Переключающее устройство - RU2310878C1

Чертежи

Описание

Данное изобретение касается переключающего устройства, и в частности переключающего устройства с возможностью проверки для тестирования функциональной способности электронного переключателя.

В защитных схемах все компоненты, которые переключают мощность (переключатели), многократно подвергаются функциональному тесту прежде, чем их активировать. Благодаря такому функциональному тесту можно распознать ошибки, которые при эксплуатации схемы приводят к тяжелому повреждению или, соответственно, к разрушению компонентов схемы. На фиг.2 изображена подобная условная схема (например, электронный переключатель или вентильный преобразователь переменного тока) с распознаванием тока перегрузки. Схема, согласно фиг.2, содержит источник 200 напряжения с первым выводом 202 и вторым выводом 204. Схема также содержит резистор R и диод D, причем диод D имеет катод K и анод A. Резистор R включен между анодом A и первым выводом 202 источника 200 напряжения. Далее схема имеет тестируемый переключатель S3 с первым выводом 206 и вторым выводом 208, а также управляющий вывод 210. Первый вывод 206 тестируемого переключателя S3 соединен проводником с катодом К. Второй вывод 208 тестируемого переключателя S3 соединен проводником со вторым выводом 204 источника 200 напряжения. Управляющий вывод 210 переключателя S3 соединен проводником с управляющим выходом 212 формирователя Т, причем формирователь Т также имеет первый вывод 214, который соединен с первым выводом 202 источника 200 напряжения, и второй вывод 216, который соединен со вторым выводом 204 источника 200 напряжения. Схема, согласно фиг.2, также имеет вход с первым входным выводом 220 и вторым входным выводом 222. Между первым входным выводом 220 и вторым входным выводом 222 может быть включен конденсатор 224. Далее схема имеет выход с первым выходным выводом 230 и вторым выходным выводом 232. Между первым выходным выводом 230 и вторым выходным выводом 232 (как изображено на фиг.2) может быть подключен другой диод D1 с катодом К1 и анодом А1, причем катод К1 соединен проводником с первым выходным выводом 230, а анод А1 соединен проводником со вторым выходным выводом 232. Далее первый входной вывод 220 соединен проводником с первым выводом 206 тестируемого переключателя S3. Второй вывод 208 тестируемого переключателя S3 соединен проводником с первым выходным выводом 230. Второй выходной вывод 232 соединен проводником с первым выводом 240 другого переключателя S4, в то время как второй входной вывод 222 соединен проводником со вторым выводом 242 переключателя S4, причем переключатель S4 дополнительно включает в себя управляющий вывод 244. С помощью компонентов источника 200 питания, формирователя Т, резистора R, диода D и тестируемого переключателя S3 выполнено переключающее устройство 250.

Для выполненного с такими соединениями переключающего устройства 250 существует несколько возможностей для контроля работоспособности схемы или, соответственно, для контроля работоспособности переключателя S3. Если, например, в качестве тестируемого переключателя S3 используется IGBT-транзистор (IGBT=биполярный транзистор с изолированным затвором), тогда при проведении функционального теста схемы (то есть при подаче напряжения посредством источника 200 напряжения) в качестве контролируемых сигналов в распоряжении находится напряжение затвор-эмиттер (напряжение между выводом затвора 210 переключателя S3 (точка измерения G) и вторым выводом 204 источника 200 напряжения) и измеряемое напряжение коллектора (напряжение между анодом А диода D (точка измерения С) и вторым выводом 204 источника 200 напряжения). Если затвор (то есть управляющий вывод 210 тестируемого переключателя S3) управляется напряжением 0 В относительно эмиттера 208, тогда работоспособный IGBT-транзистор запирается и на аноде А прикладывается максимальное напряжение (то есть рабочее напряжение формирователя Т или, соответственно, максимальное напряжение источника 200 напряжения, например 15 В). Если IGBT-транзистор включен через формирователь (то есть на участке затвор-эмиттер падение напряжения составляет 15 В), тогда участок коллектор-эмиттер является проводящим, и напряжение, снимаемое в точке измерения С между анодом А диода D и вторым выводом 204 источника 200 напряжения, становится меньше, что, например, обнаруживается посредством работающего испытательного устройства. Работающее испытательное устройство может альтернативно контролировать потенциал первого вывода 206 тестируемого переключателя S3. В вентильных преобразователях переменного тока можно посредством контроля точки измерения С распознавать во включенном состоянии слишком высокий коллекторно-эмиттерный ток. Посредством отключения вентильного преобразователя переменного тока можно в этом случае избежать термического разрушения IGBT-транзистора.

Однако недостатком оказывается то, что с помощью такой диагностики можно распознать только некоторые ошибки (например, холостой ход на участке коллектор-эмиттер), но не все возникающие ошибки. Например, не может быть надежно зафиксировано короткое замыкание между затвором и эмиттером. Эта ошибка обнаруживается только тогда, когда короткое замыкание имеет значительно более низкое электрическое сопротивление, чем затвор-формирователь.

В документе JP-A-50030481 описан транзистор, коллектор которого соединен с источником напряжения питания через резистор и эмиттер которого соединен с потенциалом «земли». Кроме того, коллектор тестируемого транзистора соединен с коллектором другого переключающего транзистора, а эмиттер другого переключающего транзистора соединен с базой тестируемого транзистора. Далее, коллектор тестируемого транзистора соединен через другой резистор с третьим транзистором, который соединен со входом триггера, так что с помощью триггера обнаруживается напряжение между коллектором тестируемого транзистора и эмиттером тестируемого транзистора.

В документе JP-A-55002918 описано устройство для распознавания отрицательной формы волны сопротивления полупроводникового компонента для того, чтобы проверить, является ли неисправным полупроводниковый компонент и имеет ли он отрицательную характеристику сопротивления. При этом измеряются напряжение и ток, которые запоминаются посредством истока тестируемого транзистора и с помощью усилителей сохраняются в схеме выборки и хранения. Затем они преобразуются в цифровые данные с помощью аналогово-цифрового преобразователя. Значения, преобразованные с помощью аналогово-цифрового преобразователя, вводятся в память и сохраняются как характеристическая форма волны транзистора. Посредством схемы выборки данных они считываются для каждой координаты из памяти таким образом, что отображается каждое значение напряжения. Дискриминатор считает количество координат, которые имеют два или более значений «ноль» или «единица», и определяет, превышает ли количество таких координат предварительно установленное контрольное значение или нет.

Научная публикация «Measurument of Instantenous Losses in Switching Power Devices», Locci et. al., опубликованная в IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 37, 1988 (декабрь), №4, New York, USA, раскрывает способ измерения непосредственных потерь мощности в электронных переключательных элементах мощности. Трудности при измерении тока и напряжения, которые в значительной степени варьируются во время переключения, обычно оказывают влияние на результаты, вследствие чего возникают большие ошибки. Лежащая в основе этой публикации задача состоит в том, чтобы с достаточной степенью точности измерить мгновенную мощность относительно характеристики потерь в различных интервалах цикла переключения (задержка при включении, время нарастания, состояние включения, задержка при выключении, время спада, состояние выключения). К тому же применяется система для измерения напряжений и токов, которая основывается на дискретизации с частотой 200 миллионов выборок в секунду для сбора данных. Затем эти данные передаются на персональный компьютер, затем кондиционируются и обрабатываются для того, чтобы получить мгновенные значения и средние значения для потерь мощности для каждого рабочего цикла или отдельного импульса.

Статья «Simple Transistor Tester» Canterbury, опубликованная в журнале «Elector Electronics», 21 (1995, декабрь, №239, Дорчестер, Великобритания), описывает тестер, который проверяет, работает или нет транзистор (как n-p-n, так и p-n-p). Если он работает, зуммер излучает предупредительный сигнал. Два транзистора образуют несинхронизированный мультивибратор, который генерирует колебания с частотой в 1 кГц. Тестируемый транзистор подключен к генератору через К₁. Если генератор работает, что означает, что работает тестируемый транзистор, на элементе P₁появляется напряжение прямоугольной формы, которое возбуждает зуммер BZ₁. Громкость излучаемого звука настраивается по желанию посредством предварительного регулирующего каскада.

В документе US-A-4851769 описан неразрушающий тестер для транзисторов, в частности, неразрушающий тестер на пробой с обратным смещением для тестирования таких полупроводниковых элементов, как транзисторы и диоды, которые имеют конфигурацию база-коллектор-эмиттер. В основном тестер содержит приемную панель для фиксации тестируемого прибора. Основной задающий генератор подает ток формирователя на базу тестируемого прибора. Питание коллектора подает коллекторный ток на тестируемый прибор. Шунтирующее демпфирующее токовое сопротивление отводит ток от тестируемого прибора, если тестируемый прибор получает второй пробой с обратным смещением. Шунтирующее демпфирующее сопротивление содержит первый, второй и третий переключатели, которые расположены последовательно. Диодное шунтирующее сопротивление подключено к электропитанию и третьему переключателю. Детектор вырабатывает первый сигнал при использовании второго пробоя с обратным смещением в тестируемом приборе. В ответ на первый сигнал один за другим активируются первый, второй и третий переключатели. Активирование первого, второго и третьего переключателей вызывает ток, который разделяется к упомянутому тестируемому прибору через упомянутое диодное шунтирующее демпфирующее сопротивление и первый, второй и третий переключатели.

Поэтому в основу данного изобретения положена задача создания переключающего устройства, которое обеспечивает улучшенную возможность для распознавания ошибок тестируемого прибора и тем самым более высокую надежность работы и повышенную готовность переключающего устройства.

Эта задача решается посредством переключающего устройства согласно пункту 1 формулы изобретения.

Согласно настоящему изобретению, переключающее устройство содержит следующие составные части:

тестируемый переключатель с первым и вторым выводом, а также управляющим выводом для управления сопротивлением между первым и вторым выводами;

резистор;

устройство для подачи тока измерения через резистор на первый вывод переключателя, причем управляющий вывод и первый вывод переключателя соединены электрически проводником; и

устройство для регистрации обусловленного током измерения напряжения между управляющим выводом и вторым выводом переключателя, причем напряжение указывает на работоспособность переключателя.

В соответствии с изобретением, происходит отход от вышеописанного условия, при котором происходит контроль сопротивления между первым и вторым выводом тестируемого переключателя посредством подачи напряжения формирователя на управляющий вывод тестируемого переключателя. В соответствии с изобретением, управляющий вывод и первый вывод тестируемого переключателя соединены проводящим образом. Для электрического соединения между управляющим выводом тестируемого переключателя и первым выводом тестируемого переключателя применяется предпочтительным образом второй переключатель, причем соединение управляющего вывода с первым выводом тестируемого переключателя осуществляется посредством замыкания второго переключателя. Далее предпочтительным образом электрическое соединение между управляющим выводом вышеописанного формирователя и управляющим выводом тестируемого переключателя разрывается, например, посредством разомкнутого третьего переключателя. Второй и третий переключатели можно переключать в первом и втором рабочих режимах, причем в первом рабочем режиме разомкнут второй переключатель, а третий переключатель замкнут, а во втором рабочем режиме замкнут второй переключатель и разомкнут третий переключатель.

Посредством подобного соединения является возможным контролировать в первом рабочем режиме работоспособность тестируемого переключателя, как в вышеописанном переключающем устройстве. Одновременно данное изобретение обеспечивает возможность посредством переключения на второй рабочий режим обнаруживать другие ошибки тестируемого переключателя (например, короткое замыкание между управляющим выводом и вторым выводом тестируемого переключателя), которые не обнаруживаются посредством вышеописанного переключающего устройства.

Тем самым, данное изобретение предоставляет преимущество, которое позволяет полностью проверять тестируемый переключатель на работоспособность. Все возможные ошибки можно обнаружить посредством данного изобретения уже перед вводом в эксплуатацию тестируемого переключателя. Тем самым нет необходимости ожидать отказа во время эксплуатации тестируемого переключателя при переключении высоких мощностей, при котором могут возникнуть значительные повреждения. Вместе с тем можно ожидать более высокой надежности в эксплуатации и повышенной готовности переключения. Далее, данное изобретение имеет преимущество, заключающееся в том, что модификация обычного переключения для тестирования функциональности осуществляется только посредством простых схемных мер, в частности, посредством применения двух дополнительных переключаемых элементов. Возможность распознавания других ошибок требует тем самым лишь незначительного дополнительного расхода.

Предпочтительный пример осуществления данного изобретения разъясняется далее более подробно со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых показано следующее:

фиг.1 - топология схемы управления, которая охватывает переключающее устройство согласно предпочтительному примеру осуществления данного изобретения; и

фиг.2 - топология схемы управления, которая включает в себя первоначальное переключающее устройство.

В последующем описании предпочтительного примера осуществления данного изобретения для элементов со сходными функциями, изображенных на разных чертежах, использованы одинаковые ссылочные позиции.

На фиг.1 изображена топология схемы управления (электронный переключатель) при использовании предпочтительного примера переключающего устройства 100 согласно изобретению. Топология схемы предпочтительного примера заявленного переключающего устройства соответствует по существу переключающему устройству 250, показанному на фиг.2. В отличие от переключающего устройства 250, изображенного на фиг.2, переключающее устройство 100, изображенное на фиг.1, имеет второй переключатель S2, который включен между анодом А диода D и управляющим выводом 210 тестируемого переключателя S3. Далее, переключающее устройство 100 имеет третий переключатель S1, который включен между управляющим выходом 212 формирователя Т и управляющим выводом 210 тестируемого переключателя S3. Второй переключатель S2 и третий переключатель S1 могут переключаться в замкнутое и разомкнутое состояния. С помощью управляющего устройства, не изображенного на фиг.1, можно включать второй переключатель S2 и третий переключатель S1 в первом и втором рабочих режимах, причем в первом рабочем режиме второй переключатель S2 разомкнут, а третий переключатель S1 замкнут, а также во втором рабочем режиме второй переключатель S2 замкнут и третий переключатель S1 разомкнут. Устройство управления, кроме того, выполнено таким образом, что оно находится в первом рабочем режиме, если тестируемый переключатель S3 находится в нормальном режиме, и во втором рабочем режиме, если тестируемый переключатель находится в тестовом режиме. При этом тестовый режим характеризуется тем, что между первым входным выводом 220 и вторым входным выводом 222 электронного переключателя отсутствует напряжение. Если, например, для тестируемого переключателя S3 применяется биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT) с коллектором в качестве первого вывода 206, эмиттером в качестве второго вывода 208 и затвором в качестве управляющего вывода 210, можно в нормальном режиме посредством напряжения, выдаваемого источником напряжения 200 (например, 15 В) протестировать работоспособность IGBT-транзистора S3 относительно участка коллектор-эмиттер. Если, например, посредством формирователя Т на управляющем выводе 210 тестируемого IGBT-транзистора S3 прикладывается напряжение, посредством которого запирается IGBT-транзистор, то между коллектором 206 и эмиттером 208 не протекает ток, вследствие чего отсутствует падение напряжения на резисторе R и, тем самым, в точке С измерения присутствует максимальное напряжение источника 200 напряжения, например, 15 В. Если посредством формирователя на управляющем выводе 210 IGBT-транзистора S3 (то есть на затворе IGBT-транзистора S3) прикладывается напряжение, посредством которого переключается IGBT-транзистор S3, то между коллектором 206 и эмиттером 208 протекает ток (ток измерения). Ток измерения, обусловленный напряжением источника 200 напряжения, который протекает через резистор R, диод D, а также IGBT-транзистор S3, приводит к падению напряжения на резисторе R. Таким образом, в точке С измерения присутствует только напряжение, пониженное по отношению к максимальному напряжению источника 200 напряжения, которое обнаруживается посредством не изображенного здесь устройства для регистрации напряжения, возникающего на основе тока измерения. Оценкой обнаруженного напряжения в точке С измерения можно тем самым идентифицировать, распознает ли IGBT-транзистор S3, например, ошибку холостого хода на участке коллектор-эмиттер (отсутствие падения напряжения в точке С измерения при переключенном IGBT-транзисторе S3) или ошибку короткого замыкания на участке коллектор-эмиттер (падение напряжения в точке С измерения при запертом IGBT-транзисторе).

Наряду с первым рабочим режимом, в котором ошибки тестируемого IGBT-транзистора можно протестировать при помощи вышеописанного обычного метода, далее посредством управляющего устройства можно устанавливать второй рабочий режим, если тестируемый переключатель S3 находится в тестовом режиме. При этом точка С измерения соединена проводником с управляющим выводом 210 тестируемого переключателя S3 (то есть, например, с затвором тестируемого IGBT-транзистора). Если при открытом состоянии всех других переключателей (то есть третьего переключателя S1 и следующего переключающего устройства S4) на переключающее устройство 100, соответствующее изобретению, подается напряжение источника 200 напряжения (например, 15 В), таким образом, это проявляется в токе измерения, протекающем через резистор R, диод D и тестируемый переключатель S3. Благодаря тому, что управляющий вывод 210 тестируемого переключателя S3 соединен проводником с анодом А через второй переключатель S2, подобным соединением сконструирован регулирующий контур, который обеспечивает, что при работоспособном тестируемом переключателе S3 на управляющем выводе 210 тестируемого переключателя S3 устанавливается заранее определенное пороговое напряжение. Если тестируемый переключатель S3 является, например, транзистором (как, например, МОП-транзистор=транзистор со структурой металл-оксид-полупроводник, IGBT, биполярные транзисторы и т.п.), заранее определенное пороговое напряжение соответствует соответствующему пороговому напряжению транзистора. При наличии ошибки между затвором 210 и эмиттером 208 тестируемого IGBT-транзистора S3 напряжение в точке С измерения меньше, чем пороговое напряжение IGBT-транзистора. Посредством не изображенного на чертеже устройства для регистрации обусловленное током измерения напряжение между управляющим выводом 210 и вторым выводом 208 тестируемого переключателя S3 можно обнаружить напряжение, приложенное между точкой G измерения и вторым выводом 208 тестируемого переключателя S3 и интерпретировать его по отношению к ошибке на участке затвор-эмиттер.

За счет подобной возможности переключения между первым и вторым режимами работы можно полностью протестировать переключатель S3 по сравнению с обычным переключающим устройством. В частности, можно распознать короткое замыкание или холостой ход между коллектором 206 и эмиттером 208, а также дополнительно короткое замыкание между затвором 210 и эмиттером 208. Наибольшее обнаруживаемое сопротивление короткого замыкания определяется не посредством выходного сопротивления затвора-формирователя, а посредством резистора, через который точка С измерения соединена с питающим напряжением затвора-формирователя (то есть напряжением источника 200 напряжения).

Посредством подобного полного функционального теста тестируемого IGBT-транзистора S3 можно гарантировать, что предусмотренный в качестве переключателя S3 IGBT-транзистор является полностью работоспособным. Тем самым можно гарантировать, что при переходе из тестового режима в нормальный режим (то есть, например, при включении постоянного напряжения между первым входным выводом 220 и вторым входным выводом 222 на выход) при одновременном переключении из второго рабочего режима в первый рабочий режим обеспечивается то, что используемый в качестве переключателя IGBT-транзистор S3 функционирует корректным образом, и можно не ожидать отказа переключающего устройства 100.

В качестве альтернативы третьему переключателю S1, который, например (как изображено на фиг.1), может быть выполнен в виде низкоомного аналогового переключателя (например, в виде кнопочного переключателя) для осуществления функции третьего переключателя, может также применяться формирователь с выходом с тремя состояниями. При этом посредством другого переключателя сигнал, подготовленный формирователем, отделяется от управляющего вывода тестируемого переключателя таким образом, что выход с тремя состояниями формирователя деактивируется посредством другого переключателя (то есть переключается в высокоомное состояние по сравнению с низкоомным активным состоянием).

Хотя выше подробно объяснен предпочтительный пример осуществления данного изобретения, очевидно, что данное изобретение не ограничивается этим примером осуществления. В частности, данное изобретение также находит применение в других компонентах с первым и вторым выводами, а также с управляющим выводом, причем, в частности, следует упомянуть такие типы компонентов, как МОП-транзисторы и биполярные транзисторы. Далее, данный электронный переключатель не ограничивается применением только единственного переключающего устройства, соответствующего изобретению.

Реферат

Изобретение относится к тестированию функциональной способности электронного переключателя. Переключающее устройство содержит тестируемый переключатель с первым выводом и вторым выводом, а также управляющим выводом для управления сопротивлением между первым выводом и вторым выводом, резистор, устройство для подачи тока измерения через резистор на первый вывод тестируемого переключателя. Управляющий вывод и первый вывод тестируемого переключателя электрически соединены. Переключающее устройство содержит устройство для регистрации обусловленного током измерения напряжения между управляющим выводом и вторым выводом тестируемого переключателя. Напряжение указывает на работоспособность тестируемого переключателя. С помощью переключающего устройства обнаруживается большее количество возможных возникающих ошибок тестируемого переключателя по сравнению с обычным переключающим устройством. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 2 ил.

Формула