JP5903261B2 - 過渡電圧保護デバイスのテスト - Google Patents

Description

本発明は、特に製品の稼働寿命の間の、電圧保護デバイスのテストに関する。

過渡電圧保護デバイスは、影響を受けやすい電子回路を、その回路に損傷を引き起こし得る落雷、障害、および他の過渡事象から保護するために利用される。保護デバイス自体に障害があると、特に航空宇宙製品に、重大な安全上の影響を及ぼす可能性がある。

従来、過渡電圧保護デバイスは、デバイス製造業者によってのみ十分にテストされる。それらは一般に、プリント回路基板（ＰＣＢ）に組み立てられるときでさえ、再テストされない場合がある。その結果として何らかのタイプの障害が検出されないままとなり、回路が保護されないままとなり得る。

本発明によれば、電源および負荷が設けられるように構成された回路内の電圧保護デバイスをテストする方法が提供され、この方法は、
保護デバイスと並列に検出器を設けるステップと、
回路内に設けられたスイッチングデバイスを開路するステップと、
スイッチングデバイスを開路することによって生じる、回路インダクタンス内の電流の変化率によって引き起こされる電圧スパイクの特性を検出して、保護デバイスの状態を決定するステップとを含む。

保護デバイスが満足に動作している場合は、スイッチが開路されたときに回路インダクタンス内の電流の変化率によって引き起こされる電圧スパイクは、期待される所定の値の、または期待される所定の範囲内のピーク電圧、持続時間、傾斜などの特性を有するはずである。電圧スパイクの検出された特性が所定の範囲内である場合は、保護デバイスは満足に動作していると見なすことができる。そうでない場合は、電圧保護デバイスは障害を有すると見なすことができる。

保護デバイス内の部分的短絡、あるいは高インピーダンスまたは開回路などの障害の性質は、測定した特性が、所定の値または所定の範囲より低いまたは高いかどうかによって決定することができる。測定した特性が、所定の値または所定の範囲よりどれだけ高いかまたは低いかは、保護デバイスまたは回路の状態の指標となり得る。たとえば測定した特性が、期待される所定の値より高いまたは低い場合は、測定した特性が期待される所定の範囲内であっても、これは回路または構成要素の非理想的動作の指標となり得る。

電圧スパイクのピークは非常に明瞭で容易に測定可能な特性であるので、電圧スパイクのピークを検出することが好ましい。

本発明の実施例の利点は、一般にスイッチを開路することによって生じる電圧スパイクは、通常の負荷電流が切り換えられるときより大きく、より十分に規定されることである。したがって、比較的低インダクタンスの回路内であっても、電圧保護デバイスをテストするのに十分に大きな電圧スパイクを発生することができる。必要ならば、スイッチングデバイスが開路されたときの回路インダクタンス内の電流の変化率を増加させ、それにより保護デバイスを導通させるのに十分大きな電圧スパイクを生じるように、追加のインダクタンスを回路内に設けることができ、または回路の出力に跨がって短絡回路を適用することができる。

本発明の他の態様によれば、電源および負荷を有する回路内の保護デバイスをテストするための保護デバイステスタが提供され、保護デバイステスタは、
回路内に設けられたスイッチングデバイスを閉路し次いで開路することによって生じる電圧スパイクの特性を検出するために、保護デバイスと並列に設けられた検出器と、
スイッチを開路することによって生じる電圧スパイクの検出された特性に基づいて、保護デバイスの状態を決定するためのコントローラとを備える。

スイッチングデバイスは、個別のスイッチまたは複数のスイッチとすることができる。複数のスイッチである場合は、それらは並列に接続することができる。１つまたは複数のスイッチは、１つまたは複数の半導体デバイスとすることができる。

次に例のみとして、添付の図面を参照して本発明の実施形態について説明する。

本発明の一実施例の保護デバイステスタが設けられた回路を示す図である。 図１の回路内のスイッチングデバイスの閉路および開路によって、点Ｔに生じた電圧スパイクを示す図である。 ＤＣ電流を有する回路のための電圧保護検出デバイスの一実施例を示す図である。 ＡＣ電流を有する回路のための電圧保護デバイスの一実施例を示す図である。 ＡＣ電流を有する回路のための電圧保護デバイスの一実施例を示す図である。 本発明の一実施例において用いることができる、ピーク電圧検出器の一実施例を示す図である。 本発明を示す他の回路の一実施例を示す図である。 回路の出力に跨がって適用されるように構成された短絡回路が設けられた、図１に示す回路の変形バージョンを示す図である。 回路の出力に跨がって適用されるように構成された短絡回路が設けられた、図６に示す回路の変形バージョンを示す図である。 単一の構成要素ブロックとして設けられた、スイッチングデバイスおよび保護デバイスを示す図である。

図１は、回路内に設けられた電圧保護デバイステスタの一実施例を示す。回路１０は、電圧源２０、負荷３０、およびそれらの間に設けられたスイッチング手段４０を有する。回路１０は、たとえば航空機上に設けることができ、それにより電圧源２０はエンジン発電機によって供給することができ、負荷３０はフラップまたは着陸装置などの航空機の構成要素を作動させるためなどの航空機上の構成要素、あるいは機器または機内娯楽などの航空機内の構成要素とすることができる。スイッチング手段４０は、個別のスイッチ、複数のスイッチ、またはたとえば固体電力コントローラなどの電力スイッチング回路とすることができる。固体電力コントローラは、たとえば１つまたは複数の並列接続された半導体デバイスを備えることができる。スイッチング回路４０は、電力源２０を負荷３０に接続するために用いられる。電圧源２０およびその関連するケーブルまたは配線は、固有インダクタンス２１を有することになる。同様に負荷３０およびその関連するケーブルおよび配線は、固有インダクタンス３１を有することになる。

保護デバイス５０は、この実施例では過渡電圧保護デバイスであり、電圧源２０の両端に設けられる。検出器６０は、スイッチングデバイス４０を開路することによって生じる電圧スパイクの特性を検出するために、保護デバイス５０と並列に設けられる。ハードウェアまたはソフトウェアとして設けることができる検出器６０は、保護デバイス５０が満足に動作しているかどうかなど、保護デバイス５０の状態を決定するために用いられる電圧スパイクのピーク電圧、持続時間、傾斜などの特性を検出する。検出された特性はまた、保護デバイス５０または回路１０の一部において、何らかの非理想的または潜在的な問題が起きているかどうかを判定するために用いられる。

上述のようにスイッチングデバイス４０は、１つのまたは複数の接続された半導体デバイスを備え得る、固体電力コントローラ（ｓｏｌｉｄ ｓｔａｔｅ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ：ＳＳＰＣ）を備えることができる。複数の並列接続された半導体デバイスを備える場合は、電圧スパイクを得るためにそれらは個々にまたは任意の組み合わせで動作させることができる。

図２は、図１に示されるスイッチングデバイス４０を閉路および開路することにより、図１の点Ｔに生じる電圧スパイクを示す。図から分かるように、約２５０μｓにてスイッチングデバイス４０が閉路すなわち「オン」にされたときは、スイッチングデバイス４０を通る電流は、電源２０によって供給される電流、この実施例では約１００アンペアまで急速に上昇する。また図２から分かるように、スイッチングデバイス４０を通る電流が増加するのに従って、検出器６０によって第１の負のスパイク１０１が見られる。この実施例では丁度５００μｓの前でスイッチングデバイス４０が開路すなわち「オフ」にされたときは、検出器６０によって正電圧スパイク１０２が見られる。

電圧保護デバイス５０は、スイッチングデバイス４０が閉路すなわち「オン」にされるときは導通しない。電圧保護デバイス５０は、スイッチングデバイス４０が開路すなわち「オフ」にされたときだけ導通する。ＤＣ回路の場合は、電圧保護デバイス５０の正側が点Ｔとなるので、スイッチングデバイス４０が開路すなわち「オフ」にされて正電圧スパイク１０２を発生するときに、電圧保護デバイス５０は導通する。スイッチングデバイス４０が複数のスイッチを備える場合は、スイッチは、電圧スパイクを得るために個々にまたは任意の組み合わせで動作させることができる。

図３は、本発明の一実施例に用いることができる電圧保護デバイス５０の一実施例を示す。この実施例では電圧保護デバイス５０は、ＤＣ電源２０に適し得るツェナーダイオードと同様なトランゾーブを備える。

図４ａは、２つの逆接続されたツェナーダイオードと同様な、双方向性トランゾーブを備える電圧保護デバイス５０を示す。これは、ＡＣ電源２０を有する図１の回路内で用いることができる。同じ機能を行う代替のＡＣ電圧保護デバイスは、図４ｂに示されるような金属酸化物バリスタである。

検出器６０は、保護デバイスの状態を決定するのに、電圧スパイクの任意の所望の特性を検出することができるが、スパイクのピーク電圧を検出することが、保護デバイス５０の状態の信頼性のある指標をもたらし、かつ正確に繰り返し測定できることが分かった。電圧スパイクのピーク電圧は、ソフトウェアまたはハードウェアを用いるなど、任意の適切なやり方で測定することができる。図５は、本発明の一実施例に用いることができる、適切なハードウェアピークスパイク電圧検出器を示す。ピーク電圧検出器は、ダイオード１１１と、電圧スパイクによって充電されるコンデンサ１１２とに直列に接続された充電抵抗器１１０を有する。コンデンサ１１２上の電荷は、点Ｐにて測定され、スパイクのピーク電圧の指標をもたらす。次いで、充電されたコンデンサ１１２は、一般に充電抵抗器１１０よりずっと大きな抵抗器１１３を通して放電される。

たとえば図１に示す検出器構成６０内、または回路１０に関連する他の制御電子回路内に設けることができるマイクロプロセッサなどの適切なコントローラを、電圧スパイクの検出された特性に基づいて保護デバイス５０の状態を決定するために、用いることができる。たとえば、検出されたピーク電圧を測定するときは、コントローラはルックアップテーブルまたはアルゴリズムを用いて、電圧保護デバイス５０は満足に動作していると見なすことができるように検出されたピーク電圧が期待される所定の範囲内にあるかどうか、あるいは検出されたピーク電圧が所定の期待される範囲外にあり電圧保護デバイスは満足に動作していないまたは障害を有することを示すかどうかを判定することができる。測定した特性が所定の範囲または所定の値より低いまたは高いかどうかは、障害の性質を示すことができる。たとえば測定したピーク電圧が、所定の値または範囲より低い場合は、これは電圧保護デバイス５０内の部分的短絡を示すことができる。反対に測定したピーク電圧が、所定の値または所定の範囲より高い場合は、これは電圧保護デバイス５０内の高インピーダンスまたは開回路を示すことができる。さらにまた、測定した特性が、期待される所定の値または範囲よりどれだけ高いかまたは低いかは、障害がどれだけ重大であるかを示すことができる。

図２に示される電圧スパイク１０２の例では、スパイク１０２のピークは約９０Ｖである。異なる回路または応用例では、異なる定められた範囲が満足な動作を示すことになる。たとえば検出された電圧ピークが約１００Ｖより高い、または７０Ｖより低い場合は、これは障害の指標となり得る。ピーク電圧が、この場合は９０Ｖである期待値より高いまたは低い場合は、これはピーク電圧が期待される範囲内であっても回路または構成要素の非理想的動作の指標となることができ、したがってさらなる調査を示唆することができる。

図１を参照して上述した本発明の実施例は、一般に入力電源２０およびそれに関連するケーブルまたは配線内に、ある程度のインダクタンス２１を有する。この固有インダクタンス２１が、測定可能な特性を有する電圧スパイクを生じるには小さ過ぎる場合は、電源２０に関連するケーブルまたは配線内に適当なインダクタを設けることができる。

図６は、本発明の一実施例を示す回路の第２の実施例を示す。この実施例は、電圧保護デバイス５０が電源２０と出力負荷３０との間に設けられるという点で、図１の回路と異なる。図１の実施例のように、スイッチングデバイス４０は、単一のスイッチまたは複数のスイッチとすることができる。スイッチングデバイス４０が複数のスイッチである場合は、複数のスイッチは並列に設けることができ、たとえば、電源２０と負荷３０とを接続するのに用いられる固体電力コントローラ（ＳＳＰＣ）などの、複数の並列接続された半導体デバイスとすることができる。図１の実施例のように、過渡電圧保護デバイス５０は、その両端に並列に接続された検出器６０を有する。前述同様に保護デバイスは、スイッチングデバイス４０を開路することによって、または並列接続された半導体デバイスを個々にまたは任意の組み合わせで開路および閉路することによって生じる、電圧スパイクの特性を測定して保護デバイス５０の状態を決定することにより、テストすることができる。

図１に示す実施例のように、回路内に存在する固有インダクタンスが、保護デバイスを導通させるのに十分に大きな電圧スパイクを生じるためには不十分である場合は、それに従ってインダクタを追加することができる。

本発明の実施例の利点は、生じる電圧スパイクは、通常の負荷電流にて生じるものより大きく、したがって保護デバイスの状態、具体的には保護デバイスが障害を有するかどうか、または障害が起こりそうであるかどうかを判定するのに用いることができる明瞭に測定可能な値をもたらすことである。

保護デバイス５０の状態を決定するために検出される正電圧スパイク１０２の大きさは、回路内のインダクタンスＬと、スイッチングデバイス４０が開路されたときの電流の変化率ｄＩ／ｄｔとに依存する。スイッチングデバイス４０を開路してすぐの電圧スパイクの大きさは、次式によって得られる。
Ｖ＝Ｌ×ｄＩ／ｄｔ
一般に回路内の固有インダクタンスおよびスイッチを開路してすぐの典型的な電流の変化率は、明瞭で再現可能な測定のために十分な大きさの電圧スパイクを生じるのに適していることが見出されている。しかし必要であれば、回路内に追加のインダクタＬを含めるか、またはより大きな電流Ｉを供給するか、またはその両方によって、必要なときにより大きな電圧スパイクを生成することができる。

出力に短絡スイッチ１２０が含められた、図１に対応する図７に示されるように、あらかじめ短絡スイッチ１２０を閉路した後に、スイッチングデバイス４０が閉路されたときは、典型的にはその通常の電流の５から１０倍の大きな電流がもたらされ、それにより、回路インダクタンスＬが非常に低い場合でも、保護デバイスをテストするための大幅に大きな電圧スパイクを生じる。出力短絡回路１２０を用いることの顕著な利点は、出力負荷に著しい電圧を印加せずに、テストのために通常の負荷電流よりずっと大きな電流を用いることができることである。

図８は、やはり出力に短絡プルダウン１２０が設けられた、図６と等価な回路を示す。

上述の実施例は、スイッチングデバイス４０および保護デバイス５０を別々の構成要素として示すが、それらは単一の構成要素ブロックに組み合わせることができる。たとえば図９に示されるように、スイッチングデバイス４０は、１つまたは複数の電界効果トランジスタまたはＭＯＳＦＥＴなどの、１つまたは複数のトランジスタ４１を含むことができる。保護機能は、トランジスタ４１または各トランジスタ４１のゲート（Ｇ）とドレイン（Ｄ）の間に接続された、２つの小さな低コストツェナーダイオード５１、５２によってもたらすことができる。ドレインとソースの間に過電圧が印加されたときは、これらのツェナーダイオードはトランジスタ４１を高度に導通させ、それによりこの電圧がトランジスタの降伏電圧を超えるのを防止する。この構成は、ツェナーダイオードを適切に選択することにより、上記の保護デバイス５０と同じように、トランジスタ４１または各トランジスタ４１の両端の過電圧に対する有効な自己保護をもたらし、一方、その周りにドレイン（Ｄ）とソース（Ｓ）とに接続された検出器６０を用いて、上記の実施例でのように、依然としてテストを受けることができる。トランジスタ４１は、トランジスタ４１のゲート（Ｇ）に印加される適当な信号によってオンまたはオフにされる。

上記では実施例について述べてきたが、本発明から逸脱せずにこれらの実施例に多くの変更を行うことができる。たとえばスイッチングデバイス４０は、個別のスイッチまた複数のスイッチとすることができる。複数のスイッチを用いて使用される場合は、これらは並列に設けることができ、各スイッチは、スイッチングデバイス４０が固体電力コントローラ（ＳＳＰＣ）となるように固体デバイスとすることができる。本発明の実施例は、ＤＣシステムまたはＡＣシステムに用いることができる。ＡＣシステムと共に、および複数の半導体デバイスとしてスイッチングデバイス４０を用いて使用される場合は、これらの半導体デバイスはＡＣスイッチとなり、電圧保護デバイスは、図４ａまたは図４ｂに示されるような双方向性となり、対称な正および負の保護をもたらすことができる。

１０ 回路
２０ 電圧源、電源
２１ 固有インダクタンス
３０ 負荷
３１ 固有インダクタンス
４０ スイッチング手段、スイッチングデバイス
４１ トランジスタ
５０ 保護デバイス、電圧保護デバイス
５１ ツェナーダイオード
５２ ツェナーダイオード
６０ 検出器
１０１ 負のスパイク
１０２ 正電圧スパイク
１１０ 充電抵抗器
１１１ ダイオード
１１２ コンデンサ
１１３ 抵抗器
１２０ 短絡回路

Claims (13)

1. 電源および負荷が設けられるように構成された回路内の電圧保護デバイスをテストする方法であって、
   前記保護デバイスと並列に検出器を設けるステップと、
   前記回路内に設けられたスイッチングデバイスを開路するステップと、
   前記スイッチングデバイスを開路することによって生じる回路インダクタンス内の電流の変化率によって引き起こされる電圧スパイクの特性を検出して、前記保護デバイスの状態を決定するステップと、
   を含み、
   前記スイッチングデバイスを開路する前に、前記回路の出力に跨がって短絡回路が適用される、
   方法。
2. 前記保護デバイスの状態が、前記電圧スパイクの前記検出された特性が期待される所定の範囲内であるかどうかを判定することによって決定される、請求項１記載の方法。
3. 前記保護デバイスの状態が、前記電圧スパイクの前記検出された特性と、期待される所定の値との間の差を求めることによって決定される、請求項１または請求項２記載の方法。
4. 前記保護デバイスの状態が、前記電圧スパイクの前記検出された特性が期待される所定の値または期待される所定の範囲より高いまたは低いかどうかに基づいて決定される、請求項１乃至３のいずれか１項記載の方法。
5. 前記電圧スパイクのピークが検出される、請求項１乃至４のいずれか１項記載の方法。
6. 前記スイッチングデバイスを開路したときに、前記電圧保護デバイスをテストするのに十分に大きな電圧スパイクを発生するために、前記回路内に追加のインダクタを設けるステップを含む、請求項１乃至５のいずれか１項記載の方法。
7. 電源および負荷を有する回路内の保護デバイスをテストするための保護デバイステスタであって、
   前記回路内に設けられたスイッチングデバイスを開路することによって生じる電圧スパイクの特性を検出するために、前記保護デバイスと並列に設けられた検出器と、
   前記スイッチングデバイスを開路することによって生じる前記電圧スパイクの前記検出された特性に基づいて、前記保護デバイスの状態を決定するためのコントローラと、
   前記スイッチングデバイスを開路する前に、前記回路の出力に跨がって適用されるように構成された短絡回路と、
   を備える、保護デバイステスタ。
8. 前記コントローラは、前記スイッチングデバイスを開路することによって生じる前記電圧スパイクの前記検出された特性が、所定の範囲内であるかどうかに基づいて前記保護デバイスの状態を決定する、請求項７記載の保護デバイステスタ。
9. 前記コントローラは、前記スイッチを開路することによって生じる前記電圧スパイクの前記検出された特性が、所定の値より高いまたは低いかどうかに基づいて前記保護デバイスの状態を決定するように構成される、請求項７または請求項８記載の保護デバイステスタ。
10. 前記コントローラは、前記スイッチを開路することによって生じる前記電圧スパイクの前記検出された特性が、所定の値または範囲よりどれだけ高いかまたは低いかに基づいて前記保護デバイスの状態を決定するように構成される、請求項７乃至９のいずれか１項記載の保護デバイステスタ。
11. 前記検出器が、前記電圧スパイクのピーク電圧を検出するように構成される、請求項７乃至１０のいずれか１項記載の保護デバイステスタ。
12. 前記スイッチングデバイスが複数のスイッチを備える、請求項７乃至１１のいずれか１項記載の保護デバイステスタ。
13. 前記スイッチングデバイスが、並列に接続され、個々に開路または閉路されるように構成された半導体デバイスである、請求項１２記載の保護デバイステスタ。
    

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