JP5120982B2 - Ｍｅｍｓマイクロスイッチアレイベースの限流回路安全装置 - Google Patents

Description

本発明は、概して、電流路内の電流をオフに切り替える切替素子に関し、特に、微小電子機械システムベースの切替素子に関する。

電気機器及び配線の火災や損傷を防ぐには、電気機器及び配線の電流が定格電流を超えないようにする必要がある。過電流状態は、損傷が発生するまでの時間によって、限時過電流と瞬時過電流との２つに分けられる。

限時過電流故障の種類は、それほど多くはないが、故障の程度に応じて、所定の期間後に回路の動作を停止する保護装置を必要とする。限時過電流故障時の電流値は、通常、定格値を僅かに上回るものから最大で定格値の８〜１０倍である。ある程度の期間であれば、システムの配線及び装置を用いてこれらの故障に対応することができるが、電流値が下がらない場合には、保護装置を用いて回路を停止する。限時故障の原因は、概して、機器が機械的に過負荷状態にあること、或いは、配線間、配線から接地、又は配線から中性点のような極性が逆である配線間の経路インピーダンスが高いことにある。

限時過電流故障もそうであるが、瞬時過電流は、深刻な故障であり、このときの電流値は定格の８〜１０倍以上である。この故障の原因は、配線間、配線から接地、又は配線から中性点のような極性が逆である配線間の経路インピーダンスが低いことにあり、直ちにシステムを故障から切り離す必要がある。短絡回路故障の際は電流が極端に大きくなり、機器が著しく損傷し、人間に危険が及ぶ可能性がある。機器の短絡回路故障が長引くほど、発散するエネルギが大きくなり、損傷が多くなる。短絡回路故障時の反応時間を最小限にすることで、発散エネルギを最小限に抑えることは、非常に重要である。

回路遮断器は、回路故障による損傷から電気機器を保護するために設計された電気デバイスである。従来、最も標準的な回路遮断器には、大型の電気機械式スイッチが備え付けられている。残念ながら、標準的な回路遮断器は大型になってしまい、切替機構を作動するためには大きな力が必要となる。また、この回路遮断器スイッチの動作速度は、比較的遅いことが多い。更に、この回路遮断器の組み立て作業はかなり複雑なので、製造費用がかさむという欠点がある。しかも、標準的な回路遮断器の切替機構においては、接点が物理的に切り離されている場合、通常、接点間にアークが生じ、回路内の電流が停止するまで接点間に電流が流れ続ける。アークによるエネルギは、基本的に、機器と人間の両方にとって望ましくない。

接触器は、命令に基づいて電気負荷のオンとオフを切り替える電気デバイスである。慣例的に、制御装置には電気機械式接触器が採用されおり、この電気機械式接触器は、自身の遮断容量までの電流の切替処理を行うことができる。電気機械式接触器は、電流切替を行う電力系統に適用される。ただし、電力系統内の故障電流は、概して、電気機械式接触器の遮断容量よりも大きい。従って、電力系統に電気機械式接触器を用いる場合、接触器の遮断容量を上回るあらゆる電流値に対しても高速で反応して、接触器が開く前に故障電流を遮断する一連の装置で接触器をバックアップすることによって、接触器の損傷を防ぐことが望ましい。

現在、電気システムでは、過電流保護のために、ヒューズ又は回路遮断器を使用している。ヒューズは、加熱効果（すなわち、Ｉ^２ｔ）に反応して作動する。これらは回路設計の難点であり、負荷に近い方の一連のヒューズそれぞれについて、定格電流をできるだけ小さくする必要がある。この設計では、回路が短絡状態になると、上流のヒューズの加熱エネルギは全て同じになり、故障に最も近い位置において定格電流が一番小さいヒューズが最初に作動することになる。しかし、ヒューズは一回使い切りの装置なので、故障が発生した後は交換する必要がある。

電力システムにおいて接触器の利便性を高めるために考えられてきた解決策として、真空接触器、真空遮断器、及び空気遮断接触器がある。しかし、真空接触器のような接触器では、接触器先端が密閉真空容器に封入されているので、目視検査が容易ではなかった。また、真空接触器は、大型のモータ、変圧器、及びコンデンサの切り替えには非常に適しているものの、周知のように、特に負荷の遮断時に有害な過渡過電圧故障が生じてしまう。

電気機械接触器には、通常、機械式スイッチを使用する。しかし、機械式スイッチによる切替は比較的低速である場合が多いので、切り替えが必要な事象が生じる数十ミリ秒前に、ゼロ交差を予測する予測技術が必要になる。しかし、この時に、過渡電圧が生じることが多く、ゼロ交差予測に誤差が生じ易い。

高速で切り替えを行うために、反応速度が遅い機械式スイッチや電気機械式スイッチの代わりに、高速で反応する固体スイッチが用いられてきた。周知のように、固体スイッチにより、電導状態と非電導状態とを切り替え、電圧又はバイアスを制御する。例えば、固体スイッチに逆バイアスをかけることにより、スイッチを非電導状態にする。しかし、固体スイッチでは、非電導状態に切り替わった時に、接点間に物理的な間隙が形成されないので、漏れ電流が生じる。また、内部抵抗により、固体スイッチが電導状態で作動すると、電圧降下が生じる。正常動作環境において、電圧降下も漏れ電流も、過熱状態の一因となるので、切替動作や寿命に悪影響を及ぼす。しかも、少なくとも固体スイッチ特有の漏れ電流が一因となって、固体スイッチを回路遮断器に用いることは不可能である。

独国特許出願公開19927762Ａ1号

本発明の一実施形態において、微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）マイクロスイッチアレイベースの限流回路安全装置を開示する。この装置は、過電流保護構成要素を備える。過電流保護構成要素は、切替回路を含む。切替回路は、複数の微小電子機械システム切替素子を含む。この装置は、更に、回路遮断構成要素も含み、この回路遮断装置は、過電流保護構成要素に連動して動作する。

本発明の別の実施形態において、ＭＥＭＳマイクロスイッチアレイベースの限流回路安全装置の動作方法を開示する。この方法は、複数の微小電子機械システム切替素子を含む過電流保護構成要素と、回路遮断器構成要素とを物理的に対応付け、回路遮断器構成要素のトリップ前に、前記微小電子機械システムスイッチを開くように構成することを含む。この方法は、更に、複数の微小電子機械切替システム素子に流れる負荷電流値を監視し、検知された負荷電流値が、所定の負荷電流値と異なるか否かを判定することを含む。この方法は、また、検知された負荷電流値が所定の負荷電流値と異なる場合、複数の微小電子機械切替システム素子から負荷電流を分路させることを含む。

添付図面に対応する以下の詳細な説明において、本発明による、以上に記載の並びにその他の特徴、態様、及び利点が記載されている。なお、全図面を通じて同様の構成要素には同様の参照符号が付与されている。

本発明の一実施形態に係る、例示的なＭＥＭＳベースの切替システムのブロック図である。 図１に記載した例示的なＭＥＭＳベースの切替システムを示す模式図である。 図１に記載したシステムの代替例である、本発明の一実施形態に係る例示的なＭＥＭＳベースの切替システムのブロック図である。 図３に記載した例示的なＭＥＭＳベースの切替システムを示す模式図である。 本発明の実施形態に係る例示的なＭＥＭＳベースの過電流保護構成要素のブロック図である。 本発明の実施形態に係る、回路遮断器を含む例示的なＭＥＭＳ利用可能回路安全装置のブロック図である。 本発明の実施形態に係る、切替構成要素を含む例示的なＭＥＭＳ利用可能回路安全装置のブロック図である。

下記の詳細な説明に記載した具体的な内容は、本発明の各種の実施形態の理解を助けるためのものである。本発明の実施形態は、これらの具体的内容を必ずしも用いなくても実施可能であること、本発明の実施形態は本明細書に記載したものに限定されないこと、並びに、本発明を、各種の代替実施形態において実施可能であることは、当業者に明らかであろう。その他の例において、周知の方法、手順、及び構成要素についての詳しい説明は割愛する。

また、各種の動作は、本発明の実施形態の理解を助けるように、独立した複数のステップとして説明されている。しかし、記載した順序は、前述の動作で提示した順序が必須であったり、動作が順序に依存するものであったりすることを示唆するものではない。また、繰り返し利用される「実施形態において」という表現により、同一の実施形態を表し得るが、必ずしも同一の実施形態を表すものではない。最後に、本願で用いられる「含む」、「包含する」、及び「有する」などの用語は、特に明記されない限り、同義において用いられている。

図１に、本発明の態様に係る、例示的なアークレスＭＥＭＳをベースとする切替システム１０のブロック図を示す。現在のところ、ＭＥＭＳは、概して、機能の異なる多数の素子を組み込むことができるミクロン規模の構造を意味するものである。このような素子は、特に限定するものではないが、機械的素子、電気機械的素子、センサ、アクチュエータ、及び電子回路を、微細加工技術によって、共通の基板に含む。ただし、ＭＥＭＳデバイスに現在利用できる多くの技法及び構造は、わずか数年後には、ナノテクノロジに基づいたデバイス、すなわち１００ナノメートル未満のサイズになり得る構造で利用できると考えられる。従って、この文書の中に記載した実施形態の例は、ＭＥＭＳをベースとした切替素子であるが、本発明の進歩的な態様は、幅広く解釈されるべきであり、また、ミクロンサイズの素子に限定されるものではないことが提示される。

図１に示すように、アークレスのＭＥＭＳベースの切替システム１０は、ＭＥＭＳベースの切替回路１２及びアーク抑制回路１４を含むものとして図示されている。このアーク抑制回路１４（これに代えてハイブリッドアークレス制限技術（ＨＡＬＴ：Ｈｙｂｒｉｄ Ａｒｃｌｅｓｓ Ｌｉｍｉｔｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）とも呼ばれる）は、ＭＥＭＳベースの切替回路１２に動作結合される。本発明の実施形態において、ＭＥＭＳベースの切替回路１２は、例えば、単一のパッケージ１６内で、その全体がアーク抑制回路１４と一体に形成されてもよい。さらなる例示的実施形態において、ＭＥＭＳベースの切替回路１２のうちの特定の部分又は特定の構成要素のみが、アーク抑制回路１４と組み合わせて組み込まれてもよい。

図２を参照しながら更に詳細に説明するように、現在考案されている構成において、ＭＥＭＳベースの切替回路１２は、一つ以上のＭＥＭＳスイッチを含むことができる。また、アーク抑制回路１４は、平衡ダイオードブリッジ及びパルス回路を含むことができる。更に、アーク抑制回路１４は、一つ以上のＭＥＭＳスイッチの接点間におけるアーク形成を円滑に抑制するように構成できる。また、アーク抑制回路１４は、交流（ＡＣ）又は直流（ＤＣ）に反応して、アーク形成を円滑に抑制するように構成できることを指摘しておく。

次に、図２を参照すると、図１に記載した例示的なアークレスＭＥＭＳベース切替システムの模式図１８が、実施形態に従って示されている。図１を参照して説明したように、ＭＥＭＳベースの切替回路１２は、一つ以上のＭＥＭＳスイッチを含むことができる。図示した例示的実施形態において、第１のＭＥＭＳスイッチ２０は、第１接点２２と、第２接点２４と、第３接点２６とを有するものとして示されている。一実施形態において、第１接点２２はドレインとして構成することができ、第２接点２４はソースとして構成することができ、第３接点２６はゲートとして構成することができる。また、図２に示すように、ＭＥＭＳスイッチ２０と並列に電圧スナバ回路３３を結合することができ、この電圧スナバ回路３３は、本明細書において後で更に詳しく説明するように、高速の接点分離中の電圧オーバーシュートが制限されるように構成することができる。更に他の実施形態において、スナバ回路３３は、スナバ抵抗（図４の参照番号７８を参照）に直列に結合されるスナバコンデンサ（図４の７６を参照）を含むことができる。このスナバコンデンサにより、ＭＥＭＳスイッチ２０の一連の開動作中の過渡電圧の分配を容易に改良することができる。また、スナバ抵抗は、ＭＥＭＳスイッチ２０の閉動作中にスナバコンデンサによって生成されるあらゆる電流パルスを抑制することができる。更に他の実施形態において、電圧スナバ回路３３は、金属酸化物バリスタ（ＭＯＶ）（図示せず）を含むことができる。

本技法の更に他の態様によれば、第１のＭＥＭＳスイッチ２０に直列に負荷回路４０を結合することができる。負荷回路４０は、電源Ｖ_ＢＵＳ４４を含むことができる。また、負荷回路４０は、負荷インダクタンスＬ_ＬＯＡＤ４６も含むことができ、この負荷インダクタンスＬ_ＬＯＡＤ４６は、負荷回路４０側で認識される、負荷インダクタンスとバスインダクタンスの複合インダクタンスを表している。負荷回路４０は、負荷回路４０側で認識される複合負荷抵抗を表す負荷抵抗Ｒ_ＬＯＡＤ４８も含むことができる。参照数字５０は、負荷回路４０及び第１のＭＥＭＳスイッチ２０に流れ得る負荷回路電流Ｉ_ＬＯＡＤを表す。

また、図１を参照して説明したように、アーク抑制回路１４は、平衡ダイオードブリッジを含むことができる。図示した実施形態において、平衡ダイオードブリッジ２８は、第１の岐路２９及び第２の岐路３１を有することが示されている。本明細書では、「平衡ダイオードブリッジ」という用語は、第１及び第２両方の岐路２９，３１の両端の電圧降下がほぼ等しくなるように構成されるダイオードブリッジを意味するものとして用いられる。平衡ダイオードブリッジ２８の第１の岐路２９は、第１のＤ１ダイオード３０及び第２のＤ２ダイオード３２を含むことができ、これらのダイオードは、互いに結合されて第１直列回路を形成する。同様に、平衡ダイオードブリッジ２８の第２の岐路３１は、第３のＤ３ダイオード３４及び第４のＤ４ダイオード３６を含むことができ、これらのダイオードは、互いに動作結合されて第２直列回路を形成する。

例示的実施形態において、第１のＭＥＭＳスイッチ２０は、平衡ダイオードブリッジ２８の中間点に並列接続することができる。平衡ダイオードブリッジの中間点には、第１のダイオード３０と第２のダイオード３２の間に位置する第１中間点、及び第３のダイオード３４と第４のダイオード３６の間に位置する第２中間点が含まれてよい。更に、第１のＭＥＭＳスイッチ２０及び平衡ダイオードブリッジ２８は、緊密にパッケージ化されてよく、これにより、平衡ダイオードブリッジ２８、特に、ＭＥＭＳスイッチ２０との接続部によって生じる寄生インダクタンスを容易に最小化できる。また、本技法の例示的態様によれば、第１のＭＥＭＳスイッチ２０及び平衡ダイオードブリッジ２８は、ＭＥＭＳスイッチ２０のターンオフ中にダイオードブリッジ２８への負荷電流の移行が進行しているときに、その第１のＭＥＭＳスイッチ２０と平衡ダイオードブリッジ２８の間の固有インダクタンスが、ＭＥＭＳスイッチ２０のドレイン２２とソース２４の両端の電圧の数パーセントに満たないｄｉ／ｄｔ電圧を発生させるように、互いに位置決めされていることに留意されたい。これについては後でより詳細に説明する。更に他の実施形態において、第１のＭＥＭＳスイッチ２０は、ＭＥＭＳスイッチ２０とダイオードブリッジ２８とを相互接続するインダクタンスを最小化することを目的として、単一のパッケージ３８内で平衡ダイオードブリッジ２８と一体化されても、又は任意構成として、同一のダイ内で一体化されてもよい。

また、アーク抑制回路１４は、平衡ダイオードブリッジ２８に連係して動作結合されるパルス回路５２を含むことができる。パルス回路５２は、スイッチ条件を検出し、そのスイッチ条件に応じて、ＭＥＭＳスイッチ２０の開動作を開始するように構成することができる。本明細書において、「スイッチ条件」という用語は、ＭＥＭＳスイッチ２０の現在の動作状態を変化させる引き金となる条件を意味する。例えば、スイッチ条件は、ＭＥＭＳスイッチ２０の第１閉状態から第２開状態への変化、又はＭＥＭＳスイッチ２０の第１開状態から第２閉状態への変化を引き起こすことができる。スイッチ条件は、特に限定するものではないが、回路の故障又はスイッチのオン／オフ要求を含む多数のアクションに応じて生起してよい。

パルス回路５２は、パルススイッチ５４、及びそのパルススイッチ５４に直列結合されるパルスコンデンサＣ_{ＰＵＬＳＥ}５６を含むことができる。また、パルス回路は、パルススイッチ５４に直列に結合されるパルスインダクタンスＬ_{ＰＵＬＳＥ}５８及び第１のダイオードＤ_Ｐ６０も含むことができる。パルスインダクタンスＬ_{ＰＵＬＳＥ}５８、ダイオードＤ_Ｐ６０、パルススイッチ５４、及びパルスコンデンサＣ_{ＰＵＬＳＥ}５６は、直列に結合されて、パルス回路５２の第１の岐路を形成することができ、この第１の岐路の構成要素は、パルス電流の整形及び時間的調節が円滑に行われるように構成することができる。また、参照番号６２は、パルス回路５２に流れ得るパルス回路電流Ｉ_{ＰＵＬＳＥ}を表している。

本発明の態様によれば、ＭＥＭＳスイッチ２０は、ほぼゼロに近い電圧であるにも関わらず電流を送りながら、第１閉状態から第２開状態に速やかに（例えば、ピコ秒又はナノ秒のオーダーで）切り替えることができる。このことは、負荷回路４０と、ＭＥＭＳスイッチ２０の接点の両端に並列に結合された平衡ダイオードブリッジ２８を含むパルス回路５２との複合動作によって達成できる。

次に、図３を参照しながら説明する。図３は、本発明の態様に係る例示的ソフト切替システム１１のブロック図である。図３に示すように、ソフト切替システム１１は、動作可能に互いに結合される切替回路１２、検出回路７０、及び制御回路７２を含む。検出回路７０は、切替回路１２に結合され、負荷回路内の交流電源電圧（以下、「電源電圧」と記す）、又は負荷回路内の交流電流（以下、「負荷回路電流」と記す）のゼロ交差の発生を検知するように構成できる。制御回路７２は、切替回路１２及び検出回路７０に結合することができ、更に、交流電源電圧又は交流負荷回路電流の検出されたゼロ交差に反応して、切替回路１２内の一つ以上のスイッチのアークレス切替を円滑に行うように構成することができる。一実施形態において、制御回路７２は、切替回路１２の少なくとも一部を構成する一つ以上のＭＥＭＳスイッチのアークレス切替を円滑に行うように構成されてよい。

本発明の一態様によれば、ソフトスイッチングシステム１１は、ソフトスイッチング又はポイントオンウェーブ（ＰｏＷ）スイッチングを実行するように構成でき、これにより、切替回路１２内の一つ以上のＭＥＭＳスイッチは、切替回路１２の両端の電圧がゼロ又はゼロ近くであるときに閉じる一方で、切替回路１２に流れる電流がゼロ又はゼロ近くであるときに開くことになる。切替回路１２の両端の電圧がゼロ又はゼロ近くになった時点でスイッチを閉じれば、一つ以上のＭＥＭＳスイッチが閉じるときのその接点間の電界を低く維持することによって、複数のスイッチすべてが同時には閉じない場合であっても、接触前のアーク放電を回避することができる。同様に、切替回路１２に流れる電流がゼロ又はゼロ近くになった時点でスイッチを開くことで、切替回路１２内の最後に開くスイッチに流れる電流がそのスイッチの設計性能内に入るように、ソフトスイッチングシステム１１を設計することができる。前述したように、制御回路７２は、切替回路１２の一つ以上のＭＥＭＳスイッチの開動作及び閉動作を、交流電源電圧又は交流負荷回路電流のゼロ交差の発生に同期させるように構成できる。

図４に移って説明する。図４は、図３のソフトスイッチングシステム１１の一実施形態を示す模式図１９である。図示した実施形態によれば、模式図１９には、切替回路１２、検出回路７０、及び制御回路７２の一例が含まれている。

説明のため、図４には切替回路１２内に単一のＭＥＭＳスイッチ２０のみを示したが、切替回路１２は、この構成に限らず、例えば、ソフトスイッチングシステム１１の電流及び電圧の処理要件に応じて、複数のＭＥＭＳスイッチを含むことができる。例示的実施形態において、切替回路１２は、ＭＥＭＳスイッチの間で電流が分割される並列構成で互いに結合される複数のＭＥＭＳスイッチを備えるスイッチモジュールを含むことができる。さらなる例示的実施形態において、切替回路１２は、ＭＥＭＳスイッチの間で電圧が分割される直列構成で結合されるＭＥＭＳスイッチアレイを含むことができる。更に他の例示的実施形態において、切替回路１２は、ＭＥＭＳスイッチモジュールの間で電圧が分割されると同時に、各モジュール内のＭＥＭＳスイッチの間で電流が分割される直列構成で互いに結合されるＭＥＭＳスイッチモジュールのアレイを含むことができる。更に、切替回路１２の一つ以上のＭＥＭＳスイッチは、単一のパッケージ７４内に統合することができる。

例示的ＭＥＭＳスイッチ２０は、３つの接点を含むことができる。例示的実施形態において、第１接点はドレイン２２として構成することができ、第２接点はソース２４として構成することができ、第３接点はゲート２６として構成することができる。一実施形態において、制御回路７２は、ＭＥＭＳスイッチ２０の電流状態の切り替えを容易にするために、ゲート接点２６に結合されてよい。また、追加の例示的実施形態において、ＭＥＭＳスイッチ２０と並列に減衰回路（スナバ回路）３３を結合して、ＭＥＭＳスイッチ２０の両端への電圧の出現を遅らせることができる。図示したように、減衰回路３３は、スナバ抵抗７８に直列に結合されるスナバコンデンサ７６を含むことができる。

図４に更に示すように、ＭＥＭＳスイッチ２０は、負荷回路４０に直列に結合されてもよい。現在考察している構成において、負荷回路４０は、電圧源Ｖ_{ＳＯＵＲＣＥ}４４を備えることができ、代表的な負荷インダクタンスＬ_ＬＯＡＤ４６及び負荷抵抗Ｒ_ＬＯＡＤ４８を含むことができる。一実施形態において、電圧源Ｖ_{ＳＯＵＲＣＥ}４４（ＡＣ電源とも呼ばれる）は、交流電源電圧及び交流負荷電流Ｉ_ＬＯＡＤ５０を生成するように構成することができる。

既に説明したように、検出回路７０は、負荷回路４０における交流電源電圧又は交流負荷電流Ｉ_ＬＯＡＤ５０のゼロ交差の発生を検出するように構成することができる。交流電源電圧は、電圧検知回路８０によって検知することができ、交流負荷電流Ｉ_ＬＯＡＤ５０は、電流検知回路８２によって検知することができる。交流電源電圧及び交流負荷電流は、例えば、連続的に、又は離散的な周期で検知されてよい。

電源電圧のゼロ交差は、例えば、図示したゼロ電圧比較器８４などの比較器を用いて検出することができる。電圧検知回路８０によって検知された電圧及びゼロ電圧基準８６は、ゼロ電圧比較器８４の入力として採用することができる。これにより、負荷回路４０の電源電圧のゼロ交差を表す出力信号８８を生成することができる。同様に、負荷電流Ｉ_ＬＯＡＤ５０のゼロ交差も、図示したゼロ電流比較器９２などの比較器を用いて検出することができる。電流検知回路８２によって検知された電流及びゼロ電流基準９０は、ゼロ電流比較器９２への入力として採用することができる。これにより、負荷電流Ｉ_ＬＯＡＤ５０のゼロ交差を表す出力信号９４を生成することができる。

この後、制御回路７２は、出力信号８８及び９４を利用して、ＭＥＭＳスイッチ２０（又はＭＥＭＳスイッチのアレイ）の現行の動作状態を変化（例えば、開状態から閉状態に変化）させる時点を決定することができる。具体的には、制御回路７２は、検出された交流負荷電流Ｉ_ＬＯＡＤ５０のゼロ交差に応答して、アークレス方式でＭＥＭＳスイッチ２０の開動作を円滑に行って、負荷回路４０を遮断又は開路するように構成できる。また、制御回路７２は、検出された交流電源電圧のゼロ交差に応答して、アークレス方式でＭＥＭＳスイッチ２０の閉動作を円滑に行って、負荷回路４０を完結させるように構成することができる。

制御回路７２は、ＭＥＭＳスイッチ２０の現在の動作状態を第２動作状態に切り替えるかどうかを、イネーブル信号９６の状態に少なくとも部分的に基づいて決定することができる。イネーブル信号９６は、例えば、接触器の用途における電源オフコマンドの結果として生成することができる。また、イネーブル信号９６、ならびに出力信号８８及び９４は、図示したように、デュアルＤフリップフロップ９８への入力信号として利用することができる。これらの信号を利用して、イネーブル信号９６がアクティブ化（例えば、立ち上がり端でトリガ）された後の最初の電源電圧の零点でＭＥＭＳスイッチ２０を閉じ、イネーブル信号９６が非アクティブ化（例えば、立ち下り端でトリガ）された後の最初の負荷電流の零点でＭＥＭＳスイッチ２０を開くことができる。図４に例示した模式図１９では、イネーブル信号９６がアクティブ（特定の実施内容に応じてＨＩＧＨ又はＬＯＷ）で、かつ出力信号８８又は９４のいずれかが、検知された電圧零点又は電流零点を示すときに毎回、トリガ信号１０２を生成することができる。また、トリガ信号１０２は、例えば、ＮＯＲゲート１００によって生成されてよい。この後、トリガ信号１０２は、ＭＥＭＳゲートドライバ１０４を通り、ゲート活性化信号１０６を生成できる。このゲート活性化信号１０６を利用して、ＭＥＭＳスイッチ２０のゲート２６（ＭＥＭＳアレイの場合は複数のゲート）に制御電圧を印加することができる。

既に説明したように、特定の用途に対応した所望の定格電流を達成するために、単一のＭＥＭＳスイッチの代わりに、複数のＭＥＭＳスイッチを並列に動作結合（例えば、スイッチモジュールを形成するように結合）することができる。ＭＥＭＳスイッチを組み合わせた能力は、負荷回路に現れ得る連続した過渡過負荷電流に十分に耐えるように設計することができる。例えば、実効値が１０アンペアのモータ接触器で、過渡過負荷が６倍であれば、６０アンペアの実効値に１０秒のあいだ耐える十分な数のスイッチを並列に結合しなければならない。ポイントオンウェーブスイッチングを利用して、電流零点に達してから５マイクロ秒以内でＭＥＭＳスイッチを切り替えると、接点の開路時に瞬間的に１６０ミリアンペアが流れることになる。従って、この用途では、各ＭＥＭＳスイッチは、１６０ミリアンペアの「ウォームスイッチング」が可能でなければならず、かつ、６０アンペアに耐えるように、十分な数のＭＥＭＳスイッチが並列に配置されなければならない。一方、単一のＭＥＭＳスイッチは、切替の瞬間に流れることになる量の電流を遮断できなければならない。

図５に、本発明の例示的実施形態において実施できるＭＥＭＳをベースとする過電流保護装置１１０のブロック図を示す。この装置１１０は、ユーザインターフェイス１１５においてユーザ制御入力を受け取る。ユーザインターフェイス１１５は、装置１１０と相互作用するためのユーザ制御及び入力インターフェイスである。ユーザインターフェイス１１５において、三相電力線の入力１１４は、端子ブロック１１６において受け取られる。ここで、電力線入力１１４は、端子ブロック１１６に供給された後、電源回路１３５及びスイッチモジュール１２０をそれぞれ通って送られる。

ユーザ入力は、トリップ調整電位差計からの入力という形式であっても、ヒューマンインターフェイス（例えば、押しボタンインターフェイス）、又はユーザインターフェイス１１５に配線される制御機器からの電気信号であってもよい。ユーザ入力に基づいて、ＭＥＭＳの切替制御が行われるとともに、トリップ−時間曲線についてのユーザ調整機能が実施される。電源回路１３５は、一時的抑制、電圧のスケーリング及び遮断、ならびにＥＭＩフィルタリングなどの基本的な機能を実行して追加の回路に電力を供給する。

過電流保護装置１１０は、論理回路１２５を更に含み、この論理回路１２５は、通常動作の制御及び故障条件の認識（例えば、限時過電流についてのトリップ−時間曲線の設定（１２６）、プログラム機能又は調整機能の実現、所定の論理の閉動作／再閉動作の制御（１２６，１２８）など）を行う役割を担う。電流／電圧検知構成要素１２７により、電圧及び電流の測定値が得られる。この測定値は、過電流保護動作に必要な論理を実施するために必要であり、また、コールドスイッチング動作に利用されるエネルギ分流回路の役割を維持するために必要とされる、前述の動作は、上記で説明した充電回路１３２及びパルス回路１３３と共にダイオードブリッジ１３４を利用して達成される。ＭＥＭＳ保護回路１３０の構成及び動作は前述したパルス回路５２と同様である。

最後に、切替回路１２０が実装される。この切替回路は、ＭＥＭＳデバイスアレイを有する切替モジュール１２２を含む。切替モジュール１２２の構成及び動作は、前述したＭＥＭＳスイッチ２０と同様である。切替回路１２０は、更に、三相負荷電流１４１を出力して各種の下流の装置に送る機能を担う。

本発明の例示的実施形態において、論理回路１２５の電力は、相間の差異から引き出され、サージ抑制構成要素１３６を介して供給される。主電源ステージ構成要素１３７は、制御論理１３８、過電流保護装置充電回路１３９、及びＭＥＭＳスイッチゲート電圧１４０に供給する電力を各種の電圧で分配する。電流及び電圧センサ１２７は、限時及び瞬時過電流論理１２８に出力を供給し、この過電流論理１２８が、更に、ＭＥＭＳスイッチゲート電圧１４０及びＭＥＭＳ保護回路１３０のトリガ回路１３１を制御する。

過電流保護構成要素１１０の電流／電圧センサ１２７は、システム内の電流値又は電圧値のいずれかを継続して監視する。実施時に、電流／電圧検出器は、電流値／電圧値が、所定の値から変化したかどうかを判定する役割を担う。観察された電流値／電圧値が所定の値から変化する事象が生じると、瞬時過電流論理１２８において、電流／電圧値にシステム判定差異が検出されたことを示す故障信号が生成される。この後、故障信号は、トリガ回路１３１に送られ、トリガ回路は、ＭＥＭＳ保護回路１３０において、ＭＥＭＳ保護パルス発生動作を開始する。パルス発生動作は、パルス回路１３３を起動することを含み、このパルス回路１３３の起動により、ＬＣパルス回路の閉路が行われる。ＬＣパルス回路１３３が閉じられると、充電回路１３２は、平衡ダイオードブリッジ１３４を介して放電される。ダイオードブリッジ１３４を通るパルス電流は、切替モジュール１２２のＭＥＭＳアレイスイッチ間を結果的に短絡させて、ダイオードブリッジ内及びＭＥＭＳアレイの周りに負荷電流を迂回させる（図２及び図５を参照）。保護パルス動作において、スイッチモジュール１２２のＭＥＭＳスイッチは、ゼロ電流、又はゼロに近い電流で開くことができる。

本発明の付加的な例示的実施形態において、ＭＥＭＳ保護アーク抑制回路の過電流保護機能は、既存の回路遮断装置（例えば、回路遮断器又はスイッチ）に直列に配置されるＭＥＭＳスイッチ及び追加の論理回路に組み合わせて利用される。図６及び図７にそれぞれ示すように、本発明の例示的実施形態において、ＭＥＭＳ過電流保護装置１１０は、例えば、操作ハンドルを備える操作機構を有する工業用回路遮断器、電流センサ一式、電子トリップユニット、操作機構に動作可能に連結される分離可能接点アーム一式、及び遮断チャンバなどの回路遮断器１５５、又は、例えば、接点を開閉する操作ハンドルを備える接点の直列の組み合わせなどの切替素子１６５のいずれかに直列に構成することができる。一般的な回路遮断器１５５及びスイッチ１６５は、この分野においてよく知られており、本明細書において更に説明する必要はない。従って、ＭＥＭＳスイッチの限流機能は、故障状態において回路遮断器を保護する機能、すなわち、電流遮断器が開いて結果的にアークを発生するまでの時間に、それよりも早くトリッピングを行う能力を有する。本発明のさらなる例示的実施形態において、切替素子は、複数の切替素子（例えば、単純な半導体スイッチ、単純な電気スイッチなど、又は本明細書に開示した目的に適する他の切替素子）を含むことができる。

このように直列接続することにより、回路遮断器の遮断定格を拡張する機能を有する装置又はデバイスが更に得られる。この装置又はデバイスを、既存の回路遮断器に対する追加のアドオンとして構成しても、独立したハウジング内に回路遮断器と共に組み込んでもよい。特に、この２つのコンセプトにより、分離接触器を実装する必要性がなくなり、過電流保護装置内のスイッチが不要になる。更に、この構成により、ユーザは、わずかな保守整備及び費用で電力系統の保護機能を拡張することができる。

以上、本発明の特徴を、その一部を取り上げて図示し、説明してきたが、これらを様々に修正したり改変したりすることが、当業者には想起可能であろう。従って、添付の特許請求の範囲には、かかる修正形態及び改変形態も、本発明の実施形態として元来含まれるものとする。

Claims (10)

1. 切替回路、スナバ回路およびＭＥＭＳ保護回路を備えた過電流保護構成要素と、
   前記過電流保護構成要素と協働する回路遮断要素と、
   を備えたＭＥＭＳマイクロスイッチアレイベースの限流回路安全装置であって、
   前記切替回路は複数のＭＥＭＳスイッチを備え、
   前記スナバ回路は前記ＭＥＭＳスイッチと並列に結合され、前記ＭＥＭＳスイッチの高速の接点分離中の電圧のオーバーシュートを制限するように構成され、
   前記ＭＥＭＳ保護回路は、前記複数のＭＥＭＳスイッチと連結し、１つ以上の前記ＭＥＭＳスイッチからの電流を迂回させるように構成され、
   前記過電流保護構成要素は、過電流状態に応答して前記回路遮断要素がトリッピングする前に、前記切替回路の前記ＭＥＭＳスイッチを開くように構成され、
   前記過電流保護構成要素は、前記過電流状態に応答して、前記電流が単一のゼロ交差事象に近い異なる時間において、複数の前記ＭＥＭＳスイッチを開くように構成され、それにより、前記回路遮断要素の遮断容量を超える電流の値で前記回路遮断要素が開くことを防いで、複数の前記ＭＥＭＳスイッチにより前記回路遮断要素をバックアップして前記回路遮断要素を損傷から保護し、それにより、前記回路遮断要素の遮断定格を拡張する、
   装置。
2. 過電流保護構成要素と切替要素とを備えたＭＥＭＳマイクロスイッチアレイベースの限流回路安全装置であって、
   前記過電流保護構成要素は、
   複数のＭＥＭＳスイッチを備えた切替回路と、
   負荷電圧値および負荷電流値のうちの少なくとも１つを監視するように構成され、前記負荷電圧値および負荷電流値のうちの少なくとも１つがそれぞれの所定の値から変化した場合には故障信号を生成するように構成された論理回路と、
   前記切替回路と連結し、前記故障信号に応答して、前記切替回路からの電流を迂回させるＭＥＭＳ保護回路と、
   を備え、
   前記ＭＥＭＳ保護回路は、
   パルス回路と、
   前記故障信号を受け取り、前記故障信号に応答してパルス回路を動作させるトリガ回路と、
   前記パルス回路と前記トリガ回路とに結合された平衡ダイオードブリッジと、
   を備え、
   前記切替要素は前記過電流保護構成要素と協働し、
   前記切替要素は手動又は自動で開かれ、
   前記過電流保護構成要素は、過電流状態に応答して前記切替要素が開く前に、前記切替回路の前記ＭＥＭＳスイッチを開くように構成され、複数の前記ＭＥＭＳスイッチにより前記切替要素をバックアップして前記切替要素を損傷から保護し、前記切替要素の遮断容量を超える電流の値で前記切替要素が開くことを防いで、それにより、前記切替要素の遮断定格を拡張し、
   前記過電流保護構成要素は、前記故障信号が生成した後にモニターされた負荷電圧値および負荷電流値のうちのひとつの単一のゼロ交差事象に近い異なる時間において、複数の前記ＭＥＭＳスイッチを開くように構成された、
   装置。
3. 前記過電流保護構成要素が、
   前記ＭＥＭＳ保護回路と結合され、負荷電圧値および負荷電流値のうちの少なくとも１つを監視するように構成された論理回路と、
   前記ＭＥＭＳ保護回路と前記論理回路とに結合された電源ステージ回路と、
   を備え、
   前記負荷電圧値または負荷電流値の所定の値からの変化に応答して、故障信号を生成して前記ＭＥＭＳ保護回路に送信する、
   請求項１に記載の装置。
4. 前記故障信号の応答して、前記ＭＥＭＳ保護回路が前記切替回路の１つ以上のＭＥＭＳスイッチからの負荷電流を迂回する、請求項３に記載の装置。
5. 前記負荷電流の迂回に応答して、前記１つ以上のＭＥＭＳスイッチを開く、請求項４に記載の装置。
6. 複数のＭＥＭＳスイッチを備える過電流保護構成要素を回路遮断要素と物理的に協働させるステップと、
   過電流状態に応答して前記回路遮断要素がトリッピングする前に、前記ＭＥＭＳスイッチを開くように構成するステップと、
   複数の前記ＭＥＭＳスイッチにより前記回路遮断要素をバックアップして前記回路遮断要素を損傷から保護し、前記回路遮断要素の遮断容量を超える電流の値で前記回路遮断要素が開くことを防いで、それにより、前記回路遮断要素の遮断定格を拡張し、
   前記複数のＭＥＭＳスイッチを流れる負荷電流値を監視するステップと、
   前記負荷電流値が、所定の負荷電流値から変化したか否かを判定するステップと、
   前記過電流状態によりモニターされた負荷電流値が所定の負荷電流値から変化する場合に、前記負荷電流の単一のゼロ交差事象に近い異なる時間において、複数の前記ＭＥＭＳスイッチの開くステップと、
   を含む、ＭＥＭＳマイクロスイッチアレイベースの限流回路安全装置の実装方法。
7. 前記過電流保護構成要素が、入力制御コマンドを受け取るように構成されている、請求項６に記載の方法。
8. 前記過電流保護構成要素が、負荷電圧を監視するように構成されている、請求項７に記載の方法。
9. 前記負荷電圧値の所定の値からの変化に応答して、前記過電流保護構成要素が１つ以上のＭＥＭＳスイッチからの負荷電流を迂回する、請求項８に記載の方法。
10. 前記負荷電流の迂回に応答して、前記１つ以上のＭＥＭＳスイッチを開く、請求項９に記載の方法。