JP4338118B2

JP4338118B2 - 並列アーク故障から電気的負荷を保護する方法及び装置

Info

Publication number: JP4338118B2
Application number: JP2002284796A
Authority: JP
Inventors: ポールバーガー; リチャードジャーンロナルド; エドワードバーコペックウイリアム; クルスチックスロボダン; チャールズツーチャージョセフ; ケネスヘイスティングスジェローム
Original assignee: Eaton Corp
Current assignee: Eaton Corp
Priority date: 2001-09-28
Filing date: 2002-09-30
Publication date: 2009-10-07
Anticipated expiration: 2022-09-30
Also published as: TW575987B; CA2405135A1; EP1298770A2; CA2405135C; CN100341219C; US6590757B2; EP1298770B1; EP1298770A3; US20030063420A1; JP2003189459A; BR0204291A; CN1417913A; MXPA02009607A

Description

【０００１】
【発明の背景】
本発明は、機器を電気的故障及び短絡回路による損傷から保護する装置に関し、さらに詳細には、電気的機器の性能を電子的にモニターして、並列アーク故障が発生すると保護措置を施す保護装置に関する。
【０００２】
電気的故障が発生すると、電気的機器を損傷から保護することが肝要である。例えば、従来のヒューズ及び電気機械式回路遮断器は、短絡回路が発生すると、過大な電流を検知して機器を電源から切り離すために常用されている。しかしながら、これらの従来型保護装置は、保護される機器に対する電流の切り離し動作が比較的遅い。その結果、故障時に損傷を与えるに十分な過大な電流がその機器に流れ込むことになる。
【０００３】
さらに、種々の電気的機器の保護装置には、それぞれ異なる応答特性が必要である。例えば、電気的機器には、最初の動作開始時から通常の動作停止までほぼ一定レベルの電流を受けるため、たとえ短期間であっても過大な電流に対する耐性が非常に低いものがある。かかる機器の保護装置は、たとえ過電流が比較的小さなものであってもそれに対して迅速に応答しなければならない。他のタイプの電気的機器には、例えば、動作開始時のようなある特定の状況で、残りの動作時の電流レベルに比べると大きな瞬時レベルの電流を受けるものがある。従って、保護装置は、高電流への応答が速すぎると、通常動作時に機器への電流を不用意に遮断してしまうことがある。そのため、このタイプの機器の保護装置は、高電流でも短期間であれば許容するような応答特性を備える必要がある。保護装置が過電流に応答する態様を、トリップ応答特性またはトリップ曲線と呼ぶが、これを保護される特定タイプの電気的機器にマッチさせる必要がある。
【０００４】
これは通常、保護装置の製造者が電流レベル及び持続時間の点で多種類のトリップ応答特性を備えた多種多様な保護装置を設計し、製造し且つ在庫しなければならないことを意味する。
【０００５】
並列アークが発生する場合、これらのアークは、電流サージが継続する落雷による故障または短絡回路とは異なり、断続的であることが多いため、並列アークを検知することは困難である。
【０００６】
従って、並列アーク故障を識別できる保護装置を提供することが望ましい。また、種々の応答特性を有するように容易にカストム化できる並列アーク故障保護装置を提供することが望ましい。
【０００７】
【発明の概要】
本発明によると、並列アーク故障から電気的負荷を保護する装置であって、制御入力を有し、電気的負荷を電流源に接続する半導体スイッチと、半導体スイッチに結合され、電気的負荷へ流れる電流の大きさを示すセンサー信号を発生する電流センサーと、電流センサー及び半導体スイッチに接続され、センサー信号に応答して制御入力に印加される制御信号を発生する制御回路とより成り、制御回路は、電流の大きさが第１のしきい値より小さい時に、半導体スイッチを継続的に導通状態に維持する第１の動作モードと、電流の大きさが第１のしきい値より大きいが第２のしきい値よりは小さい時に、半導体スイッチを所定の期間経過後に遮断状態にする第２の動作モードと、電流の大きさが第２のしきい値よりも大きい時に、半導体スイッチを導通状態と遮断状態との間で交番させて電流パルスを発生させ、電気的負荷を流れる電流を第２のしきい値より小さい値に制限する第３の動作モードとを有し、制御回路は、並列アーク故障が発生しているか否かを判定するために前記電流パルスの数を所定の期間に亘ってカウントし、カウントした電流パルスの数が所定の範囲内にあれば、並列アーク故障の発生を宣言して、半導体スイッチを遮断状態にする電気的負荷の保護装置が提供される。
さらに、本発明によると、並列アーク故障から電気的負荷を保護する方法であって、半導体スイッチを導通状態にして電流源からの電流を電気的負荷に印加し、電流の大きさを感知し、電流の大きさを第１のしきい値と比較し、電流の大きさを第１のしきい値より大きい第２のしきい値と比較し、電流の大きさが所定の期間第１のしきい値を超えると、それを感知して停止信号を発生し、停止信号に応答して半導体スイッチを遮断状態にすることにより、電気的負荷への電流の印加を停止し、電流の大きさが第２のしきい値を超えると、半導体スイッチを導通状態と遮断状態との間で交番して電流パルスを発生させることにより、電気的負荷へ印加される平均電流を第２のしきい値より小さい値に制限し、並列アーク故障が発生しているか否かを判定するために前記電流パルスの数を所定の期間に亘ってカウントし、カウントした電流パルスの数が所定の範囲内にあれば、並列アーク故障の存在を宣言して半導体スイッチを遮断状態にすることにより、電気的負荷への電流の印加を停止するステップより成ることを特徴とする電気的負荷の保護方法をも提供される。
【０００９】
【実施例の詳細な説明】
最初に図１を参照して、ソリッドステート回路保護装置１０は、容量と抵抗が並列に接続された回路で示す電気的負荷１４へ印加される直流電流を制御する。ソリッドステート回路保護装置１０は、電気的負荷１４を給電する電源に接続される正の電圧端子１２を有する。電流は、正の電圧端子からバックアップヒューズ１６、半導体スイッチ１８及びインダクタ２０を介して負荷端子２２へ流れる。この負荷は、負荷端子２２と、アースとして示す電源の負の端子との間に接続されている。
【００１０】
バックアップヒューズ１６は、所与の時間過大な電流が流れると加熱されて最終的に溶断する導体を備えた従来型装置である。バックアップヒューズ１６として、ガラス管に収めたヒューズまたはプリント回路板上の適当なトレースのような標準型の装置を用いることができる。バックアップヒューズ１６は、半導体スイッチ１８が導通した状態で故障するかまたは半導体スイッチを制御する電子回路が故障した場合の冗長保護を与えるものである。バックアップヒューズのトリップ応答時間は、電子回路を保護するトリップ応答特性よりもかなり遅いことがわかるであろう。
【００１１】
半導体スイッチ１８は、制御される特定の電気的負荷１４により決まる特定の動作電圧範囲において負荷電流を遮断し、過渡電流、過電流または突入電流に対処できなければならない。EI Segundo, California 90245, U.S.A.のInternational Rectifier社のモデルＩＲＦ１４０４のようなｎチャンネル電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）は、半導体スイッチ１８として使用することができる。導通状態のチャンネル抵抗は、ＦＥＴの電圧降下及び熱放散を最小限に抑えるためには比較的低い値でなければならない。好ましい実施例では、半導体スイッチ１８を正の電圧端子１２と電気的負荷１４との間に接続するが、別例として、このスイッチを電気的負荷のアース側に接続してもよい。しかしながら、この別のアプローチには、電気的負荷からアースに至る所の故障に対する保護がないという問題点がある。
【００１２】
電圧センサー２８は、負荷端子の電圧レベルを示すアナログ信号を発生する。このアナログ信号は、マイクロコントローラ２６のアナログ入力に印加される。マイクロコントローラ２６は、センサー２８からの、電気的負荷１４にかかる電圧が低すぎるという指示に応答して、半導体スイッチ１８を遮断状態にする。
【００１３】
電流センサー２４は、正の電圧端子１２と電気的負荷１４との間を流れる電流レベルを検知するために設けられている。このセンサーは、保護装置が所望のトリップ応答特性を有するように、電圧の極限値をカバーするに十分に大きなダイナミックレンジを有し、また所望のトリップ応答特性を実現するために十分迅速な過渡応答を備えなければならない。電流センサー２４は、直流電流の大きさを示す出力電圧を発生するホール効果センサーでよく、その出力電圧はライン３１を介してマイクロコントローラ２６のアナログ入力へ直接印加することができる。並列抵抗のような他の種類の従来型電流センサーを用いて、マイクロコントローラ２６へ電流の大きさを伝えることも可能である。
【００１４】
マイクロコントローラ２６は、マイクロプロセッサーを用いており、電流及び電圧センサーからの信号用の多重化入力を備えたアナログ−デジタルコンバータを内蔵する。マイクロコントローラのデジタル入出力回路は、ソリッドステート回路保護装置１０の他のコンポーネントの信号を取り扱う。例えば、ユーザー制御パネル２５は、キーパッド２７と、ＬＥＤのような発光素子２９とを有する。キーパッド２７は、入力信号をマイクロコントローラ２６へ供給して、ソリッドステート回路保護装置１０を手動でオン及びオフにするだけでなく、トリップ状態をリセットできるようにする、別個の瞬時接触スイッチを有する。発光素子２９は、マイクロコントローラからの信号により作動されて、回路保護装置の動作状態を示す。それらの発光素子２９のうちの１つは、回路保護装置１０がいつトリップされたかを示す。マイクロコントローラ２６はまた、保護機能を規定するソフトウェアプログラム、及びそのソフトウェアプログラムが使用するトリップ応答特性のようなデータを記憶する不揮発性メモリーを内蔵する。マイクロコントローラ２６及び制御パネル２５は、オプションとして、想像線で示すような第２の極１１により指示される回路保護装置のさらに別の極を制御することができる。
【００１５】
マイクロコントローラ２６は、半導体スイッチ１８の好ましい実施例においてＦＥＴ１９の制御に好適な駆動電圧を発生するトリップ回路３６を介して半導体スイッチ１８を作動する。ｎチャンネルＦＥＴ１９のゲートを駆動する電圧はＦＥＴのソース電極の電圧よりもほぼ１０ボルト高くなければならないため、トリップ回路３６は、正の入力端子１２の電圧よりも高い電圧を発生するための電荷ポンプまたは同様な回路を備えている。
【００１６】
図２は、電流センサー２４からのライン３１上の出力信号Ｉ_SENSEが第１の電圧コンパレータ４０に印加されるトリップ回路３６を詳細に示す。感知された電流レベルＩ_SENSEは、マイクロコントローラ２６のアナログ出力ライン３７上に発生される第２のしきい値Ｉ_TH2と比較される。第２のしきい値Ｉ_TH2である一定値は、特定の電気的負荷１４の過電流許容量に応じてマイクロコントローラ２６にプログラムされている。第１のコンパレータ４０の出力に現れる比較結果は、フリップフロップ４２のリセット入力へ印加される。リセット入力は、プルアップ抵抗４４により正の電源Ｖ+にも接続されている。
【００１７】
フリップフロップ４２のセット入力は、インバータとして機能するために両方の入力を２つの入力を一緒に接続したナンドゲート４６に接続されている。第１のナンドゲート４６の入力は、マイクロコントローラ２６からのデジタル出力ライン３３に接続されているが、この出力ラインは１５ｋＨｚを超える、特に２０−８０ｋＨｚの、好ましくは５０ｋＨｚの一定周波数でパルス信号を運ぶ。パルス信号は、一定のデューティーサイクルを有し、一定幅のパルス列である。以下に説明するように、このパルス列はフリップフロップ４２の出力を周期的にセットするが、この出力は、３つの入力を有する第２のナンドゲート４８の１つの入力に接続されている。第２のナンドゲート４８のもう１つの入力は、マイクロコントローラ２６からの別のデジタル出力ライン３４上のオン信号を受ける。このオン信号が作動状態か非作動状態かは、制御パネル２５のキーパッド２７上のスイッチの手動による操作により決まる。
【００１８】
第２のナンドゲート４８の第３の入力は、第２の電圧コンパレータ５０及び第２のフリップフロップ５１により形成される瞬時トリップ機構から出力信号を受ける。詳述すると、第２のコンパレータ５０は、電流センサーの出力信号Ｉ_SENSEを第３のしきい値Ｉ_TH3と比較する。第３のしきい値Ｉ_TH3は、マイクロコントローラ２６により別のアナログ出力ライン３８上に発生されるが、このしきい値は、ソリッドステート回路保護装置１０にプログラムされた固定値により決まる。第３の電流しきい値Ｉ_TH3は、第２の電流しきい値Ｉ_TH2よりも高い。これら２つの電流しきい値の間の正確な関係は、ソリッドステート電流保護装置の動作についての以下の説明から明らかになるであろう。第２の電流しきい値Ｉ_TH2及び第３の電流しきい値Ｉ_TH3は、プログラム可能ではなくて、それぞれのコンパレータ４０及び５０の入力にある従来型電圧分割器によりセットされる。第２のコンパレータ５０の出力は、出力が第２のナンドゲート４８の別の入力に接続された第２のフリップフロップ５１によりラッチされる。第２のフリップフロップ５１のセット入力は、マイクロコントローラ２６からのリセット出力ライン３５に接続されている。
【００１９】
以上述べたトリップ回路３６のコンポーネントは、第２のナンドゲート４８へ入力信号を供給する。そのゲートの出力は、インバータ接続の第３のナンドゲート５２を介して供給される。第３のナンドゲート５２からの信号は、抵抗５６により、標準の光アイソレータのような隔離回路５４に結合される。隔離回路５４はライン５８上に出力を発生させ、この出力は従来のＦＥＴゲート駆動回路６０の入力に印加される。電荷ポンプ６２は、ＦＥＴゲート駆動回路６０がライン３９を介してＦＥＴ１９のゲートをバイアスするために用いる電圧レベルを提供する。
【００２０】
図１に示すソリッドステート回路保護装置１０の動作は、オペレーターがキーパッド２７上の適当なスイッチを押すことにより開始される。マイクロコントローラ２６は、スイッチの作動に応答して、高論理レベル、または作動状態のオン信号をライン３４を介して第２のナンドゲート４８へ印加する。この時点で、マイクロコントローラ２６も、第１のナンドゲート４６に接続されたデジタル出力ライン３３上におけるパルス列の発生を開始する。そのパルス列が高論理レベルになると、第１のフリップフロップ４２の出力が高論理レベルとなり、別の高論理レベルが第２のナンドゲート４８の別の入力へ印加される。
【００２１】
電気的負荷１４の通常動作時、電流センサー２４からの出力信号は第３のしきい値Ｉ_TH3よりも小さい。その結果、第２の電圧コンパレータ５０は、第２のナンドゲート４８の第３の入力に高論理レベルの信号を発生する。このため、第２のナンドゲート４８は低論理レベルの出力信号を発生する。この出力信号は、第３のナンドゲート５２により反転されてアイソレータ５４を導通させ、ＦＥＴゲート駆動回路６０を作動する。これにより、ゲート駆動回路６０はＦＥＴ１９のゲートを導通状態にバイアスし、正の電圧端子１２からの電流をインダクタ２０を介して電気的負荷１４に印加させる。
【００２２】
半導体スイッチ１８を流れる電流レベルは、急速に上昇し、すぐに第２のしきい値Ｉ_TH2を超える。その時、第２のコンパレータ４０の出力は低論理レベルとなって、フリップフロップ４２をリセットし、第２のナンドゲート４８の出力状態を変化させる。このため、ＦＥＴゲート駆動回路６０は半導体スイッチ１８を遮断状態にする。インダクタ２０に蓄えられたエネルギーは減衰する電流を発生させ、この電流は電気的負荷１４及びフライバッグダイオード２１を流れる。
【００２３】
第１のナンドゲート４６へのライン３３上に次の正のパルスが発生すると、フリップフロップ４２はセットされて、別の高論理レベルを発生させ、再びＦＥＴゲート駆動回路及び半導体スイッチ１８をオンにする。半導体スイッチのこのオンとオフのサイクルは、電気的負荷１４の容量が適当に充電されるまで、ライン３３上の信号のレートで電流を継続してチョッピングする。容量が適当に充電されると、電気的負荷の電流は、第２のしきい値Ｉ_TH2よりも低いレベルでほぼ一定になる。かくして、動作開始時における負荷電流は、第２のしきい値Ｉ_TH2よりも低い値に制限されるが、負荷の動作を初期状態にするために電流が依然として印加される。半導体スイッチ１８を流れる電流の変動がこのしきい値以下になると、フリップフロップ４２はもはやリセットされず、ＦＥＴゲート駆動回路６０は半導体スイッチ１８を導通状態に維持する。この導通状態は、電気的負荷１４が通常に機能する限り継続する。
【００２４】
動作開始時に負荷に故障が存在する場合、負荷電流は第２のしきい値Ｉ_TH2より低い値に低下しない。この場合、電流のチョッピングは無限に続く。これを防ぐために、負荷に印加される電流パルスをカウントし、通常は、典型的な負荷の容量を充電するに十分な所与の数のパルスが発生するとこのチョッピングを停止して、電流チョッピングの持続時間を制限する。マイクロコントローラ２６は、高電流状態と零電流状態との交番を示す電流センサー２４からの入力ライン３１をモニターして、高電流パルスの数をカウントする。
【００２５】
このカウントを基準の数と比較し、電流パルスが基準の数だけ発生すると、チョッピングモードを停止させる。その時点で、マイクロコントローラ２６は、ライン３４により低論理レベルの信号をトリップ回路３６へ送り、これにより、人が制御パネル２５上のリセットスイッチを押してマイクロコントローラ２６をリセットするまで半導体スイッチ１８が遮断状態になるようにする。
【００２６】
並列アーク故障は、短絡回路または落雷による故障よりも検知が困難である。並列アーク故障は、一例として、ワイヤーの絶縁被覆の摩耗により生じることがあり、断続的なショートが発生する。回路保護装置のマイクロコントローラ２６は、電気的負荷１４へ印加されるパルスを測定して、並列アーク故障を検知する。マイクロコントローラ２６は、電流センサー２４からの入力ライン３１をモニターするか、またはＦＥＴゲート駆動回路６０へ送られるパルスをモニターすることにより、パルスを測定する。
【００２７】
並列アーク故障の発生を宣言するために、多数のアルゴリズムを用いることができる。例えば、無限の時間内における多数のパルスの発生、所定の期間内における多数のパルスの発生、パルスの数が所定の範囲内にある並列アーク故障が宣言された多数の時間の存在、またはこれらの任意の組み合わせがある。パルスについて「測定」するとは、積分、カウントまたは他の任意の算術的操作を意味するものと理解されたい。ＦＥＴゲート駆動回路６０へ送られるパルスは、Ｉ_SENSEがＩ_TH1より大きい時間の割合を表わすものと理解されたい。測定したパルスが所定の基準を満たすと、並列アーク故障の発生が宣言され、半導体スイッチ１８が遮断される。
【００２８】
別例として、電圧センサー２８により、電流チョッピングモードの動作が長すぎないように保護することができる。電気的負荷１４が過大な電流を受ける短絡回路状態の間、電気的負荷にかかる電圧は通常動作時よりも有意に低い。電気的負荷１４にかかる電圧は、電圧センサー２８が検知して、アナログの電圧レベル信号をマイクロコントローラ２６へ印加する。感知した電気的負荷の電圧が電流チョッピングモードの所定時間インターバルより長い間所与のしきい値より低い値を継続すると、マイクロコントローラ２６は、オン／オフライン３４に低論理レベル（非作動状態）のオン信号を印加して、トリップ回路３６をオフにする。
【００２９】
通常の動作開始後の過電流時のソリッドステート保護装置１０の動作は、図３に示すような例示的なトリップ応答特性を参照すれば最もよく理解できるであろう。第１のしきい値Ｉ_TH1より小さい負荷電流は、電気的負荷１４により無期限に許容できるため、半導体スイッチ１８は遮断しない。第１のしきい値Ｉ_TH1は、保護される電気的負荷１４の電流定格の１００％と１２５％の間に設定される。レベルＩ_TH1とＩ₂との間の負荷電流は、電流の大きさに反比例する時間の間、電気的負荷により許容される。換言すれば、第１のしきい値Ｉ_TH1より少しばかり高い値の電流は、レベルＩ₂に近い過電流よりも長い時間許容される。これにより、応答曲線の直線部分７０のトリップ応答特性が生まれる。トリップ応答特性のこの部分は、マイクロコントローラ２６にプログラムされ、線形方程式またはデータ表の何れかがメモリーに記憶される。そのデータ表は、一方の値が電流の大きさであり、もう一方の値がソリッドステート回路保護装置１０がトリップせずにその大きさの電流を許容できる時間インターバルを示す複数対の値を有する。
【００３０】
レベルＩ₂と第３のしきい値Ｉ_TH3との間の電流は、Ｔ₁で示す期間電気的負荷により許容できる。Ｉ_TH3より高いレベルの電流は、たとえそれが瞬時的なものであっても、電気的負荷１４は許容できず、電流保護装置が直ちにトリップする。第２のしきい値Ｉ_TH2と第３のしきい値Ｉ_TH3との間の斜線領域内の負荷電流は、電気的負荷１４は許容するが、ＦＥＴ１９を損傷する可能性があることに注意されたい。従って、動作がこの領域内であると判定すると、ソリッドステート回路保護装置１０の動作は電流チョッピングモードになる。このモードでは、半導体スイッチは、第２のしきい値Ｉ_TH2よりも小さい平均電流を発生するレートでオンとオフの間を交番するパルスを発生する。従って、電気的負荷は給電状態を継続し、負荷の容量は引き続き充電状態にあるが、負荷に印加される電流は第２のしきい値Ｉ_TH2に制限される。
【００３１】
感知電流Ｉ_SENSEが第１のしきい値Ｉ_TH1と第２のしきい値Ｉ_TH2との間にある場合、その電流値は２つのコンパレータしきい値Ｉ_TH2及びＩ_TH3より小さいため、トリップ回路３６は最初に、半導体スイッチ１８を導電状態に維持する。しかしながら、マイクロコントローラ２６は電流センサー２４からライン３１により出力信号Ｉ_SENSEを受け、プログラムされたトリップ応答特性部分７０により半導体スイッチ１８をオフにすべきか否か判定する。詳述すると、マイクロコントローラ２６は、トリップ応答特性により規定された時間の間過電流状態が生じているか否かを判定する。その状況が存在すると、マイクロコントローラ２６は、デジタルライン３４に低論理レベル（非作動状態）のオン信号を印加して、トリップ回路３６をオフにする。この一定の低論理レベル信号は、第２のナンドゲート４８からの出力レベルをトグルし、ＦＥＴゲート駆動回路６０、従って半導体スイッチ１８をオフにする。マイクロコントローラ２６は、制御パネル２５上の発光素子２９を点灯して、トリップ状態にあることを示す。オフ信号は、制御パネル２５上の手動リセットスイッチを押すまで、マイクロコントローラ２６によりトリップ回路３６へ継続して印加される。
【００３２】
感知した負荷電流Ｉ_SENSEが電流しきい値Ｉ_TH2とＩ_TH3との間にある場合、マイクロコントローラ２６は、トリップ回路３６をオフにすべきか否かを判定するためにトリップ応答特性データを利用しない。その代わり、ソリッドステート保護回路１０は、電流チョッピングモードへ移行して、ＦＥＴ１９をライン３３上のパルス信号のレートでオンとオフの間を交番させる。
【００３３】
特に図２を参照して、電流センサー２４がライン３７上の第２のしきい値ＩTH2よりも大きい出力信号ＩSENSEをライン３１上に発生すると、第１のコンパレータ４０の出力が低論理レベルとなる。この低論理レベルの出力はフリップフロップ４２をリセットして、第２のナンドゲート４８の入力に低論理レベルの信号を印加する。このため、第２のナンドゲート４８の出力に高論理レベルの信号が発生する。この信号は、第３のナンドゲート５２により反転され、低論理レベルの信号が光アイソレータ５４へ印加される。かくして、ＦＥＴゲート駆動回路６０は非作動状態となり、半導体スイッチ１８が遮断される。その時、インダクタ２０からの電流が電気的負荷１４及びフライバックダイオード２１を流れる。
【００３４】
半導体スイッチ１８は、デジタルライン３３によりトリップ回路３６に印加されるマイクロコントローラ２６からのパルス列の次の高論理レベルのパルスまでオフに維持される。そのパルスは、第１のナンドゲート４６により反転されると、フリップフロップ４２をセットして、第２のナンドゲート４８に印加される高論理レベルの信号が発生させる。この高論理レベルの信号は、ＦＥＴゲート駆動回路６０を作動し、半導体スイッチ１８を再び導通させる。
【００３５】
ＦＥＴ１９が再びオンになると、インダクタ６０は、電流上昇レートを制限するため、電流レベルが直ちに第２のしきい値Ｉ_TH2を超えることはない。従って、電気的負荷１４に小さい電流が印加され、その容量を充電する。しかしながら、半導体スイッチ１８を流れる電流は最終的には第２の電流しきい値Ｉ_TH2を超える値にまで上昇し、第１のコンパレータ４０がこれを検知する。その結果、第１のコンパレータ４０は出力状態を変化させ、フリップフロップ４２をリセットして、第２のナンドゲート４８に信号を印加し、最終的にＦＥＴゲート駆動回路６０が半導体スイッチ１８を遮断する。半導体スイッチ１８のオフとオンの間のこのサイクルは継続し、平均負荷電流が第１のしきい値Ｉ_TH1よりも小さいものとなる。
【００３６】
半導体スイッチ１８は直線的電流制限の場合ほど大きな熱応力に曝されないが、ＦＥＴ１９または電気的負荷は、電流チョッピングモードの継続時間が長すぎると損傷することがある。ソリッドステート回路保護装置１０の動作開始に関連して述べたように、電流チョッピングの持続時間は、マイクロコントローラ２６により、電気的負荷に印加される電流パルスの数をカウントさせ、そのカウントが所定の数に到達するとライン３４により低論理レベルのオフ信号をトリップ回路３６に送信させることにより制限することができる。あるいは、電圧センサー２８により短絡回路を検知し、マイクロコントローラ２６に通報してトリップ回路３６をオフにしてもよい。
【００３７】
並列アーク故障検知の論理は、図４に示すような、マイクロコントローラ２６が検知する例示的なパルス信号を参照すると最も良く理解できるであろう。図示の一連のパルス７４は、電気的負荷１４に印加される多数の電流パルスを示す。並列アーク故障は、マイクロコントローラ２６が多数のパルス７４を検知すると宣言される。加えて、マイクロコントローラ２６は、ある時間に亘ってパルス７４の数をカウントすることができる。あるいは、並列アーク故障を宣言する範囲を、マイクロコントローラ２６にプログラムするか、またはハードウェア論理回路に符号化してもよい。
【００３８】
好ましい実施例において、第１のパルス７４はマイクロコントローラを初期状態にする。このパルス列は５０ｋＨｚの周波数を有し、１ミリ秒につき最大５０個のパルスを発生する。パルス列の周波数範囲は用途に特有なものであり、本発明を限定しないことに注意されたい。各パルス７４は、カウンターを増分する割込みを発生させる。カウンターは、１００ミリ秒毎に一度減分して、ニューサンストリップを減少させる。このカウントは１ミリ秒毎に分析される。マイクロコントローラ２６は、１ミリ秒のウインドウ内で３６個またはそれ以上のパルスをカウントすると、落雷故障の発生を宣言するようにセットされている。マイクロコントローラ２６が１ミリ秒のウインドウ内で１個と３６個の間のパルスをカウントする場合、並列アーク故障を宣言し、ライン３４により低論理レベルのオフ信号をトリップ回路３６に送る。
【００３９】
マイクロコントローラ２６は、一連のウインドウを評価する。前の多数のウインドウから得られた評価結果は、マイクロコントローラ２６のメモリーに維持する。例えば、１ミリ秒の前のウインドウ６個のうち４個が並列アーク故障を宣言すると、マイクロコントローラ２６は、並列アーク故障を宣言して、半導体スイッチ１８を遮断する。マイクロコントローラ２６のメモリーは、６ミリ秒の間パルスが検出されない場合はリセットされる。当業者は、上述の時間値及びパルス数は例示的なものであり、本発明を限定するものではないことがわかるであろう。
【００４０】
電流チョッピングは、負荷電流が第３のしきい値Ｉ_TH3を決して超えないようにする。しかしながら、不具合が生じた場合、第２のコンパレータ５０は第３のしきい値Ｉ_TH3よりも高い負荷電流を検出して、半導体スイッチ１８を継続して遮断状態にする出力を発生する。詳述すると、第２のコンパレータ５０の出力は低論理レベルとなり、これが第２のフリップフロップ５１をリセットして、低論理レベルの信号を第２のナンドゲート４８に印加する。その結果、ＦＥＴがオフになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明によるソリッドステート回路保護装置のブロック図である。
【図２】図２は、保護装置の瞬時トリップ回路の詳細を示す。
【図３】図３は、ソリッドステート回路保護装置の例示的なトリップ応答特性を示すグラフである。
【図４】図４は、本発明に従って時間ウインドウ内で測定される制御回路により発生される例示的なパルスを示す。

Claims

並列アーク故障から電気的負荷を保護する装置であって、
制御入力を有し、電気的負荷を電流源に接続する半導体スイッチと、
半導体スイッチに結合され、電気的負荷へ流れる電流の大きさを示すセンサー信号を発生する電流センサーと、
電流センサー及び半導体スイッチに接続され、センサー信号に応答して制御入力に印加される制御信号を発生する制御回路とより成り、
制御回路は、電流の大きさが第１のしきい値より小さい時に、半導体スイッチを継続的に導通状態に維持する第１の動作モードと、電流の大きさが第１のしきい値より大きいが第２のしきい値よりは小さい時に、半導体スイッチを所定の期間経過後に遮断状態にする第２の動作モードと、電流の大きさが第２のしきい値よりも大きい時に、半導体スイッチを導通状態と遮断状態との間で交番させて電流パルスを発生させ、電気的負荷を流れる電流を第２のしきい値より小さい値に制限する第３の動作モードとを有し、
制御回路は、並列アーク故障が発生しているか否かを判定するために前記電流パルスの数を所定の期間に亘ってカウントし、カウントした電流パルスの数が所定の範囲内にあれば、並列アーク故障の発生を宣言して、半導体スイッチを遮断状態にする電気的負荷の保護装置。
電流パルスの数が連続する所定の期間に亘ってカウントされる請求項１の装置。
所定の期間は約１ミリ秒である請求項１の装置。
電流パルスは６個の連続する所定の期間に亘ってカウントされる請求項２の装置。
カウントされる電流パルスの数の範囲は１乃至３６個のパルスである請求項３の装置。
パルス周波数は約１５ｋＨｚと約７５ｋＨｚの間にある請求項１の装置。
パルス周波数は約５０ｋＨｚである請求項６の装置。
並列アーク故障から電気的負荷を保護する方法であって、
半導体スイッチを導通状態にして電流源からの電流を電気的負荷に印加し、
電流の大きさを感知し、
電流の大きさを第１のしきい値と比較し、
電流の大きさを第１のしきい値より大きい第２のしきい値と比較し、
電流の大きさが所定の期間第１のしきい値を超えると、それを感知して停止信号を発生し、停止信号に応答して半導体スイッチを遮断状態にすることにより、電気的負荷への電流の印加を停止し、
電流の大きさが第２のしきい値を超えると、半導体スイッチを導通状態と遮断状態との間で交番して電流パルスを発生させることにより、電気的負荷へ印加される平均電流を第２のしきい値より小さい値に制限し、
並列アーク故障が発生しているか否かを判定するために前記電流パルスの数を所定の期間に亘ってカウントし、カウントした電流パルスの数が所定の範囲内にあれば、並列アーク故障の存在を宣言して半導体スイッチを遮断状態にすることにより、電気的負荷への電流の印加を停止するステップより成ることを特徴とする電気的負荷の保護方法。
電流パルスの数を連続する所定の期間に亘ってカウントする請求項８の方法。
所定の期間は約１ミリ秒である請求項８の方法。
電流パルスは６個の連続する所定の期間に亘ってカウントされる請求項９の方法。
カウントされる電流パルスの数の範囲は１乃至３６個のパルスである請求項８の方法。