JP2012521620A - ガルヴァーニ直流電流遮断用断路装置 - Google Patents

Abstract

【課題】直流電流源、特に光発電機と、電気装置、特にインバータの間の直流電流遮断のための特に好適な断路装置を提示する。
【解決手段】本発明は、電圧が印加された機械式開閉接点（７ａ、７ｂ）と、この開閉接点（７ａ、７ｂ）の１つに並列に接続された半導体電子回路（８）とを備える直流電流源（２）および電気装置（３）の間、特に光発電機及びインバータの間の直流電流遮断用の断路装置（１）に関する。前記半導体電子回路（８）は、閉じた開閉接点（７ａ、７ｂ）で電流阻止されており、開いた開閉接点（７ａ、７ｂ）でアーク（ＬＢ）により開閉接点（７ａ、７ｂ）を介して発生したアーク電圧（Ｕ_ＬＢ）が前記半導体電子回路（８）を電流伝導性に接続するように、前記半導体電子回路（８）の制御入力（１５）が開閉接点（７ａ、７ｂ）と接続されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電圧が印加された機械式開閉接点と、これと並列に接続された半導体電子回路とを備える直流電流源および電気装置の間の直流電流遮断用断路装置に関する。この場合、直流電流源とは特に光発電機（太陽光発電システム）、電気装置とは特にインバータと解される。

ＤＥ２０２００８０１０３１２Ｕ１から、発電ユニットを組み合わせた太陽光発電モジュールを、直列または並列に接続した、いわゆる光発電機からなる光発電システムあるいは太陽光発電システムが知られている。発電ユニットがその直流電流出力を２個の端子を介して引き渡すのに対し、光発電機全体の直流電流出力はインバータを介して交流電力網に供給される。その際に前記発電ユニットと中央インバータの間の配線費用と出力損失を低く抑えるために、いわゆる発電機端子箱は前記発電ユニットの近傍に配設される。このように整流された直流電流出力は、通常、１本の共通のケーブルを介して中央インバータに導かれる。

光発電システムは、システムに制約されて一方で持続的に動作電流と、動作電圧を１８０Ｖ（直流）および１５００Ｖ（直流）の間の範囲で供給し、他方では − たとえば据え付け、組み立てまたは整備の目的で、また特に一般的な人員保護のためにも − 直流電流源として作用する光発電システムからの電気部品または装置の確実な断路が望まれているので、相応の断路装置は、負荷下の遮断すなわち直流電流源を事前に遮断せずに実行できなければならない。

負荷分離のために、機械式開閉器（開閉接点）は、実行された接点開放時に直流電流源（光発電システム）からの電気装置（インバータ）の電気的断路が確立されるという長所と共に使用することができる。しかしながら、この種の機械式開閉接点が接点開放時に発生するアークによって極めて早期に摩耗し、もしくは前記アークを閉じ込めて冷却するために付加的な費用が必要であり、これが通常消弧室をもつ相応の機械式開閉器によって行われるという欠点がある。

それに対して、負荷分離のために高性能の半導体開閉器が使用されるとき、標準運転においても避けられない半導体の出力損失が発生する。特に、この種の電力半導体では電気的断路と共に確実な人員保護が保証されていない。

ＤＥ１０２２５２５９Ｂ３から、ハイブリッド開閉器の形式により半導体開閉素子がインバータのハウジング内の、たとえばサイリスタの形態で、ならびに光発電モジュールと接続された主接点および補助接点を有する負荷断路器として形成された電気コネクタが知られている。引き抜き過程で先行する主接点は、後続の補助接点、および半導体開閉素子と直列に接続される補助接点に並列に接続されている。この場合、半導体開閉素子が周期的にオンおよびオフにされることによって、前記半導体開閉素子がアーク防止もしくは消弧のために駆動される。

ＤＥ１０３１５９８２Ａ２から、電磁作動式主接点と、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ）とを備えるハイブリッド電磁直流電流開閉器が半導体開閉器として公知である。

しかしながら、公知のハイブリッド開閉器は、常に前記半導体開閉器の駆動および前記半導体開閉器が使用された半導体電子回路の作動のための外部エネルギー源を有する。

ＤＥ２０２００８０１０３１２Ｕ１ ＤＥ１０２２５２５９Ｂ３ ＤＥ１０３１５９８２Ａ２

本発明は、直流電流源、特に光発電機と、電気装置、特にインバータの間の直流電流遮断のための特に好適な断路装置を提示する課題を基礎に置いている。

この課題は、本発明により請求項１の特徴によって解決される。そのために断路装置は、好適に短時間のアーク、すなわち１ｍｓ以下、好ましくは５００μｓ以下または５００μｓのアーク時間に対して設計された機械式開閉接点を含む。前記機械式開閉接点（開閉器または断路素子）に、本質的に少なくとも１つの半導体開閉器、好ましくはＩＧＢＴを含む半導体電子回路が並列に接続されている。

本発明による断路装置の半導体電子回路は、まったく付加的なエネルギー源をもたず、それに応じて閉じた機械式開閉器で電流阻止し、すなわち高インピーダンスであり、それによって実質的に無電流および無電圧である。閉じた機械式開閉接点で半導体電子回路を介して電流が流れず、そのため特に半導体開閉器を介してまたは各半導体開閉器に電圧降下が生じないので、半導体電子回路は閉じた機械式開閉器でも出力損失が発生しない。むしろ半導体電子回路は、その作動に必要なエネルギーを断路装置から、すなわち断路器システム自体から得る。そのために、機械式開閉器の開放時に発生するアークエネルギーが援用および利用される。この場合、半導体電子回路もしくは半導体開閉器の制御入力は、開閉器が開いた際のアークによって開閉器もしくはその開閉接点に流れる半導体電子回路に並列なアーク電圧が半導体電子回路を導通、すなわち低抵抗化およびそれにより通電するように、機械式開閉接点と接続されている。

半導体電子回路が僅かに電流伝導性に接続されると、直ちにアーク電流が機械式開閉器から半導体電子回路への整流を開始する。相応のアーク電圧もしくはアーク電流は、この場合、無アークで半導体電子回路を遮断するために制御電圧の発生下に標定して放電する好ましくはコンデンサの形態のエネルギー蓄積器を充電する。所定の持続時間または時定数と共に前記エネルギー蓄積器もしくはコンデンサの充電時間がアーク時間を決定する。

好ましくは充電過程に続いて時限素子が始動し、その間に半導体電子回路が無アークのまま電流阻止により制御される。前記時限素子の持続時間は、この場合、アークもしくはプラズマの確実な消弧および信頼できる冷却に設定される。

本発明は、この場合、耐衝撃性および信頼できる直流電流遮断のために、半導体電子回路が専用の補助エネルギー源なしで使用できるとき、純２極として形成されたハイブリッド断路器を使用できる考案から出発する。これは再び周知のように、電子回路に並列に接続された機械式開閉器の開放時に発生されるアークエネルギーが前記電子回路の作動に利用されることによって達成できる。そのために前記電子回路は、アークエネルギーの少なくとも一部を蓄積するエネルギー蓄積器を持つことができ、その場合、アークの信頼できる消弧に指定される一定の作動時間に対して前記電子回路に供給される。

目的に応じてエネルギー蓄積器として設けられたコンデンサは、好ましい一実施形態に従って、オーム抵抗と接続して前記エネルギー蓄積器の充電時間または充電時定数を決定する。エネルギー蓄積器の充電時間と共にアーク持続時間は、好ましくは１ｍｓ以下、目的に応じて０．５ｍｓ以下または０．５ｍｓに設定される。この持続時間は、一方で機械式開閉器の開閉接点の望ましくない接点燃焼を確実に回避するために十分短い。他方、前記持続時間は、半導体電子回路の自己供給をそれに続く時限素子によって決定された持続時間に対して保証するために十分長く、前記持続時間内で低インピーダンスの整流状態から高インピーダンスの遮断状態（出発状態）へ電子回路が駆動される。

前記時限素子の経過後、消弧されたアークが高インピーダンスに接続された電子回路でも新たに発生しないことが保証されている。それに応じて、すでに信頼できる断路と直流電流遮断が達成されている。

信頼できる電気的遮断および断路のための付加的なヒューズ要素として、好適な方法で機械式開閉器と半導体電子回路からなる並列回路と直列に接続されたもう１つの機械式断路器が設けられている。

特に好ましい実施形態において、半導体電子回路は好ましくはＩＧＢＴとして構成された電力開閉器または半導体開閉器に加えて、好ましくはＭＯＳＦＥＴ（金属酸化物半導体電界効果トランジスタ）として構成されたもう１つの電力開閉器もしくは半導体開閉器を含む。ほぼ無出力で駆動可能の、高い阻止電圧で良好な通過特性を示すＩＧＢＴは、この場合、好適な方法で別の半導体開閉器（ＭＯＳＦＥＴ）と直列にカスコード配列方式で接続されている。半導体開閉器は、それによって機械式開閉器によって形成された主電路と並列の整流路を形成し、この整流路でアーク電流が機械式開閉器の開放によっておよび半導体開閉器または各半導体開閉器の先行制御によってさらに整流する。整流中にハイブリッド断路器を介しておよびそれによって半導体電子回路を介して降下するアーク電圧は、約１５Ｖおよび３０Ｖの間になる。

好ましい実施形態による半導体電子回路が第１半導体開閉器（ＩＧＢＴ）と第２半導体開閉器（ＭＯＳＦＥＴ）を有するとき、第１半導体開閉器はまず、第一に、両方の半導体開閉器の間 − つまりほぼカスコード中央タップで − エネルギー蓄積器の充電に十分な電圧を、たとえば１２Ｖ（直流）の高さでタップ取出しできるように先行制御される。

前記電圧は、エネルギー蓄積器の充電のためにおよびその蓄積されたエネルギーが再び半導体開閉器を駆動するために半導体電子回路内で利用され、両方の導通された半導体開閉器が新たに完全に遮断される、すなわち電流阻止により制御される。それに続き、直流電流源によって（持続的）に発生する、たとえば１０００Ｖ（直流）以上の高い直流電圧がハイブリッド断路器に印加されることによって、主路が電気的に開かれ、それと並列の整流路が高インピーダンスになる。そのため、時限素子を介してアークが消弧されるだけではなく、その際に発生するプラズマも冷却されることが保証されている。

前記自律型ハイブリッド断路器と直列に接続された機械式断路器の開放によって、完全な電気的直流電流遮断が達成される。

本発明によって達成される長所は、特にその半導体電子回路が専用の電圧供給のためのエネルギーを機械式開閉器の開放時に発生するアークから取り出す自律型ハイブリッド断路器の導入によって、前記電子回路に供給するために外部のエネルギー源または付加的な補助エネルギーが不要であることにある。半導体電子回路は、好ましくは２極として形成され、閉じた機械式開閉器で高インピーダンスであり、それによって通常の負荷運転においては本発明によるハイブリッド断路器に実質的に全く出力損失が発生しない。

本発明による断路装置は、好ましくは１５００Ｖ（直流）までの直流電圧範囲の直流電流遮断のために好適に設けられる。したがって、付加的な機械式断路器の好ましい使用によって、前記自律型ハイブリッド断路器は、光発電システムとこれに組み込まれるインバータの間の、さらにまた、たとえば燃料電池システムまたは蓄電池（バッテリ）との接続の、信頼性が高く耐衝撃性のガルヴァーニ直流電流遮断においても特に好適である。

図１は、模式的に実施例において光発電機２およびインバータ３の間に接続された断路装置１を示す。光発電機２は、互いに並列に置かれ、あたかもエネルギー収集点として利用される共通の発電機端子箱５に案内された多数の太陽光発電モジュール４を含む。

断路装置１は、正極を表す主電路６の中に以下機械式開閉器とも呼ぶ開閉接点７ならびにそれと並列に接続される半導体電子回路８を含む。機械式開閉器７および半導体電子回路８は、自律型ハイブリッド断路器を形成する。断路装置１ − およびそれと共に全システム − の負極を表す帰線９の中に、詳しく図示していないがもう１つのハイブリッド断路器７、８を接続できる。

正極を表す出線（主路）６の中にも帰線９の中にも、完全な電気的断路もしくは直流電流遮断のためのもう１つの機械式断路素子１０の相互に機械式に結合された開閉接点を光発電機２とインバータ３の間に配設することができる。

半導体電子回路８は、本質的に機械式開閉器７と並列に接続された半導体開閉器１１と、エネルギー蓄積器１３および時限素子１４を備える駆動回路１２とを含む。駆動回路１２は、好ましくは抵抗または抵抗列Ｒ（図２）を介して主電路６と接続されている。好ましくは半導体開閉器１１として使用されるＩＧＢＴのゲートは、半導体電子回路８の制御入力１５を形成する。制御入力１５は駆動回路１２を介して主電路６に案内されている。

図２は、機械式開閉器７と並列に接続された、自律型ハイブリッド断路器の回路８の比較的詳細な回路図を示す。第１半導体開閉器（ＩＧＢＴ）１１ａは、ＭＯＳＦＥＴの形態で第２半導体開閉器１１ｂとカスコード配列で直列に接続されていることが識別できる。両方の半導体開閉器１１ａ、１１ｂを有するカスコード配列は、それによって図１と同様に機械式開閉器７およびそれによって主電路６と、並列の整流路１６を形成する。

図１に示した断路器配列ならびに図２に示したカスコード配列において、第１半導体開閉器１１ａは直流電流源２およびハイブリッド断路器７、８の間で主電路６に案内されている。そこで電位Ｕ_＋は常に、第２半導体開閉器（ＭＯＳＦＥＴ）１１ｂが主電路６に案内された対向する開閉器側で電位Ｕ₋よりも大きい。正電位Ｕ_＋は、機械式開閉器７が閉じているとき０Ｖになる。

第１半導体開閉器（ＩＧＢＴ）１１ａは、リカバリダイオードＤ２に接続されている。第１ツェナーダイオードＤ３は、陽極側で電位Ｕ₋に対して、および陰極側で第１半導体開閉器（ＩＧＢＴ）１１ａのゲート（制御入力１５）に接続されている。もう１つのツェナーダイオードＤ４は、陰極側で再びゲート（制御入力１５）に、および陽極側で第１半導体開閉器（ＩＧＢＴ）１１ａのエミッタに接続されている。

カスコード配列の第１および第２半導体開閉器１１ａもしくは１１ｂの間の中央タップまたはカスコードタップ１７に、陽極側でダイオードＤ１が案内されており、陰極側でエネルギー蓄積器１３として利用されるコンデンサＣを介して電位Ｕ₋に対して接続されている。また、複数のコンデンサＣはエネルギー蓄積器１３を形成することができる。ダイオードＤ１およびエネルギー蓄積器１３もしくはコンデンサＣの間の陽極側の電圧タップ１８を介してオーム抵抗Ｒ１およびＲ２に接続されたトランジスタＴ１は、別の抵抗Ｒ３およびＲ４を介して再び半導体電子回路８の制御入力１５に案内された第２半導体開閉器（ＭＯＳＦＥＴ）１５のゲートに接続されている。並列の抵抗Ｒ５を有するもう１つのツェナーダイオードＤ５は、陰極側でゲートに、および陽極側で第２半導体開閉器（ＭＯＳＦＥＴ）１１ｂのエミッタに接続されている。

トランジスタＴ１はベース側で、オーム抵抗Ｒ６を介してそのベース側でたとえばモノフロップとして構成された時限素子１４に接続されたトランジスタＴ２を介して駆動される。トランジスタＴ２は、ベース・エミッタ側で特にもう１つの抵抗Ｒ７に接続されている。

図３は、電流電圧時間図で時点ｔ_Ｋでの機械式開閉器７の時間的に接点開放前、および開閉器７もしくはその開閉器接点７ａ、７ｂ（図２）を介したアークＬＢの持続時間ｔ_ＬＢ中、ならびに一定の、所定のもしくは設定された時限素子１４の持続時間ｔ_ＺＧの間のハイブリッド断路器７、８の開閉器電圧Ｕおよび開閉器電流Ｉの推移を示す。閉じた機械式開閉器７の場合で主電路６は低インピーダンスであり、ハイブリッド断路器７、８の並列の整流路１６の間は高インピーダンスであり、およびそれによって電流阻止されている。

図３の図左半分に示した電流推移は、排他的に機械式開閉器７を介してのみ流れる、開閉器接点７ａおよび７ｂの接点開放の時点ｔ_Ｋまでの電流Ｉを表す。機械式開閉器７の開放は、すでに接点開放の時点ｔ_Ｋ前の詳細に規定しない時点で行われた。図３の図左下半分に示した開閉器電圧Ｕは、時間的に接点開放時点ｔ_Ｋの前に実質的に０Ｖになり、機械式開閉器７の開閉器接点７ａ、７ｂの開放によって時点ｔ_Ｋまでに飛躍的にアークＬＢに対して特性的な、たとえば２０Ｖ〜３０Ｖの典型的なアーク電圧Ｕ_ＬＢを有する値に上昇する。正電位Ｕ_＋は、それによって機械式開閉器７が開くとき、前記アーク電圧Ｕ_ＬＢに対して約３０Ｖになる。

接点開放時点ｔ_Ｋに続く持続時間（アーク時間間隔）ｔ_ＬＢの間に、すでに本質的にアーク電流に相当する、主電路６から整流路１６への開閉器電流Ｉの整流が開始する。
持続時間ｔ_ＬＢの間に実質的にアーク電流Ｉは、主電路６ − つまり機械式開閉器７を介して − および整流路１６ − つまり半導体電子回路８の間で分割される。前記アーク時間間隔ｔ_ＬＢの間にエネルギー蓄積器１３が充電される。持続時間ｔ_ＬＢは、この場合、一方で十分なエネルギーが半導体電子回路８の確実な駆動のために供給され、特にアーク持続時間を表す持続時間ｔ_ＬＢに続く時間ｔ_ＺＧの間にその遮断のために供給するように設定されている。他方、持続時間ｔ_ＬＢは十分短く、それによって望ましくない開閉器７もしくは開閉器接点７ａ、７ｂの接点燃焼または接点摩耗が回避される。

アークＬＢの開始と共にアーク電圧Ｕ_ＬＢの発生により抵抗Ｒ（図２）を介して第１半導体開閉器（ＩＧＢＴ）１１ａは、十分な充電電圧および十分なアーク電流もしくは充電電流がコンデンサＣと共にエネルギー蓄積器１３に対して供給される限りで少なくとも先行制御される。好ましくは、そのために抵抗ＲおよびツェナーダイオードＤ３と第１半導体開閉器（ＩＧＢＴ）１１ａの相応の回路構成によって電子回路８の制御回路が構成され、この制御回路によって電圧がカスコードタップ１７で、たとえばＵ_Ａｂ＝１２Ｖ（直流）に設定される。この場合、正電位Ｕ_＋に近い第１半導体開閉器（ＩＧＢＴ）１１ａを通してアーク電流と共にハイブリッド断路器７、８の開閉器電流Ｉの一部が流れる。

タップ電圧Ｕ_Ａｂは、本質的にトランジスタＴ１およびＴ２ならびに時限素子１４およびエネルギー蓄積器１３によって形成される電子回路８の駆動回路１２への給電に利用される。陽極側でカスコードタップ１７におよび陰極側でコンデンサＣに接続されるダイオードＤ１は、コンデンサＣからおよび電位Ｕ₋の方向へ整流路１６を介して充電電流の還流を阻止する。

十分なエネルギーがコンデンサＣの中におよびそれによってエネルギー蓄積器１３の中に含まれ、それに応じて十分高い制御電圧または開閉電圧Ｕ_Ｓｐが電圧タップ１８にあるとき、トランジスタＴ１およびその結果トランジスタＴ２が先行制御され、それによって両方の半導体開閉器１１ａ、１１ｂも完全に先行制御される。アーク電流もしくは開閉器電流Ｉは、開いた開閉器７によって形成された主電路６の断路区間の非常に高い抵抗と比較して本質的により小さい、これ以後先行制御される半導体開閉器１１ａ、１１ｂの抵抗によって実質的に排他的に整流路１６を介してのみ流れる。正電位Ｕ_＋は、それによって開閉器電流Ｉが電子回路８で整流するとき、新たに０Ｖに進む。その結果、アークＬＢは機械式開閉器７の接点７ａ、７ｂの間で消弧する。

充電容量と共にコンデンサＣの中に含まれる蓄積器エネルギーは、半導体電子回路８が開閉器電流Ｉを時限素子１４によって設定された持続時間ｔ_ＺＧに対して担うように指定されている。この持続時間ｔ_ＺＧは、たとえばｔ_ＺＧ＝３ｍｓに設定することができる。前記持続時間ｔ_ＺＧの指定と共に時限素子１４の決定は、本質的にアークＬＢの完全な消弧に対するアプリケーション仕様または典型的な持続時間ならびにその際に形成されるプラズマの十分な冷却に向けられている。この場合の本質的な基準は、電子回路８の遮断の実施後にそれを受けて再び高インピーダンスの整流路１６と、それに応じて電流阻止する半導体電子回路８によって依然として開いている機械式開閉器７でもしくはその開閉器接点７ａ、７ｂを介して新たなアークＬＢが発生しないことである。

時限素子１４によって規定された持続時間ｔ_ＺＧ後に、開閉器電流Ｉが実質的に零（Ｉ＝０Ａ）に低下し、他方、同時に回路電圧が直流電流源２から供給される、たとえば１０００Ｖ（直流）〜１５００Ｖ（直流）の動作電圧Ｕ_Ｂに上昇する。正電位Ｕ_＋は、それによって整流路１６が半導体開閉器１１の阻止によって高インピーダンスになり、それによって電子回路８が新たに電流阻止されるとき、前記動作電圧Ｕ_Ｂは約１０００Ｖに近づく。

主電路６の前記時点で同時に高インピーダンスの整流路１６で電気的に開かれるので、すでに無アークのガルヴァーニ直流電流遮断が直流電流源２と電気装置３の間で構築される。それに応じて、直流電流源２と電気装置として例示的に引用されたインバータ３の間の接続はすでに確実に分離されている。耐衝撃性の電気的遮断のために、それに続き付加的に断路装置１の機械式断路素子１０も無負荷および無アークで開くことができる。

光発電機とインバータの間の自律型ハイブリッド断路器を備える本発明のガルヴァーニ直流電流遮断用断路装置の一例を示すブロック図である。 本発明によるカスコード配列の２個の半導体開閉器ならびにエネルギー蓄積器としてコンデンサを備える断路装置の比較的詳細な回路図である。 電流電圧時間図による時間的にアークの消弧前、消弧中および消弧後の開閉器の電流および電圧の発生経過を示すグラフである。全ての図中で相互に対応する部分は、同じ参照符号を付けている。

１ 断路装置
２ 直流電流源
３ インバータ
４ 太陽光発電モジュール
５ 発電機端子箱
６ 主電路
７ 開閉接点／開閉器
７ａ、７ｂ 接点
８ 半導体電子回路
９ 帰線
１０ 断路素子
１１ａ 第１半導体開閉器
１１ｂ 第２半導体開閉器
１２ 駆動回路
１３ エネルギー蓄積器
１４ 時限素子
１５ 制御入力
１６ 整流路
１７ カスコード／中央タップ
１８ 電圧タップ
Ｉ 開閉器電流
ｔ_Ｋ 接点開放時点
ｔ_ＬＢ アーク持続時間
ｔ_ＺＧ 時限素子の持続時間
Ｕ 開閉器電圧
Ｕ_Ｂ 動作電圧
Ｕ_ＬＢ アーク電圧

本発明は、請求項１の前提部分に記載の電圧が印加された機械式開閉接点と、これと並列に接続された半導体電子回路とを備える直流電流源および電気装置の間の直流電流遮断用断路装置に関する。この種の断路装置は、例えばＤＥ１０２００５０４０４３２Ａ１から公知である。

この場合、直流電流源とは特に光発電機（太陽光発電システム）、および電気装置とは特にインバータと解される。

ＤＥ２０２００８０１０３１２Ｕ１から、発電ユニットを組み合わせた太陽光発電モジュールを、直列または並列に接続した、いわゆる光発電機からなる光発電システムあるいは太陽光発電システムが知られている。発電ユニットがその直流電流出力を２個の端子を介して引き渡すのに対し、光発電機全体の直流電流出力はインバータを介して交流電力網に供給される。その際に前記発電ユニットと中央インバータの間の配線費用と出力損失を低く抑えるために、いわゆる発電機端子箱は前記発電ユニットの近傍に配設される。このように整流された直流電流出力は、通常、１本の共通のケーブルを介して中央インバータに導かれる。

光発電システムは、システムに制約されて一方で持続的に動作電流と動作電圧を１８０Ｖ（直流）および１５００Ｖ（直流）の間の範囲で供給し、他方では − たとえば据え付け、組み立てまたは整備の目的で、また特に一般的な人員保護のためにも − 直流電流源として作用する光発電システムからの電気部品または装置の確実な断路が望まれているので、相応の断路装置は、負荷下の遮断すなわち直流電流源を事前に遮断せずに実行できなければならない。

負荷分離のために、機械式開閉器（開閉接点）は、実行された接点開放時に直流電流源（光発電システム）からの電気装置（インバータ）の電気的断路が確立されるという長所と共に使用することができる。しかしながら、この種の機械式開閉接点が接点開放時に発生するアークによって極めて早期に摩耗し、もしくは前記アークを閉じ込めて冷却するために付加的な費用が必要であり、これが通常消弧室をもつ相応の機械式開閉器によって行われるという欠点がある。

それに対して、負荷分離のために高性能の半導体開閉器が使用されるとき、標準運転においても避けられない半導体の出力損失が発生する。特に、この種の電力半導体では電気的断路と共に確実な人員保護が保証されていない。

ＤＥ１０２２５２５９Ｂ３から、ハイブリッド開閉器の形式により半導体開閉素子がインバータのハウジング内の、たとえばサイリスタの形態で、ならびに光発電モジュールと接続された主接点および補助接点を有する負荷断路器として形成された電気コネクタが知られている。引き抜き過程で先行する主接点は、後続の補助接点、および半導体開閉素子と直列に接続される補助接点に並列に接続されている。この場合、半導体開閉素子が周期的にオンおよびオフにされることによって、前記半導体開閉素子がアーク防止もしくは消弧のために駆動される。

ＤＥ１０３１５９８２Ａ２から、電磁作動式主接点と、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ）とを備えるハイブリッド電磁直流電流開閉器が半導体開閉器として公知である。

しかしながら、公知のハイブリッド開閉器は、常に前記半導体開閉器の駆動および前記半導体開閉器が使用された半導体電子回路の作動のための外部エネルギー源を有する。

ＤＥ１０２００５０４０４３２Ａ１ ＤＥ２０２００８０１０３１２Ｕ１ ＤＥ１０２２５２５９Ｂ３ ＤＥ１０３１５９８２Ａ２

本発明は、直流電流源、特に光発電機と、電気装置、特にインバータの間の直流電流遮断のための特に好適な断路装置を提示する課題を基礎に置いている。

この課題は、本発明により請求項１の特徴によって解決される。そのために断路装置は、好適に短時間のアーク、すなわち１ｍｓ以下、好ましくは５００μｓ以下または５００μｓのアーク時間に対して設計された機械式開閉接点を含む。前記機械式開閉接点（開閉器または断路素子）に、第１半導体開閉器、好ましくはＩＧＢＴ、および第２半導体開閉器、好ましくはＭＯＳＦＥＴを含む半導体電子回路が並列に接続されている。

本発明による断路装置の半導体電子回路は、まったく付加的なエネルギー源をもたず、それに応じて閉じた機械式開閉器で電流阻止し、すなわち高インピーダンスであり、それによって実質的に無電流および無電圧である。閉じた機械式開閉接点で半導体電子回路を介して電流が流れず、そのため特に半導体開閉器を介してまたは各半導体開閉器に電圧降下が生じないので、半導体電子回路は閉じた機械式開閉器でも出力損失が発生しない。むしろ半導体電子回路は、その作動に必要なエネルギーを断路装置から、すなわち断路器システム自体から得る。そのために、機械式開閉器の開放時に発生するアークエネルギーが援用および利用される。この場合、開いた開閉器でアーク電圧が開閉器もしくはその開閉接点と、それと並列の半導体電子回路を介してアークによって半導体電子回路を電流伝導性すなわち低インピーダンスにおよびそれによって電圧を印加して接続するように、半導体電子回路もしくは半導体開閉器の制御入力が機械式開閉接点と接続されている。

半導体電子回路が僅かに電流伝導性に接続されると、直ちにアーク電流が機械式開閉器から半導体電子回路への整流を開始する。相応のアーク電圧もしくはアーク電流は、この場合、無アークで半導体電子回路を遮断するために制御電圧の発生下に標定して放電する好ましくはコンデンサの形態のエネルギー蓄積器を充電する。所定の持続時間または時定数と共に前記エネルギー蓄積器もしくはコンデンサの充電時間がアーク時間を決定する。

好ましくは充電過程に続いて時限素子が始動し、その間に半導体電子回路が無アークのまま電流阻止により制御される。前記時限素子の持続時間は、この場合、アークもしくはプラズマの確実な消弧および信頼できる冷却に設定される。

本発明は、この場合、耐衝撃性および信頼できる直流電流遮断のために、半導体電子回路が専用の補助エネルギー源なしで使用できるとき、純２極として形成されたハイブリッド断路器を使用できる考案から出発する。これは再び周知のように、電子回路に並列に接続された機械式開閉器の開放時に発生されるアークエネルギーが前記電子回路の作動に利用されることによって達成できる。そのために前記電子回路は、アークエネルギーの少なくとも一部を蓄積するエネルギー蓄積器を持つことができ、その場合、アークの信頼できる消弧に指定される一定の作動時間に対して前記電子回路に供給される。

目的に応じてエネルギー蓄積器として設けられたコンデンサは、好ましい一実施形態に従って、オーム抵抗と接続して前記エネルギー蓄積器の充電時間または充電時定数を決定する。エネルギー蓄積器の充電時間と共にアーク持続時間は、好ましくは１ｍｓ以下、目的に応じて０．５ｍｓ以下または０．５ｍｓに設定される。この持続時間は、一方で機械式開閉器の開閉接点の望ましくない接点燃焼を確実に回避するために十分短い。他方、前記持続時間は、半導体電子回路の自己供給をそれに続く時限素子によって決定された持続時間に対して保証するために十分長く、前記持続時間内で低インピーダンスの整流状態から高インピーダンスの遮断状態（出発状態）へ電子回路が駆動される。

前記時限素子の経過後、消弧されたアークが高インピーダンスに接続された電子回路でも新たに発生しないことが保証されている。それに応じて、すでに信頼できる断路と直流電流遮断が達成されている。

信頼できる電気的遮断および断路のための付加的なヒューズ要素として、好適な方法で機械式開閉器と半導体電子回路からなる並列回路と直列に接続されたもう１つの機械式断路器が設けられている。

特に好ましい実施形態において、半導体電子回路は好ましくはＩＧＢＴとして構成された電力開閉器または半導体開閉器に加えて、好ましくはＭＯＳＦＥＴ（金属酸化物半導体電界効果トランジスタ）として構成されたもう１つの電力開閉器もしくは半導体開閉器を含む。ほぼ無出力で駆動可能の、高い阻止電圧で良好な通過特性を示すＩＧＢＴは、この場合、好適な方法で別の半導体開閉器（ＭＯＳＦＥＴ）と直列にカスコード配列方式で接続されている。半導体開閉器は、それによって機械式開閉器によって形成された主電路と並列の整流路を形成し、この整流路でアーク電流が機械式開閉器の開放によっておよび半導体開閉器または各半導体開閉器の先行制御によってさらに整流する。整流中にハイブリッド断路器を介しておよびそれによって半導体電子回路を介して降下するアーク電圧は、約１５Ｖおよび３０Ｖの間になる。

好ましい実施形態による半導体電子回路が第１半導体開閉器（ＩＧＢＴ）と第２半導体開閉器（ＭＯＳＦＥＴ）を有するとき、第１半導体開閉器（ＩＧＢＴ）はまず、第一に、両方の半導体開閉器の間 − つまりほぼカスコード中央タップで − エネルギー蓄積器の充電に十分な電圧を、たとえば１２Ｖ（直流）の高さでタップ取出しできるように先行制御される。

前記電圧は、エネルギー蓄積器の充電のためにおよびその蓄積されたエネルギーが再び半導体開閉器を駆動するために半導体電子回路内で利用され、両方の導通された半導体開閉器が新たに完全に遮断される、すなわち電流阻止により制御される。それに続き、直流電流源によって（持続的）に発生する、たとえば１０００Ｖ（直流）以上の高い直流電圧がハイブリッド断路器に印加されることによって、主路が電気的に開かれ、それと並列の整流路が高インピーダンスになる。そのため、時限素子を介してアークが消弧されるだけではなく、その際に発生するプラズマも冷却されることが保証されている。

前記自律型ハイブリッド断路器と直列に接続された機械式断路器の開放によって、完全な電気的直流電流遮断が達成される。

本発明によって達成される長所は、特にその半導体電子回路が専用の電圧供給のためのエネルギーを機械式開閉器の開放時に発生するアークから取り出す自律型ハイブリッド断路器の導入によって、前記電子回路に供給するために外部のエネルギー源または付加的な補助エネルギーが不要であることにある。半導体電子回路は、好ましくは２極として形成され、閉じた機械式開閉器で高インピーダンスであり、それによって通常の負荷運転においては本発明によるハイブリッド断路器に実質的に全く出力損失が発生しない。

本発明による断路装置は、好ましくは１５００Ｖ（直流）までの直流電圧範囲の直流電流遮断のために好適に設けられる。したがって、付加的な機械式断路器の好ましい使用によって、前記自律型ハイブリッド断路器は、光発電システムとこれに組み込まれるインバータの間の、さらにまた、たとえば燃料電池システムまたは蓄電池（バッテリ）との接続の、信頼性が高く耐衝撃性のガルヴァーニ直流電流遮断においても特に好適である。

図１は、模式的に実施例において光発電機２およびインバータ３の間に接続された断路装置１を示す。光発電機２は、互いに並列に置かれ、あたかもエネルギー収集点として利用される共通の発電機端子箱５に案内された多数の太陽光発電モジュール４を含む。

断路装置１は、正極を表す主電路６の中に以下機械式開閉器とも呼ぶ開閉接点７ならびにそれと並列に接続される半導体電子回路８を含む。機械式開閉器７および半導体電子回路８は、自律型ハイブリッド断路器を形成する。断路装置１ − およびそれと共に全システム − の負極を表す帰線９の中に、詳しく図示していないがもう１つのハイブリッド断路器７、８を接続できる。

正極を表す出線（主路）６の中にも帰線９の中にも、完全な電気的断路もしくは直流電流遮断のためのもう１つの機械式断路素子１０の相互に機械式に結合された開閉接点を光発電機２とインバータ３の間に配設することができる。

半導体電子回路８は、本質的に機械式開閉器７と並列に接続された半導体開閉器１１と、エネルギー蓄積器１３および時限素子１４を備える駆動回路１２とを含む。駆動回路１２は、好ましくは抵抗または抵抗列Ｒ（図２）を介して主電路６と接続されている。好ましくは半導体開閉器１１として使用されるＩＧＢＴのゲートは、半導体電子回路８の制御入力１５を形成する。制御入力１５は駆動回路１２を介して主電路６に案内されている。

図２は、機械式開閉器７と並列に接続された、自律型ハイブリッド断路器の回路８の比較的詳細な回路図を示す。第１半導体開閉器（ＩＧＢＴ）１１ａは、ＭＯＳＦＥＴの形態で第２半導体開閉器１１ｂとカスコード配列で直列に接続されていることが識別できる。両方の半導体開閉器１１ａ、１１ｂを有するカスコード配列は、それによって図１と同様に機械式開閉器７およびそれによって主電路６と、並列の整流路１６を形成する。

図１に示した断路器配列ならびに図２に示したカスコード配列において、第１半導体開閉器１１ａは直流電流源２およびハイブリッド断路器７、８の間で主電路６に案内されている。そこで電位Ｕ_＋は常に、第２半導体開閉器（ＭＯＳＦＥＴ）１１ｂが主電路６に案内された対向する開閉器側で電位Ｕ₋よりも大きい。正電位Ｕ_＋は、機械式開閉器７が閉じているとき０Ｖになる。

第１半導体開閉器（ＩＧＢＴ）１１ａは、リカバリダイオードＤ２に接続されている。第１ツェナーダイオードＤ３は、陽極側で電位Ｕ₋に対して、および陰極側で第１半導体開閉器（ＩＧＢＴ）１１ａのゲート（制御入力１５）に接続されている。もう１つのツェナーダイオードＤ４は、陰極側で再びゲート（制御入力１５）に、および陽極側で第１半導体開閉器（ＩＧＢＴ）１１ａのエミッタに接続されている。

カスコード配列の第１および第２半導体開閉器１１ａもしくは１１ｂの間の中央タップまたはカスコードタップ１７に、陽極側でダイオードＤ１が案内されており、陰極側でエネルギー蓄積器１３として利用されるコンデンサＣを介して電位Ｕ₋に対して接続されている。また、複数のコンデンサＣはエネルギー蓄積器１３を形成することができる。ダイオードＤ１およびエネルギー蓄積器１３もしくはコンデンサＣの間の陽極側の電圧タップ１８を介してオーム抵抗Ｒ１およびＲ２に接続されたトランジスタＴ１は、別の抵抗Ｒ３およびＲ４を介して再び半導体電子回路８の制御入力１５に案内された第２半導体開閉器（ＭＯＳＦＥＴ）１５のゲートに接続されている。並列の抵抗Ｒ５を有するもう１つのツェナーダイオードＤ５は、陰極側でゲートに、および陽極側で第２半導体開閉器（ＭＯＳＦＥＴ）１１ｂのエミッタに接続されている。

トランジスタＴ１はベース側で、オーム抵抗Ｒ６を介してそのベース側でたとえばモノフロップとして構成された時限素子１４に接続されたトランジスタＴ２を介して駆動される。トランジスタＴ２は、ベース・エミッタ側で特にもう１つの抵抗Ｒ７に接続されている。

図３は、電流電圧時間図で時点ｔ_Ｋでの機械式開閉器７の時間的に接点開放前、および開閉器７もしくはその開閉器接点７ａ、７ｂ（図２）を介したアークＬＢの持続時間ｔ_ＬＢ中、ならびに一定の、所定のもしくは設定された時限素子１４の持続時間ｔ_ＺＧの間のハイブリッド断路器７、８の開閉器電圧Ｕおよび開閉器電流Ｉの推移を示す。閉じた機械式開閉器７の場合で主電路６は低インピーダンスであり、ハイブリッド断路器７、８の並列の整流路１６の間は高インピーダンスであり、およびそれによって電流阻止されている。

図３の図左半分に示した電流推移は、排他的に機械式開閉器７を介してのみ流れる、開閉器接点７ａおよび７ｂの接点開放の時点ｔ_Ｋまでの電流Ｉを表す。機械式開閉器７の開放は、すでに接点開放の時点ｔ_Ｋ前の詳細に規定しない時点で行われた。図３の図左下半分に示した開閉器電圧Ｕは、時間的に接点開放時点ｔ_Ｋの前に実質的に０Ｖになり、機械式開閉器７の開閉器接点７ａ、７ｂの開放によって時点ｔ_Ｋまでに飛躍的にアークＬＢに対して特性的な、たとえば２０Ｖ〜３０Ｖの典型的なアーク電圧Ｕ_ＬＢを有する値に上昇する。正電位Ｕ_＋は、それによって機械式開閉器７が開くとき、前記アーク電圧Ｕ_ＬＢに対して約３０Ｖになる。

接点開放時点ｔ_Ｋに続く持続時間（アーク時間間隔）ｔ_ＬＢの間に、すでに本質的にアーク電流に相当する、主電路６から整流路１６への開閉器電流Ｉの整流が開始する。
持続時間ｔ_ＬＢの間に実質的にアーク電流Ｉは、主電路６ − つまり機械式開閉器７を介して − および整流路１６ − つまり半導体電子回路８の間で分割される。前記アーク時間間隔ｔ_ＬＢの間にエネルギー蓄積器１３が充電される。持続時間ｔ_ＬＢは、この場合、一方で十分なエネルギーが半導体電子回路８の確実な駆動のために供給され、特にアーク持続時間を表す持続時間ｔ_ＬＢに続く時間ｔ_ＺＧの間にその遮断のために供給するように設定されている。他方、持続時間ｔ_ＬＢは十分短く、それによって望ましくない開閉器７もしくは開閉器接点７ａ、７ｂの接点燃焼または接点摩耗が回避される。

アークＬＢの開始と共にアーク電圧Ｕ_ＬＢの発生により抵抗Ｒ（図２）を介して第１半導体開閉器（ＩＧＢＴ）１１ａは、十分な充電電圧および十分なアーク電流もしくは充電電流がコンデンサＣと共にエネルギー蓄積器１３に対して供給される限りで少なくとも先行制御される。好ましくは、そのために抵抗ＲおよびツェナーダイオードＤ３と第１半導体開閉器（ＩＧＢＴ）１１ａの相応の回路構成によって電子回路８の制御回路が構成され、この制御回路によって電圧がカスコードタップ１７で、たとえばＵ_Ａｂ＝１２Ｖ（直流）に設定される。この場合、正電位Ｕ_＋に近い第１半導体開閉器（ＩＧＢＴ）１１ａを通してアーク電流と共にハイブリッド断路器７、８の開閉器電流Ｉの一部が流れる。

タップ電圧Ｕ_Ａｂは、本質的にトランジスタＴ１およびＴ２ならびに時限素子１４およびエネルギー蓄積器１３によって形成される電子回路８の駆動回路１２への給電に利用される。陽極側でカスコードタップ１７におよび陰極側でコンデンサＣに接続されるダイオードＤ１は、コンデンサＣからおよび電位Ｕ₋の方向へ整流路１６を介して充電電流の還流を阻止する。

十分なエネルギーがコンデンサＣの中におよびそれによってエネルギー蓄積器１３の中に含まれ、それに応じて十分高い制御電圧または開閉電圧Ｕ_Ｓｐが電圧タップ１８にあるとき、トランジスタＴ１およびその結果トランジスタＴ２が先行制御され、それによって両方の半導体開閉器１１ａ、１１ｂも完全に先行制御される。アーク電流もしくは開閉器電流Ｉは、開いた開閉器７によって形成された主電路６の断路区間の非常に高い抵抗と比較して本質的により小さい、これ以後先行制御される半導体開閉器１１ａ、１１ｂの抵抗によって実質的に排他的に整流路１６を介してのみ流れる。正電位Ｕ_＋は、それによって開閉器電流Ｉが電子回路８で整流するとき、新たに０Ｖに進む。その結果、アークＬＢは機械式開閉器７の接点７ａ、７ｂの間で消弧する。

充電容量と共にコンデンサＣの中に含まれる蓄積器エネルギーは、半導体電子回路８が開閉器電流Ｉを時限素子１４によって設定された持続時間ｔ_ＺＧに対して担うように指定されている。この持続時間ｔ_ＺＧは、たとえばｔ_ＺＧ＝３ｍｓに設定することができる。前記持続時間ｔ_ＺＧの指定と共に時限素子１４の決定は、本質的にアークＬＢの完全な消弧に対するアプリケーション仕様または典型的な持続時間ならびにその際に形成されるプラズマの十分な冷却に向けられている。この場合の本質的な基準は、電子回路８の遮断の実施後にそれを受けて再び高インピーダンスの整流路１６と、それに応じて電流阻止する半導体電子回路８によって依然として開いている機械式開閉器７でもしくはその開閉器接点７ａ、７ｂを介して新たなアークＬＢが発生しないことである。

時限素子１４によって規定された持続時間ｔ_ＺＧ後に、開閉器電流Ｉが実質的に零（Ｉ＝０Ａ）に低下し、他方、同時に回路電圧が直流電流源２から供給される、たとえば１０００Ｖ（直流）〜１５００Ｖ（直流）の動作電圧Ｕ_Ｂに上昇する。正電位Ｕ_＋は、それによって整流路１６が半導体開閉器１１の阻止によって高インピーダンスになり、それによって電子回路８が新たに電流阻止されるとき、前記動作電圧Ｕ_Ｂは約１０００Ｖに近づく。

主電路６の前記時点で同時に高インピーダンスの整流路１６で電気的に開かれるので、すでに無アークのガルヴァーニ直流電流遮断が直流電流源２と電気装置３の間で構築される。それに応じて、直流電流源２と電気装置として例示的に引用されたインバータ３の間の接続はすでに確実に分離されている。耐衝撃性の電気的遮断のために、それに続き付加的に断路装置１の機械式断路素子１０も無負荷および無アークで開くことができる。

光発電機とインバータの間の自律型ハイブリッド断路器を備える本発明のガルヴァーニ直流電流遮断用断路装置の一例を示すブロック図である。 本発明によるカスコード配列の２個の半導体開閉器ならびにエネルギー蓄積器としてコンデンサを備える断路装置の比較的詳細な回路図である。 電流電圧時間図による時間的にアークの消弧前、消弧中および消弧後の開閉器の電流および電圧の発生経過を示すグラフである。

１ 断路装置
２ 直流電流源
３ インバータ
４ 太陽光発電モジュール
５ 発電機端子箱
６ 主電路
７ 開閉接点／開閉器
７ａ、７ｂ 接点
８ 半導体電子回路
９ 帰線
１０ 断路素子
１１ａ 第１半導体開閉器
１１ｂ 第２半導体開閉器
１２ 駆動回路
１３ エネルギー蓄積器
１４ 時限素子
１５ 制御入力
１６ 整流路
１７ カスコード／中央タップ
１８ 電圧タップ
Ｉ 開閉器電流
ｔ_Ｋ 接点開放時点
ｔ_ＬＢ アーク持続時間
ｔ_ＺＧ 時限素子の持続時間
Ｕ 開閉器電圧
Ｕ_Ｂ 動作電圧
Ｕ_ＬＢ アーク電圧

Claims (11)

1. 電圧が印加された機械式開閉接点（７）と、これと並列に接続された半導体電子回路（８）とを備える直流電流源（２）および電気装置（３）の間、特に光発電機およびインバータの間の直流電流遮断用の断路装置（１）であって、
   − 半導体電子回路（８）が閉じた開閉接点（７）で電流阻止されており、
   − 開いた開閉接点（７）でアーク（ＬＢ）により開閉接点（７）を介して発生したアーク電圧（Ｕ_ＬＢ）が前記半導体電子回路（８）を電流伝導性に接続し、前記半導体電子回路（８）がアーク（ＬＢ）によってアーク持続時間（ｔ-_ＬＢ）以内に充電されるエネルギー蓄積器（１３）を有するように、前記半導体電子回路（８）の制御入力（１５）が開閉接点（７）と接続されていることを特徴とする断路装置。
2. 電流伝導性に接続された半導体電子回路（８）においてアーク電流（ＬＢ）が開閉接点（７）から半導体電子回路（８）へ整流されることを特徴とする請求項１記載の断路装置。
3. エネルギー蓄積器（１３）がコンデンサ（Ｃ）であることを特徴とする請求項１又は２記載の断路装置。
4. エネルギー蓄積器（１３）の充電時間（ｔ_ＬＢ）の経過後にアーク（ＬＢ）によって流れる開閉器電流（Ｉ）が完全に半導体電子回路（８）へ整流されていることを特徴とする請求項３記載の断路装置。
5. アーク持続時間（ｔ_ＬＢ）がエネルギー蓄積器（１３）の充電持続時間もしくは充電容量によって決定されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の断路装置。
6. エネルギー蓄積器（１３）の充電時間（ｔ_ＬＢ）の経過後に時限素子（１４）が半導体電子回路（８）の無アーク遮断のために始動することを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の断路装置。
7. 半導体電子回路（８）が少なくとも１つの制御可能の半導体開閉器（１１）を有することを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の断路装置。
8. 半導体電子回路（８）が第１半導体開閉器（１１ａ）、特にＩＧＢＴ、およびそれと直列に接続された第２半導体開閉器（１１ｂ）、特にＭＯＳＦＥＴを有することを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の断路装置。
9. 第１半導体開閉器（１１ａ）と第２半導体開閉器（１１ｂ）の間にエネルギー蓄積器（１３）に充電するためのアーク電圧（Ｕ_ＬＢ）がタップで取出されていることを特徴とする請求項８記載の断路装置。
10. （第１）半導体開閉器（１１ａ）がオーム抵抗（Ｒ）を介して開いた開閉接点（７）で直流電流源（２）の正電位に案内されている制御入力を有することを特徴とする請求項６又は７記載の断路装置。
11. 機械式開閉接点（７）と半導体電子回路（８）からなる並列回路に直列に接続された、ガルヴァーニ直流電流遮断のための機械式断路素子（１０）を特徴とする請求項１ないし１０のいずれかに記載の断路装置。

Images