JP7110404B2 - 電気エネルギーの過電流および過電圧保護された伝達のための多段保護装置 - Google Patents

Description

本開示は、電圧端子から電気負荷への電気エネルギーの過電流および過電圧保護された伝達のための保護装置に関する。

電流強度、電圧および／または電力を制限するための保護装置は、通常、それぞれ所定の制限を上回る電流強度、電圧および／または電力から下流の電気部品を保護するために、絶縁増幅器で使用される。これに対応して、保護装置の下流に接続されている電気部品の最大公称データを有利に減らすことができる。爆発保護の要件を満たすために、保護装置を使用して、電圧端子から電気負荷を安全に切断することもできる。

保護装置は、通常、過電流保護と、過電流保護の下流に接続された過電圧保護と、を有する。過電圧保護は、電圧制限に達すると電圧を短絡させることができ、それにより、短絡電流が過電流保護を通って流れ、過電流保護は、その後、公称電流に達すると電流の流れを遮断するためにトリガされ得る。不利なことに、公称電流に応じて、および／または電圧制限に応じて下流の電気部品の寸法決めをすることが必要な場合がある。したがって、電気部品は、公称電流および／または電圧制限未満での動作には必要でない、増加した部品寸法ならびに増加した公称電流および／または増加した公称電圧を有する可能性がある。

以下の特許文献１には、本願発明に関連する技術として、電気機器の電源の監視・保護装置が記載されている。

米国特許出願公開第２０１０／１８８７８５号明細書

本開示の目的は、従来の保護装置で可能であるよりも低い最大公称電流用に適合させることができる電気部品を保護装置の下流に接続することを可能にする、より効率的な保護装置を提供することである。

本目的は、独立請求項の特徴によって達成される。有利な実施形態は、従属請求項、明細書、および添付図の主題である。

本開示は、第１の過電流保護および過電圧リミッタに加えて、追加の過電流保護を有する保護装置によって上記の目的が達成され得るという知見に基づく。特に、第１のヒューズよりも低い公称電流でトリガする第２のヒューズを第１のヒューズの下流に接続することができる。その結果、電気負荷を過電圧装置によって引き起こされる短絡電流よりも小さい過電流からも保護することができる。第１の過電圧リミッタおよび追加の過電流保護は、２つの別々の電圧制限スイッチ、特に異なるサイズのＺダイオードによってトリガさせることができるクランプ回路とすることができる。

第１の態様によると、本開示は、電圧端子から電気負荷への電気エネルギーの過電流および過電圧保護された伝達のための保護装置に関し、電圧端子は、２つの極（ｐｏｌｅｓ）を備える。保護装置は、電圧端子から電気負荷への線路電流の流れを、前記線路電流が第１の公称電流に達すると阻止するように適合された第１のヒューズ回路を備える。さらに、保護装置は、第１のヒューズ回路の下流かつ電気負荷の上流に接続された過電圧保護回路を含む。過電圧保護回路は、電圧端子において電圧が第１の電圧制限に達すると、第１の公称電流に達する線路電流を強制的に流して第１のヒューズ回路をトリガさせるために、電圧端子の極を電気的に低抵抗で接続するように適合されている。さらに、保護装置は、過電圧保護回路の下流に接続され、かつ電気負荷の上流に接続された第２のヒューズ回路を備える。第２のヒューズ回路は、線路電流が第２の公称電流に達すると前記線路電流が流れるのを阻止するように適合されている。第２の公称電流は、電気負荷に依存する。

一実施形態では、第２の公称電流は、第１の公称電流よりも小さく、それに対応して電気負荷への短絡電流強度が低い電流の流れを阻止する。

保護装置は、過電流保護とクランプ回路（クローバー（ｃｒｏｗｂａｒ））との組合せとすることができ、これにより、電気負荷に許容される電流強度を上回る電流強度を有する電流の流れ、および／または電気負荷に許容される最大電圧を上回る電圧の存在に対して電気負荷の安全を確保することができる。特に、電流強度と電圧の制限との組合せによって、負荷が変換することができる最大電力も規定することができる。

さらに、保護装置は、例えば、下流の電気部品の最大公称データを低減させることができるように、絶縁増幅器の信号入力に配置することができる。さらに、保護装置は、下流の電気部品が爆発性の環境および／または雰囲気で動作可能であることを可能にするために、爆発保護を形成することができる。

保護装置は、保護装置の後の所定の電流強度、電圧、および／または電力値を予想することできるように、電気負荷のエネルギー供給部の下流に接続することができる。したがって、保護装置の下流に接続された電子回路は、電圧および／または電流強度レベルが低減することが予想され得るため、より小さい空隙距離および／または沿面距離を有することができる。

第１のヒューズ回路の後に第２のヒューズ回路を配置することにより、第２のヒューズ回路の下流に接続された電子部品間で、電気的パラメータ、特に最大公称電流をより柔軟に設定することができるという利点を達成することができる。第２のヒューズ回路は、第１のヒューズ回路と比較して部品寸法が低減されたチップヒューズとして適合させることができる。さらに、第２のヒューズ回路の下流に接続された電気部品は、第１のヒューズ回路の下流の配置と比較して、部品寸法が低減し、および／または性能データが減少する可能性がある。

ヒューズ回路のための電圧端子は、特に、エネルギー供給ネットワークとヒューズ回路との間に配置された回路によって形成することができる。この中間段は、例えば、スイッチモード電源および／または電圧変換器とすることができる。

第２の公称電流は、第１の公称電流よりも小さくすることができる。特に、電圧端子の電圧の電圧変換が第１のヒューズ回路と第２のヒューズ回路との間に設けられていない場合、第２のヒューズ回路の下流に接続された電気負荷は、比較的低い公称電流を有することができ、それに対応して高い費用対効果でおよび／またはより小さく製造することができる。

さらに、第１のヒューズ回路と第２のヒューズ回路との間に、電圧端子の電圧を昇圧または降圧するように適合された変圧器を配置することができる。変圧器は、例えば、電圧を２４Ｖから５Ｖに低減させるように適合させることができる。第２のヒューズ回路の下流に接続された電気負荷は、第２の公称電流が第１の公称電流よりも大きくなるように、第１のヒューズ回路よりも高い電流強度に適合させることができる。

保護装置は、保護装置の下流に接続されている電気負荷に規定された電流強度、電圧、および／または電力値を提供するために、エネルギー供給部の下流に接続されているバックアップヒューズとすることができる。電気負荷の電気部品間の絶縁距離は、特に最大電圧レベル、例えば５０Ｖに適合させることができる。保護装置の後に、例えば、エネルギー供給部の出力電圧を増加または減少させるスイッチモード電源があってもよい。特に、２０Ｖ～３０Ｖの範囲の電圧を、３Ｖ～１２Ｖの電圧に低下させることができる。それに応じて、下流の絶縁要素、例えば、変圧器は、従来のクローバー回路を使用する場合に可能であるよりも低い最大電圧に対して寸法決めすることができる。

第１のヒューズ回路は、例えば、１５００Ａの予想短絡電流の場合に、線路電流の流れを阻止するように適合させることができ、過電圧保護回路は、電圧を調整可能な電圧値、例えば、１８Ｖに制限する。それに応じて、第２のヒューズ回路は、第１のヒューズ回路によって保護された短絡電流を下回る電流強度で線路電流が流れるのを阻止するように適合させることができる。これに対応して、第２のヒューズ回路をチップヒューズとして実装することができ、それに応じて数多くの設計で製造することができるため、下流の電子回路を保護するためのパラメータを広範囲のパラメータから選択することができる。特に、保護装置は、このようにして市場での入手可能性のレベルが高い電子部品から構成することができ、したがって効率的かつ安価に製造することができる。

一実施形態では、特に第２の予想短絡電流である第２の公称電流は、特に第１の予想短絡電流である第１の公称電流よりも小さく、および／または過電圧保護回路が第２のヒューズ回路の公称電圧を低下させるように適合されている。これにより、上述した利点が実現される。

一実施形態では、第１のヒューズ回路および第２のヒューズ回路はそれぞれ、過電流保護装置、特にヒューズおよび／または電源回路スイッチを有し、過電流保護装置は、第１の公称電流もしくは第２の公称電流に達したときに、または第１の公称電流または第２の公称電流に達した後、所定の時間間隔が経過した後に、電圧端子と電気負荷との間の電気的接続を切断するように適合されている。

所定の時間間隔は、ヒューズのワイヤエレメントが電流の流れによって加熱され、溶融される、それぞれのヒューズのトリガ遅延によって決定することができる。第１のヒューズ回路における過電流保護ヒューズのトリガ遅延は、第２の保護回路における過電流保護ヒューズのトリガ遅延よりも大きくすることができる。特に、第１の過電流保護ヒューズは、半導体スイッチが切り替わった後、電圧端子と電気負荷との間の電気的接続をその後切断するために使用される。第１の過電流保護ヒューズをトリガさせる、第１の公称電流を上回る電流強度を有する線路電流は、半導体スイッチを介して流れ、したがって電気負荷には流れない。

電気負荷を損傷する可能性のある電流強度を有する線路電流に対する電気負荷の保護は、第２の過電流保護装置によって実施することができる。したがって、第２の過電流保護装置は、第１の過電流保護装置よりも迅速にかつ低い電流強度でトリガすることができる。

一実施形態では、第１の保護回路および／または第２の保護回路は、第１の公称電流を上回るおよび／または第２の公称電流を上回る電流強度で線路電流が電気負荷に流れるのを阻止するために、短絡電流が過電圧保護回路を通って流れたときに、電圧端子と電気負荷との間の電気的接続を遮断するように適合されている。

電気的接続は、ブロッキング半導体素子、機械的スイッチング接点によって、または過電流保護装置の規定された溶融によって遮断することができる。したがって、電気的接続は、可逆的な方法で、または規定された溶融の場合は不可逆的な方法で切断することができる。第１の保護回路および／または第２の保護回路がトリガされた後、回路を動作状態に戻すために手動の介入が必要な場合がある。例えば、過電流保護装置のうちの１つを交換すること、および／または過電圧もしくは過電流の原因を取り除くことが必要な場合がある。

一実施形態では、第２のヒューズ回路は、電気エネルギーを電気負荷に伝達するようにそれぞれ適合された少なくとも２つの電流経路を有し、過電流保護装置は、各電流経路に配置されている。

一実施形態では、電流経路の過電流保護装置は、それぞれの電流経路における電流の流れを阻止するために、異なる公称電流でトリガされるように適合されている。

一実施形態では、第１のヒューズ回路および／または第２のヒューズ回路は、構成要素および／または周囲温度を検出し、構成要素および／または周囲温度が温度制限に達すると、過電圧保護回路をトリガし、および／または電圧端子から電気負荷に電流が流れるのを阻止するように適合されている。これには、電気負荷を熱的負荷から保護することができるという利点がある。

一実施形態では、第２のヒューズ回路は、線路電流を第２の公称電流に制限することによって、第１のヒューズ回路および過電圧保護回路から構成される複合体と比較して低減された最大電力を電気負荷に提供するように適合されている。

一実施形態では、過電流保護装置は、電気負荷の下流に接続することができる。

さらなる例示的な実施形態は、添付の図を参照して説明される。

一実施形態における保護装置を示す図である。 一実施形態における保護装置を示す図である。

図１は、電圧端子１０１から電気負荷１０３への電気エネルギーの過電流および過電圧保護された伝達のための保護装置１００の概略図を示し、電圧端子１０１は、２つの極を含む。保護装置１００は、電圧端子１０１から電気負荷１０３への線路電流の流れを、前記線路電流が第１の公称電流強度制限に達すると、阻止するように適合された第１のヒューズ回路１０５を備える。

保護装置１００は、第１のヒューズ回路１０５の下流かつ電気負荷１０３の上流に接続された過電圧保護回路１０７をさらに備える。過電圧保護回路１０７は、電圧が電圧端子１０１において第１の電圧制限に達すると、第１の公称電流に達する線路電流を強制的に流して、第１のヒューズ回路１０５をトリガさせるために、電圧端子１０１の極を導電的に接続するように適合されている。

さらに、保護装置１００は、過電圧保護回路１０７の下流に接続され、かつ電気負荷１０３の上流に接続された第２のヒューズ回路１０９を備える。第２のヒューズ回路１０９は、線路電流が第２の公称電流に達すると線路電流が流れるのを阻止するように適合されている。第２の公称電流は、第１の公称電流よりも小さい。

過電圧保護回路１０７は、電圧端子１０１の極に電気的に並列に接続された、制御入力１１３を有する半導体スイッチ１１１、特にサイリスタを含む。半導体スイッチ１１１は、制御入力１１３に印加される制御信号によって電圧端子１０１の極を導電的に接続し、線路電流が最小電流値を下回ると電圧端子１０１の極の電気的接続を解除するように適合されている。

過電圧保護回路１０７は、電圧制限スイッチ１１５、特に、スイッチ入力１１７およびスイッチ出力１１９を有するＺダイオードをさらに備える。電圧制限スイッチ１１５は、スイッチ入力１１７を介して第１のヒューズ回路１０５の下流に接続され、スイッチ出力１１９を介して半導体スイッチ１１１の制御入力１１３に接続されている。さらに、電圧制限スイッチ１１５は、電圧端子１０１において電圧が第１の電圧制限に達すると、スイッチ出力１１９において制御信号を提供するように適合されている。

過電圧保護回路１０７は、電圧制限スイッチ１１５のスイッチ出力１１９の下流に接続された、電圧制限スイッチ１１５と共に電圧端子１０１の極に電気的に並列に配置された抵抗器１２１をさらに備える。制御入力１１３は、電圧制限スイッチ１１５のスイッチ出力１１９および抵抗器１２１に接続され、抵抗器１２１は、半導体スイッチ１１１を切り替えるために、電圧制限スイッチ１１５が切り替えられると、制御信号を、特に電圧端子１０１の電圧の一部の形態で制御入力１１３に提供するように適合されている。

第１のヒューズ回路１０５および第２のヒューズ回路１０９はそれぞれ、過電流保護装置１２３、１２５、特にヒューズを有する。過電流保護装置１２３は、第１の電流強度制限に達したときに電圧端子１０１と電気負荷１０３との間の電気的接続を切断するように、または第１の公称電流に達した後、所定の時間間隔後に電気的接続を切断するように適合されている。これに対応して、過電流保護装置１２５は、第２の公称電流に達したときに、または第２の電流強度制限に達した後、所定の時間間隔が経過した後に、電圧端子１０１と電気負荷１０３との間の電気的接続を切断するように適合されている。

図２は、電圧端子１０１から少なくとも２つの電気負荷１０３、２０５に電気エネルギーを伝達するための保護装置１００の概略図を示す。保護装置１００は、電圧端子１０１から電気負荷１０３、２０５への線路電流が第１の公称電流に達すると線路電流の流れを阻止するように適合された第１のヒューズ回路１０５を備える。

保護装置１００は、第１のヒューズ回路１０５の下流に接続され、かつ電気負荷１０３、２０５の上流に接続された過電圧保護回路１０７をさらに備える。過電圧保護回路１０７は、電圧端子１０１において電圧の第１の電圧制限に達すると、第１の公称電流に達する線路電流を強制的に流して第１のヒューズ回路１０５をトリガするために、電圧端子１０１の極を導電的に接続するように適合されている。

さらに、保護装置１００は、過電圧保護回路１０７の下流かつ電気負荷１０３、２０５の上流に接続された第２のヒューズ回路１０９を備える。第２のヒューズ回路１０９は、２つの電流経路２０１－１、２０１－２を有し、これらの電流経路はそれぞれ、電気エネルギーを電気負荷１０３、２０５に伝達するように適合されている。電流経路２０１－１、２０１－２のそれぞれには、過電流保護装置１２５、２０３が配置されている。

過電流保護ヒューズ１２５は、電流経路２０１－１を通って流れる電流の第２の公称電流に達すると、電流が電流経路２０１－１を通って流れるのを阻止するように適合されている。過電流保護装置２０３は、電流経路２０１－２を通って流れる電流の第３の公称電流に達すると、電流が電流経路２０１－２を通って流れるのを阻止するように適合されている。第２の公称電流および第３の公称電流はそれぞれ、第１の公称電流よりも小さくすることができる。過電流保護装置１２５、２０３は、それぞれの電流経路２０１－１、２０１－２において電流の流れを阻止するために、異なる公称電流でトリガするように適合されている。

１００ 保護装置、 １０１ 電圧端子、 １０３ 電気負荷、 １０５ 第１のヒューズ回路、 １０７ 過電圧保護回路、 １０９ 第２のヒューズ回路、 １１１ 半導体スイッチ、 １１３ 制御入力、 １１５ 電圧制限スイッチ、 １１７ スイッチ入力、 １１９ スイッチ出力、 １２１ 抵抗器、 １２３ 過電流保護装置、 １２５ 過電流保護装置、 ２０１－１ 電流経路、 ２０１－２ 電流経路、 ２０３ 過電流保護装置、 ２０５ 電気負荷。

Claims (10)

1. 電圧端子（１０１）から電気負荷（１０３）への電気エネルギーの過電流および過電圧保護された伝達のための保護装置（１００）であって、前記電圧端子（１０１）が２つの極を含み、
   前記電圧端子（１０１）から前記電気負荷（１０３）への線路電流の流れを、前記線路電流が第１の公称電流に達すると阻止するように適合された第１のヒューズ回路（１０５）と、
   前記第１のヒューズ回路（１０５）の下流かつ前記電気負荷（１０３）の上流に接続された過電圧保護回路（１０７）であり、電圧が前記電圧端子（１０１）において第１の電圧制限に達すると、前記第１の公称電流に達する線路電流を強制的に流して前記第１のヒューズ回路（１０５）をトリガするために、前記電圧端子の前記極を導電的に接続するように適合されている、過電圧保護回路（１０７）と、
   前記過電圧保護回路（１０７）の下流かつ前記電気負荷（１０３）の上流に接続された第２のヒューズ回路（１０９）であり、前記線路電流が第２の公称電流に達すると、前記線路電流の前記流れを阻止するように適合され、前記第２の公称電流が前記電気負荷（１０３）に依存する、第２のヒューズ回路（１０９）と、
   を有し、
   前記過電圧保護回路（１０７）が、前記第２のヒューズ回路（１０９）の公称電圧を低下させるように適合されていることを特徴とする保護装置（１００）。
2. 請求項１に記載の保護装置（１００）であって、特に第２の予想短絡電流である前記第２の公称電流が、特に第１の予想短絡電流である前記第１の公称電流よりも小さいことを特徴とする保護装置（１００）。
3. 請求項１または２に記載の保護装置（１００）であって、前記第２の公称電流が前記第１の公称電流よりも小さく、それに対応して前記電気負荷（１０３）への短絡電流強度が低い電流の流れを阻止することを特徴とする保護装置（１００）。
4. 請求項１～３のいずれか１項に記載の保護装置（１００）であって、前記過電圧保護回路（１０７）が、前記電圧端子（１０１）の前記極に電気的に並列に接続された、制御入力（１１３）を有する半導体スイッチ（１１１）を備え、前記半導体スイッチ（１１１）が、前記制御入力（１１３）に印加される制御信号によって前記電圧端子（１０１）の前記極を電気的に接続し、前記線路電流が最小電流値を下回ると、前記電圧端子（１０１）の前記極の前記電気的接続を解除するように適合されていることを特徴とする保護装置（１００）。
5. 請求項４に記載の保護装置（１００）であって、前記半導体スイッチ（１１１）がサイリスタまたはトランジスタによって形成されていることを特徴とする保護装置（１００）。
6. 請求項１～５のいずれか１項に記載の保護装置（１００）であって、前記第１のヒューズ回路（１０５）および前記第２のヒューズ回路（１０９）がそれぞれ、過電流保護装置（１２３、１２５）、特にヒューズおよび／または電源スイッチを有し、前記それぞれの過電流保護装置（１２３、１２５）が、前記第１の電流強度制限もしくは前記第２の公称電流に達したときに、または前記第１の公称電流または前記第２の公称電流に達した後、所定の時間間隔が経過した後に、前記電圧端子（１０１）と前記電気負荷（１０３）との間の前記電気的接続を切断するように適合されていることを特徴とする保護装置（１００）。
7. 請求項１～６のいずれか１項に記載の保護装置（１００）であって、前記第２のヒューズ回路（１０９）が、それぞれが電気エネルギーを電気負荷（１０３、２０５）に伝達するように適合された少なくとも２つの電流経路（２０１－１、２０１－２）を有し、過電流保護装置（１２５、２０３）が前記それぞれの電流経路（２０１－１、２０１－２）に配置されていることを特徴とする保護装置（１００）。
8. 請求項７に記載の保護装置（１００）であって、前記過電流保護ヒューズ（１２５、２０３）が前記それぞれの電流経路（２０１－１、２０１－２）において電流の流れを阻止するために、異なる公称電流でトリガするように適合されていることを特徴とする保護装置（１００）。
9. 請求項１～８のいずれか１項に記載の保護装置（１００）であって、前記第１のヒューズ回路（１０５）および／または前記第２のヒューズ回路（１０９）が、構成要素および／もしくは周囲温度を検出するように、前記構成要素および／もしくは周囲温度が温度制限に達すると前記過電圧保護回路（１０７）をトリガするように、ならびに／または前記電圧端子（１０１）から前記電気負荷（１０３）に電流が流れるのを阻止するように適合されていることを特徴とする保護装置（１００）。
10. 請求項１～９のいずれか１項に記載の保護装置（１００）であって、前記第２のヒューズ回路（１０９）が、前記線路電流を前記第２の公称電流に制限することによって、前記第１のヒューズ回路（１０５）および前記過電圧保護回路（１０７）を備える複合体と比較して低減された最大電力を前記電気負荷（１０３）に提供するように適合されていることを特徴とする保護装置（１００）。

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