ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ С НАДЕЖНЫМ ПОВЕДЕНИЕМ ПРИ ОТКЛЮЧЕНИИ ПИТАНИЯ И НИЗКОЙ МОЩНОСТЬЮ УПРАВЛЕНИЯ
SEMICONDUCTOR SWITCH WITH RELIABLE BEHAVIOUR AT FAILURE OF POWER SUPPLY AND LOW POWER CONTROL

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение имеет отношение к переключающему устройству для соединения электрооборудования и устройств с энергосетью и их разъединения.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Сокращение потребления энергии в режиме ожидания становится главной проблемой для электрооборудования и устройств, питаемых от энергосети, таких как потребительское повседневное электрооборудование или подключенные к сети осветительные нагрузки. В прошлом были предложены решения, которые решали описанную выше проблему посредством использования схемы контроллера очень низкой мощности в комбинации с элементом накопления энергии и бистабильным реле или реле с защелкой. Главные недостатки реле - слышимый шум переключения, ограниченный срок службы, большой физический размер, ограниченная надежность при механических воздействиях и, в конечном счете, высокая стоимость. Слышимый шум и механический износ во время переключения обусловливают предотвращение частой перезарядки накопителя энергии и, таким образом, требуют существенной емкости элемента накопления, что приводит к большим затратам. Возврат напряжения электросети после отключения питания приводит к синхронному броску пускового тока всех соединенных устройств, что может вызвать срабатывание устройств отключения тока и, таким образом, привести к другому отключению питания.
Простая замена механического реле полупроводниковым переключателем в качестве недостатка имеет риск тупиковых ситуаций после отключения питания электросети и истощения элемента накопления энергии вследствие этого. Имеется также постоянное усилие по его поддержке в требуемом состоянии по сравнению с решением с использованием реле с защелкой или бистабильного реле.
Документ US5237211A раскрывает схему двунаправленного переключателя, содержащую параллельную схему двух однонаправленных переключающих устройств, которые соединены между первым и вторым внешними разъемами тока. Эти переключающие устройства расположены таким образом, что они являются обратными друг другу по их направлению тока. Переключающие устройства получают электрическое питание от одного блока питания и, в соответствии с разностью потенциалов между внешними разъемами, выполняют поочередное включение. Каждое переключающее устройство может представлять собой биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT), который управляется генератором напряжения смещения, содержащим резистор. Селектор пути обратного тока соединен между внешними разъемами и имеет выход, соединенный с блоком питания через линию обратного пути. Селектор автоматически выполняет операцию переключения обратного пути для обратного тока одного из переключающих устройств, включенных в настоящий момент.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы обеспечить переключающее устройство с чрезвычайно низким потреблением энергии управления, которое дает возможность надежного запуска работы переключающего устройства и главного устройства после неограниченных по продолжительности перерывов в подаче питания от электросети.
Решение задачи достигнуто устройством по пункту 1 формулы изобретения.
В соответствии с этим, предложен двунаправленный полупроводниковый переключатель с чрезвычайно низким расходом энергии управления и схемой источника крайне низкого напряжения смещения, которое дает возможность надежного запуска работы переключателя и главного устройства после неограниченных по продолжительности перерывов в подаче питания от электросети. Это позволяет приложениям главного устройства работать в условиях режима ожидания вообще без электрического соединения с электросетью и предлагает возможности интеллектуального управления, работающие лишь от малого накопителя энергии, и больше не требует дополнительных средств для восстановления из состояния с истощенным источником энергии. Отсутствие слышимого шума и механического износа также дает возможность более частых циклов перезарядки и позволяет использование меньших, а значит, более дешевых компонентов накопления энергии.
В соответствии с первым аспектом, может быть обеспечен дополнительный генератор случайных чисел, который задерживает работу переключающего устройства после прерывания в подаче питания от электросети случайным образом (например, между нулевой и максимальной приемлемой задержкой по времени) и, тем самым, осуществляет асинхронное поведение соединенных устройств, избегая повторного срабатывания устройств отключения тока.
В соответствии со вторым аспектом, который может быть объединен с упомянутым первым аспектом, полупроводниковый переключатель может содержать по меньшей мере два металлоксидных полевых полупроводниковых транзистора или по меньшей мере два биполярных транзистора с изолированным затвором. Таким образом, может быть гарантирована минимизация мощности управления полупроводникового переключателя.
В соответствии с третьим аспектом, который может быть объединен с упомянутым первым или вторым аспектом, схема источника напряжения смещения может содержать последовательное соединение по меньшей мере одного конденсатора, стабилитрона, выполненного с возможностью ограничивать напряжение питания, полученное из энергосети, и диода для выпрямления ограниченного напряжения питания для получения плавающего вспомогательного напряжения. Таким образом, разрядный резистор (резисторы), подключаемый параллельно по меньшей мере одному конденсатору, может быть исключен, что помогает уменьшить потребление энергии.
В соответствии с четвертым аспектом, который может быть объединен по меньшей мере с одним из аспектов с первого по третий, может быть обеспечен буферный конденсатор для буферизации плавающего вспомогательного напряжения. Эта мера гарантирует, что напряжение питания схемы управления переключением буферизируется на некоторое время.
В соответствии с пятым аспектом, который может быть объединен по меньшей мере с одним из аспектов с первого по четвертый, схема защелки может представлять собой, например, триггер или другую бистабильную реализацию.
В соответствии с шестым аспектом, который может быть объединен по меньшей мере с одним из аспектов с первого по пятый, может быть обеспечена схема мониторинга, которая выполнена с возможностью обнаруживать плавающее вспомогательное напряжение и обеспечивать управляющий сигнал для схемы защелки, если плавающее вспомогательное напряжение ниже предопределенного порога, причем управляющий сигнал запускает принудительный сброс полупроводникового переключателя. Таким образом, может быть предотвращено повреждение полупроводникового переключателя из-за чрезмерного рассеяния мощности. В качестве дополнительной возможности может быть обеспечена другая схема мониторинга, которая выполнена с возможностью определять статус (например, уровень энергии) по меньшей мере некоторых элементов накопления энергии в устройстве, и выходной сигнал которой также может обеспечить управляющий сигнал для схемы защелки, чтобы инициировать цикл включения с последующей перезарядкой упомянутых выше элементов накопления энергии устройства.
В соответствии с седьмым аспектом, который может быть объединен по меньшей мере с одним из аспектов с первого по шестой, схема мониторинга может содержать транзистор, активируемый плавающим вспомогательным напряжением, как только упомянутое вспомогательное напряжение достигает своего номинального значения, причем напряжение коллектора транзистора подается на входной разъем схемы защелки.
Таким образом, может быть реализовано простое обнаружение напряжения питания и обеспечена функциональная возможность мониторинга.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Эти и другие аспекты изобретения будут очевидны и понятны со ссылкой на варианты осуществления, описанные далее. На чертежах:
Фиг.1 показывает блок-схему переключающего устройства в соответствии с вариантами осуществления;
Фиг.2 показывает более подробную блок-схему переключающего устройства в соответствии с первым вариантом осуществления;
Фиг.3 показывает более подробную блок-схему переключающего устройства в соответствии со вторым вариантом осуществления;
Фиг.4 показывает более подробную блок-схему переключающего устройства в соответствии с третьим вариантом осуществления; и
Фиг.5 показывает более подробную блок-схему переключающего устройства в соответствии с четвертым вариантом осуществления.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Следующие варианты осуществления основаны на переключающем устройстве с двунаправленным полупроводниковым переключателем с чрезвычайно низким потреблением энергии управления и схемой источника крайне низкого напряжения смещения, которое дает возможность надежного запуска работы переключателя и главного устройства после неограниченных по продолжительности перерывов в подаче питания от электросети.
Фиг.1 показывает блок-схему с основными компонентами переключающего устройства в соответствии со следующими вариантами осуществления настоящего изобретения. Транзисторы M1 и M2 большой мощности (например, N-MOSFET (металлоксидные полевые полупроводниковые транзисторы) или IGBT (биполярные транзисторы с изолированным затвором)) формируют двунаправленный сетевой переключатель. Напряжение управления, подаваемое на общий исток GNDaux транзисторов MOSFET, генерируется контроллером 20 включения/выключения. Блок управления включением/выключением или контроллер 20 снабжается питанием посредством источника 10 крайне низкого напряжения смещения, который может быть выполнен с возможностью очень низкого потребления энергии, например, менее 1 мВт. Активация переключателя выполняется контроллером 20 включения/выключения, который принимает меры по включению или выключению переключателя после отказа электросети и по запросу управляющих сигналов Ctrl, подаваемых через блок 30 изоляции сигналов. Блок 30 изоляции сигналов служит для изоляции переключающего устройства от схемы управления (не показана), которая подает управляющие сигналы Ctrl, и может включать в себя одну или более оптронных пар или индуктивную линию связи, такую как изолирующий трансформатор.
MOSFET представляет собой транзистор, в котором напряжение на изолированном с помощью оксида электроде затвора может вызвать проводящий канал между двумя другими контактами, называемыми истоком и стоком. Канал может иметь n-тип или p-тип, и транзистор соответственно называют N-MOSFET или P-MOSFET.
Транзисторы MOSFET, показанные на фиг.1, могут быть заменены биполярными транзисторами с изолированным затвором (IGBT), которые являются полупроводниковыми устройствами большой мощности с тремя электродами для высокой производительности и быстрого переключения. Транзистор IGBT комбинирует простые характеристики управления с помощью затвора транзисторов MOSFET с возможностью работы с током высокого напряжения и напряжением низкого насыщения биполярных транзисторов посредством комбинации транзистора FET с изолированным затвором для управляющего ввода и биполярного транзистора большой мощности в качестве переключателя в одном устройстве.
Транзистору N-MOSFET или IGBT для включения нужен существенно положительный заряд, приложенный к затвору. Использование устройств N-MOSFET/IGBT представляет собой общий способ снижения затрат, в значительной степени благодаря сокращению размера кристалла (имеются также другие преимущества).
Транзистор MOSFET/IGBT представляет собой управляемое напряжением устройство, которое теоретически не будет иметь какого-либо прямого тока затвора. Это позволяет использовать заряд в конденсаторе в целях управления. Однако, в конечном счете, конденсатор потеряет свой заряд (из-за паразитного тока затвора и неидеального (то есть, бесконечного) внутреннего сопротивления).
Фиг.2 показывает блок-схему первого варианта осуществления переключающего устройства с более подробной реализацией источника 10 крайне низкого напряжения смещения. Плавающее вспомогательное напряжение между узлами Vaux и GNDaux формируется из напряжения электросети при помощи двух конденсаторов C1 и C2 малой емкости, ограниченное стабилитроном DZ и выпрямленное диодом D1. Плавающее вспомогательное напряжение буферизируется конденсатором C3. Емкости конденсаторов C1 и C2, например, могут составлять несколько нанофарад (нФ) при типичных переменных (AC) напряжениях электросети 115 В на 60 Гц или 230 В на 50 Гц. Эти емкости конденсаторов настолько низки, что не требуются разрядные резисторы, параллельные конденсаторам C1 и C2 соответственно, что помогает уменьшить потребление энергии.
Емкости конденсаторов C1 и C2 не должны быть равными. В наиболее оптимизированном случае потребление энергии контроллера 20 включения/выключения становится таким низким, что конденсаторы C1 и C2 могут быть выбраны в диапазоне ниже 100 пФ. В этом случае, конденсатор C2 даже может быть исключен.
Следует отметить, что в источнике крайне низкого напряжения смещения, используемом в упомянутых вариантах осуществления, нет требований к рабочему циклу двунаправленного переключателя, сформированного транзисторами M1 и M2 большой мощности. Предоставление емкости (с помощью конденсаторов C1, C2 и стабилитрона DZ и диода D1) разряжает накопительный конденсатор C3, пока переменное напряжение электросети присутствует между разъемами M, независимо от состояния двунаправленного переключателя.
Фиг.3 показывает блок-схему второго варианта осуществления переключающего устройства с более подробной реализацией источника 10 напряжения смещения, в которой конденсатор C2 был удален ввиду того факта, что транзисторы M2 и M1 MOSFET сетевого переключателя также обеспечивают некоторое количество паразитной емкости (не показано).
Фиг.4 показывает блок-схему третьего варианта осуществления переключающего устройства с более подробной реализацией источника 10 напряжения смещения и блока 30 изоляции сигналов. Блок 30 изоляции сигналов снабжен схемой 34 обработки сигналов, которая извлекает команды установки (S) и сброса (R) из коротких сигнальных импульсов, которые передаются от блока управления (не показан), например, цифрового интерфейса адресуемого управления освещением (DALI), цифрового мультиплексора (DMX) или другой системы управления, включающей в себя изолирующий сигнальный преобразователь. Функциональность обработки сигналов в блоке 24 подавляет события общего режима, например, вследствие емкостной связи в сигнальном преобразователе и обеспечивает отказ сигнала для возмущений, бросков, скачков и т.д. Сигнальный преобразователь может напоминать преобразователи, используемые в приложениях цифровой сети комплексного обслуживания (ISDN). Цепочка сигнализации также может быть реализована оптронной парой (фототранзистором и фотодиодом в активном режиме) (не показана) или более чем одной оптронной парой.
Извлеченные импульсы используются для установки или сброса схемы бистабильной защелки (например, 1-разрядный триггер с выходными задающими устройствами), которая включена в блок 26 обработки сигналов, что обеспечивает сигнал управления затвором для транзисторов M1 и M2 большой мощности. Как уже упомянуто выше, транзисторы этого типа имеют (кроме утечки) незначительное потребление энергии на входном порту затвора-истока для поддержания состояния переключения. Энергия рассеивается в блоке 26 обработки сигналов только во время включения или выключения. Таким образом, во время работы в устойчивом состоянии нет существенно никакого или имеется пренебрежимо малое потребление энергии управления.
Дополнительным элементом является схема 22 мониторинга, которая постоянно обнаруживает дифференциальное напряжение между узлами Vaux и GNDaux и выдает сигнал блоку 26 обработки сигналов. Выходной сигнал схемы 22 мониторинга изменяет состояние, когда дифференциальное напряжение пересекает предопределенный уровень. Выходной сигнал схемы мониторинга, таким образом, непрерывно присутствует, указывая, находится ли дифференциальное плавающее напряжение выше или ниже порогового значения. Необходим ли цикл включения с последующей перезарядкой элементов накопления энергии главного устройства или нет, зависит от выходного сигнала описанной схемы 22 мониторинга, но он может инициироваться отдельной схемой мониторинга в главном устройстве, отслеживающей уровень энергии по меньшей мере некоторых из элементов накопления энергии в главном устройстве. Таким образом, другая схема мониторинга выполнена с возможностью определять статус по меньшей мере некоторых элементов накопления энергии и обеспечивать другой управляющий сигнал для схемы 26 защелки, если уровень энергии элементов накопления энергии ниже предопределенного порога. Управляющий сигнал может тогда запускать цикл включения транзисторов M1 и M2 большой мощности с последующей перезарядкой по меньшей мере некоторых элементов накопления энергии.
Цель схемы 22 мониторинга состоит в том, чтобы гарантировать, что транзисторы M1 и M2 большой мощности никогда не являются проводящими (принудительный сброс), когда дифференциальное напряжение между узлами Vaux и GNDaux не достаточно высоко, чтобы предотвратить снижение напряжения транзисторов M1 и M2 большой мощности, из-за чрезмерного рассеяния мощности. В главном устройстве может быть добавлена отдельная схема мониторинга (не показана), отслеживающая энергию элементов накопления энергии в главном устройстве. Ее цель состоит в том, чтобы обеспечивать восстановление системы из ситуации, в которой накопитель энергии полностью исчерпан. Это позволяет приложению исполнять предварительный цикл включения автоматически и последующий период перезарядки элементов накопления энергии (в том числе, в блоке управления). Цикл включения является предварительным в том смысле, что вход в нормальное функционирование оборудования (то есть, нагрузки L на фиг.4) не производится, пока соответствующий управляющий сигнал не будет принят, и устройство будет отсоединено от электросети снова, если элементы накопления энергии будут перезаряжаться снова.
Фиг.5 показывает блок-схему четвертого варианта осуществления переключающего устройства, в котором источник 10 крайне низкого напряжения смещения выполняет простую генерацию источника крайне низкого напряжения смещения и вспомогательное обнаружение напряжения питания (функциональная возможность мониторинга) с помощью резисторов R1 и R2 и транзистора Q1 без добавления дополнительного опорного напряжения (что экономит статическое потребление энергии). Резистор R1 может быть исключен, если база транзистора Q1 может выдержать ток через стабилитрон DZ. Как только конденсатор C3 зарядится до нормального рабочего напряжения, некоторый ток начинает течь через стабилитрон DZ в положительном направлении, что активирует транзистор Q1. Напряжение коллектора транзистора Q1 представляет собой выходной сигнал схемы мониторинга и формирует входной сигнал для контроллера 20 включения/выключения. Эта схема может быть расширена посредством добавления функции гистерезиса, например, через схему или элемент обратной связи (не показаны). Как показано на фиг.5, блок 30 изоляции сигналов содержит сигнальный преобразователь U1 для достижения необходимой изоляции между схемами переключения и управления.
Другой способ реализовать функциональную возможность мониторинга состоит в том, чтобы использовать серийно выпускаемую интегральную схему (IC). Такая серийно выпускаемая интегральная схема может представлять собой микромощный низковольтный компаратор, такой как Linear Technology LT6703, который может быть подсоединен в качестве схемы мониторинга. Хотя его потребление тока при нормальном функционировании (например, напряжение питания выше 1,4 В) является соразмерно низким (например, ниже 10 мкΑ), во время запуска (например, напряжение питания ниже 1 В) интегральная схема потребляет ток питания с величиной, превышающей 30 мкΑ. Чтобы гарантировать, что вспомогательный источник напряжения предоставляет достаточный ток, в этом случае емкости конденсаторов C1 и C2 должны быть выбраны более высокими, например 3,3 нФ, каждый, при типичном среднеквадратичном действующем значении (RMS) напряжения электросети 230 В на 50 Гц. Кроме того, электронные схемы обработки сигналов могут быть соединены с вторичной стороной изолирующего трансформатора. В частности, могут использоваться цифровые конструктивные блоки интегральных схем комплементарных структур "металл-оксид-полупроводник" (CMOS).
В другой модификации описанных выше вариантов осуществления может быть обеспечена схема ввода для ввода входного сигнала включения/выключения, например, генерируемого интерфейсом декодера DALI или DMX, которая включает в себя схему, созданную с помощью логических ячеек CMOS, с тем чтобы преобразовать входной сигнал включения/выключения в короткие импульсы включения/выключения, которые подаются на разъемы первичной стороны изолирующего трансформатора. Схема ввода может питаться, например, напряжением постоянного тока 10 В и может потреблять менее 1 мкА при частоте включений/выключений менее одного раза в секунду.
Дополнительным признаком может являться функция рандомизации или генератор случайных чисел, который задерживает включение транзисторов M1 и M2 большой мощности после перерывов в подаче питания от электросети и истощения элементов накопления, чтобы предотвратить синхронные броски пускового тока во всех устройствах в ветви схемы и ответное срабатывание устройств отключения тока, что могло бы привести к другой ситуации отключения питания. Это было бы особенно полезно в больших установках освещения с множеством схем нагрузок и большой буферной емкостью в источниках питания.
Изобретение может быть применено, например, в оборудовании, предлагающем дистанционное управление оборудованием и имеющем расширенные периоды ожидания, но при этом по-прежнему реагирующем на команды дистанционного управления. Такое оборудование включает в себя дистанционно управляемые системы освещения, например, посредством систем DALI, ZigBee, DMX или других решений для управления освещением или зданиями, а также потребительское повседневное оборудование, такое как телевизоры, телевизионные абонентские приставки, бытовая техника или потребительские решения для освещения.
Таким образом, был описан двунаправленный полупроводниковый переключатель с чрезвычайно низким потреблением энергии управления и схемой источника крайне низкого напряжения смещения, которое дает возможность надежного запуска работы переключателя и главного устройства после неограниченных по продолжительности перерывов в подаче питания от электросети. Возможности интеллектуального управления обеспечены посредством работы от малого накопителя энергии, и не требуются какие-либо дополнительные средства для восстановления из ситуации с истощенным накопителем энергии. Отсутствие слышимого шума и механического износа также дает возможность более частых циклов перезарядки элементов накопления энергии в главном устройстве и позволяет использование меньших, а значит, более дешевых компонентов накопления энергии.
Другие изменения раскрытых вариантов осуществления могут быть понятны и выполнены специалистами в данной области техники при осуществлении заявленного изобретения на основе изучения чертежей, раскрытия и приложенной формулы изобретения.
В формуле изобретения слово "содержит" не исключает другие элементы или этапы, и единственное число не исключает множества. Единственный процессор, датчик или другой блок может выполнять функции нескольких элементов, изложенных в формуле изобретения. Тот факт, что некоторые количественные показатели изложены во взаимно различных зависимых пунктах формулы изобретения, не указывает, что для преимущества не может использоваться комбинация этих количественных показателей.
Любые ссылочные позиции в формуле изобретения не должны рассматриваться как ограничение объема.