RU2764865C1

RU2764865C1 - Solid state switch

Info

Publication number: RU2764865C1
Application number: RU2021114414A
Authority: RU
Inventors: Александр Николаевич Павлов; Александр Алексеевич Кривошеев; Юрий Анатольевич Емельянов; Денис Владимирович Булатников
Original assignee: Акционерное общество "Авиаавтоматика" имени В.В. Тарасова"
Priority date: 2021-05-20
Filing date: 2021-05-20
Publication date: 2022-01-21

Abstract

FIELD: electronic engineering.

SUBSTANCE: invention relates to electronic engineering and can be used for switching DC power electric circuits, load control, protection of power sources and circuits from overloads and short circuits. The solid-state switch contains a key assembly, a current sensor, a transformer and an analog-to-digital converter, as well as a voltage converter, a key driver unit, a comparator, a digital-to-analog converter (DAC), a read-only memory (ROM), a microprocessor system, two amplifiers, PWM signal generator, serial interface controller, thermal sensor, interface driver, voltage limiting node, and the device structure is reduced to one switching channel.

EFFECT: invention provides high performance, extended functionality of the parameters defining the algorithm of operation, the possibility of self-diagnostics, increased reliability and noise immunity.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для коммутации силовых электрических цепей постоянного тока, защиты от перегрузок и коротких замыканий.The invention relates to the field of electrical engineering and can be used for switching DC power circuits, protection against overloads and short circuits.

Из предшествующего уровня техники известен твердотельный контроллер нагрузки, защищенный патентом РФ №2256282, предназначенный для коммутации силовых энергетических сетей постоянного тока, состоящий из буфера, узла гальванической развязки, узла управления и защиты, узла преобразования напряжения, коммутатора, узла отключения и узла идентификации нагрузки. Недостатками данного устройства является отсутствие возможности регулировки длительности временных диапазонов размыкания твердотельного коммутатора в зависимости от протекающего тока.From the prior art, a solid-state load controller is known, protected by RF patent No. 2256282, designed for switching DC power networks, consisting of a buffer, a galvanic isolation node, a control and protection node, a voltage conversion node, a switch, a shutdown node and a load identification node. The disadvantages of this device is the inability to adjust the duration of the time ranges of opening the solid-state switch, depending on the flowing current.

Наиболее близким к заявленному изобретению является многоканальный твердотельный контроллер нагрузки, защищенный патентом РФ №2537041, содержащий буфер, узел интерфейса, узлы гальванической развязки и управления, двунаправленный коммутационный элемент и бесконтактный датчик тока, обеспечивающие возможность коммутации силовых энергетических цепей постоянного и переменного тока, исключающие необходимость во вторичном питании, а также выдающие напряжение, пропорциональное току нагрузки. Недостатками данного устройства является низкая скорость размыкания силового узла и, как следствие, ухудшение параметров защиты от короткого замыкания, поскольку производительность АЦП, подключенного к бесконтактному датчику тока защищаемой коммутируемой цепи, ограничена и достаточно низка. Объединенное управление несколькими каналами коммутации уменьшает надежность твердотельного контроллера в случае необходимости отработки защиты по току одновременно на нескольких каналах коммутации, а также снижает скорость срабатывания.Closest to the claimed invention is a multichannel solid-state load controller protected by RF patent No. 2537041, containing a buffer, an interface node, galvanic isolation and control nodes, a bidirectional switching element and a non-contact current sensor, providing the ability to switch DC and AC power circuits, eliminating the need in the secondary power supply, as well as giving out a voltage proportional to the load current. The disadvantages of this device are the low opening rate of the power unit and, as a result, the deterioration of the short circuit protection parameters, since the performance of the ADC connected to the contactless current sensor of the protected switched circuit is limited and rather low. The combined control of several switching channels reduces the reliability of the solid-state controller in case it is necessary to work out current protection simultaneously on several switching channels, and also reduces the response speed.

Технический результат заявляемого изобретения заключается в минимизации времени срабатывания токовой защиты твердотельного коммутатора, расширении функционала параметров для задания алгоритма работы, обеспечении работы по заданной циклограмме или под управлением от других устройств через внешние интерфейсы связи, расширении возможностей самодиагностики, повышении надежности и помехоустойчивости за счет применения гальванической развязки силовой и управляющей части и возможности преобразования интерфейсов.The technical result of the claimed invention consists in minimizing the response time of the current protection of a solid-state switch, expanding the functionality of parameters for setting the operation algorithm, ensuring operation according to a given sequence diagram or under control from other devices through external communication interfaces, expanding self-diagnostic capabilities, increasing reliability and noise immunity through the use of galvanic decoupling of the power and control parts and the possibility of converting interfaces.

Технический результат достигается тем, что в заявленное устройство, содержащее узел ключа, датчик тока, трансформатор и аналого-цифровой преобразователь, дополнительно введены преобразователь напряжения, узел драйвера ключа, компаратор, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), микропроцессорная система, два усилителя, генератор ШИМ сигнала, контроллер последовательного интерфейса, термодатчик, драйвер интерфейса, узел ограничения напряжения, а структура устройства сокращена до одного канала коммутации.The technical result is achieved by the fact that in the claimed device, containing the key assembly, current sensor, transformer and analog-to-digital converter, a voltage converter, a key driver assembly, a comparator, a digital-to-analog converter (DAC), read-only memory (ROM), a microprocessor system are additionally introduced , two amplifiers, a PWM signal generator, a serial interface controller, a thermal sensor, an interface driver, a voltage limiting node, and the device structure is reduced to a single switching channel.

Структурная схема предлагаемого устройства представлена на фиг. 1.The block diagram of the proposed device is shown in Fig. one.

Твердотельный коммутатор состоит из узла ключа 1, датчика тока 2, преобразователя напряжения 3, узла драйвера ключа 4, аналого-цифрового преобразователя 5, компаратора 6, цифроаналогового преобразователя 7, постоянного запоминающего устройства 8, трансформатора 9, микропроцессорной системы 10, усилителей 11 и 14, генератора ШИМ сигнала 12, контроллера последовательного интерфейса 13, термодатчика 15, драйвера интерфейса 16, узла ограничения напряжения 17. Силовая цепь подключается положительным контактом к узлу ключа 1, а отрицательным к датчику тока 2. Входы преобразователя напряжения 3 соединены с цепью питания, а выход подключен к аналого-цифровому преобразователю 5, компаратору 6, цифроаналоговому преобразователю 7, постоянному запоминающему устройству 8, микропроцессорной системе 10, усилителям 11 и 14, генератору ШИМ сигнала 12, контроллеру последовательного интерфейса 13, термодатчику 15, драйверу интерфейса 16, узлу ограничения напряжения 17. Выходы микропроцессорной системы 10 соединены с генератором ШИМ сигнала 12, цифроаналоговым преобразователем 7, усилителем 14. Выход генератора ШИМ сигнала 12 соединен с усилителем 11, выход которого подключен к трансформатору 9. Выход трансформатора 9 подключен к узлу драйвера ключа 4, выход которого подключен к узлу ключа 1. Узел ключа 1 соединен с датчиком тока 2, вход и выход которого соединены с аналого-цифровым преобразователем 5. Выход датчика тока 2 и выход цифроаналогового преобразователя 7 соединены с компаратором 6. Выходы аналого-цифрового преобразователя 5, компаратора 6, термодатчика 15, узла ограничения напряжения 17 соединены с микропроцессорной системой 10. Усилитель 14 подключен к параллельному интерфейсу без использования гальванической развязки. Микропроцессорная система 10 соединена с постоянным запоминающимся устройством 8 и контроллером последовательного интерфейса 13 посредством двунаправленной связи. Драйвер интерфейса 16 соединен двунаправленной связью с контроллером последовательного интерфейса 13 и двумя двунаправленными связями с самим последовательным интерфейсом.The solid state switch consists of a key assembly 1, a current sensor 2, a voltage converter 3, a key driver assembly 4, an analog-to-digital converter 5, a comparator 6, a digital-to-analog converter 7, a permanent memory 8, a transformer 9, a microprocessor system 10, amplifiers 11 and 14 , PWM signal generator 12, serial interface controller 13, temperature sensor 15, interface driver 16, voltage limiting unit 17. The power circuit is connected with a positive contact to the key node 1, and negative to the current sensor 2. The inputs of the voltage converter 3 are connected to the power circuit, and the output is connected to an analog-to-digital converter 5, a comparator 6, a digital-to-analog converter 7, a permanent memory 8, a microprocessor system 10, amplifiers 11 and 14, a PWM signal generator 12, a serial interface controller 13, a temperature sensor 15, an interface driver 16, a voltage limiting unit 17. Outputs of the microprocessor system 10 connected to the PWM signal generator 12, digital-to-analog converter 7, amplifier 14. The output of the PWM signal generator 12 is connected to the amplifier 11, the output of which is connected to the transformer 9. The output of the transformer 9 is connected to the key driver node 4, the output of which is connected to the key node 1. Node switch 1 is connected to current sensor 2, the input and output of which are connected to analog-to-digital converter 5. The output of current sensor 2 and the output of digital-to-analog converter 7 are connected to comparator 6. Outputs of analog-to-digital converter 5, comparator 6, temperature sensor 15, voltage limiting unit 17 are connected to the microprocessor system 10. Amplifier 14 is connected to a parallel interface without using galvanic isolation. The microprocessor system 10 is connected to the read-only memory 8 and the serial interface controller 13 via bi-directional communication. The interface driver 16 has a bi-directional connection to the serial interface controller 13 and two bi-directional connections to the serial interface itself.

Предлагаемый твердотельный коммутатор работает следующим образом.The proposed solid-state switch works as follows.

Для начала работы на вход преобразователя напряжения 3 подается питание. По линиям последовательного интерфейса через драйвер интерфейса 16 и контроллер последовательного интерфейса 13 и по линиям параллельного интерфейса через узел ограничения напряжения 17 и усилитель 14, микропроцессорная система 10 осуществляет обмен информацией с внешними устройствами. Входными данными твердотельного коммутатора являются команды управления и параметры процесса управления защитой и коммутацией - значения токов перегрузки и связанные с ними величины задержек отключения коммутируемого канала, количество попыток восстановления канала, задержки между попытками восстановления. Выходными данными твердотельного коммутатора являются значения о протекающем токе, состоянии и режиме работы канала коммутации (выключено, включено, защита, восстановление, авария), состоянии линий параллельного интерфейса, а также другие параметры, которые были загружены ранее. Тип интерфейса и протокол обмена определяется алгоритмами и параметрами, заложенными в микропроцессорную систему 10 и постоянное запоминающее устройство 8.To start work, power is supplied to the input of the voltage converter 3. Through the serial interface lines through the interface driver 16 and the serial interface controller 13 and through the parallel interface lines through the voltage limiting unit 17 and the amplifier 14, the microprocessor system 10 exchanges information with external devices. The input data of the solid-state switch are the control commands and parameters of the protection and switching control process - the values of the overload currents and the associated delays in switching off the switched channel, the number of attempts to restore the channel, the delays between attempts to restore. The output data of the solid state switch are the values of the flowing current, the state and mode of operation of the switching channel (off, on, protection, restoration, failure), the state of the parallel interface lines, as well as other parameters that were loaded earlier. The type of interface and the exchange protocol is determined by the algorithms and parameters embedded in the microprocessor system 10 and read-only memory 8.

После запитывания твердотельного коммутатора, микропроцессорная система 10 производит считывание данных о настройках из постоянного запоминающего устройства 8 и производит калибровку и диагностику компонентов твердотельного коммутатора.After powering up the solid state switch, the microprocessor system 10 reads the setting data from the read only memory 8 and calibrates and diagnoses the components of the solid state switch.

При наличии на входе последовательного или параллельного интерфейса команды на включение, данные сигналы проходят через драйвер интерфейса 16 и контроллер последовательного интерфейса 13 или через узел ограничения напряжения 17 и поступают в микропроцессорную систему 10. Микропроцессорная система 10 декодирует команды и включает генератор ШИМ сигнала 12. Генератор ШИМ сигнала 12 выдает переменное напряжение, которое усиливается усилителем 11 и подается на первичную обмотку трансформатора 9. Полученное на вторичной обмотке трансформатора 9 напряжение поступает на выход узла драйвера ключа 4, где в свою очередь выпрямляется, ограничивается по уровню и поступает на затворы транзисторов узла ключа 1. Узел ключа 1 замыкается и соединяет силовые цепи. Ток, протекающий через узел ключа 1 по силовой цепи, преобразуется пропорционально в напряжение бесконтактным датчиком тока 2. Напряжение с выхода датчика тока 2 поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 5 и компаратора 6. Аналого-цифровой преобразователь 5 преобразует полученное напряжение в цифровой код и подает его на вход микропроцессорной системы 10. Также микропроцессорная система 10 при открытии узла ключа 1 конфигурирует цифроаналоговый преобразователь 7 на выдачу напряжения, соответствующего максимальному допустимому току через силовую цепь, определенному в конфигурации постоянного запоминающего устройства 8 на минимальное время задержки срабатывания защиты. Компаратор 6 сравнивает поданные на вход напряжения от датчика тока 2 и цифроаналогового преобразователя 7 и формирует сигнал на вход микропроцессорной системы 10.If there is a turn-on command at the input of the serial or parallel interface, these signals pass through the interface driver 16 and the serial interface controller 13 or through the voltage limiting unit 17 and enter the microprocessor system 10. The microprocessor system 10 decodes the commands and turns on the PWM signal generator 12. Generator The PWM signal 12 produces an alternating voltage, which is amplified by the amplifier 11 and supplied to the primary winding of the transformer 9. The voltage obtained on the secondary winding of the transformer 9 is supplied to the output of the key driver node 4, where it in turn is rectified, limited in level and fed to the gates of the transistors of the key node 1. Key assembly 1 closes and connects the power circuits. The current flowing through the key assembly 1 through the power circuit is converted proportionally into voltage by a contactless current sensor 2. The voltage from the output of the current sensor 2 is fed to the input of the analog-to-digital converter 5 and comparator 6. The analog-to-digital converter 5 converts the received voltage into a digital code and supplies it to the input of the microprocessor system 10. Also, the microprocessor system 10, when opening the node of the key 1, configures the digital-to-analog converter 7 to output a voltage corresponding to the maximum allowable current through the power circuit, defined in the configuration of the read-only memory device 8 for the minimum delay time of the protection operation. The comparator 6 compares the input voltages from the current sensor 2 and the digital-to-analog converter 7 and generates a signal to the input of the microprocessor system 10.

В случае превышения тока в силовой цепи узла ключа 1, соответствующее повышенное напряжение формируется на выходе датчика тока 2, преобразуется аналого-цифровым преобразователем 5, а также сравнивается компаратором 6. Если напряжение с датчика тока 2 превышает выдаваемое цифроаналоговым преобразователем 7, то компаратор 6 формирует соответствующий сигнал на вход микропроцессорной системы 10, которая в свою очередь в соответствии с установками отключает генератор ШИМ сигнала 12 и через усилитель 11 обесточивает первичную обмотку трансформатора 9. Питание прекращается от вторичной обмотки трансформатора 9. Узел драйвера ключа 4 запускает ускорение разряда затворов силовых транзисторов узла ключа 1, тем самым размыкая силовую коммутируемую цепь. В случае если напряжение с датчика тока 2 не превышает выдаваемое цифроаналоговым преобразователем 7, то микропроцессорная система 10 производит считывание оцифрованного значения с аналого-цифрового преобразователя 5 и принимает решение в соответствии с алгоритмами и настройками о длительности задержки отключения. Если длительность превышения тока в силовой коммутируемой цепи меньше длительности задержки, установленной в настройках твердотельного коммутатора, то размыкание узла ключа не производится.If the current in the power circuit of the key node 1 is exceeded, the corresponding increased voltage is generated at the output of current sensor 2, converted by analog-to-digital converter 5, and also compared by comparator 6. If the voltage from current sensor 2 exceeds that output by digital-to-analog converter 7, then comparator 6 generates the corresponding signal to the input of the microprocessor system 10, which, in turn, in accordance with the settings, turns off the PWM signal generator 12 and de-energizes the primary winding of the transformer 9 through the amplifier 11. key 1, thereby opening the power switched circuit. If the voltage from the current sensor 2 does not exceed that output by the digital-to-analog converter 7, then the microprocessor system 10 reads the digitized value from the analog-to-digital converter 5 and makes a decision in accordance with the algorithms and settings on the duration of the shutdown delay. If the duration of the overcurrent in the switched power circuit is less than the delay duration set in the settings of the solid-state switch, then the key assembly is not opened.

Таким образом, применение компаратора 6 с цифроаналоговым преобразователем 7 обеспечивает более высокую скорость детектирования тока перегрузки в коммутируемой силовой цепи, и повышение быстродействия защиты по току.Thus, the use of the comparator 6 with the digital-to-analog converter 7 provides a higher detection rate of the overload current in the switched power circuit, and an increase in the speed of the current protection.

Применение постоянного запоминающего устройства 8 позволяет хранить параметры алгоритмов управления защитой и обеспечивает более высокую скорость запуска устройства, а также исключает необходимость загрузки параметров во время каждого включения твердотельного коммутатора.The use of read-only memory 8 allows you to store the parameters of protection control algorithms and provides a higher startup speed of the device, and also eliminates the need to load parameters during each turn on of the solid-state switch.

Предлагаемый твердотельный коммутатор может быть использован в качестве самостоятельного устройства, например, в качестве электронного предохранителя, замыкающегося при подаче питания и размыкающегося при снятии питающего напряжения или по превышению тока в силовой коммутируемой цепи; термостата, коммутирующего силовую цепь электронагревателя и производящего контроль температуры; реле времени, коммутирующего силовую цепь по изменяющимся сигналам с задержкой; прерывателя напряжения, коммутирующего силовую цепь с установленной частотой и коэффициентом заполнения; сетевого устройства с дополнительными возможностями, например, в качестве преобразователя интерфейсов или датчика температуры.The proposed solid-state switch can be used as an independent device, for example, as an electronic fuse that closes when power is applied and opens when the supply voltage is removed or when the current in the switched power circuit is exceeded; a thermostat that switches the power circuit of the electric heater and controls the temperature; time relay switching the power circuit by changing signals with a delay; a voltage breaker that switches the power circuit with a set frequency and duty cycle; network device with additional features, for example, as an interface converter or a temperature sensor.

Claims

A solid-state switch consisting of a key assembly, a current sensor, a transformer and an analog-to-digital converter, characterized in that a voltage converter is introduced into the device, the outputs of which are connected to the power circuit, and the output is connected to the power inputs of the current sensor, analog-to-digital converter, comparator , a digital-to-analog converter, a read-only memory device, a microprocessor system, two amplifiers, a PWM signal generator, a serial interface controller, a thermal sensor, an interface driver, a voltage limiting unit, where the microprocessor system is connected by bidirectional communication with a read-only memory device and a serial interface controller, which in turn is connected by bidirectional communication with the interface driver, while the inputs of the microprocessor system are connected to the outputs of the analog-to-digital converter, comparator, temperature sensor, voltage limiting unit, and the outputs of the microprocessor system are connected to the input ladies amplifier and digital-to-analogue converter; the output of the PWM signal generator is connected to the input of one amplifier, the output of which, in turn, is connected to the input of the transformer; and the other amplifier is connected to the parallel interface without the use of galvanic isolation; the output of the transformer is connected to the input of the key driver node, the output of which is connected to the input of the key node connected to the current sensor, where one output of the key node is connected to the positive contact of the power circuit, and the other output through the current sensor is connected to the negative contact of the power circuit; the output of the current sensor is connected to the inputs of the analog-to-digital converter and the comparator, while the output of the digital-to-analog converter is connected to the input of the comparator; and the interface driver is connected by two bidirectional links to the serial interface.