ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЙ КЛЮЧЕВОЙ ЭЛЕМЕНТ С ВЫСОКИМ УРОВНЕМ БЕЗОПАСНОСТИ И КОНТРОЛЕМ В РЕАЛЬНОМ ВРЕМЕНИ

Полезная модель относится к средствам автоматики и телемеханики и может быть использована 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 с 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 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 полезной модели 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 замкнутый и размыкающийся только при возникновении нештатной ситуации.
Указанный результат достигается тем, что последовательный ключевой элемент с высоким уровнем безопасности и контролем в реальном времени, выполненный в виде последовательной цепи из не менее двух контролируемых ключей и источника питания и содержащий блок попарного сравнения напряжений на контролируемых ключах, снабжено биполярным транзистором, включенным последовательно в цепь источника питания, при этом контролируемые ключи выполнены в виде полевых транзисторов.
Целесообразно также дополнительно снабдить ключевой элемент высоковольтным диодом, включенным согласно в цепь базы биполярного транзистора.
При этом, точка с наименьшим потенциалом цепи управления биполярного транзистора может быть соединена с истоком одного из 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.
И, наконец, входные цепи блока попарного сравнения напряжений на контролируемых ключах выполнены в виде схемы выборки-хранения и/или АЦП с пропорциональной зависимостью входного тока от частоты выборки и регулятора частоты выборки, вход которого подключен к выходу АЦП..
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 - биполярный транзистор (ключ), показан составным,
6, 7 - контролируемые полевые транзисторы (ключи),
8 - нагрузка,
9, 10 - клеммы, являющиеся выходами ключевого элемента,
11 - блок попарного сравнения напряжений на контролируемых ключах,
12 - высоковольтный диод.
Контролируемые полевые транзисторы 6 и 7 включены в последовательную цепь с биполярным 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, например, в виде двух входных дифференциальных усилителей, выходы которых соединены со входами схемы сравнения, или в виде двух схем выборки-хранения с аналогово-цифровым преобразованием, выходы которых через соответствующий интерфейс и образуют информационный выход блока 11 попарного сравнения напряжений на контролируемых ключах. Для контроля суммарного падения напряжения на ключах 6, 7 или 5, 6, 7 блок 11 снабжается дополнительным дифференциальным усилителем, входы которого подключаются к эмиттеру биполярного транзистора 5 и клемме 10 в первом случае и клеммам 9, 10 во втором, а выход - к аналогово-цифровому преобразователю или схеме сравнения.
Высоковольтный диод 12 включен в цепь базы биполярного транзистора 5 согласно, то есть за p-n областями диода 12 следуют p-n области базы и эмиттера транзистора 5, и наоборот. Как показано на фиг.1, точка с наименьшим потенциалом цепи управления биполярного транзистора 5 подключена к истоку последнего, считая от биполярного транзистора 5, полевого транзистора 7, то есть точке схемы с наименьшим потенциалом, что обеспечивает зависимое управление.
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.).
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.
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 токов в 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 и высоковольтными входами не допускает пробоя на напряжениях существенно выше используемых в цепях ключей.
В наиболее простом варианте, когда сопротивления ключей 6 и 7 (каналов транзисторов) равны, 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». Для более точного измерения напряжений и в случае, когда используются разнотипные полевые транзисторы с несколько различающимися сопротивлениями каналов, в схему сравнения целесообразно включать аналогово-цифровой преобразователь с многоканальным устройством выборки-хранения, подключенный к микроконтроллеру для соответствующей обработки цифровых значений измеряемых напряжений.
Следует заметить, что при смене полярности источника питания 4 соответственно используются полупроводниковые приборы противоположной проводимости. Если в последовательной цепи источника питания 4, нагрузки 8, биполярного 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 биполярный транзистор 5, клемма 9 соединяется с дополнительным входом блока 11.
Диод 12 служит для увеличения надежности биполярного ключа 5 и защиты цепей цепи управления 1 от пробоя при выходе из строя транзистора 5, что в противном случае могло бы привести к замыканию всего ключа.
Поясним теперь критерии выбора подключения точки с наименьшим потенциалом цепи управления биполярного транзистора 5. Для получения зависимого управления очень удобно иметь в цепи эмиттера несколько полевых транзисторов (группу), для чего мы и подключаем нижнюю точку цепи управления биполярного транзистора 5 к истоку последнего в этой группе полевого транзистора 7. Срабатывание хотя бы одной цепи управления полевого в транзистора 6, 7 (а они независимы и в случае аварии есть вероятность, что хоть одна из них уцелеет и обеспечит его размыкание) не просто разрывает всю последовательную цепь, поскольку один этот элемент размыкается, но, что очень важно, делает это штатным образом, сразу же вовлекая в процесс отключения биполярный транзистор 5 (даже если управляющий сигнал на размыкание по штатной цепи управления к нему не дошел). Тот, выходя из режима насыщения, в свою очередь, принимает на себя основные коммутационные проблемы (бросок мощности на ключе, бросок напряжения и пр.), чем существенно увеличивает стойкость системы и вероятность отключения в экстремальной ситуации.
При независимом управлении предельное напряжение на разомкнутом ключе определяется просто суммой допустимых напряжений на каждом из транзисторов (с учетом распределения потенциалов и влияния высокоомных цепей схемы измерения, там, где есть ее подключения). Имея, например, биполярный транзистор 5 на 1200 В и три полевых на 600 В, можно получить в сумме 3000 В. Тогда как при зависимом управлении управляющая (базовая) цепь биполярного транзистора 5 шунтирует группу полевых транзисторов 6, 7 (фиг. 1), к истоку последнего из которых (7) подключена точка ее нижнего потенциала. В этом случае предельное напряжение определяется уже суммой такового для биполярного транзистора 5, для его базовой цепи (оно фактически определяется напряжением пробоя введенного туда диода 12) и полевых транзисторов за пределами группы (на фиг. 1 не показаны). Так, если в предыдущем примере зависимым управлением охватить два из трех последовательных полевых транзисторов (подключить нижний потенциал к истоку второго полевого транзистора), и имея напряжение пробоя упомянутого диода, например, 500 В, получим уже 1200+500+600=2300 В, что существенно ниже предыдущих 3000 В. Подключив же к истоку «последнего» полевого транзистора, сколько бы их ни было в схеме, получим лишь 1200 В + 500 В = 1700 В.
Таким образом, выбирать точку подключения нужно отдельно в каждом конкретном случае, находя компромисс между требуемой вероятностью срабатывания (отключения) в системе безопасности и требуемым напряжением пробоя.
Отдельно следует рассматривать максимальный ток, протекающий через ключевой элемент (ключ) в режиме пробоя (например, при пробое цепи управления биполярного транзистора 5), который, в свою очередь, может быть ограничен схемотехническими методами (соответствующие резистивные цепи, предохранители и пр.) до величины ниже критического тока в системе (он определяется величиной тока «отпускания», например, таких исполнительных электромагнитных устройств, как клапана, задвижки и пр.).
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 высоковольтного биполярного транзистора 5, как одного из силовых элементов ключа, решает вопрос ограничения тока при перегрузках, к которым так чувствительны полевые транзисторы 6, 7 (avalanche energy), что с высокой вероятностью приводит к локальному пробою и замыканию канала (в данном случае биполярный транзистор 5 просто выходит из режима насыщения, принимая на себя всю мощность внешнего воздействия, и разгружая полевые транзисторы 6, 7). То же происходит и при переходном процессе в момент переключения. Находясь в таких идеальных и облегченных условиях работы, полевые транзисторы 6, 7 обеспечивают максимально возможные показатели по надежности для своего типа. Зависимое управление (когда сопротивления каналов полевых транзисторов оказываются в цепи эмиттерной отрицательной обратной связи биполярного транзистора 5) обеспечивает более точное ограничение по току, а также гарантирует безаварийное размыкание ключа в случае, когда хотя бы одна из цепей управления сохраняет работоспособность, что увеличивает безопасность. В данной схеме наибольшая вероятность деградации приходится на биполярный транзистор 5, который должен выбираться с большим запасом прочности из типов, демонстрирующих именно постепенную деградацию при критических воздействиях. Причем этот процесс контролируется по увеличению тока утечки в закрытом состоянии (при известных - напряжении в цепи и температуре), что оценивают по сумме падения напряжений на закрытых каналах полевых транзисторов 6, 7. В случае их работоспособности падение напряжения тока утечки транзистора 5 определяется проводимостью измерительных цепей блока 11. В целом же 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.
На фиг. 2 изображен пример принципиальной схемы входной цепи блока 11 попарного сравнения напряжений на контролируемых ключах, для которой входной ток определяется частотой выборки. 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 C - емкость конденсатора 14.
В этом случае, при измерении падений напряжения на каналах транзсторов 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. Схема выборки-хранения в рассматриваемом случае образована ключом 15, конденсатором 14, интегратором 16.
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 схемы выборки-хранения проще, надежнее и это более эффективно.
Таким образом, в схеме измерения может использоваться АЦП или схема выборки-хранения. Пример такого построения показан на фиг. 3, на которой изображен микроконтроллер 17, регулирующий частоту сэмплирования fclk 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 Iвх не будет превышать ток утечки контролируемого закрытого ключа (транзистор 5 на Фиг. 1) на достаточную величину, описанный (см. выше) 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 «за-шкале» - т.е. выдавать по обоим каналам максимальный код. Задача микроконтроллера 17 - увеличивать (уменьшать) частоту выборки (дискретизации) fclk 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).
На фиг. 1 также обозначены элементы цепей управления полевых транзисторов:
19, 20 - оптопары,
21, 22, 23, 24 - токоограничивающие резисторы,
25, 26 - запирающие диоды,
27, 28 - транзисторы, обеспечивающие разряд емкости затвора,
29, 30 - стабилитроны ограничения напряжения и резисторы 31, 32.
Как уже отмечалось, при контроле ключей в реальном времени используется тот факт, что сопротивления открытых каналов 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.
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.