquer entre elles. [0021] Ces caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la des- cription qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : [0022] - [fig.1] la figure 1 est une représentation schématique d'un ensemble de cellules de relais statique selon l'invention, comprenant deux cellules de relais statique de sécurité en série, [0023] [fig.2] la figure 2 est une représentation schématique d'une cellule de relais statique de sécurité de la figure 1, comprenant notamment deux interrupteurs principaux en série entre une borne d'entrée et une borne de sortie, un détecteur de courant de fuite, et pour chaque interrupteur, un module de commande, [0024] [fig.3] la figure 3 est un graphique représentant un exemple d'évolution temporelle des valeurs d'un signal de comparaison et de signaux de détection de courant de fuite, suivant différents cas de fonctionnement de la cellule de la figure 2, et [0025] [fig.4] la figure 4 est une représentation schématique d'une variante de l'ensemble de cellules de relais statique de la figure 1. [0026] La figure 1 présente un ensemble 5 de cellules de relais statique comprenant une première cellule 6 et une deuxième cellule 7 de relais statique de sécurité, de préférence identiques, en série. Chacune des cellules 6 et 7 comprend une borne d'entrée 16 et une borne de sortie 18, la borne de sortie 18 de la cellule 6 étant connectée à la borne d'entrée 16 de la cellule 7. Chaque cellule 6, 7 comprend deux interrupteurs 12 principaux connectés en série entre sa borne d'entrée 16 et sa borne de sortie 18. [0027] En variante, chaque cellule 6, 7 comprend un seul interrupteur 12 connecté entre la borne d'entrée 16 et la borne de sortie 18. [0028] L'architecture d'une cellule 6 ou 7 de relais statique de sécurité est décrite dans ce qui suit, en regard de la figure 2. [0029] La cellule 6 est apte à faire circuler un courant I de la borne d'entrée 16 vers la borne de sortie 18, lorsque les interrupteurs 12 sont en position fermée. [0030] Par la suite, toutes les tensions sont prises en référence au potentiel de la borne de sortie 18. [0031] Les interrupteurs 12 sont chacun contrôlés indépendamment par une unité de contrôle (commande et relecture) 20 propre également avantageusement à récupérer l'état de l'interrupteur parmi un état fermé et un état ouvert. Plus précisément, pour chaque interrupteur 12, l'unité de contrôle (commande et relecture) 20 comprend un module de commande 22 configuré pour générer et transmettre à l'interrupteur 12 correspondant un signal de commande de la commutation de l'interrupteur 12. Avantageusement, chaque signal de commande est un signal dynamique. [0032] Chaque interrupteur 12 comprend avantageusement un transistor 26 et une diode 28 connectée en antiparallèle du transistor 26. Les transistors 26 sont par exemple, des transistors à effet de champ, de préférence des transistors à effet de champ à grille isolée. Dans ce cas, le drain d'un premier transistor 26 est connecté à la borne d'entrée 16, sa source est connectée au drain du second transistor 26, et la source du second transistor 26 est connectée à la borne de sortie 18. Pour chaque transistor 26, le module de commande 22 correspondant est connecté au transistor 26 par sa grille. [0033] En outre, la cellule 6 comprend un détecteur 30 de courant de fuite comportant deux entrées 31 et 32 connectées aux bornes de l'ensemble des deux interrupteurs 12 et une sortie 33 connectée à l'unité de contrôle (commande et relecture) 20. Le détecteur 30 est apte à détecter un potentiel courant de fuite circulant dans les interrupteurs 12, notamment lorsqu'au moins un des interrupteurs 12 est en position ouverte. [0034] Le détecteur 30 comporte un module de mesure 34 comprenant deux entrées connectées aux entrées 31 et 32 du détecteur 30 et une sortie. Il est propre à fournir en sortie une tension de fuite V+, la tension de fuite V. étant représentative du courant de fuite. [0035] Le détecteur 30 comporte en outre un comparateur 38 comprenant deux entrées et une sortie. Il est connectée par une de ses entrées à la sortie du module de mesure 34 et par sa sortie à la sortie 33 du détecteur 30. [0036] Le détecteur 30 comporte en outre un générateur 42 de signal périodique de tension de comparaison connecté à l'autre entrée du comparateur 38. Le générateur 42 est commandé par l'unité de contrôle (commande et relecture) 20. Il est propre à générer et à fournir par une sortie, au comparateur 38 un signal de comparaison V_, le signal de comparaison V étant un signal périodique de tension. [0037] Dans l'exemple de la figure 2, le détecteur 30 comporte une alimentation isolée 46 connectée au module de mesure 34 et au générateur 42 et propre à alimenter élec- triquenlent ces derniers. [0038] En variante non représentée, le détecteur 30 comporte deux alimentations isolées, l'une étant connectée au module de mesure 34, l'autre étant connectée au générateur 42. [0039] Par exemple, le module de mesure 34 est un pont diviseur de tension comprenant deux résistances 50 et 52 connectées en série entre l'une des entrées du module de mesure 34 et une source de tension continue 56, et une diode 60 connectée entre un noeud 62 entre les résistances 50 et 52, et l'autre entrée du module de mesure 34. Le noeud 62 est connecté à la sortie du module de mesure 34. [0040] La source de tension continue 56 est alimentée par l'alimentation 46 et est propre à fournir une tension de référence VILLE- [0041] La diode 60 est orientée de façon à ce qu'elle soit en régime bloqué lorsque les inter- rupteurs 12 sont fermés et que le courant l est d'intensité positive. [0042] Le générateur 42 est par exemple un générateur de signal en dent de scie, le signal de comparaison V généré étant un signal en dent de scie. Il comprend un condensateur 66 connecté à une source de courant continu 70, et un interrupteur 74 secondaire connecté en parallèle au condensateur. [0043] La source de courant continu 70 est alimentée par l'alimentation 46 et est apte à charger le condensateur 66 avec un courant continu. La home du condensateur 66 chargée positivement est connectée à la sortie du générateur 42. [0044] L'unité de contrôle (commande et relecture) 20 est configurée pour contrôler la com- mutation de l'interrupteur 74. Plus précisément, l'unité de contrôle (commande et relecture) 20 comprend un module 78 de commande du générateur 42, configuré pour générer et transmettre à l'interrupteur 74 un signal de commande de décharge V'c. [0045] L'interrupteur 74 comprend par exemple un transistor 82 à effet de champ, de préférence un transistor à effet de champ à grille isolée. Dans ce cas, le drain et la source du transistor 82 sont placés de façon à court-circuiter le condensateur 66 afin de provoquer la décharge du condensateur 66, lorsque le transistor 82 est passant, et la grille du transistor 82 est connectée au module 78. [0046] Le comparateur 38 est propre à comparer la valeur de la tension de fuite V. et la valeur du signal de comparaison V , et à donner en sortie un signal de détection de courant de fuite VouT ayant un rapport cyclique a représentatif du courant de fuite. [0047] L'unité de commande 20 est apte à récupérer le signal de détection de courant de fuite N Toul' à la sortie 33 du détecteur 30. Plus précisément, l'unité de contrôle (commande et relecture) 20 comprend un module de réception 88 connecté à la sortie 33 du détecteur 30 et apte à récupérer le signal de détection de courant de fuite Voua [0048] En complément, le module 78 est connecté à la sortie 33 du détecteur 30 et est apte à récupérer le signal de détection de courant de fuite VouT. 6 [0049] Le module de réception 88 est connecté au module 78 et est apte à récupérer le signal de commande de décharge Vix'. [0050] L'unité de contrôle (commande et relecture) 20 comprend en outre un module de calcul 92 connecté au module de réception 88 et configure pour calculer le rapport cyclique n du signal de détection de courant de fuite Vo,n, la valeur du rapport cyclique n étant représentative du courant de fuite, ainsi que le rapport cyclique du signal de commande de décharge Vpc. Il est en outre, apte à mémoriser les rapports cycliques calculés, et à effectuer un vote sur différentes valeurs de rapport cyclique calculées. [0051] On appelle rapport cyclique le rapport entre le temps où le signal est en état haut sur une période et le temps total d'une période. [0052] Le fonctionnement de la cellule 6 est à présent décrit à l'aide de la figure 3 re- présentant un exemple d'évolution temporelle du signal de commande de décharge V'c sur le graphique 200, du signal de comparaison V sur le graphique 202, et du signal de détection de courant de fuite Vo,,, pour trois cas de fonctionnement respectivement sur les graphiques 204, 206 et 208. [0053] La cellule 6 comprend habituellement deux états de fonctionnement : un état fermé lorsque les deux interrupteurs 12 sont fermés et que le courant I circule de la borne d'entrée 16 à la borne d'entrée 18, et un état ouvert lorsqu'au moins un des interrupteurs 12 est ouvert. [0054] Le graphique 200 représente l'évolution temporelle du signal de commande de décharge généré par le module 78. Il commande, lorsqu'il est en état haut, la fermeture de l'interrupteur 74 et la décharge du condensateur 66. Le signal de commande de décharge Vpc est un signal périodique d'une période t3-t0. Sur la première période, il est en état haut entre des instants temporels t2 et [0055] Dans ce qui suit, on s'intéresse au comportement de la cellule 6 sur la première période, c'est-à-dire, entre un instant initial to et l'instant le comportement étant identique sur les autres périodes. [0056] Le graphique 202 représente l'évolution temporelle du signal de comparaison V généré par le générateur 42. A l'instant initial t0, le condensateur est déchargé et la valeur du signal de comparaison V est nulle. Jusqu'à l'instant t2, la source de courant 70 charge le condensateur 66 avec un courant d'intensité constante et la valeur du signal de comparaison V croît linéairement avec une pente qui est fonction de l'intensité du courant généré par la source de courant 70 et de la capacité électrique du condensateur 66, jusqu'à atteindre une valeur V,' à l'instant t2. A l'instant t,, le module 78 commande la fermeture de l'interrupteur 74, ce qui amorce la décharge du condensateur 66, et la valeur du signal de comparaison V est alors nulle entre les instants t2 et t3. 7 [0057] Le graphique 202 présente aussi en pointillés des valeurs de la tension de fuite pour différents cas de fonctionnement. La tension de fuite V, prend une valeur V' dans un cas a où les deux interrupteurs 12 sont ouverts et que l'on n'observe pas de courant de fuite. Elle prend une valeur V, dans un cas e où les deux interrupteurs 12 sont fermés. Elle prend une valeur V.E, dans un cas h où un des interrupteurs 12 est fermé et où l'autre est ouvert et observe un courant de fuite, ou alors où les deux interrupteurs 12 sont ouverts et observent tous deux un courant de fuite. [0058] Les graphiques 204, 206 et 208 représentent l'évolution temporelle de signaux respectifs Voua, VOLTS et VOL) ic correspondant au signal de détection de courant de fuite Vou, pour les cas respectifs a, h et c. Le signal \Toula, ou respectivement VOL! F b ou Voua , est en état haut lorsque la tension de fuite V. est supérieure à la valeur du signal de comparaison V_, c'est-à-dire entre l'instant to et un instant th, ou respectivement t15 ou t ainsi qu'entre l'instant t2 et l'instant t3, et en état bas dans le cas contraire, c'est-à-dire entre les instants ti', ou respectivement tu, ou tic, et t2. [0059] Pour détecter qu'un interrupteur 12 est défectueux et laisse passer un courant de fuite, l'unité de contrôle (commande et relecture) 20 commute un des interrupteurs 12 à l'état ouvert et l'autre à l'état fermé, l'interrupteur 12 à l'état ouvert étant celui qui est testé. Le module de réception 88 récupère alors le signal de détection de courant de fuite V011,- et calcule son rapport cyclique ah. Il effectue la même opération pour tester l'autre interrupteur 12. [0060] Le module de calcul 92 calcule alors les rapports cycliques ab correspondant à ces deux tests. Les rapports cycliques ab calculés pour chacun des interrupteurs 12 testés sont comparés à des rapports cycliques calculés et mémorisés par le module de calcul 92 lorsque les deux inten-upteurs 12 sont ouverts a' et fermés ac et au rapport cyclique du signal de commande de décharge V,c, afin de détecter un potentiel courant de fuite, notamment lorsqu'un des rapports cycliques ab est plus faible que aa. [0061] Avantageusement, le module de réception 88 récupère le signal de commande de décharge VT,c, afin de vérifier que le signal est correctement généré. [0062] En cas de panne d'un des interrupteurs 12 d'une cellule 6, celui-ci est laissé non commandé par l'unité de contrôle (commande et relecture) 20 et notamment fermé, et le changement d'état de la cellule 6 est assuré uniquement par l'autre interrupteur 12. [0063] On comprend alors qu'une cellule 6 comprenant deux interrupteurs 12 permet d'avoir une sûreté de fonctionnement plus élevée qu'une cellule 6 comprenant un seul interrupteur 12. [0064] En cas de panne d'un des deux interrupteurs 12, la cellule 6 est considérée en panne. [0065] L'ensemble 5 est dans un état fermé lorsque les cellules 6 et 7 sont à l'état fermé, et dans un état ouvert lorsqu'au moins une des cellules 6 et 7 est à l'état ouvert. [0066] Lorsqu'une des cellules de l'ensemble 5est en panne, elle est laissée à l'état fermé et 8 l'ouverture et la fermeture de l'architecture composite 5 est assurée par l'autre cellule de l'ensemble 5. Une opération de maintenance sur la cellule défaillante sera alors lancée. [0067] La figure 4 présente un autre mode de réalisation de l'ensemble 105 de cellules de relais statique comprenant une première cellule 106, une deuxième cellule 107, une troisième cellule 108, une quatrième cellule 109 et une cinquième cellule 110 de relais statique de sécurité. [0068] Chacune des cellules 106 à 110 comprend une borne d'entrée et une borne de sortie. Les première et deuxième cellules 106 et 107 sont connectées de la même façon que les première et deuxième cellules 6 et 7 de l'ensemble 5. La borne d'entrée de la première cellule 106 est en outre connectée aux bornes d'entrée de la troisième cellule 108 et de la cinquième cellule 110, la borne de sortie de la troisième cellule 108 est connectée à la borne de sortie de la cinquième cellule 110 et à la borne d'entrée de la quatrième cellule 109, et la borne de sortie de la deuxième cellule 107 est connectée à la borne de sortie de la quatrième 109. [0069] L'ensemble 105 est dans un état fermé lorsque les cellules 106 et 107 sont fermées, ou lorsque la cellule 109 et au moins une des cellules 108 et 110 sont fermées. Elle est dans un état ouvert lorsqu'au moins une des cellules 106 et 107 est ouverte, et que la cellule 109 ou les cellules 108 et 110 sont ouvertes. [0070] Ainsi, en cas de panne d'une des cellules 106 à 110, elle est laissée à l'état fermé, et l'ouverture et la fermeture de l'ensemble 105 peut être assurée par les autres cellules. [0071] On comprend alors que le mode de réalisation de l'ensemble 105 permet d'avoir une disponibilité plus élevée que le mode de réalisation de l'architecture composite 5. En effet l'ensemble 105 peut permettre d'assurer la sureté de fonctionnement même en cas de panne de 2 voire même 3 cellules, tant que 2 cellules en série ne sont pas en panne simultanément. 9 [Revendication 1] [Revendication 2] [Revendication 3] [Revendication 4] [Revendication 5] [Revendication 6]