KR102334153B1 - 전기 단락 디바이스 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 제1 전기 접촉편(404), 제2 전기 접촉편(408), 및 적어도 하나의 방향으로 제1 접촉편(404)과 제2 접촉편(408) 사이의 전류 흐름을 차단시키는 전기 반도전성 결정질 재료로 이루어진 컴포넌트(412)를 포함하는 전기 단락 디바이스(400)에 관한 것이다. 액추에이터(608)는 전기 트리거 신호(S)에 응답하여 컴포넌트(412)에 기계적 힘을 인가하고 그에 의해 컴포넌트(412)의 결정 구조를 적어도 부분적으로 파괴하도록 설계된다.

Description

전기 단락 디바이스
본 발명은 전기 단락 디바이스에 관한 것이다. 전기 회로들에서 특정한 회로 부분들을 단락(브리징)시킬 필요성이 때때로 발생한다. 예를 들어, 직렬로 접속된 많은 수의 전기 모듈들을 포함하는 전력 변환기들이 있다. 동작 동안 모듈들 중 하나가 고장나는 경우, 전기 직렬 회로의 다른 모듈들이 계속 작동될 수 있도록 이 결함있는 모듈을 단락(브리징)시키는 것이 바람직하다.
국제 특허 출원 WO 2011/107363 A1로부터 파이로테크닉 구동(pyrotechnic drive)을 갖는 전기 단락 디바이스가 공지되어 있다. 파이로테크닉 구동은 단락 디바이스의 빠른 폐쇄(fast closure)를 가능하게 해주지만, 때로는 안전(폭발성 재료)에 관련된 문제들을 야기한다.
본 발명은 파이로테크닉 구동이 요구되지 않는 단락 디바이스 및 모듈을 단락시키는 방법을 제공하는 목적에 기초한다.
이 목적은 본 발명에 따라 독립 청구항들에 따른 전기 단락 디바이스 및 방법에 의해 달성된다. 단락 디바이스 및 방법의 유리한 형태들의 실시예는 종속 청구항들에서 주어진다.
- 제1 전기 접촉편 및 제2 전기 접촉편,
- 적어도 하나의 방향으로 제1 접촉편과 제2 접촉편 사이의 전류 흐름을 차단시키는 전기 반도전성 결정질 재료(electrically semiconducting crystalline material)로 이루어진 컴포넌트, 및
- 전기 트리거 신호에 응답하여 컴포넌트에 기계적 힘을 인가하고 그에 의해 컴포넌트의 결정 구조를 적어도 부분적으로 파괴하도록 설계된 (전기) 액추에이터(구동 요소)를 갖는 전기 단락 디바이스(브리징 디바이스)가 개시된다. 액추에이터는 또한 전기 트리거 신호에 응답하여 컴포넌트에 기계적 힘을 인가하고 그에 의해 재료를 파괴하도록 설계될 수 있다. 반도전성 결정질 재료의 적어도 부분적으로 파괴된 결정 구조의 결과로서, 상기 재료는 그의 전기 차단 능력(electrically blocking capacity)을 상실하고, 따라서 그 결과 원래 차단된 방향으로 제1 접촉편과 제2 접촉편 사이의 전류 흐름이 가능해진다. 이 프로세스는 항복(breakdown)이라고도 지칭된다. 결정질 재료의 결정 구조에서의 미세한 균열들(cracks) 또는 파단들(fractures)조차도 단락 디바이스의 전기 차단 속성들을 무효화시키기에 충분할 수 있다. 그렇지만, 기계적 힘에 의해 반도전성 결정질 재료를 (육안으로 볼 수 있는) 복수의 단편들로 파쇄하는 것이, 물론, 또한 가능하다. 액추에이터는, 일반적으로, 전기 신호를 기계적 움직임으로 변환하는 요소이다.
단락 디바이스는 컴포넌트가 제1 접촉편과 제2 접촉편 사이에 배열되도록 설계될 수 있다. 컴포넌트는, 특히, 제1 접촉편과 제2 접촉편 사이에 클램핑될 수 있다. 단락된 상태에서, 전류는 유리하게도, 전류의 방향에 따라, 접촉편들 중 하나로부터 컴포넌트를 통해 접촉편들 중 다른 하나로 흐른다.
단락 디바이스가 디스크 셀(disk cell)로서 설계되도록 단락 디바이스가 설계될 수 있다. 단락 디바이스는 이러한 방식으로 기계적으로 매우 콤팩트하고 견고하도록 설계될 수 있다. 제1 접촉편과 제2 접촉편은 여기서 본질적으로 서로 평행하게 정렬된다.
단락 디바이스는 또한 제1 접촉편이 액추에이터가 배열되는 제1 리세스를 포함하도록 설계될 수 있다. 제1 리세스에 배열된 액추에이터는 컴포넌트에 기계적으로 직접 작용할 수 있다.
단락 디바이스는 또한 제2 접촉편이 제1 리세스 반대편에 배열되는 제2 리세스를 포함하도록 설계될 수 있다. 제2 리세스는 컴포넌트가 기계적 힘에 응답하여 변형될 수 있게 해준다. 이것은 기계적 힘에 응답하여 컴포넌트의 결정 구조가 부분적으로 파괴되는 효과를 갖는다.
단락 디바이스는 컴포넌트가 제1 리세스를 제2 리세스로부터 분리시키도록 설계될 수 있다.
단락 디바이스는 또한 컴포넌트가 디스크(전기 반도전성 결정질 재료로 이루어짐)이도록 설계될 수 있다. 그러한 디스크는 웨이퍼라고도 지칭된다. 이러한 종류의 디스크들이 비교적 얇게 만들어질 수 있기 때문에, 비교적 작은 액추에이터 및/또는 작은 전기 트리거 신호로 결정질 재료의 결정 구조를 파괴하는 것이 가능하다.
단락 디바이스는 컴포넌트가 적어도 하나의 p-n 접합부, 특히 반대 방향들로 정렬된 2개의 p-n 접합부들을 포함하도록 설계될 수 있다.
컴포넌트가 하나의 p-n 접합부만을 포함하는 경우(즉, 컴포넌트가, 예를 들어, 전기 다이오드에 대응하는 경우), 단락 상태에 있지 않을 때, 이는 한 방향의 전류를 차단시킬 수 있다. 컴포넌트가 반대 배향들을 갖는 2개의 p-n 접합부들을 포함하는 경우[즉, 컴포넌트가, 예를 들어, 사이리스터(thyristor)에 대응하는 경우], 단락 상태에 있지 않을 때 컴포넌트는 양방향의 전류를 차단시킬 수 있다.
단락 디바이스는 또한 적어도 하나의 p-n 접합부가, 제1 전기 접촉편에 평행하게 그리고/또는 제2 전기 접촉편에 평행하게 정렬된 평면 p-n 접합부이도록 설계될 수 있다. 하나 또는 복수의 그러한 평면 p-n 접합에 의해, 단락 디바이스가 단락 상태에 있을 때 큰 전류들조차도 안전하게 운반될 수 있다.
단락 디바이스는 또한 액추에이터가 (전기) 피에조 액추에이터((electric) piezo actuator)이도록 설계될 수 있다. 이러한 종류의 피에조 액추에이터는, 특히, 전기 트리거 신호에 응답하여 매우 신속하게 기계적 움직임을 발생시키고, 따라서 전기 트리거 신호에 응답하여 매우 신속하게 컴포넌트에 기계적 힘을 인가할 수 있다는 장점을 갖는다.
단락 디바이스는 또한
- 반도체 컴포넌트가 또한 그의 제어 단자에 의해 (전기적으로) 스위치 온될 수 있도록, 컴포넌트가 전기적 스위칭가능 반도체 요소(특히 사이리스터) - 그의 제어 단자(특히 그의 게이트 단자)는 단락 디바이스로부터 나옴 - 이도록 설계될 수 있다.
전기적으로 직렬로 접속된 복수의 (동일한) 2극 모듈들(서브모듈들)을 갖는 전력 변환기가 추가로 개시되며, 여기서 위에서 설명된 변형들 중 하나에 따른 각자의 전기 단락 디바이스는 [모듈들이 그들에 제각기 할당된 단락 디바이스에 의해 단락(브리징)될 수 있도록] 모듈들 각각에 할당(특히 병렬로 접속)된다.
이 전력 변환기는, 특히, 모듈식 다중레벨 전력 변환기일 수 있다.
전기 2극 모듈을 단락시키기 위한 방법이 추가로 개시되며, 여기서 제1 전기 접촉편, 제2 전기 접촉편 및 전기 반도전성 결정질 재료로 이루어진 컴포넌트를 포함하는 전기 단락 디바이스는 모듈과 병렬로 접속되고, 여기서 이 방법에서
- 제1 접촉편과 제2 접촉편 사이의 전류 흐름은 초기에 적어도 하나의 방향으로 컴포넌트에 의해 차단되고,
- 컴포넌트는 전기 트리거 신호에 응답하여 액추에이터에 의해 기계적 힘을 받으며,
- 컴포넌트의 결정 구조는 그에 의해 적어도 부분적으로 (기계적으로) 파괴되고, 그 결과 (컴포넌트는 항복되고) 원래 차단된 방향으로 제1 전기 접촉편과 제2 전기 접촉편 사이의 전류 흐름이 가능하게 된다.
이 방법은 전기 모듈이 적어도 2개의 전자 스위칭 요소들 및 전기 에너지 저장소를 포함하도록 설계될 수 있다.
이 방법은 또한 전기 모듈이 모듈식 다중레벨 전력 변환기의 모듈(서브모듈)이도록 설계될 수 있다.
이 방법은 또한 컴포넌트가 디스크(전기 반도전성 결정질 재료로 이루어짐)이도록 설계될 수 있다.
단락 디바이스는 액추에이터가 (전기) 피에조 액추에이터이도록 설계될 수 있다.
이 방법은 단락 디바이스와 관련하여 위에서 제시된 것과 동일한 장점들을 갖는다.
본 발명이 예시적인 실시예들을 참조하여 아래에서 보다 상세히 설명된다. 동일한 참조 부호들은 여기서 동일한 또는 동일한 효과를 갖는 요소들을 지칭한다.
여기서
도 1은 복수의 모듈들을 포함하는 전력 변환기의 예시적인 실시예를 도시한다,
도 2는 단락 디바이스를 갖는 모듈의 예시적인 실시예를 도시한다,
도 3은 단락 디바이스를 갖는 모듈의 추가의 예시적인 실시예를 도시한다,
도 4는 단락 디바이스의 예시적인 실시예의 3차원 예시를 도시한다,
도 5는 단락 디바이스의 예시적인 실시예의 평면도를 도시한다,
도 6은 단락 디바이스의 예시적인 실시예의 단면 예시를 도시한다,
도 7은 트리거 신호 이후의 단락 디바이스의 예시적인 실시예의 단면도를 도시한다,
도 8은 전기 반도전성 재료로 이루어진 컴포넌트의 예시적인 실시예를 도시한다,
도 9는 단락 디바이스에 대한 예시적인 회로 심벌을 도시한다.
모듈식 다중레벨 전력 변환기(1)(Modular Multilevel Converter: MMC) 형태의 전력 변환기(1)가 도 1에 예시되어 있다. 이 다중레벨 전력 변환기(1)는 제1 교류 전압 단자(5), 제2 교류 전압 단자(7) 및 제3 교류 전압 단자(9)를 포함한다. 제1 교류 전압 단자(5)는 제1 위상 모듈 브랜치(phase module branch)(11) 및 제2 위상 모듈 브랜치(13)에 전기적으로 접속된다. 제1 위상 모듈 브랜치(11) 및 제2 위상 모듈 브랜치(13)는 전력 변환기(1)의 제1 위상 모듈(15)을 형성한다. 교류 전압 단자(5)로부터 먼 쪽을 향하는 제1 위상 모듈 브랜치(11)의 단부는 제1 직류 전압 단자(16)에 전기적으로 접속되고; 제1 교류 전압 단자(5)로부터 먼 쪽을 향하는 제2 위상 모듈 브랜치(13)의 단부는 제2 직류 전압 단자(17)에 전기적으로 접속된다. 제1 직류 전압 단자(16)는 포지티브 직류 전압 단자이고; 제2 직류 전압 단자(17)는 네거티브 직류 전압 단자이다.
제2 교류 전압 단자(7)는 제3 위상 모듈 브랜치(18)의 한쪽 단부 및 제4 위상 모듈 브랜치(21)의 한쪽 단부에 전기적으로 접속된다. 제3 위상 모듈 브랜치(18) 및 제4 위상 모듈 브랜치(21)는 제2 위상 모듈(24)을 형성한다. 제3 교류 전압 단자(9)는 제5 위상 모듈 브랜치(27)의 한쪽 단부 및 제6 위상 모듈 브랜치(29)의 한쪽 단부에 전기적으로 접속된다. 제5 위상 모듈 브랜치(27) 및 제6 위상 모듈 브랜치(29)는 제3 위상 모듈(31)을 형성한다.
제2 교류 전압 단자(7)로부터 먼 쪽을 향하는 제3 위상 모듈 브랜치(18)의 단부 및 제3 교류 전압 단자(9)로부터 먼 쪽을 향하는 제5 위상 모듈 브랜치(27)의 단부는 제1 직류 전압 단자(16)에 전기적으로 접속된다. 제2 교류 전압 단자(7)로부터 먼 쪽을 향하는 제4 위상 모듈 브랜치(21)의 단부 및 제3 교류 전압 단자(9)로부터 먼 쪽을 향하는 제6 위상 모듈 브랜치(29)의 단부는 제2 직류 전압 단자(17)에 전기적으로 접속된다. 제1 위상 모듈 브랜치(11), 제3 위상 모듈 브랜치(18) 및 제5 위상 모듈 브랜치(27)는 포지티브 측 전력 변환기 부분(32)을 형성하고; 제2 위상 모듈 브랜치(13), 제4 위상 모듈 브랜치(21) 및 제6 위상 모듈 브랜치(29)는 네거티브 측 전력 변환 부분(33)을 형성한다.
각각의 위상 모듈 브랜치는 복수의 모듈들(1_1, 1_2, 1_3, 1_4... 1_n; 2_1... 2_n 등)을 포함하고, 이 모듈들은 (자신의 갈바닉 전류 단자들에 의해) 전기적으로 직렬로 접속된다. 그러한 모듈들은 서브모듈들이라고도 지칭된다. 도 1의 예시적인 실시예에서, 각각의 위상 모듈 브랜치는 n개의 모듈을 포함한다. 자신의 갈바닉 전류 단자들에 의해 전기적으로 직렬로 접속된 모듈의 개수는 크게 다를 수 있고; 적어도 3개의 모듈이 직렬로 접속되지만, 또한, 예를 들어, 50, 100개 또는 그 이상의 모듈이 전기적으로 직렬로 접속될 수 있다. 예시적인 실시예에서, n = 36이며: 따라서 제1 위상 모듈 브랜치(11)는 36개의 모듈(1_1, 1_2, 1_3,... 1_36)을 포함한다. 다른 위상 모듈 브랜치들(13, 18, 21, 27 및 29)은 동일한 구조를 갖는다.
모듈들(1_1 내지 6_n)에 대한 제어 디바이스(35)는 도 1의 좌측 부분에 개략적으로 예시되어 있다. 광학 메시지들 또는 광학 신호들이 광학 통신 접속(37)을 통해(예를 들어, 광섬유를 통해) 이 중앙 제어 디바이스(35)로부터 개별 모듈들에게 전송된다. 제어 디바이스와 모듈 사이의 메시지들의 전송은 각각의 경우에 라인(37)에 의해 심벌로(symbolically) 예시되어 있고; 메시지 전송의 방향은 라인들(37)에서의 화살표 팁들(arrow tips)에 의해 심벌화되어(symbolized) 있다. 이것은 모듈들(1_1, 1_4 및 4_5)의 예를 사용하여 예시되어 있고; 동일한 방식으로, 메시지들이 다른 모듈들에게 전송되거나, 메시지들이 이 모듈들로부터 수신된다. 제어 디바이스(35)는, 예를 들어, 각각의 경우에, 각자의 모듈이 제공해야 하는 출력 전압의 높이에 대한 설정점 값을 개별 모듈들에 송신한다.
전력 변환기(1)의 모듈(200)의 예시적인 실시예가 도 2에 예시되어 있다. 이것은, 예를 들어, 도 1에 예시된 모듈들(1_1... 6_n) 중 하나일 수 있다.
모듈(200)은 하프-브리지 모듈(half-bridge module)(200)로서 설계된다. 모듈(200)은 역병렬로 접속된 제1 다이오드(204)를 갖는 (스위치 오프될 수 있는) 제1 전자 스위칭 요소(202)[스위치 오프될 수 있는 제1 반도체 밸브(202)]를 포함한다. 모듈(200)은 역병렬로 접속된 제2 다이오드(208)를 갖는 (스위치 오프될 수 있는) 제2 전자 스위칭 요소(206)[스위치 오프될 수 있는 제2 반도체 밸브(206)]는 물론, 커패시터(210) 형태의 전기 에너지 저장소(210)를 추가로 포함한다. 제1 전자 스위칭 요소(202) 및 제2 전자 스위칭 요소(206) 각각은 IGBT(insulated-gate bipolar transistor)로서 설계된다. 제1 전자 스위칭 요소(202)는 제2 전자 스위칭 요소(206)와 전기적으로 직렬로 접속된다. 제1 갈바닉 모듈 단자(212)는 2개의 전자 스위칭 요소들(202 및 206) 사이의 접속 지점에 배열된다. 제2 갈바닉 모듈 단자(215)는 접속 지점의 반대편에 있는 제2 전자 스위칭 요소(206)의 단자에 배열된다. 제2 모듈 단자(215)는 게다가 에너지 저장소(210)의 제1 단자에 전기적으로 접속되고; 에너지 저장소(210)의 제2 단자는 접속 지점의 반대편에 있는 제1 전자 스위칭 요소(202)의 단자에 전기적으로 접속된다.
에너지 저장소(210)는 따라서 제1 전자 스위칭 요소(202) 및 제2 전자 스위칭 요소(206)의 직렬 회로와 전기적으로 병렬로 접속된다. 전력 변환기의 전자 제어 디바이스(예시되지 않음)에 의한 제1 전자 스위칭 요소(202) 및 제2 전자 스위칭 요소(206)의 적절한 구동을 통해, 제1 모듈 단자(212)와 제2 모듈 단자(215) 사이에서 에너지 저장소(210)의 전압이 출력되는 것, 또는 어떠한 전압도 출력되지 않는 것(즉, 제로 전압이 출력되는 것) 중 어느 하나가 달성 가능하다. 개별 위상 모듈 브랜치들의 모듈들의 상호작용을 통해, 따라서 전력 변환기의 각각 원하는 출력 전압이 생성될 수 있다.
단락 디바이스(220)는 모듈(200)과 병렬로 접속된다. 따라서 단락 디바이스(220)는 제1 모듈 단자(212)와 제2 모듈 단자(215) 사이에 접속된다. 단락 디바이스(220)가 단락된 상태(short-circuited state)/단락시키는 상태(short-circuiting state)에 진입할 때, 단락 디바이스(220)는 모듈(200)을 브리징시키고; 단락 디바이스(220)는 모듈(200)을 단락시킨다. 전력 변환기의 동작 전류는 이어서, 예를 들어, 제1 모듈 단자(212)로부터, 단락 디바이스(220)를 경유하여, 제2 모듈 단자(215)로[모듈(200)의 다른 컴포넌트들을 경유하지 않고, 특히 스위칭 요소들(202, 206) 및 다이오드들(204, 208)을 경유하지 않고] 흐른다.
전력 변환기(1)의 모듈(300)의 추가의 예시적인 실시예가 도 3에 예시되어 있다. 이것은, 예를 들어, 도 1에 예시된 모듈들(1_1... 6_n) 중 하나일 수 있다. 도 2로부터 이미 알려진 제1 전자 스위칭 요소(202), 제2 전자 스위칭 요소(206), 제1 프리휠링 다이오드(204), 제2 프리휠링 다이오드(208) 및 에너지 저장소(210)에 부가하여, 도 3에 예시된 모듈(300)은 역병렬로 접속된 제3 프리휠링 다이오드(304)를 갖는 제3 전자 스위칭 요소(302)는 물론, 역병렬로 접속된 제4 프리휠링 다이오드(308)를 갖는 제4 전자 스위칭 요소(306)를 포함한다. 제3 전자 스위칭 요소(302) 및 제4 전자 스위칭 요소(306) 각각은 IGBT로서 설계된다. 도 2의 회로와 달리, 제2 모듈 단자(315)는 제2 전자 스위칭 요소(206)에 전기적으로 접속되지 않고, 제3 전자 스위칭 요소(302) 및 제4 전자 스위칭 요소(306)로 이루어져 있는 전기 직렬 회로의 중앙 지점에 전기적으로 접속된다.
도 3에서의 모듈(300)은 풀-브리지 모듈(full-bridge module)(300)이라고 알려진 것이다. 이 풀-브리지 모듈(300)은, 제1 (갈바닉) 모듈 단자(212)와 제2 (갈바닉) 모듈 단자(315) 사이의 4개의 전자 스위칭 요소의 적절한 구동 시에, 임의로 에너지 저장소(210)의 포지티브 전압 또는 에너지 저장소(210)의 네거티브 전압 또는 제로 값을 갖는 전압(제로 전압)이 출력될 수 있다는 것을 특징으로 한다. 따라서 출력 전압의 극성은 풀-브리지 모듈(300)에 의해 반전될 수 있다. 다중레벨 전력 변환기(1)는 하프-브리지 모듈들만(200) 또는 풀-브리지 모듈들만(300) 또는 하프-브리지 모듈들(200)과 풀-브리지 모듈들(300)도 포함할 수 있다.
단락 디바이스(320)는 모듈(300)과 병렬로 접속된다. 따라서 단락 디바이스(320)는 제1 모듈 단자(212)와 제2 모듈 단자(315) 사이에 접속된다. 단락 디바이스(320)가 단락된 상태/단락시키는 상태에 진입할 때, 단락 디바이스(320)는 모듈(300)을 브리징시키고; 단락 디바이스(320)는 모듈(300)을 단락시킨다. 전력 변환기의 동작 전류는 이어서, 예를 들어, 제1 모듈 단자(212)로부터, 단락 디바이스(320)를 경유하여, 제2 모듈 단자(315)로[모듈(300)의 다른 컴포넌트들을 경유하지 않고, 특히 스위칭 요소들(202, 206, 302, 306) 및/또는 다이오드들(204, 208, 304, 308)을 경유하지 않고] 흐른다. 단락 디바이스(320)는 단락 디바이스(220)와 같이 구성될 수 있다.
단락 디바이스(400)의 예시적인 실시예의 외부 뷰(external view)가 도 4에 개략적으로 도시되어 있다. 이 단락 디바이스(400)는, 예를 들어, 단락 디바이스(220) 또는 단락 디바이스(320)일 수 있다.
단락 디바이스(400)는 본질적으로 비교적 낮은 높이를 갖는 직선의 원형 실린더(straight, circular cylinder)의 외부 형태, 즉 디스크 셀(400)라고 알려진 것의 형상을 갖는다. 제1 전기 접촉편(404), 제2 전기 접촉편(408), 및 제1 전기 접촉편(404)과 제2 전기 접촉편(408) 사이에 배열된 전기 반도전성 결정질 재료로 이루어져 있는 컴포넌트(412)가 개략적으로 표시되어 있다.
제1 전기 접촉편(404)은 제1 압력 요소(404)로서 설계될 수 있고; 제2 전기 접촉편(408)은 제2 압력 요소(408)로서 설계될 수 있다. 컴포넌트(412)는 제1 압력 요소(404)와 제2 압력 요소(408) 사이에 브레이싱/클램핑될 수 있다. 제1 전기 접촉편(404) 및 제2 전기 접촉편(408)은 금속, 예를 들어, 구리로 이루어져 있을 수 있다. 단락 디바이스(400)의 평면도가 도 5에 개략적으로 예시되어 있다. 단락 디바이스(400)의 직경을 따른 단면(section)이 도 5에서 일점쇄선(dot-dash line)으로 표시되어 있다. 연관된 단면 예시들이 도 6 및 도 7에 도시되어 있다.
단락되지 않은 상태(not-short-circuited state)에 있는 단락 디바이스(400)를 통한 단면도가 도 6에 개략적으로 예시되어 있다. 이러한 단락되지 않은 상태[단락시키지 않는 상태(not-short-circuiting state)]는 개방된 스위치(open switch)에 대응한다. 제1 접촉편(404) 및 제2 접촉편(408) 각각은 직선의 원형 실린더의 기본 형상을 갖는다. 제1 접촉편(404)은 액추에이터(608)가 배열되는 제1 리세스(604)를 포함한다. 제1 리세스(604)는 중앙 리세스(604)이다. 예시적인 실시예에서, 제1 리세스(604)는 회전 대칭 설계를 갖는다.
액추에이터(608)는 전기 신호(트리거 신호)를 기계적 움직임으로 변환한다. 기계적 움직임에 의해, 액추에이터(608)는 컴포넌트(412)에 기계적 힘을 인가할 수 있다. 액추에이터(608)는 2개의 단자들(612)을 포함하며, 이들을 통해 전기 트리거 신호가 액추에이터(608)에 피드된다. 예시적인 실시예에서, 액추에이터는 압전 액추에이터(608)이다. 이 압전 액추에이터(608)는 압전 결정체(piezoelectric crystal)에 의해 그 신호를 기계적 움직임으로 변환한다. 그에 의해 그 힘이 컴포넌트(412)에 인가된다. 압전 결정체는 개략적으로 예시된 액추에이터(608)에 표시되어 있다.
제2 리세스(620)는 제2 접촉편(408)에 배열된다. 이 제2 리세스(620)는 제1 리세스(604)의 반대편에 배열된다. 컴포넌트(412)는 제1 접촉편(404)과 제2 접촉편(408) 사이에 배열된다. 따라서 컴포넌트(412)는 제1 리세스(604)를 제2 리세스(620)로부터 분리시킨다. 컴포넌트(412)는 예시적인 실시예에서 전기 반도전성 결정질 재료로 구성된 디스크이다.
예시적인 실시예에서, 제1 리세스(604)와 제2 리세스(620)는 서로 상보적으로 설계된다. 제2 리세스(620)는 확장 리세스(예를 들어, 확장 챔버)를 나타낸다. 이 제2 리세스(620)는 컴포넌트(412)가 기계적 힘에 응답하여 [제2 리세스(620)의 방향으로] 기계적으로 변형되는 것, 그에 의해 컴포넌트(412)의 결정 구조가 적어도 부분적으로(특히 적어도 국소적으로) 파괴되는 것을 가능하게 한다.
단락 디바이스(400)는 도 7에서 단락시키는 상태로 개략적으로 예시되어 있다. 전기 트리거 신호(S)에 응답하여, 액추에이터(608)는 컴포넌트(412)에 기계적 힘을 인가하였다. 컴포넌트(412)는 그 힘에 의해 제2 리세스(620)의 방향으로 구부러지고, 그 결과 컴포넌트(412)는 파단된다. 컴포넌트(412)의 이러한 파단은 도 7에, 대략적으로(coarsely) 그리고 개략적으로, 예시되어 있다. 힘의 인가의 결과로서, 컴포넌트(412)의 결정 구조에 작은 균열들이 형성된다면 그리고 컴포넌트의 결정 구조가 그에 의해 적어도 부분적으로 파괴된다면 완전히 적절하다.
컴포넌트의 결정 구조의 이러한 파괴를 통해, 컴포넌트(412)는 전류 흐름을 더 이상 차단시킬 수 없고, 전류는 이제, 예를 들어, 제1 접촉편(404)으로부터, 컴포넌트(412)를 통해, 제2 접촉편(408)으로 흐를 수 있다. 컴포넌트(412)의 전기 반도전성 결정질 재료는 전하 캐리어들로 플러딩되고(flooded), 그에 의해 전도성이다. 이 프로세스는 항복이라고도 지칭된다. 그 결과, 제1 접촉편(404)은 제2 접촉편(408)에 단락되고, 전기 단락 디바이스(400)는 그의 단락된(단락시키는) 상태에 있다.
다른 말로 하면, 액추에이터(608)의 작용력(acting force)은 컴포넌트(412)로 배향된다. 단락 디바이스(400)를 스위치 온시키기 위해, 전기 트리거 신호(S)(예를 들어, 전압 펄스)가 액추에이터(608)에 인가된다. 그 결과 발생하는 액추에이터(608)의 작용력은 컴포넌트(412)에 작용하고, 컴포넌트를 제2 리세스(620) 내로 밀어내며 그에 의해 컴포넌트(412)를 파단시킨다. 결정 미세구조에서의 결과적인 파단의 결과로서, 컴포넌트(412)는 자신의 절연 또는 차단 속성들을 상실하고, 제1 접촉편(404)과 제2 접촉편(408) 사이의 확실한 단락을 보장한다[컴포넌트(412)가 항복된다].
도 6 및 도 7에서, 보다 용이한 인식을 위해, 제1 접촉편(404)과 컴포넌트(412) 사이에는 물론 컴포넌트(412)와 제2 접촉편(408) 사이에 공간이 도시되어 있음에 유의해야 한다. 그렇지만 이 공간은 보다 나은 명확함의 이유로만 존재한다. 실제로, 완전히 조립된 단락 디바이스에서, 제1 접촉편(404)과 컴포넌트(412) 사이에 및 컴포넌트(412)와 제2 접촉편(408) 사이에 그러한 큰 거리가 대체로 존재하지 않는다. 컴포넌트(412)는, 오히려, 제1 접촉편(404)과 제2 접촉편(408) 사이에 클램핑되며; 컴포넌트(412)는 접촉편들(404 및 408)에 의해 유지된다.
컴포넌트(412)의 예시적인 가능한 구조의 단면도가 도 8에 개략적으로 도시되어 있다. 컴포넌트는 단결정 또는 다결정 실리콘의 디스크(412)로서 설계된다. 디스크(412)는 4개의 상이하게 도핑된 층, 즉 제1 p-층(804), 제1 n-층(808), 제2 p-층(812) 및 제2 n-층(816)을 포함한다. 디스크(412)는 그에 의해 복수의 p-n 접합부들, 즉 예를 들어, 제1 p-층(804)과 제1 n-층(808) 사이의 제1 p-n 접합부 및 제2 p-층(812)과 제1 n-층(808) 사이의 제2 p-n 접합부를 포함한다. 제1 p-n 접합부는 제2 p-n 접합부와 대향하여 정렬된다. 따라서, 컴포넌트(412)(비-파괴된 상태에 있을 때)는 양방향으로 전류를 차단시킬 수 있다. 다른 한편으로, 컴포넌트(412)의 파괴된 상태에서, p-n 접합부들은 더 이상 유효하지 않으며, 전류가 양방향으로 흐를 수 있다.
p-n 접합부들은 예시적인 실시예에서 평면 p-n 접합부들로서 설계된다. p-n 접합부들은 제1 전기 접촉편과 평행하게 그리고/또는 제2 전기 접촉편과 평행하게 정렬된다.
도 8에 개략적으로 예시된 컴포넌트(412)는 본질적으로 사이리스터 또는 4층 다이오드(Shockley 다이오드)의 구조를 갖는다. 다른 예시적인 실시예에서, 이 컴포넌트(412)는 또한 간단한 다이오드의 구조를 가질 수 있다. 이 경우에, 컴포넌트(412)는 제1 p-층(804) 및 제1 n-층(808)만을 가질 것이고; 따라서 하나의 p-n 접합부만이 컴포넌트(412)에 존재할 것이다. 이 경우에, 컴포넌트(412)는 한 방향으로만 전류를 차단시킬 수 있을 것이다.
임의로, 컴포넌트(412)는 또한 전기적으로 스위칭가능한 반도체 요소(특히 사이리스터)로서 설계될 수 있으며, 그의 제어 단자(특히 그의 게이트 단자)는 단락 디바이스(400)로부터 나온다. 제어 단자는 그러면, 예를 들어, 제2 p-층(812)과 접촉할 것이다. 반도체 컴포넌트는 그러면 또한 그의 제어 단자에 의해 (전기적으로) 스위치 온될 수 있다. 이것은 단락 디바이스를 두 가지 상이한 방식으로, 즉 한편으로는 컴포넌트가 기계적 힘을 받게 하는 액추에이터(608)에 의해, 그리고 다른 한편으로는 반도체 컴포넌트의 제어 단자(특히 사이리스터의 게이트 단자)에 의해 스위치 온시키는 것을 가능하게 한다. 첫 번째 경우는 컴포넌트(412)의 파괴 하에 단락 디바이스를 한 번만 스위치 온시키는 것을 가져오는 반면, 두 번째 경우는 단락 디바이스(400)의 가역적 스위칭 온, 또는 반복된 스위칭 온을 가능하게 한다. 따라서, 컴포넌트는, 부가적으로, 전기적으로 가역적으로 스위칭가능한 방식으로 스위치 오프될 수 있다. 단락 디바이스(400)는 그에 의해 보다 다양한 방식으로 사용될 수 있다.
단락 디바이스(400)에 대한 회로 심벌은 도 9에 심벌로 예시되어 있다. 단락 디바이스(400)가, 본질적으로 단일 작동(single actuation) 또는 단일 스위칭 온(single switching on)을 위해 제공되는 압전 작동 회로 클로저(piezoelectrically actuated circuit closer)[일회 회로 클로저(one-time circuit closer), 일회 회로 쇼터(one-time circuit shorter)]를 나타낸다는 것이 인식되어야 한다.
단락 디바이스가 단락시키지 않는 상태로부터 단락시키는 상태로 전환될 때, 이하의 프로세스가 일어난다.
초기에(트리거 신호가 액추에이터에 인가되기 전에), 제1 접촉편과 제2 접촉편 사이의 전류 흐름은 적어도 하나의 방향으로 컴포넌트에 의해 차단된다. 트리거 신호가 액추에이터에 인가될 때, 컴포넌트는 액추에이터에 의해 기계적 힘을 받는다. 컴포넌트의 결정 구조는 기계적 힘에 의해 적어도 부분적으로 (기계적으로) 파괴된다. 그 결과, 원래 차단된 방향으로 제1 전기 접촉편과 제2 전기 접촉편 사이에서 전류 흐름이 가능하게 된다. 이것은 컴포넌트의 항복이라고도 지칭된다.
단락 디바이스(400)는 바이패스 디스크 셀이라고도 지칭될 수 있다. 단락 디바이스(400)는 비-파이로테크닉적으로 작동되는 단락 회로 디바이스(non-pyrotechnically actuated short-circuit device), 또는 비-파이로테크닉적으로 작동되는 바이패스 스위치(non-pyrotechnically actuated bypass switch)를 나타낸다. 단락 디바이스(400)는 매우 짧은 시간 내에, 예를 들어 1 밀리초 미만의 시간 내에 폐쇄될(closed) 수 있다. 이것은 특히, 고장의 경우에, 전력 변환기의 결함있는 모듈들을 브리징시키기 위해 전력 변환기들 내의 단락 디바이스(400)를 사용하는 것을 가능하게 한다. 결함 모듈들을 브리징시키는 것에 의해, 전력 변환기의 동작 전류, 및 그에 의해 전력 변환기의 동작이 계속 유지될 수 있다. 바이패스 스위치(400)[단락 디바이스(400)]는, 단락시키는 상태에(폐쇄된 상태에) 있을 때, 다음 서비스(servicing)까지 확실하게 전력 변환기의 동작 전류를 운반하고, 그에 의해 확실하게 결함있는 모듈을 브리징(단락)시킬 수 있다.
전기 모듈을 단락시키기 위한 전기 단락 디바이스는 물론 방법이 설명되었다.

Claims (17)

  1. 전기 단락 디바이스(400)로서,
    - 제1 전기 접촉편(404) 및 제2 전기 접촉편(408),
    - 적어도 하나의 방향으로 상기 제1 접촉편(404)과 상기 제2 접촉편(408) 사이의 전류 흐름을 차단시키는 전기 반도전성 결정질 재료로 이루어진 컴포넌트(412), 및
    - 전기 트리거 신호(S)에 응답하여 상기 컴포넌트(412)에 기계적 힘을 인가하고 그에 의해 상기 컴포넌트(412)의 결정 구조를 적어도 부분적으로 파괴하도록 설계된 액추에이터(608)를 갖는, 전기 단락 디바이스.
  2. 제1항에 있어서,
    - 상기 컴포넌트(412)는 상기 제1 접촉편(404)과 상기 제2 접촉편(408) 사이에 배열되는 것을 특징으로 하는, 전기 단락 디바이스.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    - 상기 단락 디바이스(400)는 디스크 셀로서 설계되는 것을 특징으로 하는, 전기 단락 디바이스.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    - 상기 제1 접촉편(404)은 상기 액추에이터(608)가 배열되는 제1 리세스(604)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 전기 단락 디바이스.
  5. 제4항에 있어서,
    - 상기 제2 접촉편(408)은 상기 제1 리세스(604)의 반대편에 배열되는 제2 리세스(620)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 전기 단락 디바이스.
  6. 제5항에 있어서,
    - 상기 컴포넌트(412)는 상기 제1 리세스(604)를 상기 제2 리세스(620)로부터 분리시키는 것을 특징으로 하는, 전기 단락 디바이스.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    - 상기 컴포넌트(412)는 디스크인 것을 특징으로 하는, 전기 단락 디바이스.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    - 상기 컴포넌트(412)는 적어도 하나의 p-n 접합부, 또는 반대 방향들로 정렬된 2개의 p-n 접합부들을 포함하는 것을 특징으로 하는, 전기 단락 디바이스.
  9. 제8항에 있어서,
    - 상기 적어도 하나의 p-n 접합부는, 상기 제1 전기 접촉편(404)에 평행하게 그리고/또는 상기 제2 전기 접촉편(408)에 평행하게 정렬된 평면 p-n 접합부인 것을 특징으로 하는, 전기 단락 디바이스.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    - 상기 액추에이터(608)는 피에조 액추에이터인 것을 특징으로 하는, 전기 단락 디바이스.
  11. 전기적으로 직렬로 접속된 복수의 2극 모듈들(1_1... 6_n)을 갖는 전력 변환기(1)로서, 제1항 또는 제2항에 청구된 바와 같은 각자의 전기 단락 디바이스(220, 320, 400)는 상기 모듈들 각각에 할당되는, 전력 변환기.
  12. 제11항에 있어서,
    - 상기 전력 변환기(1)는 모듈식 다중레벨 전력 변환기인 것을 특징으로 하는, 전력 변환기.
  13. 전기 2극 모듈(1_1... 6_n)을 단락시키기 위한 방법으로서, 제1 전기 접촉편(404), 제2 전기 접촉편(408) 및 전기 반도전성 결정질 재료로 이루어진 컴포넌트(412)를 포함하는 전기 단락 디바이스(400)는 상기 모듈과 병렬로 접속되고, 상기 방법에서
    - 상기 제1 접촉편(404)과 상기 제2 접촉편(408) 사이의 전류 흐름은 초기에 적어도 하나의 방향으로 상기 컴포넌트(412)에 의해 차단되고,
    - 상기 컴포넌트는 전기 트리거 신호(S)에 응답하여 액추에이터(608)에 의해 기계적 힘을 받으며,
    - 상기 컴포넌트(412)의 결정 구조는 상기 기계적 힘에 의해 적어도 부분적으로 파괴되고, 그 결과 원래 차단된 방향으로 상기 제1 전기 접촉편(404)과 상기 제2 전기 접촉편(408) 사이의 상기 전류 흐름이 가능하게 되는, 전기 2극 모듈의 단락 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    - 상기 전기 모듈(1_1... 6_n)은 적어도 2개의 전자 스위칭 요소들(202, 206) 및 전기 에너지 저장소(210)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 전기 2극 모듈의 단락 방법.
  15. 제13항 또는 제14항에 있어서,
    - 상기 전기 모듈(1_1... 6_n)은 모듈식 다중레벨 전력 변환기(1)의 모듈인 것을 특징으로 하는, 전기 2극 모듈의 단락 방법.
  16. 제13항 또는 제14항에 있어서,
    - 상기 컴포넌트(412)는 디스크인 것을 특징으로 하는, 전기 2극 모듈의 단락 방법.
  17. 제13항 또는 제14항에 있어서,
    - 상기 액추에이터(608)는 피에조 액추에이터인 것을 특징으로 하는, 전기 2극 모듈의 단락 방법.
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