JP2023511707A - 固体回路遮断器 - Google Patents

Abstract

回路遮断器（１０）は、正常センサ出力及び過電流検出出力を有する電流センサ（２０６）と、回路遮断器に電流を流すことができる閉状態及び回路遮断器に流れる電流を遮断する開状態を有するように構成された固体スイッチモジュール（２０２）と、脱飽和機能出力を含む固体スイッチモジュールを制御するように構成されたゲートドライバ（２０４）であって、ＤＥＳＡＴ機能出力がオン状態に変化したときに、固体スイッチモジュールに回路遮断器に流れる電流を遮断させるように構成されている、ゲートドライバと、正常センサ出力が第１の閾値レベルに達したとき、又は過電流検出出力がオン状態に変化したときにゲートドライバにトリップ信号を出力するように構成された電子トリップ回路と、を含む。
【選択図】図１

Description

（関連出願の相互参照）
本出願は、２０２０年１月２９日に出願された、同一出願人による同時出願の米国特許出願第１６／７７５９７６号「ＳＯＬＩＤ ＳＴＡＴＥ ＣＩＲＣＵＩＴ ＩＮＴＥＲＲＵＰＴＥＲ」（代理人整理番号１９－ＥＴＵ－７８３－１）に関連する。

（発明の分野）
開示された概念は、概して、回路遮断器に関し、特に、固体回路遮断器に関する。

例えば、限定するものではないが、サーキットブレーカーなどの回路遮断器は、典型的には、過負荷状態などの過電流状態、短絡、又はアーク事故若しくは接地事故などの別の障害状態に起因する損傷から電気回路を保護するために使用される。固体回路遮断器は、固体構成要素、例えば半導体デバイスを使用して、電源から負荷に流れる電流をオン及びオフに切り替える。

固体回路遮断器は、従来の機械回路遮断器よりも速いトリッピングを提供する。しかしながら、これらの能力は最適に利用されていない。更に、固体回路遮断器は、従来の機械回路遮断器と異なる安全性と健全性の懸念をもたらす。固体回路遮断器の改善の余地がかなりある。

開示された概念の一態様によれば、電源と負荷との間を電気的に接続するように構成された回路遮断器は、回路遮断器を通って流れる電流を検知するように構成され、回路遮断器を流れる電流に比例する正常センサ出力、及び回路遮断器を通って流れる電流が第２の閾値レベルに達したときにオン状態に変化する過電流検出（ＯＣＤ）出力を有する、電流センサと、回路遮断器を通って電流が流れることができる閉状態、及び回路遮断器に流れる電流を遮断する開状態を有するように構成された固体スイッチモジュールと、固体スイッチモジュールを制御して回路遮断器を流れる電流を遮断するように構成されたゲートドライバであって、回路遮断器を流れる電流が第３の閾値レベルに達するときにオン状態に変化する脱飽和（ＤＥＳＡＴ）機能出力を含み、ＤＥＳＡＴ機能出力がオン状態に変化するときに固体スイッチモジュールに回路遮断器を流れる電流を遮断させるように構成されている、ゲートドライバと、正常センサ出力及びＯＣＤ出力を受信し、正常センサ出力が第１の閾値レベルに達する、又はＯＣＤ出力がオン状態に変化するときに、トリップ信号をゲートドライバに出力するように構成されたアナログトリップ回路であって、トリップ信号が、ゲートドライバに固体スイッチモジュールを制御させて回路遮断器を流れる電流を遮断する、アナログトリップ回路と、を備える。

開示された概念の一態様によれば、電源と負荷との間を電気的に接続するように構成された回路遮断器は、電源と負荷との間にガルバニック絶縁を提供するように開放するように構成された分離可能接点と、分離可能接点を開閉するように構成された操作機構と、分離可能接点の位置を検知するように構成された第１の位置センサと、回路遮断器に電流を流すことができる閉状態、及び回路遮断器に流れる電流を遮断する開状態を有するように構成された固体スイッチモジュールと、固体スイッチモジュールを制御して開状態と閉状態との間で変更し、操作機構を制御して分離可能接点を開放するように構成された電子トリップユニットであって、第１の位置センサの出力に基づいて、固体スイッチモジュールを制御して、分離可能接点が閉位置にあるときに固体スイッチモジュールを開状態から閉状態へ変更するように構成されている、電子トリップユニットと、を備える。

開示された概念の一態様によれば、回路遮断器で使用するための固体スイッチアセンブリは、入力端子と、第１の導体と、出力端子と、第２の導体と、第１の導体を用いて入力端子に電気的に接続され、第２の導体を用いて出力端子に電気的に接続され、少なくとも１つの固体スイッチを含む、固体スイッチモジュールと、固体スイッチモジュールに取り付けられたヒートシンクと、固体スイッチモジュールを通って流れる電流を検知するように構成された電流センサと、いくつかの金属酸化物バリスタ（ＭＯＶ）と、を備える。

開示された概念の一態様によれば、回路遮断器は、いくつかの区画を含むフレームと、いくつかの固体スイッチアセンブリと、を含み、各固体スイッチアセンブリが、区画のうちの対応する１つに配設され、入力端子と、第１の導体と、出力端子と、第２の導体と、第１の導体を用いて入力端子に電気的に接続され、第２の導体を用いて出力端子に電気的に接続され、少なくとも１つの固体スイッチを含む、固体スイッチモジュールと、ヒートシンクと、固体を通って流れる電流を検知するように構成された電流センサと、いくつかの金属酸化物バリスタ（ＭＯＶ）と、を備える。

開示された概念の一態様によれば、固体スイッチを含む固体スイッチモジュールを有する回路遮断器を動作させる方法は、固体スイッチの特性を監視することと、固体スイッチの特性が所定閾値を満たす又は所定閾値を超えると判定することと、固体スイッチの特性が所定閾値を満たす又は超えると判定したことに応答して指示を提供することと、を含む。

本開示の概念の完全な理解は、添付図面と併せて読むと、以下の発明を実施するための最良の形態から得ることができる。
本開示の概念の例示的な実施形態による回路遮断器の概略図である。 本開示の概念の例示的な実施形態による電力供給部の回路図である。 開示された概念の例示的な実施形態によるアナログトリップ回路の回路図である。 開示された概念の例示的な実施形態によるアナログトリップ回路の回路図である。 開示された概念の例示的な実施形態によるゲートドライバ回路の回路図である。 開示された概念の例示的な実施形態によるゲートドライバ回路の回路図である。 開示された概念の例示的な実施形態による回路遮断器の部分組立図である。 開示された概念の例示的な実施形態による回路遮断器の部分組立図である。 開示された概念の例示的な実施形態による回路遮断器の部分組立図である。 開示された概念の例示的な実施形態による回路遮断器の部分組立図である。 本開示の概念の例示的な実施形態による部分的に分解可能な回路遮断器の図である。 開示された概念の例示的な実施形態による回路遮断器の部分内部側面図である。 開示された概念の例示的な実施形態による固体スイッチアセンブリの図である。 開示された概念の例示的な実施形態による固体スイッチアセンブリの図である。 開示された概念の例示的な実施形態による固体スイッチアセンブリの図である。 開示された概念の例示的な実施形態によるヒートシンク及び固体スイッチモジュールの図である。 開示された概念の例示的な実施形態によるヒートシンク及び固体スイッチモジュールの図である。 開示された概念の例示的な実施形態によるヒートシンク及び固体スイッチモジュールの図である。 開示された概念の例示的な実施形態によるヒートシンク及び固体スイッチモジュールの図である。 開示された概念の例示的な実施形態によるフレームハウジング固体スイッチアセンブリの図である。 開示された概念の例示的な実施形態によるフレームハウジング固体スイッチアセンブリの図である。 本開示の概念の例示的な実施形態による回路遮断器を動作させる方法のフローチャートである。

本明細書で使用される方向句、例えば、左、右、前部、後部、頂部、底部、及びそれらの変形などは、図面に示される要素の向きに関するものであり、そこに明示的に記載されない限り、特許請求の範囲を限定しない。

本明細書で使用するとき、２つ以上の部分が共に「結合されている」という記述は、それらの部分が、共に直接接合されているか、又は１つ以上の中間部分を介して接合されているかのいずれかを意味するものとする。

図１は、開示された概念の例示的な実施形態による回路遮断器１０（例えば、限定するものではないが、サーキットブレーカー）の概略図である。いくつかの例示的な実施形態による回路遮断器１０は、１００Ａ（Ｉ_ｎ＝１００Ａ）定格デバイスである（すなわち、定格電流Ｉ_ｎは１００Ａである）。回路遮断器１０は、電源２と負荷４との間に電気的に接続されるように構成されている。回路遮断器１０は、例えば、障害状態（例えば、限定するものではないが、過電流状態）の場合に、負荷４に流れる電流を遮断するように開に作動させるか、又は開に切り替えるかして、負荷４、負荷４に関連付けられた回路、及び回路遮断器１０内の構成要素を保護する。

回路遮断器１０は、固体スイッチモジュール２０２と電流センサ２０６とを含む固体スイッチアセンブリ２００を含む。回路遮断器１０はまた、ゲートドライバ回路２０４と、固体スイッチアセンブリ２００に関連付けられたアナログトリップ回路２０８と、を含む。回路遮断器１０は、操作機構３００、分離可能接点３０２、電子トリップユニット３０４、及び電力供給部１００を更に含む。更に、回路遮断器１０は、位置センサ５００、５０２、５０４、並びに閉ボタン５０６及び開ボタン５０８を含む。回路遮断器１０がこれらの全ての構成要素を含む必要はないことが当業者には理解されよう。例えば、例示的な実施形態では、回路遮断器１０は、開示された概念の範囲から逸脱することなく、これらの構成要素のサブセットのみを含むことができる。

回路遮断器１０は、固体スイッチアセンブリ２００を介して固体回路の遮断を、分離可能接点３０２を介してガルバニック絶縁を提供するように構成されている。固体スイッチモジュール２０２は、１つ以上の固体スイッチ（例えば、限定するものではないが、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、又は電源２と負荷４との間に電気的に接続された固体スイッチ）を含む。固体スイッチモジュール２０２は、電力が電源２と負荷４との間で固体スイッチモジュール２０２を通って流れることができる閉状態、及び電力が電源２と負荷４との間を流れることが防止される開状態を有する。

ゲートドライバ回路２０４は、固体スイッチモジュール２０２の状態を制御するように構成されている。ゲートドライバ回路２０４は、固体スイッチモジュール２０２を通って流れる電流が所定閾値レベルに達すると、オフ状態からオン状態に変化する脱飽和（ＤＥＳＡＴ）機能を有する。例示的な一実施形態において、所定閾値レベルは、約２２５０Ａ（２２．５×Ｉ_ｎ）である。ＤＥＳＡＴ機能は、固体スイッチモジュール２０２内の固体スイッチの順電圧降下を監視することによって動作する。順電圧降下が閾値レベルに達すると、ＤＥＳＡＴ機能がオン状態に変化し、ゲートドライバ回路２０４がそれに応じて、固体スイッチモジュール２０２が開状態に変化し、回路遮断器１０を通って流れる電流を遮断する。例示的な実施形態では、ＤＥＳＡＴ機能は、９Ｖの閾値電圧を有する。炭化ケイ素（ＳｉＣ）ＭＯＳＦＥＴのオン抵抗に基づいて、電流レベルが約２２５０Ａであるとき、順電圧降下は９Ｖに達する。したがって、固体スイッチモジュール２０２を通って流れる電流が約２２５０Ａに達すると、ＤＥＳＡＴ機能はオン状態に変化する。これらの閾値は単に一例として提供されることが理解されよう。開示された概念の範囲から逸脱することなく、異なる閾値を用いることができる。

ゲートドライバ回路２０４のＤＥＳＡＴ機能を使用して、回路遮断器１０を通って流れる電流の非常に急速な遮断を可能にするために、固体スイッチモジュール２０２を開放させる。開示された概念のいくつかの例示的な実施形態では、ＤＥＳＡＴ機能に基づく遮断は、０．５マイクロ秒以内であり得る。開示された概念のいくつかの例示的な実施形態では、ゲートドライバ回路２０４は、ＤＥＳＡＴ機能に基づいて遮断を変化させるように構成されたコンデンサを含む。例えば、ＤＥＳＡＴ機能に基づく遮断までの時間は、コンデンサの静電容量に基づく。このようにして、ＤＥＳＡＴ機能に基づく遮断時間は、コンデンサを変更することによって容易に調整することができる。

いくつかの例示的な実施形態では、電流センサ２０６は、回路遮断器１０を通って流れる電流に比例する正常センサ出力と、回路遮断器１０を通って流れる電流が閾値レベルに達するときにオン状態に変化する過電流検出（ＯＣＤ）出力と、を提供するように構成されている。例示的な実施形態では、電流センサ２０６は、ホール効果センサである。

アナログトリップ回路２０８は、電流センサ２０６から正常センサ出力及びＯＣＤ出力を受信するように構成されている。アナログ回路２０８は、ゲートドライバ回路２０４に電気的に接続され、トリップ信号をゲートドライバ回路２０４に出力するように構成されている。トリップ信号に応答して、ゲートドライバ回路２０４は、固体スイッチモジュール２０２を制御して開状態に変化させ、回路遮断器１０を通って流れる電流を遮断する。アナログトリップ回路２０８は、正常センサ出力が閾値レベルに到達するか、又はＯＣＤ出力がオン状態に変化することに応答して、トリップ信号を出力するように構成されている。アナログトリップ回路２０８は、ＯＣＤ出力が第１の所定期間内にオン状態に変化したことに応答してトリップ信号を出力し、正常センサ出力が第２の所定期間内に閾値レベルに到達したことに応答してトリップ信号を出力するように構成されている。例示的な実施形態では、第１の所定期間は、第２の所定期間未満である。例示的な実施形態では、第１の所定期間は１０ナノ秒であり、第２の所定期間は１００ナノ秒である。しかしながら、本開示の概念の範囲から逸脱することなく、他の所定期間を採用してもよいことが理解されるであろう。例示的な実施形態では、正常センサ出力が閾値レベルに到達することに基づく、回路遮断器１０を通って流れる電流の遮断は、４マイクロ秒以内に発生し、ＯＣＤ出力に基づく遮断は、２マイクロ秒以内に発生する。しかしながら、これらは例示的な時間であり、本開示の概念の範囲から逸脱することなく、他の時間を採用してもよいことが理解されるであろう。いくつかの例示的な実施形態では、正常電流センサ出力に関連付けられた閾値レベルは、約２００（２×Ｉ_ｎ）～７５０Ａ（７．５×Ｉ_ｎ）の範囲内であり、ＯＣＤ出力に関連付けられた閾値レベルは、約７５０Ａ（７．５×Ｉ_ｎ）である。しかしながら、これらは単に例示的な値であり、本開示の概念の範囲から逸脱することなく調整されてもよいことが理解されるであろう。

アナログトリップ回路２０８及びゲートドライバ回路２０４のＤＥＳＡＴ機能を用いて、３レベルの遮断ロジックを回路遮断器１０内で使用することができる。ＤＥＳＡＴ機能は、最も高い電流閾値に基づいて最も速い遮断を提供し、ＯＣＤ出力は、２番目に高い電流閾値に基づいて２番目に速い遮断を提供し、正常センサ出力は、３番目に高い電流閾値に基づいて３番目に速い遮断を提供する。例示的な実施形態では、最も高い電流閾値は約２２５０Ａ（２２．５×Ｉ_ｎ）であり、最も速い遮断は０．５マイクロ秒以内であり、２番目に高い電流閾値は約７５０Ａ（７．５×Ｉ_ｎ）であり、２番目に速い遮断は２．５マイクロ秒以内であり、３番目に高い電流閾値は約２００（２×Ｉ_ｎ）～７５０Ａ（７．５×Ｉ_ｎ）の範囲内であり、３番目に速い遮断は４マイクロ秒以内である。アナログトリップ回路２０８及びゲートドライバ回路２０４のＤＥＳＡＴ機能により、遮断は、電子トリップユニット３０４によって提供されるようなデジタル回路保護よりも速く発生することができる。

開示された概念のいくつかの例示的な実施形態では、電子トリップユニット３０４はまた、ゲートドライバ回路２０４にトリップ信号を出力して、ゲートドライバ回路２０４に固体スイッチモジュール２０２を制御して開状態に変化させるように構成されている。電子トリップユニット３０４は、アナログトリップ回路２０８による正常センサ出力に基づくトリップに関連付けられた３番目に高い電流閾値未満の電流閾値に基づいて、トリップ信号を出力することができる。電子トリップユニット３０４は、Ｉ－ｔトリップ曲線に基づいてトリップ信号を出力するように構成されてもよく、それにより、電子トリップユニット３０４が電流センサ２０６の正常センサ出力に基づいて障害状態を検出するときに、電子トリップユニット３０４は、Ｉ－ｔトリップ曲線に基づいて電流レベルに関連付けられた時点で、トリップ信号をゲートドライバ回路２０４に出力する。

回路遮断器１０はまた、操作機構３００及び分離可能接点３０２を含む。分離可能接点３０２は、開放されて、電源２と負荷４との間にガルバニック絶縁を提供するように構成されている。操作機構３００は、分離可能接点３０２を開閉する構造である。例えば、操作機構３００は、移動するときに、分離可能接点３０２を開閉させる可動アームを含むことができる。電子トリップユニット３０４は、操作機構３００を制御して分離可能接点３０２を開放するように構成されている。例えば、電子トリップユニット３０４は、固体スイッチモジュール２０２が開状態に変化した後にのみ、操作機構３００を制御して分離可能接点３０２を開放するように構成することができる。例えば、機械回路遮断器では、分離可能接点は、回路遮断器を通って流れる電流を遮断するように設計されており、回路遮断の結果としてのアークを管理するためのアークシュートなどの関連する構成要素を有する。回路遮断器１０は、電流が固体スイッチモジュール２０２によって遮断される固体回路遮断器である。分離可能接点３０２は、電流を遮断するように設計される必要はなく、固体スイッチモジュール２０２が電流を遮断した後に開放することのみが意図されるため、関連するアークシュート又は他の構成要素を有する必要はない。したがって、電子トリップユニット３０４は、固体スイッチモジュール２０２が開状態に変化した後にのみ、操作機構３００を制御して、分離可能接点３０２を開放するように構成することができる。同様に、電子トリップユニット３０４は、分離可能接点３０２が閉鎖された後にのみ、ゲートドライバ回路２０４に固体スイッチモジュール２０２を閉状態に変更するように構成することができる。このようにして、分離可能接点３０２のバウンスによるバウンスアークが防止される。いくつかの例示的な実施形態では、分離可能接点３０２は、例えば、リセットスイッチを介してユーザによる手動介入で閉鎖される。いくつかの例示的な実施形態では、操作機構３００は、電子トリップユニット３０４からの閉信号に応答して、分離可能接点３０２を閉鎖するように構成されている。

開示された概念のいくつかの例示的な実施形態では、回路遮断器１０は、位置センサ５００を含む。位置センサ５００は、分離可能接点３０２が開位置にあるか又は閉位置にあるかを検知するように構成されている。位置センサ５００の出力は、電子トリップユニット３０４に提供することができる。位置センサ５００の出力に基づいて、電子トリップユニット３０４は、分離可能接点３０２の位置を判定することができる。同様に、電子トリップユニット３０４ユニットは、固体スイッチモジュール２０２の状態を示すゲートドライバ回路２０４の出力を受信することができる。これらの出力では、電子トリップユニット３０４は、固体スイッチモジュール２０２が開状態に変化した後にのみ分離可能接点３０２が開放されることと、分離可能接点３０２が閉鎖された後にのみ、固体スイッチモジュール２０２が閉状態に変更されることを確実にし得る。

いくつかの例示的な実施形態では、回路遮断器１０は、閉ボタン５０６及び開ボタン５０８を含む。ボタンは一例として使用されることが理解されよう。しかしながら、本開示の概念の範囲から逸脱することなく、他のユーザ作動可能な要素を採用してもよいことが理解されるであろう。例示的な実施形態では、電子トリップユニット３０４は、操作機構３００を制御して分離可能接点３０２を閉鎖し、ゲートドライバ回路２０４に閉信号を出力して、閉ボタン５０６の作動に応答して、ゲートドライバ回路２０４に固体スイッチモジュール２０２を閉状態に変更させるように構成されている。例示的な実施形態では、電子トリップユニット３０４は、トリップ信号をゲートドライバ回路２０４に出力して、ゲートドライバ回路２０４に固体スイッチモジュール２０２を開状態に変更させ、次いで、操作機構３００を制御して、開ボタン５０８の作動に応答して分離可能接点３０２を開放するように構成されている。いくつかの例示的な実施形態では、位置センサ５０２を使用して、閉ボタン５０６の作動を検知し、位置センサ５０４を使用して、開ボタン５０８の作動を検知することができる。電子トリップユニット３０４は、位置センサ５０２、５０４の出力を受信し、位置センサ５０２、５０４の出力に基づいて、閉ボタン５０６及び開ボタン５０８の作動を検知するように構成することができる。

位置センサ５００、５０２、５０４は、構成要素の位置を検知するための任意の好適なタイプのセンサであってもよい。一例として、位置センサ５００、５０２、５０４は、対応する構成要素の動きによって作動されるマイクロスイッチであってもよい。例えば、位置センサ５００は、操作機構３００の可動アームによって配設されるマイクロスイッチであってもよく、それにより、分離可能接点３０２を開閉させる可動アームの動きが位置センサ５００を作動させ、位置センサ５００の出力に基づいて、電子トリップユニット３０４は、分離可能接点３０２の現在位置を検知することができる。同様に、位置センサ５０２、５０４は、オンボタン５０６及びオフボタン５０８の作動がそれぞれ位置センサ５０２、５０４を作動させるように配置されたマイクロスイッチであってもよい。

電力供給部１００は、電源２から電力を受信し、電源２からの電力を回路遮断器１０の構成要素によって使用可能な電力に変換するように構成されている。例えば、電力供給部１００は、電源２からの交流電力を、回路遮断器１０の構成要素によって使用可能な直流電力に変換することができる。電力供給部１００からの電力は、例えば、限定するものではないが、電子トリップユニット３０４、ゲートドライバ回路２０４、操作機構３００（例えば、操作機構に含まれるソレノイド）、電流センサ２０６、及びアナログトリップ回路２０８などの、構成要素を動作させるための電力を提供することができる。電力供給部１００は、複数の電圧（例えば、限定するものではないが、２４Ｖ、１５Ｖ、５Ｖ、及び３．３Ｖ）で直流電力を生成することができる。例示的な実施形態では、電力供給部１００は省略されてもよく、回路遮断器１０の構成要素を動作させるための電力は、外部電力供給部によって提供され得る。いくつかの例示的な実施形態では、電子トリップユニット３０４は、電力供給部１００又は外部電力供給部から電力が利用できない場合に、固体スイッチモジュール２０２を開状態に変更させ、分離可能接点３０２を開放させるように構成されている。いくつかの例示的な実施形態では、電力供給部１００は、電源２からのライン間電圧を使用して、回路遮断器１０の構成要素によって使用される直流電力を生成するように構成されている。例えば、ラインと中性導体との間に接続されるのではなく、電力供給部１００は、その代わりに複数のライン導体間に接続される。図１は回路遮断器１０の単極を示しているが、回路遮断器１０は、電力供給部１００が複数の線相に接続されている状態で、複数の線相の電力が回路遮断器１０を流れる複数極を有することができると理解されよう。

図２は、本開示の概念の例示的な実施形態による電力供給部１００の回路図である。この例示的な実施形態では、電力供給部１００は、３相線入力１１０、整流ダイオードブリッジ１２０、フィルタリング回路１３０、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４０、及び出力１５０を含む。三相線入力１１０は、複数の線相から電力を受け取り、整流ダイオードブリッジ１２０へ線間ＡＣ電圧入力を提供する。整流ダイオードブリッジ１２０は、ＡＣ電圧をＤＣ電圧に変換し、ＤＣ電圧をフィルタリング回路１３０に出力する。フィルタリング回路１３０は、電流入力を制限することによって、電力供給回路１００を電流入力の殺到から保護し、電流分割器（Ｃ１０、Ｃ１１、Ｃ１２、Ｃ１３、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、及びＲ４）を介してＤＣ電圧をフィルタリングする。ＤＣ／ＤＣコンバータ１４０は、フィルタリング回路１３０からフィルタリングされたＤＣ電圧を受け取り、フィルタリングされた高ＤＣ電圧を低ＤＣ電圧、例えば、２４Ｖ、１５Ｖ、５Ｖ、又は３．３Ｖに変換する。次いで、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４０は、低ＤＣ電圧を出力して、回路遮断器１０の構成要素に電力を提供する。線間電圧は、回路遮断器１０の電気部品の電圧要件を満たすように、例えば、２４、１５、５、又は３．３ＶのＤＣに降圧される。線間電圧が利用できない場合、外部２４Ｖ電力供給部を使用することができる。外部電力も線間電圧も存在しない場合、固体スイッチモジュール２０２は開状態に変更することができる。図２は、電力供給部４００内で使用される回路の例を示しているが、図２は単に例示的な実施形態であることが理解されよう。回路構成要素は、開示された概念の範囲から逸脱することなく、再配列される、追加される、取り外される、又は異なって実装され得る。

図３Ａ及び図３Ｂは、開示された概念の例示的な実施形態によるアナログトリップ回路２０８の回路図である。アナログトリップ回路２０８は、正常センサ入力２１０及びＯＣＤ入力２１２を含む。正常センサ入力２１０は、回路遮断器１０を通って流れる電流に比例する電流センサ２０６の正常センサ出力を受信するように構成されている。ＯＣＤ入力２１２は、電流センサ２０６のＯＣＤ出力を受信するように構成されている。アナログトリップ回路２０８はまた、ゲートドライバ回路２０４に電気的に接続されたトリップ信号出力２１４を含む。正常センサ出力が閾値レベルに到達したこと又はＯＣＤ出力がオン状態に変化したことに応答して、アナログトリップ回路２０８は、出力２１４においてトリップ信号を出力するように構成されている。アナログトリップ回路２０８は、正常センサ出力を閾値レベルと比較するように構成されているが、ＯＣＤ出力は閾値レベルと比較する必要がない。ＯＣＤ出力でのこのチェックを回避することによって、アナログトリップ回路２０８は、正常センサ出力に基づくトリップ信号よりも高速で、ＯＣＤ出力に基づいてトリップ信号を出力することができる。図３Ａ及び図３Ｂは、アナログトリップ回路２０８で使用される論理回路の例を示す。しかしながら、図３Ａ及び図３Ｂに示される例は、単にアナログトリップ回路２０８の例示的な実装形態であることが理解されよう。回路構成要素は、開示された概念の範囲から逸脱することなく、再配列される、追加される、取り外される、又は異なって実装され得ることが理解されよう。

図４Ａ及び図４Ｂは、開示された概念の例示的な実施形態によるゲートドライバ回路２０４の回路図である。ゲートドライバ回路２０４は、イネーブル入力２１６及びＤＥＳＡＴ入力２２２を含む。ゲートドライバ回路２０４はまた、ドライバ出力２２４及び障害出力２１８を含む。ゲートドライバ回路２０４は、ドライバ２２０及びコンデンサ２２６を更に含む。イネーブル入力２１６は、アナログトリップ回路２０８及び電子トリップユニット３０４に電気的に接続されている。ドライバ出力２２４及びＤＥＳＡＴ入力２２２は、固体スイッチモジュール２０２に電気的に接続されている。障害出力２１８は、電子トリップユニット２１８に電気的に接続されている。固体スイッチモジュール２０２は、ドライバ出力２２４に基づいて、開状態と閉状態との間で変化するように構成されている。ドライバ２２０は、イネーブル入力２１６又はＤＥＳＡＴ入力２２２で受信されたトリップ信号に基づいて、ドライバ出力２２４の状態を制御するように構成されている。ドライバ２２０は、入力２２２のＤＥＳＡＴに基づいてＤＥＳＡＴ機能を実行するように構成されている。ＤＥＳＡＴ入力２２２に基づいてドライバ出力２２４を変更することに関連付けられたタイミングは、コンデンサ２２６の静電容量に部分的に基づく。ドライバ２２０はまた、障害出力２１８の状態を制御するように構成されており、それにより、ゲートドライバ回路２０４が開状態又は閉状態に変化するように固体スイッチモジュール２０２を制御したときに、電子トリップユニット３０４に通知することができる。図４Ａ及び図４Ｂに示される例は、ゲートドライバ回路２０４の例示的な実装形態に過ぎないことが理解されよう。回路構成要素は、開示された概念の範囲から逸脱することなく、再配列される、追加される、取り外される、又は異なって実装され得ることが理解されよう。

図５Ａ及び図５Ｂは、開示された概念の例示的な実施形態による回路遮断器１０の部分組立図である。図５Ａ及び図５Ｂは、閉ボタン５０６及び開ボタン５０８、位置センサ５０２、５０４、操作機構３００の一部、並びに分離可能接点３０２の一部の例を示す。図５Ａ及び図５Ｂに示される実施例では、分離可能接点３０２を組み合わせて移動させる可動回転アームと共に、３極操作機構３００が示されている。位置センサ５０２、５０４は、それぞれ、閉ボタン５０６及び開ボタン５０８に関連付けられ、その結果、オンボタン５０６及びオフボタン５０８の作動は、位置センサ５０２、５０４を作動させる。例えば、突出部が、オンボタン５０６及びオフボタン５０８に取り付けられ、閉ボタン５０６及び開ボタン５０８の作動と併せて移動する。一例として、オンボタン５０８に関連付けられた突出部は、閉ボタン５０８が作動されるとき、位置センサ５０４に対して移動し得る。図５Ａ及び５Ｂは、分離可能接点３０２の一部を示す。特に、図５Ａ及び図５Ｂは、分離可能接点３０２の可動接点を示す。静止接点が可動接点に関連付けられていることが理解されよう。可動接点を静止接点から離れるように移動させることで、分離可能接点３０２が開放される。

図６Ａ及び図６Ｂは、開示された概念の例示的な実施形態による回路遮断器１０の部分組立図である。図６Ａは、閉位置にある操作機構３００及び分離可能接点３０２の一部を示す。図６Ｂは、開位置にある操作機構及び分離可能接点３０２の一部を示す。図６Ａ及び図６Ｂはまた、分離可能接点３０２が閉位置又は開位置にあるかどうかを感知するように構成された位置センサ５００を示す。位置センサ５００は操作機構３００の可動アームの一部に関連付けることができ、それにより、可動アームは、分離可能接点３０２が閉位置にあるときに位置センサに当接し、分離可能接点３０２が開位置にあるときに位置センサ５００から離れるように移動する。

図７は、本開示の概念の例示的な実施形態による回路遮断器１０の部分的に分解可能な正面図である。図７は、開示された概念の例示的な実施形態による、閉ボタン５０６及び開ボタン５０８、並びに分離可能接点３０２の位置を示す状態インジケータ５１０を示す。

図８は、開示された概念の例示的な実施形態による回路遮断器１０の部分内部側面図である。回路遮断器を通る電流経路６００は、矢印で示されている。図８に示すように、電源２から回路遮断器１０を通って流れる電流は、最初に分離可能接点３０２を通って流れる。次いで、電流は引き続き、固体スイッチアセンブリ２００、及び固体スイッチアセンブリ２００の出力に近接して配置される電流センサ２０６を通り、次いで、負荷４に提供される。

図９Ａ～図９Ｃは、開示された概念の例示的な実施形態による固体スイッチアセンブリ２００の図である。固体スイッチアセンブリ２００は、固体スイッチモジュール２０２及び電流センサ２０６を含む。固体スイッチアセンブリ２００はまた、入力端子２５０及び入力導体２５２を含む。入力端子２５０は、分離可能接点３０２を介して電源２から電力を受け取り、入力導体２５２を介して固体スイッチモジュール２０２に電力を提供するように構成されている。固体スイッチアセンブリ２００はまた、出力端子２５６及び出力導体２５４を含む。固体スイッチモジュール２０２が閉状態にあるとき、電力は、固体スイッチモジュール２０２を通って負荷導体２５４に、続いて出力端子２５６に流れる。出力端子２５６は、負荷４に電気的に接続されるように構成されている。固体スイッチアセンブリ２００はまた、モジュールカバー２５８を含む。

図９Ｃでは、モジュールカバー２５８は省略されている。固体スイッチアセンブリ２００はまた、モジュールカバー２５８によって覆われた、図９Ｃに示されるＭＯＶ２６２を含む。

固体スイッチアセンブリ２００は、ヒートシンク２６０を更に含む。ヒートシンク２６０は、固体スイッチモジュール２００に取り付けられ、図１０Ａ～図１０Ｄに関して更に説明される。

図１０Ａ及び図１０Ｂは、開示された概念の例示的な実施形態によるヒートシンク２６０の図であり、図１０Ｃ及び図１０Ｄは、開示された概念の例示的な実施形態による、ヒートシンク２６０に取り付けられた固体スイッチモジュール２０２の図である。ヒートシンク２６０は、第１の平面部材２６４と、第１の平面部材２６８の一方の側から延在する第２の平面部材２６８と、を含む。ヒートシンク２６０はまた、第１の平面部材２６４の反対側から延在する複数の突起２７０を含む。

固体スイッチ部材２０２は、図１０Ｃ及び図１０Ｄに示されるように、第２の平面部材２６８に取り付けるように構成されている。例示的な実施形態では、締結具２７２を使用して、固体スイッチ部材２０２を第２の平面部材２６８に取り付けることができる。ヒートシンク２６０は、金属材料から構成され得、固体スイッチモジュール２０２によって生成された熱を放散するように動作可能である。

図１１Ａ及び図１１Ｂは、開示された概念の例示的な実施形態による固体スイッチアセンブリ２００を収容するためのフレーム２８０の図である。フレーム２８０は区画２８２を含み、各区画が１つの固体スイッチアセンブリ２００を収容する。図１１Ａ及び１１Ｂに示される例示的な実施形態では、フレーム２８０は、３つの区画２８２を含み、３つの固体スイッチアセンブリ２００を収容する。各固体スイッチアセンブリ２００は、回路遮断器１０の極に対応し得る。したがって、フレーム２８０は、３極回路遮断器での使用に好適である。しかしながら、フレーム２８０は、開示された概念の範囲から逸脱することなく、異なる数の区画２８２を有するように修正され得ることが理解されよう。

固体スイッチアセンブリ２００は、モジュール式設計を有する。固体スイッチアセンブリ２００の構成要素は、固体スイッチアセンブリ２００の用途に応じて、他の同様の成形構成要素に置き換えることができる。例えば、固体スイッチモジュール２０２は、異なる電圧及び電流要件を有する用途のために、別の固体スイッチモジュール２０２と置き換えることができる。固体スイッチアセンブリ２００の残りの構成要素は、変更されないままでよく、したがって、固体スイッチアセンブリ２００全体を再設計する必要なしに、固体スイッチアセンブリ２００をより広範囲に適用することを可能にする。同様に、電流センサ２０６は、異なる電流要件を有する用途において別の電流センサ２０６と置き換えられてもよい。同様に、固体スイッチアセンブリ２００の他の構成要素も置き換えられ得る。

図１２は、本開示の概念の例示的な実施形態による回路遮断器を動作させる方法のフローチャートである。この方法は、例えば、本明細書に記載される回路遮断器１０で実行することができる。回路遮断器１０などの固体回路遮断器は、機械回路遮断器と比較して、健全性及び残存寿命に関する新しい懸念をもたらす。例えば、固体スイッチの健全性を監視することは、機械的スイッチの健全性を監視することとは異なる。しかしながら、どちらの場合も、いつスイッチが寿命の終わりに到達し、障害のリスクがあるかを監視することが重要である。

図１２の方法は、７００で、固体スイッチアセンブリ２００の特性を監視することから開始される。いくつかの例示的な実施形態では、固体スイッチモジュール２０２が監視される。いくつかの例示的な実施形態では、ＭＯＶ２６２が監視される。両方を監視することができると理解されよう。監視される特性は、固体スイッチの接合温度、順電圧降下（ＩＧＢＴ固体スイッチの場合）、ボディダイオード順電圧降下（ＭＯＳＦＥＴ固体スイッチの場合）、ゲート閾値電圧（ＭＯＳＦＥＴ固体スイッチの場合）、又はゲート漏れ電流（ＭＯＳＦＥＴ固体スイッチの場合）であってもよい。監視される特性はまた、ＭＯＶ２６２の両端間の電圧であってもよい。

７０２で、監視された特性が閾値レベルを超えるかどうかが判定される。閾値レベルは、監視された特性及び監視されているデバイスに基づいて選択することができる。ＭＯＶ２６２の両端間電圧の場合、閾値は、時間変化範囲であってもよい。例えば、ＭＯＶ２６２の両端間の電圧は、固体スイッチが開放された後、一定期間監視することができる。閾値範囲は、期間にわたって変化し、ＭＯＶ２６２の両端間電圧が特定の時点で閾値範囲外にあるかどうかを判定する。特性が閾値レベルを超えない場合、方法は７００に戻る。しかしながら、特性が閾値レベルを超える場合、本方法は７０４に進む。

７０４で、指示が提供される。指示は、回路遮断器１０上のディスプレイ、又は例えば、ＬＥＤインジケータ、有線若しくは無線通信などの任意の他の適切な種類の表示を介して行われてもよい。指示は、ユーザ又は技術者に、構成要素を整備する又は交換する必要があることを通知する。監視された特性が閾値レベルを超えると判定したことに応答して、構成要素を整備若しくは交換する、又は回路遮断器１０を制御して開放に切り替える追加の方法工程を採用することができると理解されよう。

接合温度は、固体スイッチの健全性の指標である。一例として、いくつかの固体スイッチは、１５０℃の閾値接合温度未満に保たれるべきである。接合温度がこの閾値に到達すると、固体スイッチは損傷し、故障する可能性がある。したがって、固体スイッチの接合温度は、監視するのに有用な特性である。

順電圧降下又はボディダイオード順電圧降下はまた、固体スイッチの健全性の指標である。定格電流で動作するときに順電圧降下又はボディダイオード順電圧降下が閾値に到達すると、固体スイッチは損傷し、故障する可能性がある。順電圧降下又はボディダイオード順電圧降下は、高電流、不良な熱伝導、又は不適切な熱管理などのいくつかの要因によって引き起こされる可能性がある。したがって、順電圧降下及びボディダイオード順電圧降下は、監視するのに有用な特性である。

ゲート閾値電圧又はゲート漏れ電流もまた、監視するのに有用な固体スイッチの特性である。閾値レベルを超えるゲート閾値電圧又はゲート漏れ電流は、固体スイッチを損傷する、又は固体スイッチの故障を引き起こす可能性がある。ゲート漏れ電流は、固体スイッチの劣化により敏感であり、固体スイッチが閉鎖されて電流を流している間に監視することが可能であり、これにより、ゲート閾値電圧よりも監視がより実用的である。しかしながら、ゲート閾値電圧及びゲート漏れ電流の両方は、固体スイッチの健全性を決定するために監視するのに有用な特性である。

ＭＯＶ２６２が劣化し始めると、ＭＯＶ２６２の両端間の電圧が増減する。ＭＯＶ２６２は、固体スイッチが開放された後の一定期間、電圧をクランプし、したがって、この期間は、ＭＯＶ２６２の両端間電圧を監視するのに関連する期間である。例示的な閾値範囲は、ＭＯＶ２６２の正常クランプ電圧の±１０％であってもよい。例えば、正常クランプ電圧から１０％を超えてドリフトするＭＯＶ２６２の両端間電圧は、ＭＯＶ２６２が劣化しているという指標であり、整備又は交換されるべきである。したがって、ＭＯＶ２６２の両端間電圧は、監視するのに有用なもう１つの特性である。

監視する特性のいくつかの実施例を説明してきたが、開示された概念の範囲から逸脱することなく他の特性が監視され得ることが理解されよう。指示を提供することに加えて、又は指示を提供することの代わりに、特性が閾値を超えたことに応答して、追加の行動が実行され得ることも理解されよう。

本開示の概念の特定の実施形態について詳細に説明してきたが、当業者であれば、それらの詳細に対する様々な修正及び代替が、本開示の全体的な教示に照らして開発され得ることを理解するであろう。したがって、開示された特定の配置は、単に例示的なものであり、添付の特許請求の範囲の全容及びそれらの任意の及び全ての等価物を与えられる本開示の概念の範囲に関して限定されるものではないことを意味する。

Claims (15)

1. 回路遮断器で使用するための固体スイッチアセンブリであって、
   入力端子と、
   第１の導体と、
   出力端子と、
   第２の導体と、
   前記第１の導体を用いて前記入力端子に電気的に接続され、前記第２の導体を用いて前記出力端子に電気的に接続され、少なくとも１つの固体スイッチを含む、固体スイッチモジュールと、
   前記固体スイッチモジュールに取り付けられたヒートシンクと、
   前記固体スイッチモジュールを通って流れる電流を検知するように構成された電流センサと、
   いくつかの金属酸化物バリスタ（ＭＯＶ）と、
   を備える、固体スイッチアセンブリ。
2. 前記ヒートシンクが、
   第１の平面部材と、
   前記第１の平面部材の第１の側から延在する第２の平面部材と、
   前記第１の平面部材の第２の側から延在する複数の突起と、
   を備える、請求項１に記載の固体スイッチアセンブリ。
3. 前記固体スイッチモジュールが、前記ヒートシンクの前記第２の平面部材に取り付けられている、請求項２に記載の固体スイッチアセンブリ。
4. いくつかの締結具を更に備え、
   前記固体スイッチアセンブリが、前記いくつかの締結具を用いて前記ヒートシンクの前記第２の平面部材に取り付けられている、請求項３に記載の固体スイッチアセンブリ。
5. 前記固体スイッチモジュールの第１の側が、前記ヒートシンクの前記第２の平面部材に取り付けられ、前記固体スイッチモジュールの第２の側が、前記いくつかのＭＯＶに取り付けられている、請求項３に記載の固体スイッチアセンブリ。
6. 前記電流センサが、前記第２の導体の周りに配置されている、請求項１に記載の固体スイッチアセンブリ。
7. 前記電流センサが、ホール効果センサである、請求項１に記載の固体スイッチアセンブリ。
8. 前記少なくとも１つの固体スイッチが、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）又は絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）である、請求項１に記載の固体スイッチアセンブリ。
9. 前記少なくとも１つの固体スイッチが、炭化ケイ素ＭＯＳＦＥＴである、請求項８に記載の固体スイッチアセンブリ。
10. 前記出力端子が、前記固体スイッチモジュールの左側又は右側に近接して配置され、前記入力端子が、前記固体スイッチモジュールの上側に近接して配置されている、請求項１に記載の固体スイッチアセンブリ。
11. 回路遮断器であって、
    いくつかの区画を含むフレームと、
    請求項１～１０のいずれか一項に記載のいくつかの固体スイッチアセンブリと、
    を備え、前記固体スイッチアセンブリのそれぞれが、前記いくつかの区画のうちの対応する１つに配設されている、固体スイッチアセンブリ。
12. 前記いくつかの区画のそれぞれが、前記回路遮断器の極に対応している、請求項１１に記載の回路遮断器。
13. 前記いくつかの区画のそれぞれが、前記いくつかの固体スイッチアセンブリのうちの１つを受け入れるように構成された細長の矩形開口部を形成している、請求項１１に記載の回路遮断器。
14. 固体スイッチを含む固体スイッチモジュールを有する回路遮断器を動作させる方法であって、
    前記固体スイッチの特性を監視することと、
    前記固体スイッチの前記特性が所定閾値を満たす又は超えると判定することと、
    前記固体スイッチの前記特性が前記所定閾値を満たす又は超えると判定したことに応答して、指示を提供することと、
    を含む、方法。
15. 前記固体スイッチの前記特性が、接合温度、順電圧降下、ボディダイオード順電圧降下、ゲート閾値電圧、又はゲート漏れ電流である、請求項１４に記載の方法。
    

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