DE102011056541B4

DE102011056541B4 - Schaltkreise und Testverfahren

Info

Publication number: DE102011056541B4
Application number: DE102011056541.8A
Authority: DE
Inventors: Peter Michael Tyler; John Oliver Collins
Original assignee: GE Aviation Systems Ltd
Current assignee: GE Aviation Systems Ltd
Priority date: 2010-12-17
Filing date: 2011-12-16
Publication date: 2022-07-21
Anticipated expiration: 2031-12-17
Also published as: BRPI1105402A2; CN102608526A; GB201021453D0; JP6018377B2; FR2969427B1; CN102608526B; JP2012147655A; CA2762475A1; DE102011056541A1; GB2486493A; GB2486493B; CA2762475C; FR2969427A1

Abstract

Schaltkreis (1) für den Anschluss an einen Verbraucher (15) und an eine Spannungsquelle (2), der ein oder mehrere Schaltelemente (6, 7, ... n) zum An- und Abschalten des Stroms zu dem Verbraucher (15), eine Pulldown-Einrichtung (4) zum Kurzschließen des Verbrauchers (15) und dadurch Trennen desselben von der Spannungsquelle (2), und eine Steuerung (3) umfasst, die einsatzfähig ist, um eine Selbtsttest-Prüfroutine durchzuführen, bei der die Pulldown-Einrichtung (4) aktiviert wird, um den Verbraucher (15) kurzzuschließen, anschließend, während der Verbraucher (15) kurzgeschlossen ist, mindestens eines der Schaltelemente (6, 7, ... n) zu einem gegebenen Zeitpunkt aktiviert wird, ein Strom, der durch das mindestens eine aktivierte Schaltelement (6, 7, ... n) und die Pulldown-Einrichtung (4) fließt, gemessen wird und überprüft wird, ob der gemessene Strom innerhalb vorgegebener richtiger Grenzen liegt, und dadurch festgestellt wird, ob das mindestens eine aktivierte Schaltelement (6, 7, ... n) richtig funktioniert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Schaltkreise und Prüfverfahren dafür.
Schaltkreise umfassen häufig verschiedene Schaltelemente, die parallel zueinander geschaltet sind, wodurch die Strombelastbarkeit des Schaltkreises die Summe der Belastbarkeit jedes Schaltelements ist. Dies ist besonders bei Anwendungen von Nutzen, bei denen die Leistung, die von dem Verbraucher benötigt wird, die Belastbarkeit eines einzelnen Schaltelements übersteigt. Ein Beispiel für derartige Schaltkreise ist in Stromverteilungssystemen in Flugzeugen zu finden, in denen beispielsweise acht Halbleiterschaltelemente parallel vorgesehen sein können. Die Schaltelemente können ganz allgemein bei einem Ausfall öffnen oder schließen. Jedes Schaltelement weist einen Treiber auf, der die Ursache für den Ausfall sein kann. Wenn eins oder mehrere der Schaltelemente bei einem Ausfall öffnen, können die anderen als Reserveschalter dienen, können jedoch möglicherweise überlastet werden. Wenn eins oder mehrere der Schaltelemente bei einem Ausfall schließen, wäre es nicht möglich, den Schaltkreis abzuschalten und es wäre ohne Weiteres ersichtlich, dass ein derartiger Ausfall aufgetreten ist. Führt ein Ausfall zum Öffnen, kann es sein, dass der Ausfall nicht erkannt wird. Halbleiterschaltelemente werden in der Herstellungsphase eingehend geprüft, jedoch ist es wünschenswert, sie im Einsatz prüfen zu können, um sicherzustellen, dass sie voll einsatzfähig bleiben. Dies ist auch als Selbsttest (Built-in-Test, BIT) bekannt.
US 2009 / 0 021 874 A1 beschreibt einen Schaltkreis für den Anschluss eines Verbrauchers an eine Spannungsquelle mit einer Halbleiter-Schaltvorrichtung, die ein oder mehrere Halbleiterschaltelemente zum An- und Abschalten des Stroms zu dem Verbraucher aufweist, einer Pulldown-Einrichtung zum Kurzschließen des Verbrauchers, um diesen dadurch von der Spannungsquelle zu trennen, und einer Steuerung, die die Halbleiter-Schaltvorrichtung und die Pulldown-Einrichtung aktiviert. Die Pulldown-Einrichtung wird aktiviert, um den Verbraucher kurzzuschließen, wenn die Halbleiter-Schaltvorrichtung deaktiviert bzw. geöffnet ist oder wenn die Halbleiter-Schaltvorrichtung bei Ausfall schließt und der Verbraucher aufgrund eines Abschaltbefehls oder Überstromfehlers abgeschaltet werden muss.
US 4 752 886 A offenbart ein Verfahren zum Überprüfen der Funktionsfähigkeit einer Schaltvorrichtung, die eine elkterische Last steuert, und des Status der Last als offen, kurzgeschlossen oder normal verbunden, ohne Unterbrechung des Betriebszustands der Last. Zu diesem Zweck wird die Schaltvorrichtung aktiviert, um die Last in einen zu dem momentanen Zustand umgekehrten Zustand umzuschalten, und der Laststrom wird überwacht und mit Referenzwerten verglichen, um die Funktionsfähigkeit der Schaltvorrichtung und den Status der Last zu bestimmen.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Schaltkreis der verstehend erläuterten Art und Prüfverfahren für diesen zu schaffen, die es ermöglichen, die Schaltelemente des Schaltkreises ohne den Verbraucher zu einem beliebigen Zeitpunkt zu prüfen.
Zur Lösung dieser Aufgabe stellt die vorliegende Erfindung einen Schaltkreis für den Anschluss an einen Verbraucher und an eine Spannungsquelle bereit, der ein oder mehrere Schaltelemente zum An- und Abschalten des Stroms zu dem Verbraucher, eine Pulldown-Einrichtung zum Kurzschließen des Verbrauchers und dadurch Trennen desselben von der Spannungsquelle, und eine Steuerung umfasst, die einsatzfähig ist, um eine Selbtsttest-Prüfroutine durchzuführen, bei der die Pulldown-Einrichtung aktiviert wird, um den Verbraucher kurzzuschließen, anschließend, während der Verbraucher kurzgeschlossen ist, mindestens eines der Schaltelemente zu einem gegebenen Zeitpunkt aktiviert wird, ein Strom, der durch das mindestens eine aktivierte Schaltelement und die Pulldown-Einrichtung fließt, gemessen wird und überprüft wird, ob der gemessene Strom innerhalb vorgegebener richtiger Grenzen liegt, und dadurch festgestellt wird, ob das mindestens eine aktivierte Schaltelement richtig funktioniert.
Die Pulldown-Einrichtung ermöglicht vorteilhafterweise, dass die Schaltelemente ohne den Verbraucher geprüft werden, sodass die Prüfung vor oder nach der Einrichtung des Schaltkreises durchgeführt werden kann.
Zur Lösung der obigen Aufgabe stellt die vorliegende Erfindung ferner ein Verfahren zum Prüfen eines Schaltkreises bereit, der einen Verbraucher mit einer Spannungsquelle verbindet, wobei der Schaltkreis ein oder mehrere Schaltelemente aufweist, wobei das Verfahren aufweist: Kurzschließen des Verbrauchers durch Aktivieren einer Pulldown-Einrichtung, anschließend, während der Verbraucher (15) kurzgeschlossen ist, Aktivieren mindestens eines der Schaltelemente, Messen des Stroms, der durch das mindestens eine aktivierte Schaltelement und die Pulldown-Einrichtung (4) fließt, Überprüfen, ob der gemessene Strom innerhalb vorgegebener richtiger Grenzen liegt, und Feststellen anhand der Überprüfung, ob das mindestens eine aktivierte Schaltelement richtig funktioniert.
Es werden nun lediglich beispielhaft Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen beschrieben, in denen:

1 vereinfacht eine Schaltung zeigt, die einen Schaltkreis enthält, der als Beispiel für die vorliegende Erfindung dient, und
2 eine Kurvendarstellung Strom gegen Zeit während eines Prüfverfahrens ist, das an der Schaltung von 1 durchgeführt wird.

1 veranschaulicht ein Beispiel für eine Schaltung, die einen Schaltkreis 1 umfasst, der mit einer Spannungsquelle 2 verbunden ist. Die Schaltung weist einen Ausgang 5 auf, der mit einem Verbraucher 15 verbunden ist. Die Schaltung kann beispielsweise derart an einem Flugzeug vorgesehen sein, dass die Spannungsquelle 2 von einem Stromgenerator bereitgestellt werden kann, und der Verbraucher 15 kann ein Bauteil an dem Flugzeug, um beispielsweise eine Fahrwerkklappe oder das Fahrwerk zu betätigen, oder ein Bauteil in dem Flugzeug sein, beispielsweise Geräte oder die Bordunterhaltung. Der Schaltkreis 1 kann ein einzelnes Schaltelement 6 oder eine Vielzahl von Schaltelementen 6, 7, ..., n umfassen. Die Schaltelemente sind parallel geschaltet. Die Schaltelemente können jeweils ein geeignetes Halbleiterschaltelement wie einen Feldeffekttransistor umfassen. Der Schaltkreis 1 wird verwendet, um die Stromquelle 2 mit dem Verbraucher 15 zu verbinden. Die Spannungsquelle 2 und ihre zugehörige Verkabelung oder Verdrahtung weisen eine Eigeninduktivität 11 auf. Ebenso weisen der Verbraucher und seine zugehörige Verkabelung und Verdrahtung eine Eigeninduktivität 14 auf.
Der Schaltkreis weist ferner eine Steuerung 3 auf, die mit jedem der Schaltelement 6, 7, ..., n über die jeweiligen Steuerleitungen 8, 9, 10 verbunden ist. Die Steuerung 3 ist über eine Pulldown-Steuerleitung 12 auch mit einer Pulldown-Einrichtung 4 verbunden. Die Pulldown-Einrichtung 4 ist ferner mit dem Verbraucherausgang 5 und der Stromrückleitung 13 verbunden. Wenn der Pulldown 4 geschlossen ist, trennt er den Verbraucher von dem Schaltkreis und leitet den Strom durch den Pulldown 4 um. Die Pulldown-Einrichtung, die auch als Pulldown-Schaltung oder einfach als Pulldown bezeichnet wird, kann jeden geeigneten Schalter aufweisen, einschließlich elektronische, elektromechanische und mechanische Schalter.
Der Schaltkreis 1 kann einen Halbleiter-Leistungsregler (SSPC) umfassen, der ein oder eine Vielzahl von verbundenen Halbleiterbauelement(en) umfassen kann. Wenn er eine Vielzahl parallelgeschalteter Halbleiterbauelemente umfasst, kann jedes Bauelement nacheinander ein- und ausgeschaltet werden, sodass jedes aus der Vielzahl von Bauelementen einzeln geprüft werden kann. Es können andere Prüfabläufe in Erwägung gezogen werden, beispielsweise die Aktivierung von mehr als einem Schaltelement gleichzeitig. Die einzelne Aktivierung der Schaltelemente ermöglicht die Fehlereingrenzung auf einen einzelnen Schalter. Der Prüfablauf kann zu jedem geeigneten Zeitpunkt durchgeführt werden, beispielsweise zwischen Flügen. Der Prüfablauf könnte auch während des Flugs zu Zeiten, wenn der Verbraucher 15 nicht benötigt wird, durchgeführt werden.
Jedes der Schaltelemente 6, 7, ..., n weist einen entsprechenden Strombegrenzer 61, 71,..., n1 auf. Die Strombegrenzer begrenzen den Strom, der durch die Schaltelemente fließt, auf die Größenordnung des Fünf- bis Zehnfachen des normalen maximalen Betriebsstroms, um eine Beschädigung der Schaltelemente zu verhindern. Alternativ könnte ein einzelner Strombegrenzer für alle Schaltelemente vorgesehen sein. Bei einer weiteren Alternative könnte ein Schnellauslöser vorgesehen sein, um die Schaltelemente abzuschalten, wenn die Auslösegrenze überschritten wird.
Die Pulldown-Schaltung wird immer dann aktiviert, wenn eins der Schaltelemente für die BIT-Prüfroutine aktiviert wird. Jedes Schaltelement und seine Treiberschaltung können vollständig geprüft werden, indem die Steuerung 3 zur Aktivierung eines Elements nach dem anderen verwendet wird, während gleichzeitig überprüft wird, dass der Strom, der dadurch und durch die Pulldown-Einrichtung fließt, innerhalb der richtigen Grenzen liegt. Die Strommessschaltung ist in 1 nicht dargestellt. In einer besonderen Ausführungsform wird die Mindestdauer, während der jedes Schaltelement aktiviert ist, so gewählt, dass sie mindestens die Dauer ist, die dafür erforderlich ist, dass der Strom relativ konstant wird, um reproduzierbare Messungen dieses Stroms mit der vom BIT-System erforderlichen Genauigkeit zu ermöglichen. Die Dauer, während der jedes Schaltelement aktiviert ist, hängt im Allgemeinen von der maximalen Gesamtinduktivität 11 im Stromquellen-Eingangskabel ab. Das System kann jedoch auf Wunsch innerhalb eines kürzeren zeitlichen Rahmens betrieben werden.
Die Pulldown-Einrichtung ist so ausgelegt, dass, wenn sie während der BIT-Prüfung von einem einzelnen Hauptschaltelement Strom ableitet, die Spannung, die am Ausgang 5 zum Verbraucher entsteht, im Vergleich zur normalen Ausgangsspannung, wenn das System eingeschaltet ist, vernachlässigbar ist. Damit ist sichergestellt, dass am Verbraucher keine wesentliche Spannung anliegt, wenn das System ausgeschaltet sein soll. Dies wird erreicht, indem eine Pulldown-Einrichtung 4 verwendet wird, die eine geringere, vorzugsweise viel geringere, Impedanz als jedes Schaltelement aufweist. In der Praxis weisen, wenn die Strombegrenzer 61, 71, ..., n1 in Betrieb sind, die Schaltelemente 6, 7, ..., n eine höhere effektive Impedanz auf als die Pulldown-Einrichtung 1. Während des normalen Systembetriebs würde im Allgemeinen davon ausgegangen werden, dass die Steuerung 3, die die Schaltelemente 6, 7, ..., n aktiviert, sämtliche Schaltelemente gleichzeitig ein- und ausschaltet.
Ausführungsformen der Erfindung finden nicht nur bei Gleichstromsystemen, sondern auch bei Wechselstromsystemen Anwendung. In diesem Fall wäre die Spannungsquelle 2 eine Wechselspannung. Die Schaltelemente wären Wechselstromschalter (optional mit Wechselstrombegrenzern) und die Pulldown-Einrichtung wäre in der Lage, Wechselströme abzuleiten. Bei einer Gleichstrom-Ausführungsform umfasst die Pulldown-Einrichtung einen Feldeffekttransistor (FET) oder einen Bipolartransistor oder beispielsweise einen Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode. Es können andere Arten von Schaltelementen verwendet werden.
Bei einer Wechselstrom-Ausführungsform kann die Pulldown-Einrichtung beispielsweise einen Triac oder ein Festkörperrelais umfassen.
2 veranschaulicht den Ausgangsstrom durch ein Schaltelement, wenn ein Prüfverfahren durchgeführt wird. Es ist nur ein Maximum dargestellt, jedoch sind in einem Ausführungsbeispiel acht Schaltelemente vorgesehen, sodass die Prüfung einen Gesamteingangsstrom von der Spannungsquelle 2 ergeben würde, der acht aufeinanderfolgende Impulse wie den einzelnen, der in 2 dargestellt ist, aufweist. Die korrekte Funktion jedes Schaltelements 6, 7, ..., n kann ermittelt werden, indem überprüft wird, ob die Amplitude jedes einzelnen Stromimpulses innerhalb der richtigen Grenzen liegt.
Das Prüfverfahren beginnt mit dem Kurzschließen des Verbrauchers durch Aktivieren der Pulldown-Einrichtung 4. Die Pulldown-Einrichtung bleibt im Allgemeinen während der Dauer der BIT-Prüfung an. Das erste Schaltelement 6 wird bei dem dargestellten Beispiel bei ungefähr 250 µs geschlossen und der Strom durch das Schaltelement 6 steigt schnell auf den von der Quelle 2 bereitgestellten Strom an, in diesem Beispiel ungefähr 100 Ampere. Anschließend wird das erste Schaltelement 6 geöffnet und kurze Zeit später wird das zweite Schaltelement 7 geschlossen und der Strom durch das zweite Schaltelement 7 wird gemessen. Dieses Verfahren wird nacheinander wiederholt, bis sämtliche Schaltelemente geprüft wurden. Unterschiede in den Stromprofilen zu denen, die in 2 dargestellt sind, können auf einen Fehler bei dem entsprechenden Schaltelement hinweisen.
Ausführungsformen der Erfindung können vorteilhafterweise die Einzelbeurteilung der Funktion der Schaltelemente ermöglichen. Eine einfache BIT-Prüfung, die lediglich die Funktion des Halbleiter-Leistungsreglers insgesamt überprüft, wäre normalerweise nicht in der Lage, ein defektes Element zu ermitteln, das im unterbrochenen Zustand geblieben ist. Ein technischer Vorteil dieser Erfindung ist, dass sie nicht nur Fehler einzelner Elemente erkennt, sondern auch die Strombegrenzungseigenschaften jedes Elements einzeln prüfen kann. Die Erfindung kann deshalb für einen vollständigen Selbsttest während des Servicebetriebs sorgen.
Bei einer alternativen Ausführungsform weisen die Schaltelemente keine Strombegrenzungssteuerung auf. In diesem Fall kann darauf vertraut werden, dass die Induktivität der Stromquelle 2 und die Leitungsinduktivität 11 in Verbindung mit einer Schnellauslöseschaltung verhindern, dass der Strom während des Prüfimpulses auf einen gefährlichen Wert ansteigt. Mit anderen Worten würde die Steuerung 3 in dieser Ausführungsform so funktionieren, dass sie die Abfolge aus Öffnen und Schließen der Schaltelemente ausreichend schnell aktiviert, um eine Überlastung zu verhindern.
Es ist ein Schaltkreis 1 für den Anschluss an einen Verbraucher und an eine Spannungsquelle 2 offenbart, der ein oder mehrere Schaltelemente 6, 7, ..., n zum An- und Abschalten des Stroms zum Verbraucher, eine Pulldown-Einrichtung 4 zum Kurzschließen des Verbrauchers und dadurch Trennen desselben von der Spannungsquelle, und eine Steuerung 3 umfasst, die einsatzfähig ist, während die Quelle vom Verbraucher getrennt ist, um mindestens eins der Schaltelemente zu einem gegebenen Zeitpunkt zu aktivieren, wobei ein Strom durch das oder jedes aktivierte Schaltelement fließt und messbar ist, um zu prüfen, ob das oder jedes aktivierte Schaltelement richtig funktioniert.

Claims

Schaltkreis (1) für den Anschluss an einen Verbraucher (15) und an eine Spannungsquelle (2), der ein oder mehrere Schaltelemente (6, 7, ... n) zum An- und Abschalten des Stroms zu dem Verbraucher (15), eine Pulldown-Einrichtung (4) zum Kurzschließen des Verbrauchers (15) und dadurch Trennen desselben von der Spannungsquelle (2), und eine Steuerung (3) umfasst, die einsatzfähig ist, um eine Selbtsttest-Prüfroutine durchzuführen, bei der die Pulldown-Einrichtung (4) aktiviert wird, um den Verbraucher (15) kurzzuschließen, anschließend, während der Verbraucher (15) kurzgeschlossen ist, mindestens eines der Schaltelemente (6, 7, ... n) zu einem gegebenen Zeitpunkt aktiviert wird, ein Strom, der durch das mindestens eine aktivierte Schaltelement (6, 7, ... n) und die Pulldown-Einrichtung (4) fließt, gemessen wird und überprüft wird, ob der gemessene Strom innerhalb vorgegebener richtiger Grenzen liegt, und dadurch festgestellt wird, ob das mindestens eine aktivierte Schaltelement (6, 7, ... n) richtig funktioniert.
Schaltkreis (1) nach Anspruch 1, wobei die Pulldown-Einrichtung (4) einen Schalter aufweist, der parallel zu dem Verbraucher (15) angeordnet ist, und das Schließen des Schalters den Verbraucher (15) kurzschließt.
Schaltkreis (1) nach Anspruch 2, wobei die Pulldown-Einrichtung (4) einen elektronischen, elektromechanischen und/oder mechanischen Schalter aufweist, einschließlich eines Feldeffekttransistors, eines Bipolartransistors, eines Bipolartransistors mit isolierter Gate-Elektrode, eines Triac und/oder eines Festkörperrelais.
Schaltkreis (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das oder jedes Schaltelement (6, 7, ... n) einzeln aktiviert wird.
Schaltkreis (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend einen Strombegrenzer (61, 71, ... n1) zum Begrenzen des Stroms durch das oder jedes Schaltelement (6, 7, ... n).
Schaltkreis (1) nach Anspruch 5, wobei das oder jedes Schaltelement (6, 7, ... n) einen Strombegrenzer (61, 71, ... n1) aufweist, der darin angeordnet ist.
Schaltkreis (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei eine Systeminduktivität (11) verwendet wird, um den Strom durch das oder jedes Schaltelement (6, 7, ... n) zu begrenzen.
Schaltkreis (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Impedanz der Pulldown-Einrichtung (4) geringer ist als die Impedanz des oder jedes Schaltelements (6, 7, ... n).
Schaltkreis (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Ausgangsspannung des Schaltkreises (1) unter Prüfbedingungen im Vergleich zur Ausgangsspannung unter normalen Betriebsbedingungen vernachlässigbar ist.
Schaltkreis (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schaltkreis (1) mit einer Wechsel- oder Gleichspannungsquelle (2) verbunden werden kann.
Schaltkreis (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das oder jedes Schaltelement (6, 7, ... n) ein Halbleiterschaltelement umfasst.
Verfahren zum Prüfen eines Schaltkreises (1), der einen Verbraucher (15) mit einer Spannungsquelle (2) verbindet, wobei der Schaltkreis (1) ein oder mehrere Schaltelemente (6, 7, ... n) aufweist, wobei das Verfahren aufweist: Kurzschließen des Verbrauchers (15) durch Aktivieren einer Pulldown-Einrichtung (4), anschließend, während der Verbraucher (15) kurzgeschlossen ist, Aktivieren mindestens eines der Schaltelemente (6, 7, ... n), Messen des Stroms, der durch das mindestens eine aktivierte Schaltelement (6, 7, ... n) und die Pulldown-Einrichtung (4) fließt, Überprüfen ob der gemessene Strom innerhalb vorgegebener richtiger Grenzen liegt, und Feststellen anhand der Überprüfung, ob das mindestens eine aktivierte Schaltelement (6, 7, ... n) richtig funktioniert.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Schaltelemente (6, 7, ... n) nacheinander eins nach dem anderen aktiviert werden.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das eine oder die mehreren Schaltelemente (6, 7, ... n) für eine Dauer aktiviert werden, die ausreicht, dass der Strom, der hindurchfließt, im Wesentlichen konstant wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, ferner umfassend das Begrenzen des Stroms, der durch jedes Schaltelement (6, 7, ... n) fließt.