KR102037934B1

KR102037934B1 - 갈바닉 직류 인터럽션을 위한 디스커넥터

Info

Publication number: KR102037934B1
Application number: KR1020177010682A
Authority: KR
Inventors: 에른스트-디이터 빌케닝; 헨드릭-크리스찬 쾨프; 디르크 뵈세
Original assignee: 엘렌베르거 앤드 포엔스겐 게엠베하
Priority date: 2014-10-24
Filing date: 2015-08-12
Publication date: 2019-10-29
Also published as: CN107077982B; WO2016062427A1; HUE045658T2; EP3210226A1; US10607792B2; KR20170072891A; TR201910355T4; DE202015009686U1; ES2738553T3; EP3210226B1; PL3210226T3; CN107077982A; US20170229256A1; PT3210226T

Abstract

본 발명은, 직류원(2)과 전기 장치(3) 사이의 직류를 인터럽팅하기 위한 디스커넥팅 디바이스(1)에 관한 것이며, 이 디스커넥팅 디바이스(1)는 전류-전도성 기계식 스위치(5), 그에 연결된 전력 전자장치 유닛(6), 및 스위치(5)가 디스커넥팅됨에 따라서 아크(LB)에 의해 스위치(5) 상에서 발생되는 아크 전압에 의해 충전되는 에너지 저장소(C9); 에너지 저장소(6)에 연결된 펄스 발생기(7)를 포함하는데, 여기서 펄스 발생기(7)는 전력 전자장치 유닛(6)이 스위치(5)를 단락시키고 아크(LB)가 소멸되는 방식으로 전력 전자장치 유닛(6)의 적어도 하나의 반도체 스위치(T1, T2)를 트리거한다.

Description

갈바닉 직류 인터럽션을 위한 디스커넥터{DISCONNECTOR FOR GALVANIC DIRECT CURRENT INTERRUPTION}

본 발명은, 직류원과 전기 장치 사이의 직류 인터럽션을 위한 디스커넥팅 디바이스(disconnecting device)에 관한 것으로, 이 디스커넥팅 디바이스는 전류-전도성 기계식 스위치 및 그에 연결된 전력 전자장치 유닛, 및 이 스위치가 디스커넥팅됨에 따라 아크에 의해 스위치 상에서 발생되는 아크 전압에 의해 충전되는 에너지 저장소를 포함한다. 이 경우, 직류원은 광전지 발전기(PV 발전기, 솔라 시스템)로 이해되며, 전기 장치는 특히 인버터이다.

DE 20 2008 010 312 U1로부터, 소위 광전지 발전기를 갖는 광전지 시스템(PV 시스템) 또는 솔라 시스템이 알려져 있는데, 이는 차례로 직렬로 연결되거나 또는 병렬 스트링들로 존재하는, 결과적으로 부분 발전기들의 그룹들로 조합되는 솔라 모듈들로 이루어지며, 여기서 광전지 발전기의 직류 전력은 인버터를 통해 교류 전압 네트워크에 공급된다. 이 시스템의 결과로서, PV 시스템은 한편으로 180V(DC) 내지 1500V(DC) 사이의 범위의 동작 전류 및 동작 전압을 연속적으로 제공하기 때문에 그리고 다른 한편으로는, 예컨대, 설치, 조립 또는 서비스 목적을 위해, 또는 특히 일반적인 개인 보호를 위해, 직류원으로서 작용하는 광전지 시스템으로부터 전기 컴포넌트들 또는 디바이스들의 신뢰가능한 분리가 요구되기 때문에, 대응 디스커넥팅 디바이스는 부하 하에서도, 즉, 직류원을 사전에 스위치 오프시키지 않고도, 인터럽션을 수행할 수 있어야만 한다.

부하 분리를 위해, 콘택이 인터럽팅되었을 때 직류원(광전지 시스템)으로부터 전기 장치(인버터)의 갈바닉 분리가 생성되는 이점을 갖는 기계식 스위치(스위칭 콘택)가 사용될 수 있다. 반면, 전력 반도체 스위치들이 부하 분리에 사용되는 경우, 심지어는 정상 동작 동안에도 반도체들 내부에서 불가피한 전력 손실들이 발생한다. 이에 더해, 갈바닉 분리가 없으므로, 이에 따라 이러한 전력 반도체들에 대해 어떠한 신뢰가능한 개인 보호도 보장되지 않는다.

DE 102 25 259 B3은, 하이브리드 스위치의 방식으로, 예컨대, 인버터의 하우징 내에 사이리스터의 형태로 반도체 스위칭 엘리먼트, 및 광전지 모듈들에 연결된 메인 콘택 및 보조 콘택을 포함하는 부하 차단기로서 설계된 플러그 커넥터를 개시한다. 언플러깅 동작 시에 리딩하는(leading) 메인 콘택은, 반도체 스위칭 엘리먼트와 직렬로 연결된 트레일링 보조 콘택과 병렬로 연결된다. 이 경우, 반도체 스위칭 엘리먼트는, 아크 방지 또는 아크 억제의 목적으로 이 엘리먼트를 주기적으로 스위칭 온 및 스위칭 오프함으로써 제어된다.

전자기적으로 액츄에이팅되는 메인 콘택 및 IGBT(insulated gate bipolar transistor)를 갖는 하이브리드 전자기 직류 스위치는 또한 직류 인터럽션을 위한 반도체 스위치로서 제공될 수 있다(DE 103 15 982 A2). 그러나, 이러한 하이브리드 스위치는 반도체 스위치를 통해 전력 전자장치 유닛을 동작하기 위한 외부 에너지원을 갖는다.

WO 2010/108565 A1은 기계식 스위치 또는 디스커넥팅 엘리먼트를 갖는 하이브리드 디스커넥팅 스위치, 및 병렬로 함께 연결되고 적어도 하나의 반도체 스위치, 바람직하게는 IGBT를 필수적으로 포함하는 반도체 전자장치를 개시한다. 반도체 전자장치들은, 추가적인 에너지원을 갖지 않으며, 기계식 스위치가 닫힌 상태에서는, 전류-차단(current-blocking)한다, 즉, 사실상 전류가 없고(current-free) 전압이 없다(voltage-free). 반도체 전자장치들은 디스커넥팅 디바이스로부터, 즉, 차단기 시스템 그 자체로부터 그의 동작을 위해 요구되는 에너지를 획득하고, 이 목적을 위해 기계식 스위치가 개방될 때 발생하는 아크의 에너지가 사용된다. 이 경우, 반도체 전자장치는, 아크 전압이 아크의 결과로서 그의 스위칭 콘택들을 통해 전도하는 방식으로 반도체 전자장치를 스위칭하는 방식으로, 트리거 측의 기계식 스위치에 연결된다.

반도체 전자장치가 전류를 전도하기 위해 스위칭되자 마자, 아크 전류는 기계식 스위치로부터 반도체 전자장치로 정류하기 시작한다. 이 경우, 해당 아크 전압 또는 아크 전류는, 커패시터의 형태인 에너지 저장소를 충전하며, 에너지 저장소는 특히 제어 전압을 발생시키면서 반도체 전자장치의 아크없는 스위칭-오프를 생성하기 위해 방전한다. 미리결정된 시간 지속기간 또는 시간 상수 그리고 이에 따른 에너지 저장소 또는 커패시터의 충전 지속기간은 아크의 지속기간을 결정한다. 충전 프로세스에 후속하여, 반도체 전자장치가 아크-없는(arc-free) 전류 차단 상태로 제어되는 타이밍 엘리먼트가 시작한다. 타이머의 시간 지속기간은 보안 삭제(secure deletion)로 설정된다.

본 발명은, 가장 높은 가능한 스위치 커패시티 및 특히 가장 높은 가능한 구동 속도, 즉, 디스커넥팅 디바이스의 전력 전자장치 유닛의 매우 빠른 제어를 통해 직류원, 특히 광전지 발전기와 전기 장치, 특히 인버터 사이의 직류 인터럽션에 대한 특히 적합한 디스커넥팅 디바이스(하이브리드 스위치 또는 전자장치)를 제공하는 목적에 기반한다.

이 목적은 청구항 1항의 특징들에 의해 본 발명에 따라 달성된다. 유리한 실시예들 및 추가적인 개발들이 종속항들의 주제이다.

이 목적을 위해, 아래에 하이브리드 스위치로서 또한 지칭되는 디스커넥팅 디바이스는, 전류-전도성 기계식 스위치 및 그에 연결된 전력 전자장치 유닛뿐만 아니라 이 스위치가 디스커넥팅됨에 따라 아크에 의해 스위치 상에서 생성되는 아크 전압에 의해 충전되는 에너지 저장소를 갖는다. 하이브리드 스위치는 펄스 발생기를 더 포함하며, 이 펄스 발생기는 커패시터로서 바람직하게 설계된 에너지 저장소에 연결된 펄스 발생기 회로로서 이하에 또한 지칭된다. 펄스 발생기는, 아크의 소멸을 유도하는, 스위치를 단락시키는 방식으로 전력 전자장치 유닛의 적어도 하나의 반도체 스위치를 제어한다.

유리한 실시예에서, 펄스 발생기(펄스 발생기 회로)는 반도체 스위치를 포함하고, 이 반도체 스위치는 에너지 저장소에 연결되고, 이하에서 동작 전압으로서 또한 지칭되는 설정된 또는 조절가능한 전압 값에 에너지 저장소의 충전 전압이 도달할 때 전도하도록 스위칭된다. 펄스 발생기의 이러한 반도체 스위치는 적합하게는 사이리스터이다. 전압 탭이 펄스 발생기의 이러한 반도체 스위치의 다운스트림으로 연결되면, 제어측에서, 전력 전자장치 유닛은 동작 전압에 의해 바람직하게 생성되는 제어 펄스를 탭핑한다. 다시 말해서, 펄스 발생기는 제어측 상에서 이러한 전압 탭을 통해 전력 전자장치 유닛의 제어측, 즉, 적어도 하나의 반도체 스위치에 연결되어, 펄스 발생기의 제어 펄스 또는 제어 신호가 스위칭될 때, 즉, 전도하도록 스위칭될 때, 적어도 하나의 반도체 스위치가 액티베이팅되어, 그후 기계식 스위치, 특히 그의 스위칭 콘택들 또는 그의 대응 콘택 연결들을 단락시킨다. 바람직하게, 펄스 발생기는 스위칭 동작 마다 오직 단일의 제어 펄스, 즉, 단일 펄스만을 생성한다.

적절한 개발에서, 펄스 발생기는 에너지 저장소에 연결된 커패시터를 갖는다. 예컨대, 방전 저항기에 연결된 이러한 커패시터는, 바람직하게는 타이머로서 사용되거나 또는 타이머를 트리거하고, 시간의 경과 이후에, 셧다운, 즉, 제어 펄스 그리고 결과적으로는 전력 전자장치 유닛의 스위칭 오프가 발생한다.

이에 더해, 펄스 발생기는, 바람직하게는, 추가적인 컴포넌트들, 예컨대, 저항기들에 연결되고 그리고 적어도 하나의 제너 다이오드에 연결된 복수의 반도체 스위치들을 갖는 반도체 회로를 포함한다. 적합하게, 펄스 발생기는 적어도 하나의 사이리스터 및 적어도 하나의 트랜지스터(바이폴라 트랜지스터, MOS-트랜지스터, PMOS-트랜지스터)를 포함한다. 펄스 발생기의 커패시터와 관련하여, 반도체 회로는, 펄스 발생기의 커패시터를 충전하는 결과로서, 바람직하게는 MOS-트랜지스터 또는 PMOS-트랜지스터의 형태로 그리고 전압 탭에 연결된 반도체 스위치의 스위칭 전압이 달성될 때, 전압 탭에 존재하는 제어 펄스로 하여금 스위칭 오프되도록 야기한다.

전력 전자장치 유닛의 유리한 실시예에서, 이는 각 경우에 프리-휠링 다이오드를 갖는 IGBT의 형태의 제 1 및 제 2 반도체 스위치를 갖는다. 이러한 반도체 스위치들은 제 1 또는 제 2 전류 경로 내부로 스위칭되고, 이 경로에 기계식 스위치의 제 1 또는 제 2 스위칭 연결이 연결된다. 다이오드들은 이러한 전류 경로들에 적절하게 연결되며, 이와 함께 프리-휠링 다이오드들은 아크 전압을 정류하도록 서빙한다. 2개의 반도체 스위치들에 의해, 전력 전자장치 유닛은 양방향으로 사용될 수 있고, 기계식 스위치의 각각의 스위칭 연결부에서의 전위(양 또는 음)와는 독립적으로, 두 반도체 스위치들은 항상 제어된다.

전력 전자장치 유닛은, 컬렉터-에미터측에서 에너지 저장소에 연결되고 그리고 베이스측에서 펄스 발생기의 전압 탭에 연결되는, 상보형 출력 스테이지에 연결된 트랜지스터들을 갖는 드라이버 스테이지가 적절하게 할당된다. 이러한 출력 스테이지는, 펄스 발생기가 제어 펄스를 드라이버 트랜지스터들의 제어 입력들(베이스들)에 전달할 때 전류 증폭기로서 동작한다. 이는, 전력 전자장치 유닛들의 IGBT들의 빠른 재충전을 초래하며, 이는 특히 빠른 스위칭 프로세스를 결국 허용한다. 적절하게, 드라이버 회로의 커패시터는 재충전 전류를 제공한다.

전력 전자장치 유닛의 그 또는 각각의 반도체 스위치는, 저항기 및 다이오드를 포함하는 직렬 회로와 적절한 개발(컬렉터-베이스 측)에서 연결된다. 다이오드와 저항기 사이의 전위는, 반도체 스위치(IGBT)의 순방향 전압 + 다이오드의 포화 전압에 대응한다. 이 직렬 회로가 측정 회로로서 서빙함에 따라, 반도체 또는 IGBT 특징의 지식은 반도체 스위치에 의해, 즉, 대응 전력 반도체에 의해 전류 흐름에 관한 설명을 행하기 위해 사용될 수 있다. 이 방식으로, 과전류 검출은, 예컨대, 비용-집중 션트의 형태의 추가 전류 측정 엘리먼트 없이 제공된다. 이러한 직렬 또는 측정 회로를 바람직하게 포함하거나 또는 별도의 보호 회로를 또한 포함하는 보호 회로는, 전력 전자장치 유닛의 반도체 스위치(IGBT)의 컬렉터-에미터 전압이 임계값을 초과할 때 펄스 발생기의 제어 펄스를 스위치 오프한다.

2개의 반도체 스위치들(IGBT들)의 경우, 바람직하게는 측정 회로(다이오드와 저항기로 이루어진 직렬 회로)를 포함하는 2개의 이러한 보호 회로들이 각각의 IGBT들에 대해 제공된다. 각각의 보호 회로는 바람직하게는 10μs 내에서 결함이 발생한 경우 IGBT들의 보호를 위해서 IGBT들을 스위칭 오프하기 위해 전력 전자장치 유닛의 단기간, 즉, 충분히 빠른 스위칭 오프를 야기한다.

분리 장치는 적절하게는, 에너지 저장소에 연결된, IGBT 형태의 적어도 하나의 반도체 스위치를 통해 전력 전자장치 유닛에 연결된 전력 공급기를 포함하며, 상기 스위치는 적절하게 추가 반도체 스위치(NPN 트랜지스터)뿐만 아니라 저항기들 및 적어도 하나의 제너 다이오드에 연결되고, 그 충전을 위해 에너지 저장소는 아크 전압에 의해, 그리고 - 동작 전압에 도달한 이후에는 - 후속 충전 인터럽션에 의해 제어된다.

본 발명은, 스위칭 동작 마다 오직 하나의 단일 펄스만을 바람직하게 생성하는 펄스 발생기에 의해, 하이브리드 디스커넥팅 디바이스의 전력 전자장치 유닛의 매우 빠른 제어가 달성되고, 이에 따라 그 스위칭 커패시티가 특히 높은, 즉, 공지된 디스커넥팅 디바이스들과 비교하여 증가되었다는 고려사항에 기반한다. 이에 더해, 보호 회로에 의해, 다이오드 및 저항기의 직렬 연결의 형태의 동시 비용-절감 측정 디바이스를 통해 전력 전자장치 유닛의 신뢰가능한 과전류 검출이 가능하게 된다. 게다가, 전력 전자장치 유닛의 특히 콤팩트한 회로 구성이 가능하게 이루어진다.

바람직하게, 1500V(DC)까지의 DC 전압 범위에서 직류 인터럽션을 위해 본 발명에 따른 디스커넥팅 디바이스가 또한 적절하게 제공된다. 추가적인 기계식 디스커넥터의 바람직한 사용시에, 이러한 자율적인 하이브리드 디스커넥팅 디바이스는 이에 따라, 광전지 시스템과 연관 인버터 사이의 신뢰가능한 비-접촉 갈바닉 직류 인터럽션뿐만 아니라, 예컨대, 연료 전지 시스템 또는 어큐뮬레이터(배터리)와 관련하여 특히 적합하다.

본 발명의 예시적인 실시예들은 도면과 관련하여 이하에 더욱 상세하게 설명된다.

도 1은, 보호 회로뿐만 아니라 펄스 발생기 및 전력 공급기를 포함하는 전력 전자장치 유닛 및 기계식 스위치를 갖는, 광전지 발전기와 인버터 사이에 배열된 하이브리드 디스커넥팅 디바이스의 블록 회로도이다.
도 2는, 전력 전자장치 유닛 및 그의 드라이버 및 보호 회로뿐만 아니라 에너지 저장소로서 커패시터를 갖는 전력 공급기 및 펄스 발생기의 2개의 반도체 스위치들을 갖는 디스커넥팅 디바이스의 상세화된 회로도이다.
도 3은, 하이브리드 디스커넥팅 디바이스의 부분 회로로서의 펄스 발생기이다.
도 4는, 하이브리드 디스커넥팅 디바이스의 부분 회로로서 기계식 스위치의 2개의 콘택 연결부들뿐만 아니라 반도체 스위치들 중 하나의 구동 출력 스테이지를 갖는 전력 전자장치 유닛이다.
도 5는, 하이브리드 디스커넥팅 디바이스의 부분 회로로서 과전류 검출을 위한 측정 회로를 갖는 보호 회로이다.
도 6는, 하이브리드 디스커넥팅 디바이스의 부분 회로로서 정류기 회로를 갖는 전력 공급기이다.
도 7은, 대안적인 정류기 회로를 갖는 하이브리드 디스커넥팅 디바이스의, 도 2에 따른 회로도이다.
상관 부분들에는 도면들에서 동일한 참조 번호들이 제공된다.

도 1은, 예시적인 실시예에서, 광전지 발전기(2)와 인버터(3) 사이에 연결된 디스커넥팅 디바이스(1)를 개략적으로 도시한다. 광전지 발전기(2)는, 상세하게 도시되지 않은 방식으로, 기본적으로 에너지 수집 지점으로서 서빙하는, 공통 발전기 연결 박스에 서로 병렬로 연결된 다수의 솔라 모듈들(4)을 포함할 수 있다.

양극을 나타내는 메인 전류 경로(4)에서, 디스커넥팅 디바이스(1)는, 이하에 기계식 스위치로서 지칭되는 스위칭 콘택(5), 및 그와 병렬로 연결된 전력 전자장치 유닛(6), 및 그 전력 전자장치 유닛(6)을 구동시키는 펄스 발생기(7)를 포함한다. 디스커넥팅 디바이스(1)는 또한 보호 회로(8) 및 전력 공급기(9)를 포함한다. 기계식 스위치(5) 및 전력 전자장치 유닛(6)뿐만 아니라 이들을 구동시키는 펄스 발생기(7)는 자율적인 하이브리드 회로 차단기(하이브리드 스위치)를 형성한다. 추가적인 하이브리드 회로 차단기는, 디스커넥팅 디바이스(1)의 - 그리고 이에 따라 전체 시스템의 음극을 나타내는 리턴 라인(10)에 예시되지 않은 방식으로 연결될 수 있다. 추가적인 기계식 디스커넥팅 엘리먼트의 기계식으로 커플링된 스위칭 콘택들은, 양극을 나타내는 리드 라인(주 경로)(4)에서, 그리고 완전한 갈바닉 분리 또는 직류 인터럽션을 위한 리턴 라인(10)에서 광전지 발전기(2)와 인버터(3) 사이에 배열될 수 있다.

그리하여, 동작 동안 전류가 흐르는 기계식 스위치(5)가 개방되면, 그의 스위칭 콘택들 사이에 아크 LB가 형성된다. 그에 의해 야기되는 아크 전압에 의해, 커패시터 C9(도 2 및 도 6)는 에너지 저장소로서 도 1에 도시된 스위칭 연결부들(J1 및 J2)을 통해 충전된다. 그 충전 전압이 특정 전압값에 도달하자마자, 펄스 발생기(7)는 전력 전자장치 유닛(6)을 활성화시키며, 그 결과 그것은 스위치(5)를 단락시키고, 아크 LB는 소멸된다.

이에 의해, 전력 전자장치 유닛(6)은 스위칭 경로의 탈이온화를 가능하게 하기 위해, 특정 시간 동안, 즉, 설정된 또는 조절가능한 시간 엘리먼트 동안 스위칭 온 된 상태로 적절하게 유지된다. 시간 기간 또는 대응 시간 엘리먼트가 경과한 후, 펄스 발생기(7)는 전력 전자장치 유닛(6)을 스위치 오프한다. 스위칭 프로세스 동안 발생하는 과전압은 배리스터(R5)에 의해 제한된다(도 2 및 도 4). 스위칭 프로세스 동안, 보호 회로(8)는 허용불가한 고전류에 의한 전력 전자장치 유닛(6)의 각각의 전력 반도체(IGBT)(T1, T2)의 파괴를 회피하기 위해 그 반도체를 모니터링한다.

도 2는 디스커넥팅 디바이스(1)를 상세화된 회로도로 도시하며, 여기서 도 1에 사용된 상이한 라인 타입들은 전력 전자장치 유닛(6)의, 펄스 발생기의, 보호 회로(8)의, 그리고 전력 공급기(9)의 컴포넌트들을 프레이밍한다(frame). 전력 전자장치 유닛(6)이 도시된 IGBT들(T1 및 T2)의 형태의 2개의 반도체 스위치들을 바람직하게 갖기 때문에, IGBT들(T1 및 T2)에 대한 2개의 보호 회로들(8) 및 2개의 드라이버 회로들이 또한 제공된다. 더 명확하게 하기 위해, 그 컴포넌트들을 갖는 이러한 회로들 중 오직 하나가 대응 라인 타입에 의해 경계지어진다. 개별적인 서브 회로들은 도 3 내지 도 6에 별도로 도시된다.

도 2 및 도 3에 따라, 펄스 발생기(7)는, 연결부(V1)를 통해 커패시터(C9)에 연결된 사이리스터(T4)의 형태의 반도체 스위치를 포함한다. 반도체 스위치는, PMOS-트랜지스터(P-채널 금속-산화물-반도체 트랜지스터)(Q2)를 통해, 즉, 그 트랜지스터의 컬렉터-에미터 경로를 통해 애노드 측에서 커패시터(C9)에 이르는 V1에 연결된다. 사이리스터(T4)는 저항기들(R16 및 R17)뿐만 아니라 제너 다이오드(D11)에 연결된 PMOS-트랜지스터(Q3)를 통해 제어측 상에서 연결된다. 캐소드 측에서, 사이리스터(T4)는 저항기(R15)를 통해 지면에 연결된 전압 탭(S1)에 저항기(R14)를 통해 연결된다. 게다가, 전압 탭(S1)은 다른 트랜지스터(Q4), 이 경우에는 NMOS 또는 바이폴라 트랜지스터의 드레인-소스 경로를 통해 접지에 연결된다. 전압 탭(S1)에서, 다른 트랜지스터(NMOS 또는 바이폴라 트랜지스터)(Q5)의 베이스 또는 게이트가 또한 존재하며, 그 컬렉터-에미터 경로는 가변 저항기들 및 R21로서 저항기들(R19, R20)을 통해서 뿐만 아니라 커패시터(C9)에 연결된 연결부(V1)와 지면 사이의 저항기(R19)와 병렬로 연결된 커패시터(C3)를 통해 연결된다.

RC 엘리먼트(R19 및 C3)와 병렬로, 저항기(R32) 및 제너 다이오드(D1)로 구성된 직렬 회로가 배열되고, 이 직렬 회로에 PNP 트랜지스터(Q7)의 베이스가 캐소드측에서 연결된다. 추가 사이리스터(T5)의 제어측은 트랜지스터(Q7) 및 저항기(R24)를 통해 커패시터(C9)에 연결된 연결부(V1)에 연결된다. 사이리스터(T5)의 애노드-캐소드 경로는, 커패시터(C9)에 연결된 연결부(V1) 사이에서, 저항기(R22)를 통해 접지에 연결된다. 이 사이리스터(T5)의 캐소드-측 탭은, 저항기(R18)를 통해 트랜지스터(Q4)의 게이트(베이스)에 그리고 저항기(R13)를 통해 트랜지스터(Q2)의 게이트(베이스)에 연결된다. 도시된 그리고 설명된 회로는, 반도체 스위치(T4)에 더해, 펄스 발생기(7)의 대응하여 연결된 반도체 회로를 구성한다. 이하에 설명된 바와 같이, 펄스 발생기(7)는, 전력 전자장치 유닛(6)의 2개의 IGBT들(T1, T2)에 대한 그 또는 각각의 제어 펄스(P)를 발생시킨다.

펄스 발생기(7)의 2개의 사이리스터들(T4 및 T5)은 초기에 블로킹 상태에 있어서, 트랜지스터(Q2)의 게이트는 접지 전위에 있다. 기계식 스위치(5)의 디스커넥팅 동안 발생하는 아크 LB의 결과로서, 커패시터(C5)의 충전 전압 그리고 이에 따른 동작 전압이 증가한다면, 트랜지스터(Q2)의 음의 게이트-소스 전압이 또한 발생하여, 트랜지스터(Q2)가 스위칭되어 사이리스터(T4)의 애노드는 동작 전압의 전위를 갖게 된다. 이 전압이 계속해서 상승하면, 제너 다이오드(D1)는 전도성 상태로 되기 시작한다. 결과적인 전류 흐름은 저항기(R17)에 걸쳐 전압 강하를 야기한다. 이 전압 강하가 트랜지스터(Q3)의 베이스-에미터 전압의 임계값을 초과하면, 트랜지스터(Q3)는 전도성이 된다. 트랜지스터(Q3)가 파괴되는 것을 보호하기 위해, 전류는 저항기(R16)에 의해 제한된다. 이 전류는 사이리스터(T4)의 점화로 이어진다. 저항기(R14)의 값은 저항기(R15)의 값보다 실질적으로 더 작아서, 제어 펄스(P)가 전력 전자장치 유닛(6)에 대해 탭핑되는 전압 탭(S1)에서 이러한 2개의 저항기들(R14, R15) 사이의 전위는 오직 동작 전압 약간 아래에 있게 된다.

사이리스터(T4)가 점화되자마자, 트랜지스터(Q5)는 턴 온되고, 커패시터(C3)는 저항기들(R20 및 R21)을 통해 충전된다. 커패시터(C3)가 초기에 충전되어 있지 않기 때문에, 제너 다이오드(D12)의 애노드의 전위는 동작 전압이다. 커패시터(C3)를 충전함으로써, 전위는 접지로 시프트한다. 제너 다이오드(D12)가 전도성이 되도록 이 전위가 감소되면, 전류는 저항기(R23)를 통해 흐를 것이다. 이 저항기(R23)에 걸친 전압 강하가 PNP-트랜지스터(Q7)의 베이스-에미터 전압의 임계값을 초과하면, PNP-트랜지스터(Q7)는 스위칭된다. 저항기(R24)는 전류 제한을 제공하고 트랜지스터(Q7)를 보호한다.

트랜지스터(Q7)를 통해 흐르는 전류는 사이리스터(T5)의 점화로 이어져서, 그것의 캐소드에서의 전위는 동작 전압에서 순방향 전압을 뺀 값까지 상승한다. 따라서, 트랜지스터(Q4)는 또한 턴 온되고, 전압 탭(S1)에서 저항기들(R14과 R15) 사이의 전위를 접지까지 끌어당긴다. 이에 더해, 트랜지스터(Q2)는 이제 사이리스터(T4)를 차단하여 턴 오프되도록 야기한다. 따라서, 트랜지스터(Q5)는 또한 차단되고, 커패시터(C3)는 저항기(R19)를 통해 방전된다. 사이리스터(T5)는, 커패시터(C9)가 방전될 때까지 전도상태로 유지된다. 이 커패시터가 아크 단계 동안 그리고 또한 스위칭 과전압 동안 재충전되기 때문에, 오직 단일의 제어 펄스가 트리거된다.

도 2 및 도 4에 도시된 전력 전자장치 유닛(6)에는 드라이버 스테이지(11)가 할당된다. 전력 전자장치 유닛(6)의 IGBT들(T1 및 T2)은 B2 정류기 브릿지의 하부 부분을 형성한다. IGBT들(T1 및 T2)의 형태의 프리-휠링 다이오드를 갖는 2개의 전력 반도체들을 사용함으로써, 양방향으로 사용가능한 회로가 달성된다. 기계식 스위치(5)의 예시된 스위치 또는 콘택 연결부(J2)가 양의 전위를 갖고 다른 콘택 연결부(J1)가 음의 전위를 갖는다면, 전류는 IGBT(T2) 및 IGBT(T1)의 프리-휠링 다이오드를 통해 흐를 수 있다. 반대 극성의 경우, IGBT(T2)의 프리-휠링 다이오드 및 IGBT(T1)를 통한 전류 흐름이 가능하다. IGBT의 제어 신호가 그 반대 동작에 대해 영향을 미치지 않기 때문에, 전력 전자장치 유닛(6)의 IGBT들(T1 및 T2) 모두는 항상 제어된다.

IGBT들(T1 및 T2) 모두의 드라이버 회로들(11)이 동일하게 구성되기 때문에, 2개의 드라이버 회로들(11) 중 오직 하나만이 이하에 설명된다. 드라이버 회로(11)는 상보형 출력 스테이지에 연결된, NPN-트랜지스터(Q8) 및 PNP-트랜지스터(Q6)를 포함한다. 펄스 발생기(7)가 2개의 트랜지스터들(Q6 및 Q8)의 베이스들에 제어 펄스(P)를 방출하면, 이들은 전류 증폭기로서 동작하고 그리고 각각의 IGBT(T2, T1)의 게이트의 빠른 재충전을 가능하게 한다. 이는 특히 신속한 스위칭 프로세스를 초래한다. 드라이버 회로(11)의 커패시터(T5)는 재충전 전류를 제공한다. 기생 인덕턴스들 및 커패시턴스들로 인해, 오실레이션들이 각각의 IGBT(T2)의 제어 동안 발생할 수 있기 때문에, IGBT(T2)는 저항기(R28)에 의해 감쇠된다. 드라이버 회로(11)의 제너 다이오드(D16)는, 오실레이션들이 여전히 발생해야 하는 경우, IGBT(T2)의 게이트를 서지들로부터 보호한다. IGBT(T2)의 가파른 스위칭 엣지로 인해, 유도성 부하들을 스위칭할 때, 과전압들이 발생할 수 있기 때문에, 배리스터(R5)는 전력 반도체들(T1, T2)의 파괴를 방지하기 위해 과전압을 제한한다.

도 2 및 도 5는 디스커넥팅 디바이스(1)의 측정 및 보호 회로(8)를 나타낸다. 전력 전자장치 유닛(6)의 반도체 스위치로서 IGBT들이 원칙적으로 단락-회로-프루프(short-circuit-proof)에 있지만, 그럼에도 불구하고 이들은 10μs 내에서 고장이 발생할 때 스위치 오프되어야만 한다. 2개의 IGBT들(T1, T2)의 전류를 모니터링하거나 또는 측정하기 위한 회로들(8)은 동일한 구성이어서, 도 5는 다시 오직 하나의 이러한 회로(8)를 도시한다. 측정 회로는 IGBT(T2)의 게이트와 컬렉터 사이에 연결된 다이오드(D3) 및 저항기(R27)로 이루어진 직렬 회로를 필수적으로 포함한다. IGBT(T2)의 제어 신호는 저항기(R27) 및 다이오드(D3)를 통해 그 컬렉터-에미터 경로에 인가된다.

다이오드(D3)와 저항기(R27) 사이의 전위는, IGBT(T2)의 순방향 전압 + 다이오드(D3)의 포화 전압에 대응한다. 따라서, IGBT 특성을 알면, 이러한 전력 반도체(T2)를 통한 전류 흐름에 관한 설명이 이루어질 수 있다. 스위칭 단계 동안 에너지 저장소로서 커패시터(C9)를 불필요하게 방전시키지 않기 위해, 저항기(R27)는 비교적 높은 저항이다. 그럼에도 불구하고, 고장시에 빠른 스위칭 오프를 가능하게 하기 위해, 대응하여 연결된 트랜지스터들(Q11 및 Q12)을 갖는 상보형 출력 스테이지가 다운스트림에 연결된다. 에미터 측에서 출력 스테이지에 연결된 다이오드(D14)는 2개의 측정 회로들(D3, R27 및 D4, R28)(도 2)이 병렬로 연결되도록 허용한다.

IGBT(T2)의 컬렉터-에미터 전압이 특정 전위를 초과할 때, 보호 회로(8)의 사이리스터(T6)가 트리거된다. 이에 의해, 펄스 발생기(7)의 트랜지스터(Q7)가 턴 온되어, 이에 따라 스위칭-오프 동작을 개시한다. 사이리스터(T6)의 제어측 상의 접지에 연결된 커패시터(C7) 및 이와 병렬로 연결된 저항기(R31)는, 그 중에서도, IGBT(T2)의 스위치-온 단계 동안 보호 회로(8)가 트리핑(tripping)하는 것을 방지하기 위해 필터를 형성한다. 트리핑 전압은 이하의 식을 사용하여 결정될 수 있다.

여기서,

는 컬렉터-에미터 전압이고,

는 베이스-에미터 전압이고,

는 순방향 전압이고,

는 제너 전압이며,

는 점화 전압이다.

도 2 및 도 6는 디스커넥팅 디바이스(1)의 전력 공급기(9)의 회로 구성을 도시한다. 전력 공급기(9)는 에너지 저장소로서 그리고 스위칭 과전압에 대한 보호를 위해 커패시터(C9)를 충전하도록 서빙한다. 기계식 스위치(5)(도 1)는 스위치 또는 콘택 연결부들(J1 및 J2) 사이에 위치된다. 스위치(5)가 회로를 개방하자마자, 아크 LB가 형성된다. 아크 전압은 전력 전자장치 유닛(6)의 반도체 스위치들(회로 차단기)(T1 및 T2)의 전류 경로들(6a 및 6b)에 연결된 다이오드들(D1, D2)을 통해 그리고 IGBT들(T1 및 T2)의 프리-휠링 다이오드들을 통해 각각 정류된다.

전력 공급기(9)는, 게이트가 저항기들(R33 내지 R37)을 통해 충전되는 IGBT(T7)의 형태로 반도체 스위치를 포함한다. 사이리스터(T7)의 게이트-에미터 전위가 임계 전압을 초과하자마자, IGBT(T7)는 턴 온되어 커패시터(C9)가 충전된다. 도 6에 도시된 방식으로 IGBT(T7)에 연결된 것은, NPN-트랜지스터(Q15)이다. 에미터측에서, 트랜지스터(Q15)는 제너 다이오드(D11)를 통해 접지에 연결된다. 커패시터(C9)의 전위가 제너 다이오드(D19)의 값 + 트랜지스터(Q15)의 베이스-에미터 임계 전압에 도달할 때, 트랜지스터(Q15)는 전도성이 되어 IGBT(T7)의 게이트-에미터 전압을 제한한다. 트랜지스터는 그후 차단되기 시작하여, 커패시터(C9)의 충전 전류가 인터럽팅된다. 제너 다이오드(D19)는 또한 과전압으로부터 트랜지스터(Q15) 및 IGBT(T7)의 게이트를 보호한다.

디스커넥팅 디바이스(1)는 또한 업스트림 정류기와 함께 동작될 수 있다. 대응 회로가 도 7에 도시된다. 전력 공급기(9), 측정 및 보호 회로(8)의 펄스 발생기(7), 및 원칙적으로는 전력 전자장치 유닛(6)의 개별적인 서브 회로들이 변경되지 않은 것으로 관찰될 수 있다. 전력 전자장치 유닛(6)의 반도체 스위치로서 IGBT(T2)에 더해, 도 7에 도시된 회로에 삽입된 다이오드들(D1-D4)은 전체 전류를 전달할 수 있어야만 한다. 이에 더해, 스위칭-온 상태의 순방향 전압은 3개의 반도체들의 직렬 회로로 인해 비교적 높다.

본 발명은 위에 설명된 실시예들에 제한되지 않는다. 오히려, 본 발명의 다른 변동들이 또한 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 당업자들로부터 도출될 수 있다. 특히, 예시적인 실시예들과 관련하여 설명된 개별적인 특징들 모두가 또한 본 발명의 주제를 벗어나지 않고 상이한 방식으로 서로 조합될 수 있다.

1 디스커넥팅 디바이스
2 PV 발생기
3 인버터
4 메인 전류 경로
5 기계식 스위치
6 전력 전자장치 유닛
6a 전류 경로
6b 전류 경로
7 펄스 발생기
8 측정/보호 회로
9 전력 공급기
10 리턴 라인
11 드라이버 스테이지
C 커패시터
D 제너 다이오드/다이오드
J1 스위칭 연결부/콘택 연결부
J2 스위칭 연결부/콘택 연결부
LB 아크
P 제어 펄스
Q 트랜지스터
R 저항/저항기
R5 배리스터
S1 전압 탭
S2 전압 탭
T IGBT
V1 연결부

Claims

직류원(2)과 전기 장치(3) 사이의 직류 인터럽션을 위한 디스커넥팅 디바이스(disconnecting device)(1)로서,
상기 디스커넥팅 디바이스(1)는, 전류-전도성 기계식 스위치(5) 및 그에 연결된 전력 전자장치 유닛(6), 및 상기 스위치가 디스커넥팅됨에 따라 아크에 의해 상기 스위치 상에서 발생되는 아크 전압에 의해 충전되는 에너지 저장소(C9)를 가지며,
상기 전력 전자장치 유닛(6)이 상기 스위치(5)를 단락시키고 상기 아크가 소멸되는 방식으로, 상기 전력 전자장치 유닛(6)의 적어도 하나의 반도체 스위치(T1, T2)를 트리거하는, 상기 에너지 저장소(C9)에 연결된 펄스 발생기(7)를 포함하고,
상기 전력 전자장치 유닛(6)은 상기 적어도 하나의 반도체 스위치(T1, T2)를 제어하는 전류 증폭기를 포함하는,
디스커넥팅 디바이스(1).
제 1 항에 있어서,
상기 펄스 발생기(7)는 반도체 스위치(T4)를 포함하고, 상기 반도체 스위치(T4)는, 상기 에너지 저장소(C9)에 연결되고 전압 탭(S1)의 업스트림으로 연결되며, 그리고 상기 에너지 저장소(C9)의 충전 전압이, 설정된 동작 전압 또는 조절가능한 동작 전압에 도달할 때 전도하게 되도록 스위칭되는,
디스커넥팅 디바이스(1).
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 전력 전자장치 유닛(6)의 제어측에서, 상기 전력 전자장치 유닛(6)은, 상기 펄스 발생기(7)의 전압 탭(S1)에서의 충전 전압으로부터 또는 동작 전압으로부터 발생된 제어 펄스(P)를 탭핑하는,
디스커넥팅 디바이스(1).
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 펄스 발생기(7)는, 상기 스위치(5)가 디스커넥팅될 때 상기 전력 전자장치 유닛(6)에 대한 제어 펄스(P)의 출력을 차단하는,
디스커넥팅 디바이스(1).
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
- 상기 전력 전자장치 유닛(6)은, 상기 기계식 스위치(5)의 제 1 스위칭 연결부(J1)에 연결된 제 1 전류 경로(6a)로 연결된 제 1 반도체 스위치(T1)를 갖고,
- 상기 전력 전자장치 유닛(6)은, 상기 기계식 스위치(5)의 제 2 스위칭 연결부(J2)가 연결된 제 2 전류 경로(6b)로 연결된 제 2 반도체 스위치(T2)를 갖는,
디스커넥팅 디바이스(1).
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 전력 전자장치 유닛(6)은, 컬렉터-에미터측에서 상기 에너지 저장소(C9)에 연결되고 그리고 베이스측에서 상기 펄스 발생기(7)의 전압 탭(S1)에 연결되는, 상보형 출력 스테이지에 연결된 트랜지스터들(Q6, Q8)을 갖는 드라이버 스테이지(11)를 갖는,
디스커넥팅 디바이스(1).
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 전력 전자장치 유닛(6)의 상기 또는 각각의 반도체 스위치(T1, T2)는, 상기 전력 전자장치 유닛(6)의 상기 반도체 스위치(T1, T2)의 컬렉터-에미터 전압이 임계값을 초과할 때, 상기 펄스 발생기(7)의 제어 펄스(S1)를 스위치 오프하는 보호 회로(8)에 연결된, 저항기(R27) 및 다이오드(D3)로 이루어진 직렬 회로에 의해 컬렉터-베이스 측에서 연결되는,
디스커넥팅 디바이스(1).
제 3 항에 있어서,
상기 펄스 발생기(7)는 상기 에너지 저장소(C9)에 연결된 커패시터(C3)를 갖고, 전압 탭(S1)의 업스트림에 연결된 반도체 스위치(T4)에 더해, 상기 커패시터(C3)의 충전으로 인해, 상기 전압 탭(S1)에 연결된 반도체 회로(Q2 내지 Q5, Q7, T5)의 반도체 스위치(Q4)의 스위칭 전압에 도달될 때, 상기 전압 탭(S1)에서 상기 제어 펄스(P)를 턴 오프하는 상기 반도체 회로(Q2 내지 Q5, Q7, T5)를 갖는,
디스커넥팅 디바이스(1).
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
적어도 하나의 반도체 스위치(T7)를 갖는 상기 전력 전자장치 유닛(6)에 연결된 전력 공급기(9)를 포함하고, 상기 적어도 하나의 반도체 스위치(T7)는 상기 에너지 저장소(C9)에 연결되고, 그리고 상기 에너지 저장소(C9)를 충전시키기 위해 그리고 동작 전압에 도달할 때 충전 프로세스를 후속하여 종결시키기 위해 액티베이팅되는,
디스커넥팅 디바이스(1).
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 아크 전압을 정류시키기 위한 정류기 회로((D1, D2; D1 내지 D4)를 포함하는,
디스커넥팅 디바이스(1).
제 4 항에 있어서,
상기 스위치(5)가 디스커넥팅될 때, 상기 펄스 발생기(7)의 반도체 스위치(T4)가 상기 전력 전자장치 유닛(6)에 대한 제어 펄스(P)의 출력을 차단하는,
디스커넥팅 디바이스(1).
제 5 항에 있어서,
상기 제 1 반도체 스위치(T1)는 프리-휠링 다이오드를 갖는 IGBT를 포함하고,
상기 제 2 반도체 스위치(T2)는 프리-휠링 다이오드를 갖는 IGBT를 포함하는,
디스커넥팅 디바이스(1).