ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ВЫКЛЮЧАТЕЛЯ
SAFETY DEVICE FOR SEMICONDUCTOR SWITCH

Настоящее изобретение касается предохранительного устройства для полупроводниковых выключателей, в частности используемых для размыкания или замыкания вторичных линий, связанных с первичной сетью и обеспечивающих питание второстепенного оборудования.
Полупроводниковые выключатели содержат токовую защиту, позволяющую размыкать вторичные цепи и защищать кабели вторичной сети в случае тока перегрузки во вторичных цепях.
Токовую защиту рассчитывают для размыкания выключателя на основании определенного расчетного значения энергии i2.t, ниже кривой дыма, характеризующей кабели, используемые, в частности, в авиационной проводке.
Как правило, эти полупроводниковые выключатели оборудованы цепью токовой защиты, содержащей средство детектирования тока, проходящего по вторичной линии, которые измеряют разность потенциалов на выводах резистора, последовательно подключенного ко вторичной цепи, и содержащей цепь управления компонентом выключателя, измеряющую значение тока в линии вторичной цепи и активирующую компонент выключателя на размыкание цепи в случае тока перегрузки, превышающего определенный порог тока во вторичной линии.
Таким образом, полупроводниковый выключатель оснащен приводным механизмом размыкания/замыкания, управляемым в нормальном режиме работы внешней системой, и приводным механизмом размыкания, принадлежащим к цепи токовой защиты.
Основной проблемой, встречающейся в этих выключателях, является то, что, как правило, их основной неисправностью является переход в состояние короткого замыкания компонента выключателя, обычно образованного силовым МОП-транзистором.
При такой неисправности управление размыканием вторичной линии становится невозможным, что ликвидирует защиту от тока перегрузки и может привести к разрушительному перегреву вторичных кабелей в случае проблем в оборудовании и даже к повреждению первичной линии.
Известным решением является размещение предохранителя до полупроводникового выключателя, причем этот предохранитель рассчитан на разрыв, когда пороговое значение достигает уровня, превышающего значение защитного размыкания выключателя.
Тем не менее, в известных решениях размыкание этого предохранителя происходит только в случае неисправности в выходной цепи, и, учитывая разброс характеристик предохранителей, исключая расчет предохранителя на значение разрыва, намного меньшее токовой проводимости кабеля, трудно гарантировать размыкание цепи при уровне тока, не доходящем до вредного для проводов, когда выключатель находится в состоянии короткого замыкания.
Поэтому кабели должны быть с большим запасом прочности как в отношении значения размыкания предохранителя, так и в отношении тока размыкания устройства выключателя, и устройство выключателя должно быть также с большим запасом прочности в отношении номинального тока вторичной линии для снижения риска разрушения силового транзистора.
Настоящее изобретение касается усовершенствования полупроводниковых выключателей, целью которого является реализация предохранительного устройства, обеспечивающего размыкание предохранителя и защиту проводки до и за полупроводниковым выключателем в случае неисправности этого выключателя.
В этой связи настоящим изобретением предлагается предохранительное устройство для устройства полупроводникового выключателя, управляющего вторичной линией, оборудованной предохранителем, расположенным до устройства выключателя, которое содержит компонент короткого замыкания вторичной линии, чтобы разомкнуть предохранитель, и средство активации этого компонента при обнаружении тока перегрузки во вторичной линии.
Другие отличительные признаки и преимущества настоящего изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания неограничительного примера выполнения изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг.1 - схема устройства выключателя из предшествующего уровня техники.
Фиг.2 - кривые характеристик время/электрическая энергия, соответствующие схеме, показанной на Фиг.1.
Фиг.3 - схема устройства выключателя, оборудованного предохранительным устройством в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.4 - кривые характеристик время/электрическая энергия, соответствующие схеме, показанной на Фиг.3.
На Фиг.1 показано устройство выключателя, используемое для управления вторичной линией или цепью 2, содержащей оборудование, такое как известное авиационное оборудование, не показанное на чертеже, начиная с первичной линии или цепи 16.
Как известно, к первичной цепи можно подключить параллельно несколько вторичных цепей, и токи, потребляемые этими вторичными цепями, одновременно объединены на уровне первичной цепи 16, что требует увеличения сечения кабелей первичной цепи.
Предпочтительно устройство 1 выключателя является силовым полупроводниковым переключателем в виде монолитной или гибридной цепи, содержащим токовую защиту, которая предназначена, в частности, для защиты кабеля вторичной цепи от перегрева, возникающего при слишком сильном токе во вторичной линии.
Устройство выключателя содержит компонент 10 выключателя, управляемый устройством управления, содержащий тракт 17 управления, приходящий, например, от органа управления не представленного механизма, или, в случае применения в авиационной промышленности, от пульта управления кабины летчика летательного аппарата.
Устройство выключателя содержит компонент 10 выключателя, который может быть аналоговым переключателем на МОП-транзисторах или, в случае необходимости, реле и первым усилителем и/или компаратором 8 напряжения, входы которого соединены с выводами контрольного резистора 7, позволяющего генерировать разность потенциалов, пропорциональную току, проходящему во вторичной линии 2.
Предпочтительно это устройство содержит первый микроконтроллер 8 управления компонентом 10 выключателя, принимающий усиленный сигнал от первого усилителя и/или компаратора напряжения и запрограммированный для переключения компонента 10 выключателя в положение замыкания или размыкания цепи согласно значению усиленного сигнала, причем первый микроконтроллер содержит выход 11 управления компонентом 10 выключателя.
В рамках настоящего изобретения первый микроконтроллер может быть заменен логической схемой соединенной кабелем, причем пороги и уровень управления устанавливают значениями сопротивлений, причем компаратор выдает логический выходной сигнал.
Когда ток перегрузки достигает, например, порога размыкания вторичной цепи, устройство выключателя размыкает вторичную цепь, переводя компонент выключателя из пропускного состояния в разомкнутое состояние, чтобы изолировать вторичную цепь.
Напротив, если же порог превышен и устройство выключателя не размыкает цепь, например, в случае неисправности компонента выключателя, блокированного в положении замыкания цепи, предохранитель 3 выполнен таким образом, чтобы при увеличении тока выше максимально допустимого значения для предохранителя 3 последний разомкнулся и изолировал вторичную линию по второму уровню защиты.
Таким образом, кроме устройства 1 выключателя, цепь управления вторичной линией 2 содержит предохранитель 3, порог разрыва которого рассчитывают таким образом, чтобы он был выше порога срабатывания защиты устройства выключателя и ниже порога перегрева вторичного кабеля, который, в свою очередь, находится ниже порога перегрева первичного провода.
2
На Фиг.2, на которой ось абсцисс показывает время, а ось ординат показывает квадрат тока, проходящего через компонент выключателя и вторичную линию, кривые соответствуют иллюстрации этих уровней, причем отметка 20 соответствует зоне размыкания устройства выключателя, отметка 21 соответствует зоне разрыва предохранителя, отметка 22 соответствует характеристике i2.t: кабеля вторичной линии 2, и отметка 23 соответствует характеристике i.t кабеля главной линии 16.
Разрыв предохранителя должен происходить между пороговым значением размыкания выключателя и ниже любого риска повреждения вторичного кабеля.
Учитывая разброс значений тока предохранителей и для избежания любого риска перекрывания зоны разрыва предохранителя и зоны размыкания устройства выключателя, которое может привести к разрыву предохранителя до размыкания выключателя, необходимо снизить уровень детектирования выключателя, для чего приходится использовать устройство выключателя, рассчитанное с большим запасом прочности, с линией, выдерживающей более слабый ток, и рассчитывать с большим запасом соответствующие системы и, в случае необходимости, кабели.
Пример выполнения предохранительного устройства в соответствии с настоящим изобретением показан на Фиг.3.
Это предохранительное устройство для полупроводникового устройства 1 выключателя, управляющего вторичной линией 2, оборудованной предохранителем 3 до устройства выключателя, содержит компонент 4 короткого замыкания вторичной линии, управляемой устройством выключателя.
Этот компонент короткого замыкания расположен между вторичной линией 2 и массой таким образом, чтобы размыкать предохранитель 3, создавая ток перегрузки во вторичной линии и на уровне предохранителя 3 при обнаружении аномалии.
При нормальной работе этот компонент разомкнут.
Предохранительное устройство содержит средство 5, 6, 7 активации компонента 4 короткого замыкания при обнаружении тока перегрузки во вторичной линии.
Таким образом, при обнаружении тока перегрузки компонент 4 замыкается накоротко и еще больше повышает ток, что усиливает и/или ускоряет разрыв предохранителя.
Как показано на Фиг.3, средство активации компонента 4 содержит средство 7 детектирования разности потенциалов на выводах устройства выключателя, средство 6 сравнения этой разности потенциалов с порогом и средство 5 управления компонента 4 выключателя при обнаружении превышения порога.
Предпочтительно средством детектирования является резистор, последовательно подключенный во вторичную цепь, который создает разность потенциалов на своих выводах в зависимости от тока, проходящего через вторичную линию 2, и управляет устройством выключателя.
Чтобы избежать совмещения резисторов во вторичной цепи, предпочтительно резистор является контрольным резистором устройства выключателя, уже используемым для измерения тока, проходящего во вторичной линии.
Цепь короткого замыкания цепи дополнительно содержит второй усилитель и/или компаратор 6 напряжения, входы которого соединены с выводами контрольного резистора 7, и, в случае, когда выбирают интеллектуальное решение, - второй микроконтроллер 5 управления компонентом 4 короткого замыкания линии.
Второй микроконтроллер принимает усиленный сигнал от второго усилителя и/или компаратора напряжения и программируется для активации компонента 4 короткого замыкания линии в соответствии со значением усиленного сигнала, превышающим заранее определенное пороговое значение, через выход 12 управления компонентом 4 короткого замыкания линии.
В рамках изобретения, второй микроконтроллер, как и первый микроконтроллер, можно заменить логической схемой соединенной кабелем.
Предохранительное устройство рассчитывают для короткого замыкания линии на случай появления тока перегрузки с уровнем, превышающим уровень тока активации размыкания вторичной цепи цепью токовой защиты выключателя 1.
Таким образом, предохранительное устройство активируется только в случае неисправности при коротком замыкании компонента 10 выключателя, который в этом случае не сможет разомкнуть вторичную линию на уровне номинального тока защиты выключателя 1.
Чтобы избежать любого перекрывания между двумя системами, - устройством выключателя и предохранительным устройством, - второй микроконтроллер 5 предполагает согласно примеру дополнительный выход 13 управления компонентом 10 выключателя, и устройство содержит логический вентиль 14 ИЛИ, подключенный между выходом 11 управления первого микроконтроллера и входом 15 управления компонента 10 выключателя и принимающий сигналы от дополнительного выхода 13 для начала размыкания компонента выключателя при прохождении 1 на выходе 11 управления или дополнительном выходе 13.
Согласно изобретению, предпочтительно компонент 4 короткого замыкания является либо полупроводниковым переключателем, либо тиристором, если вторичная цепь питается постоянным током, причем разность потенциалов на выводах устройства выключателя является постоянной разностью потенциалов, либо триаком в случае линии, питающейся переменным током, причем разность потенциалов на выводах устройства выключателя является переменной разностью потенциалов.
На Фиг.4 показаны кривые энергия/время различных компонентов цепи в соответствии с настоящим изобретением.
В данном случае ось абсцисс показывает время, а ось ординат - квадрат тока, проходящего через компонент выключателя и вторичную линию.
2
2
Отметка 24 соответствует зоне размыкания устройства выключателя и замыкания компонента короткого замыкания, отметка 25 соответствует характеристике i.t кабеля вторичной линии, отметка 26 соответствует зоне разрыва предохранителя, и отметка 27 соответствует характеристике i.t кабеля главной линии 16.
2
2
Кривую i.t активации короткого замыкания предохранительного устройства в соответствии с настоящим изобретением предпочтительно определяют ниже кривой дыма вторичного кабеля и ниже кривой i.t разрыва предохранителя, причем кривая разрыва предохранителя может находиться за кривой дыма вторичного кабеля без какого-либо риска.
2
Действительно, поскольку работа предохранительного устройства, использующего тиристор или триак, отличается большим детерминизмом, чем кривая разрыва предохранителя, используемые устройства выключателей могут иметь более высокую кривую i.t, причем эта кривая приближается к кривой вторичного кабеля.
В этом случае зона размыкания предохранителя может быть поднята над характеристикой вторичного кабеля, так как разрыв предохранителя в результате создания короткого замыкания компонентом 4 происходит достаточно быстро, чтобы избежать вредного нагрева кабеля вторичной цепи.
Таким образом, устройство в соответствии с настоящим изобретением позволяет использовать силовые полупроводниковые переключатели в системах, работающих на более высоких токах, чем при его отсутствии, и позволяет избежать расчета с большим запасом прочности силовых компонентов таких переключателей.
В рамках изобретения для устройства выключателя и предохранительного устройства можно использовать и объединять только один микроконтроллер и только один усилитель и/или компаратор напряжения, однако предпочитают более избыточное решение, которое было описано, чтобы избежать любой проблемы при появлении простой неисправности.
Вместе с тем, предпочтительным является использование только одного резистора, чтобы избежать увеличения потерь на линии, и по причине того, что неисправность такого компонента приводит скорее к размыканию цепи, чем к короткому замыканию.