JP2023511406A

JP2023511406A - インテリジェント回路遮断

Info

Publication number: JP2023511406A
Application number: JP2022544660A
Authority: JP
Inventors: テレファス，マーク; ケシー，タール; ケシー，クリス
Original assignee: アンバーセミコンダクター，インク．
Priority date: 2020-01-21
Filing date: 2021-01-21
Publication date: 2023-03-17
Also published as: CN115461629A; US20210226441A1; WO2021150684A1; EP4088125A1; EP4088125A4; US11349297B2

Abstract

回路遮断装置は、ラインホット端子と、ライン中性端子と、負荷ホット端子と、負荷中性端子と、固体スイッチと、内部短絡スイッチ回路と、制御回路と、を含む。固体スイッチは、ラインホットと負荷ホット端子との間の電気経路において接続されている。内部短絡スイッチ回路は、ラインホットとライン中性端子との間に直列に接続された内部短絡スイッチおよびシャント抵抗器を備える。制御回路は、故障状態の発生を検出するように構成されており、故障状態の発生を検出することに応答して、制御回路は、固体スイッチをスイッチオフ状態に駆動することと、内部短絡スイッチを作動させて、ラインホット端子とライン中性端子との間に内部短絡経路を生成することと、短絡電流が回路遮断装置のラインホット端子とライン中性端子との間のシャント抵抗器を通って流れることを可能にすることと、を行うように構成されている。【選択図】図１

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０２０年１月２１日に出願された米国仮出願第６２／９６４，０７８号の利益を主張するものであり、その開示は、参照により本明細書に組み込まれる。

本開示は、概して、電気回路をアーク故障状態などの故障状態から保護するための回路遮断技術に関する。

一般に、電気回路遮断器は、分岐回路導体および電気負荷が、例えば電流過負荷状態および故障状態に晒されることから保護するために、所与のビルまたは住宅構造を有する電気分配システムにおいて利用される構成要素である。電流過負荷状態は、その正常な全負荷定格を超える機器の動作またはその電流容量を超える分岐回路の動作として定義され、過負荷が十分な期間にわたって持続した場合、損傷または危険な過熱を生じさせる。故障状態は、故障のインピーダンスに応じて、典型的には過負荷よりもはるかに高い過電流状態をもたらす、意図しないまたは偶発的な負荷状態を含む。最大過電流状態をもたらす故障は、短絡または「ボルテッド故障」と称される。

アーク故障回路遮断（ＡＦＣＩ）装置が挙げられるが、これに限定されない、様々なタイプの電気回路遮断装置が存在する。ＡＦＣＩ装置は、潜在的に危険なアーク故障によって電気回路に生じ得る電気火災を防止するように設計されている。アーク故障は、電気回路において生じる意図しない電気アーク放電状態である。アーク放電は、周囲の材料を着火させて火災を生じさせる、高強度の熱を発生させ得る。ＡＦＣＩ装置は、電気回路のアーク放電状態を検出し、電気回路を断続して、アーク放電を停止させるように構成されている。ＡＦＣＩ装置は、電気装置の正常動作（例えば、接点またはスイッチの開閉、ブラシを有するモータの動作、空調機、冷蔵庫、ツールなどの家庭機器の動作、など）の結果として生成される無害な電気アークと、直列アーク故障または並列アーク故障を生じさせ得る、例えば、ワイヤ絶縁の損傷、接点間にアーク放電を生じさせる不完全な接続、電気コード内の導体の切断、などによって生じる潜在的に危険な電気アークと、を区別するように設計されている。

特定の一例として、摩耗した接点を有する電源コンセント（例えば、アウトレット）は、電気火災につながり得る電気アーク放電に共通する原因である。経時的に、電源コンセントの接触ばねは、電気プラグの繰り返しの挿入によって摩耗し、接触ばねの張力を失わせ、コンセント接点と電気プラグの端子との間の接続を劣化させる。この接点接続の劣化は、電源コンセント内に電気アークの生成をもたらし、経時的に、コンセント接点の点食、溶融、およびスパッタリングを生じさせ、これは、危険な電気火災を誘発し得る。

従来の回路ブレーカは、典型的には、電流過負荷および短絡状態から保護するように構成されており、不規則な、およびしばしば低減された電流を生じる電気アーク放電状態からは保護しない。実際には、分岐回路内のアーク故障状態は、典型的には、低減された電流および電圧をもたらし、これは、従来の回路ブレーカが保護するように構成されている短絡状態または過負荷状態の特性ではなく、またそれを示すものではない。例えば、平行したアーク故障の場合のＲＭＳ電流値は、大幅にボルテッド短絡故障のＲＭＳ電流値よりもかなり小さくなる。したがって、ＡＦＣＩ保護のない従来の典型的な１５アンペア回路ブレーカは、潜在的に着火する前に、アーク故障を解決することができなくなる。

本開示の実施形態は、アーク故障状態などの故障状態から電気回路を保護するための回路遮断装置および方法を含む。例えば、例示的な一実施形態では、回路遮断装置は、ラインホット端子と、ライン中性端子と、負荷ホット端子と、負荷中性端子と、固体スイッチと、内部短絡スイッチ回路と、制御回路と、を備える。固体スイッチは、ラインホット端子と負荷ホット端子との間の電気経路において直列に接続されている。内部短絡スイッチ回路は、第１のノードと第２のノードとの間に直列に接続された内部短絡スイッチおよびシャント抵抗器を備え、第１のノードは、ラインホット端子に結合され、第２のノードは、ライン中性端子に結合されている。制御回路は、固体スイッチおよび内部短絡スイッチ回路に結合されている。制御回路は、故障状態の発生を検出し、故障状態の発生を検出することに応答して、固体スイッチをスイッチオフ状態に駆動するように構成されている。制御回路は、故障状態の発生を検出することに応答して内部短絡スイッチを作動させ、それによって、第１のノードと第２のノードとの間に内部短絡経路を生成して、短絡電流が回路遮断装置のラインホット端子とライン中性端子との間のシャント抵抗器を通って流れることを可能にするようにさらに構成されている。

別の例示的な実施形態は、回路ブレーカおよび回路遮断装置を備えるシステムを含む。回路ブレーカは、ライン入力端子と、負荷出力端子と、を備え、回路ブレーカのライン入力端子は、交流（ＡＣ）電源に結合されている。回路遮断装置は、回路ブレーカの負荷出力端子に結合されている。回路遮断装置は、ラインホット端子と、ライン中性端子と、負荷ホット端子と、負荷中性端子と、固体スイッチと、内部短絡スイッチ回路と、制御回路と、を備える。固体スイッチは、ラインホット端子と負荷ホット端子との間の電気経路において直列に接続される。内部短絡スイッチ回路は、第１のノードと第２のノードとの間に直列に接続された内部短絡スイッチおよびシャント抵抗器を備え、第１のノードは、ラインホット端子に結合され、第２のノードは、ライン中性端子に結合されている。制御回路は、固体スイッチおよび内部短絡スイッチ回路に結合されている。制御回路は、故障状態の発生を検出し、故障状態の発生を検出することに応答して、固体スイッチをスイッチオフ状態に駆動するように構成されている。制御回路は、故障状態の発生を検出することに応答して内部短絡スイッチを作動させ、それによって、第１のノードと第２のノードとの間に内部短絡経路を生成して、短絡電流が回路遮断装置のラインホット端子とライン中性端子との間のシャント抵抗器を通って流れることを可能にするようにさらに構成されており、回路遮断装置のラインホット端子とライン中性端子との間の短絡電流の流れは、回路ブレーカをトリップするのに十分である。

別の例示的な実施形態は、回路遮断装置によって実施される方法を含む。本方法は、回路ブレーカによって保護されている分岐回路上の故障状態の発生を検出することと、故障状態の発生を検出することに応答して、分岐回路上の負荷電流の流れを遮断することと、を含む。本方法は、故障状態の発生を検出することに応答して、短絡電流が回路遮断装置内のシャント抵抗器を通って流れることを可能にするために短絡経路を生成することをさらに含み、回路遮断装置内の短絡電流の流れは、回路ブレーカをトリップさせて、分岐回路からＡＣ電源を接続解除させる。

他の実施形態は、添付図面と併せて読まれる以下の「発明を実施するための形態」に記載されている。

本開示の例示的な実施形態によるインテリジェント回路遮断装置を備える電気システムを概略的に例示する。アーク故障状態を伴わない正常動作状態の下での商用電源の例示的なＡＣ波形を概略的に例示する。本開示の例示的な実施形態による、回路遮断を提供するための方法のフロー図である。

以下、アーク故障状態などの故障状態から電気回路を保護するための回路遮断装置および方法に関して、本開示の実施形態をさらに詳細に説明する。「例示的」という用語は、本明細書で使用されるとき、「一例、事例、または例示としての役割を果たす」ことを意味する。「例示的」として本明細書で説明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ものまたは有利なものと解釈されるべきではない。

図１は、本開示の例示的な実施形態によるインテリジェント回路遮断装置を備える電気システムを概略的に例示する。具体的には、図１は、商用電源１０（本明細書では、ＡＣ幹線１０と称される）と、回路ブレーカ１５と、インテリジェント回路遮断装置１００および負荷２０を備える分岐回路と、を備える電気システム５０を概略的に例示する。ＡＣ幹線１０は、ホット相１１（「ラインホット」１１と称される）と、中性相１２（「ライン中性」１２と称される）と、を備える。回路ブレーカ１５は、ライン入力端子１５Ａと、負荷出力端子１５Ｂと、を備える。インテリジェント回路遮断装置１００は、ラインホット端子１００Ａ（または第１の入力端子）と、ライン中性端子１００Ｂ（または第２の入力端子）と、負荷ホット端子１００Ｃ（または第１の出力端子）と、負荷中性端子１００Ｄ（または第２の出力端子）と、接地端子１００Ｅと、を備える。回路ブレーカ１５のライン入力端子１５Ａは、ＡＣ幹線１０のラインホット１１に結合され、回路ブレーカ１５の負荷出力端子１５Ｂは、インテリジェント回路遮断装置１００のラインホット端子１００Ａに結合されている。インテリジェント回路遮断装置１００のライン中性端子１００Ｂは、ＡＣ幹線１０のライン中性１２に結合されている。インテリジェント回路遮断装置１００の負荷ホット端子１００Ｃは、負荷２０の負荷ホットライン２１に結合され、インテリジェント回路遮断装置１００の負荷中性端子１００Ｄは、負荷２０の負荷中性ライン２２に結合されている。

図１に示されるようないくつかの実施形態では、インテリジェント回路遮断装置１００は、回路ブレーカ１５によって保護される分岐回路に結合される装置（例えば、第１の分岐電源コンセント）である。いくつかの実施形態では、インテリジェント回路遮断装置１００は、回路ブレーカ１５の下流の分岐回路上の第１の装置である。これに関して、負荷２０は、一般的に、（ｉ）インテリジェント回路遮断装置１００の負荷側に直接接続された１つ以上の電気装置、（ｉｉ）インテリジェント回路遮断装置１００の負荷側に結合されている１つ以上の分岐電源コンセント（例えば、標準分岐アウトレット）、（ｉｉｉ）分岐電源コンセントのうちの１つ以上に接続される１つ以上の電気装置、または（ｉｖ）、（ｉ）、（ｉｉ）、および（ｉｉｉ）の組み合わせ、を表すことを意味する。

図１にさらに例示されるように、ＡＣ幹線１０のライン中性１２は、接地１４（ＧＮＤ）に接合されている。接地１４は、典型的には、回路ブレーカ分配パネルの接地バーに接続され、接地バーは、回路ブレーカ分配パネルの中性のバーに接合されている。接地接続１６は、回路ブレーカ分配パネルの接地バーからインテリジェント回路遮断装置１００の接地端子１００Ｅまで作製される。類似する接地接続が、分岐回路上の他のコンセントまたは装置（例えば、負荷２０）から回路ブレーカ分配パネルの接地バーに行われる。接地接続１６は、インテリジェント回路遮断装置１００または負荷２０内で地絡状態が発生した場合に、地絡リターン電流を流すための代替の低抵抗経路を提供する。

いくつかの実施形態では、回路ブレーカ１５は、過電流および短絡故障状態に応答して「トリップする」ように構成されている。上述したように、過電流状態は、機器がその正常な全負荷定格を超えて動作したとき、または分岐回路がその電流容量を超えて動作したときに生じ、過電流状態が十分な期間にわたって持続した場合、損傷または危険な過熱を生じさせる。短絡故障状態は、故障のインピーダンスに応じて、過電流状態よりもはるかに高い電流過負荷をもたらす、意図しないまたは偶発的な負荷状態を含む。上述したように、最大過電流状態を生じさせる故障は、短絡または「ボルテッド故障」と称される。いくつかの実施形態では、回路ブレーカ１５は、ＡＦＣＩ保護装置ではない。

いくつかの実施形態では、回路ブレーカ１５は、機械的ＡＣスイッチ（例えば、空隙スイッチ）、機械的アクチュエータ機構、電磁アクチュエータ要素（例えば、ソレノイド）、熱アクチュエータ要素（例えば、バイメタル要素）、および手動スイッチなどの要素を備える、電気機械回路ブレーカを備える。いくつかの実施形態では、機械的空隙スイッチは、機械的アクチュエータ機構（例えば、ばね要素を有するラッチ機構）の動作によって物理的に閉じられるか、または分離される、第１および第２の接点を備える。具体的には、機械的アクチュエータ機構は、手動スイッチの「オン」位置への手動作動に応答して、第１および第２の接点を一緒に物理的に閉じ、それによって、電流が、回路ブレーカ１５のライン入力端子１５Ａと負荷出力端子１５Ｂとの間の電気経路を流れることを可能にするように構成されている。加えて、機械的アクチュエータ機構は、手動スイッチの「オフ」位置への手動作動に応答して手動で、または短絡状態もしくは長期間の過電流状態の発生に応答して自動で、機械的ＡＣスイッチの第１および第２の接点を物理的に分離する（すなわち、回路ブレーカ１５をトリップする）ように構成されている。回路ブレーカ１５が、手動または自動でトリップされたときに、機械的ＡＣスイッチの第１および第２の接点の間に空隙が作成される。

具体的には、電磁アクチュエータ要素（例えば、ソレノイド）は、例えば短絡イベントによって生成される電流の大きなサージに応答して磁気的に作動するように構成されており、電磁要素の作動は、アクチュエータ機構の機械的作動に、ＡＣスイッチの第１および第２の接点を分離させ、それによって、回路ブレーカ１５をトリップさせる。加えて、熱アクチュエータ要素（例えば、バイメタル要素）は、長期間の過度の過電流状態に応答して熱的に作動するように構成されており、熱アクチュエータ要素の作動は、アクチュエータ機構の機械的作動に、ＡＣスイッチの第１および第２の接点を分離させ、それによって、回路ブレーカ１５をトリップさせる。これに関して、回路ブレーカ１５の電磁要素は、電流（短絡）の大きなサージに即座に応答し、一方で、熱アクチュエータ要素は、極端ではないがより長期の過電流状態に応答する。回路ブレーカ１５は、トリップされると、手動スイッチを使用して手動でリセット（例えば、手動のスイッチを「オフ」位置に、次いで「オン」位置にトグル）しなければならない。

いくつかの実施形態では、インテリジェント回路遮断装置１００は、ラインホット端子１００Ａと負荷ホット端子１００Ｃとの間の電気経路において直列に接続されている固体スイッチ１０１／１０２と、制御回路１１０と、内部短絡スイッチ回路１２０と、を備える。内部短絡スイッチ回路１２０は、第１のノードＮ１と第２のノードＮ２との間に直列に接続された、内部短絡スイッチ１２１／１２２および短絡電流制限抵抗器Ｒ４（代替的に、本明細書ではシャント抵抗器Ｒ４と称される）を備える。第１のノードＮ１は、ラインホット端子１００Ａに結合され、第２のノードＮ２は、ライン中性端子１００Ｂに結合されている。制御回路１１０は、固体スイッチ１０１／１０２および内部短絡スイッチ回路１２０に結合されている。下でさらに詳細に説明されるように、制御回路１１０は、（ｉ）故障状態の発生を検出することと、（ｉｉ）故障状態の発生を検出することに応答して、固体スイッチ１０１／１０２をスイッチオフ状態に駆動することと、（ｉｉｉ）故障状態の発生を検出することに応答して、内部短絡スイッチ１２１／１２２を作動させることと、を行い、それによって、第１のノードＮ１と第２のノードＮ２との間に内部短絡経路を生成して、短絡電流が回路遮断装置１００のラインホット端子１００Ａとライン中性端子１００Ｂとの間のシャント抵抗器Ｒ４の中を通って流れることを可能にし、それによって、回路ブレーカ１５をトリップさせて、分岐回路からＡＣ幹線１０を接続解除させるように構成されている。

固体スイッチ１０１／１０２は、双方向固体スイッチを形成する、第１のスイッチ１０１および第２のスイッチ１０２を備える。いくつかの実施形態では、電流センサ１０５は、第１のスイッチ１０１と第２のスイッチ１０２との間に直列に接続される。いくつかの実施形態では、第１のスイッチ１０１および第２のスイッチ１０２は、各々が金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）スイッチ（例えば、パワーＭＯＳＦＥＴスイッチ）を備える。いくつかの実施形態では、第１のスイッチ１０１および第２のスイッチ１０２は、Ｎ型強化ＭＯＳＦＥＴ装置を備える。第１のスイッチ１０１および第２のスイッチ１０２は、裏面対裏面で直列に接続され、電流センサ１０５を通して結合されているソース（Ｓ）端子と、制御回路１１０に接続されている共通に接続されたゲート（Ｇ）端子と、を有する。第１のスイッチ１０１は、ラインホット端子１００Ａに結合されているドレイン端子を備え、第２のスイッチ１０２は、負荷ホット端子１００Ｃに結合されているドレイン端子を備える。

図１にさらに示されるように、第１のＭＯＳＦＥＴスイッチ１０１および第２のＭＯＳＦＥＴスイッチ１０２は、それぞれが固有のボディダイオード１０１－１および１０２－１を備え、各ボディダイオードは、ＭＯＳＦＥＴスイッチのＮドープドレイン領域に対するＰ型基板ボディ間のＰＮ接合を表す。ボディダイオード１０１－１および１０２－１は、ＭＯＳＦＥＴスイッチ１０１および１０２の固有の要素であり（すなわち、個別要素でない）、したがって、破線の接続で示されている。ＭＯＳＦＥＴスイッチ１０１および１０２の固有のボディ－ソースダイオードは、ソース領域と基板ボディとの間の接続によって短絡する（例えば、Ｎ＋ソースおよびＰドープボディの接合部が、ソースの金属化を通して短絡する）ので、示されていないことに留意されたい。

固体スイッチ１０１／１０２は、（ｉ）固体スイッチ１０１／１０２がスイッチオン状態であるときに、インテリジェント回路遮断装置１００のラインホット端子１００Ａと負荷ホット端子１００Ｃとの間の負荷電流の双方向流れを許容することと、（ｉｉ）固体スイッチ１０１／１０２がスイッチオフ状態であるときに、インテリジェント回路遮断装置１００のラインホット端子１００Ａと負荷ホット端子１００Ｃとの間の負荷電流の双方向流れを阻止することと、を行うように構成されている。

制御回路１１０は、電流センサ１０５と、回路ブレーカアクチュエータ回路１１１、スイッチ制御回路１１２、電流制限検出回路１１３、デジタル信号プロセッサ１１４、電力測定マイクロプロセッサ１１５、ＡＣ－ＤＣコンバータ回路１１６、電圧センサ回路１１７、および無線制御回路１１８を実装している１つ以上の集積回路ブロックと、を備え、その機能は、下でさらに詳細に説明される。上述したように、内部短絡スイッチ回路１２０は、第１のノードＮ１と第２のノードＮ２との間に直列に接続された内部短絡スイッチ１２１／１２２およびシャント抵抗器Ｒ４を備える。図１にさらに示されるように、内部短絡スイッチ回路１２０は、スイッチバイアス回路１２３（代替的に、本明細書では、自己バイアス回路１２３と称される）と、作動スイッチ１２４と、を備える。スイッチバイアス回路１２３は、第１の抵抗器Ｒ１および第２の抵抗器Ｒ２と、第１のダイオードＤ１および第２のダイオードＤ２と、第３の抵抗器Ｒ３と、コンデンサＣ１と、ツェナーダイオードＺＤと、を備える。

いくつかの実施形態では、内部短絡スイッチ１２１／１２２は、それぞれが固有のボディダイオード１２１－１および１２２－１を備える、第１のＭＯＳＦＥＴスイッチ１２１および第２のＭＯＳＦＥＴスイッチ１２２を備える、双方向固体スイッチを備える。第１のＭＯＳＦＥＴスイッチ１２１および第２のＭＯＳＦＥＴスイッチ１２２は、第３のノードＮ３に共通に結合されているゲート（Ｇ）端子と、第４のノードＮ４に共通に結合されているソース（Ｓ）端子と、を備え、第４のノードＮ４は、内部短絡スイッチ回路１２０の仮想接地ノードを備える。第１のＭＯＳＦＥＴスイッチ１２１および第２のＭＯＳＦＥＴスイッチ１２２のゲート（Ｇ）端子は、第３のノードＮ３を通してスイッチバイアス回路１２３に接続されている。第１のＭＯＳＦＥＴスイッチ１２１は、第１のノードＮ１に結合されているドレイン（Ｄ）端子を備え、第２のＭＯＳＦＥＴスイッチ１２２は、シャント抵抗器Ｒ４を通して第２のノードＮ２に結合されているドレイン（Ｄ）端子を備える。図１に示されるようないくつかの実施形態では、シャント抵抗器Ｒ４は、第２のＭＯＳＦＥＴスイッチ１２２のドレイン端子と第２のノードＮ２との間に接続されている。他の実施形態では、シャント抵抗器Ｒ４は、第１のＭＯＳＦＥＴスイッチ１２１のドレイン端子と第１のノードＮ１との間に接続することができる。

図１にさらに示されるように、作動スイッチ１２４は、第３のノードＮ３と第４のノードＮ４との間に結合されている。第１のＭＯＳＦＥＴスイッチ１２１および第２のＭＯＳＦＥＴスイッチ１２２は、本質的に、作動スイッチ１２４の動作によって作動／停止される内部短絡スイッチとして動作する。いくつかの実施形態では、作動スイッチ１２４は、バイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）（例えば、ＮＰＮＢＪＴ）または絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）を備え、これは、回路ブレーカアクチュエータ回路１１１に結合されたベース（Ｂ）端子と、（第４のノードＮ４で）第１のＭＯＳＦＥＴスイッチ１２１および第２のＭＯＳＦＥＴスイッチ１２２の共通に接続されたソース（Ｓ）端子に結合されたエミッタ（Ｅ）端子と、（第３のノードＮ３で）第１のＭＯＳＦＥＴスイッチ１２１および第２のＭＯＳＦＥＴスイッチ１２２の共通に接続されたゲート（Ｇ）端子に接続されたコレクタ（Ｃ）端子と、を有する。

さらに、スイッチバイアス回路１２３は、自己バイアス回路を備え、これは、回路遮断装置１００のラインホット端子１００Ａおよびライン中性端子１００Ｂに印加されたＡＣ電源から引き出された電流を使用して、調節された直流（ＤＣ）電圧を生じさせて、調節されたＤＣ電圧を、抵抗器Ｒ３を通して、内部短絡スイッチの第１のＭＯＳＦＥＴスイッチ１２１および第２のＭＯＳＦＥＴスイッチ１２２のゲート端子に印加するように構成されている。自己バイアス回路は、調節されたＤＣ電圧を生成するように構成されている電圧クランプ回路を備え、電圧クランプ回路は、第５のノードＮ５と第４のノードＮ４との間に並列に接続されているコンデンサＣ１およびツェナーダイオードＺＤを備える。加えて、自己バイアス回路は、第１のノードＮ１と第５のノードＮ５との間に直列に接続された第１の抵抗Ｒ１および第１のダイオードＤ１と、第２のノードＮ２と第５のノードＮ５との間に直列に接続された第２の抵抗器Ｒ２および第２のダイオードＤ２と、を備える。内部短絡スイッチ回路１２０の動作は、下でさらに詳細に論じられる。

いくつかの実施形態では、制御回路１１０は、スイッチ制御回路１１２の動作によって双方向固体スイッチ１０１／１０２の作動および停止を制御する。いくつかの実施形態では、スイッチ制御回路１１２は、第１のＭＯＳＦＥＴスイッチ１０１および第２のＭＯＳＦＥＴスイッチ１０２のゲート端子に印加されるゲート制御信号を生成して、双方向固体スイッチ１０１／１０２をスイッチオン状態またはスイッチオフ状態にするように構成されている。具体的には、インテリジェント回路遮断装置１００の通常動作中に、スイッチ制御回路１１２は、ゲート制御信号を第１のＭＯＳＦＥＴスイッチ１０１および第２のＭＯＳＦＥＴスイッチ１０２のゲート端子に印加して、双方向固体スイッチ１０１／１０２をスイッチオン状態にし、これは、インテリジェント回路遮断装置１００のラインホット端子１００Ａと負荷ホット端子１００Ｃとの間のＡＣ負荷電流の双方向流れを可能にする。

その一方で、制御回路１１０の所与の回路ブロックが故障状態または異常動作状態（例えば、直列アーク放電、並列アーク放電、短絡状態、過電流状態、地絡状態、異常負荷電力プロファイル、など）の発生を検出したときに、制御回路１１０は、故障検出制御信号を生成する。故障検出制御信号に応答して、スイッチ制御回路１１２は、ゲート制御信号を第１のＭＯＳＦＥＴスイッチ１０１および第２のＭＯＳＦＥＴスイッチ１０２のゲート端子に印加して、双方向固体スイッチ１０１／１０２をスイッチオフ状態にし、それによって、インテリジェント回路遮断装置１００のラインホット端子１００Ａと負荷ホット端子１００Ｃとの間のＡＣ負荷電流の双方向流れを遮断（すなわち、阻止）し、したがって、負荷２０への負荷電流の流れを遮断する。

制御回路１１０は、インテリジェント回路遮断装置１００内の種々のノードでの電圧（例えば、ＶＬ、ＶＮ、など）を監視し、ならびにラインホット端子１００Ａと負荷ホット端子１００Ｃとの間でインテリジェント回路遮断装置１００を通って電気経路を流れる負荷電流を監視し、監視した電流および電圧を利用して、負荷の電力使用およびプロファイルの測定、故障状態の検出などの機能を実行するように構成されている。例えば、負荷電流センサ１０５は、インテリジェント回路遮断装置１００のラインホット端子１００Ａと負荷ホット端子１００Ｃとの間のホットライン経路の負荷電流の流れを感知するように構成されている。負荷電流センサ１０５は、電流感知抵抗器、電流増幅器、ホール効果電流センサ、などが挙げられるが、これらに限定されない、任意の適切なタイプの電流感知要素を使用して実装することができる。

負荷電流センサ１０５の出力は、検出された負荷電流の大きさおよび／またはＡＣ波形特性に少なくとも部分的に基づいて、制御回路１１０の種々の回路ブロックに入力されて、故障状態の発生を検出し、負荷２０の異常電力プロファイルを検出する。電流センサ１０５の出力は、実装される電流センサ１０５のタイプに応じて変化する。例えば、いくつかの実施形態では、電流センサ１０５の出力は、負荷電流が感知抵抗器を通って流れる結果として感知抵抗器の両端に生成される電圧であり得る。いくつかの実施形態では、電流センサ１０５の出力は、電流センサ１０５が過電流状態を検出することなどに応答して生成される故障検出信号であり得る。他の実施形態では、第２の電流センサを、インテリジェント回路遮断装置１００のライン中性端子１００Ｂと負荷中性端子１００Ｄとの間の中性ライン経路内の負荷電流の流れを感知するために実装することができる。

電圧センサ回路１１７は、インテリジェント回路遮断装置１００内の異なるノードでの電圧レベルを感知するように構成されている。例えば、図１の例示的な実施形態では、電圧センサ回路１１７は、インテリジェント回路遮断装置１００のラインホット端子１００Ａと負荷ホット端子１００Ｃとの間の電気経路に沿った地点でホットライン電圧ＶＬを感知するように構成されている。加えて、電圧センサ回路１１７は、インテリジェント回路遮断装置１００のライン中性端子１００Ｂと負荷中性端子１００Ｄとの間の電気経路に沿った地点での中性ライン電圧ＶＮを感知するように構成されている。

電圧センサ回路１１７は、ゼロ交差検出回路が挙げられるが、これに限定されない、任意の適切なタイプの電圧感知回路を使用して実装することができる。ゼロ交差検出器は、入力としてＡＣ波形を受信し、入力ＡＣ波形をゼロ基準電圧（例えば、ライン中性電圧）と比較して、ＡＣ波形がゼロ基準電圧と交差するときに一致するＡＣ波形の正および負からの移行を検出するように構成されている。いくつかの実施形態では、ゼロ交差検出器回路は、ＡＣ電圧波形の各ゼロ交差検出に応じて出力される、ロジック「１」とロジック「０」との間を移行する方形波出力を生成するように構成されている。他の実施形態では、ゼロ交差検出器回路は、ＲＣ調節可能な持続期間を有する短期パルス（約３ｕｓ）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、電圧センサ回路１１７は、感知した電圧ＶＬ、ＶＮなどを、入力電圧ＶＬ、ＶＮなどの電圧レベルの一部分であるより低い電圧レベルおよび出力電圧に分割するように構成されている、電圧分割回路を備え、より低い電圧レベルは、制御回路１１０の種々の回路ブロック（例えば、デジタル信号プロセッサ１１４、電力測定マイクロプロセッサ１１５、など）に入力されて、故障検出機能および電力測定機能を実行する。

電流制限検出回路１１３は、電流センサ１０５によって検出されるＡＣ電流波形の大きさ（例えば、ＲＭＳ値、ピークの電流、など）に基づいて、過電流および短絡状態などの故障状態を検出するように構成されている。例えば、いくつかの実施形態では、電流センサ１０５は、感知抵抗器を通って流れる負荷電流の量に基づいて「検出電圧」を生成する、感知抵抗器を備え、電流制限検出回路１１３は、検出電圧を測定して、検出電圧が短絡故障状態を表す所定の値を超えたかどうかを判定するように構成されている。故障状態の検出に応答して、電流制限検出回路１１３は、故障検出制御信号をスイッチ制御回路１１２に出力し、これは、スイッチ制御回路１１２に、第１のＭＯＳＦＥＴスイッチ１０１および第２のＭＯＳＦＥＴスイッチ１０２を停止させる。

電力測定マイクロプロセッサ１１５は、感知電流および電圧（例えば、電流センサ１０５および電圧センサ回路１１７の出力）を利用して、負荷２０に送達される電力量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、電力測定マイクロプロセッサ１１５は、電力ラインシステム内の電力およびエネルギーを測定し、瞬間的な電圧および電流波形を処理して、電圧および電流、有効、無効、ならびに見かけの電力およびエネルギーのＲＭＳ値を計算するように特に設計されている、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）を備える。他の実施形態では、電力測定マイクロプロセッサ１１５は、所望の電力測定機能を実装している「市販の」特定用途向け標準製品（ＡＳＳＰ）チップを備える。

いくつかの実施形態では、電力測定マイクロプロセッサ１１５は、負荷２０の電力使用を測定し、履歴解析のための時間にわたってそのような電力使用情報を維持するように構成されている。いくつかの実施形態では、電力測定マイクロプロセッサ１１５は、異常負荷電力使用または異常電力プロファイルを検出するように構成されている。例えば、電力測定マイクロプロセッサ１１５は、火災を生じさせ得る高い抵抗接続（グローイング接続として知られる）を表す電力プロファイル、および例えば高ライン電圧または低ライン電圧などと関連付けられた他の異常電力プロファイルを検出するように構成することができる。異常負荷電力使用または異常電力プロファイルの存在の検出に応答して、電力測定マイクロプロセッサ１１５は、故障検出制御信号をスイッチ制御回路１１２に出力するように構成することができ、これは、スイッチ制御回路１１２に、第１のＭＯＳＦＥＴスイッチ１０１および第２のＭＯＳＦＥＴスイッチ１０２を停止させる。

いくつかの実施形態では、デジタル信号プロセッサ１１４は、アーク故障状態の発生を検出するように構成されている。より具体的には、いくつかの実施形態では、デジタル信号プロセッサ１１４は、感知した電圧波形および／または感知した電流波形をデジタルサンプリングして、アーク放電波形を表すサンプリングした電圧および電流波形の特定の特性を識別する、アーク信号分析器として構成されている。例えば、デジタル信号プロセッサ１１４は、感知した電圧および／または電流波形をわずかな増分（例えば、マイクロ秒）でサンプリングし、サンプリングした波形の特性を既知のアーク放電波形の特性と比較して、アーク放電状態が存在するかどうかを判定するように構成することができ、サンプリングした波形の振幅または時間周期における特定の異常特性は、アーク放電状態を表す。具体的には、減少した電圧、減少した電流、予測されるゼロ電圧交差タイミングの変化、ゼロ電圧交差の損失、などは、アーク放電状態を表すことができる状態である。いくつかの実施形態では、アーク放電状態を表す複数の特徴がＡＣ幹線１０のうちの２つ以上のサイクルの中に存在した場合、デジタル信号プロセッサ１１４は、アーク放電状態が存在すると判定することができる。

例えば、図２は、ＡＣ幹線１０によって提供することができる商用電源の例示的なＡＣ電圧波形２００を概略的に例示する。具体的には、図２は、アーク故障状態を伴わない正常動作状態の下での商用電源の例示的なＡＣ波形２００を概略的に例示する。ＡＣ波形２００は、それぞれの正の半サイクル２０１および負の半サイクル２０２を有する正弦波を含む。ＡＣ波形２００は、正の半サイクル２０１の正のピーク電圧ＶＰ＋および負の半サイクル２０２の負のピーク電圧ＶＰ－、ならびに電圧ゼロ交差（０Ｖ）２０３を有する。例えば、１２０Ｖｒｍｓの商用電源の場合、正のピーク電圧ＶＰ＋は、約１７０Ｖであり、負のピーク電圧ＶＰ－は、約－１７０Ｖである。例示的なＡＣ波形２００は、例示的に約１６．６６ミリ秒の周期を有する６０Ｈｚの信号であり、各半サイクル２０１および２０２は、約８．３３ミリ秒の長さを有する。

アーク故障が発生したときに、図２の例示的なＡＣ電圧波形２００は、様々な形に歪み得る。例えば、歪んだＡＣ電圧波形２００は、ＡＣ電圧波形の小さいリップルを生じさせる高周波ＡＣ成分（例えば、１００ｋＨｚ以上）を有し得る。歪んだＡＣ波形２００は、減少したピーク電圧を有し得、それによって、ＡＣ波形は、予測されるピーク電圧ＶＰ＋およびＶＰ－に到達しない。さらに、歪んだＡＣ電圧波形は、図２に示されるゼロ電圧交差２０３の予想時間に発生しない異常ゼロ電圧交差を有し得る。加えて、歪んだＡＣ電圧波形は、正の半サイクル２０１および負の半サイクル２０２の波形プロファイルの顕著な非対称性を有し得、これは、図２に示されるような正常なＡＣ電圧波形の対称プロファイルから大幅に逸脱する。

いくつかの実施形態では、デジタル信号プロセッサ１１４は、感知したＡＣ電圧波形を１マイクロ秒ごとにデジタルサンプリングすることができ、これは、サンプリングしたＡＣ波形の１ミリ秒当たり１０００個のサンプルを提供する。１６．６７ミリ秒（６０Ｈｚの信号）の周期を有する図２に示される例示的なＡＣ電圧波形２００の場合、１マイクロ秒または数マイクロ秒に１回のＡＣ電圧波形（および、関連する電流波形）のデジタルサンプリングは、ＡＣ電圧波形の様々な特性を分析してアーク放電状態の存在を判定するための、相当な量の情報を提供することができる。

アーク放電状態の存在の検出に応答して、デジタル信号プロセッサ１１４は、故障検出制御信号をスイッチ制御回路１１２に出力し、これは、スイッチ制御回路１１２に、第１のＭＯＳＦＥＴスイッチ１０１および第２のＭＯＳＦＥＴスイッチ１０２を停止させる。加えて、下でさらに詳細に説明されるように、アーク放電状態の検出に応答して、デジタル信号プロセッサ１１４は、故障検出制御信号を回路ブレーカアクチュエータ回路１１１に出力し、これは、回路ブレーカアクチュエータ回路１１１に、内部短絡スイッチ回路１２０内の内部短絡スイッチ（例えば、双方向固体スイッチ１２１／１２２）を作動させる。内部短絡スイッチの作動は、インテリジェント回路遮断装置１００のラインホット端子１００Ａとライン中性端子１００Ｂとの間に内部短絡経路を作成させ、制御された量の短絡電流が、ラインホット端子１００Ａとライン中性端子１００Ｂとの間に直列に結合されているシャント抵抗器Ｒ４通って流れる。インテリジェント回路遮断装置１００内の内部短絡電流の流れは、回路ブレーカ１５をトリップさせて、分岐回路からＡＣ電力を接続解除させる。

ＡＣ－ＤＣコンバータ回路１１６は、ＤＣ電源電力をインテリジェント回路遮断装置１００の回路ブロック１１１、１１２、１１３、１１４、１１５、１１７、および１１８に提供するように構成されている。いくつかの実施形態では、ＡＣ－ＤＣコンバータ回路１１６は、ホットライン（例えば、ＶＬ）と中性ライン（例えば、ＶＮ）との間に接続され、また、ＡＣ幹線１０によって送達されたＡＣ電力を、制御回路１１０の様々な回路ブロックに給電するために使用される調節されたＤＣ供給電圧に変換するように構成されている。いくつかの実施形態では、ＡＣ－ＤＣコンバータ回路１１６は、商用電源の停電後に速やかに制御回路１１０に給電するための十分な貯蔵容量を備え、それにより、関連する停電または短絡情報を得て、商用電源の崩壊として記憶し、次いで、無線制御回路１１８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し得る。ＡＣ－ＤＣコンバータ回路１１６はまた、負荷短絡イベント中の制御回路１１０の十分なＤＣ電力を維持するための十分な静電容量を含み、それによって、制御回路１１０が、適切に動作して、双方向固体スイッチ１０１／１０２を停止させて、負荷２０への電力を遮断することを可能にする。

いくつかの実施形態では、無線制御回路１１８は、リモートノード、装置、システム、などと無線通信して、エネルギー利用および故障状態の遠隔監視をサポートするために、ラジオ周波数（ＲＦ）送受信機を備える。加えて、無線制御回路１１８は、インテリジェント回路遮断装置１００との無線通信を可能にして、技術者、電気技術者、またはリモートコンピューティングノードが、例えば、所定のコマンドを使用してインテリジェント回路遮断装置１００をリモート制御することを可能にするように構成されている。無線制御回路１１８は、Ｗｉ－ＦｉまたはＷｉＭＡＸ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ、などの、任意の適切な無線通信プロトコルを実装することができる。

上述したように、内部短絡スイッチ回路１２０は、短絡状態、アーク故障状態、などのような故障状態の検出に応答して、インテリジェント回路遮断装置１００のラインホット端子１００Ａとライン中性端子１００Ｂとの間に内部短絡経路を生成するように構成されている。制御回路１１０の所与の回路ブロックによって故障状態が検出されたときに、スイッチ制御回路１１２は、双方向固体スイッチ１０１／１０２をスイッチオフ状態にし、回路ブレーカアクチュエータ回路１１１は、制御された短絡電流をインテリジェント回路遮断器１００内に生成するように内部短絡スイッチ回路１２０を作動させ、それによって、回路ブレーカ１５をトリップさせる。内部短絡スイッチ回路１２０は、シャント抵抗器Ｒ４を通ってインテリジェント回路遮断装置１００のラインホット端子１００Ａとライン中性端子１００Ｂとの間を流れる制限された／制御された内部短絡電流を生成して、回路ブレーカ１５を効果的にトリップして、遮断するように構成されている。

インテリジェント回路遮断装置１００の双方向固体スイッチ１０１／１０２は、アーク故障状態の検出に応答して停止させて、負荷２０への電流の流れを防止することができるが、双方向固体スイッチ１０１／１０２の停止は、インテリジェント回路遮断装置１００の双方向固体スイッチ１０１／１０２のライン側または別様に上流に生じるアーク故障状態から保護せず、回路ブレーカ１５がアーク故障回路遮断器機能を実装しない場合、そのような上流のアーク故障状態が持続し得る。これに関して、インテリジェント回路遮断装置１００内の内部短絡スイッチ回路１２０の実装は、回路ブレーカ１５がＡＦＣＩ機能を有していなくても、費用効果的なソリューションを有利に提供して、回路ブレーカ１５に接続された分岐回路全体のＡＦＣＩ保護を提供することを理解されたい。

図１に示されるように、内部短絡スイッチ回路１２０は、内部の第１のノードＮ１（ラインホット端子１００Ａに結合されている）と内部の第２のノードＮ２（ライン中性端子１００Ｂに結合されている）との間に短絡経路を備える。内部ノードＮ１とＮ２との間の短絡経路は、双方向固体スイッチ１２１／１２２を作動させて、シャント抵抗器Ｒ４を通して内部ノードＮ１とＮ２との間に制御された短絡電流を流れさせる場合に生成される。第１のＭＯＳＦＥＴスイッチ１２１および第２のＭＯＳＦＥＴスイッチ１２２は、本質的に、作動スイッチ１２４の動作によって作動／停止される内部短絡スイッチとして動作する。

上述したように、スイッチバイアス回路１２３は、ノードＮ５上に調節されたＤＣ電圧を生成するように構成されている自己バイアス回路を備え、ＤＣ電圧は、作動スイッチ１２４がオフにされたときに、第１のスイッチ１２１および第２のスイッチ１２２のゲート（Ｇ）端子を駆動して第１および第２のスイッチをオンにするために使用される。作動スイッチ１２４がオンになると、第１のスイッチ１２１および第２のスイッチ１２２のゲート（Ｇ）およびソース（Ｓ）端子が、効果的にシャント／短絡され（例えば、Ｖ_ＧＳが約０Ｖである）、その結果、双方向固体スイッチ１２１／１２２の第１のスイッチ１２１および第２のスイッチ１２２をスイッチオフ状態に維持する。その一方で、作動スイッチ１２４がオフになると、ノードＮ５において自己生成した、調節されたＤＣ電圧が、第１のスイッチ１２１および第２のスイッチ１２２の共通に接続されたゲート（Ｇ）端子に印加され、第１のスイッチ１２１および第２のスイッチ１２２をオンにさせ、それによって、内部の第１のノードＮ１と第２のノードＮ２との間に、すなわち、インテリジェント回路遮断装置１００のラインホット端子１００Ａとライン中性端子１００Ｂとの間に、内部短絡経路を生成する。内部短絡経路が生成されると、シャント抵抗器Ｒ４が、ラインホット端子１００Ａとライン中性端子１００Ｂとの間に流れて回路ブレーカ１５をトリップする、内部短絡電流の大きさを制御する。

いくつかの実施形態では、作動スイッチ１２４の動作（作動／停止）は、回路ブレーカ作動回路１１１によって制御され、回路ブレーカ作動回路１１１は、制御電圧を生成して、作動スイッチ１２４のベース（Ｂ）端子に出力して、作動スイッチ１２４を作動または停止させる。インテリジェント回路遮断装置１００の通常動作中に、回路ブレーカ作動回路１１１は、制御電圧を作動スイッチ１２４のベース（Ｂ）端子に出力して、作動スイッチ１２４をオン状態に維持して、第１のスイッチ１２１および第２のスイッチ１２２をオフ状態に維持する。制御回路１１０が故障状態（例えば、デジタル信号プロセッサ１１４によって検出されたアーク故障状態）を検出すると、故障検出制御信号が生成されて、スイッチ制御回路１１２および回路ブレーカアクチュエータ回路１１１に印加される。故障検出制御信号に応答して、回路ブレーカアクチュエータ回路１１１は、制御電圧を生成して、作動スイッチ１２４のベース（Ｂ）端子に出力して、作動スイッチ１２４を停止（オフに）させる。作動スイッチ１２４の停止は、内部短絡スイッチの作動（すなわち、第１のスイッチ１２１および第２のスイッチ１２２の作動）をもたらし、これは、インテリジェント回路遮断装置１００のラインホット端子１００Ａとライン中性端子１００Ｂとの間（ノードＮ１とＮ２と間）に内部短絡経路を作成させ、短絡電流は、ラインホット端子１００Ａとライン中性端子１００Ｂとの間に直列に結合されているシャント抵抗器Ｒ４を通って流れる。

より具体的には、いくつかの実施形態では、内部短絡スイッチ回路１２０は、以下のように動作する。インテリジェント回路遮断装置１００の電源投入中（すなわち、ＡＣ幹線１０の電力が、インテリジェント回路遮断装置１００のラインホット端子１００Ａおよびライン中性端子１００Ｂにわたって印加されたとき）および通常動作中に、回路ブレーカ作動回路１１１は、制御電圧を生成して、作動スイッチ１２４のベース端子に出力して、作動スイッチ１２４をオン状態にする。作動スイッチ１２４がオン状態にされると、第１のスイッチ１２１および第２のスイッチ１２２のゲート（Ｇ）およびソース（Ｓ）端子は、効果的にシャント／短絡され、その結果、内部短絡スイッチの第１のスイッチ１２１および第２のスイッチ１２２をスイッチオフ状態に維持する。このように、内部ノードＮ１とＮ２との間の経路にはいかなる短絡電流も流れない。

いくつかの実施形態では、上述したように、第４のノードＮ４は、内部短絡スイッチ回路１２０の仮想接地ノードとしての役割を果たし、ノードＮ４上の電圧ＶＳ（例えば、仮想接地電圧）は、作動スイッチ１２４のベース（Ｂ）端子を駆動するために、制御回路１１０（例えば、回路ブレーカアクチュエータ回路１１１）による接地基準として利用される。より具体的には、インテリジェント回路遮断装置１００の通常動作中に、制御回路１１０は、アクチュエータスイッチ１２４のベース（Ｂ）端子に駆動電圧を印加し、それにより、ベース－エミッタ間（Ｖ_ＢＥ）電圧は、少なくともアクチュエータスイッチ１２４の閾値電圧（例えば、０．７Ｖ）以上になる。アクチュエータスイッチ１２４のベース（Ｂ）端子に印加される駆動電圧（Ｖ_ＢＥ）は、仮想ノードＮ４の電圧ＶＳを基準にして生成される。アクチュエータスイッチ１２４を停止させると、制御回路１１０は、本質的に、仮想接地電圧ＶＳをアクチュエータスイッチ１２４のベース（Ｂ）端子に印加し（例えば、仮想接地ノードＮ４をアクチュエータスイッチ１２４のベース（Ｂ）端子に結合し）、これは、作動スイッチ１２４をオフにさせる。

さらに、インテリジェント回路遮断装置１００の電源投入中に、スイッチバイアス回路１２３は、ツェナーダイオードＺＤの逆降伏電圧（「ツェナー電圧」と称される）によってクランプされる最大電圧まで、コンデンサＣ１を充電するように動作する。いくつかの実施形態では、ツェナー電圧は、約１０Ｖ～約１５Ｖの範囲である。具体的には、ＡＣ幹線１０の正の半サイクル中に、電流は、第１の抵抗Ｒ１、第１のダイオードＤ１、コンデンサＣ１、第２のスイッチ１２２の固有のボディダイオード１２２－１、およびシャント抵抗器Ｒ４を通って経路に沿って流れて、コンデンサＣ１を充電する。ＡＣ幹線１０の負の半サイクル中に、電流は、第２の抵抗器Ｒ２、第２のダイオードＤ２、コンデンサＣ１、および第１のスイッチ１２１の固有のボディダイオード１２１－１を通る経路に沿って流れて、コンデンサＣ１を充電する。したがって、インテリジェント回路遮断装置１００の初期電源投入段階中に、ＡＣ幹線１０のうちの１サイクル以上が、第１のスイッチ１２１および第２のスイッチ１２２の閾値電圧（Ｖ_Ｔ）よりも大きいツェナーダイオードＺＤのツェナー電圧まで、コンデンサＣ１を充電させる。

インテリジェント回路遮断装置１００の動作中に、制御回路１１０の所与の回路ブロックは、例えば電流センサ１０５および／または電圧センサ回路１１７から得られたセンサデータの分析の結果として、短絡状態、過電流状態、アーク故障状態、などの故障状態を検出し得る。例えば、デジタル信号プロセッサ１１４は、インテリジェント回路遮断装置１００の内部またはインテリジェント回路遮断装置１００の外部（ライン側または負荷側）のいずれかに存在するアーク放電波形の発生を検出し得る。それに応じて、制御回路１１０は、回路ブレーカアクチュエータ回路１１１をトリガする故障検出信号を生成して、内部短絡スイッチ回路１２０の作動スイッチ１２４を停止させるための制御信号を生成する。作動スイッチ１２４の停止は、内部短絡スイッチの作動（すなわち、第１のスイッチ１２１および第２のスイッチ１２２の作動）をもたらし、次に、ノードＮ１とＮ２との間に内部短絡経路を生成し、これは、インテリジェント回路遮断装置１００のラインホット端子１００Ａとライン中性端子１００Ｂとの間のシャント接続をもたらす。インテリジェント回路遮断装置１００内に生成される内部短絡経路は、回路ブレーカ１５を通って流れる過電流を生じさせ、それによって、回路ブレーカ１５をトリップして、ＡＣ幹線１０のラインホット１１とインテリジェント回路遮断装置１００のラインホット端子１００Ａとの間に電気経路の空隙を作成する。空隙は、ＡＣ幹線１０のラインホット１１を負荷２０から電気的に絶縁する役割を果たす。

内部短絡スイッチ回路１２０の動作によって生成された内部短絡経路内を流れる内部短絡電流の大きさは、シャント抵抗器Ｒ４の抵抗値によって制限される。いくつかの実施形態では、シャント抵抗器Ｒ４の抵抗は、インテリジェント回路遮断装置１００内のノードＮ１とＮ２との間の短絡経路を流れる内部短絡電流の大きさが、回路ブレーカ１５の電流定格の約２倍～約３倍の範囲になるように選択される。例えば、回路ブレーカ１５が２０アンペアの電流定格を有する場合、シャント抵抗器Ｒ４の抵抗は、最大約４０～６０アンペアの電流が回路ブレーカ１５を通り、そしてインテリジェント回路遮断装置１００内のノードＮ１とＮ２との間の短絡経路を通って流れ、それによって、回路ブレーカ１５をトリップさせるように選択される。これに関して、回路ブレーカ１５を通って流れる短絡電流の大きさは、シャント抵抗器Ｒ４の抵抗値に基づいてノードＮ１とＮ２との間の短絡経路に生成される内部短絡電流の大きさによって制限される。この場合、回路ブレーカ１５をトリップするために生成される短絡電流の量は、シャント抵抗器Ｒ４によって制御／制限され、シャント抵抗器はさらに、回路ブレーカ１５がトリップされたときに回路ブレーカ１５の空隙スイッチの接点の間に生成される電気アーク放電の量を制限する。

図３は、本開示の例示的な実施形態による、回路遮断を提供するための方法のフロー図である。より具体的には、図３は、本開示の例示的な実施形態による、図１のインテリジェント回路遮断装置１００の高レベル動作モードを例示する。本方法は、電圧波形および／または電流波形を監視して、回路ブレーカによって保護されている分岐回路の故障状態の発生を検出することを含む（ブロック３００）。例えば、上述したように、インテリジェント回路遮断装置１００の制御回路１１０は、例えば、（ｉ）ラインホット端子１００Ａと負荷ホット端子１００Ｃとの間の電気経路、および／または（ｉｉ）ライン中性端子１００Ｂと負荷中性端子１００Ｄとの間の電気経路に沿った地点で、電圧波形および負荷電流波形を監視および感知するように構成されている。インテリジェント回路遮断装置１００が分岐回路上の故障状態の発生を検出したときに（ブロック３０１での肯定判定）、インテリジェント回路遮断装置１００は、分岐回路上の負荷電流の流れを遮断して（ブロック３０２）、インテリジェント回路遮断装置１００内に内部短絡経路を生成して、短絡電流が、インテリジェント回路遮断装置１００内のシャント抵抗器を通って流れることを可能にし、インテリジェント回路遮断装置内の短絡電流の流れは、回路ブレーカをトリップさせ、分岐回路からＡＣ電源を接続解除させる（ブロック３０３）。

図１の例示的な実施形態では、インテリジェント回路遮断装置１００は、単極単投接点（ＳＰＳＴ）スイッチ構成を備え、双方向固体スイッチの第１のＭＯＳＦＥＴスイッチ１０１および第２のＭＯＳＦＥＴスイッチ１０２は、ラインホット端子１００Ａと負荷ホット端子１００Ｃとの間の電気経路内に裏面対裏面で直列に接続されている。他の実施形態では、インテリジェント回路遮断装置は、二極単投式（ＤＰＳＴ）スイッチ構成を備え、第１のＭＯＳＦＥＴスイッチ１０１は、ラインホット端子１００Ａと負荷ホット端子１００Ｃとの間の電気経路に接続され、第２のＭＯＳＦＥＴスイッチ１０２は、ライン中性端子１００Ｂと負荷中性端子１００Ｄとの間の電気経路に接続されている。ＤＰＳＴ構成では、第２のＭＯＳＦＥＴスイッチ１０２のドレイン（Ｄ）端子は、ライン中性端子１００Ｂに結合され、一方で、第２のＭＯＳＦＥＴスイッチ１０２のソース（Ｓ）端子は、負荷中性端子１００Ｄに結合されている。上で論じたように、ＤＰＳＴスイッチ構成では、第１のＭＯＳＦＥＴスイッチ１０１および第２のＭＯＳＦＥＴスイッチ１０２のゲート（Ｇ）端子は、図１のＳＰＳＴスイッチ構成のような制御回路１１０（例えば、スイッチ制御回路１１２）によって同時に制御され、それによって、第１のＭＯＳＦＥＴスイッチ１０１および第２のＭＯＳＦＥＴスイッチ１０２の停止は、ラインホット端子１００Ａおよび負荷ホット端子１００Ｃを効果的に接続解除し、同様に、ライン中性端子１００Ｂおよび負荷中性端子１００Ｄを効果的に接続解除する。

本開示の例示的な実施形態によるインテリジェント回路遮断装置は、様々な装置および用途において具現化することができ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１のインテリジェント回路遮断装置１００は、電気コンセント装置（例えば、分岐アウトレット）に、または電気ライトスイッチ（例えば、壁掛けライトスイッチ、またはスマート照明器具もしくはスマート天井灯電球ソケットに実装されたライトスイッチ、など）に、または負荷に電力を供給する他のタイプの装置に実装すること、または別様に集積化することができる。他の実施形態では、図１のインテリジェント回路遮断装置１００は、住宅またはビルの電気ネットワークのギャングボックス内に配置されて、スタンドアロン型インテリジェント回路遮断装置の下流の分岐回路内に接続されている１つ以上の電気装置、機器、負荷、などを保護するように構成された、スタンドアロン型装置を備え得る。

本明細書で開示される例示的なインテリジェント回路遮断装置および方法は、様々な技術的利点を提供することを理解されたい。例えば、双方向固体スイッチ１０１／１０２の実装形態は、双方向固体スイッチ１０１／１０２の迅速な停止によって、インテリジェント回路遮断装置１００が、アーク故障状態、過電流故障状態、負荷側短絡故障状態、内部故障状態、地絡状態、過電圧状態などの差し迫った故障状態に迅速に応答することを可能にする。実際には、固体状態双方向スイッチ１０１／１０２は、数マイクロ秒または数ナノ秒程度でスイッチオン状態からスイッチオフ状態へと移行することができるので、双方向固体スイッチ１０１／１０２を停止させて故障状態を隔離するための応答時間を、従来の回路ブレーカの電気機械ＡＣスイッチを自動的にトリップして、短絡または過電流状態などの故障状態を隔離することと関連付けられた応答時間（例えば、数ミリ秒程度である）よりも１０００倍程度速くすることができる。

さらに、上述したように、インテリジェント回路遮断装置１００内の内部短絡スイッチ回路１２０の実装は、回路ブレーカ１５がＡＦＣＩ機能を有していなくても、費用効果的なソリューションを有利に提供して、回路ブレーカ１５に接続された分岐回路全体のＡＦＣＩ保護（および、地絡回路遮断器（ＧＦＣＩ）保護などの他の保護）を提供する。例えば、所与の住宅またはビル内の分岐回路にいかなるＡＦＣＩ保護も提供しない従来の回路ブレーカを備える既存の電気分配システムでは、図１に示されるようなインテリジェント回路遮断装置は、従来の回路ブレーカを高価なＡＦＣＩ回路ブレーカに変更することを必要とせずに、第１の装置（例えば、集積インテリジェント回路遮断装置１００を有する電源コンセント）として各分岐回路に加えて、ＡＦＣＩ保護を効果的に提供することができる。

さらに、制御された短絡電流を生成して、機械的ＡＣ空隙スイッチを有する従来の回路ブレーカをトリップするように構成されている、インテリジェント回路遮断装置１００内の内部短絡スイッチ回路１２０の実装は、ＡＣ幹線１０のラインホット１１と負荷２０との間に電気経路の空隙を作成して、負荷２０からのＡＣ幹線１０の完全な隔離を提供して、ラインホット１１から負荷２０への電流の流れを防止するための、ならびに双方向固体スイッチ１０１／１０２がスイッチオフ状態であるときに双方向固体スイッチ１０１／１０２によって生成され得るリーク電流の流れを防止するための機構を提供する。これは、分岐回路の故障状態が発生したときにＡＣ幹線と分岐回路との間の電気経路内に空隙の実装を必要とする、電気工事規定の遵守を可能にする。

添付図面を参照しながら例示的な実施形態を本明細書で説明してきたが、本開示は、それらの厳密な実施形態に限定されるものではないこと、および添付の特許請求の範囲の範囲から逸脱することなく、当業者によって様々な他の変更および修正が行われ得ることを理解されたい。

Claims

回路遮断装置であって、
ラインホット端子、ライン中性端子、負荷ホット端子、および負荷中性端子と、
前記ラインホット端子と前記負荷ホット端子との間の電気経路において直列に接続された固体スイッチと、
第１のノードと第２のノードとの間に直列に接続された内部短絡スイッチおよびシャント抵抗器を備える内部短絡スイッチ回路であって、前記第１のノードが、前記ラインホット端子に結合され、前記第２のノードが、前記ライン中性端子に結合されている、内部短絡スイッチ回路と、
前記固体スイッチおよび前記内部短絡スイッチ回路に結合された制御回路と、を備え、
前記制御回路が、故障状態の発生を検出するように構成されており、
前記制御回路が、前記故障状態の発生を検出することに応答して、前記固体スイッチをスイッチオフ状態に駆動するように構成されており、
前記制御回路が、前記故障状態の発生を検出することに応答して前記内部短絡スイッチを作動させ、それによって、前記第１のノードと前記第２のノードとの間に内部短絡経路を生成して、短絡電流が前記回路遮断装置の前記ラインホット端子と前記ライン中性端子との間の前記シャント抵抗器を通って流れることを可能にするように構成されている、回路遮断装置。
前記内部短絡スイッチが、第１の金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）スイッチおよび第２のＭＯＳＦＥＴスイッチを備える双方向固体スイッチを備え、前記第１および第２のＭＯＳＦＥＴスイッチが、第３のノードに共通に結合されているゲート端子と、第４のノードに共通に結合されているソース端子と、を備え、前記第１のＭＯＳＦＥＴスイッチが、前記第１のノードに結合されているドレイン端子を備え、前記第２のＭＯＳＦＥＴスイッチが、前記第２のノードに結合されているドレイン端子を備える、請求項１に記載の回路遮断装置。
前記シャント抵抗器が、前記第２のＭＯＳＦＥＴスイッチの前記ドレイン端子と前記第２のノードとの間に接続されている、請求項２に記載の回路遮断装置。
前記内部短絡スイッチ回路が、前記ラインホットおよびライン中性端子に印加された交流（ＡＣ）電源から引き出された電流を使用して、調節された直流（ＤＣ）電圧を生じさせて、前記調節されたＤＣ電圧を、前記固体双方向スイッチの前記第１および第２のＭＯＳＦＥＴスイッチの前記ゲート端子に印加するように構成されている、自己バイアス回路を備える、請求項２に記載の回路遮断装置。
前記自己バイアス回路が、前記調節されたＤＣ電圧を生成するように構成されている電圧クランプ回路を備え、前記電圧クランプ回路が、第５のノードと前記第４のノードとの間に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４に記載の回路遮断装置。
前記内部短絡スイッチ回路が、前記第３のノードと前記第４のノードとの間に結合された作動スイッチを備える、請求項２に記載の回路遮断装置。
前記制御回路が、前記作動スイッチを、（ｉ）それによって、前記第１および第２のＭＯＳＦＥＴスイッチの前記ゲートおよびソース端子をシャントして、前記内部短絡スイッチをスイッチオフ状態にする、スイッチオン状態、および（ｉｉ）それによって、前記内部短絡スイッチをスイッチオン状態にすることを可能にする、スイッチオフ状態、のうちの１つに駆動するように構成されている、請求項６に記載の回路遮断装置。
前記シャント抵抗器が、前記回路遮断装置の前記ラインホット端子と前記ライン中性端子との間を流れる短絡電流の量を回路ブレーカの電流定格の約３倍以下に制限する抵抗値を含む、請求項１に記載の回路遮断装置。
前記制御回路が、（ｉ）前記ラインホット端子と前記負荷ホット端子との間の前記電気経路を流れる負荷電流の電流波形を感知することと、（ｉｉ）前記感知した電流波形に基づいて、短絡故障状態の発生を検出することと、を行うように構成されている、請求項１に記載の回路遮断装置。
前記制御回路が、（ｉ）前記ラインホット端子と前記負荷ホット端子との間の前記電気経路の電圧波形を感知することと、（ｉｉ）前記感知した電圧波形に基づいて、アーク故障状態の発生を検出することと、を行うように構成されている、請求項１に記載の回路遮断装置。
請求項１に記載の回路遮断装置を備える、電源コンセント。
システムであって、
ライン入力端子および負荷出力端子を備える回路ブレーカであって、前記回路ブレーカの前記ライン入力端子が、交流（ＡＣ）電源に結合されている、回路ブレーカと、
前記回路ブレーカの前記負荷出力端子に結合された回路遮断装置と、を備え、前記回路遮断装置が、
ラインホット端子、ライン中性端子、負荷ホット端子、および負荷中性端子と、
前記ラインホット端子と前記負荷ホット端子との間の電気経路において直列に接続された固体スイッチと、
第１のノードと第２のノードとの間に直列に接続された内部短絡スイッチおよびシャント抵抗器を備える内部短絡スイッチ回路であって、前記第１のノードが、前記ラインホット端子に結合され、前記第２のノードが、前記ライン中性端子に結合されている、内部短絡スイッチ回路と、
前記固体スイッチおよび前記内部短絡スイッチ回路に結合された制御回路と、を備え、
前記制御回路が、故障状態の発生を検出するように構成されており、
前記制御回路が、前記故障状態の発生を検出することに応答して、前記固体スイッチをスイッチオフ状態に駆動するように構成されており、
前記制御回路が、前記故障状態の発生を検出することに応答して前記内部短絡スイッチを作動させ、それによって、前記第１のノードと前記第２のノードとの間に内部短絡経路を生成して、短絡電流が前記回路遮断装置の前記ラインホット端子と前記ライン中性端子との間の前記シャント抵抗器を通って流れることを可能にするように構成されており、前記回路遮断装置の前記ラインホット端子と前記ライン中性端子との間の前記短絡電流の流れが、前記回路ブレーカをトリップするのに十分である、システム。
前記回路ブレーカが、電磁アクチュエータ要素および熱アクチュエータ要素のうちの少なくとも１つを備える電気機械回路ブレーカを備える、請求項１２に記載のシステム。
前記シャント抵抗器が、前記回路遮断装置の前記ラインホット端子と前記ライン中性端子との間を流れる短絡電流の量を前記回路ブレーカの電流定格の約３倍以下に制限する抵抗値を含む、請求項１２に記載のシステム。
前記回路遮断装置の前記内部短絡スイッチが、第１の金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）スイッチおよび第２のＭＯＳＦＥＴスイッチを備える双方向固体スイッチを備え、前記第１および第２のＭＯＳＦＥＴスイッチが、第３のノードに共通に結合されているゲート端子と、第４のノードに共通に結合されているソース端子と、を備え、前記第１のＭＯＳＦＥＴスイッチが、前記第１のノードに結合されているドレイン端子を備え、前記第２のＭＯＳＦＥＴスイッチが、前記第２のノードに結合されているドレイン端子を備える、請求項１２に記載のシステム。
前記回路遮断装置の前記内部短絡スイッチ回路が、前記ＡＣ電源から引き出された電流を使用して、調節された直流（ＤＣ）電圧を生じさせて、前記調節されたＤＣ電圧を、前記固体双方向スイッチの前記第１および第２のＭＯＳＦＥＴスイッチの前記ゲート端子に印加するように構成されている、自己バイアス回路を備え、
前記自己バイアス回路が、前記調節されたＤＣ電圧を生成するように構成されている電圧クランプ回路を備え、前記電圧クランプ回路が、第５のノードと前記第４のノードとの間に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１５に記載のシステム。
前記内部短絡スイッチ回路が、前記第３のノードと前記第４のノードとの間に結合された作動スイッチを備え
前記制御回路が、前記作動スイッチを、（ｉ）それによって、前記第１および第２のＭＯＳＦＥＴスイッチの前記ゲートおよびソース端子をシャントして、前記内部短絡スイッチをスイッチオフ状態にする、スイッチオン状態、および（ｉｉ）それによって、前記内部短絡スイッチをスイッチオン状態にすることを可能にする、スイッチオフ状態、のうちの１つに駆動するように構成されている、請求項１５に記載のシステム。
方法であって、
回路遮断装置によって、回路ブレーカによって保護されている分岐回路上の故障状態の発生を検出することと、
前記故障状態の前記発生を検出することに応答して、前記回路遮断装置によって、前記分岐回路上の負荷電流の流れを遮断することと、
前記故障状態の前記発生を検出することに応答して、前記回路遮断装置によって、短絡電流が前記回路遮断装置内のシャント抵抗器を通って流れることを可能にするために短絡経路を生成することであって、前記回路遮断装置内の前記短絡電流の前記流れが、前記回路ブレーカをトリップさせて、交流（ＡＣ）電源を前記分岐回路から接続解除させる、生成することと、を含む、方法。
前記シャント抵抗器が、前記短絡電流の大きさを前記回路ブレーカの電流定格の約３倍以下に制限する抵抗値を含む、請求項１８に記載の方法。
前記短絡経路を生成することが、前記故障状態の前記発生を検出することに応答して、前記回路遮断装置によって、内部短絡スイッチを作動させ、それによって、前記回路遮断装置のラインホット端子とライン中性端子との間に内部短絡経路を生成し、前記短絡電流が前記回路遮断装置の前記ラインホット端子と前記ライン中性端子との間の前記シャント抵抗器を通って流れることを可能にして、前記回路ブレーカをトリップさせることを含む、請求項１８に記載の方法。