Contacto de alta velocidad capaz de detectar, indicar y evitar maniobras incorrectas debido a un fallo interno.

Contacto de alta velocidad capaz de detectar, indicar y evitar maniobras incorrectas debido a un fallo interno.

Un contacto (50) híbrido que permite detectar el fallo de un transistor de potencia (16), advertir a los usuarios de dicho fallo a través de una señal de alarma (13), y tomar medidas para evitar el mal funcionamiento del contacto (50) híbrido cuando se detecta un fallo de este tipo. Dicho contacto (50) comprende un contacto metálico (20) en paralelo con un par de transistores de potencia (16, 40), primer y segundo, conectados en serie. Así, el segundo transistor de potencia (40) comprende un punto de detección (46) que proporciona una señal proporcional al flujo de corriente a través de dicho segundo transistor de potencia (40). Esta señal del punto de detección (46) indica a un controlador (12) si fluye corriente a través del segundo transistor de potencia (40) cuando no debería ser así, indicando un fallo.

Contacto de alta velocidad capaz de detectar, indicar y evitar maniobras incorrectas debido a un fallo interno

Campo relacionado

La presente divulgación se refiere a contactos de conmutación de potencia de alta velocidad y, en particular, a contactos de conmutación de potencia de alta velocidad construidos a partir de un contacto metálico en paralelo con uno o más transistores de potencia, y aún más particularmente, a sistemas y procedimientos de detección de un fallo de uno de los transistores de potencia, que indica un fallo detectado, y que impiden un funcionamiento incorrecto debido a un fallo detectado.

Breve descripción de los dibujos

Aunque los rasgos característicos de esta divulgación se señalarán en particular en las reivindicaciones, la propia divulgación, y la manera en la que puede ser realizada y utilizada, se puede entender mejor haciendo referencia a la siguiente descripción tomada en conexión con los dibujos adjuntos, que forman una parte de la misma, en la que números de referencia similares se refieren a partes similares en las diversas vistas, y en los que:

La figura 1 es un diagrama esquemático simplificado de un contacto híbrido de la técnica anterior que utiliza un contacto metálico en paralelo con un transistor de potencia;

La figura 2 es un diagrama esquemático simplificado del contacto híbrido divulgado;

Las figuras 3A y 3B son diagramas de flujo que ilustran la operación de establecer e interrumpir el contacto híbrido, respectivamente;

La figura 4 es un diagrama esquemático de un aspecto del contacto híbrido divulgado. Descripción detallada de la realización ilustrada

Los contactos metálicos son el estándar para la conmutación de grandes cantidades de energía eléctrica, y por una buena razón; los contactos metálicos tienen propiedades casi

ideales cuando están abiertos o cerrados. Cuando están abiertos, un contacto metálico diseñado correctamente puede soportar fácilmente miles de voltios sin averiarse. Mientras está cerrado, la resistencia de un contacto metálico es a menudo menos de un miliohmio. Sin embargo, los contactos metálicos tienen en general un mal rendimiento durante la transición entre el estado abierto y el estado cerrado, y viceversa, en comparación con los transistores de potencia. Cuando un contacto metálico interrumpe un flujo de corriente, es habitual una cierta cantidad de formación de arco, y en algunos casos, cuando la tensión a través de los terminales y la cantidad de corriente para interrumpir son suficientes, el contacto puede realmente cerrarse por soldadura. Del mismo modo, cuando los contactos metálicos están cerrados; es decir, se realiza una conexión, el proceso de cierre de los contactos puede tomar un tiempo relativamente largo en comparación con los transistores de potencia.

En el caso de interrumpir el flujo de corriente, los transistores de potencia pueden cambiar desde el estado de apagado al estado de encendido muy rápidamente; en algunos casos, del orden de nanosegundos, y casi universalmente, dentro de más o menos 100 microsegundos. En consecuencia, cuando se despliega en un sistema de CA, los transistores de potencia se pueden apagar en un punto de corriente cero con bastante precisión, eliminando la posibilidad de un arco. Además, una conexión se puede realizar casi instantáneamente, según sea necesario. En consecuencia, los transistores de potencia exhiben mucho mejor comportamiento cuando se cambian de estado de apagado al estado de encendido y viceversa.

Sin embargo, los transistores de potencia no tienen las características casi ideales de los contactos metálicos cuando están en los estados abiertos o cerrados. En particular, los transistores de potencia disipan una energía significativa cuando están encendidos debido a una caída de tensión sustancial sobre la vía de conducción de un transistor de potencia, y pueden tolerar una tensión inversa limitada cuando están apagados. Además, los transistores de potencia siempre conducen una cierta cantidad de corriente, incluso cuando están en el estado de apagado, y tienden a tener una vida útil limitada en comparación con los contactos metálicos.

Por ejemplo, la figura 1 muestra un contacto híbrido 10 de la técnica anterior. Un transistor de potencia 15 está dispuesto en paralelo a un contacto metálico 20, con respecto a una carga (no mostrada). Cuando el contacto híbrido 10 está cerrado, el controlador 12 activa simultáneamente el transistor de potencia 16 y el contacto metálico 20. El transistor de

potencia 16 comienza a conducir después de sólo unos pocos microsegundos, y lleva a la totalidad de la corriente de carga hasta que el contacto metálico 20 se cierra. La resistencia efectiva del contacto metálico 20 es mucho menor que la resistencia efectiva del transistor de potencia 16, por lo que sustancial mente toda la corriente fluye a través del contacto metálico 20, una vez que se cierra el contacto metálico.

Para proporcionar la capacidad de interrumpir flujos de corriente alta, la lógica de control 12 abre por primera vez el contacto metálico 20, que normalmente se toma varios milisegundos para responder. A medida que el contacto metálico 20 se abre, la corriente comienza a fluir a través del transistor de potencia 16 hasta que el transistor de potencia 16 lleva todo el flujo de corriente. Un MOV 24 está dispuesto para disipar cualquier choque inductivo de la carga cuando el contacto metálico 20 se abre. Un puente rectificador 22 permite que el contacto híbrido sea utilizado con cargas y fuentes de CA.

Como se explica en más detalle a continuación, el controlador 12 está eléctricamente aislado del contacto metálico 20 mediante la bobina de control 30. Además, el controlador está aislado eléctricamente del primer transistor 16 por un dispositivo de aislamiento 14.

Sin embargo, estas combinaciones adolecen de ciertas deficiencias. En particular, los dispositivos híbridos no tienen manera de detectar el fallo del transistor de potencia relativamente frágil, que puede fallar en el estado de encendido, y con ello proporcionar energía a una carga que no se supone que pueda ser alimentada.

En consecuencia, existe una necesidad de un contacto híbrido mejorado que puede detectar el fallo de un transistor de potencia, advertir a los usuarios de dicho fallo, y tomar medidas para evitar el mal funcionamiento del contacto híbrido cuando se detecta un fallo de este tipo.

Volviendo a la figura 2, se representa un contacto híbrido 50 mejorado. El contacto híbrido 50 comprende un primer transistor de potencia 16 dispuesto en serie con un segundo transistor de potencia 40. La combinación en serie de los transistores de potencia 16 y 40 está dispuesta eléctricamente en paralelo con un contacto metálico 20. Un controlador 12 opera los transistores de potencia 16 y 40 y el contacto metálico 20 para establecer ventajosamente e interrumpir el flujo de potencia a una carga (no mostrado). El controlador 12 está acoplado al contacto metálico 20 a través de una primera bobina de control 36. El controlador también está acoplado al primer transistor de potencia 16, que puede ser, por

ejemplo, un transistor bipolar de puerta aislada, a través de un segundo circuito de aislamiento 14, y al segundo transistor de potencia 40, que puede ser un sensor FET, a través de un tercer circuito de aislamiento 42. Al igual que con el contacto híbrido de la figura 1, el contacto híbrido de la figura 2 también incluye un rectificador 22 para la interfaz con las fuentes y cargas de CA, y un MOV 24 para absorber cualquier choque inductivo de la carga (no mostrado) que podría dañar los transistores de potencia. El controlador 12 también opera salida de alarma 13 como se describe aquí.

El segundo transistor de potencia 40 proporciona un punto de detección 46. Un ejemplo de un transistor de potencia que proporciona un punto de detección 46 es un sensor FET (sFET), que es un transistor de efecto de campo con un terminal de detección que mantiene un flujo de corriente proporcional al flujo de corriente del drenaje a la fuente. El punto de detección proporciona una tensión que es proporcional al flujo de corriente a través del transistor de potencia 40; es decir, en el caso de un sensor FET (sFET), el punto de detección 46 proporciona una señal indicativa del flujo de corriente del drenaje a la fuente del sFET. Por ejemplo, si 10 amperios fluyen del drenaje a la fuente, el terminal del sensor puede originar 10 mA de corriente. Esta señal es amplificada por un circuito de amplificación 52 y luego acoplada al controlador 12 a través de un cuarto circuito de aislamiento 44.

Los circuitos de aislamiento se utilizan entre la lógica de control y...

1. Contacto (50) de alta velocidad para establecer o interrumpir una conexión en un sistema eléctrico, comprendiendo el contacto (50) de alta velocidad:

- un dispositivo de conmutación de contacto metálico (20) que tiene un primer terminal y un segundo terminal, estando el dispositivo de conmutación configurado para establecer o interrumpir una conexión eléctrica entre el primer terminal y el segundo terminal en respuesta a una primera señal de control;

- un primer transistor de potencia (16) que tiene un tercer terminal y un cuarto terminal, estando el primer transistor de potencia (16) configurado para transitar entre un estado de encendido y un estado de apagado en respuesta a una segunda señal de control, permitiendo el estado de encendido la conducción eléctrica del tercer terminal al cuarto terminal, y bloqueando el estado de apagado la conducción eléctrica desde el tercer terminal hacia el cuarto terminal;

- donde el tercer terminal del primer transistor de potencia (16) está acoplado eléctricamente al primer terminal del contacto metálico (20);

- un segundo transistor de potencia (40) que tiene un quinto terminal y un sexto terminal, estando el segundo transistor de potencia (40) configurado para cambiar entre un estado de encendido y un estado de apagado en respuesta a una tercera señal de control, permitiendo el estado de encendido la conducción eléctrica desde el quinto terminal al sexto terminal, y bloqueando el estado de apagado la conducción eléctrica del quinto terminal al sexto terminal;

- donde el segundo transistor de potencia (40) está adaptado para proporcionar una señal de detección proporcional a un flujo de corriente entre el quinto terminal y el sexto terminal de dicho segundo transistor de potencia (40),

- donde el quinto terminal del segundo transistor de potencia (40) está acoplado eléctricamente al cuarto terminal del primer transistor de potencia (16), y el sexto terminal del segundo transistor de potencia (40) está acoplado eléctricamente al segundo terminal del contacto metálico (20); y

- un controlador (12) acoplado al contacto metálico (20) para proporcionar la primera señal de control, y acoplado asimismo al segundo transistor de potencia (40) para recibir la señal de detección.

2. Contacto (50) de alta velocidad de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que el controlador (12) está acoplado al contacto metálico (20) a través de una primera bobina

de control (36), y donde el controlador (12) proporciona la primera señal de control utilizando la primera bobina de control (36).

3. Contacto (50) de alta velocidad de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que el controlador (12) está acoplado al primer transistor de potencia (16) a través de un segundo circuito de aislamiento (14), y en el que el controlador (12) proporciona la segunda señal de control mediante el segundo circuito de aislamiento (14).

4. Contacto (50) de alta velocidad de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que el controlador (12) está acoplado al segundo transistor de potencia (40) a través de un tercer circuito de aislamiento (42), y donde el controlador (12) proporciona la tercera señal de control utilizando el tercer circuito de aislamiento (42).

5. Contacto (50) de alta velocidad de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que el segundo transistor de potencia (40) comprende, además, un punto de detección (46) para proporcionar la señal de detección.

6. Contacto (50) de alta velocidad de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizado por que comprende adicionalmente un cuarto circuito de aislamiento (44) acoplado al punto de detección (46) y al controlador (12).

7. Contacto (50) de alta velocidad de acuerdo con la reivindicación 6, caracterizado por que el cuarto circuito de aislamiento (44) comprende un amplificador (52) acoplado al punto de detección (46) y un optoacoplador lineal (54) acoplado al amplificador (52) y al controlador (12), proporcionando el amplificador (52) una señal de detección amplificada.

8. Contacto (50) de alta velocidad de acuerdo con la reivindicación 7, caracterizado por que comprende adicionalmente:

- un oscilador (66) acoplado al controlador (12); y

- un transformador (68) acoplado al oscilador (66) y al segundo transistor de potencia

(40),

- en el que el oscilador (66) proporciona la tercera señal de control a través del transformador (68).

9. Contacto (50) de alta velocidad de acuerdo con la reivindicación 8, caracterizado por que el transformador (68) está acoplado a un circuito de potencia de CC para la generación de

energía de CC.

10. Contacto (50) de alta velocidad de acuerdo con la reivindicación 9, caracterizado por que el circuito de potencia de CC comprende un diodo rectificador (70), un condensador de filtro 5 (74) y un resistor (76).