KR20180108823A - 자체-점검 전력 전자 제품들 및 트리거링 회로를 갖는 고장 전류 제한기 - Google Patents

Abstract

고장 전류 제한기는 제 1 전류를 송신하기 위한 전류 제한 레그, 및 전류 제한 레그와 병렬이며 제 2 전류를 송신하기 위한 제어 레그를 포함할 수 있다. 제어 레그는 서로 전기적으로 직렬로 배열된 복수의 고체 상태 스위치들; 복수의 고체 상태 스위치들과 전기적으로 직렬로 배열된 복수의 전류 모니터들; 및 적어도 하나의 트리거링(triggering) 회로를 포함할 수 있으며, 여기에서 복수의 전류 모니터들은 적어도 하나의 트리거링 회로에 전기적으로 결합되고, 적어도 하나의 트리거링 회로는 광학적으로 복수의 고체 상태 스위치들에 결합된다.

Description

자체-점검 전력 전자 제품들 및 트리거링 회로를 갖는 고장 전류 제한기

본 실시예들은 전류 제한 디바이스들에 관한 것으로서, 더 구체적으로는 고체 상태 고장 전류 제한기들에 관한 것이다.

오늘날, 고체 상태 고장 전류 제한기(solid state fault current limiter; SSFCL)들이 수천 암페어의 전류들의 송신이 일반적인 송신 라인들에 걸쳐 전류를 조절하기 위하여 사용된다. SSFCL 시스템들은 고장 상태의 경우에 과도한 전류를 방지하도록 설계된다. SSFCL의 일 설계에 있어서, 상호 리액터(mutual reactor)는 부하 전류를 제어 레그(leg) 및 제한 레그로 분할하도록 구성된다. 제어 레그는 전력 전자 스위치(들)를 포함할 수 있으며, 수백 암페어와 같은 전력 전자 스위치들의 정격 내의 전류를 잘 송신하도록 설계된다. 제한 레그는 수천 암페어를 송신하도록 설계될 수 있으며, 추가로 잠재적인 고장 전류를 희망되는 안전 레벨로 제한하기 위하여 적절한 자체-인덕턴스를 갖도록 설계될 수 있다. 정상 상태 하에서 전류는 상호 리액터의 레그들 둘 모두에서 흐르며, 여기에서 리액터는 이러한 상황에서는 낮은 손실을 갖도록 설계된다. 전류 레그의 제어 전류를 모니터링하고, 전류 문턱값(threshold)(또는 다른 트리거링 기법)이 초과될 때 전력 전자 스위치(들)를 개방하여 상호 리액터가 불균형하게 되고 그런 다음 제한 레그의 자체-인덕턴스가 제한 레그에서 흐르는 전류를 안전 레벨까지 감소시키기 위한 회로 또는 유사한 컴포넌트가 제공된다.

전술된 설계의 하나의 문제는 고체 상태 스위치들이 회로를 단락(short)시키는 것을 실패할 때 발생한다. 이러한 회로가 고장 시에 고체 상태 스위치들을 단지 개방할 뿐이기 때문에, 고체 상태 스위치들의 임의의 고장이 고장 보호에 대한 요구에서 명백하다. 고장 전류 제한기는 고체 상태 스위치들 고장 또는 다른 컴포넌트 고장에 대하여 보호하기 위한 퓨즈를 포함할 수 있다. 퓨즈 설계의 하나의 문제는, 총 전류가 증가할 때 제어 레그 내의 퓨즈를 끊기 위하여 사용되는 에너지가 네트워크를 제 1 피크(peak) 고장(즉, 약 5ms에서의) 손상으로부터 보호하기에 충분하지 않을 수 있다는 것이다. 실제로, 상호 리액터가 (예를 들어, 고 피크 고장 전류 감소 요건에 기인하여) 정상 전류보다 더 적은 통과되는 고장 전류를 갖도록 설계될 때, 퓨즈 보호 시스템은 작동하지 않을 수 있다.

이러한 그리고 다른 고려사항들에 관하여, 본 개시가 제공된다.

일 실시예에 있어서, 고장 전류 제한기는 제 1 전류를 송신하기 위한 전류 제한 레그, 및 전류 제한 레그와 병렬이며 제 2 전류를 송신하기 위한 제어 레그를 포함할 수 있다. 제어 레그는 서로 전기적으로 직렬로 배열된 복수의 고체 상태 스위치들; 복수의 고체 상태 스위치들과 전기적으로 직렬로 배열된 복수의 전류 모니터들; 및 적어도 하나의 트리거링(triggering) 회로를 포함할 수 있으며, 여기에서 복수의 전류 모니터들은 적어도 하나의 트리거링 회로에 전기적으로 결합되고, 적어도 하나의 트리거링 회로는 광학적으로 복수의 고체 상태 스위치들에 결합된다.

다른 실시예에 있어서, 방법은 고장 전류 제한기의 트리거 보드(trigger board)에서 자체-테스트 절차를 개시하기 위한 신호를 수신하는 단계를 포함할 수 있다. 방법은 신호를 수신하는 단계 이후에 트리거 보드에서 자체-테스트 절차를 개시하는 단계를 더 포함할 수 있다.

다른 실시예에 있어서, 고장 전류 제한기는 제어 레그 내에 서로 전기적으로 직렬로 배열된 복수의 고체 상태 스위치 모듈들 및 복수의 고체 상태 스위치들과 전기적으로 직렬로 배열된 복수의 전류 모니터들을 포함할 수 있다. 고장 전류 제한기는 적어도 하나의 트리거링 회로를 더 포함할 수 있으며, 여기에서 복수의 전류 모니터들은 적어도 하나의 트리거링 회로에 결합되고, 적어도 하나의 트리거링 회로는 복수의 고체 상태 스위치 모듈들에 결합된다. 고장 전류 제한기는 추가적으로 적어도 하나의 트리거링 회로에 결합된 모니터링 회로를 포함할 수 있다.

도 1은 본 개시의 실시예들에 따른 예시적인 고장 전류 제한기를 나타낸다.
도 2는 본 개시의 다른 실시예들에 따른 다른 예시적인 고장 전류 제한기를 나타낸다.
도 3은 본 개시의 추가적인 실시예들에 따른 고장 전류 제한기의 예시적인 제어 레그를 나타낸다.
도 4는 본 개시의 추가적인 실시예들에 따른 예시적인 프로세스 흐름을 나타낸다.
도 5는 본 개시의 추가적인 실시예들에 따른 예시적인 프로세스 흐름을 나타낸다.

이제 이하에서 본 실시예들이, 일부 실시예들이 도시된 첨부된 도면들을 참조하여 더 완전하게 설명될 것이다. 본 개시의 내용이 다수의 상이한 형태들로 구현될 수 있으며, 본원에서 기술되는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되지 않아야 한다. 이러한 실시예들은 본 개시가 완전하고 철저해질 수 있도록 제공되며, 본원의 범위를 당업자들에게 완전하게 전달할 것이다. 도면들에서, 유사한 도면번호들이 전체에 걸쳐 유사한 엘리먼트들을 지칭한다.

본 실시예들은 개선된 고장 전류 보호를 위한 장치들, 시스템들 및 방법들과 관련된다. 다양한 실시예들은, 검출 회로들 및 전력 전자 제품들을 포함하는 고장 전류 제한기의 컴포넌트들을 점검하는 것을 가능하게 하기 위한 회로 아키텍처 및 기술들을 제공함으로써 고장 보호에 대한 요구 불량과 관련된 문제들을 처리한다. 다양한 실시예들은 복수의 고체 상태 스위치들과 전기적으로 직렬로 배열된 복수의 전류 모니터들을 포함하는 고장 전류 제한기의 제어 레그를 제공한다. 다양한 실시예들에 있어서, 복수의 고체 상태 스위치들을 제어하기 위한 제어 레그의 신규한 실시예들에 제공된다.

일부 실시예들에 있어서, 복수의 트리거링 회로들은 본원에서 이하에서 상세화되는 바와 같이 복수의 고체 상태 스위치들에 결합될 수 있다. 주어진 트리거링 회로는 일부 실시예들에서 전용 트리거링 회로 보드 상에 배치될 수 있다. 트리거링 회로는, 복수의 전류 모니터들로부터 전류 신호들을 수신하기 위한 복수의 입력부들뿐만 아니라 복수의 전류 모니터들로부터 수신된 전류 신호들을 비교하기 위한 비교기 회로를 가지고 구성될 수 있다. 트리거링 회로는 이하에서 상세화되는 바와 같은 테스트를 위한 전류 소스뿐만 아니라 테스트가 수행되는 것을 가능하게 하기 위한 스위치들을 더 포함할 수 있다. 추가로, 트리거링 회로는 테스트가 정확한 인스턴스(instance)에 수행되는 것을 보장하기 위한 제어 로직을 포함할 수 있다. 이에 더하여, 트리거링 회로는 자체-테스트를 실행하기 위한 입력부뿐만 아니라 자체-테스트의 완료를 시그널링(signal)하기 위한 출력부를 포함할 수 있다. 다수의 트리거링 회로들을 갖는 다양한 실시예들에 있어서, 트리거링 회로는 추가적인 보드로부터의 트리거 입력부뿐만 아니라 추가적인 보드로의 트리거 출력부를 더 포함할 수 있다.

다양한 실시예들에 있어서, 신규한 모니터링 보드가 고장 전류 제한기의 제어 레그 내에 제공되며, 여기에서 모니터링 보드는 자체-테스트 동안 고체 상태 스위치들로부터의 피드백을 위하여 구성될 수 있다. 예를 들어, 모니터링 보드는 광학적으로 복수의 고체 상태 스위치들에 결합된 복수의 검출기들을 포함할 수 있다. 모니터링 보드는 복수의 전류 입력부들 및 복수의 트리거링 보드 상에 위치된 비교기들에 결합된 복수의 비교기 신호 입력부들을 더 포함할 수 있다. 모니터링 보드는 자체-테스트의 타이밍을 제어하기 위한 프로그램가능 테스트 타이머를 더 포함할 수 있다. 이에 더하여, 모니터링 보드는 수동 "수행 테스트" 입력부뿐만 아니라 실행 자체-테스트 출력부를 더 포함할 수 있다. 또한, 모니터링 보드는 테스트 상태를 고장 전류 제한기에 대한 전체 제어 시스템으로 출력하기 위한 출력부를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 이어서, 트리거링, 테스트 및 모니터링 기능들을 수행하기 위한 컴포넌트들은 단일 보드 내에 물리적으로 통합될 수 있다.

도 1은 본 개시의 다양한 실시예들에 따른 고장 전류 제한기(100)를 예시한다. 고장 전류 제한기(100)는 송신 라인 또는 다른 전류 운반 경로를 따라 전류를 제한하기 위해 사용될 수 있다. 고장 전류 제한기(100)는 제 1 전류를 송신하기 위한 전류 제한 레그(102) 및 제 2 전류를 송신하기 위한 제어 레그를 포함할 수 있으며, 여기에서 제 2 전류는 제 1 전류보다 훨씬 더 작을 수 있다. 예를 들어, 정상 동작 시에 전류 제한 레그(102)를 통과하는 제 1 전류는 2천 암페어, 3천 암페어, 또는 그 이상의 범위 내일 수 있다. 실시예들이 이러한 맥락으로 제한되지 않는다. 제어 레그(104)는 200 A, 300 A, 또는 유사한 값과 같은 전류를 전달하도록 구성될 수 있다. 실시예들이 이러한 맥락으로 제한되지 않는다. 고장 전류 제한기(100)는, 제어 레그(104) 내에, 고체 상태 스위치들(108)로서 도시된 서로 전기적으로 직렬로 배열된 복수의 고체 상태 스위치들을 포함하도록 고체 상태 고장 전류 제한기로서 배열될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 이러한 고체 상태 스위치들은 절연 게이트 양극성 트랜지스터(insulated gate bipolar transistor; IGBT)들일 수 있다. 실시예들이 이러한 맥락으로 제한되지 않는다. 본원에서 사용되는 용어 "고체 상태 스위치"는, 신호 수신기들과 같은 인터페이스들, 발광 다이오드(LED)들 및 다른 회로부를 포함하는 연관된 회로부 및 IGBT와 같은 고체 상태 스위치를 포함하는 고체 상태 스위치 모듈을 지칭할 수 있다. 고장 전류 제한기(100)는 또한 복수의 고체 상태 스위치들(108)과 전기적으로 직렬로 배열된 복수의 전류 모니터들(106)을 포함할 수 있다. 전류 모니터들(106)은 도시된 바와 같이 제어 레그(104) 내에 배열될 수 있거나, 또는 전류 제한 레그(102) 내에 또는 고장 전류 제한기(100) 외부에 배열될 수도 있다. 도 1에 추가로 도시된 바와 같이, 고장 전류 제한기(100)는 또한 트리거링 회로(112)로서 도시된 적어도 하나의 트리거링 회로를 포함할 수 있으며, 여기에서 복수의 전류 모니터들(106)은 트리거링 회로(112)에 결합되고, 여기에서 트리거링 회로(112)는 복수의 고체 상태 스위치들(108)에 결합된다.

도 1의 예에 있어서, 2개의 전류 모니터들, 전류 모니터들(106)이 도시되며, 여기에서 2개의 전류 모니터들의 사용은 제어 레그(104)를 따른 전류 검출에 대한 여분을 공급할 수 있다. 트리거링 회로(112)로서 도시된 주어진 트리거링 회로는 전류 모니터(106)로서 도시된 제 1 전류 모니터의 제 1 전류 모니터 출력부에 그리고 전류 모니터(106)로서 또한 도시된 제 2 전류 모니터의 제 2 전류 모니터 출력부에 전기적으로 결합되는 문턱값 검출기(126)를 포함할 수 있다. 문턱값 검출기(126)는, 전류 모니터들(106)로부터 수신된 전류 신호들을 사용하여 제어 레그를 따라 송신되는 전류가 문턱값을 초과하는 때를 결정하도록 구성될 수 있다. 트리거링 회로(112)는 트리거링 보드 상에 위치될 수 있으며, 여기에서 트리거링 보드는 접지에 대하여 상대적으로 낮은 전압으로 설정되고, 반면 제어 레그(104)의 다른 엘리먼트들, 예컨대 고체 상태 스위치들(108)은 수천 볼트와 같이 상대적으로 더 높은 전압에 있다. 따라서, 트리거링 회로(112)는 고체 상태 스위치들(108)에 광학적으로 결합될 수 있으며, 특히 도시된 바와 같이 고체 상태 스위치들(108)로 신호들을 통신하기 위하여 발광 다이오드들(114)을 가지고 구성될 수 있다.

동작 시에, 문턱값 검출기(126)가 전류 문턱값이 초과되었다는 것을 결정할 때, 문턱값 검출기(126)는 고체 상태 스위치들(108)을 스위치 오프하기 위하여 광학적 링크들(130)을 따라 제어 신호를 전송할 수 있으며, 여기에서 광학적 링크들(130)은 광 섬유일 수 있다. 도시된 예에 있어서, 4개의 고체 상태 스위치들(108)이 존재하지만, 다른 실시예들에 있어서 더 많거나 또는 더 적은 수의 고체 상태 스위치들(108)이 이용될 수 있다. 사용되는 고체 상태 스위치들의 수는 주어진 고체 상태 스위치의 전압 정격 및 제어 레그(104)에 걸쳐 유지되는 전압에 기초할 수 있다. 수천 볼트의 전압 변화의 경우들에 있어서, 직렬의 몇몇 고체 상태 스위치들(108)의 사용이 적절할 수 있으며, 이는 주어진 고체 상태 스위치가, 예를 들어, 전체 전압 변화보다 더 작은 크기의 스위치에 걸친 최대 전압에서 동작하는 것이 가능할 수 있기 때문이다. 도 1에 추가로 도시된 바와 같이, 발광 다이오드(114)로서 도시된 제 1 트리거 발광 다이오드(LED)는 타이머(128)를 통해 문턱값 검출기의 출력부에 전기적으로 결합될 수 있으며, 고체 상태 스위치(108)로 도시된 제 1 고체 상태 스위치에 광학적으로 결합될 수 있다. 발광 다이오드(114)로서 또한 도시된 제 2 트리거 LED는 문턱값 검출기(126)의 출력부에 전기적으로 결합되고 고체 상태 스위치(108)로서 또한 도시된 제 2 고체 상태 스위치에 광학적으로 결합될 수 있다. 따라서, 도 1의 배열에서 트리거 LED들(발광 다이오드들(114)) 및 고체 상태 스위치들의 1-대-1 대응 관계가 존재한다.

전력 전자 제품들 또는 검출 회로의 고장들 또는 문제들의 점검을 용이하게 하기 위하여, 고장 전류 제한기(100)는 추가적인 컴포넌트들의 신규한 배열을 포함할 수 있으며, 이러한 컴포넌트들의 동작이 이하에서 상세화된다. 구체적으로, 필터들(118)이 통상적인 필터들로서 기능할 수 있는 경우, 필터들(118)에 더하여, 트리거링 회로(112)는 문턱값 검출기(126)로 테스트 전류를 출력하기 위한 전류 소스 출력부를 갖는 전류 소스(124), 단락 스위치들(120), 및 선택 스위치들(122)을 포함할 수 있다. 구체적으로, 단락 스위치들(120)은 문턱값 검출기(126)로부터 분리될 때 전류 모니터(들)이 높은 전압(들)에 도달하는 것을 방지하도록 역할할 수 있으며, 반면 선택 스위치들(122)은 전류 소스 또는 전류 모니터(들) 사이에서 선택할 수 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 트리거링 보드(122)는 전류 모니터(106)로서 도시된 제 1 전류 모니터로부터 제 1 전류 모니터 출력을 수신하기 위한 제 1 필터 입력부를 가지며 필터(118)로서 도시되는 제 1 필터를 포함할 수 있다. 제 1 필터는 또한 단락 스위치(120)에 연결하기 위하여 사용되는 제 1 필터 출력부를 가질 수 있다. 추가적으로, 트리거링 보드(122)는 전류 모니터(106)로서 도시된 제 2 전류 모니터로부터 제 2 전류 모니터 출력을 수신하기 위한 제 2 필터 입력부를 가지며 필터(118)로서 도시되는 제 2 필터를 또한 포함할 수 있다. 제 2 필터는 또한 단락 스위치(120)로서 또한 도시된 다른 단락 스위치에 연결하기 위하여 사용되는 제 2 필터 출력부를 가질 수 있다. 결과적으로, 제 1 단락 스위치는 선택 스위치(122)로서 도시된 제 1 선택 스위치에 연결하기 위하여 사용되는 제 1 단락 스위치 출력부를 가질 수 있으며, 반면 제 2 단락 스위치는 선택 스위치(122)로서 또한 도시된 제 2 선택 스위치에 연결하기 위하여 사용되는 제 2 단락 스위치 출력부를 가질 수 있다. 결과적으로, 도시된 바와 같이 제 1 선택 스위치는 문턱값 검출기 입력부에 결합된 제 1 선택 스위치 출력부를 가질 수 있으며, 제 2 선택 스위치는 문턱값 검출기 입력부에 결합된 제 2 선택 스위치 출력부를 가질 수 있다.

고장 전류 제한기(100)는 트리거링 회로(112)에 결합된 모니터링 회로(116)를 더 포함할 수 있다. 다양한 실시예들에 있어서, 모니터링 회로(116)는 복수의 전류 모니터들, 즉, 전류 모니터들(106)에 결합된 복수의 입력부들을 포함할 수 있다. 모니터링 회로(116)는 또한 프로그램가능 테스트 타이머(미도시)뿐만 아니라 비교기 신호를 수신하기 위한 적어도 하나의 비교기 입력부를 포함할 수 있다. 비교기 입력부(미도시)는 트리거링 회로(112) 내의 비교기(도 1에서는 미도시)에 결합될 수 있으며, 여기에서 비교기는 복수의 전류 모니터들, 즉, 전류 모니터들(106)에 추가로 결합된다.

도 1에 추가로 도시된 바와 같이, 모니터링 회로(116)는 광학적 링크들(132)을 따라 고체 상태 스위치들(108)에 광학적으로 결합될 수 있다. 구체적으로, 주어진 고체 상태 스위치는 모니터링 회로(116)로 신호들을 전송하기 위해 발광 다이오드(110)를 포함할 수 있다.

도 2는 본 개시의 추가적인 실시예들에 따른 다른 고장 전류 제한기(150)를 예시한다. 이러한 예에 있어서, 고장 전류 제한기는 2개의 트리거링 회로들을 포함할 수 있으며, 여기에서 트리거링 회로(112)로서 도시된 주어진 트리거링 회로는 전류 모니터들(106)로서 도시된 전류 모니터들의 쌍에 결합된다. 따라서, 총 4개의 전류 모니터들이 2개의 트리거링 회로들에 의해 수용된다. 전류 모니터들(106)이 고체 상태 스위치들(108)의 제 1 단부 상의 전류 모니터들의 쌍 및 고체 상태 스위치들(108)의 제 2 단부 상에 배열된 전류 모니터들의 제 2 쌍으로서 도시되지만, 전류 모니터들(106)은 전류 모니터들(106)을 고체 상태 스위치들(108)과 전기적으로 직렬로 위치시키는 임의의 방식으로 배열될 수 있다. 도 2의 이러한 토폴로지(topology)에 있어서, 제 1 트리거링 회로 및 제 2 트리거링 회로는, 제 1 고체 상태 스위치 및 제 3 고체 상태 스위치가 제 1 트리거링 회로(상단 트리거링 회로)에 광학적으로 결합되고 제 2 고체 상태 스위치 및 제 4 고체 상태 스위치가 제 2 트리거링 회로(하단 트리거링 회로)에 광학적으로 결합되도록 배열된다. 그러나, 다수의 트리거링 회로들을 고체 상태 스위치들에 결합하기 위한 다른 토폴로지들이 또한 가능하다. 주어진 고체 상태 스위치는 광학적 링크(132)를 따라 신호를 출력하기 위한 발광 다이오드(110)를 포함할 수 있으며, 여기에서 신호는 모니터링 회로(152)에 의해 수신된다. 도 2의 토폴로지에 있어서, 고장 전류 제한기(150)는, 고체 상태 스위치들(108) 중 2개가 트리거링 회로들(112) 중 하나로부터 제어 신호들을 수신하고, 고체 상태 스위치들(108) 중 다른 2개가 트리거링 회로들(112) 중 다른 하나로부터 제어 신호들을 수신하도록 배열된다. 고체 상태 스위치들(108) 모두가 모니터링 회로(152)에 광학적으로 결합되며, 이는 모든 고체 상태 스위치들(108)의 전류 상태가 모니터링되는 것을 가능하게 한다.

도 3은 고장 전류 제한기의 제어 레그(180)의 다른 실시예를 제공한다. 이러한 실시예에 있어서, 도 2의 실시예에서와 같이, 2개의 트리거링 회로들(182)이 제공되며, 여기에서 주어진 트리거링 회로는 전류 모니터들(106) 중 2개뿐만 아니라 모니터링 회로(152)에 결합된다. 도 3에서 제안되는 바와 같이, 전류 모니터들(106)은 공지된 트랜스포머 타입 디바이스들로서 구성될 수 있으며, 여기에서 전류는 유도에 의해 센싱된다. 트리거링 회로 내의 필터들(118) 둘 모두에 결합된 비교기(186)가 또한 트리거링 회로(182) 내에 도시된다. 따라서, 비교기(186)는 전류 모니터들(106) 둘 모두로부터 생성된 신호들을 비교할 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 트리거링 회로(182)는 LED와 같은 디바이스(188)를 통해 트리거링 회로들(182) 중 다른 트리거링 회로와 통신할 수도 있다.

동작 시에, 도 1 내지 도 3의 실시예들은, 고장 전류 제한기의 동작에 과도하게 부담이 되지 않으면서 고장 전류 제한기의 상이한 컴포넌트들의 자체-테스트를 제공한다. 다양한 실시예들에 있어서, 자체-테스트는 푸시 버튼과 같은 사용자 인터페이스, 제어실 신호 또는 다른 메커니즘을 사용하여 수동으로 개시될 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 자체-테스트 신호는 프로그램가능 테스트 타이머와 같은 타이머에 의해 생성될 수 있으며, 여기에서 자체-테스트는 주기적으로 예컨대 규칙적인 간격으로 생성된다. 일단 자체-테스트가 개시되면, 명령이 주어진 회로로 전송될 수 있으며, 여기에서 회로는 제어 보드 내에 존재할 수 있다. 그러면 자체-테스트 신호를 수신하는 제어 보드가 자체-테스트를 개시할 수 있다.

일부 실시예들에 있어서, 자체-테스트는 제어 레그 내에서 가까운(immediate) 전류-제로-크로싱 포인트(current-zero-crossing point)를 검출하는 동작을 수행함으로써 시작하는 테스트 시퀀스를 포함할 수 있으며, 여기에서 제로 전류 크로싱은 고장 전류 제한기를 통과하는 교류 전류의 주파수에 따른 간격들로 발생한다. 후속 동작 시에, 다음 또는 후속 전류-제로-크로싱 포인트가 검출된다. 이는, 트리거링 회로와 같은 회로 내의 로직이 후속 전류-제로-크로싱 포인트들이 발생할 때의 간격들을 예측하는 것을 가능하게 할 수 있다.

도 4는 본 개시의 실시예들에 따른 예시적인 프로세스 흐름(400)을 나타낸다. 블록(402)에서, 고체 상태 고장 전류 제한기(SSFCL) 내의 제 1 전류-제로-크로싱을 검출하기 위한 동작이 수행된다. 블록(404)에서, 제 1 전류-제로-크로싱 바로 다음의 제 2 전류-제로-크로싱을 검출하는 동작이 수행된다. 블록(406)에서, SSFCL 내의 목표 전류-제로-크로싱에 대한 인스턴스를 결정하기 위한 동작이 수행된다. 블록(408)에서, 목표 제로-전류-크로싱 이벤트 이전에 미리 결정된 간격으로 SSFCL 내의 고체 상태 스위치들에 대한 자체-테스트를 개시하기 위한 신호가 전송된다. 예를 들어, 제로-전류 크로싱은 매 20 ms마다 일어날 수 있으며, 동시에 자체-테스트는 목표 전류-제로-크로싱 이전에 약 50 μs에서 개시될 수 있다.

도 5는 본 개시의 추가적인 실시예들에 따른 다른 예시적인 프로세스 흐름(500)을 나타낸다. 블록(502)에서, 고장 전류 제한기의 전류 모니터 단락 스위치가 폐쇄된다. 전류 모니터 단락 스위치는 고장 전류 제한기의 전류 모니터에 결합될 수 있으며, 다음 전류-제로-크로싱 이전에 미리 결정된 간격으로 폐쇄될 수 있다. 블록(504)에서, 주어진 전류 모니터 선택 스위치가 개방된다. 주어진 전류 모니터 선택 스위치는 고장 전류 제한기의 복수의 전류 모니터들에 결합된 복수의 전류 모니터 선택 스위치들 중 하나일 수 있으며, 여기에서 주어진 전류 모니터 선택 스위치는 블록(504)의 동작의 인스턴스 이전에 폐쇄된다. 블록(506)에서, 전류 소스 선택 스위치가 폐쇄될 수 있다. 전류 소스 선택 스위치를 폐쇄하는 것이 트리거링 전류가 흐르는 것을 야기할 수 있다. 이는 고장 전류 제한기의 제어 레그 내의 고체 상태 스위치들을 개방하는 것을 야기할 수 있다. 블록(508)에서, 고체 상태 스위치들의 개방 상태를 나타내는 피드백 신호(개방 회로 확인 신호)가 고체 상태 스위치들로부터 수신된다. 블록(510)에서, 전류 소스 선택 스위치가 개방된다. 블록(512)에서, 전류 모니터 선택 스위치가 폐쇄된다. 블록(514)에서, 전류 모니터링 단락 스위치가 개방된다.

전술된 실시예들에 있어서, 트리거링 보드가 제어 레그의 전류 모니터들로부터 모니터링된 전류를 수신할 수 있지만, 추가적인 실시예들에 있어서, 전류 모니터의 부분으로서 저항기가 제공될 수도 있다. 이러한 실시예들에 있어서, 제어 레그의 모니터링된 전류는 저항기를 통해 전압으로 변환되며, 전압으로서 트리거링 보드로 전송된다. 이러한 실시예들에 있어서, 트리거링 보드의 전류 소스는 전압 소스로 대체될 수 있으며, 문턱값 검출기는 전류 대신에 문턱 전압이 초과되는 때를 검출한다. 이러한 실시예들에 있어서, 단락 스위치는 트리거링 보드로부터 생략될 수도 있다. 추가적으로, 트리거링 보드는 전류 모니터로부터 수신되는 입력 교류(AC) 전압을 정류하기 위한 정류기를 포함할 수 있다. 따라서, 정상 동작 시에, 트리거링 보드는 문턱 전압이 초과될 때 제어 레그의 고체 상태 스위치들을 개방하기 위한 신호들을 전송할 수 있다. 또한, 이러한 실시예들에 있어서, 전류 모니터 단락 스위치들이 포함되지 않을 때, 자체-테스트 절차는 그에 따라서 전류 모니터 단락 스위치들을 폐쇄하는 단계 및 개방하는 단계를 생략할 수 있다.

표 I은 본 개시의 일부 실시예들에 따른 자체-테스트에서 수행되는 동작들의 예시적인 요약을 나타낸다. 동작들은 제 1 트리거링 회로(트리거링 보드) 및 트리거링 보드에 의해 제어되는 고체 상태 스위치들의 컴포넌트들을 테스트하기 위하여 적용될 수 있다. 이러한 예에 있어서, 다음과 같은 가정들이 이루어진다: 고장 전류 제한기의 고체 상태 스위치들은 IGBT들이다. 8 μs의 전파 지연이 가정된다(IGBT의 스위칭을 포함함). 릴레이 스위칭 시간은 15 μs가 소요되며, IGBT 제어 카드 피드백 시간은 20 μs이다. 물론, 이러한 값들은 고장 전류 제한기에서 사용되는 정확한 컴포넌트들에 따라 상이할 수 있으며, 주로 예시적인 목적들을 위하여 도시된다. 기준 시간은, 다음 전류-제로-크로싱 이벤트가 발생하기 이전에 계산된 주어진 간격에 대하여 도시된다. 다양한 실시예들에 있어서, 표 I에 도시된 동작들은 자체-테스트 로직에 의해 수행되며, 여기에서 자체-테스트 로직은 하드웨어 회로부, 하드웨어 회로부 및 소프트웨어의 조합, 또는 소프트웨어로 구현될 수 있다.

표 I에 도시된 바와 같이, 이상에서 설명된 바와 같이 처음에 -20 ms 및 -10 ms에서 전류-제로 크로싱의 2개의 인스턴스들이 모니터링된다. 이러한 모니터링은 다음 전류-제로-크로싱 인스턴스가 0s에서 발생할 것으로 예측되는 것을 가능하게 하며, 따라서 자체-테스트는 다음 전류-제로-크로싱 이전의 수십 마이크로초에서 런칭(launch)될 수 있다. 구체적으로, 자체-테스트 시퀀스의 제 1 동작은 (다음 전류-제로-크로싱에 대하여) '0 - 78 μs'에서 일어나며, 여기에서 전류 모니터 단락 스위치(단락 스위치(120))는 전류 트랜스포머에 의해 유도되는 큰 전압을 회피하기 위하여 폐쇄된다. - 63 μs에서의 후속 동작에서, 전류 모니터 선택 스위치(어떤 것이 폐쇄되는지에 따라서 상단 또는 하단 스위치인 선택 스위치들(122) 중 하나의 선택 스위치)가 개방되어 전류 모니터 단락 스위치(단락 스위치(120))를 통한 전류 소스 순환 전류를 중단시킨다. - 48 μs에서의 후속 동작에서, 전류 소스 선택 스위치(선택 스위치(122), 중간)가 폐쇄되며, 그 다음 - 33 μs에서 트리거링 전류가 흐르는 것이 이어진다. 트리거링 회로가 이러한 전류를 센싱할 것이며, 일단 신호가 전파되면 약 8 μs 이후에 IGBT들이 개방되게끔 할 것이다. - 5 μs에서, IGBT 온-보드 게이트 드라이버 회로는 IGBT의 게이트 파이어링(firing) 카드로부터 광학적 링크를 통해 송신되는 피드백을 통해 회로가 개방되었다는 것을 확인한다. 또한 이러한 시점에, 전류 소스 선택 스위치(선택 스위치(122), 중간)가 개방되게 되며, 이는 트리거링 회로가 더 이상 문턱값을 넘지 않게끔 하고 IGBT들이 다시 스위치 온되게끔 한다. 전파 지연을 고려하여, + 18 μs에 대응하는 인스턴스까지, 이제 IGBT들이 스위치 온된다. + 10 μs에서 전류 모니터 선택 스위치가 폐쇄된다. + 25 μs에서 전류 모니터 단락 스위치가 개방된다. + 40 μs에서 "자체-테스트 완료" 신호가 전송되며, 반면 + 60 μs에서 "자체-테스트 완료" 신호가 제거된다.

이러한 실시예에 따르면 표 I에 추가로 도시된 바와 같이, 전류 중단(interruption)은 51 μs 동안 지속되며, 반면 고장 전류 제한기는 118 μs 동안 보호되지 않는 채로 남아 있는다. 이러한 방식으로, 다양한 IGBT들의 동작이 고장 전류 제한기의 동작을 과도하게 방해하지 않고 주기적으로 점검될 수 있다.

[표 I]

다양한 실시예들에 따르면, 제 1 트리거링 보드에 대한 자체-테스트가 완료된 이후에, 제 2 트리거링 보드에 대한 자체-테스트가 개시될 수 있다. 그런 다음 결과들이 저장되고 보고될 수 있다. 예를 들어, 자체-테스트의 결과들은 IGBT들의 적절한 동작을 나타낼 수 있거나, 또는 양자택일적으로 개방 고장과 같은 적어도 하나의 IGBT의 동작의 고장을 나타낼 수 있다. 이는 필요에 따라 정확한 액션이 시기 적절하게 취해지는 것을 가능하게 할 수 있다.

언급된 바와 같이, 이상의 예에 따르면, 전력 전자제품들은 전류-제로의 인스턴스 근처에서 약 51μs 동안 개방될 수 있다. 고체 상태 스위치 모듈들이 상호 리액터와 함께 동작하는 경우, 상호 리액터는 이러한 시간의 기간 동안 그것의 고 임피던스 상태에 진입할 것이며 전류가 계속해서 흐를 것이다. 고체 상태 스위치 모듈들이 독립형 구성인 경우, 이러한 지속 기간 동안 전류가 중단될 것이다. 특히, 이러한 절차의 이점은, 이러한 전력 정지 기간이 상당히 짧고 전달되는 전력이 상당히 낮기 때문에 부하들에 연결된 그리드(grid) 상에 실제적인 영향들이 발생하지 않을 것이라는 것이다. 추가로 표시되는 바와 같이, 테스트 프로세스는 전류-제로의 인스턴트 근처에서 약 118μs 동안 제어 보드들 중 하나를 가지고 보호되지 않는 상태로 고장 전류 제한기 회로를 남겨둘 것이다. 이러한 예에 대하여 설명되는 기술은 최대 236kA에 이르는 피크 전류에 대하여 적절할 것이다. 이러한 제한은 모든 실제적인 애플리케이션들에 대하여 적절해야만 한다. 이하에서 도시되는 표 II는 76% 제한이 목표되는 실제적인 예, 전형적인 보드 정격 및 그 이상에서 현재 고체 상태 디바이스 스위치 오프 전류가 초과될 것인 최대 전류를 제공한다.

[표 II]

정리하면, 제어 보드들로부터의 크로스 트리거링 및 전류 트랜스포머들에 대한 여분 회로들을 포함하는 다양한 실시예들은 네트워크가 항상 보호되는 것을 보장하기에 충분히 견고한 시스템을 포함하는 이점들을 제공하고, 고장 전류 제한기의 동작에 영향을 주지 않으면서 고장 전류 제한기 내의 고체 상태 스위치들의 상태를 모니터링하기 위한 편리한 수단의 다른 이점을 제공한다.

본 개시는 본원에서 설명된 특정 실시예에 의해 범위가 제한되지 않는다. 오히려, 본원에서 설명된 실시예들에 더하여, 본 개시의 다른 다양한 실시예들 및 이에 대한 수정예들이 이상의 설명 및 첨부된 도면들로부터 당업자들에게 자명해질 것이다. 따라서, 이러한 다른 실시예들 및 수정예들이 본 개시의 범위 내에 속하도록 의도된다. 추가로, 본 개시는 본원에서 특정 목적을 위한 특정 환경에서의 특정 구현예의 맥락에서 설명되었다. 당업자들은 그 유용함이 이에 한정되지 않으며, 본 개시가 임의의 수의 목적들을 위한 임의의 수의 환경들에서 유익하게 구현될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 따라서, 이하에서 기술되는 청구항들은 본원에서 설명된 바와 같은 본 개시의 완전한 폭과 사상의 관점에서 해석되어야만 한다.

Claims (15)

1. 고장 전류 제한기로서,
   제 1 전류를 송신하기 위한 전류 제한 레그(leg);
   상기 전류 제한 레그와 병렬의 제어 레그로서, 상기 제어 레그는 제 2 전류를 송신하기 위한 것이며, 상기 제어 레그는 서로 전기적으로 직렬로 배열된 복수의 고체 상태 스위치들을 포함하는, 상기 제어 레그;
   상기 복수의 고체 상태 스위치들과 전기적으로 직렬로 배열된 복수의 전류 모니터들; 및
   적어도 하나의 트리거링(triggering) 회로로서, 상기 복수의 전류 모니터들은 상기 적어도 하나의 트리거링 회로에 전기적으로 결합되고, 상기 적어도 하나의 트리거링 회로는 상기 복수의 고체 상태 스위치들에 광학적으로 결합되는, 상기 적어도 하나의 트리거링 회로를 포함하는, 고장 전류 제한기.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 고장 전류 제한기는 상기 적어도 하나의 트리거링 회로에 결합된 모니터링 회로를 더 포함하는, 고장 전류 제한기.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 적어도 하나의 트리거링 회로는,
   제 1 전류 모니터의 제 1 전류 모니터 출력부에 그리고 제 2 전류 모니터의 제 2 전류 모니터 출력부에 간접적으로 전기적으로 결합되는 문턱값 검출기;
   상기 문턱값 검출기의 출력부에 전기적으로 결합되며 상기 복수의 고체 상태 스위치들 중 제 1 고체 상태 스위치에 광학적으로 결합되는 제 1 트리거 발광 다이오드(LED); 및
   상기 문턱값 검출기의 상기 출력부에 전기적으로 결합되며 상기 복수의 고체 상태 스위치들 중 제 2 고체 상태 스위치에 광학적으로 결합되는 제 2 트리거 발광 다이오드(LED)를 포함하는, 고장 전류 제한기.
   
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 적어도 하나의 트리거링 회로는,
   상기 제 1 전류 모니터의 상기 제 1 전류 모니터 출력부에 결합된 제 1 필터 입력부를 가지며, 제 1 필터 출력부를 더 갖는 제 1 필터;
   상기 제 2 전류 모니터의 상기 제 2 전류 모니터 출력부에 결합된 제 2 필터 입력부를 가지며, 제 2 필터 출력부를 더 갖는 제 2 필터;
   상기 제 1 필터 출력부에 결합되며 제 1 단락(shorting) 스위치 출력부를 갖는 제 1 단락 스위치;
   상기 제 2 필터 출력부에 결합되며 제 2 단락 스위치 출력부를 갖는 제 2 단락 스위치;
   상기 제 1 단락 스위치 출력부에 결합되며, 제 1 선택 스위치 출력부를 갖는 제 1 선택 스위치; 및
   상기 제 2 단락 스위치 출력부에 결합되며 제 2 선택 스위치 출력부를 갖는 제 2 선택 스위치를 더 포함하며,
   상기 문턱값 검출기는 상기 제 1 선택 스위치 출력부 및 상기 제 2 선택 스위치 출력부에 결합된 문턱값 검출기 입력부를 포함하는, 고장 전류 제한기.
   
5. 청구항 3에 있어서,
   상기 고장 전류 제한기는, 상기 문턱값 검출기의 상기 출력부에 결합되며, 상기 제 1 트리거 LED 및 상기 제 2 트리거 LED에 결합된 출력부를 갖는 타이머를 더 포함하는, 고장 전류 제한기.
   
6. 청구항 4에 있어서,
   상기 적어도 하나의 트리거링 회로는,
   전류 소스 출력부를 갖는 전류 소스; 및
   상기 전류 소스 출력부에 결합되며, 상기 문턱값 검출기에 결합된 제 3 선택 스위치 출력부를 갖는 제 3 선택 스위치를 더 포함하는, 고장 전류 제한기.
   
7. 청구항 2에 있어서,
   상기 복수의 고체 상태 스위치들은, 상기 모니터링 회로에 광학적으로 결합된 제 1 LED를 포함하는 제 1 고체 상태 스위치, 및 상기 모니터링 회로에 광학적으로 결합된 제 2 LED를 포함하는 제 2 고체 상태 스위치를 포함하는, 고장 전류 제한기.
   
8. 청구항 2에 있어서,
   상기 모니터링 회로는,
   상기 복수의 전류 모니터들에 각기 결합되는 복수의 입력부들;
   프로그램가능 테스트 타이머; 및
   비교기 신호를 수신하기 위한 적어도 하나의 비교기 입력부로서, 비교기 입력부는 상기 적어도 하나의 트리거링 회로 내의 비교기에 결합되며, 상기 비교기는 상기 복수의 전류 모니터들에 더 결합되는, 상기 적어도 하나의 비교기 입력부를 포함하는, 고장 전류 제한기.
   
9. 청구항 1에 있어서,
   상기 복수의 고체 상태 스위치들은 전기적으로 직렬로 배열된 4개의 고체 상태 스위치들을 포함하며, 상기 복수의 트리거링 회로들은 제 1 트리거링 회로 및 제 2 트리거링 회로를 포함하고, 제 1 고체 상태 스위치 및 제 3 고체 상태 스위치는 상기 제 1 트리거링 회로에 광학적으로 결합되며, 제 2 고체 상태 스위치 및 제 4 고체 상태 스위치는 상기 제 2 트리거링 회로에 광학적으로 결합되는, 고장 전류 제한기.
   
10. 방법으로서,
    고장 전류 제한기의 트리거 보드에서 자체-테스트 절차를 개시하기 위한 신호를 수신하는 단계; 및
    상기 신호를 수신하는 단계 이후에 상기 트리거 보드에서 자체-테스트 절차를 개시하는 단계를 포함하는, 방법.
    
11. 청구항 10에 있어서,
    상기 자체-테스트 절차는,
    가까운 전류-제로-크로싱(current-zero-crossing) 포인트를 검출하는 단계;
    다음 전류-제로-크로싱 포인트를 검출하는 단계; 및
    후속 전류-제로-크로싱 포인트에 대하여 계산된 시간 이전에 테스트 시퀀스를 개시하는 단계를 포함하는, 방법.
    
12. 청구항 11에 있어서,
    상기 테스트 시퀀스는,
    전류 모니터 선택 스위치를 개방하는 단계;
    기준 소스 선택 스위치를 폐쇄하는 단계;
    상기 전류 소스 선택 스위치를 개방하는 단계에 후속하여 지연 간격 이후에 상기 고장 전류 제한기 내의 고체 상태 스위치를 스위치 오프하기 위한 신호를 생성하는 단계;
    상기 고체 상태 스위치에 결합된 회로로부터 개방 회로 확인 신호를 수신하는 단계;
    상기 기준 소스 선택 스위치를 개방하는 단계;
    상기 고체 상태 스위치를 스위치 온하는 단계; 및
    상기 전류 모니터 선택 스위치를 폐쇄하는 단계를 포함하는, 방법.
    
13. 청구항 12에 있어서,
    상기 기준 소스 선택 스위치는 전류 소스에 결합되며,
    상기 방법은,
    전류 모니터 선택 스위치를 개방하는 단계 이전에, 전류 모니터 단락 스위치를 폐쇄하는 단계; 및
    상기 전류 모니터 선택 스위치를 폐쇄하는 단계 이후에, 상기 전류 모니터 단락 스위치를 개방하는 단계를 더 포함하는, 방법.
    
14. 고장 전류 제한기로서,
    제어 레그 내에 서로 전기적으로 직렬로 배열된 복수의 고체 상태 스위치 모듈들;
    상기 복수의 고체 상태 스위치 모듈들과 전기적으로 직렬로 배열된 복수의 전류 모니터들;
    적어도 하나의 트리거링 회로로서, 상기 복수의 전류 모니터들은 상기 적어도 하나의 트리거링 회로에 결합되고, 상기 적어도 하나의 트리거링 회로는 상기 복수의 고체 상태 스위치 모듈들에 결합되는, 상기 적어도 하나의 트리거링 회로; 및
    상기 적어도 하나의 트리거링 회로에 결합된 모니터링 회로를 포함하는, 고장 전류 제한기.
    
15. 청구항 14에 있어서,
    상기 적어도 하나의 트리거링 회로는,
    제 1 전류 모니터의 제 1 전류 모니터 출력부에 그리고 제 2 전류 모니터의 제 2 전류 모니터 출력부에 간접적으로 전기적으로 결합되는 문턱값 검출기;
    상기 문턱값 검출기의 출력부에 전기적으로 결합되며 상기 복수의 고체 상태 스위치 모듈들 중 제 1 고체 상태 스위치에 광학적으로 결합되는 제 1 트리거 발광 다이오드(LED); 및
    상기 문턱값 검출기의 상기 출력부에 전기적으로 결합되며 상기 복수의 고체 상태 스위치 모듈들 중 제 2 고체 상태 스위치에 광학적으로 결합되는 제 2 트리거 발광 다이오드(LED)를 포함하는, 고장 전류 제한기.

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