CN101427467B - 半导体开关的安全设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种安全设备，用于半导体开关设备(1)，该半导体开关设备(1)控制在该开关设备的上游配备有保险丝(3)的次级线路(2)，其包括用于使该次级线路短路的元件(4)，使得切断保险丝(3)，和根据在该次级线路中检测到过流而激活该元件(4)的激活装置(5、6、7)。

Description

半导体开关的安全设备
技术领域
本发明涉及一种用于半导体开关的安全设备，该半导体开关尤其被用于开启或者关闭被连接初级网络上并且能够给次级设施供电的次级线路。
背景技术
半导体开关包括一个能够开启次级电路并且在次级电路过载的情况下能够保护次级网络的电缆的电流保护装置。
电流保护装置被标定为根据低于用来表征尤其被用于航空电子接线中的电缆的冒烟曲线的、计算得出的i2.t能量确定值来开启开关。
半导体开关一般配备一个电流保护电路，它包括次级线路上的电流检测装置，电流检测装置测量被插入该次级电路中的一个串联电阻的端子上的电位差，并且，包括一个控制开关元件的电路，其测量在次级电路的线路中的电流的值并且在过流超过在次级线路中限定的电流阈值的情况下，激活该开关元件为开路。
因此半导体开关配备一个由外部系统管理的正常运行的开启关闭控制和一个来自电流保护电路的开启控制。
此开关所遇到问题是其故障模式通常为由功率MOS晶体管构成的一个开关元件发生短路。
当出现这种故障时，不再能控制次级线路的开启，次级线路取消了防过流保护，并且在设备出现问题的情况下导致次级电缆毁灭性的发热，同样可能损害初级线路。
所知的解决方法是将保险丝放置在半导体开关的上游(输入侧)，保险丝被标定为当达到高于开关安全断开值的一个电平阈值时能够断开。
在现有技术中还存在，只有在下游电路故障的情况下，保险丝才中断，因为保险丝的特性的离散性，除非使保险丝的断开值大大低于电缆电流量，当开关短路时，人们不能容易地确保电路在一个不损害电缆的电流强度下断开。
因此不论是根据保险丝的中断值还是根据开关设备的断开电流，电缆必须加大尺寸，并且为了减少功率晶体管毁坏的危险，根据次级线路的额定电流，开关设备自身也必须加大尺寸。
发明内容
本发明涉及对半导体开关的改进，目的是实现一种确保保险丝中断的安全设备，并且在该开关故障的情况下保护半导体开关上游和下游的接线。
为此，本发明为用来控制在开关设备上游安装有保险丝的次级线路的半导体开关设备配备了一个安全设备，包括一个使该次级线路短路的元件，使得切断保险丝，和检测次级线路的过流的元件的启动装置。
附图说明
本发明的其他特点和优点在结合附图阅读本发明的非限制性实施方式的描述后会更加清楚，其中：
图1：现有技术的开关设备的示意图，
图2：对应于图1的示意图的时间/能量特性曲线，
图3：根据本发明装配有安全设备的开关设备示意图，
图4：对应于图3的示意图的时间/能量特性曲线。
具体实施方式
图1示出一种用于控制次级线路或电路2的开关设备，包括设备例如从初级线路或电路16开始的未被示出的公知航空电子设备。
以已知的方式，多个次级电路能够并联连接在初级电路上，并且这些次级电路消耗的电流在初级电路16合并，这导致初级电路16的电缆截面的增大。
开关电路1最好是一个单个或者混合电路形式的半导体功率转换器，包括一个电流保护装置，其尤其用于保护次级线路的电缆以抵御在中由于次级线路电流过大导致的过热。
开关设备包括一个被控制设备控制的开关元件10，控制设备包括一个来自机器、或者在航空应用的情况下来自飞行器驾驶座控制板的未被示出的控制部件的控制路径17。
开关设备包括一个开关元件10，它可以是MOS晶体管模拟转换器或者在有必要时是一个继电器，和一个第一放大器和/或电压比较器8，其输入被连接在生成与通过次级线路2的电流成正比的电位差的控制电阻7的端子上。
有利地是，这种设备包括控制开关元件10的第一微控制器9，接收第一放大器和/或电压比较器的放大信号，并且，被编程以便根据放大信号的值转换开关元件10为闭路或开路，第一微控制器包括控制开关元件10的输出11。
在本发明的范围内，第一微控制器能够被接线逻辑电路代替，控制阈值和电平由电阻值确定，比较器给出一个逻辑输出信号。
当过流时达到次级电路的断开阈值，通过将开关元件由导通状态转换到断开状态，开关设备切断次级电路，以便隔离次级电路。
与此相反，如果阈值被超过，而开关设备没有切断该电路，例如闭合电路的开关元件被阻塞出故障的情况下，预备一个保险丝3以便如果电流增加到保险丝3所能接受的最大电流之上，保险丝自熔断并且在第二安全等级隔开次级线路。
除开关设备1之外，次级线路2的控制电路还包括保险丝3，其断开阈值被计算为在开关设备的保护装置的断开阈值之上并且在次级线缆的过热阈值之下，同样在初级线缆的过热阈值之下。
图2的曲线对应于这些等级，其横坐标表示时间而纵坐标表示流过开关元件和次级线路的电流的二次幂，标记20对应于开关设备的断开区域，标记21对应着保险丝的熔断区域，标记22对应于次级线路2的电缆的特性i2.t，和标记23对应于主线路16的电缆的特性i2.t。
保险丝的熔断应该在开关的开启阈值之间并且低于所有次级电缆损坏的风险值。
由于保险丝的电流值的离散(dispersion)，为了避免保险丝中断区域和开关设备的开启区域之间相关重叠的任何风险——这能在开关开启前引起保险丝的中断，必须降低开关的检测电平，其结果是使用具有承载更小电流的线路的大尺寸的开关设备，并且给相关的系统和电缆加大尺寸。
图3示出根据本发明的一个安全设备的实施例。
对于用于控制在开关设备上游配有保险丝3的次级线路2的半导体开关设备1，这种安全设备包括一个将开关设备控制的次级线路短路的元件4。
该使得短路的元件被放置在次级线路2和一个接地之间，以便在检测到异常时通过在次级线路中和保险丝3处产生过流来熔断保险丝3。
在正常运行时，该元件为开启的。
安全设备包括当在次级线路中检测到一个过流时用于激活元件4短路的装置5、6、7。
这样，当检测到过流时，元件4被短路并且加大该电流以便使得和/或加速保险丝中断。
根据图3所示，元件4的激活装置包括开关设备端子上的电位差的检测装置7，该电位差与一个阈值的比较装置6和当检测阈值被超过控制开关元件4的装置5。
有利的是，检测装置是被串联在次级电路中的电阻7，该电阻7根据流过次级线路2的电流在其端子上产生电位差并且控制开关设备。
为了避免并合次级电路上的电阻，该电阻优选地是已经被用于测量流过次级线路的电流的开关设备的控制电阻。
该使得短路的电路还包括其输入被连接在控制电阻7的端子上的一个第二电压放大器和/或比较器6，以及在选择智能类型的解决方案的情况下的控制元件4短路线路的第二微控制器5。
第二微控制器接收第二电压放大器和/或比较器的放大信号并且被编程为根据流过线路的短路元件4的控制输出12的超过预定义的阙值的放大信号的值，激活该线路的短路元件4。
完全像第一微控制器一样，在本发明范围内第二微控制器被接线逻辑装置代替。
安全设备被标定，使得当出现过流水平高于由开关1的电流保护电路断开次级电路的激活电流水平的情况下使该线路短路。
这样，安全设备只在开关元件10短路有故障不能切断在开关的安全额定电流水平的次级线路的情况下被激活。
为了避免在开关设备和安全设备这两个系统之间的重叠，根据实例第二微控制器5包括一个开关元件10的补充控制输出13，并且该设备包括一个“或”逻辑门14，它插在第一微控制器的控制输出11和开关元件10的控制输入15之间，并且接收补充输出13的信号，以根据控制输出11或者补充输出13的到1来起动开关元件的断开。
根据本发明，使得电路短路的元件4最好是一个半导体转换器，可以是当次级电路被供以直流电时开关设备的端子上的电位差是直流电位差的闸流晶体管，或者是在线路被供以交流电的情况下开关设备的端子上的电位差便是交流电位差的三端双向可控硅开关元件。
图4示出根据本发明的电路的不同元件的能量/时间曲线。
这里横坐标也表示时间并且纵坐标表示流过开关元件和次级线路的电流的二次幂。
标记24对应于开关设备的开启区域和短路元件的闭合区域，标记25对应于次级线路2的电缆的特性i2.t，标记26对应于保险丝熔断区域和标记27对应于主线路16的电缆的特性i2.t。
根据本发明，激活安全设备的短路的曲线i2.t被有利地定义在次级电缆的冒烟曲线(la courbe de fumée)之下且在保险丝的熔断曲线i2.t之下，这样保险丝的熔断曲线能够毫无风险地在次级电缆的冒烟曲线以外。
事实上，因为使用闸流晶体管或者三端双向可控硅开关元件的安全设备比保险丝熔断曲线更有决定性作用，被使用的开关设备能够拥有更高的曲线i2.t，该曲线接近次级电缆的曲线。
保险丝的断开区域能够再上升到次级电缆的特性之上，因为在通过元件4产生了短路之后，为避免对次级电路的电缆有损害的发热，保险丝的熔断要足够快。
根据本发明的设备同样允许在使用比没有该设备时更大的电流的系统上使用半导体功率转换器，并且避免对这种转换器的功率元件加大尺寸。
在本发明的范围内，对于开关设备和安全设备来说，它们可以共享同一个微控制器、电压放大器和/或比较器，但还是优选描述的冗余解决方案，以便避免简单故障的出现。
为了避免增加线路上的损失，使用单个电阻总是优选的，因为这种元件的故障会导致电路开路而非短路。

Claims (8)

1.一种安全设备，用于半导体开关设备(1)，该半导体开关设备(1)控制在该开关设备的上游配备有保险丝(3)的次级线路(2)，其中，所述安全设备包括：
用于使该次级线路短路的短路元件(4)，该短路使得切断保险丝(3)；和
根据在该次级线路中检测到过流而激活该短路元件(4)的激活装置；
所述激活装置包括：
检测所述开关设备的端子间的电位差的检测装置；
比较所述电位差和一个阈值的比较装置；和
根据检测到所述阈值被超过而控制所述短路元件(4)的控制装置；
其中，所述短路元件的激活装置被标定，使得当出现过流水平高于由所述半导体开关设备断开所述次级线路的最高激活电流水平的情况下，使所述次级线路短路，所述激活装置包括微控制器，该微控制器配置成控制短路元件，以触发次级线路的短路。
2.根据权利要求1所述的安全设备，其中，所述检测装置是所述开关设备的控制电阻(7)。
3.根据权利要求2所述的安全设备，其中，所述开关设备包括：在所述控制电阻(7)的端子上的第一电压放大器和/或比较器(8)；
控制开关元件(10)的第一微控制器(9)，该第一微控制器(9)接收该第一电压放大器和/或比较器放大的信号并被编程为根据该放大的信号的值转换所述开关元件(10)，并且包括所述开关元件(10)的控制输出(11)；
所述比较装置包括在所述控制电阻(7)的端子上的第二电压放大器和/或比较器(6)，并且配置成触发短路元件；
所述控制短路元件的微控制器是一第二微控制器(5)，用于触发次级线路的短路，该第二微控制器(5)接收所述第二电压放大器和/或比较器放大的信号并被编程以根据放大信号的值激活所述短路元件(4)，以触发次级线路的短路；
所述第二微控制器包括触发次级线路短路的短路元件(4)的控制输出(12)。
4.根据权利要求3所述的安全设备，其中，所述第二微控制器包括一个控制所述开关元件(10)的补充输出(13)，并且所述安全设备包括一个“或”逻辑门(14)，该“或”逻辑门(14)插在所述第一微控制器的控制输出(11)和所述开关元件(10)的控制输入(15)之间，并且接收该补充输出(13)的信号，以根据所述第一微控制器的控制输出(11)或所述补充输出(13)变为1而起动所述开关元件的断开。
5.根据权利要求1所述的安全设备，其中，所述使次级线路短路的短路元件(4)是一个半导体转换器。
6.根据权利要求5所述的安全设备，其中，所述半导体转换器是闸流晶体管，在所述开关设备端子上的电位差是直流电位差。
7.根据权利要求5所述的安全设备，其中，所述半导体转换器是三端双向可控硅开关元件，在所述开关设备端子上的电位差是交流电位差。
8.根据权利要求1所述的安全设备，其特征在于，其短路激活曲线i2.t被定义在所述次级线路的冒烟曲线之下且在保险丝的熔断曲线i2.t之下。
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