JP6018377B2 - スイッチング回路および試験方法 - Google Patents

Description

本発明は、スイッチング回路およびその試験方法に関する。

スイッチング回路には、互いに並列に接続されたいくつかのスイッチングデバイスが含まれており、したがってそのスイッチング回路の電流容量が個々のスイッチングデバイスの容量の和であることがしばしばである。これは、負荷によって要求される電力が単一のスイッチングデバイスの容量を超えるアプリケーションの場合にとりわけ有用である。航空機配電システムにこのようなスイッチング回路の一例が見出され、例えば８個の半導体スイッチングデバイスを並列に提供することができる。一般に、スイッチングデバイスは、故障時開または故障時閉になることができる。個々のスイッチングデバイスは、故障の原因になり得るドライバを有している。複数のスイッチングデバイスのうちの１つまたは複数が開になり損ねた場合、他のスイッチングデバイスがバックアップスイッチとして作用することができるが、場合によっては電流過負荷に遭遇する可能性がある。複数のスイッチングデバイスのうちの１つまたは複数が閉になり損ねた場合は、スイッチング回路をスイッチオフすることが不可能になり、このような故障が発生したことが容易に明らかになる。開になり損ねた場合、その故障は、場合によっては検出することができないことがある。半導体スイッチングデバイスは製造段階で完全に試験されるが、それらが完全な機能を維持していることを保証するためには、サービス中にそれらを試験することができることが望ましい。これは、組込み試験（ＢＩＴ）としても知られている。

本発明によれば、負荷および電圧源に接続するためのスイッチング回路であって、負荷への電力をスイッチオンおよびスイッチオフするための１つまたは複数のスイッチングデバイスと、負荷を短絡し、それにより負荷を電圧源から隔離するためのプルダウンデバイスと、一度に複数のスイッチングデバイスのうちの少なくとも１つを起動するために、負荷が短絡されている間に動作させることができるコントローラとを備え、起動された前記スイッチングデバイスまたは個々のスイッチングデバイスを通って電流が流れ、この電流を測定して、起動された前記スイッチングデバイスまたは個々のスイッチングデバイスが適切に動作しているかどうかを試験することができるスイッチング回路が提供される。

有利には、プルダウンデバイスによって負荷なしでスイッチングデバイスを試験することができるため、スイッチング回路を設置する前、または設置した後に試験を実施することができる。

さらに、本発明によれば、１つまたは複数のスイッチングデバイスを含む、負荷を電圧源に接続するスイッチング回路の試験方法であって、プルダウンデバイスを起動することによって負荷を短絡するステップと、複数のスイッチングデバイスのうちの１つまたは複数を起動するステップと、起動された前記スイッチングデバイスまたは個々のスイッチングデバイスを通って流れる電流を測定するステップと、測定された電流信号から、起動された１つまたは複数のスイッチングデバイスが適切に動作しているかどうかを決定するステップとを含む方法が提供される。

以下、本発明の実施形態について、単なる一例にすぎないが、添付の図面を参照して説明する。

本発明を例証するスイッチング回路を含む回路を概略的に示す図である。 図１の回路上で実施される試験手順中における時間に対する電流のグラフである。

図１は、電圧源２に接続されたスイッチング回路１を備えた回路の一例を示したものである。この回路は、負荷１５に接続されている出力５を有している。この回路は、エンジン発電機によって電圧源２を提供することができるよう、例えば航空機上に提供することができ、また、負荷１５は、着陸ギヤフラップすなわち着陸装置を駆動するためなどの航空機上のコンポーネントであっても、あるいは計装またはフライト中の娯楽などの航空機内のコンポーネントであってもよい。スイッチング回路１は、個別のスイッチングデバイス６または複数のスイッチングデバイス６、７、．．．、ｎを備えることができる。スイッチングデバイスは並列に接続されている。スイッチングデバイスは、それぞれ、電界効果トランジスタなどの任意の適切な半導体スイッチングデバイスを備えることができる。スイッチング回路１を使用して電力源２が負荷１５に接続される。電圧源２およびその関連するケーブル布線または配線は、固有のインダクタンス１１を有することになる。同様に、負荷およびその関連するケーブル布線および配線も、固有のインダクタンス１４を有することになる。

スイッチング回路には、さらに、対応する個々の制御線８、９、１０を介してスイッチングデバイス６、７、．．．、ｎの各々に接続されているコントローラ３が含まれている。また、コントローラ３は、プルダウン制御線１２を介してプルダウンデバイス４に接続されている。プルダウンデバイス４は、さらに、負荷出力５および電力戻り線１３に接続されている。プルダウン４が閉じると、それにより負荷がスイッチング回路から遮断され、したがって電流は迂回してプルダウン４を通って流れる。プルダウン回路または単純にプルダウンとも呼ばれているプルダウンデバイスは、電子スイッチ、電気機械式スイッチおよび機械式スイッチを始めとする任意の適切なスイッチを含むことができる。

スイッチング回路１は、接続された１つまたは複数の半導体デバイスを備えることができる半導体電力コントローラ（ＳＳＰＣ）を備えることができる。スイッチング回路１が並列に接続された複数の半導体デバイスを備えている場合、個々のデバイスを逐次スイッチオンおよびスイッチオフすることができるため、これらの複数のデバイスの各々を個別に試験することができる。一度に複数のスイッチングデバイスを起動するシーケンスなどの他の試験シーケンスを想定することも可能である。複数のスイッチングデバイスを個々に起動することにより、個々のスイッチ毎に故障を分離することができる。試験シーケンスは、フライトとフライトの間などの都合のいい任意の時間に実施することができる。また、試験シーケンスは、フライト中に、負荷１５を必要としない時間の間に実施することも可能である。

複数のスイッチングデバイス６、７、．．．、ｎの各々には、対応する個々の電流制限器６１、７１、．．．、ｎ１が含まれている。電流制限器は、スイッチングデバイスの損傷を回避するために、スイッチングデバイスを通って流れる電流を通常の最大動作電流の５倍ないし１０倍程度に制限する。別法としては、すべてのスイッチングデバイスに対して単一の電流制限器を提供することも可能である。他の代替では、ハード電流トリップを提供して、トリップ限界を超えるとスイッチングデバイスをターンオフすることも可能である。

プルダウン回路は、ＢＩＴ試験ルーチンのために複数のスイッチングデバイスのうちのいずれかが起動されると、いつでも起動される。個々のスイッチングデバイスおよびその駆動回路は、一度に１つのデバイスを起動するため、コントローラ３を使用することによって完全に試験することができ、それと同時に、起動されたデバイスを通って流れ、かつ、プルダウンデバイスを通って流れる電流が適切な限界内であることをチェックする。図１には電流測定回路は示されていない。特定の一実施形態では、個々のスイッチングデバイスが起動される最短時間は、電流がほぼ一定になり、ＢＩＴシステムによって要求される精度に対するこの電流の無矛盾測定を可能にするために必要な時間の長さに少なくともなるように選択される。個々のスイッチングデバイスが起動される時間の長さは、通常、入力電力源ケーブルの最大総インダクタンス１１で決まる。しかしながら、必要に応じてもっと短い時間スケールでシステムを動作させることも可能である。

プルダウンデバイスは、ＢＩＴ試験の間、プルダウンデバイスが単一の主スイッチングデバイスから電流を吸い込む際に、負荷に対する出力５に展開する電圧が、システムがオンの場合の通常の出力電圧と比較して無視することができるように設計される。このように設計することにより、システムがオフになった場合に負荷が重大な電圧に遭遇しないことが保証される。これは、個々のスイッチングデバイスより小さいインピーダンス、好ましくははるかに小さいインピーダンスを有するプルダウンデバイス４を使用することによって達成される。実際には、電流制限器６１、７１、．．．、ｎ１が動作している間は、スイッチングデバイス６、７、．．．、ｎは、プルダウンデバイス４より大きい実効インピーダンスを有している。通常のシステム動作の間、スイッチングデバイス６、７、．．．、ｎを起動するコントローラ３には、通常、すべてのスイッチングデバイスを同時にターンオンおよびターンオフすることが期待される。

本発明の実施形態は、直流システムだけでなく、交流システムにも適用される。交流システムに適用される場合、電圧源２は交流電圧である。スイッチングデバイスは交流スイッチであり（適宜交流電流制限器を備えている）、また、プルダウン回路は交流電流を吸い込むことができる。直流実施形態の場合、プルダウンデバイスは、例えば電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）またはバイポーラトランジスタあるいは絶縁ゲートバイポーラトランジスタを備えている。他のタイプのスイッチングデバイスを使用することができる。交流実施形態の場合、プルダウンデバイスは、例えばトライアックまたは半導体リレーを備えることができる。

図２は、試験手順が実施される際にスイッチングデバイスを通って流れる出力電流を示したものである。１つのピークしか示されていないが、一例示的実施形態では８個のスイッチングデバイスが提供されており、したがって試験の結果は、電圧源２からの総入力電流になり、図２に示されているような単一のパルスが８個連続して示されることになる。個々のスイッチングデバイス６、７、．．．、ｎの適切な動作は、個々の個別電流パルスの振幅が適切な限界内であることをチェックすることによって決定することができる。

試験手順は、プルダウンデバイス４を起動することによって負荷を短絡することによって開始される。プルダウンデバイスは、通常、ＢＩＴ試験が継続している間、オンを維持する。図に示されている例では約２５０μｓで第１のスイッチングデバイス６が閉になり、このスイッチングデバイス６を通って流れる電流が、電圧源２によって提供される電流、例えばこの例では約１００アンペアまで速やかに上昇する。次に、第１のスイッチングデバイス６が開き、短い時間の後に第２のスイッチングデバイス７が閉になり、この第２のスイッチングデバイス７を通って流れる電流が測定される。すべてのスイッチングデバイスが試験されるまでこの手順が連続的に繰り返される。図２に示されている電流プロファイルとは異なる電流プロファイルは、対応するスイッチングデバイスの故障を示すことができる。

有利には、本発明の実施形態によれば、スイッチングデバイスの動作を個々に評価することができる。半導体電力コントローラの総合的な動作をチェックするだけの単純なＢＩＴ試験では、通常、開路状態のまま動けなくなった故障したデバイスを検出することはできない。本発明の技術的な利点は、単一のデバイス故障を検出するだけでなく、個々のデバイスの電流制限性能を個別にチェックすることができることである。したがって本発明は、インサービス動作中に完全なＢＩＴ適用範囲を提供することができる。

一代替実施形態では、スイッチングデバイスは電流制限制御を有していない。この場合、電力源２のインダクタンスおよびケーブルインダクタンス１１を高速電流トリップ回路と組み合わせて利用し、それにより試験パルス中に電流が危険なレベルまで上昇するのを防止することができる。言い換えると、この実施形態のコントローラ３は、電流過負荷を回避するだけの十分な速さでスイッチングデバイスを開閉するシーケンスを起動するように動作する。

１ スイッチング回路
２ 電圧源（電力源）
３ コントローラ
４ プルダウンデバイス（プルダウン）
５ 出力（負荷出力）
６、７、．．．、ｎ スイッチングデバイス
８、９、１０ 制御線
１１、１４ インダクタンス
１２ プルダウン制御線
１３ 電力戻り線
１５ 負荷
６１、７１、．．．、ｎ１ 電流制限器

Claims (13)

1. 負荷および電圧源に接続するためのスイッチング回路であって、
   前記負荷への電力をスイッチオンおよびスイッチオフするための少なくとも１つのスイッチングデバイスと、
   前記負荷を短絡し、それにより前記負荷を前記電圧源から隔離するためのプルダウンデバイスと、
   前記スイッチングデバイスを通って流れる電流を測定することにより、前記スイッチングデバイスが開閉動作が行われるかどうかを試験するために、前記少なくとも１つのスイッチングデバイスのうちの少なくとも１つを前記負荷が短絡されている間に起動させることができるコントローラと、
   を備え、
   前記プルダウンデバイスのインピーダンスが、前記少なくとも１つのスイッチングデバイスのインピーダンスより小さい、
   スイッチング回路。
2. 前記プルダウンデバイスが、前記負荷に並列に配置されたスイッチを含み、前記スイッチが閉じると前記負荷が短絡される、請求項１に記載のスイッチング回路。
3. 前記プルダウンデバイスが、電界効果トランジスタ、バイポーラトランジスタ、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ、トライアックおよび半導体リレーのうちの任意の１つまたは複数を含む、電子スイッチ、電気機械式スイッチおよび／または機械式スイッチを含む、請求項２に記載のスイッチング回路。
4. 前記少なくとも１つのスイッチングデバイスが個々に起動される、請求項１乃至３のいずれかに記載のスイッチング回路。
5. 前記少なくとも１つのスイッチングデバイスを通って流れる電流を制限するための電流制限器をさらに備える、請求項１乃至４のいずれかに記載のスイッチング回路。
6. 前記少なくとも１つのスイッチングデバイスがその中に配置された電流制限器を有する、請求項５に記載のスイッチング回路。
7. システムインダクタンスを使用して、前記少なくとも１つのスイッチングデバイスを通って流れる電流が制限される、請求項１乃至４のいずれかに記載のスイッチング回路。
8. 前記電圧源が、交流電圧源または直流電圧源である、請求項１乃至７のいずれかに記載のスイッチング回路。
9. 前記少なくとも１つのスイッチングデバイスが半導体スイッチングデバイスを備える、請求項１乃至８のいずれかに記載のスイッチング回路。
10. 少なくとも１つのスイッチングデバイスを含む、負荷を電圧源に接続するスイッチング回路の試験方法であって、
    プルダウンデバイスを起動することによって前記負荷を短絡するステップと、
    前記少なくとも１つのスイッチングデバイスのうちの１つを起動するステップと、
    起動された前記少なくとも１つのスイッチングデバイスを通って流れる電流を測定するステップと、
    測定された電流から、起動された少なくとも１つのスイッチングデバイスが開閉動作しているかどうかを決定するステップと、
    を含み、
    前記プルダウンデバイスのインピーダンスが、前記少なくとも１つのスイッチングデバイスのインピーダンスより小さい、
    方法。
11. 前記スイッチングデバイスが逐次連続的に起動される、請求項１０に記載の方法。
12. 前記少なくとも１つのスイッチングデバイスが、前記少なくとも１つのスイッチングデバイスを通って流れる電流が実質的に一定になるのに十分な時間の長さにわたって起動される、請求項１０に記載の方法。
13. 前記少なくとも１つのスイッチングデバイスを通って流れる電流を制限するステップをさらに含む、請求項１０乃至１２のいずれか記載の方法。
    

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