JP2010530730A

JP2010530730A - 電流制限装置ベースのリセット可能ｍｅｍｓマイクロスイッチアレイ

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Publication number: JP2010530730A
Application number: JP2010513168A
Authority: JP
Inventors: プレマーラニ，ウィリアム・ジェームズ; スブラマニアン，カナカサバパティ; キャッジャーノ，ロバート・ジョセフ; ピッツェン，チャールズ・ステファン; クンファー，ブレント・チャールズ; レスリー，デビッド・ジェームズ; ライト，ジョシュア・アイザック
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2007-06-19
Filing date: 2007-06-20
Publication date: 2010-09-09
Anticipated expiration: 2027-06-20
Also published as: EP2162891A1; WO2008156449A1; CN101772814A; KR101415456B1; US20080316664A1; US8072723B2; CN101772814B; KR20100038379A; EP2162891B1; JP5002708B2

Abstract

過電流保護方法を開示する。この方法は、複数のＭＥＭＳスイッチデバイスを流れる負荷電流の負荷電流値を監視するステップと、監視対象の負荷電流値が所定の負荷電流値と異なるか否かを判定するステップと、この監視対象の負荷電流値が所定の負荷電流値と異なる場合に故障信号を生成するステップと、故障信号に応答して、複数のＭＥＭＳスイッチデバイスからの負荷電流を迂回させるステップと、負荷電流値と所定の値との相違が真の故障トリップに起因するのか、或いは、偽の妨害トリップに起因するのかを判定するステップを含む。
【選択図】図６

以上

Description

本発明は、概して、電流路の電流を遮断するための切替装置に関し、特に、ＭＥＭＳベースの切替装置に関する。

電気機器及び配線の火災や損傷を防ぐには、電気機器及び配線の電流が定格電流を超えないようにする必要がある。過電流状態は、損傷が発生するまでの時間によって、一定時間にわたる過電流状態と瞬時過電流状態との２つに分けられる。

一定時間にわたる過電流故障の種類は、それほど多くはないが、故障の程度に応じて、所定の期間後に回路の動作を停止する保護装置を必要とする。一定時間にわたる過電流故障時の電流値は、通常、定格値を僅かに上回るものから最大で定格値の８〜１０倍である。ある程度の期間であれば、システムの配線及び装置を用いてこれらの故障に対応することができるが、電流値が下がらない場合には、保護装置を用いて回路を停止する。一定時間にわたる故障の原因は、概して、機器が機械的に過負荷状態にあること、或いは、配線間、配線から接地、又は配線から中性点のような、極性が逆である配線間の経路インピーダンスが高いことにある。

瞬時過電流故障は、短絡回路故障とも称される深刻な故障であり、このときの電流値は定格の８〜１０倍以上である。この故障の原因は、配線間、配線から接地、又は配線から中性点のような極性が逆である配線間の経路インピーダンスが低いことにあり、直ちにシステムを故障から切り離す必要がある。短絡回路故障の際は電流が極端に大きくなり、機器が著しく損傷し、人間に危険が及ぶ可能性がある。機器の短絡回路故障が長引くほど、発散するエネルギーが大きくなり、損傷が大きくなる。短絡回路故障時の応答時間を最小限にすることで、発散エネルギーを最小限に抑えることは、非常に重要である。

回路遮断器は、回路故障による損傷から電気機器を保護するために設計された電気装置である。従来、最も標準的な回路遮断器は、嵩張る電気機械式スイッチを備えている。残念ながら、標準的な回路遮断器は大型になってしまい、スイッチング機構を動作させるためには大きな力が必要となる。また、この回路遮断器スイッチの動作速度は、比較的遅いことが多い。更に、この回路遮断器の組み立て作業はかなり複雑なので、製造費用がかさむ。しかも、標準的な回路遮断器のスイッチング機構においては、接点が物理的に切り離されている場合、通常、接点間にアークが生じ、回路内の電流が停止するまで接点間に電流が流れ続ける。アークによるエネルギーは、基本的に、機器と人間の両方にとって望ましくない。

接触器は、コマンドに応じて電気的負荷のＯＮとＯＦＦが切り替わるように設計された電気装置である。従来、制御装置には電気機械接触器が用いられており、電気機械接触器では最大で遮断容量までの切替電流を扱うことができる。また、電気機械接触器を、切替電流用の電力システムにも適用できる。しかし、電力システムの故障電流は電気機械接触器の遮断容量よりも大きい場合が多い。従って、電力システム用途に電気機械接触器を採用するためには、接触器の遮断容量を上回る全ての値の電流について、接触器で回路が開く前に故障電流を遮断できるよう、一連の装置を素早く作動させて接触器を損傷から保護することが望ましい。

現在、電気システムでは、過電流保護のために、ヒューズ又は回路遮断器を使用している。ヒューズは、加熱効果（すなわち、Ｉ^２ｔ）に反応して作動する。これらは回路設計の難点であり、負荷に近い方の一連のヒューズそれぞれについて、定格電流をできるだけ小さくする必要がある。この設計では、回路が短絡状態になると、上流のヒューズの加熱エネルギーは全て同じになり、故障に最も近い位置において定格電流が一番小さいヒューズが最初に作動することになる。しかし、ヒューズは一回使い切りの装置なので、故障が発生した後は交換する必要がある。

電力システムにおいて接触器の利便性を高めるためにかつて考えられていた解決策として、真空接触器、真空遮断器、及び空気遮断接触器がある。しかし、真空接触器のような接触器では、接触器先端が密閉真空容器に封入されているので、目視検査が容易ではなかった。また、真空接触器は、大型のモータ、変圧器、及びコンデンサの切り替えには非常に適しているものの、周知のように、特に負荷の遮断時に過渡過電圧故障が生じてしまう。

電気機械接触器には通常、機械式スイッチを使用する。しかし、機械式スイッチによる切替は比較的低速である場合が多いので、切り替えが必要な事象が生じる数十ミリ秒前に、ゼロ交差を予測する予測技術が必要になる。しかし、この時に、過渡電圧が生じることが多く、ゼロ交差予測に誤差が生じ易い。

高速で切り替えを行うために、応答速度が遅い機械式スイッチや電気機械式スイッチの代わりに、高速で応答する固体スイッチが用いられてきた。周知のように、固体スイッチにより、導通状態と非導通状態とを切り替え、電圧又はバイアスを制御する。例えば、固体スイッチに逆バイアスをかけることにより、スイッチを非導通状態にする。しかし、固体スイッチでは、非導通状態に切り替わった時に、接点間に物理的な間隙が形成されないので、漏れ電流が生じる。また、内部抵抗により、固体スイッチが導通状態で作動すると、電圧降下が生じる。正常動作環境において、電圧降下も漏れ電流も、過熱状態の一因となるので、切替動作や寿命に悪影響を及ぼす。しかも、少なくとも固体スイッチ特有の漏れ電流が一因となって、固体スイッチを回路遮断器に用いることは不可能である。

米国特許第５，９４３，２２３Ａ号米国特許第６，０５４，６５９Ａ号米国特許第６，２７５，３６６Ｂ１号欧州特許第１２５５２６８Ａ１号ドイツ特許第１９９２７７６２Ａ１号ドイツ特許第１９８５０３９７Ａ１号

本発明の一実施形態において、過電流保護の方法を開示する。この方法は、複数のＭＥＭＳスイッチデバイスを流れる負荷電流の負荷電流値を監視するステップと、監視対象の負荷電流値が所定の負荷電流値と異なるか否かを判定するステップと、この監視対象の負荷電流値が所定の負荷電流値と異なる場合に故障信号を生成するステップを含む。更に、この方法は、故障信号に応答して、複数のＭＥＭＳスイッチデバイスからの負荷電流を迂回させるステップと、負荷電流と所定の負荷電流値との相違が真の故障トリップに起因するのか、或いは、偽の妨害トリップに起因するのかを判定するステップとを含む。

本発明の別の実施形態において、配電システム用の過電流保護装置を開示する。この装置は、入力制御コマンドを受け取るように構成された、遮断スイッチに接続された端子台を備えるユーザーインターフェースと、このユーザーインターフェースに接続された論理回路と、この論理回路に接続された電源段回路を備える。この装置は、更に、論理回路及び電源回路に接続されたＭＥＭＳ保護回路と、このＭＥＭＳ保護回路に接続された切替回路であって、複数のＭＥＭＳスイッチ装置を有する切替回路とを備える。

添付図面に対応する以下の詳細な説明により、本発明に係る以上に記載の及びその他の特徴、態様、及び利点について更に理解できよう。全図面を通して、同様の構成要素には同様の参照符号が付与されている。

本発明の一実施形態に係る、ＭＥＭＳベースの切替システムを例示するブロック図である。図１に例示するＭＥＭＳベースの切替システムの回路図である。図１に例示するすシステムに代わる、本発明の一実施形態に係るＭＥＭＳベースの切替システムを例示するブロック図である。図３に例示するＭＥＭＳベースの切替システムの回路図である。本発明の一実施形態に係る、ＭＥＭＳベースの過電流保護部品を例示するブロック図である。本発明の一実施形態に係る、ＭＥＭＳ対応過電流保護部品の利用方法を例示するフローチャートである。

これより、本発明の種々の実施形態をわかり易く説明するため、多くの具体例を取り上げて説明する。しかし、当業者に明らかなように、本発明の実施形態において、これらの具体的詳細は必須ではなく、本発明の実施形態は記載の形態に限定されず、更に、本発明には様々な代替形態が存在する。また、周知の方法、手順、及び構成要素の詳細な説明は割愛する。

本発明の実施形態をわかり易く説明するため、様々な動作を独立した複数のステップとして記載することがある。しかし、これらの動作を必ずしも記載の順序どおりに実施する必要はなく、更に、その順番を変更できないわけではない。また、「一実施形態において」などの表現が繰り返し用いられる。これらは共通の実施形態について用いられていることもあるが、そうではないこともある。同様に、本明細書において、「備える」「有する」「含む」などの表現については、特に明記しない限り、同義である。

図１は、本発明の一実施形態に係る、ＭＥＭＳベースのアークレス切替システム１０のブロック図である。現時点においてＭＥＭＳとは、一般的に、機能の異なる複数の素子を組み込むミクロンサイズの構造を意味する。そのような素子には、微細加工技術によって共通の基材上に実装された、機械素子、電気機械素子、センサ、アクチュエータ、及び電子部品が含まれるが、これらに限定されない。しかし、現時点でＭＥＭＳ装置に適用可能な技術及び構造の多くが、わずか数年後には、ナノテク装置、すなわち１００ナノメートル未満の大きさの構造において利用可能になると思われる。従って、本発明は広義に解釈されるべきである。本明細書に例示する実施形態はＭＥＭＳベースの切替装置に関するが、本発明を適用できるものは、ミクロンサイズの素子だけではない。

図１において、ＭＥＭＳベースのアークレス切替システム１０は、ＭＥＭＳベースの切替回路１２とアーク抑制回路１４とを備え、このアーク抑制回路１４（ハイブリッドアークレス制限技術（ＨＡＬＴ）ともいう）は、ＭＥＭＳベースの切替回路１２に動作可能に接続されている。本発明の実施形態において、ＭＥＭＳベースの切替回路１２は、例えば、その全体がアーク抑制回路１４に接続された状態で１つのパッケージ１６として実装されている。別の実施形態において、ＭＥＭＳベースの切替回路１２は、その特定部分又は特定要素のみがアーク抑制回路１４に接続された状態でパッケージ１６として実装されていてもよい。

図２を参照しながら後に詳述するが、ＭＥＭＳベースの切替回路１２は、現在考案されている構成において、１つ以上のＭＥＭＳスイッチを有する。また、アーク抑制回路１４は、平衡ダイオードブリッジとパルス回路とを有する。また、アーク抑制回路１４を用いると、１つ以上のＭＥＭＳスイッチの接点間のアーク形成を抑制することができる。なお、アーク抑制回路１４を用いると、交流電流（ＡＣ）又は直流電流（ＤＣ）に基づいて、アーク形成を抑制することができる。

図２は、図１に例示したＭＥＭＳベースのアークレス切替システムの一実施形態に係る回路図１８である。図１に関連して上述したように、ＭＥＭＳベースの切替回路１２は、１つ以上のＭＥＭＳスイッチを備えている。図示の実施形態の場合、第１ＭＥＭＳスイッチ２０は、第１接点２２、第２接点２４、及び第３接点２６を有する。一実施形態において、第１接点２２をドレインとし、第２接点２４をソースとし、第３接点２６をゲートとする。また、図２のように、電圧スナバ回路３３をＭＥＭＳスイッチ２０と並列に接続して、高速での接点分離の間の電圧のオーバーシュートを低減することができるが、このことについては後に詳述する。別の実施形態において、スナバ回路３３は、スナバ抵抗器（図４の参照符号７８参照）に直列に接続されたスナバコンデンサ（図４の７６参照）を含んでもよい。スナバコンデンサにより、ＭＥＭＳスイッチ２０の一連の開動作時、過渡電圧を分散させ易くなる。また、スナバ抵抗により、ＭＥＭＳスイッチ２０の閉動作時、スナバコンデンサからのあらゆる電流パルスも抑制することができる。また別の実施形態において、電圧スナバ回路３３は、金属酸化物バリスタ（ＭＯＶ）（図示せず）を含む。

本発明の実施形態として、負荷回路４０と第１ＭＥＭＳスイッチ２０とが直列に接続されていてもよい。負荷回路４０に、電圧源Ｖ_ＢＵＳ４４を含めてもよい。更に、負荷回路４０に、負荷インダクタンスＬ_ＬＯＡＤ４６を含めてもよい。この負荷インダクタンスＬ_ＬＯＡＤ４６は、負荷回路４０における、負荷インダクタンスとバスインダクタンスとによる複合インダクタンスである。負荷回路４０には、更に、負荷回路４０における複合負荷抵抗を示す負荷抵抗Ｒ_ＬＯＡＤ４８を含んでもよい。参照符号５０は、負荷回路４０及び第１ＭＥＭＳスイッチ２０を流れる負荷回路電流Ｉ_ＬＯＡＤである。

図１に関連して上述したように、アーク抑制回路１４に、平衡ダイオードブリッジを含めてもよい。平衡ダイオードブリッジ２８は、図示の実施形態において、第１の線２９と第２の線３１を有する。本明細書において、「平衡ダイオードブリッジ」という用語は、第１及び第２の線２９、３１の両方の電圧降下がほぼ等しくなるように構成されたダイオードブリッジを意味する。平衡ダイオードブリッジ２８の第１の線２９には、第１ダイオードＤ_１３０及び第２ダイオードＤ_２３２を含めてもよく、これらのダイオードは相互に接続されて第１直列回路を構成する。同様に、平衡ダイオードブリッジ２９の第２の線３１に、第３ダイオードＤ_３３４及び第４ダイオードＤ_４３６を含めてもよく、これらのダイオードは相互に動作可能なように接続されて第２直列回路を構成する。

一実施形態において、第１ＭＥＭＳスイッチ２０を、例えば、平衡ダイオードブリッジ２８の中間点に並列に接続してもよい。平衡ダイオードブリッジ２８の中間点を、第１及び第２ダイオード３０、３２の間に位置する第１中間点と、第３及び第４ダイオード３４、３６の間に位置する第２中間点から構成してよい。更に、第１ＭＥＭＳスイッチ２０と平衡ダイオードブリッジ２８とを密接にパッケージングすると、平衡ダイオードブリッジ２８、特に、ＭＥＭＳスイッチ２０との接続部に生じる寄生インダクタンスを最小限に抑えることができる。なお、本発明の実施形態において、第１ＭＥＭＳスイッチ２０及び平衡ダイオードブリッジ２８は、例えば、第１ＭＥＭＳスイッチ２０がターンオフ状態になり負荷電流がダイオードブリッジ２８へ移動する際、この第１ＭＥＭＳスイッチ２０と平衡ダイオードブリッジ２８との間の固有インダクタンスにより生じる電圧が、ＭＥＭＳスイッチ２０のドレイン２２とソース２４とにかかる電圧の数パーセントに満たないｄｉ／ｄｔ電圧となるように、相互に対して位置決めされているが、このことについては後に詳述する。別の実施形態において、ＭＥＭＳスイッチ２０とダイオードブリッジ２８との相互作用によるインダクタンスを最小化する目的で、第１ＭＥＭＳスイッチ２０を、平衡ダイオードブリッジ２８と単一のパッケージ３８内に一体的に組み込んでも、任意構成として、同一のダイ内に一体的に組み込んでもよい。

また、アーク抑制回路１４には、平衡ダイオードブリッジ２８に連動するよう接続されたパルス回路５２を含めてもよい。パルス回路５２を、スイッチ条件を検出して、そのスイッチ条件に応じてＭＥＭＳスイッチ２０の開動作を開始するように構成してもよい。なお、「スイッチ条件」という用語は、ＭＥＭＳスイッチ２０の現在の動作状態を変化させる引き金となる条件を意味する。このスイッチ条件の結果、例えば、ＭＥＭＳスイッチ２０が始め閉鎖状態であったものが、次に開放状態になったり、ＭＥＭＳスイッチ２０が始め開放状態であったものが、次に閉鎖状態になったりする。スイッチ条件は、例えば回路故障やスイッチオン／オフ要求などの多様な要因によって生じる。

パルス回路５２に、パルススイッチ５４と、パルススイッチ５４に直列に接続されたパルスコンデンサＣ_{ＰＵＬＳＥ}５６とを含めてもよい。更に、パルス回路５２に、パルススイッチ５４に直列に接続されたパルスインダクタンスＬ_{ＰＵＬＳＥ}５８及び第１ダイオードＤ_Ｐ６０も含めてもよい。パルスインダクタンスＬ_{ＰＵＬＳＥ}５８、ダイオードＤＰ６０、パルススイッチ５４、及びパルスコンデンサＣ_{ＰＵＬＳＥ}５６を直列に接続してパルス回路５２の最初のブロックを形成すると、最初のブロックの構成要素を用いて、パルス電流の波形やタイミングを調節することができる。参照符号６２は、パルス回路５２を流れるパルス回路電流を示す。

本発明の実施形態において、ＭＥＭＳスイッチ２０を用いて、ほぼゼロに近い電圧にもかかわらず電流を送りながら、始め閉鎖状態であったものから、次に開放状態に迅速に（例えば、ピコ秒又はナノ秒単位で）切り替えることができる。これは、負荷回路４０と、ＭＥＭＳスイッチ２０の接点の両端に並列接続された平衡ダイオードブリッジ２８を含むパルス回路５２とが協調動作することにより可能となる。

図３は、本発明の一実施形態に係る、ソフトスイッチングシステム１１のブロック図である。図３において、ソフトスイッチングシステム１１は、動作可能に相互接続された切替回路１２、検出回路７０、及び制御回路７２を含む。検出回路７０を切替回路１２に接続して、負荷回路の交流電源電圧（以下、「電源電圧」という）又は負荷回路の交流電流（以下、「負荷回路電流」という）のゼロ交差を検出することができる。制御回路７２を、切替回路１２及び検出回路７０と接続することによって、交流電源電圧又は交流負荷回路電流のゼロ交差の検出に応じて、切替回路１２の１つ以上のスイッチを、アークを生じることなく切り替えることができる。制御回路７２の一実施形態により、切替回路１２の少なくとも一部を構成する１つ以上のＭＥＭＳスイッチを、アークを生じることなく切り替えることができる。

本発明の一実施形態として、ソフトスイッチングシステム１１を、ソフトスイッチング又はポイントオンウェーブ（ＰｏＷ）スイッチングを行うように構成することができる。こうすると、切替回路１２を通る電圧がちょうどゼロか又はほぼゼロの場合、切替回路１２の１つ以上のＭＥＭＳスイッチが閉じ、切替回路１２を流れる電流がちょうどゼロか又はほぼゼロの場合、切替回路１２の１つ以上のＭＥＭＳスイッチが開く。切替回路１２を通る電圧がちょうどゼロか又はほぼゼロのときにスイッチが閉じることにより、１つ以上のＭＥＭＳスイッチの接点が閉じたときにその接点間の電界が低く抑えられるので、複数のスイッチが全て同時に閉じなくても、接触前のアーク放電を防ぐことができる。同様に、ソフトスイッチングシステム１１において、切替回路１２を流れる電流がちょうどゼロか又はほぼゼロのときにスイッチが開くことにより、切替回路１２で最後に開くスイッチに流れる電流をそのスイッチの設計性能の範囲内とすることができる。上述のように、制御回路７２により、切替回路１２の１つ以上のＭＥＭＳスイッチの開閉を、交流電源電圧又は交流負荷回路電流のゼロ交差と同期させることができる。

図４は、図３のソフトスイッチングシステム１１の回路図１９である。図示の実施形態において、回路図１９は、切替回路１２、検出回路７０、及び制御回路７２を備える。

説明の便宜上、図４の切替回路１２には、ＭＥＭＳスイッチ２０が１つしか記載されていないが、例えば、ソフトスイッチングシステム１１の電流及び電圧の処理要件などに応じて、切替回路１２に複数のＭＥＭＳスイッチを含めることができる。例えば、一実施形態において、ＭＥＭＳスイッチ間の電流を分割するために、相互に並列接続された複数のＭＥＭＳスイッチを含むスイッチモジュールを、切替回路１２に含めることができる。別の実施形態として、ＭＥＭＳスイッチ間の電圧を分割するために、直列接続されたＭＥＭＳスイッチアレイを、切替回路１２に含めることもできる。また別の実施形態としては、相互に直列接続されたＭＥＭＳスイッチモジュールアレイを切替回路１２に含めることで、ＭＥＭＳスイッチモジュール間の電圧を分割するとともに、各モジュールのＭＥＭＳスイッチ間の電流を分割することができる。更に、切替回路１２の１つ以上のＭＥＭＳスイッチを、単一のパッケージ７４として組み込むことができる。

ＭＥＭＳスイッチ２０は、例えば、３つの接点を有する。一実施形態において、第１接点をドレイン２２とし、第２接点をソース２４とし、第３接点をゲート２６とする。一実施形態において、制御回路７２をゲート接点２６に接続して、ＭＥＭＳスイッチ２０の電流状態を切り替えることができる。別の実施形態において、緩衝回路（スナバ回路）３３をＭＥＭＳスイッチ２０に並列に接続して、ＭＥＭＳスイッチ２０における電圧発生を遅延させることができる。図示のように、緩衝回路３３において、スナバコンデンサ７６をスナバ抵抗器７８に直列に接続してもよい。

図４において、ＭＥＭＳスイッチ２０は更に、負荷回路４０と直列に接続されている。この構成において、負荷回路４０に電圧源Ｖ_{ＳＯＵＲＣＥ}４４を備え、典型的な負荷インダクタンスＬ_ＬＯＡＤ４６及び負荷抵抗Ｒ_ＬＯＡＤ４８を含めることができる。一実施形態において、電圧源Ｖ_{ＳＯＵＲＣＥ}４４（ＡＣ電圧源ともいう）により、交流電源電圧及び交流負荷回路電流Ｉ_ＬＯＡＤ５０を発生させる。

上述のように、検出回路７０により、負荷回路４０の交流電源電圧又は交流負荷電流Ｉ_ＬＯＡＤ５０のゼロ交差を検出する。交流電源電圧の検知は、電圧検知回路８０によって行われ、交流負荷電流Ｉ_ＬＯＡＤ５０の検知は、電流検出回路８２によって行われる。交流電源電圧及び交流負荷電流の検出を行うのは、継続的であっても継続的でなくてもよい。

電源電圧のゼロ交差の検出は、例えば、図示のゼロ電圧比較器８４のような比較器を用いて行われる。電圧検知回路８０で検知した電圧及びゼロ電圧基準８６は、ゼロ電圧比較器８４への入力として用いられる。これにより、負荷回路４０の電源電圧のゼロ交差を示す出力信号８８が生成される。同様に、負荷電流Ｉ_ＬＯＡＤ５０のゼロ交差の検出も、図示のゼロ電流比較器９２のような比較器を用いて行われる。電流検出回路８２で検知された電流及びゼロ電流基準９０は、ゼロ電流比較器９２への入力として利用される。これにより、負荷電流Ｉ_ＬＯＡＤ５０のゼロ交差を示す出力信号９４が生成される。

制御回路７２において、ＭＥＭＳスイッチ２０（又はＭＥＭＳスイッチアレイ）の現在の動作状態を変更する（例えば、開閉動作を行う）時点を、出力信号８８及び９４に基づいて判定する。具体的には、制御回路７２を用いて、交流負荷電流Ｉ_ＬＯＡＤ５０でのゼロ交差の検出に応じて、アークを生じることなくＭＥＭＳスイッチ２０を開き、負荷回路４０を遮断又は開路する。更に、制御回路７２によって、交流電源電圧のゼロ交差検出に基づいて、アークを生じることなくＭＥＭＳスイッチ２０を閉じると、負荷回路４０が完結する。

制御回路７２により、少なくとも部分的にイネーブル信号９６の状態に基づいて、ＭＥＭＳスイッチ２０の現在の動作状態を第２の動作状態に切り替えるか否かを判定することができる。例えば、接触器の電源オフコマンドを引き金に、イネーブル信号９６が生成される。また、イネーブル信号９６、並びに、出力信号８８及び９４を、図示のデュアルＤフリップフロップ９８への入力信号として用いる。これらの信号を用いると、イネーブル信号９６が（例えば、立ち上がりエッジをきっかけに）アクティブになった後の最初の電源電圧ゼロ点でＭＥＭＳスイッチ２０を閉じ、イネーブル信号９６が（例えば、立ち下がりエッジをきっかけに）停止した後の最初の負荷電流ゼロ点でＭＥＭＳスイッチ２０を開くことができる。図４の回路図において、イネーブル信号９６がアクティブ（動作によって高かったり低かったりする）で、且つ、出力信号８８又は９４のいずれかが検出電圧又は電流ゼロを示す場合は、常に、トリガ信号１０２が生成される。トリガ信号１０２は、例えばＮＯＲゲート１００により生成される。そして、このトリガ信号１０２に基づいてＭＥＭＳゲートドライバ１０４からゲート起動信号１０６が生成され、ＭＥＭＳスイッチ２０のゲート２６（或いは、ＭＥＭＳアレイの場合は複数のゲート）に制御電圧が印加される。

上述のように、ＭＥＭＳスイッチを１つではなく複数、動作可能に並列に接続（例えば、スイッチモジュールを構成）することで、それぞれの用途に適した定格電流を得ることができる。ＭＥＭＳスイッチを組み合わせると、負荷回路に連続的にかかり得る過渡過電流に十分に耐えられる容量になる。例えば、１０アンペアＲＭＳのモータ接触器に６倍の過渡過負荷がかかる場合、６０アンペアＲＭＳに１０秒間耐えられるだけの数のスイッチを並列接続する。ポイントオンウェーブスイッチングにより電流ゼロ点から５マイクロ秒以内にＭＥＭＳスイッチを切り替えると、接点を開いたときに１６０ミリアンペアの電流が瞬間的に流れる。従って、この場合、各ＭＥＭＳスイッチが１６０ミリアンペアの「ウォームスイッチング」に対応しており、且つ、６０アンペアに耐えられるだけの数のＭＥＭＳスイッチを並列に配置する必要がある。なお、単一のＭＥＭＳスイッチを用いる場合は、そのＭＥＭＳスイッチを、切り替えの瞬間に流れる電流を遮断できるものとする必要がある。

図５は、本発明の一実施形態に係る、ＭＥＭＳベースの過電流保護装置１１０のブロック図である。装置１１０は、ユーザーインターフェース１１５においてユーザーによる制御入力を受ける。ユーザーインターフェース１１５は、装置１１０とやりとりする、ユーザー向けの制御及び入力インターフェースである。ユーザーインターフェース１１５において、電力が三相電源１１４から端子１１６に供給される。電力は、電源１１４から端子１１６に供給された後、電源回路１３５及びスイッチモジュール１２０のそれぞれに供給される。

入力トリップレベルを所定の範囲内に収めるために装置１１０を開閉するような、装置の動作にかかわる判定を、ユーザー入力により行うことができる。同様に、ユーザー入力は、トリップ調整ポテンショメータからの入力であっても、ヒューマンインターフェースによる（例えば、押しボタン式インターフェースからの）電気信号であっても、ユーザーインターフェース１１５に接続された制御装置によるものであってもよい。また、ユーザー直接入力により、端子台１１６を介して遮断スイッチ１１７を作動させることもできる。この遮断スイッチの構成により、下流機器の作業や維持管理の間、装置１１０をロック可能に絶縁して、作業者を保護することができる。また、ユーザー入力により、ＭＥＭＳスイッチの切り替えを制御し、トリップと時間の関係を調節することができる。電源回路１３５により、例えば電力の一時的抑制、電圧測定、絶縁、並びにＥＭＩフィルタリングなどの基本的動作が行われ、付加的な回路に電力が供給される。

過電流保護装置１１０は、論理回路１２５を更に含む。この論理回路１２５により、正常動作時の制御、及び、故障条件の認識（一定時間にわたる過電流１２６に対するトリップ−時間曲線の設定、プログラム機能又は調節機能の実施、特定の回路素子１２６、１２８の開閉制御など）を行う。電流／電圧検知素子１２７により、過電流保護動作に必要な回路を作動させるために、並びに、コールドスイッチングに利用するエネルギー分流回路を機能させるために必要な電圧及び電流の測定値が得られる。この動作には、ダイオードブリッジ１３４の他に、充電回路１３２及びパルス回路１３３が用いられる。ＭＥＭＳ保護回路１３０の構成と動作は、上述のパルス回路５２と同様である。

最後に、切替回路１２０が実装される。この切替回路は、ＭＥＭＳ素子アレイを含む切替モジュール１２２を含む。切替モジュール１２２の構成と動作は、上述のＭＥＭＳスイッチ２０と同様である。切替回路１２０は、本発明の別の実施形態において、絶縁接触器１２３を更に含む。この絶縁接触器を、過電流保護装置１１０が作動していないとき、又は、過電流保護装置１１０がトリップしているときに用いて、電源１１４と出力負荷１４１とを絶縁する。

図５の過電流保護装置１１０は、上述のように構成されており、電力システムのヒューズや回路遮断器の代わりに用いられる。例えば、一実施形態において、論理回路１２５の特性の一部又は全てが、回路遮断器に用いられる一般的な電子トリップ装置の特性と同様である。なお、この電子トリップ装置には、電流及び電圧センサからの信号、時間−電流特性曲線に基づく回路、トリップ信号を生成するアルゴリズム、電流測定情報、及び／又は、外部装置との通信に対応した処理回路が実装されており、これにより、電子トリップ装置を有する回路遮断器と同様の機能を装置１１０に備えている。

本発明の一実施形態において、端子１１６が電源１１４に接続されており、入力が、端子１１６から遮断スイッチ１１７を経て、切替モジュール１２２並びに絶縁接触器１２３に伝わり、最終的に負荷出力１４１となる。遮断スイッチ１１７は、装置又は下流機器に必要な維持管理の作業時に、電流を遮断するために用いられる。このように、ＭＥＭＳスイッチ用の過電流保護装置１１０により、主電源切替と、電力線故障の遮断を行うことができる。

本発明の別の実施形態において、位相差を利用して、電力が論理回路１２５に引き込まれ、その後、サージ抑制素子１３６に供給される。主電源段素子１３７により、電流を、制御回路１３８、過電流保護装置充電回路１３９、及びＭＥＭＳスイッチゲート電圧１４０に個々の電圧で分配する。電流及び電圧センサ１２７から、一定時間及び瞬時の過電流回路１２８に電力が供給される。一定時間及び瞬時の過電流回路１２８により、ＭＥＭＳスイッチゲート電圧１４０及びＭＥＭＳ保護回路１３０のトリガ回路１３１が制御される。

図６は、短絡回路保護により妨害トリップの問題を解決するための方法である、過電流保護装置１１０の利用方法を説明するフローチャートである。ステップ６０５では、過電流保護装置１１０の電流／電圧センサ１２７により、システム内の電源ライン電流値と電源ライン電圧値の両方を継続的に監視する。ステップ６１０では、電流／電圧値が所定範囲から外れるか否かの判定を行う。電流／電圧値が所定範囲内である場合は、センサ１２７は監視動作を継続する。検知された電流／電圧レベルが所定範囲から外れている場合には、システムが判定した電流／電圧値の相違が検出されたことを示す故障信号を生成する（ステップ６１５）。故障信号の生成に伴い、ステップ６２０において、システム内の故障発生を追跡するために、故障カウンタをインクリメントする。

ステップ６２５において、故障信号をＭＥＭＳ保護回路１３０のトリガ回路１３１に送り、過電流保護パルス発生動作を開始する。このパルス発生動作に応じてパルス回路１３３が起動し、その結果、ＬＣパルス回路が閉じる。ＬＣパルス回路１３３が閉じると、充電回路１３２から平衡ダイオードブリッジ１３４を通じて放電が生じる。ダイオードブリッジ１３４を流れるパルス電流により、切替モジュール１２２のＭＥＭＳアレイスイッチに短絡を生じ、負荷電流をダイオードブリッジ及びＭＥＭＳアレイの周辺に迂回させる（ステップ６３０）（図２及び５参照）。保護パルス発生動作時、切替モジュール１２２のＭＥＭＳスイッチは、電流がちょうどゼロ又はゼロに近いときに開く（ステップ６３５）。

ステップ６３５でＭＥＭＳスイッチを開いた後、ステップ６４０において、システム内で蓄積されたインクリメント故障カウント情報を取得する。そして、ステップ６４５において、トリップ動作が、非妨害トリップによるものなのか、検出されたノイズ又は電力ラインによる可能性のある妨害トリップによるものなのか、判定を行う。故障カウントが１未満の場合には、そのトリップ動作が、妨害トリップによるものと判定し（ステップ６５０）、素子はＭＥＭＳスイッチを閉じて（又は再び閉じて）、電流／電圧の監視動作を続ける。故障カウントが１以上の場合には、そのトリップ動作は、非妨害トリップによるものと判定し（ステップ６５５）、ステップ６６０において、素子はＭＥＭＳスイッチを開いたままの状態で、スイッチのリセット作業を待つ。

本発明による装置は、既存のヒューズ及び回路遮断器よりも信頼性の高い過電流保護が可能であり、既存の装置にとって代わるものである。

以上、本発明に係る特徴の一部のみについて図示し説明してきたが、当業者にはこれらの修正及び改変形態が想起可能であろう。かかる修正及び改変形態も、本発明の実施形態として添付の特許請求の範囲に含まれることを理解されたい。

Claims

過電流保護方法であって、
複数のＭＥＭＳスイッチデバイスを流れる負荷電流の負荷電流値を監視するステップと、
監視対象の前記負荷電流値が所定の負荷電流値と異なるか否かを判定するステップと、
監視対象の前記負荷電流値が前記所定の負荷電流値と異なる場合に故障信号を生成するステップと、
前記故障信号に応答して、前記複数のＭＥＭＳスイッチデバイスからの前記負荷電流を迂回させるステップと、
前記負荷電流と前記所定の負荷電流値との相違が真の故障トリップに起因するのか、或いは、偽の妨害トリップに起因するのかを判定するステップを含む方法。
前記負荷電流値の相違が真の故障トリップに起因するものと判定された場合に、前記ＭＥＭＳスイッチ装置のスイッチを開いたままにする、請求項１に記載の方法。
前記負荷電流値の相違が偽の妨害トリップに起因するものと判定された場合に、前記ＭＥＭＳスイッチ装置のスイッチを閉じる、請求項２に記載の方法。
負荷電圧値を監視するステップを更に含む、請求項３に記載の方法。
監視対象の前記負荷電圧が所定の負荷電圧値と異なるか否かを判定するステップを更に含む、請求項４に記載の方法。
前記負荷電圧／電流値が所定の負荷電圧値と異なる場合に故障信号を生成するステップを更に含む、請求項５に記載の方法。
前記負荷電圧／電流値が真の故障トリップに起因するのか、或いは、偽の妨害トリップに起因するのかを判定するステップを更に含む、請求項６に記載の方法。