СПОСОБ И УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ ЭЛЕКТРОННОГО КЛЮЧА
METHOD AND DEVICE TO CONTROL CONDITION OF ELECTRONIC KEY

Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано в переключающих устройствах с применением MOSFET/IGBT транзисторов.
Известен способ контроля состояния электронного ключа по току протекающему дополнительного резистора в цепи сток-исток транзистора [1].
Недостатком этого способа является невозможность контроля открытого - закрытого состояния электронного ключа при отсутствии источника тока.
Наиболее близким способом является способ, реализованный в устройстве [2]. Проверка открытого состояния электронного ключа производится в момент подачи сигнала управления. В закрытом состоянии электронного ключа проверка не производится.
Недостатком этого способа является невозможность контроля исправности электронного ключа при отсутствии сигнала управления для него, гальваническая связь цепей контроля с электронным ключом.
Задачами, на решение которых направлены настоящие изобретения, являются повышение надежности, расширение функциональных возможностей при проверке состояния электронных ключей.
Поставленные задачи достигаются тем, что в способе контроля состояния электронного ключа, выполненного по технологии MOSFET/IGBT транзисторов, путем подачи на сток-исток сигнала переменного тока через диодный мост со вторичной обмотки трансформатора, по току потребления и форме сигнала в первичной цепи трансформатора.
Для осуществления способа контроля открытого - закрытого состояния электронных ключей представлено устройство, состоящее из двух последовательно включенных MOSFET/IGBT транзисторов, образующих электронный коммутатор переменного тока, где соответственно истоки и затворы транзисторов объединены, стоки - вход и выход коммутатора, при этом сток-исток каждого транзистора соединены соответственно с узлами катодов и анодов соответствующих диодов по мостовой схеме, оставшиеся симметричные точки диодных мостов соединены с выходной обмоткой соответствующего изолирующего трансформатора и последовательно с включенным с одним из выводов выходных обмоток трансформаторов ограничительных резисторов, а также первичных обмоток трансформаторов, подсоединенных к общему генератору переменного напряжения через соответствующие датчики тока.
На рисунке представлена схема устройства электронного коммутатора с контролем открытого - закрытого состояния электронных ключей.
Устройство содержит вход 1 и 2 двухпроводной линии. Вход 1 подключен к стоку транзистора 3, а выход 7 к стоку транзистора 6, представляющие собой MOSFET транзисторы с каналом N-типа, вход и выход взаимозаменяемы. Затворы и истоки транзисторов 3 и 6 соответственно объединены и образуют вход управления 4, 5 коммутатора. Диодные мост 9…12 соединен выводами катодов диодов 9, 10 с стоком транзистора 3, а выводы анодов диодов 11, 12 соединены с истоком транзистора 3. Диодный мост 13…16 соединен выводами катодов диодов 15, 16 с стоком транзистора 6, а выводы анодов диодов 13, 14 соединены с истоком транзистора 3. Резистор 17 соединен с анодом диода 9, катодом диода 11 и выводом вторичной обмотки трансформатора 19. Резистор 18 соединен с анодом диода 15, катодом диода 13 и выводом вторичной обмотки трансформатора 20. Первичная обмотка трансформатора 19 соединена одним выводом с входом 21, а второй вывод соединен через обмотку токового трансформатора 23 с входом 22. Первичная обмотка трансформатора 20 соединена одним выводом с входом 21, а второй вывод соединен через обмотку токового трансформатора 24 с входом 22. Входы 21, 22 служат для подачи сигнала переменного тока. Выводы 25, 26 и 27, 28 - соответственно выходы токовых трансформаторов 23, 24.
Устройство работает следующим образом.
На контакты 21, 22 всегда присутствует сигнал переменного тока, например, меандр с частотой 50…100 кГц и амплитудой несколько вольт. Этот сигнал через токовые трансформаторы 23, 24 поступает на первичные обмотки трансформаторов 19, 20. Выбор тактовой частоты в основном определяется габаритно-весовыми характеристиками трансформаторов. Гальванически развязанный сигнал переменного тока со вторичных обмоток трансформаторов 19, 20 поступает через резисторы соответственно 17, 18 на диодные мосты 9…12 и 13…16. Особенность подключения трансформаторов на диодные мосты состоит в том, что сигнал с них поступает на разнополярные узлы включения диодов, т.е анод-катод. При этом другие однополярные узлы диодов моста: катодные узлы подключены к соответствующим стокам транзисторов 3, 4 и одновременно являющихся входами 1, 2 и выходами 6, 8 двухпроводной линии, что условно, потому, что электронный коммутатор переменного тока симметричен. Вторые анодные узлы диодных мостов соединены с истоками транзисторов 3, 6. Следует отметить, что такое подключение узлов диодных мостов обусловлено тем, что в предложенном устройстве использованы MOSFET транзисторы с каналом N-типа. Это предполагает, что нормальная эксплуатация этих транзисторов происходит при подаче положительного потенциала относительно истока, управление транзистора: открытое - проводящее состояние транзистора при определенном положительном потенциале относительно истока, закрытое - близкий к нулю потенциал относительно истока. Современные MOSFET транзисторы защищены от обратного напряжения стока-истока включением им параллельно включенного диода, т.е. катодом к стоку, а анодом к истоку. Для лучшей читаемости схемы, эти диоды на схеме не показаны. Таким образом получается, что параллельно внутренним ограничительным диодам в транзисторах 3, 6 подключены в той же полярности по две пары последовательно включенных диодов: первая пара из диодов 9, 11 и 10, 12 и вторая из диодов 13, 15 и 14, 16.
Рассмотрим несколько случаев отсутствия или наличия напряжения в разной фазе переменного напряжения на входе линии 1.2. При отсутствии напряжения на входе линии. Сигнал переменного тока (меандр) через резисторы 17, 18 поступает на диодные мосты 9…12, 13…16. При закрытых электронных ключах, транзисторов 3, 4 в момент положительного потенциала на вторичных обмотках трансформаторах 19, 20 со стороны резисторов 17, 18. Положительный потенциал проходит через диод 9 на сток транзистора 3 и соответственно аналогично на сток транзистора 6. Отрицательный потенциал со второго конца трансформатора 19 проходит на исток транзистора 3, аналогично для трансформатора 20 отрицательный потенциал проходит через диод 14 на исток транзистора 6. Разность потенциалов на сток-истоке транзисторов примерно равна разности потенциалов со вторичных обмоток трансформаторов. Цепь не замкнута, ток практически равен нулю, транзисторы закрыты и малый ток обратно включенных параллельных диодов не оказывают никакого влияния. Аналогична ситуация при смене полярности на выходах вторичных обмоток трансформаторов 19, 20, только с учетом прохождения тока через другие ветви диодных мостов. На первичных обмотках трансформаторах 19, 20 протекает только ток холостого тока, что регистрируется на выходах 25, 26 и 27, 28 соответственно токовых трансформаторов 23, 24 в виде меандра с минимальным напряжением частоты, подаваемой на вход 21, 22. При подаче открывающего напряжения на входы 4, 5, электронные ключи переходят в открытое состояние, т.е. сопротивление каналов сток-исток становится минимальным, близким к нулю. Теперь во вторичной обмотке будет протекать ток, обусловленный током протекающим через резисторы 17, 18. Падением напряжения на диодах и транзисторах можно пренебречь, с учетом падения 80-90% на резисторах 17, 18. Ток первичных обмоток трансформируется в ток вторичных обмоток трансформаторов, который преобразуется токовыми трансформаторами в выходное напряжение, превышающее в несколько раз напряжение при закрытых транзисторах 3, 6.
При наличии положительного потенциала на входе линии 1 относительно нулевого уровня линии 2-8. При закрытых транзисторах 3, 4, транзистор 3 представляет очень большое сопротивление для положительного потенциала со стороны входа 1, а транзистор 6 маленькое сопротивление за счет шунтирования канала сток-исток параллельно включенными ветвями диодов 13-15, 14-16 и внутреннего диода транзистора 6. Таким образом напряжение со вторичной обмотки трансформатора 19 не создаст тока в цепи через транзистор 3 за счет разности потенциалов обратной полярности для узлов диодов 9, 10 и 11, 12. Ток в первичной цепи трансформатора 19 минимальный, что соответствует минимальному напряжению на выходе 25, 26 датчика тока 23. Падение напряжение на транзисторе 6 минимальное и также находится в обратной полярности к узлам диодов 13, 14 и 15 ,16. Ток в первичной цепи трансформатора 20 минимальный, что соответствует минимальному напряжению на выходе 27, 28 датчика тока 24. При открытых транзисторах 3, 4, сопротивление их каналов сток-исток минимально. Переменное напряжение со вторичных обмоток трансформаторов 19, 20 через резисторы 17, 18 соответственно формирует токи, которые преобразуются в токи первичных обмоток этих трансформаторов и проявляются напряжениями на выходах 25, 26 и 27, 28 датчиков тока 23, 24, соответствующих состоянию включенных транзисторов 3 и 6.
При наличии отрицательного потенциала на входе линии 1 относительно нулевого уровня линии 2-8. При закрытых транзисторах 3, 4, падение напряжение на транзисторе 3 определяется падением напряжения на внутреннем диоде транзистора и двух параллельных ветвей диодов 9…12. Транзистор 6 закрыт и имеет высокое сопротивление канала, при этом внутренний его диод и параллельная ветвь из диодов 13…16 не шунтирует канал из-за обратной полярности диодов к потенциалу шины. При этом процессы контроля состояния транзисторов 3 и 6 будут идентичны для транзистора 6 и 3 соответственно из предыдущего абзаца.
Источники информации
1. Колпаков А.И. Характеристики и особенности применения драйверов MOSFET и IGBT (Рис.5, 6) // Компоненты и технологии №3, 2003 г.
2. Колпаков А.И. Характеристики и особенности применения драйверов MOSFET и IGBT (Рис.8, 9) // Компоненты и технологии №3, 2003 г.