Коммутатор напряжения питания

Область техники
Полезная модель относится к области электронной техники и может быть использована в схемах, где требуется коммутация напряжения на нагрузку первичного источника питания с гальванической развязкой от двух выходных шин устройства в выключенном состоянии. Представлены два варианта устройств - для резервированных и не резервированных систем. Например, комплект из двух устройств может быть использован в резервированных системах управления, в частности космическими аппаратами, где требуется обеспечение функционирования хотя бы одного резерва системы с холодным резервированием при допустимости отказа любого одного элемента в тракте какого-либо резерва.
Уровень техники
Известен коммутатор напряжения с защитой от перегрузки по току [1]. В рамках рассмотрения его части в качестве аналога согласно цели и объема решаемых задач предлагаемым техническим решением коммутатор напряжения содержит вход включения коммутатора напряжения, вход выключения коммутатора напряжения, триггер, электронный ключ, блок нагрузки, две шины напряжения питания. Способ коммутации напряжения на нагрузке при этом заключается в том, что для включения устройства импульсный сигнал включения преобразуют в сигнал постоянного уровня с помощью RS триггера. Этим сигналом постоянного уровня открывают электронный ключ, который устанавливают между одной входной шиной питания и блоком нагрузки. Другой вывод блока нагрузки соединяют с другой входной шиной питания. Для выключения устройства импульсным сигналом выключения устанавливают RS триггер в исходное состояние, которое обеспечивает выключенное состояние коммутатора.
Коммутатор напряжения обеспечивает подключение блока нагрузки по импульсным сигналам на входах включения и выключения коммутатора напряжения.
Недостаток коммутатора напряжения состоит в том, что он не обеспечивает полную гальваническую развязку блока нагрузки от шин напряжения питания при поступлении импульсного сигнала на вход выключения коммутатора напряжения. Другим недостатком этого коммутатора является низкая надежность вследствие потери работоспособности при отказе любого элемента коммутатора напряжения. Кроме того, для обеспечения работоспособности коммутатора напряжения необходим, например, дополнительный источник питания элементов управления электронным ключом, или элементы управления постоянно подключены к первичному источнику питания, что также является недостатком устройства.
Прототип
Из известных аналогов наиболее близкими по технической сущности является коммутатор напряжения питания, представленный в патенте [2]. Оптоэлектронное реле питания резервированных систем содержит шину включения, две шины выключения, первый общий вывод сигнала выключения, второй общий вывод сигнала выключения, формирователь тока, схему соединения оптронов, четыре оптрона, последовательно соединенные первую входную шину, цепь коммутации первого оптрона, цепь коммутации второго оптрона, первую выходную шину, а также последовательно соединенные вторую входную шину, цепь коммутации третьего оптрона, цепь коммутации четвертого оптрона, вторую выходную шину, причем аноды и катоды светодиодов каждого оптрона соединены с соответствующими входами схемы соединения оптронов, выход формирователя тока соединен с токовым входом схемы соединения оптронов, а также устройство содержит два ключа, аналоговое ИЛИ, причем шина включения соединена с первым входом аналогового ИЛИ, второй вход которого соединен с первой выходной шиной, первый и второй ключи включены параллельно, вход управления первого ключа соединен с первой шиной выключения, вход управления второго ключа соединен со второй шиной выключения, формирователь тока включен между токовым входом схемы соединения оптронов и выходом аналогового ИЛИ, токовый выход схемы соединения оптронов соединен со второй выходной шиной, первый общий вывод сигнала выключения при исполнении ключей на транзисторах соединен с точкой соединения первого ключа и второй выходной шиной, второй общий вывод сигнала выключения соединен с точкой соединения второго ключа и второй выходной шиной, а при исполнении ключей на оптронах первый общий вывод сигнала выключения соединен с другим входом управления первого ключа, второй общий вывод сигнала выключения соединен с другим входом управления второго ключа.
вых
4св
вых
4св
имп
Способ коммутации напряжения (на нагрузке) прототипа заключается в том, что в каждой силовой шине напряжения питания устанавливают последовательно пару силовых ключей (цепи коммутации оптронов), для включения устройства подают импульсный сигнал (ток) на вход управления (светодиод оптрона) каждого силового ключа, далее на эти входы подают сигналы постоянного уровня (ток), для выключения устройства блокируют сигналы постоянного уровня, блокировку осуществляют по двум дублированным цепям, сигналы постоянного уровня представлены в виде тока I=(U-U)/R, который вырабатывают формирователем тока из выходного напряжения U устройства с учетом падения напряжения U на светодиодах оптронов и сопротивления R формирователя тока, импульсный сигнал включения также формируют в виде тока с амплитудой I≈I.
Преимуществом устройства является отсутствие в необходимости дополнительного источника питания, повышенная надежность, полное отключение от источника входного напряжения в режиме выключения каждой входной шины.
Надежность выключения оптоэлектронного реле питания резервированных систем при одном любом отказе обеспечивается как параллельным включением первого и второго слаботочных ключей с соответствующими дублированными цепями их управления по первой и второй шинам выключения, так и тем, что в каждой силовой шине напряжения питания устанавливают последовательно пару силовых ключей (оптронов).
Надежность обеспечения напряжением питания хотя бы одного резерва системы нагрузки (при двух комплектах устройства) при одном любом отказе в каком-либо одном резерве комплекта оптоэлектронного реле питания резервированных систем обеспечивается совместно с системой управления объекта резервирования, формирующей сигнал по шине включения того или иного исправного резерва устройства. Таким образом, комплект из двух устройств оптоэлектронного реле питания резервированных систем обеспечивает функционирование нагрузки как минимум при одном отказе в любом резерве (совместно с системой управления).
Недостаток устройства заключаются в низкой технологичности, следующей из принципа действия оптрона - управление его силовой цепью световым потоком. Соответственно невозможно обеспечить изготовление малогабаритного варианта устройства, например, в виде микросборки вследствие проблем изоляции световых потоков оптронов с их исполнением в бескорпусных кристаллах. Применение же в микросборке корпусных оптронов приводит к отсутствию эффективности ее массогабаритных параметров.
В случае силового исполнения коммутатора напряжения питания и соответственно, например, электронного блока его нагрузки номенклатура силовых элементов этих изделий содержит как оптрон коммутатора напряжения питания, так и чаще всего более распространенный силовой элемент - КМОП транзистор электронного блока нагрузки. Таким образом имеем разнородную по физике функционирования номенклатуру комплектующих. Что также приводит к снижению технологичности.
Другой недостаток технологичности заключается в проблемах (или невозможности) использования оптронов в технике специального применения: «…оптоэлектронным устройствам присущи недостатки, обусловленные низкой стойкостью элементов к воздействию ионизирующего излучения, что ограничивает их использование в радиационно стойкой аппаратуре…» [3]. Кроме того, из статьи [4] ОАО Волховского завода полупроводниковых приборов известна долговременная нестабильность параметров оптопар: «…проблемы оптопар как деградация излучательной способности светодиодов и поляризация компаундов, приводящая к утечкам фотоприемника до сих пор не решены…». Это обуславливает низкую надежность оптопар в долговременной перспективе и особенно в условиях воздействия повышенных температур и высокого уровня радиационного фона.
Цель полезной модели
Целью полезной модели является повышение технологичности. Достижение поставленной цели обеспечивается тем, что в коммутатор напряжения питания введены два резистора, блок умножения напряжения, причем в первой шине напряжения питания в качестве силового ключа используют первый КМОП транзистор одного типа проводимости, в другой шине напряжения питания в качестве силового ключа используют второй КМОП транзистор другого типа проводимости, между затвором и истоком КМОП транзисторов включены соответственно первый и второй резисторы, затвор первого КМОП транзистора соединен с первым выходом блока умножения выходного напряжения, затвор второго КМОП транзистора соединен с вторым выходом блока умножения выходного напряжения, общий вывод которого соединен с второй выходной шиной, вход выключения блока умножения выходного напряжения соединен с шиной выключения коммутатора напряжения питания, выход элемента аналогового ИЛИ соединен с входом напряжения питания блока умножения выходного напряжения.
Сущность полезной модели
Устройство иллюстрируется фиг. 1 - схема не резервированного коммутатора напряжения питания, фиг. 2 - схема коммутатора напряжения питания для резервированных систем. На фиг. 1 коммутатор напряжения питания содержит последовательно соединенные плюсовую входную шину 1, силовую цепь КМОП транзистора 2 n - типа, плюсовую выходную шину 3. Минусовая входная шина 4 последовательно соединена с силовой цепью КМОП транзистора 5 p - типа, минусовой выходной шиной 6. Между затвором и истоком КМОП транзистора 2 и КМОП транзистора 5 включены соответственно резисторы 7 и 8. Затворы КМОП транзисторов 2 и КМОП транзистора 5 соединены соответственно с первым и вторым выходами положительного и отрицательного напряжений блока 9 умножения напряжения. Источник 10 сигналов включения включен между минусовой выходной шиной 6 и первой шиной управления 11. Источник 12 сигналов выключения включен между минусовой выходной шиной 6 и второй шиной управления 13, которая соединена также с входом выключения блока 9 умножения напряжения. Плюсовой вывод питания блока 9 умножения напряжения соединен с плюсовой выходной шиной 3 через элемент 14 аналогового ИЛИ, второй вход которого соединен с первой шиной управления 11. Минусовой выводы питания блока 9 умножения напряжения соединен с минусовой выходной шиной 6.
В приведенном выше описании коммутатора напряжения питания использована расширенная трактовка его терминов и является по физической сущности идентичной с ниже приведенной терминологией устройства-прототипа: цепь коммутации оптрона заменена на цепь коммутации силового ключа.
В простейшем случае первый и второй источники 10 и 12 сигналов управления могут представлять вторичные обмотки импульсных трансформаторов, на первичную обмотку которых поступают импульсные сигналы управления коммутатором напряжения.
Блок 9 умножения напряжения может иметь множество схемотехнических решений. Например, на основе удвоителя напряжения Латура-Делона-Гренашера или на основе генератора Ройера и т.д. При этом также возможно множество схемотехнических решений выключения коммутатора напряжения питания. Например, путем управления ключами установленных в цепях питания блока 9 умножения напряжения, или генератора G как указано на фиг. 1 и так далее. Упрощенная схемотехника внутренней структуры блока 9 умножения напряжения на фиг. 1, фиг. 2 отображает частный случай алгоритма его функционирования.
На фиг. 2 (в отличие от фиг. 1) дополнительно введены третий и четвертый КМОП транзисторы 15 и 16, вторая шина выключения 15, третий и четвертый резисторы 17 и 18, два диода 19 и 20, вторая шина 21 выключения, второй источник 22 сигналов выключения, причем между первой входной шиной 1 напряжения питания и выводом цепи коммутации первого силового ключа 2 введена цепь коммутации третьего силового ключа, в качестве которого используют третий КМОП транзистор 15 с типом проводимости первого КМОП транзистора 2, между второй входной шиной 4 напряжения питания и выводом цепи коммутации второго силового ключа 5 введена цепь коммутации четвертого силового ключа, в качестве которого используют четвертый КМОП транзистор 16 с типом проводимости второго КМОП транзистора 5, между затвором и истоком третьего и четвертого КМОП транзисторов 15 и 16 включены соответственно третий и четвертый резисторы 17 и 18, затвор третьего КМОП транзистора 15 соединен с катодом первого диода 19, анод которого соединен с затвором первого КМОП транзистора 2, затвор четвертого КМОП транзистора 16 соединен с анодом второго диода 20, катод которого соединен с затвором второго КМОП транзистора 5, второй вход выключения блока 9 умножения выходного напряжения соединен с второй шиной 21 выключения, которая через второй источник 22 сигналов выключения подключена к минусовой выходной шине 6.
вкл
13
вкл
14
вкл
зи
вкл
зи
13
14
вых
вх
вых
Работа коммутатора напряжения питания в режиме включения по фиг.1, осуществляется следующим образом. Исходное состояние КМОП транзисторов 2, 5 - закрытое. При формировании импульса включения источником 10 сигнала управления на первой шине 11 управления формируется импульс положительной полярности с амплитудой U относительно минусовой выходной шины 6. При этом обеспечивается поступление напряжения слаботочного питания на блок 9 умножения напряжения через аналоговый элемент 14 ИЛИ. Соответственно начинает функционировать генератор G (например, импульсный со скважностью Q=2) блока 9 умножения напряжения и соответственно формировать выходные напряжения 2Uвкл и -Uвкл (относительно минусовой выходной шины 6). Работа умножителей напряжения подробно описана, например, в работах [5, 6]. Резистор R блока 9 умножения напряжения представляет с резистором 7 делитель напряжения 2U. Резистор R блока 9 умножения напряжения представляет с резистором 8 делитель напряжения -U. Они предназначены для обеспечения требуемого уровня напряжения U между затвором и истоком КМОП транзисторов 2, 5. В зависимости от величины U и допустимых значений напряжения U между затвором и истоком КМОП транзисторов 2, 5 величину резисторов R и R блока 9 умножения напряжения определяют расчетным путем или подбором на этапе регулировки. Амплитуда напряжения импульсов должна соответствовать требованиям технических характеристик КМОП транзисторов 2, 5. Соответственно силовые цепи КМОП транзисторов 2, 5 открываются и на выходных шинах 3 и 6 коммутатора напряжения питания появляется напряжение практически равное U=U. Для надежного включения коммутатора напряжения питания с емкостной составляющей нагрузки длительность импульсов включения должна быть не менее времени установления напряжения U.
вых
вых
вкл
вкл
вых
вкл
вых
вых
вых
В некоторый момент времени установления выходного напряжения U коммутатора напряжения образуется неравенство U ≥ U. Соответственно получаем 2U → 2U и -U → -U. Далее блок 9 умножения напряжения через аналоговый элемент 14 ИЛИ получает питание с выхода коммутатора напряжения. Соответственно КМОП транзисторы 2, 5 по окончании импульса включения остаются открытыми. Данное открытое состояние КМОП транзисторов 2, 5 поддерживается напряжениями 2U и -U блока 9 умножения напряжения Uвых до поступления импульса выключения.
Выключение коммутатора напряжения по варианту, приведенному на фиг. 1 осуществляется следующим образом.
зи
вых
вых
выкл
сп
вых
Источником 12 сигнала управления формируется импульсный сигнал выключения на первой шине 13 управления относительно минусовой выходной шины 6. Этот импульс запрещает функционирование генератора G. При этом соответственно на затворах КМОП транзисторов 2, 5 напряжение U → 0, КМОП транзисторы 2, 5 закрываются и U → 0. Генератор G обесточивается и далее сохраняется состояние U=0. Для надежного выключения коммутатора напряжения питания с емкостной составляющей нагрузки длительность τ импульсов выключения должна быть не менее времени τ спада напряжения U.
зи
вых
Выключение коммутатора напряжения по варианту, приведенному на фиг. 2 осуществляется аналогично. Источниками 12 и 22 сигналов выключения синхронно формируются импульсы запрета функционирования генератора G. Соответственно на затворах КМОП транзисторов 2, 5, 15, 16 напряжения U → 0, КМОП транзисторы 2, 5, 15, 16 закрываются. Генератор G обесточивается и далее сохраняется состояние отсутствия U.
зи
вых
Выключение устройства по фиг. 2 в аварийном режиме (например, есть одна неисправность какой-либо цепи выключения) осуществляется формированием импульса по крайней мере источником 12 или 22 сигнала выключения. При этом аналогично выключению в штатном режиме напряжение U → 0 пар КМОП транзисторов 2, 5 и 15, 16. КМОП транзисторы закрываются, обесточивается блок 9 умножения напряжения и далее сохраняется состояние U=0.
зи
вых
Выключение устройства по фиг. 2 в аварийном режиме (например, есть одна неисправность типа короткого замыкания - КЗ перехода сток-исток какого-либо КМОП транзистора) осуществляется формированием импульса по крайней мере источником 12 или 22 сигнала выключения. При этом аналогично выключению в штатном режиме напряжение U → 0 пар КМОП транзисторов 2, 5 и 15, 16. КМОП транзисторы закрываются, обесточивается блок 9 умножения напряжения и далее сохраняется состояние U=0. При этом КЗ сток-исток какого-либо неисправного КМОП транзистора не влияет на выключение коммутатора напряжения питания вследствие выключения другого исправного КМОП транзистора в паре их последовательного соединения. Таким образом, один отказ в любой цепи фиг. 2 не отразится на способности отключения выходных шин 3 и 6 от входных шин 1 и 4.
Надежность обеспечения напряжением питания хотя бы одного резерва системы нагрузки, получающей напряжение питания от комплекта из двух данных устройств при одном любом отказе в коммутаторе напряжения питания какого-либо резерва системы нагрузки обеспечивается совместно с системой управления объекта резервирования, формирующей сигнал [2] по шине включения 11 того или иного (резервного) коммутатора напряжения питания. При отказе включения коммутатора напряжения питания одного резерва системы (или соответствующего резерва его нагрузки) в систему управления объекта резервирования поступает информация об отказе данного резерва. При этом система управления объекта резервирования вырабатывает сигнал выключения каждого коммутатора напряжения питания. Затем система управления объекта резервирования вырабатывает сигнал включения другого (исправного) коммутатора напряжения питания резервированных систем [2]. Таким образом, два коммутатора напряжения питания резервированных систем обеспечивают функционирование системы нагрузки как минимум при любом одном отказе в каком-либо резерве. Технический результат
Техническим результатом является повышение технологичности, которое заключается в расширении функциональных возможностей, обеспечивающих изготовление устройства с использованием бескорпусной элементной базы силовых ключей в виде кристаллов. Это позволяет изготавливать малогабаритный вариант коммутатора напряжения питания, например, в виде микросборки.
Другой положительный эффект устройства заключается в подключении к входным шинам коммутатора напряжения питания только коммутируемых выводов силовой цепи КМОП транзисторов со связями управляющих цепей силовых КМОП транзисторов со стороны выходных шин коммутатора напряжения питания. Такая структура обладает повышенной надежностью. В случае отказа (короткое замыкание) какого-либо элемента в выключенном режиме в любом случае сохраняется требование заказчика по отсутствию гальванических связей как между входными шинами, так и между входной и выходной шинами цепей любой полярности.
Также в условиях специального применения [3] расширяется номенклатура выбора силовой элементной базы (КМОП транзистор вместо оптопары) и обеспечивается повышенная надежность коммутатора напряжения питания в долговременной перспективе [4] и особенно в условиях воздействия повышенных температур и высокого уровня радиационного фона.
Источники информации
1. Коммутатор напряжения с защитой от перегрузки по току. Патент RU 2208292, МПК Н03К 17/08, 2003 г.
2. Оптоэлектронное реле питания резервированных систем. Патент RU 2746556, МПК Н03К 17/08, 2020 г.
3. Лебединская А.Е. и др. Радиационно стойкая оптоэлектронная пара для вторичных источников питания // Электронная техника. Серия 2. Полупроводниковые приборы. Москва, выпуск 1(256), 2020 г., С. 40-48.
4. Цифровой изолятор или оптопара? http://aobzpp.ru/stati/#izolyator_optopara
5. Описание схемы мощного удвоителя постоянного напряжения. https://zen.yandex.ru/media/asutpp.ru/opisanie-shemy-moscnogo-udvoitelia-postoiannogo-napriajeniia-5d78f75dd4f07a00c558582d.
6. Dc-Dc преобразователь. Устройство и принцип работы основных схем. https://powercoup.by/radioelektronika/dc-dc-preobrazovatel.