КЛЮЧЕВОЙ ЭЛЕМЕНТ С ДИАГНОСТИКОЙ В РЕАЛЬНОМ ВРЕМЕНИ
KEY ELEMENT WITH REAL-TIME DIAGNOSTIC FUNCTION

Изобретение относится к средствам автоматики и телемеханики и может быть использовано в качестве высоконадежного переключающего элемента с малым временем переключения, в частности, в системах с блоками безопасности для контроля исправности силовых управляемых ключей.
Известно устройство, содержащее управляемые ключи, к выходам которых через диоды подключены исполнительные органы, которое содержит также контрольное устройство, первый блок включения, через который общие точки управляемых ключей связаны с первой шиной источника питания, второй блок включения, включенный последовательно в цепь связи общих точек исполнительных органов со второй шиной источника питания, и токозадающие элементы, например резисторы, подключенные одними выводами к выходам управляемых ключей, а другими выводами - ко второй шине источника питания, вход контрольного устройства подключен параллельно первому блоку включения. Устройство позволяет проверить работоспособность каждого из выходных каскадов без нарушения функционирования системы управления, в которой оно установлено. При этом косвенно проверяется и сама система управления (см. патент РФ 2101748, G05B 23/00, G05B 23/02, 1996).
После включения питания перед проведением теста все ключи в известном устройстве закрыты. При этом ток через управляемые ключи устройства не протекает, исполнительные органы выключены, цепи токозадающих элементов разомкнуты, на входе фиксирующего устройства напряжение равно нулю и сигнал на его выходе отсутствует. В данном случае отсутствие сигнала на выходе фиксирующего устройства свидетельствует об отсутствии неисправности типа короткозамкнутого ключа.
Для контроля управляемых ключей необходимо поочередно формировать команды на их открытие и не подавать управляющие сигналы на открытие блоков включения. В этом случае через соответствующий токозадающий элемент и открытый управляемый ключ потечет ток в цепь управления фиксирующего устройства, которое сработает на время подачи команды на ключ и выключится после ее снятия (в то время как при пробое любого ключа фиксирующего устройство будет формировать выходной сигнал постоянно).
Таким образом, известное устройство для проверки ключей требует перевода их в тестовый режим, что существенно ограничивает область его применения. В частности, его использование для контроля нормально замкнутых ключей блока безопасности возможно только при отключении данного блока на время тестирования. Это же обстоятельство снижает достоверность контроля, поскольку последний осуществляется не постоянно, а лишь периодически, при переводе устройства безопасности в тестовый режим.
Наиболее близким к предложенному является ключевой элемент высоковольтного вентильного преобразователя, в который для диагностики введены блок резисторов, блок измерения сигналов, а силовые ключи высоковольтного вентиля разделены на две части, образующие среднюю точку, соединенную с общей шиной питания блока измерения сигналов. С одной стороны от средней точки токоограничивающие резисторы соединены с первыми выводами силовых ключей высоковольтного вентиля, а с другой - с их вторыми выводами. Первые выводы каждого из резисторов блока резисторов подключены к общей шине питания блока измерения сигналов, а их вторые выводы соединены соответственно со вторыми выводами токоограничивающих резисторов и входами блока измерения сигналов, выходы которого соединены с входами оптопередатчика (см. Патент РФ 2417498, H02H 7/10, 05.04.2010).
В этом устройстве силовые ключи высоковольтного вентиля закрыты и на них присутствует переменное напряжение, которое поступает на входы блока измерения сигналов через токоограничивающие резисторы, где оно ограничивается резисторами блока резисторов, образующими с токоограничивающими резисторами так называемые делители напряжения. При «пробитом» силовом ключе высоковольтного вентиля напряжение равно нулю. При исправном силовом ключе высоковольтного вентиля величина напряжения отлична от нуля. Блок измерения сигналов измеряет величину напряжения на силовых ключах высоковольтного вентиля, соединенных со средней точкой высоковольтного вентиля непосредственно. Величину напряжения на остальных силовых ключах высоковольтного вентиля блок измерения сигналов определяет через разность напряжений между соседними делителями напряжения, выполняя в этом режиме функции блока сравнения со средней точкой.
Данное устройство может быть использовано для контроля ключей блоков безопасности, однако в нем контроль состояния силовых ключей выполняется в определенных условиях: до и после работы преобразователя, когда напряжение подано, но силовые ключи высоковольтного вентиля выключены (либо во время работы преобразователя в моменты выключенного состояния силового ключа). Во время работы преобразователя силовые ключи высоковольтного вентиля находятся в открытом состоянии, поэтому режим контроля их исправности и измерение их нагрева заявляемым устройством в этом случае блокируются.
Таким образом, и данному устройству по существу присущ тот же недостаток: в рабочем состоянии ключ не контролируется, контроль его исправности осуществляется только в тестовом режиме.
К недостаткам известного устройства следует отнести также ограниченную сферу использования - ряд измерений возможен только для блоков, содержащих множество одинаковых силовых ключей.
Техническим результатом, ожидаемым от использования изобретения, является повышение достоверности контроля ключей, что имеет определяющее значение для ключей блоков безопасности за счет осуществления непрерывного контроля в процессе работы. Кроме того, предлагаемое устройство применимо для одиночных ключей, что также весьма важно для использования в блоках безопасности, имеющих, как правило, управляющий ключ на выходе, в безопасном состоянии разомкнутый и замыкающийся только при возникновении нештатной ситуации.
Указанный результат достигается тем, что в ключевом элементе с диагностикой в реальном времени, выполненном в виде последовательной цепи из не менее двух контролируемых ключей и источника питания и содержащем блок попарного сравнения напряжений на контролируемых ключах, последний выполнен с возможностью контроля и сравнения падения напряжений на открытых последовательно включенных контролируемых ключах, которые выполнены в виде полевых транзисторов.
Кроме того, блок попарного сравнения напряжений на контролируемых ключах может быть выполнен с возможностью контроля суммарного напряжения на последних и/или на выходах ключевого элемента.
При этом входные цепи блока попарного сравнения напряжений на контролируемых ключах могут быть выполнены с возможностью регулировки входного тока.
И, наконец, входные цепи блока попарного сравнения напряжений на контролируемых ключах могут быть выполнены в виде блока дискретизации, снабженного регулятором дискретизации, обеспечивающим возможность регулировки входного тока путем изменения частоты дискретизации или интервала накопления, вход и выход которого подключены к выходу блока дискретизации и его управляющему входу соответственно.
Рассмотрим сначала простейшую реализацию предлагаемого устройства, а затем поясним возможные варианты.
Принципиальная схема предлагаемого устройства изображена на фиг. 1, где обозначено:
1, 2, 3 - цепи управления ключами,
4 - источник питания,
5 - дополнительный полевой транзистор (ключ),
6, 7 - контролируемые полевые транзисторы (ключи),
8 - нагрузка,
9, 10 - клеммы, являющиеся выходами ключевого элемента,
11 - блок попарного сравнения напряжений на контролируемых ключах с дополнительным входом 12.
Контролируемые полевые транзисторы 6 и 7 включены в последовательную цепь с транзистором 5 и нагрузкой 8. Входы блока 11 попарного сравнения напряжений на контролируемых ключах в рассматриваемом примере подключены к стоку и истоку каждого из полевых транзисторов 6, 7, выполненных по возможности идентичными, а блок 11 выполняется с возможностью попарного сравнения входных напряжений на открытых ключах 6, 7, например, в виде двух входных дифференциальных усилителей, выходы которых соединены со входами схемы сравнения, выход которой и является выходом блока 11 попарного сравнения напряжений на контролируемых ключах.
На фиг. 2 изображен пример принципиальной схемы входной цепи блока 11 попарного сравнения напряжений на контролируемых ключах, для которой входной ток определяется частотой дискретизации. На фиг. 2 обозначено: 13 - резистор обратной связи, 14 - входная емкость, 15 - ключ, 16 - выходной интегратор.
Входная емкость (входной измерительный конденсатор) 14 через переменно переключающийся с частотой F ключ 15 подключается к измеряемой цепи (то есть входу блока 11, на фиг. 2 не показана) и к входу выходного интегратора 16. При этом входное сопротивление такой входной цепи определяется выражением R=1/(CF), где С - емкость конденсатора 14.
В этом случае при измерении падений напряжения на каналах транзисторов 6 и 7 на фиг. 1 на открытых каналах и больших токах влияния частоты F выборки практически нет. Тогда как на закрытых каналах токи утечки становятся соизмеримы с входными токами измерительных входов блока 11, и изменением частоты сэмплирования F можно подобрать входной ток измерения, обеспечивающий попадание напряжения на входах в измеряемый диапазон и таким образом, в частности, проконтролировать утечку закрытого полевого транзистора 5 (фиг. 1) (т.е. меняется делитель, состоящий из сопротивления утечки верхнего ключевого элемента и параллельно включенных сопротивления полевых ключей и входного сопротивления измерительной схемы блока 11). Это позволяет оценить с нужной точностью величину тока утечки исследуемого ключевого элемента (в данном случае полевого транзистора 5). Изменение частоты F производится, например, управляющим процессором или микроконтроллером (на фиг. 1 не показан), контролирующим работу блока 11 таким образом, чтобы измеряемые падения напряжения на ключах 6, 7 в закрытом и открытом состоянии находились в оптимальном диапазоне. Информационный вход микроконтроллера подключен к выходу интегратора 16. Микроконтроллер измеряет выходное напряжение интегратора 16 и одновременно, путем изменения частоты F, обеспечивает нахождение измеряемого напряжения в оптимальном диапазоне характеристики. Замыкание ключа 15 может осуществляться и с постоянной частотой, а регулироваться длительность импульса, то есть интервал накопления. Блок дискретизации в рассматриваемом случае образован ключом 15, конденсатором 14, интегратором 16 и микроконтроллером.
Следует учитывать, что выполнение входных цепей блока 11 с возможностью регулировки входного тока может осуществляться и с помощью управляемого резистивного делителя напряжения. Соответствующие делители напряжения устанавливаются на входах блока 11 и управляются микроконтроллером, подключенным вышеописанным образом и работающим по вышеописанному алгоритму.
Тем не менее, регулировка входных токов блока 11 с использованием блока дискретизации схемотехнически проще, надежнее и более эффективна.
CLK
вх
CLK
В блоке дискретизации может использоваться АЦП или схема выборки-хранения. Пример построения блока дискретизации показан на фиг. 3, на которой изображен микроконтроллер 17, регулирующий частоту сэмплирования f АЦП 18, входной ток которого ввиду использования схемы с переносом заряда в первом приближении пропорционален этой частоте. Для простоты показан АЦП 18 с двумя дифференциальными входами, как и блок измерения 11 на фиг. 1. Критерий регулирования прост: до тех пор, пока входной ток i не будет превышать ток утечки контролируемого закрытого ключа (транзистор 5 на фиг. 1) на достаточную величину, описанный (см. раньше) резистивный делитель из сопротивления закрытого транзистора и входного сопротивления измерительной схемы будет подавать на входы измерительной схемы слишком большую часть напряжения питания? и АЦП 18 будет в «зашкале» - т.е. выдавать по обоим каналам максимальный код. Задача микроконтроллера 17 - увеличивать частоту дискретизации f до появления в каналах разумных незашкаливающих кодов - с некоторым запасом (например, половина шкалы или 1/3 шкалы). Такое решение позволяет использовать ту же самую измерительную схему как для контроля идентичности и, соответственно, исправности открытых транзисторов 6, 7, так и, после их закрывания, измерять величину тока утечки транзистора 5 (или, при открытом транзисторе 5, другого ключа, стоящего последовательно в этой цепи).
Необходимо подчеркнуть, что полевые транзисторы 6, 7 могут относиться как к одному функциональному блоку, так и к различным, в частности контролируемой системе автоматического управления, блоку контроля или блоку безопасности в любой комбинации. Дополнительный полевой транзистор 5 также может относиться к системе управления или блоку безопасности, то есть как к цепочке из N контролируемых ключей, так и быть выделенным, обеспечивая контроль и лучшие показатели функционирования при переключении цепочки.
В случае, когда ключевой элемент или его часть представляют собой последовательно включенные каналы полевых транзисторов, а безопасным состоянием является разомкнутое, методом контроля работоспособности является обычно кратковременное размыкание ключей с проверкой состояния цепи. При этом во многих случаях частое полное отключение является нежелательным (ввиду срабатывания управляемых ключевым элементом цепей безопасности), а кратковременное отключение без срабатывания основных систем затруднено. В этом случае нормально замкнутый ключевой элемент на интервалах между отключениями может оказаться неконтролируемым, что недопустимо для систем безопасности.
Так, например, полное замыкание низкоомного канала полевого транзистора вследствие электрического пробоя или механического смещения проводников может оказаться не выявленным ввиду того, что не изменит существенно ток в цепи. Между тем это вполне реальная ситуация, например, при бросках напряжения питания или разрядах напряжения в окружающих силовых цепях (в том числе имеющих емкостную или индуктивную конструктивную связь с цепями ключевого элемента). Предлагаемое устройство позволяет исключить данную ситуацию посредством непрерывного контроля равенства или заданной пропорциональности падений напряжений на каналах обоих ключей 6, 7 (при частичном пробое может возникнуть существенный ток утечки, нарушающий это равенство), а также неизменность сопротивлений каналов обоих транзисторов (при частичном пробое или полном замыкании эта величина сразу же изменяется).
Выполнение блока 11 попарного сравнения напряжений на контролируемых ключах с высокоомными входами не допускает пробоя на напряжениях существенно выше используемых в цепях ключей.
Как уже отмечалось, при контроле ключей в реальном времени используется тот факт, что сопротивления открытых каналов контролируемых транзисторов 6 и 7 либо известны, и измерительная схема при сравнении напряжений учитывает их соотношение, либо равны, что при последовательном включении обеспечивает равенство напряжений. В наиболее простом варианте, когда сопротивления ключей 6 и 7 (каналов транзисторов) равны (т.е. транзисторы технологически идентичны), а блок 11 выполнен в виде простейшего автомата с логическим выходом, блок 11 в зависимости от модуля разности двух входных напряжений и выбранного допустимого порога срабатывания (разбаланса) генерирует, например, логический «0» для разницы меньше порога и логическую «1» при более существенном разбалансе. Последнее говорит о неисправности. При разомкнутых ключевых элементах 6, 7 данная измерительная схема фактически контролирует саму себя и, помимо этого, равенство токов утечки двух транзисторов (6 и 7), что при положительном результате контроля также соответствует логическому «0» на выходе, а при разбалансе цепей - логической «1».
При исполнении блока 11 на базе, например, АЦП с многоканальным синхронным УВХ (УВХ или СВХ - устройство или схема выборки-хранения соответственно, а синхронность измерений необходима для компенсации всплесков тока в цепи нагрузки) и микроконтроллера последний осуществляет не только сравнение напряжений в каналах, но и в соответствии с диапазоном измеряемых значений может производить перестройку частоты дискретизации для АЦП и УВХ с соответствующим изменением входных токов измерительных цепей. При этом выход блока 12 в данном случае является цифровым интерфейсом для передачи более полной диагностической информации о состоянии каждого ключа по результатам измерений и в зависимости от режима работы.
Следует заметить, что при смене полярности источника питания 4 соответственно используются полупроводниковые приборы противоположной проводимости. Если в последовательной цепи источника питания 4, нагрузки 8, полевого транзистора 5 используется N>2 полевых транзисторов, то при их четном количестве блок 11 осуществляет попарное сравнение напряжений, например, на соседних полевых транзисторах: первом и втором, третьем и четвертом и т.д. Если же N нечетное, один из контролируемых полевых транзисторов используется при контроле дважды: первый со вторым и первый с третьим, например, при N=3.
Если блок 11 выполняется с возможностью контроля напряжения на полевых транзисторах 6, 7, то дополнительных соединений не требуется, если же с возможностью контроля суммарного падения на всем ключевом элементе, то есть включая дополнительный полевой транзистор 5, клемма 9 соединяется с дополнительным входом блока 11.
Блок 11 при N>2 выполняется с возможностью сравнения напряжений не только на соседних ключах (полевых транзисторах), но и на других их парах, что способствует существенному увеличению надежности контроля и работы схемы в целом. Например, при N=3, сопоставляя напряжения на парах 1-2, 2-3 и 1-3, а также между клеммами 9, 10, мы имеем возможность не реагировать на случайные броски токов утечки (например, ключа 1 в паре 1-2, если такой же бросок не зафиксирован в паре 1-3, и т.п.).
Данное решение предназначено, прежде всего, для применения в тех ключах безопасности, где нагрузка включена последовательно и безопасным состоянием является разомкнутый ключ (т.е. нагрузка обесточена). Особенностью данного варианта является то, что большую часть рабочего времени ключ находится в замкнутом состоянии, и размыкание его для тестирования с нужной периодичностью невозможно или нежелательно. Тогда как все диагностические мероприятия должны проводиться в реальном времени и обеспечивать требуемую высокую вероятность размыкания ключа при соответствующей команде для осуществления функции безопасности. Ситуация дополнительно осложняется тем, что в процессе работы и при аварийных ситуациях цепи нагрузки могут подвергаться кратковременному воздействию высоких напряжений и токов, после чего информация о работоспособности ключа наиболее актуальна.
Наличие дополнительного транзистора 5, не охваченного схемой измерения, как одного из силовых элементов ключа может решить вопрос независимости от недостаточно высокого напряжения пробоя входных цепей измерительного блока 11. При этом управление ключом строится таким образом, чтобы транзистор 5 принимал на себя основные проблемы перепада мощности и напряжения при коммутации, а его контроль происходит только по утечке в закрытом состоянии измерением суммы падений напряжений на транзисторах 6 и 7. Тогда в данной схеме наибольшая вероятность деградации приходится именно на полевой транзистор 5, который должен выбираться с большим запасом прочности и, желательно, из типов, демонстрирующих именно постепенную деградацию при воздействиях, а транзисторы 6 и 7 эксплуатируются в щадящем режиме, контролируется их сохранность и ими гарантируется размыкание ключа безопасности. Причем процесс деградации транзистора 5 контролируется по увеличению тока утечки в закрытом состоянии (при известных - напряжении в цепи и температуре), что оценивают по сумме падения напряжений на каналах полевых транзисторов. Распределение напряжений на закрытом ключе при самом высоковольтном и аварийном воздействии (удар молнии, попадание на ключ самого высокого из присутствующих в системе силовых напряжений и т.п.), исходя из которых производится выбор типов транзисторов по предельным значениям, определяется утечками в цепях и может регулироваться добавлением соответствующих высоковольтных резисторов.
Для схожих по структуре полевых транзисторов 6 и 7 в одинаковых условиях работы (на одном токе и при идентичном управлении) температурная зависимость сопротивления канала проявляется одинаково с высокой точностью. При этом существенным моментом является положительный температурный коэффициент сопротивления как для большинства используемых кремниевых структур, так и медных проводников контактов, что вызывает соответствующую положительную обратную связь по мощности и облегчает выявление даже начальной дефектности (при увеличении температуры растет сопротивление и мощность при стабильном токе, что дополнительно увеличивает температуру). Таким образом, регистрируемая разность напряжения между каналами или для одного канала относительно других однозначно говорит о неисправности: пробое или деградации структуры транзистора или нарушениях в цепи управления. Все это делает предлагаемое решение, при всей его простоте, весьма надежным для диагностики ключей безопасности (а также других последовательных многотранзисторных ключевых схем) в реальном времени.
При последовательно включенном в цепь между нагрузкой и нашим ключом любом другом ключевом элементе (например, тоже со сложной схемой) предлагаемая схема измерения на закрытых (запертых) полевых транзисторах ключа разности напряжений позволяет судить об их утечках или неисправностях в цепи их управления. Но теперь сумма всех этих напряжений уже не равна напряжению питания и, в свою очередь, говорит о величине утечки закрытого внешнего ключевого элемента (поскольку ток утечки проходит через последовательно включенные входные сопротивления измерительных каналов и легко измеряется по падению напряжения на них). Причем контролироваться может как внешний ключевой элемент, так и любой из расположенных "выше" по схеме полевых транзисторов (если их много) - просто за счет анализа суммы напряжений на тех закрытых, что включены "ниже" него (а если он включен посередине, то можно судить о транзисторах и выше, и ниже).
Это делается той же схемой, но здесь (на разомкнутых ключах, т.е. - закрытых каналах полевых транзисторов), имея дело с малыми токами утечки, подстраиваемся к их измерению в широком диапазоне, изменяя частоту дискретизации F.
Таким образом, заявленное устройство позволяет достаточно эффективно контролировать исправное состояние ключей, относящихся, как отмечено выше, к контролируемому блоку, в том числе безопасности, прежде всего в замкнутом состоянии, то есть состоянии высокой проводимости. Но с его помощью также может проводиться диагностика ключа по утечкам его элементов и в разомкнутом состоянии при низкой проводимости ключевого элемента.