JP2022508611A - ソリッドステート回路遮断器 - Google Patents

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Abstract

回路遮断器は、ソリッドステートスイッチと、モード制御回路と、を含む。ソリッドステートスイッチは、回路遮断器のライン入力端子と負荷出力端子との間に直列に接続される。モード制御回路は、回路遮断器の動作を制御するための第１の制御モードおよび第２の制御モードを実装するように構成されている。第１の制御モードは、自己バイアスターンオン閾値電圧が生成されるまでソリッドステートスイッチをスイッチオフ状態に維持しながら、回路遮断器の電源投入中に、ソリッドステートスイッチに対して自己バイアスターンオン閾値電圧を生成するように構成されている。第２の制御モードは、自己バイアスターンオン閾値電圧を中断して、ソリッドステートスイッチをスイッチオフ状態にするように構成されている。【選択図】図２

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１８年１０月１日に出願された米国特許出願第１６／１４９，０９４号の一部継続出願であり、当該開示は、参照により本明細書に組み込まれる。
本開示は、概して、電力制御システムおよび装置、特に、故障状態または有害状態下で電力負荷を中断するためのソリッドステート回路遮断器装置およびシステムに関する。
電気回路遮断器は、配電システムにおいて不可欠な構成要素であり、分岐回路導体および電気負荷が過電流状態にさらされないように保護するために、しばしば、所与の建物または住宅構造内の入力高電流ユーティリティ供給回路と低電流分岐回路との間に位置付けられる。過電流状態には、過負荷状態および故障状態を含むいくつかのタイプがある。過負荷状態とは、その通常の全負荷定格を超える機器の動作、または過負荷が十分な期間持続したときに損傷または有害な過熱を引き起こすであろう、その電流容量を超える分岐回路として定義されている。故障状態は、故障のインピーダンスに応じて、通常、過負荷よりもはるかに高い過電流状態を発生させる、意図しないまたは偶発的な負荷状態を含む。最大過電流状態を発生させる故障は、短絡または「ボルテッド故障（bolted fault）」と称される。
従来の回路遮断器は、本質的に電気機械的であり、電気接点を有し、電気接点は、オペレータレバーの手動介入によって物理的に分離されるか、故障状態の発生時に自動的に分離されるか、または電流状態を超えて延長され、この場合、回路遮断器は「トリップ」したものとみなされる。回路ブレーカの電気接点の分離は、電磁的もしくは機械的に、またはその両方の組み合わせで行うことができる。
従来の回路遮断器の重大な問題は、それらが、それらの電気機械構造に起因して故障状態に反応するのが遅いことである。従来の回路遮断器は、通常、故障状態を隔離するために少なくとも数ミリ秒を必要とする。この反応時間の遅さは、ボルテッド故障が十分に迅速に隔離されない場合に短絡位置において発生し得る、有害な火災、電気機器の損傷、およびアークフラッシュのリスクを引き起こすため、望ましくない。アークフラッシュは、短絡状態を作り出す電気導体の電気的爆発である。アークフラッシュにおけるエネルギー放出は、端子においてで３５，０００°Ｆを超える温度を発生させることがあり、この結果、金属導体を急速に蒸発させ、溶融金属を爆破させ、また極端な力で外部に排出されるプラズマを膨張させる。したがって、アークフラッシュは、生命、財産、および電気機器にとって、特にガス漏れのリスクが著しい産業および住宅用途においては非常に有害である。
故障の隔離が遅いことに加えて、従来の回路遮断器は、故障または長時間の過電流状態に応答して、トリップするまでの時間と電流トリップ制限値との両方に大きな変動を示す。この変動は、主に、回路ブレーカ装置の電気機械設計の制限と、取り付け時にかかる応力および温度変動などの物理的要因の影響と、に起因する。同じ種類、同じ定格、および同じメーカーの装置であっても、トリップまでの時間および電流トリップ制限値の変動は、それ自体が装置ごとに異なることがある。
従来の回路遮断器は、これらがトリップされると、高い絶縁能力を提供する。しかしながら、これらの反応時間の遅さ、精度の欠如、および変動性の高さはすべて、非常に望ましくない特徴である。反応時間の遅さがアークフラッシュの可能性に対する保護が不十分になってしまうだけでなく、変動性の高さおよび精度の欠如により、複雑なシステム内の複数の回路遮断器間の調整がほとんど不可能になる。
保護装置としての回路遮断器は、故障電流が回路遮断器トリップ電流定格を大幅に超える場合でも、商用ユーティリティ供給回路から故障を隔離することができなければならず、それによって、内部の単一故障点から保護されなければならない。遮断器のアンペア遮断容量（ＡＩＣ）定格は、回路遮断器装置の負荷側において故障が加えられたときに、回路遮断器装置が安全に除去するであろう最大故障電流（アンペア単位）を示す。回路遮断器装置のＡＩＣ定格は、回路遮断器装置の故障を伴わずに回路遮断器装置によって遮断され得る最大故障電流を示す。ＡＩＣ定格は非常に高いレベルの短絡保護を必要とし、家庭用回路遮断器はしばしばＡＩＣで定格が１０，０００アンペア以上である。
本開示の実施形態は、ソースから負荷への電力を遮断するためのソリッドステート回路遮断器装置およびシステムを含む。例えば、一実施形態では、回路遮断器は、ソリッドステートスイッチと、モード制御回路と、を備える。ソリッドステートスイッチは、回路遮断器のライン入力端子と負荷出力端子との間に直列に接続されており、（ｉ）ライン入力端子と負荷出力端子との間の電気経路に電気的接続を提供するためのスイッチオン状態、および（ｉｉ）スイッチオフ状態のうちの１つになるように構成されている。モード制御回路は、回路遮断器の動作を制御するための第１の制御モードおよび第２の制御モードを実装するように構成されている。第１の制御モードは、自己バイアスターンオン閾値電圧が生成されるまで、ソリッドステートスイッチをスイッチオフ状態に維持しながら、回路遮断器の電源投入中に、ソリッドステートスイッチに対して自己バイアスターンオン閾値電圧を生成するように構成されている。第２の制御モードは、自己バイアスターンオン閾値電圧を中断して、ソリッドステートスイッチをスイッチオフ状態にするように構成されている。
別の実施形態では、回路遮断器は、ソリッドステートスイッチと、空隙電磁スイッチと、スイッチコントローラと、ゼロ交差センサと、電流センサと、を備える。ソリッドステートスイッチおよび空隙電磁スイッチは、回路遮断器のライン入力端子と負荷出力端子との間に直列に接続されている。スイッチコントローラは、ソリッドステートスイッチおよび空隙電磁スイッチの動作を制御するように構成されている。ゼロ交差センサは、回路遮断器のライン入力端子に入力される供給電力波形のゼロ交差を検出するように構成されている。電流センサは、ライン入力端子と負荷出力端子との間の電気経路内で流れる電流を検知し、故障状態を検出するように構成されている。電流センサによる故障状態の検出に応答して、スイッチコントローラは、（ｉ）ソリッドステートスイッチをスイッチオフ状態にし、（ｉｉ）ソリッドステートスイッチがスイッチオフ状態になった後に、空隙電磁スイッチをスイッチ開状態にするようにスイッチ制御信号を生成するように構成されている。スイッチコントローラは、ゼロ交差センサから出力されるゼロ交差検出信号を利用して、供給電力波形のゼロ交差事象を検出し、検出されたゼロ交差事象に応答して空隙電磁スイッチをスイッチ開状態にする。
他の実施形態は、添付の図面と併せて読まれるべき実施形態の以下の詳細な説明で説明される。
回路遮断器の従来の実施形態を概略的に示す。 回路遮断器の別の従来の実施形態を概略的に示す。 回路遮断器の別の従来の実施形態を概略的に示す。 本開示の一実施形態による、ソリッドステート回路遮断器を概略的に示す。 本開示の別の実施形態による、ソリッドステート回路遮断器を概略的に示す。 本開示の別の実施形態による、ソリッドステート回路遮断器を概略的に示す。 本開示の別の実施形態による、ソリッドステート回路遮断器を概略的に示す。 本開示の別の実施形態による、ソリッドステート回路遮断器を概略的に示す。 本開示の別の実施形態による、ソリッドステート回路遮断器を概略的に示す。 本開示の別の実施形態による、ソリッドステート回路遮断器を概略的に示す。 図８のソリッドステート回路遮断器のライン側に入力された電源電圧波形を示す。 回路遮断器のソリッドステートスイッチがスイッチオフ状態にあり、回路遮断器の空隙電磁スイッチがスイッチ閉状態にあるときの、図８のソリッドステート回路遮断器の負荷側の出力電圧波形を示す。 本開示の一実施形態による、図８のソリッドステート回路遮断器のスイッチコントローラによって実装されるスイッチ制御プロセスのフローチャートである。 本開示の一実施形態による、図８のソリッドステート回路遮断器に実装することができるＡＣ－ＤＣ変換器回路の概略ブロック図である。 本開示の一実施形態による、図１１ＡのＡＣ－ＤＣ変換器回路の概略回路図である。
次に、故障状態（例えば、短絡故障、過電流故障、接地故障、アーク故障など）の検出、および有害な環境状態（例えば、浸水、化学物質流出、ガス漏れなど）の検出に基づいてソースから負荷への電力を遮断するためのソリッドステート回路遮断器装置およびシステムに関して、本開示の実施形態をさらに詳細に説明する。同一または類似の参照番号が、同一または類似の特徴、要素、または構造を示すために図面全体を通して使用されており、したがって、同一または類似の特徴、要素、または構造の詳細な説明は、図面の各々に対して繰り返さないことを理解されたい。加えて、パーセンテージ、範囲などに関して本明細書で使用される「約」または「実質的に」という用語は、正確ではないが、近いまたは近似していることを示すことを意味する。例えば、本明細書で使用される「約」または「実質的に」という用語は、１％、または規定量未満などの小さな誤差が存在することを意味する。本明細書で使用される「例示的」という用語は、「例、事例、または例示として役立つこと」を意味する。「例示的」として本明細書に記載される任意の実施形態または設計は、他の実施形態または設計よりも好ましいかまたは有利であると解釈されるべきではない。
図１Ａは、回路遮断器の従来の実施形態を概略的に示す。特に、図１Ａは、ユーティリティ電源１０（本明細書ではＡＣ主電源１０と称される）と、回路遮断器１００によって保護される分岐回路に接続される負荷２０との間に接続される回路遮断器１００を示す。図１Ａにさらに示すように、回路遮断器１００は、ＡＣ主電源１０の高温相１１（「ライン高温」と称される）と負荷２０の負荷高温ライン２１との間に接続され、ＡＣ主電源１０の中性相１２（「ライン中性」と称される）は、負荷２０の負荷中性ライン２２に直接接続される。図１Ａにさらに示すように、アース接地１４（ＧＮＤ）に接合されたライン中性１２が示されており、これは、当技術分野で知られているように追加の保護を提供している。
回路遮断器１００は、ＡＣスイッチ１０５と、コントローラ１１０と、を備える。ＡＣスイッチ１０５は、トライアックまたはシリコン制御整流器（ＳＣＲ）を備える。トライアックスイッチ１０５は、コントローラ１１０の制御下で両方向に電流を伝導する３端子電子装置である。トライアックは、従来の壁掛け式調光スイッチに多く見られる。コントローラ１１０は、それらが論理ゲート、マイクロコントローラ、または従来の回路ブレーカで利用されるバイメタル曲げストリップなどの電気機械制御であるかどうかにかかわらず、多くの可能な制御実施形態の代表的なものである。コントローラ１１０は、位相角変調のためにトライアックスイッチ１０５のゲート（Ｇ）に制御信号を印加し、トライアックスイッチ１０５をオンおよびオフにすることができる。トライアックスイッチ１０５の位相角制御は、負荷２０内に流れる平均電流の制御を可能にし、一般に、モータ、調光灯の速度の制御、または電気ヒータなどの制御に使用される。
図１Ｂは、回路遮断器１０１の別の従来の実施形態を概略的に示す。回路遮断器１０１は、コントローラ１１０と、図１Ｂに示すように相互接続された第１のダイオード１２５、第２のダイオード１３０、第１のトランジスタ１３５、および第２のトランジスタ１４０を備えるＡＣスイッチと、を備える。第１および第２のトランジスタ１３５および１４０は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）装置を備える。コントローラ１１０は、制御信号を第１および第２のトランジスタ１３５および１４０に同時に注入することによって電流の流れを制御する。図１Ｂに示されるＡＣスイッチ構成において、電流は、ＡＣ主電源１０の供給電圧波形の正の半サイクルで第１のスイッチ１３５および第２のダイオード１３０を通って流れるだけであり、一方、電流は、ＡＣ主電源１０の供給電圧波形の負の半サイクルの間、第２のスイッチ１４０および第１のダイオード１２５を通って流れるだけである。
図１Ｂに示される回路遮断器１０１の不利点は、４つの別個の要素（例えば、ダイオード１２５および１３０、ならびにＢＪＴ装置１３５および１４０）の実装を必要とすることである。さらに、ＢＪＴ装置１３５および１４０は、双方向スイッチとして効率的に動作せず、離散ダイオード１２５および１３０は、双方向スイッチのために利用されなければならない。さらに、離散ダイオード１２５および１３０は、ＢＪＴ装置１３５および１４０の約０．１Ｖ～０．２Ｖの前方バイアス電圧降下と比較して、約０．７Ｖの比較的大きな前方バイアス電圧降下を有する。このように、ダイオード１２５および１３０は、回路遮断器１０１の消費電力を増加させる。
図１Ｃは、回路遮断器１０３の別の従来の実施形態を概略的に示す。回路遮断器１０３は、回路遮断器１０３が、第１のコントローラ１１０と、第１のダイオード１２５、第２のダイオード１３０、第１のトランジスタ１３５、および第２のトランジスタ１４０を備える第１のＡＣスイッチとを備え、これらが図１Ｃに示されるように相互接続されて、ライン高温１１と負荷高温２１との間の電気経路で双方向スイッチングを提供する点で、図１Ｂの回路遮断器１０１と同様である。回路遮断器１０３は、第２のコントローラ１１１と、第１のダイオード１４５、第２のダイオード１５０、第１のトランジスタ１６５、および第２のトランジスタ１７０を備える第２のＡＣスイッチと、をさらに備え、これらは、図１Ｃに示されるように相互接続されて、ライン中性１２と負荷中性２２との間の電気経路で双方向スイッチングを提供する。トランジスタ１３５、１４０、１６５、および１７０は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタを備える。
第１のコントローラ１１０は、スイッチ１３５および１４０に同時に制御信号を印加することによって電流の流れを制御し、第２のコントローラ１１１は、スイッチ１６５および１７０に同時に制御信号を印加することによって電流の流れを制御する。ＡＣ主電源１０のＡＣ供給電圧波形の正の半サイクルの間、電流は、（ｉ）スイッチ１３５およびダイオード１３０を通る高温ライン経路内で、および（ｉｉ）スイッチ１７０およびダイオード１４５を通る中性ライン経路内で流れる。一方、ＡＣ主電源１０のＡＣ供給電圧波形の負の半サイクルの間、電流は、（ｉ）スイッチ１４０およびダイオード１２５を通る高温ライン経路内で、および（ｉｉ）スイッチ１６５およびダイオード１５０を通る中性ライン経路内で流れる。ラインと中性との両方のＡＣスイッチを同時に制御するこの構成は、二極スイッチと称され、単一のＡＣエネルギー源から異なる位相の２つのラインに適用され得る。ラインと中性との二極スイッチングは、接地故障回路遮断器の救命用途において一般的なＡＣスイッチング技術である。回路遮断器１０３は、上で考察される回路遮断器１０２と同様の不利点を有するが、回路遮断器が追加のダイオード１４５および１５０を有する４つの追加の別個の構成要素を含み、消費電力を増加させることによって強化される。
図２、図３、図４、図５、図６、図７、および図８に示される本開示の例示的な実施形態は、入力エネルギー源と出力負荷との間に位置付けられ得る回路遮断器装置およびシステムのための新規のアーキテクチャを含む。例示的な回路遮断器は、ＡＣ主電源１０および負荷２０を接続するものとして一般的に示されるが、例示的な回路遮断器は、様々な装置および用途で具現化され得ることを理解されたい。例えば、いくつかの実施形態では、図２～図８に示される回路遮断器は、遮断器配電盤に配設された電気回路ブレーカ装置（例えば、インテリジェント型ブレーカ装置）に実装され得る。加えて、いくつかの実施形態では、図２～図８に示される回路遮断器は、電気レセプタクル装置、または電気照明スイッチ（例えば、壁掛け照明スイッチ、またはスマート照明器具もしくはスマート天井電球ソケットに実装される照明スイッチなど）に実装され得る。他の実施形態では、図２～図８に示される回路遮断器は、住宅または建物の電気ネットワーク内のギャングボックス内に配設され得、スタンドアロン型回路遮断器装置の下流の分岐回路内に接続される１つ以上の電気装置、器具、負荷などを保護するように構成され得るスタンドアロン型装置を備えてもよい。
図２は、本開示の実施形態による、ソリッドステート回路遮断器を概略的に示す。特に、図２は、ＡＣ主電源１０と負荷２０との間に接続されたソリッドステート回路遮断器２００を概略的に示す。ソリッドステート回路遮断器２００は、第１のソリッドステートスイッチ２１０、第２のソリッドステートスイッチ２１２、第１のモード制御回路２２０、第２のモード制御回路２２２、第１の電流センサ２３０、および第２の電流センサ２３２を備える二極単投（ＤＰＳＴ）スイッチ回路２０２を備える。ソリッドステート回路遮断器２００は、第１のダイオード２４０および第１の抵抗器２５０を含む第１のバイアス分岐回路と、第２のダイオード２４２および第２の抵抗器２５２を含む第２のバイアス分岐回路と、をさらに備える。第１のダイオード２４０および第１の抵抗器２５０は、ライン中性１２と第１のモード制御回路２２０との間に直列に接続されている。第２のダイオード２４２および第２の抵抗器２５２は、ライン高温１１と第２のモード制御回路２２２との間に直列に接続されている。
図２の例示的な実施形態では、第１および第２のソリッドステートスイッチ素子２１０および２１２は、パワーＭＯＳＦＥＴ（金属酸化半導体電界効果トランジスタ）装置、特に、図示されるように、ゲート端子（Ｇ）、ドレイン端子（Ｄ）、およびソース端子（Ｓ）を有するＮ型強化ＭＯＳＦＥＴ装置を備える。図２（および本明細書で考察される他の実施形態）の例示的な実施形態では、第１および第２のソリッドステートスイッチ２１０および２１２は、Ｐ型基板本体とＭＯＳＦＥＴ装置のＮドープドレイン領域との間のＰ－Ｎ接合部を表す、それぞれのソリッドステート本体ダイオード２１０－２および２１２－１を備える。これに関して、本体ダイオード２１０－１および２１２－１は、ＭＯＳＦＥＴスイッチ２１０および２１２の固有の素子である（すなわち、別個の素子ではない）。ソリッドステートスイッチ２１０および２１２の固有の本体－ソースダイオードは、それらがソース領域と基板本体との間の接続によって短絡される（例えば、Ｎ＋ソースおよびＰ本体接合部は、ソース金属化を通じて短絡される）と仮定されるため、図示されないことに留意されたい。
第１および第２のモード制御回路２２０および２２２は、（ｉ）自己バイアスターンオン閾値電圧制御モードおよび（ｉｉ）強制ターンオフ制御モードを含む、ソリッドステート遮断器２００のための複数の制御モードを実装するように構成されている。いくつかの実施形態では、自己バイアスターンオン閾値電圧制御モードは、自己バイアス回路を利用して、ソリッドステートスイッチ２１０および２１２に対して目標のターンオン閾値電圧レベルを生成する一方で、目標の自己バイアスターンオン閾値電圧レベルが達成され、ソリッドステートスイッチ２１０および２１２に印加されて、ソリッドステートスイッチ２１０および２１２をターンオンする前に、ソリッドステートスイッチ２１０および２１２がターンオンするのを防止する。
以下にさらに詳細に説明するように、自己バイアスネットワークは、ソリッドステートスイッチ２１０および２１２のゲート端子へのゲート電圧の印加を遅延させるように構成されており、個の遅延は、自己バイアスターンオン閾値電圧レベルが生成される前に、スイッチ２１０および２１２の早期「ターンオン」を防止するのに十分な長さである。実際、ソリッドステートスイッチ２１０および２１２の早期ターンオンは、目標電圧レベルへの自己バイアスターンオン閾値電圧の生成を防止するであろう。自己バイアスターンオン閾値電圧制御モードは、ダイオード２４０および２４２、ならびに抵抗器２５０および２５２から構成された反対のサイクル構成を有する第１および第２のバイアス分岐回路によって支持される。
いくつかの実施形態では、第１および第２のモード制御回路２２０および２２２の強制ターンオフ制御モードは、故障事象の検出、有害な環境状態の検出、回路中断のためのリモートコマンドなどを含むが、これらに限定されない、特定の事象の検出に応答して、ソリッドステートスイッチ２１０および２１２のターンオフを強制するように構成されている。以下でさらに詳細に説明するように、強制ターンオフ制御モードは、例えば、直接ハードウェア故障検知および制御によって、ならびに／または光学的、磁気的、容量性、およびＲＦ分離技術であるがこれらに限定されない技術に基づいてガルバニック絶縁された制御入力を通じて、コマンド上で開始することができる。
いくつかの実施形態では、第１および第２の電流センサ２３０および２３２は、負荷２０におよび負荷２０から流れる電流の大きさを検知し、第１および第２のモード制御回路２２０および２２２によって利用される電流検知データを生成して、短絡故障事象、過電流故障事象、アーク故障事象などの故障事象を識別するように構成されている。このような故障事象の検出に応答して、第１および第２の電流センサ２３０および２３２は、第１および第２のソリッドステートスイッチ２１０および２１２がターンオフされる強制ターンオフモードをトリガするように構成されている。第１および第２の電流センサ２３０および２３２は、検知抵抗器、電流変圧器、ホール効果センサ、またはソリッドステートスイッチ２１０および２１２の内部インピーダンス（ドレインソース抵抗）に基づく検知技術を含むがこれらに限定されない、様々なタイプの検知技術および回路を使用して実装され得る。モード制御回路２２０および２２２は、例えば、論理ゲート、マイクロコントローラ、電気機械制御装置などに基づいて、様々なタイプの制御アーキテクチャを使用して実装され得る。
ソリッドステート遮断器２００の通常の動作において、ＡＣ主電源１０の供給電圧波形の正の半サイクルの間、第１のモード制御回路２３０は、生成された自己バイアスターンオン閾値電圧を第１のソリッドステートスイッチ２１０のゲート端子に印加して、第１のソリッドステートスイッチ２１０をターンオンする。この構成では、正の電流は、ライン高温１１から第１のソリッドステートスイッチ２１０を通って負荷２０に流れ、第２のソリッドステートスイッチ２１２の前方バイアス固有ダイオード２１２－１を通ってライン中性１２に戻る。一方、ＡＣ主電源１０の供給電圧波形の負の半サイクル中、第２のモード制御回路２２２は、生成された自己バイアスターンオン閾値電圧を第２のソリッドステートスイッチ２１２のゲート端子に印加して、第２のソリッドステートスイッチ２１２をターンオンする。この構成では、負の電流は、第２のソリッドステートスイッチ２１２を通じてライン中性１２から負荷２０に流れ、電流は、第１のソリッドステートスイッチ２１０の前方バイアス固有ダイオード２１０－１を通じてライン高温１１に戻る。
図３は、本開示の別の実施形態による、ソリッドステート回路遮断器を概略的に示す。具体的には、図３は、図２のフレームワークに基づくが、第１および第２のモード制御回路２２０および２２２の例示的な実施形態をさらに示す、ソリッドステート回路遮断器３００を概略的に示す。図３に示すように、第１のモード制御回路２２０は、コンデンサ３１０と、ツェナーダイオード３２０と、抵抗器３３０と、動作増幅器３５０（比較器として構成されている）と、制御スイッチ３６０および３７０と、センサ３８０と、を備える。同様に、第２のモード制御回路２２２は、コンデンサ３１２と、ツェナーダイオード３２２と、抵抗器３３２と、動作増幅器３５２（比較器として構成されている）と、制御スイッチ３６２および３７２と、センサ３８０と、を備える。モード制御回路は、（ｉ）回路構成要素３１０／３１２、３２０／３２２、３３０／３３２、３５０／３５２、および３６０／３６２を使用した自己バイアスターンオン閾値電圧制御モード、ならびに（ｉｉ）回路構成要素３４０／３４２、３７０／３７２、およびセンサ３８０を使用した強制ターンオフ制御モードを実装するための例示的な実施形態を提供する。
例えば、自己バイアスターンオン閾値電圧制御モードでは、比較器３５０および３５２は、制御スイッチ３６０および３６２を起動し、第１および第２のソリッドステートスイッチ２１０および２１２のゲート－ソースを効果的に短絡させるのに十分な制御電圧を出力する。ソリッドステートスイッチ２１０および２１２は、ソリッドステートスイッチ２１０および２１２に対して自己バイアスターンオン閾値電圧を生成するのに十分な時間、スイッチオフ状態に維持される。
例えば、ＡＣ主電源１０のＡＣ供給電圧波形の正の半サイクル中、電流は、第２の分岐回路（ダイオード２４２および抵抗器２５２を備える）、コンデンサ３１２、および本体ダイオード２１２－１を通じてライン高温１１からライン中性１２に流れる。この電流の流れは、コンデンサ電圧がクランプ電圧（すなわち、ツェナー電圧と称される、ツェナーダイオード３２２の逆降伏電圧）を表す、コンデンサ３１２を横切る目標自己バイアスターンオン閾値電圧レベルに達するまで、コンデンサ３１２にわたる電圧を増加させる。言い換えれば、ツェナーダイオード３２２のツェナー電圧は、第２のソリッドステートスイッチ２１２をターンオンするために生成される自己バイアスターンオン閾値電圧（ＶＧＳ）の最大レベルを制限する。
次に、ＡＣ主電源１０のＡＣ供給電圧波形の負の半サイクルの間、電流は、第１の分岐回路（ダイオード２４０および抵抗器２５０を備える）、コンデンサ３１０、および本体ダイオード２１０－１を通ってライン中性１２からライン高温１１に流れる。この電流の流れは、コンデンサ電圧が、ツェナーダイオード３２０のクランプ電圧（ツェナー電圧）を表す、コンデンサ３１０にわたる目標ターンオン閾値電圧レベルに達するまで、コンデンサ３１０にわたる電圧を増加させる。言い換えれば、ツェナーダイオード３２０のツェナー電圧は、第１のソリッドステートスイッチ２１０ターンオンするために生成される自己バイアスターンオン閾値電圧（ＶＧＳ）の最大レベルを制限する。
この例示的な実施形態では、ソリッドステートスイッチ２１０および２１２のための目標閾値電圧レベルは、ツェナーダイオード３２０および３２２がターンオン閾値電圧を制限するためのソリッドステートクランプとして機能するように、ツェナーダイオード３２０および３２２のツェナー電圧によって制限される。この点において、自己バイアスターンオン閾値電圧制御モードは、自己バイアスターンオン閾値電圧のレベルがソリッドステートクランプによって制限されるため、入力ライン電圧に依存しない。
上述したように、図３の例示的なモード制御フレームワークでは、ソリッドステートスイッチ２１０および２１２は、コンデンサ３１０および３１２をツェナーダイオード３２０および３２２のツェナー電圧に充電するのに十分な期間、スイッチオフ状態に維持される。いくつかの実施形態では、ツェナー電圧は、約１５Ｖであり、ソリッドステートスイッチ２１０および２１２のターンオン閾値電圧は、約１０Ｖ～約１５Ｖの範囲である。例えば、漏れ、ＭＯＳＦＥＴ装置のミラー容量などに起因して、ツェナーダイオード３２０および３２２のクランプ電圧に達する前に、ソリッドステートスイッチ２１０および２１２が早期にターンオンされると、ソリッドステートスイッチ２１０および２１２は、ゲート－ソース電圧が２Ｖ未満で実際にターンオンすることがあり、これにより、コンデンサ３１０および３１２が、ツェナーダイオード３２０および３２２のクランプ電圧に対応するコンデンサ電圧を生成するのに十分に充電されないであろう。この点において、自己バイアスターンオン閾値電圧制御モードは、制御スイッチ３６０および３６２を一定の期間ターンオン状態に維持するように構成されており、この期間は、第１および第２のソリッドステートスイッチ２１０および２１２をターンオフに維持し、コンデンサ３１０および３１２をツェナーダイオード３２０および３２２のクランプ電圧に充電することを可能にするのに十分である。
上述したように、モード制御回路２２０および２２２は、回路構成要素３４０、３４２、３７０、３７２、および３８０を使用して強制ターンオフ制御モードを実装する。具体的には、ソリッドステート回路遮断器３００の動作中、スイッチ３７０および３７２は、ゲート－ソース端子を効果的に分流し、ソリッドステートスイッチ２１０および２１２をターンオフするために、センサ３８０のうちの１つによって起動され得る。センサ３８０は、様々なタイプのセンサのうちの１つ以上を含み得る。例えば、いくつかの実施形態では、センサ３８０は、検知抵抗器３４０および３４２にわたる電圧降下を測定し、電流検知抵抗器３４０および３４２にわたる測定された電圧降下に基づいて、ＡＣ主電源１０と負荷２０との間の高温ライン経路および中性ライン経路内で流れる電流の大きさを判定するように構成された電流センサを含む。いくつかの実施形態では、検知抵抗器３４０および３４２は、非常に小さい抵抗値（例えば、１ミリオームよりも約１０倍小さい）を有し、したがって、検知抵抗器３４０および３４２にわたる電圧電位は無視できるが、それでも電流検知には十分である。動作増幅器３５０および３５２は、検知抵抗器３４０および３４２にわたる電圧降下に対応する比較的小さい電圧入力であっても、それぞれの制御スイッチ３６０および３６２を駆動できるように十分なゲインで構成されている。
他の実施形態では、センサ３８０は、環境状態を検知するように構成された１つ以上のセンサを含む。例えば、センサ３８０は、（ｉ）有害化学物質の存在を検出するように構成された化学物質感応型検出器、（ｉｉ）有害ガスの存在を検出するように構成されているガス感応型検出器、（ｉｉｉ）例えば、火災を示す高温を検出するように構成された温度センサ、（ｉｖ）例えば、爆発、地震などに関連付けられた大きな振動を検出するように構成された圧電検出器、（ｖ）洪水または湿潤状態を検出するように構成された湿度センサまたは水センサ、ならびに回路中断を保証するであろう有害な環境状態の存在または発生のために検出するように構成された他のタイプのセンサのうちの１つ以上を含むことができる。
いくつかの実施形態では、制御スイッチ３７０および３７２は、光学トランジスタ（例えば、フォトトランジスタなど）または例えば、センサ装置もしくはマイクロコントローラによって制御される相補的発光ダイオード（ＬＥＤ）から信号を受信する他のタイプの光学制御スイッチを備える。センサ３８０と制御スイッチ３７０および３７２との間のこの光学結合は、本質的に、力ターンオフ制御回路とソリッドステート回路遮断器３００のスイッチング回路との間にガルバニック絶縁を提供する。他の実施形態では、ガルバニック絶縁は、磁気的、容量性、または無線周波数（ＲＦ）絶縁技術を使用して実装することができる。
他の実施形態では、制御スイッチ３７０および３７２は、故障を検出するように構成されたローカルまたはリモートコントローラから受信したリモートコマンド（例えば、アラーム信号）、または例えば、Ｉｎｔｅｒｎｅｔ－ｏｆ－Ｔｈｉｎｇｓ（ＩｏＴ）無線コンピューティングネットワークを使用して実装されるスマート技術を通じて、ソリッドステート回路遮断器３００の動作を制御することができる個人から受信したリモートコマンドに応答して起動することができ、ソリッドステート回路遮断器３００は、スマート無線ＩｏＴ装置を備える。
図４は、本開示の別の実施形態による、ソリッドステート回路遮断器を概略的に示す。特に、図４は、ＡＣ主電源１０と負荷２０との間に接続されたソリッドステート回路遮断器４００を示す。ソリッドステート回路遮断器４００は、第１のソリッドステートスイッチ４０１および関連する本体ダイオード４０１－１と、第２のソリッドステートスイッチ４０２および関連する本体ダイオード４０２－１と、を備える単一のポールスイッチ回路を備える。第１および第２のソリッドステートスイッチ４０１および４０２は、ライン高温１１と負荷高温２１との間の電気経路内で直列に接続されており、ソース端子（Ｓ）は検知抵抗器４４０を通して直列に接続され、それによって双方向ソリッドステートスイッチを実装するようにしている。ソリッドステート回路遮断器４００は、第１のダイオード２４０および第１の抵抗器２５０を備える第１のバイアス分岐回路と、図示されるように、ライン高温１１とライン中性１２との間に直列に接続される第２のダイオード２４２および第２の抵抗器２５２を備える第２のバイアス分岐回路と、をさらに備える。
ソリッドステート遮断器４００は、第１のコンデンサ４１０と、ツェナーダイオード４２０と、抵抗器４３０、４４０、４５０、および４５２と、第２のコンデンサ４５４と、第１の制御スイッチ４６０、第２の制御スイッチ４７０と、センサ４８０と、を備えるモード制御回路４０５をさらに備える。第１および第２のバイアス分岐回路は、モード制御回路４０５の入力ノードＮ１に接続される。図４に示されるモード制御回路４０５は、図２のモード制御回路２２０および２２２の各々を実装するための別の例示的な実施形態を含む。モード制御回路４０５は、（ｉ）回路構成要素４１０、４２０、４３０、４５０、４５２、４５４、および４６０を使用した自己バイアスターンオン閾値電圧制御モード、ならびに（ｉｉ）回路構成要素４４０、４７０、および４８０を使用した強制ターンオフ制御モードを実装するように構成されている。
例えば、自己バイアスターンオン閾値電圧制御モードでは、抵抗器４５０および４５２、ならびにコンデンサ４５４は、第１の制御スイッチ４６０を起動し、第１および第２のソリッドステートスイッチ４０１および４０２のゲート－ソースを効果的に短絡させるのに十分な電圧をノードＮ２において生成する。ノードＮ２における電圧は、抵抗器４５２およびコンデンサ４５４のＲＣ時間定数に対応する遅延期間、ソリッドステートスイッチ４０１および４０２をターンオフに維持する。
このＲＣ時間定数遅延期間中、およびＡＣ主電源１０のＡＣ供給電圧波形の負の半サイクルの間、電流は、第１の分岐回路（ダイオード２４０および抵抗器２５０を備える）、コンデンサ４１０、および本体ダイオード４０１－１を通ってライン中性１２からライン高温１１に流れる。この電流の流れは、コンデンサ電圧がクランプ電圧（すなわち、ツェナーダイオード４２０のツェナー電圧）を表すコンデンサ４１０にわたる目標ターンオン閾値電圧レベルに達するまで、コンデンサ４１０にわたる電圧を増加させる。言い換えれば、ツェナーダイオード４２０のツェナー電圧は、第１および第２のソリッドステートスイッチ４０１および４０２をターンオンするために生成される自己バイアスターンオン閾値電圧（ＶＧＳ）の最大レベルを制限する。
この例示的な実施形態では、目標閾値電圧レベルは、ツェナーダイオード４２０がターンオン閾値電圧を制限するためのソリッドステートクランプとして機能するように、ツェナーダイオード４２０のツェナー電圧（すなわち、逆降伏電圧）によって制限される。この点において、自己バイアスターンオン閾値電圧制御モードは、自己バイアスターンオン閾値電圧のレベルがソリッドステートクランプによって制限されるため、入力ライン電圧に依存しない。ＡＣ主電源１０のＡＣ供給電圧波形の正の半サイクル中、ダイオード２４２、抵抗器２５２、およびコンデンサ４１０は、第１および第２のソリッドステートスイッチ４０１および４０２に対してターンオン閾値電圧（すなわち、ツェナー電圧）を維持するために、ツェナーダイオード４２０にわたって充電をトリクルする。
上述したように、図４の例示的なモード制御フレームワークでは、ソリッドステートスイッチ４０１は、コンデンサ４１０をツェナーダイオード４２０のツェナー電圧に充電するのに十分な期間、スイッチオフ状態に維持される。いくつかの実施形態では、ツェナー電圧は、約１５Ｖであり、ソリッドステートスイッチ４０１および４０２のターンオン閾値電圧は、約１０Ｖ～約１５Ｖの範囲にある。例えば、漏れ、ＭＯＳＦＥＴ装置のミラー容量などに起因して、ツェナーダイオードのクランプ電圧に達する前に、ソリッドステートスイッチ４０１が早期にターンオンされると、ソリッドステートスイッチ４０１は、ゲート－ソース電圧の２Ｖ未満で実際にターンオンすることがあり、これにより、コンデンサ４１０が、ツェナーダイオード４２０のクランプ電圧に対応するコンデンサ電圧を生成するのに十分に充電されるのを防止するであろう。この点において、自己バイアスターンオン閾値電圧制御モードは、第１の制御スイッチ４６０を一定の期間ターンオンを維持するように構成されており、この期間は、第１および第２のソリッドステートスイッチ４０１および４０２をターンオフに維持し、それによってコンデンサ４１０がツェナーダイオード４２０のクランプ電圧に充電されることを可能にするのに十分である。
上述したように、モード制御回路４０５は、回路構成要素４４０、４７０、および４８０を使用して強制ターンオフ制御モードを実装する。具体的には、ソリッドステート回路遮断器４００の動作中、スイッチ４７０は、ゲート－ソース端子を効果的に分流し、ソリッドステートスイッチ４０１および４０２をターンオフするために、センサ４８０のうちの１つによって起動され得る。センサ４８０は、様々なタイプのセンサのうちの１つ以上を含み得る。例えば、いくつかの実施形態では、センサ４８０は、電流センサを含み、電流センサは、検知抵抗器４４０にわたる電圧降下を測定し、電流検知抵抗器４４０にわたる測定電圧降下に基づいて、ライン高温１１と負荷高温２１との間の高温ライン経路内で流れる電流の大きさを判定するように構成されている。いくつかの実施形態では、検知抵抗器４４０は、１ミリオーム未満の抵抗値を有する。このように、検知抵抗器４４０にわたる電圧電位は、無視できるが、それでも電流検知には十分である。検知抵抗器４４０と検知回路との間の接地電位の差は小さく、検知抵抗器４４０を通る双方向電流の流れに起因して相互に補償されるであろう。
他の実施形態では、センサ４８０は、環境状態を検知するように構成された１つ以上のセンサを含む。例えば、センサ４８０は、（ｉ）有害化学物質の存在を検出するように構成された化学物質感応型検出器、（ｉｉ）有害ガスの存在を検出するように構成されているガス感応型検出器、（ｉｉｉ）例えば、火災を示す高温を検出するように構成された温度センサ、（ｉｖ）例えば、爆発、地震などに関連付けられた大きな振動を検出するように構成された圧電検出器、（ｖ）洪水または湿潤状態を検出するように構成された湿度センサまたは水センサ、ならびに回路中断を保証するであろう有害な環境状態の存在または発生のために検出するように構成された他のタイプのセンサのうちの１つ以上を含むことができる。
いくつかの実施形態では、スイッチ４７０は、センサ装置またはマイクロコントローラによって制御される相補的発光ダイオード（ＬＥＤ）から信号を受信する光学トランジスタ（例えば、フォトトランジスタなど）または他のタイプの光学スイッチを備える。センサ４８０とスイッチ４７０との間のこの光学結合は、本質的に、力ターンオフ制御回路とソリッドステート回路遮断器４００のスイッチング回路との間のガルバニック絶縁を提供する。他の実施形態では、ガルバニック絶縁は、磁気的、容量性、または無線周波数（ＲＦ）絶縁技術を使用して実装することができる。
他の実施形態では、スイッチ４７０は、故障を検出するように構成されたローカルもしくはリモートコントローラから受信したリモートコマンド（例えば、アラーム信号）、または例えば、ＩｏＴ無線コンピューティングネットワークを使用して実装されるスマート技術を通じて、ソリッドステート回路遮断器４００の動作を制御することができる個人から受信したリモートコマンドに応答して起動することができ、ソリッドステート回路遮断器４００は、スマート無線ＩｏＴ装置を備える。
図５は、本開示の別の実施形態による、ソリッドステート回路遮断器を概略的に示す。特に、図５は、ソリッドステート回路遮断器５００が、ソリッドステートスイッチ４０１および４０２がターンオフされるときにソリッドステート回路遮断器５００と負荷２０との間にガルバニック絶縁を提供する絶縁回路５１０を備えることを除いて、図４のソリッドステート回路遮断器４００と同様のソリッドステート回路遮断器５００を概略的に示す。ソリッドステートスイッチ４１０および４０２がターンオフされると、ソリッドステートスイッチ４０１および４０２は少量の漏れ電流を生成することができる。例えば、ソリッドステートスイッチ４０１および４０２がバイアスされて完全にスイッチオフ状態にある場合であっても、少量の漏れ電流（例えば、２００ｕＡ）がソリッドステートスイッチ４０１および４０２を通って流れ、負荷２０が高インピーダンス負荷を含むときに、負荷２０にわたって大きな電圧降下を生成することができる。
絶縁回路５１０は、スイッチオフソリッドステートスイッチ４０１および４０２を通じて、ＡＣ主電源１０からの望ましくない漏れ電流の流れから負荷２０を分流する役割を果たす。絶縁回路５１０は、コントローラ５２０、ＭＯＳＦＥＴ装置５３０および５４０、ならびに関連する本体ダイオード５３０－１および５４０－１を備える。ソリッドステートスイッチ４０１および４０２のターンオフ期間中、コントローラ５２０は、ＭＯＳＦＥＴスイッチ５３０および５４０をターンオンにスイッチングし、それによって望ましくない漏れを分流し、このような漏れ電流が負荷２０内に流れるのを防止するように命令する。負荷２０から漏れ電流を迂回または分流する効果は、ＡＣ主電源１０と負荷２０との間の空隙で実装されるガルバニック絶縁技術と同等の役割を果たす。この構成では、絶縁回路５１０は、擬似空隙として機能する。
図６は、本開示の別の実施形態による、ソリッドステート回路遮断器を概略的に示す。特に、図６は、ＤＰＳＴスイッチング回路２０２のソリッドステートスイッチ２１０および２１２が、ＡＣ主電源１０の２つの別個の高温相１０－１および１０－２のそれぞれのライン高温のライン１１－１および１１－２に結合されていることを除いて、図２のソリッドステート回路遮断器２００と同様のソリッドステート回路遮断器６００を概略的に示しており、高温相１０－１および１０－２は、１８０度位相がずれている。この構成では、ダイオード２４０と抵抗器２５０とを備える第１の分岐回路がライン中性１２と第１のモード制御回路２２０との間に直列に接続され、ダイオード２４２と抵抗器２５２とを備える第２の分岐回路がライン中性１２と第２のモード制御回路２２２との間に直列に接続される。モード制御回路２２０および２２０は、図３、図４、および図５と併せて上で考察されるように、回路アーキテクチャおよびモード制御技術を使用して実装することができる。
図７は、本開示の別の実施形態による、ソリッドステート回路遮断器を概略的に示す。特に、図７は、ソリッドステート回路遮断器７００を概略的に示しており、このソリッドステート回路遮断器７００が図２に示される電流センサ２３０および２３２を省略し、図５の例示的な実施形態のように絶縁回路５１０をさらに含むことを除いて、図２のソリッドステート回路遮断器２００と同様である。絶縁回路５１０は、ソリッドステートスイッチ２１０および２１２によってそれらのスイッチオフ状態で生成される漏れ電流を分流し、それによって、漏れ電流が負荷２０を通って流れるのを防止する。上述したように、負荷２０から離れるように漏れ電流を迂回または分流することによる効果は、ガルバニック絶縁と同等の役割を果たす。
明示的な電流センサ２３０および２３２は、ソリッドステート回路遮断器７００において省略されるが、モード制御回路７１０および７１２のうちの一方または両方内の故障検出センサは、ソリッドステートスイッチ２１０および２１２の内部ドレインソース抵抗（ＲＤＳ－ＯＮ）を利用して、ライン高温またはライン中性脚部内の電流の流れの量を判定し、次いで、故障状態（例えば、短絡または過電流故障）の検出に応答してスイッチ２１０および２１２を停止し、絶縁回路５１０を起動して、ソリッドステートスイッチ２１０および２１２がスイッチオフ状態に維持される時間中に負荷２０から漏れた電流を分流することができる。
いくつかの実施形態では、モード制御回路７１０および７１２は、ソリッドステートスイッチ２１０および２１２にバイアスをかけるために、オン閾値電圧として機能する浮動電圧出力を有する独立した絶縁ＡＣ－ＤＣ電源を利用した自己バイアスターンオン閾値電圧モードを実装することができる。他の実施形態では、自己バイアスターンオン閾値電圧モードは、容量性、ＲＦ、および光学絶縁装置などのガルバニック絶縁装置を使用して実装することができる。
図８は、本開示の別の実施形態による、ソリッドステート回路遮断器を概略的に示す。特に、図８は、ＡＣ主電源１０と負荷２０との間に接続されたソリッドステート回路遮断器８００を概略的に示しており、ソリッドステート回路遮断器８００は、単一極のハイブリッドソリッドステートおよび機械的回路遮断器アーキテクチャを備える。ソリッドステート回路遮断器８００は、ＡＣ主電源１０のライン高温１１と負荷２０の負荷高温２１との間の電気経路で直列に接続されたソリッドステートスイッチ８１０および空隙電磁スイッチ８２０を備える（例えば、空隙電磁スイッチ８２０およびソリッドステートスイッチ８１０は、ソリッドステート回路遮断器８００のライン入力端子と負荷出力端子との間で直列に接続される）。ソリッドステート回路遮断器８００は、ＡＣ－ＤＣ変換器回路８３０と、ゼロ交差センサ８４０と、電流センサ８５０と、他のタイプのセンサ８６０（例えば、環境センサ、光センサなど）と、スイッチコントローラ８７０と、をさらに備える。
いくつかの実施形態では、図８に示すように、ソリッドステートスイッチ８１０は、図示するようにゲート端子（Ｇ）、ドレイン端子（Ｄ）、およびソース端子（Ｓ）を有するパワーＭＯＳＦＥＴスイッチ８１０（例えば、Ｎ型強化ＭＯＳＦＥＴ装置）と、本体ダイオード８１０－１と、を備える。空隙電磁スイッチ８２０は、一連の電気接点を物理的に開閉するように構成された任意の好適なタイプの電磁スイッチ機構を備え、空隙電磁スイッチ８２０がスイッチ開状態にあるときに、空隙が電気接点間に作成される。例えば、空隙電磁スイッチ８２０は、スイッチコントローラ８７０からの制御信号に応答して、空隙電磁スイッチ８２０の電気接点を自動的に開閉するラッチングソレノイドまたはリレー素子を備えてもよい。
ライン高温１１と負荷高温２１との間のライン経路内の空隙の作成は、ライン高温１１から負荷高温２１への電流の流れを防止するため、ＡＣ主電源１０の負荷２０からの完全な隔離を提供する。空隙電磁スイッチ８２０は、ソリッドステートスイッチ８１０のライン側（図８に示すように）またはソリッドステートスイッチ８１０の負荷側のいずれかに配設され得る。ソリッドステート回路遮断器８００は、電気規格で完全な絶縁のために回路遮断器内の空隙の実装が必要とされる場合に、（上述の例示的な実施形態における複数のソリッドステートスイッチと比較して）１つのソリッドステートスイッチを利用することを可能にする費用対効果の高いソリューションを提供する。
ＡＣ－ＤＣ変換器回路８３０は、ゼロ交差センサ８４０と、スイッチコントローラ８６０と、任意選択で電流センサ８５０および他のセンサ８６０と、を含む、様々な回路およびソールド状態の回路遮断器８００の素子（このようなセンサ８５０および８６０の構成に依存する）にＤＣ供給電力を提供するように構成されている。ＡＣ－ＤＣ変換器回路８３０は、スイッチ８１０および８２０がそれぞれスイッチオフ状態およびスイッチ開状態であるときに、故障中に給電が維持されるように構成されている。いくつかの実施形態では、ＡＣ－ＤＣ変換器回路８３０は、ユーティリティ停止の直後にＤＣサブシステムに給電するのに十分な蓄積容量を備え、その結果、関連する停電または短絡情報は、ユーティリティ電力が崩壊するときにスイッチコントローラ８７０によって取得および蓄積され得、次いで、スイッチコントローラ８７０に結合されるか、またはスイッチコントローラ８７０と統合される高周波送受信機（図示せず）を使用して、リモートノード、装置、またはシステムに無線で送信され得る。
ゼロ交差センサ８４０は、ソリッドステート回路遮断器８００を通る高温ライン経路に沿った目標点における電圧および／または電流を監視し、ＡＣ主電源１０のＡＣ供給電圧波形のゼロ電流および／またはゼロ電圧交差を検出するように構成されている。例えば、図８に示すように、ゼロ交差センサ８４０は、スイッチ８２０および８１０の上流の高温ライン経路に結合されて、ソリッドステート回路遮断器８００のライン入力上のＡＣ主電源１０のＡＣ電源波形のゼロ電流および／またはゼロ電圧の交差の例を検出する。ゼロ交差センサ８４０は、１つ以上のデータ取得および制御ライン８４０－１によってスイッチコントローラ８７０に結合される。ゼロ交差センサ８４０は、ＡＣ電源波形の電流および／または電圧のゼロ交差を検知し、ゼロ交差事象および電流または電圧の関連する方向（例えば、負から正へ、または正から負への遷移）を示す検出信号を生成するように構成された任意の好適なタイプのゼロ電圧および／またはゼロ電流検知回路を使用して実装することができる。この点において、ゼロ交差センサ８４０は、入力としてＡＣ波形を受信し、入力されたＡＣ波形をゼロ基準電圧（例えば、ライン中性電圧）と比較し、正および負からのＡＣ波形遷移を検出するように構成され、この遷移は、ＡＣ波形がゼロ基準電圧を交差するときに一致する。ゼロ交差検出器は、ＡＣ電圧波形のゼロ交差が検出されるたびに、論理「１」および論理「０」出力の間で遷移することになる。
電流センサ８５０は、ソリッドステート回路遮断器８００を通る高温ライン経路内の負荷２０によって引き出される電流の大きさを検出するように構成されている。電流センサ８５０は、電流検知抵抗器、電流増幅器、ホール効果電流センサなどを含むがこれらに限定されない、任意の好適なタイプの電流検知回路を使用して実装することができる。電流センサ８５０は、１つ以上のデータ取得および制御ライン８５０－１によってスイッチコントローラ８７０に結合される。
センサ８６０は、考えられる有害な環境状態（例えば、化学物質、ガス、湿度、水、温度、光など）を検出し、潜在的に有害な環境状態を示すセンサデータを生成するように構成された１つ以上の任意選択のセンサを含む。センサ８６０は、１つ以上のデータ取得および制御ライン８６０－１によってスイッチコントローラ８７０に結合される。
スイッチコントローラ８７０は、ゼロ交差センサ８４０、電流センサ８５０、およびセンサ８６０と連動して、故障状態（例えば、短絡故障、過電流故障、アーク故障、接地故障など）の検出、有害な環境状態（例えば、ガス漏れ、化学物質流出、火災、洪水など）の検出の機能を実施し、また検出された故障状態または有害な環境条件に応答してスイッチ８１０および８２０の開閉のタイミング制御を提供し、それによって空隙電磁スイッチ８２０内に電気アークを作り出すことを回避するように動作する。スイッチコントローラ８７０は、ソリッドステートスイッチ８１０のゲート端子（Ｇ）に適用され、ソリッドステートスイッチ８１０をスイッチオン状態またはスイッチオフ状態にするためのゲート制御信号を生成する。いくつかの実施形態では、スイッチコントローラ８７０は、電流センサ８５０および／または他のセンサ８６０から取得されるセンサデータを分析した結果としてスイッチコントローラ８７０によって検出される短絡故障、過電流故障、および他の故障または有害性などの故障状態に応答して、ソリッドステートスイッチ８１０をスイッチオフ状態にするためのゲート制御信号を生成する。
スイッチコントローラ８７０は、センサデータを処理し、スイッチ８１０および８２０を制御するために本明細書で考察されるように、スイッチ制御タイミングプロトコルを実装するように構成されたプロセッサを使用して実装することができる。加えて、スイッチコントローラ８７０は、センサデータをプロセッサによる処理に好適である適切な形式に変換するための回路を実装することができる。スイッチコントローラ８７０は、故障状態のリモート監視および検出、ならびにソリッドステート回路遮断器８００を制御するためのリモートコマンドを受信することをサポートするために、リモートノード、装置、システムなどと無線で通信するＲＦトランシーバを含むことができる。プロセッサは、中央処理ユニット、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、および他のタイプのプロセッサ、ならびにソフトウェア、ハードウェア、ファームウェアなどに基づいて処理機能を実施することができるそのようなプロセッサの部分または組み合わせを含んでもよい。他の実施形態では、回路遮断器８００の様々な構成要素（例えば、８３０、８４０、および８７０）のソリッドステート回路は、システムオンチップとして単一のダイ上に実装することができる。
電磁スイッチ８２０の電気接点間の電気アークの生成を防止するために、スイッチコントローラ８７０は、空隙電磁スイッチ８２０をスイッチ開状態またはスイッチ閉状態にする前に、ソリッドステートスイッチ８１０をスイッチオフ状態にするように構成されている。しかしながら、図８の構成では、ソリッドステートスイッチ８１０がスイッチオフ状態であり、空隙電磁スイッチ８２０がスイッチ閉状態であると仮定しても、ソリッドステートスイッチ８１０の本体ダイオード８１０－１は、ＡＣ主電源１０のＡＣ電源波形が負の半サイクルであるとき（すなわち、ライン高温１１が負であり、ライン中性１２が正であるとき）、負の電流が負の負荷２０からＡＣ主電源１０に伝導することを可能にする。実際、この構成では、負の半サイクルの間、本体ダイオード８１０－１は前方バイアス状態にあり、これは、ソリッドステートスイッチ８１０がスイッチオフ状態にあるときでも、負の電流が負の負荷２０からＡＣ主電源１０に流れることを可能にする。
この例では、ＡＣ電源波形の負の半サイクル中に空隙電磁スイッチ８２０が開かれる場合、負の電流の流れは、空隙電磁スイッチ８２０の電気接点間で電気アークを生成するであろう。このような電気アークを作成することを回避するために、スイッチコントローラ８７０は、ソリッドステートスイッチ８１０をスイッチオフ状態にし、次いでゼロ交差センサ８４０から取得されたセンサデータを追跡して、ソリッドステート遮断器８００のライン側（例えば、ライン高温１１）のＡＣ電圧および／または電流の極性を判定し、ライン側のＡＣ電圧および／または電流の極性が正であると判定されたとき（例えば、ＡＣ供給電圧波形が正の半サイクルである）、空隙電磁スイッチ８２０を開くように構成されている。スイッチコントローラ８７０が所与の時間において、ライン側のＡＣ電圧および／または電流の極性が負である（例えば、ＡＣ供給電圧波形が負の半サイクルにある）と判定した場合、スイッチコントローラ８７０は、空隙電磁スイッチ８２０を開かず、むしろ、ゼロ交差センサ８４０によって検出される正の遷移ゼロ交差の次の例まで、空隙電磁スイッチ８２０を開くことを延期する。ここで、図９Ａ、図９Ｂ、図１０を参照して、スイッチコントローラ８７０によって実装されるスイッチタイミング制御についてさらに詳細に考察する。
図９Ａは、図８のソリッドステート回路遮断器８００のライン側に入力される電源電圧波形を示す。特に、図９Ａは、ＡＣ主電源１０の電源電圧波形を表す入力電圧波形９００を示す。入力電圧波形９００は、正の半サイクル９０２、負の半サイクル９０４、ならびに時刻Ｔ０、Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、およびＴ４におけるゼロ電圧交差９１０を含む。ソリッドステートスイッチ８１０がスイッチオン状態であり、空隙電磁スイッチ８２０がスイッチ閉状態であるとき、入力電圧波形９００は、負荷２０の負荷高温ライン２１に印加される。スイッチコントローラ８７０が、電力が負荷２０から切断されるべきであると判定した場合、スイッチコントローラ８７０は、ソリッドステートスイッチ８１０のゲート端子Ｇに印加されるゲート制御信号を生成し、ソリッドステートスイッチ８１０をスイッチオフ状態にする。
図９Ｂは、ソリッドステートスイッチ８１０がスイッチオフ状態にあり、空隙電磁スイッチ８２０がスイッチ閉状態にあるときの、図８のソリッドステート回路遮断器８００の負荷側上の出力電圧波形９２０を示す。この状態では、ソリッドステートスイッチ８１０の本体ダイオード８１０－１は、入力電圧波形９００の負の半サイクル９０４中に前方バイアスされ、これは、入力電圧波形９００を整流し、図９Ｂに示される出力電圧波形９２０をもたらし、ここで、入力波形９００の正の半サイクル９０２に対応する出力電圧波形９２０の部分９２２は０Ｖであり、出力電圧波形９２０の部分９２４は、入力波形９００の負の半サイクル９０４の電圧を追跡する。この例では、負電流は、空隙電磁スイッチ８２０が開くまで、各負の半サイクル９２４中に負荷２０からＡＣ主電源１０に流れるであろう。
上述したように、ソリッドステートスイッチ８１０がスイッチオフされた後、スイッチコントローラ８７０は、ゼロ交差センサ８４０から受信されたセンサデータを処理して、ライン高温経路に電流の流れがほとんどないかまたはないタイミングを判定し、その後、空隙電磁スイッチ８２０を開いて負荷２０への電力を完全に切断するための制御信号を生成し、一方で、空隙スイッチ８２０内の考えられる電気アーク形成を防止するか、または他の方法で緩和する。
例えば、図９Ａ～図９ＢのＴ０～Ｔ１の期間にソリッドステートスイッチ８１０がスイッチオフされているとする。この例では、スイッチコントローラ８７０は、入力波形９００の次のゼロ電圧交差が、時間Ｔ１において負の遷移ゼロ電圧交差９１０であることを検出し、次いで、空隙電磁スイッチ８２０を停止する前に、時間Ｔ２において次の正の遷移ゼロ電圧交差９１０を待機し、空隙電磁スイッチ８２０が開かれるときに、負荷２０とＡＣ主電源１０との間のライン高温経路に電流が流れないことを確実にするであろう。
例示的な電圧波形９Ａおよび９Ｂは、ＡＣ電圧波形および負荷２０によって引き出される電流が位相内であると仮定する、約１の力率を有する負荷２０を表すことを理解されたい。そのような場合、ゼロ電圧交差は、ゼロ電流交差であると仮定される。しかしながら、負荷２０が１未満の力率（例えば、容量性負荷または誘導性負荷）を有する場合、負荷２０によって引き出される電圧波形および電流は、位相がずれることになる。これに関して、ゼロ交差センサ８４０は、スイッチ８２０および８１０のライン側の電流波形のゼロ電流交差、または正の遷移ゼロ電流交差を判定し、空隙電磁スイッチ８２０を開く前に、正電流がライン高温経路内で流れないことを確実にするためのゼロ電流交差検出器を含むことができる。
図１０は、本開示の実施形態による、図８のソリッドステート回路遮断器８００のスイッチコントローラ８７０によって実装されるスイッチ制御プロセスのフローチャートである。図１０のスイッチ制御プロセスは、ユーティリティ電力の回復のための非限定的な例示的な実施形態、またはソリッドステート遮断器８００を作動させる（ブロック１０００）ための手動、自動、もしくはリモート起動制御を表す。この例では、ソリッドステートスイッチ８１０はスイッチオフ状態であり、空隙電磁スイッチ８２０はスイッチ閉状態であると仮定する。
スイッチコントローラ８７０は、空隙電磁スイッチ８２０を閉じる（ブロック１００４）前に、適切なゼロ交差の検出を待つ（ブロック１００２）。当業者であれば、空隙電磁スイッチ８２０を閉じる前に電圧および／または電流ゼロ交差事象を待つことが理想的であるが、これは閉じるための必須条件ではないことを理解するであろう。ゼロ交差事象は、正の遷移ゼロ交差事象または負の遷移ゼロ交差事象であり得る。上述したように、いくつかの実施形態では、ソリッドステートスイッチ（例えば、スイッチ８１０）の本体ダイオード（例えば、ダイオード８１０－１）が前方バイアスされておらず、導電性である、今後の半サイクルのゼロ交差で空隙電磁スイッチ８２０を閉じることが好ましい。例えば、図８の例示的な実施形態では、ソリッドステートスイッチ８１０の本体ダイオード８１０－１は、ＡＣ主電源１０の供給電圧波形の正の半導体サイクル中に逆バイアスされ、非導電性である。そのような実施形態では、正の遷移（電流または電圧）ゼロ交差事象を検出すると、空隙電磁スイッチをスイッチ閉状態にする（ブロック１００４）ことが理想的である。他の実施形態では、ソリッドステートスイッチおよび関連する本体ダイオードに使用されるＭＯＳＦＥＴのタイプに応じて、負の遷移（電流または電圧）ゼロ交差事象を検出すると、ソリッドステートスイッチを閉じることが理想的である場合がある。
空隙電磁スイッチ８２０が閉じられると、スイッチコントローラ８７０は、ソリッドステートスイッチ８１０をスイッチオン状態にするためのゲート制御信号を生成するように進む（ブロック１００６）。ソリッドステートスイッチ８１０は、空隙電磁スイッチ８２０が閉じられた後、いつでもスイッチオンされてよい。例えば、ソリッドステート遮断器回路８００は、空隙電磁スイッチ８２０がスイッチ閉状態に維持され、スイッチコントローラ８７０がソリッドステートスイッチ８１０の起動を進めるために何らかのトリガ事象（例えば、リモートコマンド）の発生を待機する、「スタンバイ」モードで動作し得る。
スイッチ８１０および８２０の両方が起動されると、スイッチコントローラ８７０は、電力と負荷との間の回路接続を遮断するためのいくつかの事象またはコマンドの待機状態に入る（ブロック１００８）。待機期間中、ソリッドステートスイッチ８１０および空隙電磁スイッチ８２０は、起動状態に維持される（ブロック１０１０）。事象は、スイッチコントローラ８７０が様々なセンサ８５０および８６０から受信したセンサデータを処理することによって判定される所与の故障状態または有害状態の検出であり得る。コマンドは、回路接続を遮断するための手動コマンドまたは自動コマンドであり得る。
故障もしくは有害状態を検出すると（ブロック１００８で肯定的判定）、または回路を遮断するための手動もしくは自動コマンドに応答して、スイッチコントローラ８７０は、ソリッドステートスイッチ８１０をスイッチオフ状態にするためのゲート制御信号を生成する（ブロック１０１２）。次いで、スイッチコントローラ８７０は、ライン高温経路上で目標ゼロ交差事象（例えば、正の遷移ゼロ交差事象）を検出するためにゼロ交差センサ８４０からのプロセスデータに進み（ブロック１０１４）、目標ゼロ交差事象の検出（ブロック１０１４における肯定的判定）に応答して、スイッチコントローラ８７０は、空隙電磁スイッチ８２０をスイッチ開状態にするためのスイッチ制御信号を生成する（ブロック１０１６）。
スイッチコントローラ８７０は、故障事象または有害状態が解消されるのを待機するために待機状態に入り（ブロック１０１８）、ソリッドステートおよび空隙電磁スイッチを停止状態に維持する（ブロック１０２０）。故障事象もしくは有害状態が解消された場合（ブロック１０１８の肯定的判定）、またはスイッチコントローラ８７０が、他の方法で負荷に電源を再接続することを示す手動もしくはリモートコマンドを受信した場合、制御プロセスはブロック１０００に戻り、スイッチコントローラ８７０は、空隙およびソリッドステートスイッチを再起動し、それによって電源を負荷に再接続するように進む。図１０のプロセスフローは、ソリッドステートスイッチ８１０を開閉する前にゼロ交差検出を実施するためのプロセスステップを明示的に含まないが、当業者であれば、特定の用途では、ソリッドステートスイッチ８１０のオンおよびオフは、所望に応じて、電圧または電流ゼロ交差事象のいずれかでタイミングを合わせることができることを認識し、理解するであろう。
図１１Ａは、本開示の実施形態による、図８のソリッドステート回路遮断器８００に実装することができるＡＣ－ＤＣ変換器回路１１００の概略ブロック図である。ＡＣ－ＤＣ変換器回路１１００は、ＤＣ電圧を生成するために整流器を必要としないアーキテクチャを含む。ＡＣ－ＤＣ変換器回路１１００は、突入保護回路１１１０と、サンプリング回路１１２０と、スイッチドライバ回路１１３０と、制御スイッチおよびクランプ回路１１４０と、蓄積回路１１５０と、電圧レギュレータ回路１１６０と、ガルバニック絶縁回路１１７０と、を備える。ＡＣ－ＤＣ変換器回路１１００は、負荷回路１１０２に印加されるＤＣ供給電圧を生成する。
突入保護回路１１１０は、入力電流の大きさをＡＣ－ＤＣ変換器回路１１００に制限するように構成されている。サンプリング回路１１２０は、ＡＣ主電源１１０のＡＣ供給電圧波形をサンプリングするように構成されている。サンプリング回路１１２０は、サンプリング電圧をスイッチドライバ回路１１３０に出力する。スイッチドライバ回路１１３０は、制御スイッチおよびクランプ回路１１４０の制御スイッチに制御電圧を印加するように構成されている。制御スイッチおよびクランプ回路１１４０は、スイッチドライバ回路１１３０によって印加される制御電圧に応答して、蓄積回路１１５０に電力を供給するように構成されている。蓄積回路１１５０は、電圧レギュレータ回路１１６０に印加されるＤＣ電圧を蓄積するように構成された電圧蓄積素子（例えば、コンデンサ）を備える。電圧レギュレータ回路１１６０は、負荷回路１１０２への調整されたＤＣ供給電圧を生成するように構成されている。
いくつかの実施形態では、スイッチドライバ回路１１３０は、蓄積回路１１５０からフィードバック電圧１１８０を受信し、フィードバック電圧１１８０に少なくとも部分的に基づいて、制御スイッチおよびクランプ回路１１４０に印加される制御電圧を生成する。いくつかの実施形態では、フィードバック電圧１１８０を排除することができ、ＡＣ－ＤＣ変換器回路１１００は、蓄積回路１１５０の蓄積素子が前方側素子１１２０、１１３０、および１１４０から制御されるフィードフォワード変換器として動作する。
いくつかの実施形態では、ＡＣ－ＤＣ変換器回路１１００は、フィードフォワード制御およびフィードバック制御の両方をサポートするために、負荷回路１１０２からスイッチドライバ回路１１３０へのフィードバック制御回路１１９０を実装する。いくつかの実施形態では、フィードフォワードおよびフィードバック制御のバランスは、フィードバック電圧１１８０およびサンプリング回路１１２０内の構成要素の選択によって判定される。いくつかの実施形態では、フィードフォワード制御とフィードバック制御との間のバランスは、サンプリング回路１１２０およびフィードバック電圧１１８０の抵抗器素子に従って構成されている。他の実施形態では、可変素子は、フィードフォワードおよびフィードバック制御の調整を可能にするために利用される。このような実施形態では、フィードバック回路１１９０は、スイッチドライバ回路１１３０と負荷回路１１０２との間のガルバニック絶縁を備えるであろう。
図１１Ｂは、本開示の実施形態による、図１１ＡのＡＣ－ＤＣ変換器回路の概略回路図である。図１１Ｂの例示的な実施形態では、突入保護回路１１１０は、ＡＣ主電源１０のライン高温１１に接続される第１の入力抵抗器１１１１と、ＡＣ主電源１０のライン中性１２に接続される第２の入力抵抗器１１１２と、を備える。他の実施形態では、高電力および高効率用途のために、突入保護回路１１１０は、起動時に電流が抵抗器１１１１および１１１２を通って流れることを可能にし、その後、定常状態動作に達すると抵抗器１１１１および１１１２を迂回するように構成されたスイッチ素子を備える。他の実施形態では、突入保護回路１１１０は、第１および第２の抵抗器１１１１および１１１２の代わりに第１および第２のインダクタ素子を備える。
サンプリング回路１１２０は、図示されるように、様々なノードＮ１、Ｎ２、Ｎ３、およびＮ４に接続された複数の抵抗器１１２１、１１２２、１１２３、および１１２４を備える。抵抗器１１２１、１１２２、および１１２３は、入力ＡＣ波形をサンプリングするための電圧分割器ネットワークを形成し、電圧分割器ネットワークは、フィードバックノードＮ２と出力ノードＮ３とを備える。抵抗器１１２４は、蓄積コンデンサ１１５２からのフィードバック電圧を提供するように、蓄積回路１１５０のフィードバックノードＮ２と出力ノードＮ４との間に接続される。スイッチドライバ回路１１３０は、ノードＮ１とＮ５との間に接続された抵抗器１１３１と、スイッチ素子１１３２と、を備える。制御スイッチおよびクランプ回路１１４０は、制御スイッチ素子１１４１、抵抗器１１４２、およびツェナーダイオード１１４３を備える。蓄積回路１１５０は、ダイオード１１５１と、蓄積コンデンサ１１５２と、を備える。電圧レギュレータ回路１１６０は、スイッチ素子１１６１と、抵抗器１１６２と、ツェナーダイオード１１６３と、コンデンサ１１６４と、を備える。
いくつかの実施形態では、スイッチ素子１１３２、１１４１、および１１６１は、図１１Ｂに示すように、ゲートＧ、ドレインＤ、およびソースＳ端子を有するｎ型強化ＭＯＳＦＥＴ装置を備える。他の実施形態では、スイッチ素子１１３２、１１４１、および１１６１は、バイポーラトランジスタまたは微小電気機械的スイッチを使用して実装されてもよい。図１１Ｂに示すように、スイッチ素子１１４３は、サンプリング回路１１２０の電圧分割器ネットワークの出力ノードＮ３に接続されたゲート端子Ｇと、スイッチドライバ回路１１３０の出力ノードＮ５に接続されたドレイン端子Ｄと、突入保護回路１１１０の出力ノードＮ３に接続されたソース端子Ｓと、を備える。スイッチ素子１１３２のドレイン端子Ｄは、抵抗器１１３１を通じて突入保護回路１１１０の出力ノードＮ１に結合される。
制御スイッチ１１４１は、突入回路１１１０の出力ノードＮ１に接続されたドレイン端子Ｄと、スイッチドライバ回路の出力ノードＮ５に接続されたゲート端子Ｇと、蓄積回路１１５０の入力（すなわち、ダイオード１１５１のアノード）に接続されたソース端子Ｓと、を備える。ツェナーダイオード１１４３は、制御スイッチ１１４１のゲート端子Ｇとソース端子Ｓとの間に接続され、ツェナーダイオード１１４３のカソードは、制御スイッチ１１４１のゲート端子Ｇに接続され、ツェナーダイオード１１４３のアノードは、制御スイッチ１１４１のソース端子Ｓに接続される。
電圧レギュレータ回路１１６０のスイッチ素子１１６１は、蓄積回路１１５０の出力ノードＮ４に接続されたドレイン端子Ｄと、抵抗器１１６２とツェナーダイオード１１６３との間のノードＮ７に接続されたゲート端子Ｇと、電圧レギュレータ回路１１６０の出力ノードＮ８に接続されたソース端子Ｓと、を備える。コンデンサ１１６４は、電圧レギュレータ回路１１６０の出力ノードＮ８と突入保護回路１１１０の出力ノードＮ６との間に接続される。
抵抗器１１２４（または検知抵抗器）は、蓄積回路１１５０の出力ノードＮ４の間に接続され、フィードバック電圧を提供し、このフィードバック電圧は、フィードバック抵抗器１１２４を通じてサンプリング回路１１２０のフィードバックノードＮ２に印加される。ノードＮ４とＮ２との間のフィードバック抵抗器１１２４の接続によって提供されるフィードバック経路は、図１１Ａに示すようなフィードバック電圧１１８０の例示的な実施形態を提供し、蓄積コンデンサ１１５２の電荷は、部分的に、スイッチドライバ回路１１３０のスイッチ素子１１３２のゲート端子Ｇに接続されたサンプリング回路１１２０の出力ノードＮ３において制御電圧を生成するために利用される。
スイッチ素子１１３２は、サンプリング回路１１２０の電圧分割器ネットワークの出力ノードＮ３において生成されるゲート制御電圧によって駆動される。スイッチ素子１１３２のゲーティングは、スイッチドライバ回路１１３０の制御スイッチ１１４１の動作を制御する。スイッチドライバ回路１１３０のスイッチ素子１１３２のゲート端子Ｇに印加される電圧分割器ネットワークのノードＮ３の電圧が、スイッチ素子１１３２のオンとオフを切り替え、それによって制御スイッチ素子１１４１のオンとオフを同期的に切り替えるように、抵抗器１１２１、１１２２、１１２３、１１２４の抵抗値が選択される。制御スイッチ素子１１４１は、それによって、予め選択されタイミングの合った出力パルスを出力して、蓄積コンデンサ１１５２を充電するように駆動される。
制御スイッチ１１４１のピーク出力電流は、ツェナーダイオード１１４３のツェナー電圧（すなわち、逆降伏電圧）の事前選択された値に基づいて、事前に選択された値にクランプされ、最大ゲート－ソース電圧（ＶＧＳ）は、ツェナーダイオード１１４３のツェナー電圧によって制限される。制御スイッチ１１４１からのパルス出力は、ダイオード１１５１をターンオンするように、および蓄積コンデンサ１１５２を充電するためにノードＮ４に充電を供給するように動作する。蓄積回路１１６０の出力ノードＮ４とサンプリング回路１１２０のフィードバックノードＮ２との間に接続された抵抗器１１２４によって提供されるフィードバックは、蓄積コンデンサ１１５２を一定の電荷に維持するように、スイッチドライバ回路１１３０を駆動する役割を果たす。
スイッチ素子１１３２および制御スイッチ１１４１は、ＡＣ電圧入力と同期して、開または閉のいずれかで起動される。ＡＣ－ＤＣ変換器回路１１００は、入力ＡＣソースの周波数でパルス変調を有する低電圧出力を提供する。スイッチ１１３２および１１４１は、ＡＣソースのゼロ交差の、スイッチ１１３２および１１４１の閾値電圧内に近い電圧で開または閉のいずれかで起動される。蓄積回路１１５０の出力ノードＮ４は、電圧レギュレータ回路１１６０の入力に印加され、次に負荷回路１１０２に印加される。コンデンサ１１６４は、バッファに蓄積容量を提供し、それによってＡＣ－ＤＣ変換器１１００から負荷回路１１０２への出力を円滑化する。
要約すると、図１１Ａおよび図１１Ｂに示される例示的なＡＣ－ＤＣ変換器回路１１００は、突入保護回路１１１０と、電圧サンプリング回路１１２０と、スイッチドライバ回路１１３０と、制御スイッチおよびクランプ回路１１４０と、蓄積回路１１５０と、電圧レギュレータ回路１１６０と、を備える。電圧サンプリング回路１１２０内の構成要素の選択は、スイッチドライバ１１３０のタイミングを決定する。制御スイッチおよびクランプ回路１１４０の構成要素の選択は、出力パルスのピーク電圧および電流を決定する。電力出力は、ピーク電流とパルスタイミングの両方の選択によって制御される。電圧サンプリング回路１１２０を通じた蓄積素子１１５２からのフィードバックは、パルスタイミングを選択するために利用される。ＡＣ－ＤＣ変換器回路１１００は、ＡＣ主電源１１０のＡＣ電圧波形と同期して動作する。
添付の図面を参照して本明細書に例示的な実施形態を説明してきたが、本発明はそれらの正確な実施形態に限定されず、当業者であれば、添付の特許請求の範囲から逸脱することなく、その中で様々な他の変更および修正を加えることができることを理解されたい。

Claims (20)

  1. 回路遮断器であって、
    ソリッドステートスイッチであって、前記回路遮断器のライン入力端子と負荷出力端子との間に直列に接続されており、（ｉ）前記ライン入力端子と前記負荷出力端子との間の電気経路に電気的接続を提供するためのスイッチオン状態、および（ｉｉ）スイッチオフ状態のうちの１つになるように構成されている、ソリッドステートスイッチと、
    前記回路遮断器の動作を制御するための第１の制御モードおよび第２の制御モードを実装するように構成されたモード制御回路と、を備え、
    前記第１の制御モードは、前記自己バイアスターンオン閾値電圧が生成されるまで、前記ソリッドステートスイッチを前記スイッチオフ状態に維持しながら、前記回路遮断器の電源投入中に、前記ソリッドステートスイッチに対して自己バイアスターンオン閾値電圧を生成するように構成されており、
    前記第２の制御モードが、前記自己バイアスターンオン閾値電圧を中断して、前記ソリッドステートスイッチを前記スイッチオフ状態にするように構成されている、回路遮断器。
  2. 前記モード制御回路が、
    電圧クランプ回路と、第１の制御スイッチと、を備える、自己バイアス回路を備え、
    前記電圧クランプ回路が、前記回路遮断器の前記ライン入力端子に印加される入力電源から引き出される電流を使用して、前記回路遮断器の電源投入中に前記ソリッドステートスイッチに対して前記自己バイアスターンオン閾値電圧を生成するように構成されており、
    前記第１の制御スイッチは、前記ソリッドステートスイッチの制御入力を短絡させて、前記自己バイアスターンオン閾値電圧が生成されるまで、前記ソリッドステートスイッチをスイッチオフ状態に維持するように構成されている、請求項１に記載の回路遮断器。
  3. 前記電圧クランプ回路が、並列に接続されたコンデンサおよびツェナーダイオードを備える、請求項２に記載の回路遮断器。
  4. 前記自己バイアス回路が、前記第１の制御ゲートの制御ゲートに結合された抵抗器－コンデンサ（ＲＣ）ネットワークを備え、前記ＲＣネットワークが、前記回路遮断器の前記ライン入力端子に印加された前記入力電源から引き出された電流を使用して、前記回路遮断器の前記電源投入中に充電され、前記ＲＣネットワークが、前記回路遮断器の電源投入中に前記ソリッドステートスイッチの前記自己バイアスターンオン閾値電圧を生成するのに必要な期間以上の期間に対応するＲＣ時間定数を有するように構成されている、請求項２に記載の回路遮断器。
  5. 前記自己バイアス回路が、前記電圧クランプ回路に接続された入力と、前記第１の制御スイッチの制御ゲートに接続された出力と、を有する動作増幅器を備え、前記動作増幅器が、前記自己バイアスターンオン閾値電圧の生成中に前記第１の制御スイッチをスイッチオン状態に維持すること、および前記自己バイアスターンオン閾値電圧が生成された後に前記第１の制御スイッチをスイッチオフ状態にすることによって、前記第１の制御スイッチの動作を制御するように構成されている、請求項２に記載の回路遮断器。
  6. 前記モード制御回路が、第２の制御スイッチを備え、前記第２の制御スイッチが、前記第２の制御スイッチの起動に応答して、前記ソリッドステートスイッチの制御入力を短絡させ、前記自己バイアスターンオン閾値電圧を中断して、前記ソリッドステートスイッチをスイッチオフ状態にするように構成されている、請求項１に記載の回路遮断器。
  7. センサ回路をさらに備え、前記センサ回路が、前記ソリッドステートスイッチを前記スイッチオフ状態にすることを保証する状態を検出したことに応答して、前記第２の制御スイッチを起動する制御信号を生成するように構成されている、請求項６に記載の回路遮断器。
  8. 前記センサ回路が、前記ライン入力端子と前記負荷出力端子との間の前記電気経路内で流れる電流を検知し、故障状態を検出するように構成された電流センサを備え、前記故障状態が、短絡故障状態、過電流故障状態、アーク故障状態、および接地故障状態のうちの１つを含む、請求項７に記載の回路遮断器。
  9. 前記センサ回路が、有害な環境状態を検知するように構成されている環境センサ回路を備える、請求項７に記載の回路遮断器。
  10. 前記環境センサ回路が、（ｉ）有害化学物質の存在を検出するように構成された化学物質感応型検出器、（ｉｉ）有害ガスの存在を検出するように構成されたガス感応型検出器、（ｉｉｉ）温度を検出するように構成された温度センサ、（ｉｖ）振動を検出するように構成された圧電検出器、および（ｖ）湿潤環境を検出するように構成された湿度センサのうちの１つ以上を備える、請求項９に記載の回路遮断器。
  11. 前記第２の制御スイッチが、フォトトランジスタを備え、前記センサ回路は、前記第２の制御スイッチが光学制御信号に応答して起動されるように、前記第２の制御スイッチに光学的に結合されている、請求項７に記載の回路遮断器。
  12. 前記第２の制御スイッチが、フォトトランジスタを備え、前記第２の制御スイッチが、光学制御信号に応答して起動される、請求項６に記載の回路遮断器。
  13. 請求項１に記載の回路遮断器を備える、電気回路ブレーカ。
  14. 請求項１に記載の回路遮断器を備える、電気レセプタクル装置。
  15. 請求項１に記載の回路遮断器を備える、電気照明スイッチ装置。
  16. 回路遮断器であって、
    前記回路遮断器のライン入力端子と負荷出力端子との間に直列に接続されたソリッドステートスイッチおよび空隙電磁スイッチと、
    前記ソリッドステートスイッチおよび前記空隙電磁スイッチの動作を制御するように構成されたスイッチコントローラと、
    前記回路遮断器の前記ライン入力端子に入力される供給電力波形のゼロ交差を検出するように構成されたゼロ交差センサと、
    前記ライン入力端子と前記負荷出力端子との間の前記電気経路内で流れる電流を検知し、前記検知された電流の流れに基づいて故障状態を検出するように構成された電流センサと、を備え、
    前記電流センサによる故障状態の検出に応答して、前記スイッチコントローラが、（ｉ）前記ソリッドステートスイッチをスイッチオフ状態にし、（ｉｉ）前記ソリッドステートスイッチがスイッチオフ状態になった後に、前記空隙電磁スイッチをスイッチ開状態にするようにスイッチ制御信号を生成するように構成されており、
    前記スイッチコントローラが、前記ゼロ交差センサから出力されるゼロ交差検出信号を利用して、前記供給電力波形のゼロ交差事象を検出し、前記検出されたゼロ交差事象に応答して、前記空隙電磁スイッチを前記スイッチ開状態にする、回路遮断器。
  17. 前記ゼロ交差センサが、（ｉ）電流波形、および（ｉｉ）前記供給電力波形の電圧波形のうちの少なくとも１つのゼロ交差を検出するように構成されている、請求項１６に記載の回路遮断器。
  18. 前記ゼロ交差センサが、前記電流波形および電圧波形の対向する半サイクル間で遷移する極性の関連する方向を検出するように構成されており、前記スイッチコントローラは、前記極性遷移が前記ソリッドステートスイッチの本体ダイオードを逆バイアスさせるときに、前記空隙電磁スイッチを前記スイッチ開状態にする、請求項１７に記載の回路遮断器。
  19. 前記電流センサが、短絡故障状態、過電流故障状態、アーク故障状態、および接地故障状態のうちの少なくとも１つを検出するように構成されている、請求項１６に記載の回路遮断器。
  20. 有害な環境状態を検知するように構成された環境センサ回路をさらに備え、前記環境センサ回路が、（ｉ）有害化学物質の存在を検出するように構成された化学物質感応型検出器、（ｉｉ）有害ガスの存在を検出するように構成されたガス感応型検出器、（ｉｉｉ）温度を検出するように構成された温度センサ、（ｉｖ）振動を検出するように構成された圧電検出器、および（ｖ）湿潤環境を検出するように構成された湿度センサ、のうちの１つ以上を備える、請求項１６に記載の回路遮断器。
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