FR2969427A1

FR2969427A1 - SWITCHING CIRCUIT AND TESTING METHOD

Info

Publication number: FR2969427A1
Application number: FR1161734A
Authority: FR
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: 2011-12-15
Publication date: 2012-06-22
Anticipated expiration: 2031-12-15
Also published as: BRPI1105402A2; CN102608526A; DE102011056541A1; GB2486493A; GB2486493B; GB201021453D0; CA2762475A1; JP6018377B2; CA2762475C; JP2012147655A; DE102011056541B4; FR2969427B1; CN102608526B

Abstract

Circuit de commutation (1) destiné à être connecté à une charge et à une source de tension (2), comprenant un ou plusieurs dispositifs de commutation (6, 7, n) pour mettre la charge sous tension et hors tension, un dispositif de tirage vers le bas (4) pour court-circuiter la charge, en l'isolant ainsi de la source de tension, et un contrôleur (3) pouvant fonctionner pendant que la source est isolée de la charge, pour activer au moins un des dispositifs de commutation à la fois, un courant passant dans le dispositif de commutation activé ou dans chaque dispositif de commutation activé et pouvant être mesuré pour vérifier si le dispositif de commutation activé ou chaque dispositif de commutation activé fonctionne correctement.A switching circuit (1) for connection to a load and a voltage source (2), comprising one or more switching devices (6, 7, n) for switching the load on and off, a switching device pulling down (4) to bypass the load, thereby isolating it from the voltage source, and a controller (3) operable while the source is isolated from the load, to activate at least one of the devices switching at a time, a current flowing in the activated switching device or in each activated and measurable switching device to check whether the activated switching device or each activated switching device is operating correctly.

Description

B11-5798FR 1 B11-5798EN 1

Circuit de commutation et procédé d'essai La présente invention concerne des circuits de commutation et des procédés d'essai de ces circuits. The present invention relates to switching circuits and methods of testing such circuits.

Les circuits de commutation comprennent fréquemment plusieurs dispositifs de commutation qui sont connectés en parallèle les uns avec les autres, et de ce fait, la capacité en courant du circuit de commutation est la somme des capacités de chaque dispositif de commutation. Cela est particulièrement utile pour des applications dans lesquelles la puissance nécessaire à la charge dépasse la capacité d'un seul dispositif de commutation. Un exemple de tels circuits de commutation existe dans les systèmes de distribution électrique d'avions, où par exemple huit dispositifs de commutation à semi-conducteurs peuvent être prévus en parallèle. The switching circuits frequently include a plurality of switching devices that are connected in parallel with each other, and therefore the current capacity of the switching circuit is the sum of the capabilities of each switching device. This is particularly useful for applications in which the power required for the load exceeds the capacity of a single switching device. An example of such switching circuits exists in aircraft electrical distribution systems, where for example eight semiconductor switching devices can be provided in parallel.

Généralement, les dispositifs de commutation peuvent être défaillants à l'état ouvert ou fermé. Chaque dispositif de commutation a un circuit d'attaque qui peut être la cause de la défaillance. Si un ou plusieurs des dispositifs de commutation sont défaillants à l'état ouvert, les autres peuvent agir comme commutateurs de sécurité, mais peuvent être sujets à une surcharge de courant. Si un ou plusieurs des dispositifs de commutation sont défaillants à l'état fermé, il n'est pas possible de mettre le circuit de commutation hors tension, et il serait évident qu'une telle défaillance s'est produite. Si la défaillance survient à l'état ouvert, elle pourrait ne pas être détectée. Les dispositifs de commutation à semi-conducteurs sont soumis à des essais soigneux lors de leur fabrication, mais il est souhaitable de pouvoir les soumettre à des essais lorsqu'ils sont en service, afin de garantir qu'ils restent entièrement opérationnels. Cela est également connu comme test intégré (BIT). La présente invention propose un circuit de commutation destiné à être connecté à une charge et à une source de tension, comprenant un ou plusieurs dispositifs de commutation pour mettre la charge sous tension et hors tension, un dispositif de tirage vers le bas pour court-circuiter la charge, en l'isolant ainsi de la source de tension, et un contrôleur pouvant fonctionner pendant que la charge est court-circuitée, pour activer au moins un des dispositifs de commutation à la fois, un courant passant dans le dispositif de commutation activé ou dans chaque dispositif de commutation activé et pouvant être mesuré pour vérifier si le dispositif de commutation activé ou chaque dispositif de commutation activé fonctionne correctement. Generally, the switching devices may fail in the open or closed state. Each switching device has a driver that may be the cause of the failure. If one or more of the switching devices fail in the open state, the others may act as safety switches, but may be subject to overload. If one or more of the switching devices fail in the closed state, it is not possible to switch off the switching circuit, and it would be obvious that such a failure has occurred. If the failure occurs in the open state, it may not be detected. Semiconductor switching devices are carefully tested during their manufacture, but it is desirable to be able to test them when in use to ensure they remain fully operational. This is also known as Integrated Testing (BIT). The present invention provides a switching circuit for connection to a load and a voltage source, comprising one or more switching devices for switching the load on and off, a pull-down device for short-circuiting. the load, thereby isolating it from the voltage source, and a controller operable while the load is short-circuited, to activate at least one of the switching devices at a time, a current flowing through the switched switching device or in each activated and measurable switching device for checking whether the activated switching device or each activated switching device is operating correctly.

De façon avantageuse, le dispositif de tirage vers le bas permet aux dispositifs de commutation d'être soumis à des essais sans la charge, de sorte que l'essai peut être effectué avant ou après l'installation du circuit de commutation. D'autre part, la présente invention propose un procédé d'essai d'un circuit de commutation qui connecte une charge à une source de tension, le circuit de commutation comprenant un ou plusieurs dispositifs de commutation, le procédé comprenant le court-circuitage de la charge par activation d'un dispositif de tirage vers le bas, activation d'un ou plusieurs des dispositifs de commutation, mesure du courant traversant le dispositif de commutation ou chaque dispositif de commutation qui est activé, et détermination, à partir du signal de courant mesuré, si les dispositifs de commutation activés fonctionne(nt) correctement. Advantageously, the pull-down device allows the switching devices to be tested without the load, so that the test can be performed before or after the switching circuit is installed. On the other hand, the present invention provides a method of testing a switching circuit that connects a load to a voltage source, the switching circuit including one or more switching devices, the method including short-circuiting the charging by activation of a pull-down device, activation of one or more of the switching devices, measurement of the current flowing through the switching device or each switching device which is activated, and determination, from the signal of measured current, if the activated switching devices are working properly.

Des modes de réalisation de la présente invention seront décrits ci-après, uniquement à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 représente de façon schématique un circuit comportant un circuit de commutation illustrant la présente invention, et - la figure 2 représente un graphique du courant en fonction du temps, pendant une procédure d'essai réalisée sur le circuit de la figure 1. Embodiments of the present invention will be described hereinafter only by way of non-limiting examples, with reference to the accompanying drawings, in which: - Figure 1 shows schematically a circuit having a switching circuit illustrating the present invention, and - Figure 2 shows a graph of the current as a function of time, during a test procedure performed on the circuit of Figure 1.

La figure 1 illustre un exemple d'un circuit comprenant un circuit de commutation 1 connecté à une source de tension 2. Le circuit a une sortie 5 qui est connectée à une charge 15. Le circuit peut par exemple être prévu sur un avion, de telle sorte que la source de tension 2 est constituée d'un groupe électrogène et la charge 15 peut être un composant de l'avion, par exemple pour actionner un volet d'atterrissage ou le train d'atterrissage ou un composant situé à l'intérieur de l'avion, tel qu'un instrument ou une installation de divertissement embarquée. Le circuit de commutation 1 peut comporter un dispositif de commutation 6 individuel ou une pluralité de dispositifs de commutation 6, 7, ..., n. Les dispositifs de commutation sont connectés en parallèle. Ils peuvent chacun être constitués de n'importe quel dispositif de commutation à semi-conducteurs adapté, par exemple d'un transistor à effet de champ. Le circuit de commutation 1 est utilisé pour connecter la source de tension 2 à la charge 15. La source de tension 2 et ses câbles ou fils associés présenteront une inductance inhérente 11. De la même manière, la charge et ses câbles et fils associés présenteront une inductance inhérente 14. Le circuit de commutation 1 comprend en outre un contrôleur 3 qui est connecté à chacun des dispositifs de commutation 6, 7, ..., n par l'intermédiaire de lignes de contrôle 8, 9, 10 respectives. Le contrôleur 3 est également connecté à un dispositif de tirage vers le bas 4, via une ligne de contrôle de tirage vers le bas 12. Le dispositif de tirage vers le bas 4 est en outre connecté à la sortie de charge 5 et à la ligne de retour de courant 13. Lorsque le dispositif de tirage vers le bas 4 est fermé, il coupe la charge du circuit de commutation et dévie le courant à travers le dispositif de tirage vers le bas 4. Le dispositif de tirage vers le bas, également appelé "circuit de tirage vers le bas" ou simplement "tirage vers le bas", peut comporter n'importe quel interrupteur approprié, y compris des interrupteurs électroniques, électromécaniques et mécaniques. Le circuit de commutation 1 peut comporter un contrôleur de puissance à semi-conducteurs (SSPC) qui peut comprendre un ou une pluralité de dispositifs à semi-conducteurs connectés. S'il comprend plusieurs dispositifs à semi-conducteurs connectés en parallèle, chaque dispositif peut être mis sous tension et hors tension de manière séquentielle, de sorte que chacun des dispositifs peut être testé individuellement. D'autres séquences d'essai peuvent être envisagées, par exemple l'activation de plus d'un dispositif de commutation à la fois. L'activation individuelle des dispositifs de commutation permet de localiser un défaut sur un interrupteur individuel. La séquence d'essai peut être exécutée à n'importe quel instant approprié, par exemple entre des vols. La séquence d'essai pourrait également être réalisée au cours du vol, à des instants où la charge 15 n'est pas requise. Chacun des dispositifs de commutation 6, 7, ..., n comprend un limiteur de courant 61, 71, ..., nl respectif. Les limiteurs de courant limitent le courant passant dans les dispositifs de commutation à une valeur de l'ordre de cinq à dix fois le courant de fonctionnement maximal normal, afin d'éviter une détérioration des dispositifs de commutation. En variante, un limiteur de courant unique pour tous les dispositifs de commutation pourrait être prévu. Une autre possibilité consiste à prévoir un déclencheur à courant fort pour couper les dispositifs de commutation lorsque la limite de déclenchement est dépassée. Le circuit de tirage vers le bas est activé chaque fois que l'un quelconque des dispositifs de commutation est activé en vue du programme d'essai intégré (BIT). Chaque dispositif de commutation et l'ensemble de ses circuits d'attaque peuvent être soumis à des essais complets en utilisant le contrôleur 3 pour activer un dispositif à la fois, en vérifiant en même temps que le courant qui le traverse, ainsi que le dispositif de tirage vers le bas, se situe dans les limites correctes. Les circuits de mesure de courant ne sont pas représentés dans la figure 1. Selon un mode de réalisation particulier, le laps de temps minimal, pendant lequel chaque dispositif de commutation est activé, est choisi pour correspondre au moins au laps de temps nécessaire au courant pour devenir relativement constant, afin de permettre une mesure cohérente de ce courant, avec la précision requise par le système d'essai intégré (BIT). Le temps pendant lequel chaque dispositif de commutation est activé dépend en général de l'inductance 11 totale maximale dans le câble de source de puissance d'entrée. Cependant, si on le souhaite, le système peut fonctionner avec des échelles de temps plus courtes. Le dispositif de tirage vers le bas est conçu de manière à ce que, lorsqu'il baisse le courant provenant d'un dispositif de commutation principal unique pendant l'essai intégré, la tension développée à la sortie 5 vers la charge soit négligeable comparée à la tension de sortie normale, lorsque le système est sous tension. FIG. 1 illustrates an example of a circuit comprising a switching circuit 1 connected to a voltage source 2. The circuit has an output 5 which is connected to a load 15. The circuit can for example be provided on an aircraft, such that the voltage source 2 consists of a generator and the load 15 may be a component of the aircraft, for example to operate a landing flap or the landing gear or a component located at the aircraft interior, such as an instrument or an on-board entertainment facility. The switching circuit 1 may comprise an individual switching device 6 or a plurality of switching devices 6, 7, ..., n. The switching devices are connected in parallel. They can each consist of any suitable semiconductor switching device, for example a field effect transistor. The switching circuit 1 is used to connect the voltage source 2 to the load 15. The voltage source 2 and its associated cables or wires will have an inherent inductance 11. In the same way, the load and its associated cables and wires will present an inherent inductance 14. The switching circuit 1 further comprises a controller 3 which is connected to each of the switching devices 6, 7, ..., n via respective control lines 8, 9, 10. The controller 3 is also connected to a pull-down device 4 via a pull-down control line 12. The pull-down device 4 is further connected to the load outlet 5 and to the line When the pull-down device 4 is closed, it cuts the load of the switching circuit and deflects the current through the pull-down device 4. The pull-down device, also called "pull down circuit" or simply "pull down", may include any suitable switch, including electronic, electromechanical and mechanical switches. The switching circuit 1 may include a solid state power controller (SSPC) which may include one or a plurality of connected semiconductor devices. If it comprises a plurality of semiconductor devices connected in parallel, each device can be turned on and off sequentially, so that each of the devices can be individually tested. Other test sequences may be envisioned, for example, activation of more than one switching device at a time. The individual activation of the switching devices makes it possible to locate a fault on an individual switch. The test sequence may be executed at any appropriate time, for example between flights. The test sequence could also be performed during the flight at times when the load is not required. Each of the switching devices 6, 7, ..., n comprises a respective current limiter 61, 71, ..., n1. The current limiters limit the current flowing in the switching devices to a value of the order of five to ten times the normal maximum operating current, in order to avoid deterioration of the switching devices. Alternatively, a single current limiter for all switching devices could be provided. Another possibility is to provide a high current trigger to cut the switching devices when the trip limit is exceeded. The pull down circuit is activated whenever any of the switching devices is activated for the integrated test program (BIT). Each switching device and all of its driving circuits can be subjected to complete tests using the controller 3 to activate one device at a time, while simultaneously checking that the current flowing through it, as well as the device pulling down, is within the correct limits. The current measurement circuits are not shown in FIG. 1. According to one particular embodiment, the minimum time period during which each switching device is activated is chosen to correspond at least to the time required for the current. to become relatively constant, to allow a consistent measurement of this current, with the precision required by the integrated test system (BIT). The time during which each switching device is activated generally depends on the maximum total inductance 11 in the input power source cable. However, if desired, the system can operate with shorter time scales. The pull-down device is designed so that, when it drops the current from a single main switching device during the integrated test, the voltage developed at the output to the load is negligible compared to the normal output voltage, when the system is powered on.

Cela garantit que la charge n'est pas soumise à une tension significative lorsque le système est supposé être hors tension. Cela est obtenu en utilisant un dispositif de tirage vers le bas 4 qui a une impédance plus faible que chaque dispositif de commutation, de préférence beaucoup plus faible. Dans la pratique, lorsque les limiteurs de courant 61, 71, ..., nl fonctionnent, les dispositifs de commutation 6, 7, ..., n ont une impédance effective plus élevée que le dispositif de tirage vers le bas 4. Pendant le fonctionnement normal du système, le contrôleur 3, qui active les dispositifs de commutation 6, 7, ..., n, devrait généralement mettre sous tension et hors tension tous les dispositifs de commutation en même temps. Des modes de réalisation de l'invention s'appliquent non seulement à des systèmes à courant continu (C.C.) mais également aux systèmes à courant alternatif (C.A.). Dans ce cas, la source de tension 2 serait une source de tension alternative. Les dispositifs de commutation seraient des commutateurs C.A. (au choix avec des limiteurs de courant C.A.), et le circuit de tirage vers le bas serait apte à faire diminuer des courants alternatifs. Dans un mode de réalisation à C.C., le dispositif de tirage vers le bas est constitué par exemple d'un transistor à effet de champ (FET) ou d'un transistor bipolaire ou d'un transistor bipolaire à grille isolée. D'autres types de dispositifs de commutation peuvent être utilisés. Dans un mode de réalisation à C.A., le dispositif de tirage vers le bas peut être constitué par exemple d'un triac ou d'un relais à semi- conducteurs. La figure 2 illustre le courant de sortie traversant un dispositif de commutation lorsqu'une procédure d'essai est exécutée. Une seule crête est montrée, mais dans un exemple de mode de réalisation, huit dispositifs de commutation sont prévus, de sorte que l'essai aboutirait à un courant d'entrée total de la source de tension 2 qui présenterait 8 impulsions séquentielles comme la crête unique montrée dans la figure 2. Le fonctionnement correct de chaque dispositif de commutation 6, 7, ..., n peut être déterminé en vérifiant que l'amplitude de chaque impulsion de courant individuelle se situe dans les limites correctes. La procédure d'essai commence par le court-circuitage de la charge en activant le dispositif de tirage vers le bas 4. Celui-ci reste en général activé pendant la durée de l'essai intégré BIT. Le premier dispositif de commutation 6 est fermé à environ 250 µs dans l'exemple représenté, et le courant traversant le dispositif de commutation 6 augmente rapidement jusqu'à atteindre celui fourni par la source 2, qui est dans cet exemple d'environ 100 A. Ensuite, le premier dispositif de commutation 6 est ouvert et peu de temps après, le deuxième dispositif de commutation 7 est fermé et le courant traversant le deuxième dispositif de commutation 7 est mesuré. Cette procédure est répétée jusqu'à ce que tous les dispositifs de commutation aient été testés. Des différences des profils de courant par rapport à ceux représentés dans la figure 2 peuvent indiquer un défaut du dispositif de commutation correspondant. De façon avantageuse, des modes de réalisation de l'invention permettent de procéder à une évaluation individuelle du fonctionnement des dispositifs de commutation. Un simple essai intégré BIT, qui vérifie seulement le fonctionnement global du contrôleur de puissance à semi-conducteurs, ne serait normalement pas en mesure de détecter un dispositif défaillant, bloqué à l'état de circuit ouvert. Un avantage technique de la présente invention réside dans le fait que non seulement elle détecte des défaillances d'un dispositif unique, mais elle peut également vérifier individuellement la performance de limitation de courant de chaque dispositif. Par conséquent, l'invention peut assurer une couverture complète d'essais intégrés pendant le fonctionnement en service. Selon un autre mode de réalisation, les dispositifs de commutation ne comportent pas de contrôle de limite de courant. This ensures that the load is not subjected to significant voltage when the system is supposed to be de-energized. This is achieved by using a pull-down device 4 which has a lower impedance than each switching device, preferably much smaller. In practice, when the current limiters 61, 71, ..., n1 operate, the switching devices 6, 7, ..., n have a higher effective impedance than the pull-down device 4. During the normal operation of the system, the controller 3, which activates the switching devices 6, 7, ..., n, should generally turn on and off all the switching devices at the same time. Embodiments of the invention apply not only to DC systems (C.C.) but also to AC systems (C.A.). In this case, the voltage source 2 would be an AC voltage source. The switching devices would be C.A. switches (optionally with current limiters C.A.), and the pull-down circuit would be able to decrease alternating currents. In one embodiment at C.C., the pull-down device is constituted for example by a field effect transistor (FET) or a bipolar transistor or a bipolar transistor insulated gate. Other types of switching devices can be used. In an embodiment at C.A., the pull-down device may consist for example of a triac or a semiconductor relay. Figure 2 illustrates the output current flowing through a switching device when a test procedure is executed. A single peak is shown, but in one exemplary embodiment, eight switching devices are provided, so that the test would result in a total input current of the voltage source 2 which would have 8 sequential pulses such as the peak The correct operation of each switching device 6, 7, ..., n can be determined by verifying that the amplitude of each individual current pulse is within the correct limits. The test procedure begins by short-circuiting the load by activating the pull-down device 4. This usually remains active for the duration of the integrated BIT test. The first switching device 6 is closed at around 250 μs in the example shown, and the current flowing through the switching device 6 increases rapidly until it reaches that provided by the source 2, which in this example is about 100 A. Then, the first switching device 6 is opened and shortly thereafter the second switching device 7 is closed and the current flowing through the second switching device 7 is measured. This procedure is repeated until all switching devices have been tested. Differences in the current profiles compared to those shown in FIG. 2 may indicate a fault of the corresponding switching device. Advantageously, embodiments of the invention make it possible to carry out an individual evaluation of the operation of the switching devices. A simple integrated BIT test, which only verifies the overall operation of the solid-state power controller, would normally not be able to detect a failed, blocked open-circuit device. A technical advantage of the present invention is that not only does it detect failures of a single device, but it can also individually check the current limiting performance of each device. Therefore, the invention can provide complete coverage of integrated tests during operation in service. According to another embodiment, the switching devices do not include current limit control.

Dans ce cas, on peut s'appuyer sur l'inductance de la source de tension 2 et l'inductance de câble 11, en combinaison avec un circuit déclencheur de courant rapide, pour empêcher le courant d'augmenter jusqu'à des niveaux dangereux au cours de l'impulsion d'essai. En d'autres termes, le contrôleur 3 du présent mode de réalisation fonctionnerait pour activer la séquence d'ouverture et de fermeture des dispositifs de commutation, de façon suffisamment rapide pour éviter une surcharge de courant. In this case, it is possible to rely on the inductance of the voltage source 2 and the cable inductance 11, in combination with a fast current trigger circuit, to prevent the current from increasing to dangerous levels. during the test pulse. In other words, the controller 3 of the present embodiment would operate to activate the opening and closing sequence of the switching devices, fast enough to avoid current overload.

Claims

REVENDICATIONS1. A switching circuit for connection to a load and a voltage source, comprising one or more switching devices for switching the load on and off, a pull down device for shorting the load, and thus isolating the voltage source, and a controller operable while the load is short-circuited, for activating at least one of the switching devices at a time, a current flowing in the activated switching device or in each switching enabled and measurable to check whether the activated switching device or each activated switching device is operating correctly.

Switching circuit according to Claim 1, characterized in that the pull-down device comprises a switch placed in parallel with the load, and the closing of the switch bypasses the load.

Switching circuit according to Claim 2, characterized in that the pull-down device comprises an electronic, electromechanical and / or mechanical switch comprising any one or more of a field effect transistor, a transistor bipolar, insulated gate bipolar transistor, triac and solid state relay.

4. Switching circuit according to any one of the preceding claims, characterized in that the switching device or each switching device is activated individually.

Switching circuit according to any one of the preceding claims, further comprising a current limiter for limiting the current flowing in the switching device or in each switching device.

6. Switching circuit according to claim 5, characterized in that the switching device or each switching device contains a current limiter.

7. Switching circuit according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the inductance of the system is used to limit the current flowing in the switching device or in each switching device.

8. Switching circuit according to any one of the preceding claims, characterized in that the impedance of the pulling device is lower than the impedance of the switching device or each switching device.

Switching circuit according to one of the preceding claims, characterized in that the output voltage of the switching circuit under test conditions is negligible compared to the output voltage under normal operating conditions.

10. Switching circuit according to any one of the preceding claims, characterized in that the circuit can be connected to a voltage source C.A. or C.C.

11. Switching circuit according to any one of the preceding claims, characterized in that the switching device or each switching device consists of a semiconductor switching device.

A method of testing a switching circuit that connects a load to a voltage source, the switching circuit comprising one or more switching devices, the method comprising shorting the load by activating a device pulling down, activating one or more of the switching devices, measuring the current flowing through the switching device or each switching device that is activated, and determining, from the measured current signal, whether the switching devices activated works correctly.

13. The method of claim 12, characterized in that the switching devices are activated sequentially, one after the other.

14. The method of claim 12, characterized in that one or more switching devices are activated for a period of time sufficient for the current flowing therethrough to become substantially constant.

The method of one of claims 12 to 14, further comprising limiting the current flowing through each switching device.

16. Switching circuit, substantially as described herein with reference to the accompanying drawings.

17. A method of testing a switching circuit, substantially as described herein with reference to the accompanying drawings.