JP5284352B2

JP5284352B2 - マイクロ電気機械システムを使用したスイッチング

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Publication number: JP5284352B2
Application number: JP2010512137A
Authority: JP
Inventors: キャッジャアーノ，ロバート・ジョセフ; プレマーラニ，ウィリアム・ジェームス; ヴァルデス，マルチェロ・エステバン; スブラマニアン，カナカサバパティ; クンファー，ブレント・チャールズ; ピッツェン，チャールズ・ステファン; パーク，ジョン・ノートン
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2007-06-12
Filing date: 2007-06-20
Publication date: 2013-09-11
Anticipated expiration: 2027-06-20
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Description

本発明の実施形態は、一般に、電流経路内の電流をスイッチオフするためのスイッチング装置に関し、より詳細には、マイクロ電気機械システムを使用したスイッチング装置に関する。

損傷を保護するため、電気機器及び配線を定格以上の電流レベルの結果として生ずる状態から保護することができる。損傷が生ずるまでにかかる時間によって過電流状態を分類することができ、２つのカテゴリー、すなわち時限過電流と瞬間過電流とに区分しても良い。

時限過電流状態、又は故障は比較的重大ではない種類のものであると見なされ、一般に、状態のレベルに応じた所定期間後に電流経路を無効にする配電保護装置が必要とされる。時限過電流故障は典型的には、電流定格以上の電流を含み、配電保護装置の電流定格の８〜１０倍、又はそれ以上に及ぶこともある。システムの配線及び装置は、典型的には一定期間はこれらの状態に対応できるが、配電保護装置は、電流レベルが適時に低減しなければ電流経路を無効にするように設計されている。典型的には、時限故障は、機械的に過負荷の装置、又は極性が反対のライン間（ライン／ライン間、ライン／アース間、又はライン／ニュートラル間）の高インピーダンスに起因して生ずることがある。

短絡故障とも呼ばれる瞬間過電流状態は重大な故障であり、典型的には配電保護装置の定格電流の１０倍以上の電流を含む。これらの故障は典型的には、極性が反対のライン間の低インピーダンス経路が原因である。短絡故障は極限電流を含み、装置や人に極度に損傷を及ぼすことがあり、従って、できるだけ迅速に除去する必要がある。短絡故障中の応動時間を、ひいては通過エネルギを最小限にすることが主要な関心事である。現在、２つの装置、すなわちヒューズと回路遮断器とが電気機器及び配線の過電流保護を行っている。

ヒューズは典型的には、回路遮断器よりも選択性が高く、短絡状態に応じた変動が少ないが、保護機能を実行した後は交換しなければならない。ヒューズには様々な形状やサイズのものがあるが、交換を容易にするためスナップイン、スナップアウトできるヒューズホルダ内に設計される。メーカーは、ヒューズの種類や定格に応じてヒューズ及びホルダの標準寸法を遵守し、完全互換性交換をし易くしている。

ヒューズは、規定の過電流で融解し、電流経路を開路する直列素子で設計される。従ってヒューズは単相装置の設計のものであり、その結果、各ヒューズが互いに別個に動作する多相システムで使用される場合は潜在的な問題点が生ずる。モータ負荷等の多くの用途では、１つの相の電力を損失すると、他の相の電力への需要が増大する。他の相への需要が増大すると損傷のリスクが高まる。例えば、モータ負荷は失われた位相で動作し続けることがあり、残りの位相に熱及び応力が加わる原因になる。

利便性のため、多くの用途でヒューズの代わりに回路遮断器が使用されてきた。回路遮断器は同様の保護を行い、動作又はトリップした後に交換せずにリセットできる半面、回路遮断器は典型的にはヒューズよりも比較的応動時間が長い複雑な機械的システムを含んでおり、短絡故障中に回路遮断器の上流と下流の間で選択性が低い。

電子トリップユニットを有する遮断器の電子的故障検知方法は、典型的にはある程度の計算時間を含んでおり、それによって判定時間が、ひいては故障に対する反応時間が長くなる。それに加え、トリップの決定がなされてしまうと、機械的システムは機械的慣性により比較的応動が遅い。従って、短絡に応動して、回路遮断器は、（通過エネルギとして知られる）比較的大量のエネルギの通過を許容することがある。

接触器は、指令により電気的負荷をオン／オフにスイッチするように設計された電気装置である。従来、電気機械式接触器は、電気機械式接触器がスイッチング電流を遮断容量まで処理することができるコントロールギヤで使用されている。電気機械式接触器は更に、スイッチング電流用の電力システムで使用しても良い。しかし、電力システムでの故障電流は、典型的には電気機械式接触器の遮断容量よりも大きい。従って、電力システムの用途で電気機械式接触器を使用するには、接触器の遮断容量以上のあらゆる電流値で接触器が開路する前に、故障電流を遮断するために十分迅速に作動する直列装置で接触器を補助することによってこれを保護することが望ましいことがある。

電力システムで接触器を使用し易くするために従来考えられてきた方法には、例えば真空接触器、真空遮断器及びエアブレーキ接触器が含まれる。残念ながら、真空接触器等の接触器は、接触器チップが密閉された真空の筐体に封入されているので、容易に視覚的検査ができない。更に、真空接触器は、大型モータ、変圧器及びコンデンサのスイッチング処理には良く適しているが、特に負荷がスイッチオフされていると不都合な過渡過電圧を生ずることが知られている。

更に、電気機械式接触器は、一般に機械スイッチを使用している。しかし、これらの機械スイッチは比較的低速度でスイッチングする傾向があるので、アーク放電を低減するためゼロ交差での開閉を促進するために、スイッチング事象の数十ミリ秒前であることが多いゼロ交差の出現を予測する技術が用いられている。このようなゼロ交差の予測は、この予測期間に多くの過渡電流が発生することがあるためエラーを生じやすい。

動作速度が遅い機械スイッチ及び電気機械スイッチの代替として、高速スイッチングの用途では高速ソリッドステートスイッチが使用されてきた。理解されるように、これらのソリッドステートスイッチは、電圧又はバイアスの制御された印加によって導電状態と非導電状態とを切り換える。例えば、ソリッドステートスイッチに逆バイアスを印加することによって、スイッチを非導電状態に移行させても良い。しかし、ソリッドステートスイッチは、非導電状態に切り換わった場合に接点間に物理的空隙を生じないので、漏れ電流に直面する。更に、ソリッドステートスイッチが導電状態で動作する場合は、内部抵抗によって電圧降下に直面する。電圧低下と漏れ電流の両方ともが通常の動作環境で過度の熱を発生する原因になり、それはスイッチの性能と寿命とに影響を及ぼすことがある。更に、ソリッドステートスイッチに伴う本来の漏れ電流に少なくとも部分的に起因して、これらを回路遮断器で使用することは実際的ではない。

従って、この分野では、これらの欠点を克服する電流スイッチング回路保護装置が必要とされている。

本発明の実施形態は、電流制御装置を含む。電流制御装置は、制御回路、及び制御回路と一体に配置された電流経路とを含む。電流経路は、導電インターフェースのセットと、導電インターフェースのセットの間に配置されたマイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチとを含む。導電インターフェースのセットは規定のヒューズ端子の形状を有し、電流経路の一端に配置された第１のインターフェースと、電流経路の反対端に配置された第２のインターフェースとを含む。ＭＥＭＳスイッチは制御回路に応動して、電流経路を通過する電流の遮断を促進する。

本発明の別の実施形態は、規定ヒューズ端子の形状を有する導電インターフェースのセットを有する電流経路を通過する電流の制御方法を含む。この方法は、電流経路と一体に配置された制御回路を介して電流を測定するステップと、導電インターフェースのセットの間に配置されたＭＥＭＳスイッチを介して、且つ制御回路に応動して電流の遮断を促進するステップとを含む。

本発明の上記及びその他の特徴、態様及び利点は、図面全体を通して同様の符号が同様の構成要素を表す添付図面を参照して、以下の詳細な説明を読むことによってより明解に理解されよう。

本発明の実施形態による例示的なＭＥＭＳを使用したスイッチングシステムのブロック図である。図１に示す例示的なＭＥＭＳを使用したスイッチングシステムの概略図である。本発明の実施形態による、且つ図１に示すシステムの代替形態である例示的なＭＥＭＳを使用したスイッチングシステムのブロック図である。図３に示す例示的なＭＥＭＳを使用したスイッチングシステムを示す概略図である。本発明の実施形態による電流制御装置の斜視図である。本発明の実施形態による電流制御装置を含む筐体の図である。本発明の実施形態による電流制御装置の図である。本発明の実施形態による電流制御方法の処理ステップのフローチャートである。

本発明の実施形態は、配電システム向けに適する電気保護装置を提供する。提案する装置は、既存のヒューズホルダ内での使用に合わせて改造できるように、又は既存のヒューズの用途に代用できるように実装されている。マイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチを使用することにより応動時間が迅速になり、それによって遮断された故障の通過エネルギの減少を促進する。ＭＥＭＳスイッチと並列に接続されたハイブリッドアークレス制限技術（ＨＡＬＴ）回路によって、電流又は電圧に関わりなくアーク放電を発生せずにＭＥＭＳスイッチを随時閉閉することが可能になる。

図１は、本発明の態様による例示的なアークレスマイクロ電気機械システムのスイッチ（ＭＥＭＳ）を使用したスイッチングシステム１０のブロック図を示す。現在、ＭＥＭＳとは、例えば機械素子、電気機械素子、センサ、アクチュエータ及び電子素子等の機能的に別個の複数の素子をマイクロ製造技術によって共通の基板上に集積可能なミクロンスケールの構造のことである。しかし、ＭＥＭＳデバイスに利用できる多くの技術や構造は僅か数年でナノ技術を使用したデバイスによって、例えばサイズが１００ナノメートル未満の構造によって利用できるようになるものと考えられる。従って、本明細書を通して記載される例示的実施形態は、ＭＥＭＳスイッチを使用したスイッチング装置を意味するが、本発明の発明的態様は広義に解されるべきであり、マイクロサイズのデバイスに限定されないものと考えられる。

図１に示すように、アークレスＭＥＭＳを使用したスイッチングシステム１０は、ＭＥＭＳを使用したスイッチング回路１２と、消弧回路１４とを含むものとして示されており、既にハイブリッドアークレス制限技術（ＨＡＬＴ）デバイスとして言及した消弧回路１４は、ＭＥＭＳを使用したスイッチング回路１２に動作可能に結合されている。或る実施形態では、ＭＥＭＳを使用したスイッチング回路１２の全体を、例えば単一のパッケージ１６内で消弧回路１４と統合しても良い。別の実施形態では、ＭＥＭＳを使用したスイッチング回路１２の或る部品又はコンポーネントだけを消弧回路１４と統合しても良い。

図２を参照してより詳細に記載するように、現在考えられている構成では、ＭＥＭＳを使用したスイッチング回路１２は、１つ又は複数のＭＥＭＳスイッチを含んでも良い。また、消弧回路１４は、平衡ダイオードブリッジとパルス回路とを含んでも良い。更に、ＭＥＭＳスイッチが閉状態から開状態に変化することに応動して、ＭＥＭＳスイッチから電気エネルギの伝達を受けることによって、１つ又は複数のＭＥＭＳスイッチの接点間でのアーク形成の抑止を促進するように消弧回路１４を構成しても良い。交流（ＡＣ）又は直流（ＤＣ）に応動してアーク形成の抑止を促進するように消弧回路１４を構成しても良いことに留意されたい。

次に図２を参照すると、図１の例示的なアークレスＭＥＭＳを使用したスイッチングシステムの概略図１８が示されている。図１を参照して述べたように、ＭＥＭＳを使用したスイッチング回路１２は、１つ又は複数のＭＥＭＳスイッチを含んでも良い。図示した実施形態では、第１のＭＥＭＳスイッチ２０は、第１の接点２２、第２の接点２４、及び第３の接点２６を有するものとして示されている。一実施形態では、第１の接点２２をドレンとして構成し、第２の接点２４をソースとして構成し、第３の接点２６をゲートとして構成しても良い。更に、図２に示すように、電圧スナバ回路３３をＭＥＭＳスイッチ２０と並列に結合し、以下により詳細に説明するように、迅速な接点分離中に電圧オーバーシュートを制限するように構成しても良い。或る実施形態では、スナバ回路３３は、スナバ抵抗（図４の７８を参照）と直列に結合されたスナバコンデンサ（図４の７６を参照）を含んでも良い。スナバコンデンサは、ＭＥＭＳスイッチ２０の開路手順中に過渡電圧の共用の向上を促進することができる。更に、スナバ抵抗は、ＭＥＭＳスイッチ２０の閉路手順中にスナバコンデンサによって発生するいずれかの電流パルスを抑止することができる。或る別の実施形態では、電圧スナバ回路３３は、金属酸化物バリスタ（ＭＯＶ）（図示せず）を含んでも良い。

本発明の更なる態様によれば、負荷回路４０を第１のＭＥＭＳスイッチ２０と直列に結合しても良い。負荷回路４０は、電圧源Ｖ_ＢＵＳ４４を含んでも良い。また、負荷回路４０は負荷インダクタンス４６Ｌ_ＬＯＡＤを含んでも良く、負荷インダクタンスＬ_ＬＯＡＤ４６は負荷回路４０から見た負荷インダクタンスとバスインダクタンスとの複合を表している。負荷回路４０は更に、負荷回路４０から見た複合負荷抵抗を表す負荷抵抗Ｒ_ＬＯＡＤ４８を含んでも良い。参照番号５０は、負荷回路４０と第１のＭＥＭＳスイッチ２０とを流れる負荷回路電流Ｉ_ＬＯＡＤを表している。

更に、図１を参照して述べたように、消弧回路１４は平衡ダイオードブリッジを含んでも良い。図示した実施形態では、平衡ダイオードブリッジ２８は、第１の分岐２９と第２の分岐３１とを有するものとして示されている。本明細書で用いる「平衡ダイオードブリッジ」と言う用語は、第１及び第２の分岐２９、３１の両端間での電圧降下が実質的に同一であるように構成されたダイオードブリッジを表す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の分岐２９は、互いに結合されて第１の直列回路を形成する第１のダイオードＤ１３０と第２のダイオードＤ２３２とを含んでも良い。同様に、平衡ダイオードブリッジ２８の第２の分岐３１は、互いに結合されて第２の直列回路を形成する第３のダイオードＤ３３４と第４のダイオードＤ４３６とを含んでも良い。

一実施形態では、第１のＭＥＭＳスイッチ２０を平衡ダイオードブリッジ２８の中間点をまたいで並列に接続しても良い。平衡ダイオードブリッジの中間点は、第１及び第２のダイオード３０、３２の間に位置する第１の中間点と、第３及び第４のダイオード３４、３６の間に位置する第２の中間点とを含んでも良い。更に、平衡ダイオードブリッジ２８、及び、特にＭＥＭＳスイッチ２０への接続に起因する寄生インダクタンスを最小限にすることを促進するため、第１のＭＥＭＳスイッチ２０と平衡ダイオードブリッジ２８とを密着して実装しても良い。本発明の技術の例示的態様によって、後に詳述するＭＥＭＳスイッチ２０のターンオフ中に負荷電流をダイオードブリッジ２８に搬送する際に、第１のＭＥＭＳスイッチ２０と平衡ダイオードブリッジ２８との間の固有インダクタンスが、ＭＥＭＳスイッチ２０のドレン２２とソース２４との両端間の電圧よりも数パーセント低いｄｉ／ｄｔの電圧を発生するような位置に、第１のＭＥＭＳスイッチ２０と平衡ダイオードブリッジ２８とが互いに配置されることに留意されたい。一実施形態では、相互接続するインダクタンスを最小限にする意図で、第１のＭＥＭＳスイッチ２０を単一のパッケージ３８内で平衡ダイオードブリッジ２８と統合しても良く、又は任意選択として、ＭＥＭＳスイッチ２０とダイオードブリッジ２８とを同じダイと統合しても良い。

また、消弧回路１４は、平衡ダイオードブリッジ２８と作動的に関連して結合されたパルス回路５２を含んでも良い。スイッチ状態を検知し、スイッチ状態に応じてＭＥＭＳスイッチ２０の開路動作を開始するようにパルス回路５２を構成しても良い。本明細書で用いる「スイッチ状態」という用語は、ＭＥＭＳスイッチ２０の現在の動作状態の変化を引き起こす状態のことである。例えば、スイッチ状態は、ＭＥＭＳスイッチ２０の第１の閉路状態から第２の開路状態への変化、又はＭＥＭＳスイッチ２０の第１の開路状態から第２の閉路状態への変化を生じ得る。スイッチ状態は、回路故障又はスイッチＯＮ／ＯＦＦ要求を含むがこれに限定されない幾つかの作用に応動して発生し得る。

パルス回路５２はパルススイッチ５４と、パルススイッチ５４に直列に結合されたパルスコンデンサＣ_{ＰＵＬＳＥ}５６とを含んでも良い。更に、パルス回路は、パルスインダクタンスＬ_{ＰＵＬＳＥ}５８と、パルススイッチ５４と直列に結合された第１のダイオードＤ_Ｐ６０とを含んでも良い。パルスインダクタンスＬ_{ＰＵＬＳＥ}５８、第１のダイオード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の分岐を形成しても良く、パルス電流の成形及びタイミングを促進するように、第１の分岐のコンポーネントを構成しても良い。更に、参照番号６２は、パルス回路５２を流れるパルス回路電流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、ゼロに近い電圧ではあるが電流を搬送している間に、第１の閉路状態から第２の開路状態へと高速度（例えばピコ秒又はナノ秒）で切り換わることができる。これは、負荷回路４０と、ＭＥＭＳスイッチ２０の接点の両端間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、本発明の態様による例示的なソフトスイッチングシステム１１のブロック図を示す図３を参照する。図３に示すように、ソフトスイッチングシステム１１は、互いに作動的に結合されたスイッチング回路１２と、検知回路７０と、制御回路７２とを含む。検知回路７０はスイッチング回路１２に結合され、負荷回路内の交流ソース電圧（以下「ソース電圧」と呼ぶ）又は負荷回路内の交流電流（以下「負荷回路電流」と呼ぶ）にゼロ交差の発生を検知するように構成しても良い。制御回路７２はスイッチング回路１２と検知回路７０とに結合し、交流ソース電圧又は交流負荷回路電流の検知されたゼロ交差に応動したスイッチング回路１２内の１つ又は複数のスイッチのアーク放電を生じないスイッチングを促進するように構成しても良い。一実施形態では、スイッチング回路１２の少なくとも一部を構成する１つ又は複数のＭＥＭＳスイッチのアーク放電を生じないスイッチングを促進するように、制御回路７２を構成しても良い。

本発明の一態様によれば、ソフトスイッチング、すなわちポイントオンウエーブ（ＰｏＷ）スイッチングを行うことによって、スイッチング回路１２の両端間の電圧がゼロ又はゼロに極めて近い場合にはスイッチング回路１２内の１つ又は複数のＭＥＭＳスイッチが閉じられ、スイッチング回路１２を通過する電流がゼロ又はゼロに近い場合には開かれるように、ソフトスイッチングシステム１１を構成しても良い。スイッチング回路１２の両端間の電圧がゼロ又はゼロに極めて近い時にスイッチを閉じることによって、複数のスイッチが全て同時に閉じなくても、スイッチが閉じている時に１つ又は複数のＭＥＭＳスイッチの接点間の電界を低く保つことによって、プリストライクアーク放電を回避することができる。同様に、スイッチング回路１２を流れる電流がゼロ又はゼロに極めて近い時にスイッチを開くことによって、スイッチング回路１１内の最後に開くスイッチ内の電流がスイッチの設計上の容量範囲内になるように、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。上記で示唆したように、且つ一実施形態によれば、交流ソース電圧又は交流負荷回路電流のゼロ交差の発生と共に、スイッチング回路１２の１つ又は複数のＭＥＭＳスイッチの開路と閉路とを同期化するように制御回路７２を構成しても良い。

次に図４を参照すると、図３のソフトスイッチングシステム１１の一実施形態の概略図１９が示されている。図示した実施形態によれば、概略図１９は、スイッチング回路１２、検知回路７０、及び制御回路７２の一実施例を含む。

説明目的のため、図４はスイッチング回路１２内の単一のＭＥＭＳスイッチ２０のみを示しているものの、スイッチング回路１２は、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求基準に応じて複数のＭＥＭＳスイッチを含んでも良い。一実施形態では、スイッチング回路１２は、ＭＥＭＳスイッチ間で電流を分割するために並列構成で互いに結合された複数のＭＥＭＳスイッチを含むスイッチモジュールを含んでも良い。別の実施形態では、スイッチング回路１２は、ＭＥＭＳスイッチ間で電圧を分割するために直列構成で結合されたＭＥＭＳスイッチのアレイを含んでも良い。更に別の実施形態では、スイッチング回路１２は、ＭＥＭＳスイッチモジュール間での電圧の分割と各モジュール内のＭＥＭＳスイッチ間での電流の分割とを同時に行うために直列構成で互いに結合されたＭＥＭＳスイッチモジュールのアレイを含んでも良い。一実施形態では、スイッチング回路１２の１つ又は複数のＭＥＭＳスイッチは、単一のパッケージ７４に統合しても良い。

例示的なＭＥＭＳスイッチ２０は３つの接点を含んでも良い。一実施形態では、第１の接点をドレン２２として構成し、第２の接点をソース２４として構成し、第３の接点をゲート２６として構成しても良い。一実施形態では、ＭＥＭＳスイッチ２０の電流状態のスイッチングを促進するために、制御回路７２をゲート接点２６に結合しても良い。更に、或る実施形態では、ＭＥＭＳスイッチ２０の両端間の電圧の出現を遅延させるため、ＭＥＭＳスイッチ２０と並列にダンピング回路（スナバ回路）３３を結合しても良い。図示のように、ダンピング回路３３は、例えばスナバ抵抗７８と直列に結合されたスナバコンデンサ７６を含んでも良い。

また、図４に更に示すように、ＭＥＭＳスイッチ２０を負荷回路４０と直列に結合しても良い。現在考えられる構成では、負荷回路４０は電圧源Ｖ_{ＳＯＵＲＣＥ}４４を含んで良く、代表的な負荷インダクタンスＬ_ＬＯＡＤ４６と負荷抵抗Ｒ_ＬＯＡＤ４８とを有しても良い。一実施形態では、交流ソース電圧と交流負荷電流Ｉ_ＬＯＡＤ５０とを発生するように電圧源Ｖ_{ＳＯＵＲＣＥ}４４（ＡＣ電圧源とも呼ばれる）を構成しても良い。

前述のように、負荷回路４０内の交流ソース電圧又は交流負荷電流Ｉ_ＬＯＡＤ５０のゼロ交差の発生を検知するように検知回路７０を構成しても良い。電圧検知回路８０を介して交流ソース電圧を検知しても良く、電流検知回路８２を介して交流負荷電流Ｉ_ＬＯＡＤ５０を検知しても良い。交流ソース電圧と交流負荷電流を連続的に検知しても良く、又は例えば離散的な周期で検知しても良い。

ソース電圧のゼロ交差は、例えば、図示したゼロ電圧比較器８４等の比較器を使用して検知されても良い。電圧検知回路８０で検知した電圧とゼロ電圧基準８６とをゼロ電圧比較器８４への入力として使用しても良い。一方、負荷回路４０のソース電圧のゼロ交差を表す出力信号８８を生成しても良い。同様に、負荷電流Ｉ_ＬＯＡＤ５０のゼロ交差を、図示したゼロ電流比較器９２等の比較器を使用することによって検知しても良い。電流検知回路８２で検知した電流及びゼロ電流基準９０をゼロ電流比較器９２への入力として使用しても良い。一方、負荷電流Ｉ_ＬＯＡＤ５０のゼロ交差を表す出力信号９４を生成しても良い。

一方、制御回路７２は、ＭＥＭＳスイッチ２０（又はＭＥＭＳスイッチのアレイ）の現在の動作状態をいつ変更（例えば開路又は閉路）するかを決定するために出力信号８８及び９４を利用しても良い。より詳細には、交流負荷電流Ｉ_ＬＯＡＤ５０の検知されたゼロ交差に応動して負荷回路４０を遮断すなわち開路するために、アーク放電がないＭＥＭＳスイッチ２０の開路を促進するように制御回路７２を構成しても良い。また、交流ソース電圧の検知されたゼロ交差に応動して負荷回路４０を完成するために、アーク放電がないＭＥＭＳスイッチ２０の閉路を促進するように制御回路７２を構成しても良い。

一実施形態では、制御回路７２は、少なくとも部分的にイネーブル信号９６の状態に基づいてＭＥＭＳスイッチ２０の現在の動作状態を第２の動作状態に切り換えるか否かを判定しても良い。イネーブル信号９６は、例えば接触器の用途での電源オフ指令により発生することがある。一実施形態では、イネーブル信号９６と出力信号８８及び９４を、図示したデュアルＤタイプフリップフロップ９８への入力信号として使用しても良い。これらの信号を使用して、イネーブル信号９６がアクティブになった（例えば立ち上がりエッジでトリガされた）後の最初のソース電圧ゼロの時点でＭＥＭＳスイッチ２０を閉じ、イネーブル信号９６が非アクティブになった（例えば立ち下がりエッジでトリガされた）後の最初の負荷電流ゼロの時点でＭＥＭＳスイッチ２０を開く。図４に図示した概略図１９に関しては、イネーブル信号９６がアクティブ（特定の実装に応じてハイ又はロー）であり、出力信号８８又は９４が検知された電圧又は電流ゼロを示す場合は常にトリガ信号１０２が発生し得る。一実施形態では、トリガ信号１０２は、例えば、ＮＯＲゲート１００を介して発生し得る。一方、トリガ信号１０２はＭＥＭＳゲートドライバ１０４を通過し、ＭＥＭＳスイッチ２０のゲート２６（又はＭＥＭＳアレイの場合は複数のゲート）に制御電圧を印加するために使用できるゲート起動信号１０６を発生し得る。

前述のように、特定用途向けの所望の電流定格を達成するために、単一のＭＥＭＳスイッチではなく、複数のＭＥＭＳスイッチを（例えばスイッチモジュールを形成するために）並列に作動的に結合しても良い。負荷回路が受けることがある連続的及び過渡的な過負荷電流レベルを適切に搬送するように、複合されたＭＥＭＳスイッチの容量を設計しても良い。例えば、６倍の過渡的過負荷を伴う１０アンペアのＲＭＳモータの場合、１０秒で６０アンペアＲＭＳを搬送するのに十分な並列に結合されたスイッチがなければならない。電流ゼロに達してから５マイクロ秒以内にＭＥＭＳスイッチを切り換えるポイントオンウエーブ・スイッチングを用いると、接点が開路している状態で１６０ミリアンペアの瞬間電流が流れる。従って、この用途では、各ＭＥＭＳスイッチは１６０ミリアンペアを「ワームスイッチング」する能力がなければならず、６０アンペアを搬送するために十分な数のＭＥＭＳスイッチを並列に配置しなければならない。これに対して、単一のＭＥＭＳスイッチは、スイッチングの瞬間に流れる電流量又は電流レベルを遮断できなければならない。

次に図５を参照すると、電流制御装置１２５の実施形態の斜視図が示されている。電流制御装置１２５は、本体１３０との導電インターフェース１３５のセットとを含む。導電インターフェース１３５のセットは、装置１２５の一端に配置された第１のインターフェース１４０と、装置１２５の反対端に配置された第２のインターフェース１４５とを含む。導電インターフェース１３５のセットは、電流制御装置１２５の電流経路１６０を規定の端子形状を有する標準型のヒューズと直接交換できるように規定のヒューズ端子の形状を有しており、従って、電流制御装置１２５の導電インターフェース１３５のセットは標準型のヒューズの端子又は導電インターフェースと同じ寸法を有している。

装置１２５の本体１３０内には制御回路１５０と、（図１に関連して前述した参照番号１２のＭＥＭＳスイッチと同様の）ＭＥＭＳスイッチ１５５とが配置される。ＭＥＭＳスイッチ１５５は、第１のインターフェース１４０と、第２のインターフェース１４５とＭＥＭＳスイッチ１５５とが、装置１２５の本体１３０内に配置された制御回路１５０内に一体に構成された電流経路１６０を画成するように、第１のインターフェース１４０と第２のインターフェース１４５との間に配置される。ＭＥＭＳスイッチ１５５は、制御回路１５０に応動して電流経路１６０を開路し、それによって電流が電流経路１６０を通過するのを遮断する。

或る実施形態では、装置１２５は更に、ＨＡＬＴ消弧回路１４、電圧スナバ回路３３、及び（本明細書ではソフトスイッチング回路とも呼ばれる）前述のソフトスイッチングシステム１１の少なくとも１つを含む。ＨＡＬＴ消弧回路１４、電圧スナバ回路３３、及びソフトスイッチングシステム１１は別個の回路でも良く、制御回路１５０内に統合されても良いことが理解されよう。

制御回路１５０の機能には、例えば規定のトリップ事象のトリップパラメータに基づくトリップ−時間曲線等の時間ベースの判定を含む。制御回路１５０は更に、例えば電圧と電流の測定、ＭＥＭＳスイッチ１５５のプログラム可能性又は調整可能性、ＭＥＭＳスイッチ１５５の閉路／再閉路論理の制御、及びコールドスイッチングを行うＨＡＬＴデバイス１４との相互作用、あるいはアーク放電がないスイッチングを提供する。制御回路１５０の電力消費は最小限であり、追加の外部電源を必要とすることなくライン入力によって給電することができる。制御回路１５０によって提供される前述の機能の様々な統合（又は離散）の程度は本発明の範囲内にあるものと考えられ、本明細書に記載の実施形態は限定的なものではなく説明目的であることが理解されよう。制御回路１５０とＭＥＭＳスイッチ１５５とは、交流電流（ＡＣ）又は直流電流（ＤＣ）のどちらで使用しても良いように構成される。

制御回路１５０は、電流経路１６０を通過する電流に関連するパラメータを測定し、測定されたパラメータを、例えば電流の量及び過電流事象の時間等の、１つ又は複数の規定のトリップ事象に対応するパラメータと比較するように構成される。短絡を示すのに十分な大きさの瞬間的な電流上昇等の、導電経路１６０を通過する電流のパラメータに応じて、制御回路１５０は、ＭＥＭＳスイッチ１５５を開路させ、短絡エネルギをＭＥＭＳスイッチ１５５から（図１を参照すると最も分かり易い）ＨＡＬＴデバイス１４へと伝達させ、それによって電流経路１６０を通過する電流を遮断する信号を発生する。また、規定の時限過電流を示すことがある、短絡未満の大きさの電流上昇の規定の継続時間等のパラメータに応じて、制御回路１５０は同様にＭＥＭＳスイッチ１５５を開路させ、電流を遮断させる信号を発生する。

或る実施形態では、電流制御装置１２５は更に、装置１２５の動作状態の通信及び動作パラメータの定義を促進するために、制御回路１５０と信号接続された１つ又は複数のユーザーインターフェース１６４を含む。発光ダイオード（ＬＥＤ）等のインジケータ１６５は制御回路１５０に応動して、規定のトリップ事象が発生し、電流経路１６０を通過する電流の遮断を促進するためにＭＥＭＳスイッチ１５５が開路する結果を生じたことを表示する。リセットボタン等のアクティベータ１７０は、電流の遮断を促進するためにＭＥＭＳスイッチ１５５を開路する結果を既に生じた規定のトリップ事象に引き続き、ＭＥＭＳスイッチ１５５を閉じる信号又は指令を制御回路１５０に供給する。押しボタンのセット（例えば、パラメータを選択する１つの押しボタン、又は選択されたパラメータを増減する別の２つの押しボタン）、又はダイアル等の入力装置１７５は、規定のトリップ事象の１つ又は複数のパラメータ、並びに装置１２５の動作パラメータを入力し、又は規定する。ＬＥＤ又は液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）等のディスプレイ１８０は、入力装置１７５と連携してパラメータを選択し、規定し、規定された１つ又は複数のパラメータの値を表示するために使用できる。

或る実施形態は、例えばコンピュータ、メーター又はオシロスコープを含む制御、診断及び監視装置の少なくとも１つ等の外部装置１８４と通信する外部ネットワーク接続を提供する、制御回路１５０と信号通信する通信接続１８３を含む。通信接続１８３は、装置１２５の状態の診断及び／又は例えば外部装置１８４を介した電流経路１６０を通過する電流の観察等、装置１２５の現在の状態を監視するための通信リンクを提供する。通信接続１８３は更に、例えばＭＥＭＳスイッチ１５５のＯＮ／ＯＦＦ状態を変更して接触器に関連する機能を提供する等、外部装置１８４を介して、装置１２５を手動制御するための通信リンクも提供する。或る実施形態では、通信接続１８３は有線又は無線通信リンクの一方である。また、通信接続１８３は、以下に更に記載するように、１つ又は複数の装置１２５を互いにリンクしても良い。

次に図６を参照すると、電流制御装置１２５の実施形態を含む筐体１８５が示されている。筐体１８５は、規定の寸法を有するヒューズと共に使用されるように構成されたヒューズ溶断スイッチ１９０を含む。図６に示された筐体１８５は、溶断スイッチ１９０を格納するための十分なスペースしか備えておらず、接触器、過負荷継電器、及び制御変圧器（特に図示せず）を格納する十分なスペースはないことは、当業者に理解されよう。ヒューズと共にヒューズ溶断スイッチ１９０を含む筐体１８５の用途では、適宜の接触器、過負荷継電器及び制御変圧器の少なくとも１つを格納する１つ以上の追加の筐体を備えることが望ましい。あるいは、筐体１８５のサイズを拡大して、接触器、過負荷継電器、及び制御変圧器の少なくとも１つに加えてヒューズ溶断スイッチ１９０に必要なスペースを設けるようにすることもできる。

上記に鑑み、電流制御装置１２５の実施形態が、短絡電流に関連するエネルギを低減するための標準型のヒューズの機能を備えていることが理解されよう。また、電流制御装置１２５の実施形態は、電流経路１６０を開閉する標準型の接触器の機能、並びに時限過電流故障に応動し、電流経路１６０を通過する電流を遮断する接触器と過負荷継電器とを組み合わせた機能も備えることができる。更に、電流制御装置１２５は、トリップ事象の後に装置１２５を交換する必要なく装置１２５の実施形態をリセットすることができ、導電経路を閉じることができる標準の回路遮断器の機能を備えている。従って、電流制御装置１２５を使用することで所定のアンペア／電圧定格で前述の機能の組み合わせを備え、同時に、同じ所定のアンペア／電圧定格での同じ機能の組み合わせを備えるために、標準型のコンポーネント（遮断スイッチ、接触器、過負荷継電器、及び制御変圧器）を格納するサイズの筐体よりも小さい全体的寸法を有する筐体１８５を使用することが可能になる。あるいは、本明細書に記載の電流制御装置１２５では、所定の電流定格での所定の機能に必要なスペースが縮小される。

第１のインターフェース１４０及び第２のインターフェース１４５は、インターフェースの形状、又は規定のヒューズの端子の形状を有するような配置と寸法で形成される。従って、電流制御装置１２５を使用することで、標準型のヒューズとインターフェースするように構成された、例えばクリップ又はホルダ等のヒューズ受口１９５を有する筐体１８５と相互交換できるようになる。このようなヒューズ受口１９５は、ヒューズを囲む利用可能な付随スペースと共に「ヒューズホール」として知られている。従って、電流制御装置１２５は「ヒューズホール」内に嵌るように構成され、既に装着状態で使用されているヒューズ受口１９５を有する溶断スイッチ１９０との改造使用に適応し、それによって本明細書に記載の機能及び利点が得られる。

図７は、三相システム等の多相システムと共に使用するように構成された電流制御装置２００の実施形態を示す。装置２００は、複数の電流経路２０５、２１０、２１５を含み、その各々は一体に構成され、制御回路２２０と信号通信されている。各電流経路２０５、２１０、２１５は、第１のインターフェース１４０、第２のインターフェース１４５、及び第１のインターフェース１４０と第２のインターフェース１４５との間に配置された本明細書に記載のＭＥＭＳスイッチ１５５を含む。前述のように、制御回路２２０は、複数の電流経路２０５、２１０、２１５を通過する電流を測定する。複数の電流経路２０５、２１０、２１５のいずれか１つが規定のトリップ事象に一致するとそれに応動して、制御回路２２０は、全ての電流経路２０５、２１０、２１５を通過する電流を遮断する信号を発生し、これを各ＭＥＭＳスイッチ１５５に供給する。従って、多相システムのいずれかの単相でのトリップ事象の結果、全ての電流位相が遮断され、それによって、単相化、及び残りの位相を介した継続動作により生ずることがある関連する損傷が防止される。

図８は、電流経路１６０等の電流経路を通過する電流を制御する方法の処理ステップのフローチャートを示す。方法は、規定の寸法のヒューズ胴のインターフェースに対応する導電インターフェース１３５のセットを含む、電流経路１６０と一体に構成された制御回路１５０を介して電流を測定することによりステップ２５５で開始される。方法は、ステップ２６０で、制御回路１５０に応動してＭＥＭＳスイッチ１５５を介して電流遮断を促進するステップを含む。

或る実施形態では、ステップ２６０での遮断には、測定された電流が規定のトリップ事象のパラメータと一致するか、又はこれを超えたか否かを制御回路１５０によって判定するステップが含まれる。測定された電流が規定のトリップ事象のパラメータに一致するか又はこれを超えたことが判定されると、それに応動して、制御回路１５０は、ＭＥＭＳスイッチ１５５が開路して電流経路１６０を通過する電流を遮断するようにする遮断信号をＭＥＭＳスイッチ１５５が利用できるようにする。

或る実施形態では、電流経路１６０は多相システムの複数の電流経路２０５、２１０、２１５を含み、ＭＥＭＳスイッチ１５５は複数のＭＥＭＳスイッチ１５５を含み、複数のＭＥＭＳスイッチ１５５は各々、複数の電流経路２０５、２１０、２１５の対応する１つに関連している。ステップ２５５での電流の測定には、複数の電流経路２０５、２１０、２１５の各電流経路２０５、２１０、２１５と一体に構成された制御回路２２０を介して電流を測定するステップを含む。ステップ２６０での遮断の促進には、複数の電流経路２０５、２１０、２１５の各電流経路２０５、２１０、２１５に対応する複数のＭＥＭＳスイッチ１５５を介して、電流の遮断を促進するステップが含まれる。更に、遮断には、複数の電流経路２０５、２１０、２１５のいずれか１つの電流が規定のトリップ事象のパラメータと一致するか、又はこれを超えたか否かを制御回路２２０によって判定するステップが含まれる。複数の電流経路２０５、２１０、２１５のいずれか１つの電流が規定のトリップ事象のパラメータに一致するか又はこれを超えたことが判定されると、それに応動して、方法は、多相システムの全ての相を保護するために、複数のＭＥＭＳスイッチ１５５の各ＭＥＭＳスイッチ１５５が遮断信号を利用できるようにするステップを含む。或る実施形態では、ステップ２６０での遮断の促進には、ＭＥＭＳスイッチ１５５の状態が閉路から開路に変化すると、それに応動して電気エネルギをＭＥＭＳスイッチ１５５からＨＡＬＴデバイス１４に伝達するステップが含まれる。

１つの制御回路２２０が各電流経路と物理的接続及び信号接続されるものとして本発明の実施形態を示してきたが、本発明の範囲はそれに限定されるものではなく、有線と無線の少なくとも一方で良い（図５を参照すると最も明解である）通信接続１８３を介して電流経路２０５、２１０、２１５等の別個の電流経路のリンクが本発明の実施形態の範囲内にあることが理解されよう。

電流制御装置１２５の実施形態を円筒胴の形状を有するものとして示してきたが、本発明はそれに限定されるものではなく、本発明は、導電インターフェース１３５のセットが規定のヒューズ端子の形状に対応するヒューズ受口１９５と適応するように、多様な幾何形状を有する電流制御装置１２５にも適用されることが理解されよう。更に、電流制御装置１２５の実施形態は、例えば刃形端子形状を有するヒューズ、長方形ヒューズ、正方形ヒューズ及びスペード形ヒューズ等の、円筒形のヒューズ胴を含んでいない形状のヒューズの端子に対応する配置と寸法の形状を有する導電インターフェース１３５のセットを含むこと、及び導電インターフェース１３５のセットは、このようなヒューズ端子に対応するヒューズ受口１９５を有する筐体１８５と適応できることが理解されよう。

開示したように、本発明の幾つかの実施形態は、以下の利点の幾つかを含むことができる。すなわち、交流又は直流電流経路のどちらでも電流保護を行うことができる；現在実装されているヒューズホルダを改造できる；応動時間が迅速で通過エネルギを縮減することにより、ヒューズ及び回路遮断器と比較して保護能力を改善することができる；ヒューズ受口内で利用される回路保護装置をリセットすることができる；状態表示ＯＮ／ＯＦＦの遠隔選択、及びユーザーインターフェースを介したパラメータ選択の確認ができる；ヒューズ遮断筐体による位相不均衡保護ができる；及び電流保護装置のネットワーク接続ができる。

例示的実施形態を参照して本発明を記載してきたが、本発明の範囲から逸脱することなく様々な変更を行っても良く、同等の構成要素に置換しても良いことが当業者には理解されよう。また、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、特定の状況や材料を本発明の教示に適応させるために修正を行っても良い。従って、本発明は、本発明を実施するための最良又は唯一の態様として開示された特定の実施形態に限定されるものではなく、本発明は添付の特許請求の範囲内の全ての実施形態を含むことを意図している。更に、図面及び説明において、本発明の例示的実施形態を開示し、特定の用語を用いてきたが、特に明記しない限り、これらの用語は一般的且つ説明上の意味で用いたものであり、限定目的のためではないため、本発明の範囲はそれに限定されない。また、第１、第２等の用語の使用はいずれかの順序や重要度を示すものではなく、１つの要素を別の要素と区別するために用いたものである。更に、数詞が無いことは数量の限定を意味するものではなく、言及した品目が少なくとも１つ存在することを意味するものである。

Claims

多相電流制御装置であって、
第１の電流経路と、
前記第１の電流経路の一端に配置された第１のインターフェースと、前記第１の電流経路の反対端に配置された第２のインターフェースとを備え、前記第１及び第２のインターフェースがヒューズ端子に結合するように構成された、規定のヒューズ端子の形状を有する導電インターフェースの第１のセットと、
前記第１のインターフェースと前記第２のインターフェースとの間に配置された第１のマイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチと、
第２の電流経路と、
前記導電インターフェースの第１のセットの近傍に配置され、前記第２の電流経路の一端に配置された第３のインターフェースと、前記第２の電流経路の反対端に配置された第４のインターフェースとを備え、前記第３及び第４のインターフェースがヒューズ端子に結合するように構成された、規定のヒューズ端子の形状を有する導電インターフェースの第２のセットと、
前記第３のインターフェースと前記第４のインターフェースとの間に配置された第２のマイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチと、
前記第１及び第２の電流経路と信号通信し、規定のトリップ事象のトリップパラメータに一致する前記第１及び第２の電流経路のいずれかを通過する電流に応答して、電流の遮断を前記第１及び第２のＭＥＭＳスイッチを介して促進するように構成された制御回路と、
前記制御回路と信号通信し、前記規定のトリップ事象に続く指令に応答して、前記前記第１及び第２のＭＥＭＳスイッチを作動させるアクティベータと、
前記制御回路と信号通信し、前記規定のトリップ事象の発生を示すインジケータと、
前記制御回路と信号通信し、前記規定のトリップ事象の前記パラメータを前記制御装置に送る入力装置と、
を備える多相電流制御装置。
第３の電流経路と、
前記導電インターフェースの第２のセットの近傍に配置され、前記第３の電流経路の一端に配置された第５のインターフェースと、前記第３の電流経路の反対端に配置された第６のインターフェースとを備え、前記第５及び第６のインターフェースがヒューズ端子に結合するように構成された、導電インターフェースの第３のセットと、
前記第５のインターフェースと前記第６のインターフェースとの間に配置された第３のマイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチと、
を備え、
前記制御回路が、規定のトリップ事象のトリップパラメータに一致する前記第１乃至第３の電流経路のいずれかを通過する電流に応答して、電流の遮断を前記第１乃至第３のＭＥＭＳスイッチを介して促進するように構成される、請求項１に記載の多相電流制御装置。
前記規定のトリップ事象の前記パラメータは、時間、電流レベル、又はその組み合わせの少なくとも１つである、請求項１または２に記載の多相電流制御装置。
前記第１又は第２のＭＥＭＳスイッチの状態の変化を、前記導電経路を通過する交流電流と前記導電経路の交流電圧との少なくとも１つの絶対値ゼロ基準に対するゼロ交差の発生と同期化するソフトスイッチング回路を更に備える、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電流制御装置。
前記制御回路と信号接続する通信接続を更に備え、
前記制御回路は、前記通信接続と信号接続された外部装置に応動して、前記ＭＥＭＳスイッチの状態を制御する、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電流制御装置。
少なくとも２つの電流経路を通過する電流を制御する方法であって、
前記少なくとも２つの電流経路と一体に構成された制御回路を介して電流を測定するステップであって、前記少なくとも２つの電流経路の内の第１の電流経路が、規定のヒューズ端子の形状を有する導電インターフェースの第１のセットを備え、前記少なくとも２つの電流経路の内の第２の電流経路が、規定のヒューズ端子の形状を有する導電インターフェースの第２のセットを備える、前記測定するステップと、
少なくとも２つのＭＥＭＳスイッチを介して、前記制御回路と規定のトリップ事象に応動して前記電流の遮断を促進するステップと、
を含み、
前記少なくとも２つのＭＥＭＳスイッチの内の第１のＭＥＭＳスイッチが、前記第１の電流経路の一端に配置された前記導電インターフェースの第１のセットの第１のインターフェースと、前記第１の電流経路の反対端に配置された前記導電インターフェースの第１のセットの第２のインターフェースとの間に配置され、
前記少なくとも２つのＭＥＭＳスイッチの内の第２のＭＥＭＳスイッチが、前記第２の電流経路の一端に配置された前記導電インターフェースの第２のセットの第１のインターフェースと、前記第２の電流経路の反対端に配置された前記導電インターフェースの第２のセットの第２のインターフェースとの間に配置され、
前記制御回路が、前記規定のトリップ事象に続く指令に応答して、前記前記第１及び第２のＭＥＭＳスイッチを作動させるアクティベータと、前記規定のトリップ事象の発生を示すインジケータと、前記規定のトリップ事象の前記パラメータを入力する入力装置とを備える、
方法。