JP5337690B2 - 半導体スイッチ安全デバイス - Google Patents

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Description

本発明は特に二次線の開閉用に利用されると同時に、一次回路網に接続され二次設備への給電を可能にする半導体スイッチ向けの安全デバイスに関するものである。
半導体スイッチには二次回路が過電流の場合に、二次回路の開放ならびに二次回路網ケーブルの保護を可能にする電流保護が含まれる。
電流保護は、特に航空電子工学配線に利用されるケーブルを特徴づける煙曲線より低い、i2.tで計算されるエネルギー測定値に基づいてスイッチが開放されるよう較正される。
これらの半導体スイッチには一般的に電流保護回路が設けられ、二次回路に挿入される連続抵抗端子における電位差を測定する二次線を通る電流の検知手段が含まれると同時に、スイッチ構成部品の制御回路が含まれて、二次回路線中の電流値が測定されるとともに、二次線中において過電流が定められた電流閾値を越える場合にスイッチ構成部品が開放回路に作動する。
従って、半導体スイッチには外部システムを通じて正常作動状態で運転される開閉制御装置ならびに電流保護回路からなる開放制御装置が設けられる。
これらのスイッチが遭遇する問題は、その故障形態が、一般的に、ＭＯＳ出力トランジスターで構成されるスイッチ構成部品が短絡回路に移行する点である。
このような故障時には、二次回路の開放制御はもはや不可能であって、これにより過電流に対する保護が無効となると同時に、設備に関する問題の場合には、二次ケーブルは加熱による破壊に至り得るだけでなく、さらには一次線の損傷にも至り得る。
既知の解決法は、半導体スイッチの上流にヒューズを配置することであり、このヒューズは上方レベルの閾値がスイッチの切断安全値に達した時に破断するように較正される。
先行技術では、このヒューズの切断は下流回路の故障の場合にしか働かないと同時に、ヒューズの特性のばらつきのために、ケーブルの電流容量よりも極めて低い破断値に合わせてヒューズの大きさが決められるかもしれないが、スイッチが短絡状態にある時にはケーブルにとって有害でない強さレベルにおける回路の開放の保証は簡単には不可能である点が残されたままである。
従って、ケーブルのサイズはスイッチデバイスの遮断電流に比べるというよりもヒューズの切断値に比べて大きめに決められるとともに、スイッチデバイスはまた、出力トランジスターの破壊の危険を抑えるためにも二次線の公称電流に比べて大き目に決められるはずである。
本発明は半導体スイッチの故障の場合にこのスイッチのヒューズの切断と上下流配線の保護を保証する安全デバイスの実現を目的とする半導体スイッチの改良に関するものである。
これを達成するため、本発明は、ヒューズを破断させるよう二次線を短絡回路におく構成部品ならびにこの二次線中の過電流の検知に関する構成部品の作動化手段が含まれると同時に、スイッチデバイスの上流にヒューズを備えた二次線制御半導体スイッチデバイス用の安全デバイスを提供するものである。
その他の本発明の特性ならびに利点は図面を参照した本発明の非限定的な実施例に関する説明を読めば明らかになろう。
図１には、一次の線/回路16をもとにした図示はされていない既知の航空電子工学設備などの設備が含まれる二次線あるいは二次回路2の制御向けに利用されるスイッチデバイスが示される。
公知のように、複数の二次回路が一次回路上で並列に接続可能であると同時に、これらの二次回路により消費される電流は一次回路16の領域に累積され、これにより一次回路のケーブルの断面が増加することになる。
特に二次線中の大きな過電流による過熱に対する二次回路のケーブル保護に利用される電流保護装置が含まれる単一あるいはハイブリッドの回路形態では、スイッチデバイス1は半導体出力切換装置であることが好ましい。
スイッチデバイスには、例えば、図示はされていないある機械の制御機構、あるいは飛行用途の場合には航空機の操縦席の制御盤に由来する制御手段17が含まれる制御デバイスにより制御されるスイッチ構成部品10が含まれる。
スイッチデバイスには、ＭＯＳトランジスターによるアナログ切換装置、あるいは場合によってはリレーならびにその入力が二次回路2を流れる電流に比例する電位差を発生可能にする制御抵抗である検知手段7の端子に接続される第１増幅器および/または電圧比較器8であってもよいスイッチ構成部品10が含まれる。
この装置には第１増幅器および/または電圧比較器の増幅信号を受け取るとともに、該増幅信号値に応じてスイッチ構成部品10を閉鎖あるいは開放の回路状態に切換えるようプログラムされるスイッチ構成部品10の第１制御マイクロコントローラ9が含まれるのが便利であり、該第１マイクロコントローラにはスイッチ構成部品10の制御出力部11が含まれる。
本発明の範囲内においては、第１マイクロコントローラは配線論理回路により置換可能であり、閾値ならびに制御のレベルはこのとき抵抗値により設定され、比較器により論理出力信号が与えられる。
例えば過電流が二次回路の遮断閾値に到達するとき、スイッチデバイスは二次回路を絶縁するためにスイッチ構成部品を通過状態から開放状態まで移行させながら二次回路を切断する。
他方、スイッチデバイスが回路を切断しないうちに閾値を越える場合、例えば、閉鎖回路状態で遮断されるスイッチ構成部品の故障の場合、ヒューズ3は電流がヒューズ3により許容される最大電流を越えて増加するとこのヒューズが切れると同時に、第２安全レベル状態に二次線を絶縁するように設けられる。
スイッチデバイス1の他に、二次線2の制御回路にはそれゆえヒューズ3が含まれ、その破断閾値がスイッチデバイス保護の起動閾値を越えると同時に、一次ケーブルの過熱閾値を下回る二次ケーブル自身の過熱閾値を下回るように計算される。
横軸が時間を示しかつ縦軸がスイッチ構成部品ならびに二次線を流れる電流の二乗を示す図２の曲線は、これらのレベル、スイッチデバイスの開放に対応する表示領域20、ヒューズの切断に対応する表示領域21、二次線2ケーブルのi2.t特性表示線22、ならびに一次線16のケーブルのi2.t特性表示線23の例示に対応するものである。
ヒューズの切断はスイッチの開放閾値から二次ケーブルの破断の危険に至るまでの間に起こらなくてはならない。
ヒューズの電流値のばらつきのため、また、スイッチの開放前にヒューズの破断を生じさせる可能性のあるヒューズの破断領域とスイッチデバイスの開放領域の重複に関するあらゆる危険を回避するため、スイッチの検知レベルは下げられざるを得ず、これにより、より低い電流に耐える線につきサイズの大き目なスイッチデバイスが利用されると同時に、関連装置や場合によってはケーブルも大きめのサイズとなってしまう。
本発明による安全デバイスの実施例が図３に挙げられている。
この二次線2を制御する半導体スイッチデバイス1用の安全デバイスには、スイッチデバイスの上流にヒューズ3が備えられ、スイッチデバイスにより制御される二次線の短絡回路起動の構成部品4が含まれる。
この短絡回路起動構成部品は、異常の検知時に二次線中ならびにヒューズ3の領域に過電流が発生してヒューズ3が切断されるよう二次線2とアースの間に配置される。
正規の作動状態ではこの構成部品は開放されている。
安全デバイスには二次線中の過電流の検知に基づき短絡回路に作動される構成部品4の作動手段5,6,7が含まれる。
従って、過電流が検知されるとき短絡回路起動構成部品4は短絡回路状態におかれると同時にヒューズの破断を強めるおよび/または加速させるためさらに電流を上昇させる。
図３によると、短絡回路起動構成部品4の作動手段にはスイッチデバイスの端子における電位差の検知手段として働く抵抗7、この電位差の閾値との比較手段ないし作動手段6ならびに閾値超過の検知に基づくイッチ構成部品4の制御手段としての作動手段5が含まれる。
検知手段は二次線2を流れる電流に応じてその端子に電位差を生み出すと同時にスイッチデバイスを制御する二次回路中で並列に置かれる抵抗7であるのが都合良い。
二次回路中の抵抗の累積の回避のため、抵抗は二次線を流れる電流の測定のために既に利用されているスイッチデバイスの制御抵抗であるのが好ましい。
短絡回路起動回路にはさらに第２増幅器および/またはその入力部が制御抵抗7端子に接続される比較手段として働く電圧比較器6が含まれるとともに、気の利いたタイプの解決方法が選択される場合には、線の短絡回路起動構成部品4の制御手段としての第２制御マイクロコントローラ5が含まれる。
第２マイクロコントローラは第２増幅器および/または電圧比較器で増幅信号を受け取ると同時に、線の短絡回路起動構成部品4の制御出力部12を通って予め設定された閾値を越える増幅信号値に応じて線の短絡回路起動構成部品4を作動させるようプログラム化される。
第２マイクロコントローラは、第１マイクロコントローラと全く同様に本発明の枠内で、配線論理回路により置き換えられる。
安全デバイスはスイッチ１の電流保護回路を通る二次回路の開放作動電流のレベルより高いレベルの過電流の発生に基づき、線が短絡回路状態にされるよう較正される。
こうして、安全デバイスは、スイッチの安全公称電流レベルにおいて二次線を切断できなかった場合のスイッチ構成部品10の短絡回路状態の故障の場合にしか作動されない。
スイッチデバイスと安全デバイスの２つの装置の間の重なりの回避のため、この例によると制御手段としての第２マイクロコントローラ5にスイッチ構成部品10の追加制御出力部13が含まれるとともに、該装置には論理ゲートＯＵ14が含まれてこれが第１マイクロコントローラの制御出力部11とスイッチ構成部品10の制御入力部15との間に挿入されると同時に、制御出力部11あるいは追加出力部13から1までの通過に基づきスイッチ構成部品の開放を始動させるための追加出力部13の信号を受け取る。
本発明によると、短絡回路起動構成部品4は半導体切換装置であるのが好ましく、すなわち、二次回路が直流電流で給電されるときサイリスターであり、このときスイッチデバイスの端子における電位差は直流電位差であって、線が交流電流で給電される場合にはトライアックであって、このときスイッチデバイスの端子における電位差は交流電位差である。
本発明によるある回路の様々な構成部品のエネルギー/時間曲線が図４に示されている。
横軸はここでもまた時間を、ならびに縦軸はスイッチ構成部品および二次線を通る電流の二乗を示す。
表示領域24はスイッチデバイスの開放ならびに短絡起動回路の構成部品の閉鎖の領域に対応し、表示線25は二次線2のケーブルの特性i2.tに対応し、表示領域26はヒューズの切断領域に対応するとともに、表示線27は一次線16のケーブルの特性i2.tに対応する。
本発明による安全デバイスの短絡回路状態への作動曲線i2.tは二次ケーブルの煙曲線を下回ると同時に、ヒューズ切断のi2.t曲線も下回って定められ、ヒューズの切断曲線はこのように二次ケーブルの煙曲線を確実に越えるところにあるのが有利である。
実は、サイリスターあるいはトライアックを利用する安全デバイスの機能はヒューズの切断曲線よりもさらに決定論的であるので、利用されるスイッチデバイスはさらに高い曲線i2.tをもつ可能性があり、この曲線は二次ケーブルの曲線に近づく。
実際、ヒューズの開放領域は、短絡回路の発生後のヒューズの破断が十分迅速であって構成部品4による二次回路のケーブルに有害な加熱を回避するので二次ケーブル特性を越えて再上昇しうる。
このように本発明によるデバイスによりこれが無い場合より高い電流で作動する装置上において半導体による出力切換装置の利用と同時に、この切換装置の出力構成部品の過大サイズの回避が可能となる。
本発明の範囲内では、１台のみのマイクロコントローラならびに１台のみの増幅器および/または電圧比較器がスイッチデバイスならびに安全デバイスのために利用されうると同時に共同で作動されることもできるが、単純故障の出現にかかわるあらゆる問題を回避するためには十分に説明されたような解決方法の方が有利であるものとなろう。
単独の抵抗の利用はいずれの場合も線の損失の増大回避のためだけでなく、このような構成部品の故障が短絡回路でなくむしろ開放回路に向かう点からも常に好ましい。
先行技術のスイッチデバイス概要図である。 図１の概要図に対応する時間/電気エネルギーの特性曲線である。 本発明による安全デバイスを備えたスイッチデバイスの概要図である。 図３の概要図に対応する時間/電気エネルギーの特性曲線である。
1 半導体スイッチデバイス
2 二次線
3 ヒューズ
4 短絡回路起動構成部品
5 第２マイクロコントローラ［制御手段］
6 （第２）電圧比較器［比較手段］
7 （制御）抵抗［検知手段］
8 （第１）電圧比較器
9 第１マイクロコントローラ［制御手段］
10 スイッチ構成部品
11、12 制御出力部
13 追加制御出力部
14 論理ゲートＯＵ
15 制御入力部
16 一次回路
17 制御手段
20、21、24、26 表示領域
22、23、25、27 表示線
ｉ 電流
ｔ 時間

Claims (7)

  1. 半導体スイッチデバイス（1）向けの二次線(2)制御安全デバイスにおいて、前記安全デバイスはヒューズ(3)を該二次線の上流に備え、該ヒューズ(3)切断用の該二次線の短絡回路起動構成部品(4)ならびに該二次線中の過電流の検知に基づく該短絡回路起動構成部品(4)の作動手段(5,6,7)を含み、
    該作動手段にスイッチデバイスの端子電位差の検知手段(7)、該電位差の閾値との比較手段（6）、ならびに該閾値からの超過検知に関する該短絡回路起動構成部品(4)の制御手段(5)を含み、
    該検知手段が該スイッチデバイスを制御する制御抵抗(7)であって、
    該スイッチデバイスに、該制御抵抗(7)端子における第１増幅器および/または電圧比較器(8)、ならびに、該第１増幅器および/または電圧比較器の増幅信号を受け取ると同時に、該増幅信号値に応じてスイッチ構成部品(10)の切り換えがプログラムされかつ該スイッチ構成部品(10)の制御出力部(11)が含まれる該スイッチ構成部品(10)の制御の第１マイクロコントローラ(9)を含み、該短絡回路起動回路に、該制御抵抗(7)の端子における第２増幅器および/または電圧比較器(6)、ならびに、該第２増幅器および/または電圧比較器の増幅信号を受け取ると同時に、該増幅信号値に応じて該線の短絡回路起動の該短絡回路起動構成部品(4)の作動がプログラムされる該線の短絡回路起動の該短絡回路起動構成部品(4)制御の第２マイクロコントローラ(5)を含み、該第２マイクロコントローラに該線の短絡回路起動の該短絡回路起動構成部品(4)の制御出力部（11）を含む
    ことを特徴とする制御安全デバイス。
  2. 該第２マイクロコントローラ(5)に該スイッチ構成部品（10）の追加制御出力部(13)が含まれる請求項１による安全デバイスであって、該デバイスに、該第１マイクロコントローラの該制御出力部(11)と該スイッチ構成部品(10)の制御入力部(15)間に挿入されると同時に、該制御出力部(11)あるいは該追加出力部(13)から1までの通過に基づいて該スイッチ構成部品の開放を始動させる該追加出力部(13)の信号を受け取る論理ゲートＯＵ(14)が含まれることを特徴とする請求項１に記載の安全デバイス。
  3. 前記短絡回路起動の該短絡回路起動構成部品(4)が半導体切換装置であることを特徴とする請求項１または２に記載の安全デバイス。
  4. 該切換装置がサイリスターであって、該スイッチデバイスの端子電位差が直流電位差であることを特徴とする請求項３に記載の安全デバイス。
  5. 該切換装置がトライアックであり、該スイッチデバイスの端子電位差が交流電位差であることを特徴とする請求項３に記載の安全デバイス。
  6. 前記半導体スイッチデバイスを通る二次回路の開放作動電流を越えるレベルの過電流の発生に基づいて該線に短絡回路を起動させるよう較正されることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の安全デバイス。
  7. 二次ケーブルの煙曲線を下回りかつヒューズの切断曲線i2.tよりも下回るように定められた前記短絡回路作動曲線i2.tを有することを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の安全デバイス。
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