(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＡＣ電力線で使用するソリッドステート限流デバイスであって、
前記ＡＣ電力線に直列に配置され、入力、出力及びゲートを有し、該ゲートに印加される電圧によって前記入力と前記出力との間に電流が流れるか否かが決まるソリッドステートスイッチングデバイスと、
前記ゲートと通電してゲート電圧を前記ゲートに印加し、前記電圧は前記入力又は前記出力のいずれかの電圧を基準とするゲート駆動回路と、
前記ＡＣ電力線及び前記ゲート駆動回路と通電する電流モニタであって、該電流モニタからの出力に基づいて前記ゲート電圧が決まる電流モニタと、
一次巻線及び二次巻線を有する絶縁変圧器と、
前記二次巻線によって給電され、前記入力又は前記出力の電圧を基準としてＤＣ電力を前記ゲート駆動回路に供給する非絶縁ＡＣ−ＤＣ電源とを備える、ソリッドステート限流デバイス。
【請求項２】
請求項１に記載のソリッドステート限流デバイスにおいて、前記一次巻線が前記ＡＣ電力線の２つの相の間に配置されるソリッドステート限流デバイス。
【請求項３】
請求項１に記載のソリッドステート限流デバイスにおいて、独立したＡＣ電源を更に備え、前記一次巻線が前記独立したＡＣ電源の端子間に配置されるソリッドステート限流デバイス。
【請求項４】
請求項１に記載のソリッドステート限流デバイスにおいて、前記二次巻線と前記非絶縁電源との間に配置された過電圧保護回路を更に備えるソリッドステート限流デバイス。
【請求項５】
請求項１に記載のソリッドステート限流デバイスにおいて、前記一次巻線と前記二次巻線とが、少なくとも前記ＡＣ電力線の電圧に等しい定格絶縁電圧を与えるように、物理的に分離される、ソリッドステート限流デバイス。
【請求項６】
ＡＣ電力線の故障電流を制限する方法であって、
前記ＡＣ電力線を流れる電流を監視するステップと、
ソリッドステートスイッチングデバイスのゲートに電圧を印加し、該ソリッドステートスイッチングデバイス内に電流を流す、又は流さないステップとを含み、
前記電圧が、
絶縁ＡＣ電圧を生成する絶縁変圧器と、
前記ＡＣ電力線を基準とし、前記絶縁ＡＣ電圧を絶縁ＤＣ電圧に変換する非絶縁ＡＣ−ＤＣ電源と、
前記ソリッドステートスイッチングデバイスの前記ゲートと通電するゲート駆動回路に給電する前記絶縁ＤＣ電圧とを用いることによって生成される方法。
【請求項７】
ＡＣ電力線の故障電流を制限するシステムであって、
一次巻線と、第１の二次巻線及び第２の二次巻線とを有する絶縁変圧器と、
独立したＡＣ電源であって、該独立したＡＣ電源の端子間に前記一次巻線が配置される独立したＡＣ電源と、
第１ソリッドステート限流デバイスと、
第２ソリッドステート限流デバイスとを備え、
前記第１ソリッドステート限流デバイスは、
前記ＡＣ電力線に直列に配置され、第１入力、第１出力及び第１ゲートを有し、該第１ゲートに印加される第１ゲート電圧によって、前記第１入力と前記第１出力との間に電流が流れるか否かが決まる第１ソリッドステートスイッチングデバイスと、
前記第１ゲートと通電して、該第１ゲートに前記第１ゲート電圧を印加し、前記第１ゲート電圧は前記第１入力又は前記第１出力のいずれかの電圧を基準とする第１ゲート駆動回路と、
前記ＡＣ電力線及び前記第１ゲート駆動回路と通電する第１電流モニタであって、前記第１ゲート電圧が前記第１電流モニタからの出力に基づいて決まる第１電流モニタと、
前記第１の二次巻線によって給電され、前記第１入力又は前記第１出力の電圧を基準として前記第１ゲート駆動回路にＤＣ電力を供給する第１非絶縁ＡＣ−ＤＣ電源とを備え、
前記第２ソリッドステート限流デバイスは、
前記ＡＣ電力線に直列に配置され、前記第１出力と通電する第２入力、第２出力、及び第２ゲートを有し、前記第２ゲートに印加される第２ゲート電圧によって、前記第２入力と前記第２出力との間に電流が流れるか否かが決まる第２ソリッドステートスイッチングデバイスと、
前記第２ゲートと通電して、該第２ゲートに前記第２ゲート電圧を印加し、前記第２ゲート電圧は前記第２入力又は前記第２出力のいずれかの電圧を基準とする第２ゲート駆動回路と、
前記ＡＣ電力線及び前記第２ゲート駆動回路と通電する第２電流モニタであって、前記第２ゲート電圧が前記第２電流モニタからの出力に基づいて決まる第２電流モニタと、
前記第２の二次巻線によって給電され、前記第２入力又は前記第２出力の電圧を基準として前記第２ゲート駆動回路にＤＣ電力を供給する第２非絶縁ＡＣ−ＤＣ電源とを備えるシステム。
【請求項８】
請求項７に記載のシステムにおいて、前記第１の二次巻線と前記第１非絶縁電源との間に配置された第１過電圧保護回路と、前記第２の二次巻線と前記第２非絶縁電源との間に配置された第２過電圧保護回路とを更に備えるシステム。
【請求項９】
請求項７に記載のシステムにおいて、前記一次巻線と前記第１の二次巻線とが、少なくとも前記ＡＣ電力線の電圧と等しい定格絶縁電圧を与えるように物理的に分離されているシステム。
【請求項１０】
請求項７に記載のシステムにおいて、前記第１の二次巻線と前記第２の二次巻線とが、少なくとも前記ＡＣ電力線の電圧と等しい定格絶縁電圧を与えるように物理的に分離されているシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の好適例は、ソリッドステート限流器内の半導体スイッチのゲート駆動回路に、特に半導体スイッチが直列に配置されている場合に、絶縁電力を供給する方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力線の故障はソリッドステート限流器（ＳＳＦＣＬ：Solid State Fault Current Limiters）を用いることによって検出し修理することができる。これらのＳＳＦＣＬデバイスは、ＩＧＢＴ、ＳＣＲ、ＩＧＣＴ又はＭＯＳＦＥＴトランジスタなどのソリッドステートスイッチングデバイスを用いて、電源と負荷との間の電流経路のインピーダンスを遮断したり、又は著しく増加させたりする。しかしながらこれらの電力線には、典型的に、１０ｋＶから２３０ｋＶ超の範囲の電圧を有する。典型的なスイッチングデバイスの定格はおよそほんの６ｋＶなので、大抵複数のこれらのＳＳＦＣＬデバイスを直列に設置する必要がある。電源電圧とも称される電力線の全電圧は直列のＳＳＦＣＬデバイスの総数で分割され、こうして各デバイスはその定格範囲内で動作することができる。電力線を流れる電流にサージなどの異常が検出されると、各ＳＳＦＣＬデバイスはそれぞれのソリッドステートスイッチングデバイスをディスエーブルし、電源から見た抵抗を増大させて電流を低減させる。
【０００３】
図１は一般に使用されるＳＳＦＣＬデバイス１００を示す。ＳＳＦＣＬデバイス１００はソリッドステートスイッチングデバイス１１０を備え、これは上述のトランジスタの何れかとすることができる。これらのソリッドステートスイッチングデバイス１１０は、典型的に、少なくとも３つの端子と、ソース又は入力側１１１と、ドレイン又は出力側１１２と、ゲート１１３とを有する。ゲート１１３のアサートにより、ソース１１１からドレイン１１２へと電流を流すことが可能となり、一方でゲート１１３のデアサートにより、ソリッドステートスイッチングデバイス１１０内を電流が流れなくなる。
【０００４】
このソリッドステートスイッチングデバイス１１０は以下のコンポーネント、すなわち、スナバ１２０、リアクトル１３０及び過渡サプレッサ１４０の内の１つ以上と並列に接続させてもよい。スナバ１２０は、典型的には、過渡エネルギーを消散させ、過渡周波数をフィルタリングして（すなわち「リンギング」周波数を遅くして）過電圧を低減するために使用される、コンデンサと直列に接続された抵抗器である。過渡サプレッサ１４０は、過渡過電圧をスナバ１２０及びソリッドステートスイッチングデバイス１１０の定格レベル以下にクランプするために使用される。スナバ１２０、リアクトル１３０及び過渡サプレッサ１４０は並列コンポーネント１４５と称することができる、というのもこれらのコンポーネント１４５は、いくつかの具体例において、ソリッドステートスイッチングデバイス１１０がディスエーブル又はオフ状態の場合に電流を流す並列経路を提供するからである。これらの並列コンポーネント１４５はソリッドステートスイッチングデバイス１１０がオフ状態の時に電源から負荷までの、代替の高インピーダンス電流経路を提供し、電源のオン及びオフ中にソリッドステートスイッチングデバイス１１０を過渡過電圧から保護するために用いられる。
【０００５】
ソリッドステートスイッチングデバイス１１０のゲート１１３は、ゲート駆動回路１５０と通電する。このゲート駆動回路１５０は電流モニタ１６０を用いて、電力線１０１によって供給される電流を監視する。ゲート駆動回路１５０は、電流モニタ１６０からの情報に基づいてソリッドステートスイッチングデバイス１１０の電流経路をイネーブル又は遮断するために使用される。
【０００６】
ゲート駆動回路１５０はソリッドステートデバイス１１０から見た電圧を基準とすることができる。換言すれば、ゲート駆動回路の出力電圧はソリッドステートスイッチングデバイス１１０のソース１１１又はドレイン１１２に存在する電圧に関連付けられる。従来、これは絶縁電源１７０を用いることによって実現されてきた。このＤＣ電源１７０は比較的低電圧、低電流の電源とすることができる。例えば、ゲート駆動回路１５０は、典型的に、最大４８Ｖの低い電圧を使用し、数ワットしか消散しない。
【０００７】
しかしながら、各ＳＳＦＣＬデバイス１００の絶縁電源１７０は他の全ての絶縁電源１７０から電気的に絶縁されていなくてはならない。いくつかの具体例において、絶縁電圧の大きさは、少なくとも電線の全電圧をＳＳＦＣＬデバイス１００の数で割ったものでなくてはならない。他の具体例において、絶縁電圧の大きさは少なくとも電線の全電圧でなければならない。
【０００８】
この絶縁は典型的には絶縁ＤＣ電源１７０を使用して行われる。これらの絶縁ＤＣ電源１７０は光学的に絶縁するか、又は他の手段によって絶縁することができる。これらの具体例において、低電圧及び低電流の要求事項にもかかわらず、絶縁ＤＣ電源１７０は信頼性がなく非常に高価であり、一台数千ドルかかる可能性がある。これらの絶縁電源１７０は高い定格電圧での絶縁中、安定した電力を供給しなければならない。絶縁電圧が高くなると、このタスクは益々困難となる、というのも、供給規模が大きくなるとコストが増え、絶縁破壊を引き起こす高電圧破壊の可能性が高まることにより信頼性が低下するからである。信頼性の低下は、出力電圧の制御を高電圧側から行うのが困難であり（接地側で制御せざるを得ない）、スイッチのゲートがスイッチをオンオフするために必要とする電圧を維持することが困難であることにもよる。よって、この特殊な絶縁電源１７０を使用する必要があるため、ソリッドステート限流器システムの総コストが大幅に増加する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従って、現在の解決策よりも安価で信頼性のある、ゲート駆動回路に絶縁電力を供給するシステム及び方法があると有益である。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
ソリッドステートスイッチングデバイスで用いられるゲート駆動回路に絶縁電力を供給するシステム及び方法を開示する。高価な絶縁ＡＣ−ＤＣ電源を使用するのではなく、絶縁変圧器を使用して絶縁ＡＣ電圧を供給する。一つの好適例では、絶縁変圧器の一次巻線を、独立したＡＣ電源の端子間に配置する。別の好適例では、絶縁変圧器の一次巻線をＡＣ電力線の２つの相の間に配置する。その結果絶縁ＡＣ電圧が絶縁変圧器の二次巻線の端子間に発生する。そしてこの絶縁ＡＣ電圧を、ゲート駆動回路用の電力を生成する非絶縁ＤＣ電源で使用する。
【００１１】
第１の好適例によれば、ＡＣ電力線で使用されるソリッドステート限流デバイスを開示する。この限流デバイスは、入力、出力及びゲートを有し、ＡＣ電力線に直列に配置され、ゲートに印加される電圧によって入力と出力との間に電流が流れるか否かが決まる、ソリッドステートスイッチングデバイスと、ゲートと通電し、ゲートにゲート電圧を印加し、この電圧は入力又は出力のいずれかを基準とするゲート駆動回路と、ＡＣ電力線及びゲート駆動回路と通電し、ゲート電圧が電流モニタからの出力に基づいて決まる電流モニタと、一次巻線及び二次巻線を有する絶縁変圧器と、二次巻線によって給電され、入力又は出力の電圧を基準とし、ゲート駆動回路にＤＣ電力を供給する非絶縁ＡＣ−ＤＣ電源とを備える。
【００１２】
第２の好適例によれば、ＡＣ電力線の故障電流を制限する方法を開示する。この方法は、ＡＣ電力線を流れる電流を監視するステップと、ソリッドステートスイッチングデバイスのゲートに電圧を印加してソリッドステートスイッチングデバイス内に電流を流す、又は流さないようにし、ゲートに印加される電圧を絶縁変圧器を用いることによって発生させて絶縁ＡＣ電圧を生成するステップと、ＡＣ電力線を基準とする非絶縁ＡＣ−ＤＣ電源を使用して絶縁ＡＣ電圧を絶縁ＤＣ電圧に変換するステップと、絶縁ＤＣ電圧を使用してソリッドステートスイッチングデバイスのゲートと通電するゲート駆動回路を駆動するステップとを含む。
【００１３】
第３の好適例によれば、ＡＣ電力線の故障電流を制限する方法を開示する。このシステムは、一次巻線と、第１の二次巻線及び第２の二次巻線とを有する絶縁変圧器；一次巻線が端子間に配置される独立したＡＣ電源；ＡＣ電力線に直列に配置され、第１入力、第１出力及び第１ゲートを有し、第１ゲートに印加される第１ゲート電圧によって第１入力と第１出力との間に電流が流れるか否かが決まる、第１ソリッドステートスイッチングデバイスと、第１ゲートと通電して、第１ゲート電圧を第１ゲートに印加し、第１ゲート電圧は第１入力又は第１出力のいずれかの電圧を基準とする第１ゲート駆動回路と、ＡＣ電力線及び第１ゲート駆動回路と通電し、第１ゲート電圧が第１電流モニタからの出力に基づいて決まる第１電流モニタと、第１の二次巻線によって給電され、第１入力又は第１出力の電圧を基準として第１ゲート駆動回路にＤＣ電力を供給する第１非絶縁ＡＣ−ＤＣ電源とを備える第１のソリッドステート限流器；及び、ＡＣ電力線に直列に配置され、第１出力と通電する第２入力、第２出力及び第２ゲートを有し、第２ゲートに印加される第２ゲート電圧によって第２入力と第２出力との間に電流が流れるか否かが決まる第２ソリッドステートスイッチングデバイスと、第２ゲートと通電して、第２ゲート電圧を第２ゲートに印加し、第２ゲート電圧は第２入力又は第２出力のいずれかの電圧を基準とする第２ゲート駆動回路と、ＡＣ電力線及び第２ゲート駆動回路と通電し、第２ゲート電圧が第２電流モニタからの出力に基づいて決まる第２電流モニタと、第２の二次巻線によって給電され、第２入力又は第２出力の電圧を基準として第２ゲート駆動回路にＤＣ電力を供給する第２非絶縁ＡＣ−ＤＣ電源とを備える第２のソリッドステート限流器を備える。
【００１４】
本開示をより良く理解するために、本明細書に参照として援用する、以下の添付図面を参照する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】従来技術によるＳＳＦＣＬデバイスの略図である。
【図２】第１の実施形態によるＳＳＦＣＬデバイスを示す図である。
【図３】図３Ａは、直列に配置された複数のＳＳＦＣＬデバイスを用いた例示的構成を示す図である。図３Ｂは、直列に配置された複数のＳＳＦＣＬデバイスを用いた例示的構成を示す図である。
【図４】第２の実施形態によるＳＳＦＣＬデバイスを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
上述の様に、ＳＳＦＣＬデバイスは、各ソリッドステートスイッチングデバイスがその定格範囲内で動作可能なように、直列に配置することができる。しかしながら、ゲート駆動回路に給電するために用いられる電源は、相互に適切に絶縁されていなければならない。
【００１７】
図２は第１の実施形態による複数のＳＳＦＣＬデバイス２００を示す。本実施形態では、各ＳＳＦＣＬデバイス２００が、ソース１１１、ドレイン１１２及びゲート１１３を含むソリッドステートスイッチングデバイス１１０などの、図１に示すものと同じコンポーネントの多くを有する。スナバ１２０、リアクトル１３０及び過渡サプレッサ１４０などの並列コンポーネント１４５は、ソリッドステートスイッチングデバイス１１０と並列に配置することができる。更に、ゲート駆動回路１５０はゲート１１３と通電させてもよい。電流モニタ１６０は電力線１０１と通電して電力線１０１を通る電流の流れを検出する。これらのコンポーネントは図１に記載するものと同じ機能であるため、再度説明しない。
【００１８】
本実施形態では、従来技術の絶縁電源１７０（図１参照）を、絶縁保護を含む必要のないより低コストの非絶縁ＡＣ−ＤＣ電源２１０と置き換え、絶縁保護を絶縁変圧器２２０によって提供した。この絶縁変圧器２２０は１つの一次巻線２２２及び１つ以上の二次巻線２２４を有する。一次巻線２２２は、ＡＣ電力線１０１に、例えばその２つの相の間に接続してもよいし、独立したＡＣ電圧源２５０に接続してもよい。二次巻線はより低コストの非絶縁ＡＣ−ＤＣ電源２１０に接続する。任意選択で、過電圧保護回路２３０を各々の二次巻線２２４と非絶縁ＡＣ−ＤＣ電源２１０との間にそれぞれ配置してもよい。絶縁変圧器２２０は必要な絶縁を提供する。
【００１９】
これらのＳＳＦＣＬデバイス２００は少なくとも２つの異なる構成に配置することができる。例えば、図３Ａは各ＳＳＦＣＬデバイス２００（図２に示す）に並列なリアクトル１３０を示す。しかしながら図３Ｂは図３ＡのＳＳＦＣＬデバイス２００の直列接続に並列に接続された１つのリアクトル１３０を示す。尚、図３Ａに従って構成すると、これらの並列コンポーネント１４５のそれぞれの組は、各ソリッドステートスイッチングデバイス１１０と並列に接続される。一方で、図３Ｂに示す様に構成すると、１つのリアクトル１３０が、直列に接続されたソリッドステートスイッチングデバイス１１０全体に並列に接続される。よって、図２に示すリアクトル１３０は本実施形態では存在しない。更に、図３Ａ及び図３Ｂには示さないが、スナバ１２０及び過渡サプレッサ１４０は、好適には、各ソリッドステートスイッチングデバイス１１０と並列に接続する。
【００２０】
上述の様に、絶縁変圧器２２０はこれらのＳＳＦＣＬデバイス２００間に絶縁を提供する。例えば図３Ａの実施形態に従って設置すると、二次巻線２２４は特定の基準を満たさなければならない。先ず、任意の２つの二次巻線２２４間の絶縁電圧はＳＳＦＣＬデバイス１００の数で割った電力線電圧より大きいこともある。二次巻線２２４と一次巻線２２２との間の絶縁電圧は電力線電圧より大きいこともある。任意の二次巻線２２４の接地に対する絶縁電圧は電力線電圧よりも大きいこともある。一次巻線が電力線１０１によって給電される場合、一次巻線２２２の接地に対する絶縁電圧は電力線電圧より大きいこともある。
【００２１】
更に、一次及び二次巻線並びに隣接する二次巻線を全て物理的に分離し、意図的に、少なくともシステムの電力線電圧に等しい適切な高電圧絶縁定格を提供する。いくつかの実施形態において、例えば２５％の設計余裕を組み込んでもよい。巻線アセンブリ間の距離はもちろん使用される電圧及び絶縁材料に依存する。例えば、エポキシ及び変圧器油を用いることによって距離を比較的小さくすることができる。絶縁変圧器２２０において、絶縁障壁に電力を供給するタスクを達成することが絶縁電源１７０の場合よりもずっと容易である、というのも、絶縁点には追加する電子機器がないからである。非絶縁ＡＣ−ＤＣ電源２１０を各二次巻線に接続し、その入力及び出力が同じ電気的共通接続を基準とすることにより、電源に接続されている限りシステムの信頼性を高めることができる。
【００２２】
ＳＳＦＣＬデバイス２００を図３Ｂの実施形態に従って設置すると、任意の２つの二次巻線２２４の間の絶縁電圧は電力線電圧よりも大きくなる。その他の絶縁電圧の基準は上述の通りとすることができる。
【００２３】
尚、図２は１つの絶縁変圧器２２０と通電する二次巻線２２４から給電される、個々のＳＳＦＣＬデバイス２００の全てのゲート駆動回路１５０を示している。しかしながら、その他の構成も可能である。例えば、２つ以上の絶縁変圧器２２０を使用し、これらの絶縁変圧器２２０からの二次巻線がＳＳＦＣＬデバイス２００全てに給電するようにしてもよい。
【００２４】
上述の様に、絶縁変圧器の一次巻線２２０は独立したＡＣ電源２５０に接続することができる。この独立した電源２５０はそれ自身の遮断器を持つ、任意の単一出力のＡＣ電源であってもよい。所望であれば、ＡＣ電源ラインにフィルタを追加して、ラインに注入されるスイッチングノイズを除去することができる。一実施形態では、一次巻線を１２０〜２４０ＶＡＣの標準ＡＣ電力線に接続させることができるが、その他の電圧も可能である。本実施形態では、絶縁変圧器２２０の一次巻線と二次巻線の比（巻数比と称する）を０．５〜２とし、二次巻線のＡＣ電圧を１２０〜２４０ボルトの範囲とすることができる。この二次巻線のＡＣ電圧は非絶縁ＡＣ−ＤＣ電源２１０によって必要とされる入力電圧である。従って、入力電圧が異なっていることが好ましい場合には、次の関係：非絶縁ＡＣ−ＤＣ電源に対する入力電圧は巻数比で割ったＡＣ電源電圧に等しい、に応じた入力電圧が達成されるように巻数比を変更することができる。
【００２５】
別の実施形態では、絶縁変圧器２２０の一次巻線を電力線１０１に接続することができる。いくつかの実施形態では、電力線１０１上の、最後のリアクトル１３０の後方（すなわち、最後のＳＳＦＣＬデバイス２００と負荷の間）に絶縁変圧器２２０を挿入してもよい。もちろん絶縁変圧器２２０は他の場所に接続してもよいが、過電圧保護回路がより複雑になる可能性がある。本実施形態では、一次巻線２２２をＡＣ電力線１０１の２つの相の間に配置することができる。本実施形態において、絶縁変圧器２２０は、二次ＡＣ電圧が１２０〜２４０ボルトの範囲となるような適切な巻数比を有することができる。過電圧保護回路２３０は、電力線１０１を流れる電流が予想よりも高い場合に電圧を制限するために使用することができる。更に、二次ＡＣ電圧は故障中下げてもよい。このために、非絶縁ＡＣ−ＤＣ電源２１０を、これに対応する適切な入力電圧範囲を有するように設計してもよい。例えば、定格入力電圧の範囲を１２０Ｖ未満としてもよい。
【００２６】
各非絶縁ＡＣ−ＤＣ電源２１０は、ソリッドステートスイッチングデバイス１１０と通電する電力線１０１の電圧を基準とする。例えば、ソリッドステートスイッチングデバイス１１０はそのソース側１１１で電力線１０１と通電し、その電圧を（イネーブル時に）そのドレイン側１１２へ通す。一実施形態では、そのソース側１１１の電圧を非絶縁ＡＣ−ＤＣ電源２１０用の共通基準として使用することができる。別の実施形態では、そのドレイン側１１２の電圧を非絶縁ＡＣ−ＤＣ電源２１０用の共通基準として使用することができる。
【００２７】
この様に、ゲート１１３と通電するゲート駆動回路１５０の出力は、ＳＳＦＣＬデバイス２００毎に、ソリッドステートスイッチングデバイス１１０のソース側１１１及びドレイン側１１２の内の１つの電圧を基準とする。
【００２８】
上述の様に、より低コストの非絶縁ＡＣ−ＤＣ電源は絶縁変圧器２２０を有することによって大幅に簡素化される。よって、従来技術の絶縁電源１７０に典型的に見られる複雑な回路を有さない、より低コストの非絶縁ＡＣ−ＤＣ電源２１０は、むしろより少数のコンポーネントを有する。例えば、４５ｋＶＤＣの絶縁ＤＣ／ＤＣ型の非常に低電力（５Ｗ）の電源は＄２，０００以上の費用がかかり、４〜８週間の製造リードタイムを要する。更に、このような電源を製造することのできる業者は少数である。一方で、同じ電力要求事項を有する非絶縁電源の費用は＄１００未満で、容易に製造でき、信頼性もずっと高い。
【００２９】
上述の様に、図２のＳＳＦＣＬデバイス２００は、一組の並列コンポーネント１４５が各ソリッドステートスイッチングデバイス１１０と関連付けられる、図３Ａに示す構成で使用することができる。更に、図２のＳＳＦＣＬデバイス２００は、１つのリアクトル１３０が全てのソリッドステートスイッチングデバイス１１０と並列に接続され、スナバ１２０及び過渡サプレッサ１４０が各ソリッドステートスイッチングデバイス１１０と並列に接続された、図３Ｂに示す構成で使用することができる。
【００３０】
図４は、より安価で、より信頼性の高い電力システムを生成するために使用することのできるＳＳＦＣＬデバイス３００の第２の実施形態を示す。本実施形態では、ＳＳＦＣＬデバイス３００は並列コンポーネント１４５、ソリッドステートスイッチングデバイス１１０、電流モニタ１６０、ゲートスイッチング回路１５０、低コスト非絶縁ＡＣ−ＤＣ電源２１０及び図２に関連して上記に記載した過電圧保護回路２３０を備える。これらのコンポーネントは本実施形態と同じ機能を実行し、ここでは再度説明しない。ＳＳＦＣＬデバイス３００のこの第２の実施形態は、上述の様に構成された、図３Ａ及び図３Ｂに示すどちらの実施形態でも使用することができる。
【００３１】
しかしながら、本実施形態において、各ＳＳＦＣＬデバイス３００は個々の絶縁変圧器３１０を備える。これらの絶縁変圧器３１０の各々は電力線１０１に接続された一次巻線を有する。一実施形態では、一次巻線はＡＣ電力線１０１の２つの相の間に配置される。この様に、電力線電圧（Ｖline）が一次巻線の端子間にかかる。絶縁変圧器３１０の一次巻線はソリッドステートスイッチングデバイス１１０のソース１１１又はドレイン１１２に近接して配置することができる。換言すれば、絶縁変圧器３１０の一次巻線はソリッドステートスイッチングデバイス１１０のいずれの側にも配置することができる。従って、スイッチングデバイス１１０がディスエーブル状態であっても、電力線１０１を流れる電流が存在しなければならない。
【００３２】
絶縁変圧器３１０の二次巻線は低コストの非絶縁ＡＣ−ＤＣ電源２１０と通電する。上述の様に、過電圧保護回路２３０を絶縁変圧器３１０の二次巻線と非絶縁ＡＣ−ＤＣ電源２１０との間に配置することができる。
【００３３】
各絶縁変圧器３１０は、スイッチングデバイス１１０の状態に関係なく、二次巻線３１４で生成される電圧が、例えば１２０〜２４０ボルトとなるような適切な巻数比を有してもよい。例えば、電力線電圧(Ｖline)が１０ｋＶで非絶縁ＡＣ−ＤＣ電源２１０の望ましい入力電圧が１２０Ｖの場合、巻数比はＶline／１２０Ｖ、又は８３と決定することができる。もちろん異なる電力線電圧及び入力電圧を使用し、それに応じて巻数比を計算してもよい。
【００３４】
この様に、高価で非常に信頼性の低い絶縁電源１７０を、絶縁変圧器２２０、３１０及び非絶縁ＡＣ−ＤＣ電源２１０に置き換えることができる。この変更によってシステムのコストが下がり、信頼性が上がる。システムは、図２に示す様に、複数の二次巻線を有する絶縁変圧器２２０を有することができる。別の実施形態では、図４に示す様に、各ＳＳＦＣＬデバイス３００に専用の絶縁変圧器３１０を使用してもよい。
【００３５】
更に、ＡＣ電力線の故障電流を制限する方法を開示する。先ず、ＡＣ電力線の電流を、例えば電流モニタ１６０によって監視する。そして、ソリッドステートスイッチングデバイス１１０のゲート１１３に電圧を印加し、ソリッドステートスイッチングデバイスに電流が流れる、又は流れないようにする。ゲート１１３を制御するために使用する電圧はゲート駆動回路１５０によって生成される。電力は非絶縁ＡＣ−ＤＣ電源２１０によってゲート駆動回路１５０に供給される。非絶縁ＡＣ−ＤＣ電源は絶縁ＡＣ電圧によって給電される。この絶縁ＡＣ電圧は絶縁変圧器２２０、３１０を使って生成される。上述の様に、絶縁変圧器の一次巻線３１０はＡＣ電力線の２つの相の間に配置することができる。別の実施形態では、絶縁変圧器２２０の一次巻線は独立したＡＣ電源２５０の端子間に配置することができる。
【００３６】
本開示は本明細書に記載される特定の実施形態による範囲に限定されるものではない。本明細書に記載されるものに加え、本開示の他の種々の実施形態及び本開示に対する変更は、上述の記載及び添付の図面から通常の当業者には明らかであろう。よって、このようなその他の実施形態及び変更は、本開示の範囲内に含まれるものとする。更に、本開示を本明細書において特定の目的のための特定の環境における特定の実現において説明したが、当業者であればその有用性はそれらに限定されず、本開示は様々な目的のために、様々な環境において有益に実現されると認識するだろう。従って、下記の請求項は、本明細書に記載する本開示の全ての範囲及び趣旨に照らして解釈されたい。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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