Современные полупроводниковые коммутаторы нагрузок

В последнее время рядом фирм, выпускающих электронные приборы для аиации и других ответственных применений, был освоен новый класс приборов — так называемых твердотельных контроллеров нагрузки. Отечественные приборостроительные фирмы, выпускающие системы управления мощными нагрузками, также испытывают потребность в таких приборах, особенно для военных применений. В связи с этим разработана и производится серия приборов ТКН1 аналогичного назначения как специального, так и общепромышленного исполнения.

Развитие микропроцессорной техники позволило создать совершенные и эффективные системы управления для исполнительных устройств любых типов. При этом управление самой нагрузкой, осуществляемое коммутацией тех или иных силовых цепей, не претерпело никаких изменений. Для этих целей используются либо электромеханические реле, либо ключи на дискретных транзисторах с громоздкими схемами согласования с микропроцессорной системой управления на базе оптронных или трансформаторных развязок. Для решения этой проблемы рядом фирм были предложены специальные приборы, так называемые твердотельные реле (solid state relay), объединяющие в себе оптронную развязку и силовой коммутирующий элемент на базе биполярных, полевых транзисторов или тиристоров. Эти приборы существенно упростили согласование маломощных и низковольтных выходных цепей микропроцессорных систем и мощных высоковольтных силовых цепей. Обладая, как и электромеханические реле, низким быстродействием, эти приборы не позволяли контролировать состояние нагрузки и осуществлять управление ею, обеспечивая надежную, безотказную работу. Как и прежде, для этого необходимо было оснащать нагрузку различными датчиками (токовыми, температурными и т. д.) и строить внешнюю систему, обеспечивающую управление в критических или аварийных ситуациях, защищающую ее от перегрузок, КЗ, перегрева и т. д. В связи с этим в последнее время рядом фирм, выпускающих электронные приборы для авиации и других ответственных применений, был освоен новый класс приборов — так называемых твердотельных контроллеров нагрузки (solid state power controller). В отличие от электромеханических и твердотельных реле эти приборы обладают высоким быстродействием, позволяют контролировать процессы, происходящие в нагрузке (область безопасной работы, температурный режим), и собственное состояние, а также выдавать соответствующие статусные сигналы в систему управления. Эти свойства приборов позволяют осуществлять надежное управление любой нагрузкой без применения дополнительных элементов схемы.

Номенклатура выпускаемых зарубежными фирмами контроллеров представлена в таблице 1.

Эти приборы предназначены для использования в технике военного назначения, однако выпускаются также и приборы коммерческого общетехнического назначения. И те и другие приборы изготавливаются в специальных металлостеклянных корпусах и представляют собой гибридные микросборки высокой сложности, содержащие до ста активных и пассивных элементов (цифровые и аналоговые микросхемы, транзисторы, стабилитроны, диоды, резисторы, емкости, оптронные узлы и другие компоненты). Отечественные приборостроительные фирмы, выпускающие системы управления мощными нагрузками, также испытывают потребность в таких приборах, особенно для военных применений. В связи с этим разработана и производится серия приборов ТКН1 аналогичного назначения как специального, так и общепромышленного исполнения.

Серия ТКН1 разработана для применения в системах авиационной автоматики и предназначена для замены электромагнитных и твердотельных реле на токи от 2 до 30 А в сетях с номинальным напряжением +27 В. В отличие от заменяемых устройств они имеют статусные выходы состояния самого контроллера и нагрузки и могут монтироваться непосредственно на нагрузке, реализуя концепцию распределенной системы управления. В серию ТКН1 входят приборы на 2, 10, 20 и 30 А, полностью функционально идентичные и отличающиеся только максимальной величиной коммутируемого тока. Таким образом, для каждого типа нагрузки можно подобрать наиболее соответствующий ее режиму работы прибор. Все управляющие сигналы полностью изолированы (оптические и трансформаторные развязки) от силовой цепи. Ключевой элемент контроллеров выполнен на мощных полевых транзисторах с ультранизким сопротивлением канала в открытом состоянии (2,5–10 мОм). Это позволяет обеспечивать малое падение напряжения во включенном состоянии и малую рассеиваемую мощность, а также предельно малые токи утечки в закрытом состоянии.

Конструктивно прибор выполнен в виде микросборки с применением тонко- и толстопленочной технологии и имеет малые размеры (36×45×13 мм) и высокую надежность. Схема контроллера в реальном времени обеспечивает необходимый уровень тока, протекающего через нагрузку, и сигнализирует о нормальной или аварийной работе нагрузки, отключая ее в критических режимах за очень короткое время (менее 5 мкс).

Встроенная схема самоконтроля отслеживает состояние самого контроллера (силового элемента, цепей питания и т. д.) также отключая нагрузку в аварийных ситуациях.

Структурная схема ТКН состоит из следующих блоков: входные цепи для согласования с системой управления, выполненные на КМОП-логике и оптронных схемах, схема формирования внутреннего питания контроллера (±15 В), выполненная на DC/DC-преобразователе с трансформаторной развязкой, схема формирования статусных сигналов, выполненная на оптронных схемах высокого быстродействия с ТТЛ-совместимыми уровнями выходных сигналов, схема формирования сигналов управления затворами полевых транзисторов и схема контроля и защиты, обеспечивающая контроль уровня тока в нагрузке и формирование необходимой токовременной характеристики работы контроллера, а также силовой блок, содержащий ряд включенных параллельно полевых транзисторов, токоизмерительный шунт малого сопротивления (менее 1 мОм), термодатчик и ограничитель напряжения.

Схема контроллера выполнена так, что нагрузка может включаться как к истоку, так и к стоку полевого транзистора. Для защиты от возможных перенапряжений предусмотрена схема ограничения напряжения на силовом элементе. Питание контроллера может быть любым от +4,5 В до напряжения силовой цепи (+27 В). Напряжение изоляции управляющих и силовых цепей не менее 1000 В. Частота коммутации нагрузки до 100 кГц. Также прибор позволяет контролировать температуру силового элемента.

Рассмотрим функционирование прибора. Входной сигнал управления, совместимый по уровням с КМОП и ТТЛ-логикой, своим высоким уровнем включает контроллер, обеспечивая протекание тока через нагрузку. Низкий уровень нагрузку отключает. Если в процессе работы контроллера величина тока через него превысит критическое значение (по токовременной характеристике), контроллер отключится. Восстановить работу контроллера можно, сняв и опять подав сигнал управления или подав сигнал на вход «RESET». Сигнал по входу «RESET» переводит схему контроллера в режим малого потребления, отключая схему формирования внутреннего питания.

Время срабатывания защиты в контроллере зависит от уровня тока, протекающего через нагрузку. Чем больше будет уровень тока перегрузки, тем быстрее отключится нагрузка. Так, при перегрузке в 1,5 Iном время срабатывания защиты составит 3 мс, при перегрузке 3 I_ном — 30 мкс, а при перегрузке 10 I_ном — 10 мкс. Время включения-выключения силового элемента при этом около 1 мкс. Контроллер обеспечивает формирование статусных сигналов (схема с открытым коллектором с напряжением до 15 В), сочетание которых дает информацию о режиме работы контроллера и нагрузки (протекание тока через нагрузку, уровень тока в нагрузке, авария в нагрузке, неисправность силового элемента, перегрев силового элемента). Схема контроля за уровнем тока имеет 2 независимых канала управления затвором транзистора. Первый из них следит за режимами перегрузки, обеспечивая плавное отключение нагрузки в критических режимах, а второй отключает нагрузку, запирая выходной транзистор за очень короткое время в аварийных режимах (I_н > 10 I_ном).

Контроллеры ТКН1 могут использоваться с любым типом нагрузки (как активной, так и реактивной) или любым сочетанием таких нагрузок (сопротивления, емкости, индуктивности) — моторы, лампы, соленоиды и т. д.

Следует отметить, что при срабатывании защиты и отключении нагрузки при помощи ТКН1 происходит нарастание напряжения, обусловленное индуктивностью проводов и самой нагрузки. Амплитуда этого напряжения прямо пропорциональна суммарной индуктивности нагрузки и проводов, а также скорости изменения выходного напряжения.

При малых временах срабатывания защиты и значительных токах в нагрузке величина этого напряжения может существенно превышать допустимые уровни напряжений для элементов контроллера. Так, напряжение, допустимое для полевого транзистора на выходе ТКН1, составляет 60 В, однако внутри ТКН1 между силовыми контактами включен ограничитель напряжения на 36 В с допустимой мощностью рассеяния 2 Вт. Исходя из характера нагрузки и этих особенностей устройства следует принимать меры, исключающие возникновение перенапряжений на выходе ТКН1. Более подробные рекомендации по применению ТКН1 можно найти на сайте http://www.orel.ru/voloshin. Корпус ТКН1 спроектирован так, что температура на кристалле силового элемента никогда не может превысить предельную величину (150 °С), если температура корпуса не превышает 125 °С. Применение кристаллов полевых транзисторов с рекордно малым сопротивлением канала (менее 10 мОм для одного кристалла) и их параллельное включение (до 4 шт.) в исполнениях контроллеров на токи 10, 20 и 30 А обеспечивает малую величину собственного рассеяния энергии на ТКН. В сочетании с малой величиной теплового сопротивления это позволяет обеспечивать малую величину перегрева кристаллов силовых элементов. Учитывая это, приборы на 2 и 10 А во всех режимах эксплуатации не требуют дополнительных охладителей для теплоотвода, а в конструкции приборов на 20 и 30 А предусмотрены специальные монтажные отверстия для размещения контроллеров на дополнительных теплоотводах.

При расчете теплового режима работы контроллера следует также учитывать дополнительную мощность на коммутациях, которая может существенно превышать статическую мощность рассеяния.

Приборы общепромышленного применения изготавливаются в виде микромодулей, отличающихся от рассмотренных приборов только размерами и применяемой элементной базой.

В дальнейшем планируется развитие ряда приборов класса ТКН (как специальных, так и общепромышленных) по следующим направлениям:

• обеспечить возможность коммутации постоянного напряжения в линиях с применением полевых и IGBT-транзисторов с предельным допустимым напряжением до 600 В;
• обеспечить возможность коммутации линий с двуполярным напряжением как синусоидальной, так и произвольной формы на силовых элементах, аналогичных перечисленным в предыдущем пункте;
• для коммутации нагрузок малой мощности разработан прибор с сокращенными контрольными функциями и полной защитой;
• обеспечение возможности коммутации больших токов до 200 А для всех типов сети (постоянного тока, разнополярной, переменного тока) с полными функциями защиты и контроля.

Кроме того, во всех типах приборов предусматривается возможность исполнения вариантов приборов с параметрами, определяемыми потребителями:

• характер защитной токовременной характеристики;
• время включения-выключения прибора и время срабатывания защиты;
• номинальный ток прибора, предельно допустимая величина напряжения в линии;
• дополнительный статус или управляющие выводы с соответствующей диаграммой состояний;
• параметры функции «reset»;
• входная логика ТТЛ и КМОП;
• диапазон напряжений питания;
• конструкция корпуса.