JP2012055158A - インライン固体素子による分岐回路保護 - Google Patents

Abstract

【課題】建物内のアーク故障回路断続器（ＡＦＣＩ）素子の応答がかなり遅いので、過電流状態が発生したときに、関連する分岐回路の電源を切る前に下流の固体制御素子が損傷することがある。
【解決手段】過電流状態から保護する方法は、予め定めた電流しきい値およびエネルギーしきい値を超える過電流状態が発生すると、固体スイッチ（１６）を制御してオフにして、第１の電流路（１２）の電流を止める。固体スイッチ（１６）がオフになると、電流は第１の電流路（１２）に並列の第２の電流路（１４）を選択的に通る。第１の電流路（１２）および第２の電流路（１４）の上流にある過電流検出素子（２６）を用いて、過電流状態と電流路の下流の予め定めた故障状態とが一致するかどうかを、少なくとも部分的に第２の電流路（１４）を介して検出する。
【選択図】図１

Description

本発明は分岐回路の保護に関するもので、より特定すると、インライン固体スイッチによる分岐回路の過電流保護に関するものである。

米国電気工事規準（Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｄｅ）２００８などの最近の建築規定はアーク故障回路断続器（ＡＦＣＩ）素子を家庭内の多くの分岐回路に用いることを要求している。アークやスパークの発生を示す電流信号を検出すると、ＡＦＣＩ素子は分岐回路の電源を切る。

しかしＡＦＣＩ素子の応答はかなり遅いので、ＡＦＣＩ素子がその関連する分岐回路の電源を切る前に下流の固体制御素子が損傷することがある。

過電流状態から保護する方法は、予め定めた電流しきい値および予め定めたエネルギーしきい値を超える過電流状態が発生すると、固体スイッチを制御してオフにして、第１の電流路の電流を止める。固体スイッチがオフになると、電流は第１の電流路に並列の第２の電流路を選択的に通る。第１の電流路および第２の電流路の上流にある過電流検出素子を用いて、過電流状態と電流路の下流の予め定めた故障状態とが一致するかどうかを、少なくとも部分的に第２の電流路を介して検出する。

本発明のかかる機能は、以下の仕様および図面と、それに続く簡単な説明から理解することができる。
過電流保護を有する例示の分岐回路の略図である。 過電流保護を有する別の例示の分岐回路の略図である。 図１−２の分岐回路のための例示の無線切換え応用の略図である。

図１は例示の分岐回路１０の略図である。分岐回路１０は第１の電流路１２と、第１の電流路１２に並列に接続する第２の電流路１４とを含む。第１の電流路１２は、第１の電流路１２を通って負荷１８に流れる電流を制御する固体スイッチ１６を含む。一例として、スイッチ１６は１個以上のＭＯＳＦＥＴを含む。一例として、負荷１８は照明負荷を含み、スイッチ１６は照明負荷を調節する機能（ｄｉｍｍｉｎｇ ｆｕｎｃｔｉｏｎ：調光機能、ディミング機能、暗くする機能）を行う。もちろん、他のスイッチ１６および負荷１８を用いてよい。

電流およびエネルギー検知モジュール２０は、電流路１２を流れる電流が予め定めた電流しきい値および予め定めたエネルギーしきい値（これは過電流状態を示す）を超えるかどうか判定する。電流路１２を流れる電流が予め定めた電流およびエネルギーのしきい値を超えた（例えば、予め定めた電流しきい値を電流が或る時間にわたって超えたために予め定めたエネルギーしきい値を電流が超えた）場合は、電流およびエネルギー検知モジュール２０はスイッチ制御器２２に指示してスイッチ１６をオフにし、電流路１２を流れる電流を遮断する。スイッチ１６をオフにすることにより、スイッチ１６は過電流状態による損傷から保護される。

第２の電流路１４は過渡電圧抑制（ＴＶＳ）素子２４を含む。一例として、ＴＶＳ素子はツェナーダイオードまたは金属酸化物バリスタ（ＭＯＶ）である。もちろん、他のＴＶＳ素子２４を用いてよい。通常の非故障状態ではＴＶＳは導通しないので第２の電流路１４を通る電流はなく、電流は電流路１２だけを通ることができる（スイッチ１６の状態に従って）。分岐回路は過電流検出素子２６およびインダクタ２８を更に含み、これらは共に電流路１２、１４の上流にある。一例として、過電流検出素子２６は、過電流状態とアーク故障状態とが一致するかどうかを検出するアーク故障回路断続器（ＡＦＣＩ）素子を含む。一例として、過電流検出素子２６は、過電流状態と接地故障状態とが一致するかどうかを検出する接地故障回路断続器（ＧＦＣＩ）素子を含む。一例として、過電流検出素子２６は、過電流状態と或る最大許容電流しきい値を超える電流とが一致するかどうかを検出する標準回路遮断器を含む。もちろん、他の過電流保護素子も用いてよい。

電流路１２，１４の下流で（例えば、ノード３０で）過電流状態が発生した場合は、スイッチ１６はオフになって第１の電流路１２を通る電流を止める。後で説明するが、この電流の急変によりインダクタ２８は電圧スパイクとして放電する。この電圧スパイクが十分大きい場合はＴＶＳ素子２４は導通を開始し、過電流検出素子２６は、この過電流状態と予め定めた故障状態とが一致するかどうかを、少なくとも部分的に第２の電流路を介して検出する。予め定めた故障状態（例えば、アーク故障状態）を検出すると、過電流検出素子２６（例えば、ＡＦＣＩ素子）はオフになり、電流路１２、１４を流れる電流を共に止める。このプロセスについて以下に詳細に説明する。

上に述べたように、予め定めた電流およびエネルギーのしきい値を超える電流スパイクを電流およびエネルギー検知モジュール２０が検出すると、スイッチ１６はオフになる。一例として、電流しきい値は５０−７５アンペアの範囲内でよい。一例として、エネルギーしきい値は１００−３００ｍＪの範囲内でよい。もちろん、他の電流およびエネルギーしきい値を用いてよい。過電流状態を検出してからスイッチ１６をオフにするまでの時間は数マイクロ秒程度なので、スイッチ１６は十分速くオフになるので自分自身を保護することができる。しかし過電流検出素子２６は予め定めた故障状態を検出するのに少し長い時間（例えば、数ミリ秒）を必要とする。したがって、スイッチ１６がオフになる時間が速いために、過電流検出素子２６は第１の電流路１２を通る故障状態を検出することができない。

スイッチ１６がオフになって電流路１２を通る電流を遮断すると、インダクタ２８はその蓄積したエネルギーを電流として放電する。スイッチ１６がオフになった後の時間（Δｔ）内の電流の急変（ΔＩ）により、電圧が電圧スパイクとしてＴＶＳ素子２４の両端に発生する。インダクタ２８により生成される電圧の大きさは下の式１を用いて表され、インダクタ２８内に蓄積されるエネルギーの大きさは下の式２を用いて表される。


ただし、
Ｖはインダクタ２８により生成される電圧、
Ｉはスイッチ１６がオフになる直前にインダクタ２８を流れる電流、
Ｌはインダクタ２８のインダクタンス、
Ｅはインダクタ２８内に蓄積されるエネルギー
である。

生成される電圧ＶがＴＶＳ素子２４の降伏電圧より大きい場合は、インダクタ２８内に蓄積されたエネルギーはＴＶＳ素子２４を通って放電される。インダクタ２８のインダクタンスとＴＶＳ素子２４の降伏電圧の値は、この放電が十分大きくて第２の電流路１４のＴＶＳ素子２４が導通を開始できるように選択してよい。一例として、ＴＶＳ素子２４は固体スイッチ１６の定格より１０−２０ボルト低い導通しきい値を有するよう選択する。しかし、これらは単なる例示の値であって、理解されるように、別の導通しきい値を用いてよい。

ＴＶＳ素子２４が導通しているときは、インダクタ２８はＴＶＳ素子２４を通して放電する。放電電流はスイッチ１６を開かせる原因となった下流の故障状態に似ているので、この放電電流を解析することにより、過電流検出素子２６は、予め定めた故障状態（例えば、ノード３０での）とこの過電流状態とが一致するかどうかを決定することができる。上に述べたように、予め定めた故障状態は、例えば、アーク故障状態または接地故障状態を含んでよい。スイッチ１６をオフにする原因となった過電流状態とアーク故障状態とが一致する場合は、第１の電流路１２の電流が早目に止まることがあっても、過電流検出素子２６はトリップして回路１０を保護することができる。一例として、過電流検出素子２６は第２の電流路１４だけにより下流の過電流状態を解析する。しかし、過電流検出素子２６は部分的に第１の電流路１２により（スイッチ１６がオフになる前）また部分的に第２の電流路１４により下流の過電流状態を解析してよい。

一例として、スイッチ１６は或る時間遅れの後で（例えば、次の半ＡＣサイクルの零交差電圧で）再び自動的にオンになることがある。このとき、回路１０は次に下流で過電流状態が発生するとすぐ反応することができる。このように、回路１０はスイッチ１６を効果的に保護することができるしまたＡＦＣＩの使用を要求する電気工事規定に準拠するので、スイッチ１６は十分速く開いて自分自身を保護することができるし、また電流路１４は下流のアークおよびアークパターンを表す電流を与えて過電流検出素子２６をトリップさせることができる。

図２はアーク故障保護を有する別の例示の分岐回路４０の略図である。回路４０は第１の電流路４２と、第１の電流路４２に並列に接続する第２の電流路４４とを含む。第１の電流路４２は、第１の電流路４２を通って負荷４８に流れる電流を制御する固体スイッチ４６を含む。回路１０の場合と同様に、スイッチ４６は１個以上のＭＯＳＦＥＴを含んでよく、また負荷４８は照明負荷を含んでよく、スイッチ４６は照明負荷を暗くする機能を行う。もちろん、他のスイッチ４６および負荷４８を用いてよい。

電流およびエネルギー検知モジュール５０は、電流路４２を流れる電流が予め定めた電流しきい値および予め定めたエネルギーしきい値を超えるかどうか判定する。電流路４２を流れる電流が予め定めた電流およびエネルギーのしきい値を超えた（例えば、予め定めた電流しきい値を電流が或る時間にわたって超えたために予め定めたエネルギーしきい値を電流が超えた）場合は、電流およびエネルギー検知モジュール５０はスイッチ制御器５２に指示してスイッチ４６をオフにするので、電流路４２を流れる電流は遮断され、電流は第２の電流路４４を通って流れる。回路１０の場合と同様に、スイッチ４６をオフにすることにより、スイッチ４６は過電流状態による損傷から保護される。

第２の電流路４４は電気機械スイッチ５４を含む。通常の非故障状態ではスイッチ５４はオフであり、電流は電流路４２だけを流れることができる（スイッチ４６の状態に従って）。固体スイッチ４６がオフになると、電気機械スイッチ５４はオンになって、電流は電流路４４を流れることができる。電流路４４に電流が流れることにより、過電流状態と予め定めた故障状態とが一致する（例えば、ノード６０で）場合は、過電流検出素子５６はトリップして回路４０および負荷４８を保護することができる。分岐回路１０に関して上に述べたように、過電流検出素子５６は、アーク故障回路断続器、接地故障回路断続器、または標準の回路遮断器の少なくとも１つを含んでよく、また予め定めた故障状態はアーク故障状態、接地故障状態、または予め定めた大きさの過電流状態の少なくとも１つを含んでよい。

一例として、過電流検出素子５６は第２の電流路４４だけにより下流の過電流状態を解析する。しかし、過電流検出素子５６は部分的に第１の電流路４２により（スイッチ４６がオフになる前）また部分的に第２の電流路４４により下流の過電流状態を解析してよい。

このように、回路１０と同様に、回路４０はそのスイッチ４６を効果的に保護することができるし、またＡＦＣＩの使用を要求する電気工事規定に準拠するので、スイッチ４６は十分速く開いて自分自身を保護することができるし、また電流路４４は下流の過電流状態を把握して、過電流検出素子５６が下流の故障状態を検出できるようにすることができる。

電流路１４、４４を用いなければ過電流検出素子２６、５６はトリップすることができないであろう。なぜなら、固体スイッチ１６、４６は、過電流検出素子２６、５６が予め定めた故障状態を検出する前に早目に開く可能性があるからである。その結果、過電流検出素子２６、５６によるアーク故障検出機能が失われるために、回路１０、４０は建物の点検（ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ）に失敗する可能性がある。第１の電流路１２、４２に並列の第２の電流路１４、４４に電流を選択的に通すことにより、過電流検出素子２６、５６が電流路１２−１４、４２−４４の上流に位置するにもかかわらず、過電流検出素子２６，５６は電流路１２−１４の下流のアーク故障状態を検出することができる。このようにして、過電流検出素子２６、５６の動作は固体スイッチ１６、４６の動作により妨げられない。

図３は、図１−２の分岐回路１０、４０のための例示の無線切換え応用７０の略図である。セルフ・エナジャイズ（ｓｅｌｆ−ｅｎｅｒｇｉｚｉｎｇ）スイッチ７２は多チャネルコントローラ７４と無線で通信する。スイッチ部７２ａまたは７２ｂを押すと、スイッチ７２はエネルギーを得て１つ以上の無線信号７５を送信する。コントローラ７４は、１つ以上の無線信号７５に応じて照明負荷７６ａ−ｂのオンまたはオフを指示して、照明負荷７６ａ−ｂをＡＣ電源７７に選択的に接続する。照明負荷７６ａ−ｂはそれぞれ多チャネルコントローラ７４のチャネルに対応する。２チャネルだけを図示しているが、理解されるように、コントローラ７４は他のチャネル数を含んでよい。

コントローラ７４は過電流保護を有する分岐回路１０、４０の１つを含んでよい。すなわち、過電流保護（例えば、ＡＦＣＩ保護）を無線切換え応用７０内に含んでよい。一例として、コントローラ７４はアーク故障保護を有する分岐回路１０を含む。すなわち、コントローラ７４は第２の電流路１４と複数の第１の電流路１２とを含み、複数の第１の電流路１２はそれぞれ多チャネルコントローラ７４のチャネルに対応する。この例では、コントローラ７４は、過電流保護素子２６により故障状態を検出するのに、１個のインダクタ２８と１個のＴＶＳ素子２４だけを含んでよい。
一例として、コントローラ７４は分岐回路４０を含む。すなわち、コントローラ７４はそのチャネル内にそれぞれ電流路４２、４４を含み、また各チャネルはスイッチ４６およびスイッチ５４を共に含む。

いくつかの実施の形態を開示したが、当業者が認識するように、ある種の修正はこの開示の範囲内に入る。したがって、この開示の真の範囲および内容を決定するには以下のクレームを調べるべきである。

１２ 第１の電流路
１４ 第２の電流路
１６ 固体スイッチ
１８ 負荷
２６ 過電流検出素子
２８ インダクタ

Claims (25)

1. 電気回路であって、
   負荷と、前記負荷への電流を制御するスイッチとを含む少なくとも１つの第１の電流路と、
   前記少なくとも１つの第１の電流路に並列に接続し、過渡電圧抑制（ＴＶＳ）素子を含む第２の電流路と、
   前記電流路の上流にある過電流検出素子であって、予め定めたしきい値を超える過電流状態が発生すると前記スイッチはオフになって前記第１の電流路を流れる電流を止めるので、前記過電流検出素子は、前記過電流状態と予め定めた故障状態とが一致するかどうかを、少なくとも部分的に前記第２の電流路を介して検出する、過電流検出素子と、
   を含む電気回路。
2. 前記負荷は照明負荷を含み、また前記スイッチは前記照明負荷を調節する機能を行う、請求項１記載の電気回路。
3. 前記第１の電流路内の電流が前記予め定めたしきい値を超えたことを検出して、スイッチ制御器に指示して前記スイッチをオンまたはオフにする検知モジュールを含む、請求項１記載の電気回路。
4. 前記過電流検出素子と前記２つの電流路の間に接続する誘導巻線を含み、前記誘導巻線は前記スイッチがオフになると蓄積されたエネルギーを放電し、前記エネルギーは電流として前記ＴＶＳ素子内に放電されるので、前記誘導巻線内に蓄積されたエネルギーがＴＶＳ導通しきい値を超えた場合は前記ＴＶＳ素子は導通を開始する、請求項１記載の電気回路。
5. 前記ＴＶＳ素子はツェナーダイオードまたは金属酸化物バリスタの少なくとも１つを含み、また前記スイッチは固体スイッチである、請求項１記載の電気回路。
6. 前記少なくとも１つの電流路は複数の第１の電流路を含み、前記複数の第１の電流路はそれぞれ多チャネルコントローラのチャネルに対応し、各チャネルは自分の個別に制御可能な負荷を有し、前記多チャネルコントローラのために必要な第２の電流路は１つだけである、請求項１記載の電気回路。
7. 前記過電流検出素子はアーク故障回路断続器、接地故障回路断続器、または標準の回路遮断器の少なくとも１つを含み、また前記予め定めた故障状態はアーク故障状態、接地故障状態、または予め定めた大きさの過電流状態の少なくとも１つを含む、請求項１記載の電気回路。
8. 前記予め定めたしきい値は少なくとも電流しきい値である、請求項１記載の電気回路。
9. 前記予め定めたしきい値は少なくともエネルギーしきい値である、請求項１記載の電気回路。
10. 電気回路であって、
    過電流検出素子と、
    前記過電流検出素子の下流にあって第１の電流路を形成する固体スイッチと、
    前記第１の電流路に並列の第２の電流路を形成する電気機械スイッチと、
    前記電流路の下流の負荷であって、前記負荷への電流が予め定めたしきい値を超えた場合は、前記固体スイッチはオフになりまた前記電気機械スイッチはオンになって前記固体スイッチを前記過電流状態から保護し、前記過電流検出素子は前記負荷への電流と予め定めた故障状態とが一致するかどうかを前記第２の電流路を通して検出することができる、負荷と、
    を含む電気回路。
11. 前記負荷は照明負荷を含み、また前記固体スイッチは前記照明負荷を調節する機能を行う、請求項１０記載の電気回路。
12. 前記固体スイッチがオンになった場合は前記電気機械スイッチはオフになる、請求項１０記載の電気回路。
13. 前記過電流検出素子はアーク故障回路断続器、接地故障回路断続器、または標準の回路遮断器の少なくとも１つを含み、また前記予め定めた故障状態はアーク故障状態、接地故障状態、または予め定めた大きさの過電流状態の少なくとも１つを含む、請求項１１記載の電気回路。
14. 前記予め定めたしきい値は少なくとも電流しきい値である、請求項１０記載の電気回路。
15. 前記予め定めたしきい値は電流しきい値およびエネルギーしきい値である、請求項１４記載の電気回路。
16. 過電流状態から保護する方法であって、
    予め定めたしきい値を過電流状態が超えると、固体スイッチを制御してオフにして第１の電流路を流れる電流を止め、
    前記固体スイッチがオフになると、前記第１の電流路に並列の第２の電流路に選択的に電流を通し、
    前記第１の電流路および前記第２の電流路の上流にある過電流検出素子を用いて、前記過電流状態と前記電流路の下流の予め定めた故障状態とが一致するかどうかを、少なくとも部分的に前記第２の電流路を介して検出する、
    ことを含む、過電流状態から保護する方法。
17. 前記固体スイッチがオンになると、電流が前記第２の電流路を流れるのを止めることを含む、請求項１６記載の過電流状態から保護する方法。
18. 前記固体スイッチがオフになると前記第１の電流路に並列の第２の電流路に前記選択的に電流を通すことは、
    前記２つの電流路の上流にある誘導巻線内にエネルギーを蓄積することと、
    前記固体スイッチがオフになると前記蓄積されたエネルギーを前記第２の電流路内の過渡電圧抑制（ＴＶＳ）素子内に放電するので、前記誘導巻線内に蓄積されたエネルギーがＴＶＳ導通しきい値を超えた場合は前記ＴＶＳ素子は導通を開始することができることと、
    を含む、請求項１６記載の過電流状態から保護する方法。
19. 前記第１の電流路は照明負荷を含み、また前記固体スイッチは前記照明負荷を調節する機能を行う、請求項１６記載の過電流状態から保護する方法。
20. 前記ＴＶＳはツェナーダイオードまたは金属酸化物バリスタの少なくとも１つを含む、請求項１８記載の過電流状態から保護する方法
21. 前記固体スイッチがオフになると前記第１の電流路に並列の第２の電流路に前記選択的に電流を通すことは、
    前記固体スイッチがオフになると電気機械スイッチをオンにして前記第２の電流路に電流を流す、
    ことを含む、請求項１６記載の過電流状態から保護する方法。
22. 照明負荷は前記第１の電流路および前記第２の電流路の下流に位置し、また前記電気機械スイッチがオフになると前記固体スイッチは前記照明負荷を調節する機能を行う、請求項２１記載の過電流状態から保護する方法。
23. 前記過電流検出素子はアーク故障回路断続器、接地故障回路断続器、または標準の回路遮断器の少なくとも１つを含み、また前記予め定めた故障状態はアーク故障状態、接地故障状態、または予め定めた大きさの過電流状態の少なくとも１つを含む、請求項１６記載の過電流状態から保護する方法。
24. 前記予め定めたしきい値は少なくとも電流しきい値である、請求項１６記載の過電流状態から保護する方法。
25. 前記予め定めたしきい値は電流しきい値およびエネルギーしきい値である、請求項２４記載の過電流状態から保護する方法。