(57)【要約】      （修正有）【課題】直流回路遮断器および直流回路遮断器の使用方法を提供する。【解決手段】直流回路遮断器３００は、主経路電流を伝導するための主回路３０２、および過渡経路電流を伝導するための過渡回路３０８を含む。主回路は第１のソリッドステートスイッチ３１２および主接触器３１０を含む。第１のソリッドステートスイッチは主接触器と直列に結合される。過渡回路は主回路と並列に結合される。過渡回路は、第２のソリッドステートスイッチ３１６と直列に結合された補助接触器３１４を含む。第２のソリッドステートスイッチは、主経路電流が第１の閾値を超えたときに閉じる。次いで、第１のソリッドステートスイッチが開く。主接触器は、主経路電流が第２の閾値を下回ったときに開放する。次いで、第２のソリッドステートスイッチが開く。補助接触器は、過渡経路電流が第２の閾値を下回ったときにかつ第２のソリッドステートスイッチが開いた後で開放する。【選択図】図３
2016213179.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流（ＤＣ）回路遮断器（１２０、２００、３００、４００、５０６）であって、
主経路電流を伝導するように構成された主回路（３０２、４０２、５３０）であって、
前記主経路電流が第１の閾値を超えたときに開放するように構成された第１のソリッドステートスイッチ（３１２）、および
前記第１のソリッドステートスイッチ（３１２）に直列結合された主接触器（３１０、４０８）であって、前記第１のソリッドステートスイッチ（３１２）が開いておりかつ前記主経路電流が第２の閾値を下回ったときに開放するように構成された主接触器（３１０、４０８）
を備える主回路（３０２、４０２、５３０）と、
前記主回路（３０２、４０２、５３０）に並列に結合されかつ過渡経路電流を伝導するように構成された過渡回路（３０８、４０４、５３２）であって、
前記主経路電流が前記第１の閾値を超えたときにかつ前記第１のソリッドステートスイッチ（３１２）が開放される前に閉じ、
前記主接触器（３１０、４０８）が開放した後で開放する
ように構成された第２のソリッドステートスイッチ（３１６）、および
前記第２のソリッドステートスイッチ（３１６）に直列結合された補助接触器（３１４、４１０）であって、前記第２のソリッドステートスイッチ（３１６）が開いておりかつ前記過渡経路電流が前記第２の閾値を下回ったときに開放するように構成された補助接触器（３１４、４１０）
を備える過渡回路（３０８、４０４、５３２）と、
を備える直流（ＤＣ）回路遮断器（１２０、２００、３００、４００、５０６）。
【請求項２】
前記主接触器（３１０、４０８）が機械的接触器である、請求項１に記載の直流回路遮断器（１２０、２００、３００、４００、５０６）。
【請求項３】
前記第１のソリッドステートスイッチ（３１２）が低圧金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）スイッチである、請求項１に記載の直流回路遮断器（１２０、２００、３００、４００、５０６）。
【請求項４】
前記第２のソリッドステートスイッチ（３１６）が高圧絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）を備える、請求項１に記載の直流回路遮断器（１２０、２００、３００、４００、５０６）。
【請求項５】
前記過渡回路（３０８、４０４、５３２）が、前記第２のソリッドステートスイッチ（３１６）に並列に結合された電圧クランピング装置（３１８）をさらに備える、請求項１に記載の直流回路遮断器（１２０、２００、３００、４００、５０６）。
【請求項６】
前記過渡回路（３０８、４０４、５３２）が、前記第２のソリッドステートスイッチ（３１６）および前記電圧クランピング装置（３１８）に並列に結合されたコンデンサ（３２０、５１６）をさらに備える、請求項５に記載の直流回路遮断器（１２０、２００、３００、４００、５０６）。
【請求項７】
前記主接触器（３１０、４０８）および前記補助接触器（３１４、４１０）が単一の三極機械的接触器（４０６）として一体化され、前記単一の三極機械的接触器（４０６）が、
主制御コイルと、
補助制御コイルと、
共通接点（Ｃ）と、
前記主制御コイルを励磁したときに前記共通接点に結合されるように構成された主接点（Ｍ）と、
前記補助制御コイルを励磁したときに前記共通接点に結合されるように構成された補助接点（Ａ）と、
を備える、請求項１に記載の直流回路遮断器（１２０、２００、３００、４００、５０６）。
【請求項８】
前記主回路（３０２、４０２、５３０）と接地との間に結合された高圧半導体スイッチ（３２２）をさらに備え、前記半導体スイッチ（３２２）が、通常運転中に開いたままであるように構成され、高インピーダンス故障を検出したときに閉じるようにさらに構成される、請求項１に記載の直流回路遮断器（１２０、２００、３００、４００、５０６）。
【請求項９】
前記主回路（３０２、４０２、５３０）を閉じるために、
前記補助接触器（３１４、４１０）が、命令を受けたときに閉じるようにさらに構成され、
前記第２のソリッドステートスイッチ（３１６）が、前記補助接触器（３１４、４１０）が閉じられた後で閉じ、それによって前記過渡回路（３０８、４０４、５３２）を閉じるようにさらに構成され、
前記主接触器（３１０、４０８）が、前記第１のソリッドステートスイッチ（３１２）が開いているときにかつ前記補助接触器（３１４、４１０）および前記第２のソリッドステートスイッチ（３１６）が閉じられた後で閉じるようにさらに構成され、
前記第１のソリッドステートスイッチ（３１２）が、前記主接触器（３１０、４０８）が閉じられた後で閉じ、それによって前記主回路（３０２、４０２、５３０）を閉じるようにさらに構成され、
前記第２のソリッドステートスイッチ（３１６）が、前記主回路（３０２、４０２、５３０）が閉じられた後で開き、それによって前記過渡回路（３０８、４０４、５３２）を開放するようにさらに構成される、請求項１に記載の直流回路遮断器（１２０、２００、３００、４００、５０６）。
【請求項１０】
直流（ＤＣ）回路遮断器（１２０、２００、３００、４００、５０６）を動作させる方法（６００）であって、
第１のソリッドステートスイッチ（３１２）に流れる主経路電流が第１の閾値を超えたことを検出すると、過渡回路（３０８、４０４、５３２）内の第２のソリッドステートスイッチ（３１６）を閉じるステップ（６２０）と、
前記第２のソリッドステートスイッチ（３１６）を閉じた後で前記第１のソリッドステートスイッチ（３１２）を開き、それによって前記主経路電流を前記過渡回路（３０８、４０４、５３２）へ迂回させるステップ（６３０）と、
前記主経路電流が第２の閾値を下回りかつ前記第１のソリッドステートスイッチ（３１２）が開いているときに主接触器（３１０、４０８）を開放するステップ（６４０）と、
前記主接触器（３１０、４０８）を開放した後で前記第２のソリッドステートスイッチ（３１６）を開くステップ（６５０）と、
前記過渡回路（３０８、４０４、５３２）内で、過渡経路電流が前記第２の閾値を下回りかつ前記第２のソリッドステートスイッチ（３１６）が開いているときに、補助接触器（３１４、４１０）を開放するステップ（６６０）と、
を含む方法（６００）。
【請求項１１】
前記第１のソリッドステートスイッチ（３１２）を開くステップ（６３０）が、前記主経路電流を、前記主接触器（３１０、４０８）を通る主回路（３０２、４０２、５３０）から前記補助接触器（３１４、４１０）を通る過渡回路（３０８、４０４、５３２）へ迂回させることを含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記第２のソリッドステートスイッチ（３１６）を開くステップ（６５０）が、前記過渡経路電流を前記第２のソリッドステートスイッチ（３１６）から並列結合された金属酸化物バリスタ（ＭＯＶ）へ迂回させることを含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記過渡経路電流を前記並列結合されたＭＯＶへ迂回させることが、前記第１のソリッドステートスイッチ（３１２）を過電圧条件から保護するのを容易にするために、前記過渡経路電流を減衰させることを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記過渡経路電流を前記第２のソリッドステートスイッチ（３１６）から迂回させることが、前記第１のソリッドステートスイッチ（３１２）を過電圧条件から保護するのを容易にするために、並列結合されたコンデンサ（３２０、５１６）に過渡経路電圧を印加することをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記第２の閾値が実質的にゼロアンペアである、請求項１０に記載の方法。
【請求項１６】
高インピーダンス故障を検出したときに前記第１のソリッドステートスイッチ（３１２）を接地に結合し、それによって前記主経路電流を接地に短絡させるステップをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１７】
前記直流回路遮断器（１２０、２００、３００、４００、５０６）を閉じるよう命令を受けたときに前記補助接触器（３１４、４１０）を閉じるステップと、
前記補助接触器（３１４、４１０）を閉じた後で前記第２のソリッドステートスイッチ（３１６）を閉じ、それによって前記過渡回路（３０８、４０４、５３２）を閉じるステップと、
前記第２のソリッドステートスイッチ（３１６）を閉じた後で前記主接触器（３１０、４０８）を閉じるステップと、
前記主接触器（３１０、４０８）を閉じた後で前記第１のソリッドステートスイッチ（３１２）を閉じ、それによって主回路（３０２、４０２、５３０）を閉じるステップと、
前記主回路（３０２、４０２、５３０）を閉じた後で前記第２のソリッドステートスイッチ（３１６）を開き、それによって前記過渡回路（３０８、４０４、５３２）を開くステップと、
をさらに含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１８】
直流（ＤＣ）回路遮断器（１２０、２００、３００、４００、５０６）であって、
線路端子（２２０、３０４）と、
負荷端子（２３０、３０６）と、
前記線路端子（２２０、３０４）と前記負荷端子（２３０、３０６）との間に結合された接触器（２１０）であって、
主接触器（３１０、４０８）および金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）スイッチを備える主回路（３０２、４０２、５３０）、および
前記主回路（３０２、４０２、５３０）に並列に結合された過渡回路（３０８、４０４、５３２）
を備える接触器（２１０）と、
前記接触器（２１０）に流れる電流を測定するように構成された電流センサ（２４０）と、
前記接触器（２１０）および前記電流センサ（２４０）に結合されたドライバ（２５０）であって、
前記電流が第１の閾値を超えたときに前記過渡回路（３０８、４０４、５３２）を閉じ、
前記過渡回路（３０８、４０４、５３２）が閉じられた後で前記ＭＯＳＦＥＴスイッチを開き、続いて前記主接触器（３１０、４０８）を開放し、
前記主接触器（３１０、４０８）が開放した後で前記過渡回路（３０８、４０４、５３２）を開く
ように構成されたドライバ（２５０）と、
を備える直流（ＤＣ）回路遮断器（１２０、２００、３００、４００、５０６）。
【請求項１９】
前記主回路（３０２、４０２、５３０）が、前記ＭＯＳＦＥＴスイッチと直列結合された前記主接触器（３１０、４０８）をさらに備える、請求項１８に記載の直流回路遮断器（１２０、２００、３００、４００、５０６）。
【請求項２０】
前記ドライバ（２５０）が、前記電流が第２の閾値を下回ったときに前記主接触器（３１０、４０８）を開放するようにさらに構成される、請求項１９に記載の直流回路遮断器（１２０、２００、３００、４００、５０６）。
【請求項２１】
前記過渡回路（３０８、４０４、５３２）が、
補助接触器（３１４、４１０）と、
前記補助接触器（３１４、４１０）に直列結合された高圧絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）スイッチと、
を備える、請求項１８に記載の直流回路遮断器（１２０、２００、３００、４００、５０６）。
【請求項２２】
前記過渡回路（３０８、４０４、５３２）が、前記高圧ＩＧＢＴスイッチに並列に結合された金属酸化物バリスタ（ＭＯＶ）をさらに備え、前記ＭＯＶがさらに前記補助接触器（３１４、４１０）と直列に結合される、請求項２１に記載の直流回路遮断器（１２０、２００、３００、４００、５０６）。
【請求項２３】
前記過渡回路（３０８、４０４、５３２）が、前記高圧ＩＧＢＴスイッチに並列に結合されたコンデンサ（３２０、５１６）をさらに備え、前記コンデンサ（３２０、５１６）がさらに前記補助接触器（３１４、４１０）と直列に結合される、請求項２１に記載の直流回路遮断器（１２０、２００、３００、４００、５０６）。
【請求項２４】
前記ドライバ（２５０）が、
前記電流が前記第１の閾値を超えたときに前記高圧ＩＧＢＴスイッチを閉じ、
前記主接触器（３１０、４０８）が開放した後で前記高圧ＩＧＢＴスイッチを開き、
前記高圧ＩＧＢＴスイッチが開いた後でかつ前記電流が前記第２の閾値を下回ったときに前記補助接触器（３１４、４１０）を開放する
ようにさらに構成される、請求項２１に記載の直流回路遮断器（１２０、２００、３００、４００、５０６）。
【請求項２５】
前記負荷端子（２３０、３０６）と接地との間に結合された半導体スイッチ（３２２）をさらに備え、前記半導体スイッチ（３２２）が、通常運転中に開いたままであるように構成され、高インピーダンス故障を検出したときに閉じるようにさらに構成される、請求項１８に記載の直流回路遮断器（１２０、２００、３００、４００、５０６）。
【請求項２６】
前記接触器（２１０）が、前記主回路（３０２、４０２、５３０）および前記過渡回路（３０８、４０４、５３２）を故障検出してから１ミリ秒以内に開くように構成される、請求項１８に記載の直流回路遮断器（１２０、２００、３００、４００、５０６）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示の分野は、一般に直流（ＤＣ）回路保護システムに関し、より詳細には、直流回路遮断器および直流回路遮断器の使用方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
多くの既知の電力回路は、過電流を検出し、それに応答して電力回路を遮断するために、回路遮断器を利用している。既知の回路遮断器は、線路側と負荷側との間の回路を開閉するために、機械的接触器を利用している。回路遮断器は、機械的接触器によって遮断されると、導電経路の物理的分離により、線路側と負荷側との間にガルバニ絶縁を与える。物理的分離は、機械的接触器の接点相互間にあり、例えば空気などの媒体、または別の誘電体材料の中で行われる。既知の回路遮断器はソリッドステートスイッチも利用しているが、ソリッドステートスイッチは、機械的接触器によって与えられるガルバニ絶縁を与えない。したがって、電流が、開路のソリッドステートスイッチを通って漏れる可能性がある。このような理由でとりわけ、ソリッドステートスイッチだけはいくつかの電気安全基準を満たしていないことが多い。
【０００３】
負荷のかかった回路を遮断すると、非ゼロ電流を伝導しながら回路を遮断することになり、機械的接触器の接点相互間にアークが発生することがある。アークは、負荷のかかった回路を閉じるときにも発生することがある。アークの防止および抑制は回路遮断器設計の重要な側面である。アーク自体は、部分的には電場のせいでイオン化によって媒体を通じて形成される低インピーダンスの導電経路である。アークは高エネルギーであり、構成要素、特に遮断器の接点表面に損傷を与えている可能性がある。アークは、アーク付近の人々にとって危険であるとともに、アークが回路の遮断を遅らせるので、回路の断路に頼る人々にも危険となり得る。アークは、さらなる安全上の懸念を与える電磁干渉問題を引き起こす可能性もある。
【０００４】
アーク防止への既知のアプローチは、回路を開閉する前に負荷、したがって電流を取り除くことである。既知の回路遮断器は、十分な速度で機械的接触器を作動させ、アークを強制的に遮断するように設計される。交流（ＡＣ）回路では、アークを遮断するのに必要な速度および力は低い。というのは、電流は方向を交番にし、１サイクルごとにゼロを通過するからである。対照的に、直流回路遮断器は非ゼロ電流を遮断しなければならず、非ゼロ電流はアークを非常に作りやすく、より大きな速度および力を必要とする。直流回路遮断器内でアークが発生する可能性は、直流回路遮断器のコストを上げるとともに、一般に直流回路遮断器の耐用寿命を縮める。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第８６３８５３１号明細書
【発明の概要】
【０００６】
一態様では、直流回路遮断器が主回路および過渡回路を含む。主回路は主経路電流を伝導するように構成され、過渡回路は過渡経路電流を伝導するように構成される。主回路は第１のソリッドステートスイッチおよび主接触器を含む。第１のソリッドステートスイッチは主接触器と直列に結合される。過渡回路は主回路と並列に結合される。過渡回路は、第２のソリッドステートスイッチと直列に結合された補助接触器を含む。第２のソリッドステートスイッチは、主経路電流が第１の閾値を超えたときに閉じるように構成される。第１のソリッドステートスイッチは、主経路電流が第１の閾値を超えたときにかつ第２のソリッドステートスイッチが閉じられた後で開くように構成される。主接触器は、主経路電流が第２の閾値を下回ったときにかつ第１のソリッドステートスイッチが開いた後で開放するように構成される。第２のソリッドステートスイッチは、主接触器が開放した後で開くように構成される。補助接触器は、過渡経路電流が第２の閾値を下回ったときにかつ第２のソリッドステートスイッチが開いた後で開放するように構成される。
【０００７】
別の態様では、直流電流回路遮断器を動作させる方法が、第１のソリッドステートスイッチに流れる主経路電流が第１の閾値を超えたことを検出すると、過渡回路内の第２のソリッドステートスイッチを閉じるステップを含む。この方法は、第２のソリッドステートスイッチを閉じた後で第１のソリッドステートスイッチを開き、それによって主経路電流を過渡回路へ迂回させるステップをさらに含む。方法は、主経路電流が第２の閾値を下回りかつ第１のソリッドステートスイッチが開いているときに主接触器を開放するステップをさらに含む。方法は、主接触器を開放した後で第２のソリッドステートスイッチを開くステップをさらに含む。方法は、過渡回路内で、過渡経路電流が第２の閾値を下回りかつ第２のソリッドステートスイッチが開いているときに、補助接触器を開放するステップをさらに含む。
【０００８】
別の態様では、直流回路遮断器が、線路端子、負荷端子、接触器、電流センサ、およびドライバを含む。接触器は線路端子と負荷端子との間に結合される。接触器は、線路端子と負荷端子との間に結合された主回路および過渡回路を含む。主回路および過渡回路はさらに並列に結合される。主回路は、主接触器および金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）スイッチを含む。電流センサは、接触器に流れる電流を測定するように構成される。ドライバは接触器および電流センサに結合される。ドライバは、電流が第１の閾値を超えたときに過渡回路を閉じるように構成される。ドライバは、過渡回路が閉じられた後でＭＯＳＦＥＴスイッチを開き、続いて主接触器を開放するようにさらに構成される。ドライバは、主接触器が開放した後で過渡回路を開くようにさらに構成される。
【０００９】
本開示のこれらおよびその他の特徴、態様、および利点は、下記の詳細な説明を、諸図面を通じて類似の符号が類似の部分を表している添付図面を参照して読んだときにより良く理解できるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】例示的な直流（ＤＣ）回路のブロック図である。
【図２】図１に示されている直流回路に使用する例示的な直流回路遮断器のブロック図である。
【図３】図１に示されている直流回路に使用する例示的な直流回路遮断器の概略構成図である。
【図４】図１に示されている直流回路に使用する別の例示的な直流回路遮断器の概略構成図である。
【図５】図１に示されている直流回路などの例示的な直流回路の概略構成図である。
【図６】図１〜図５に示されている直流回路遮断器などの直流回路遮断器を動作させる例示的な方法の流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
特に指示がない限り、本明細書に提供される図面は、本開示の諸実施形態の特徴を例示することを意味する。これらの特徴は、本開示の１つまたは複数の実施形態を備える多種多様のシステムに適用可能であると考えられる。したがって、図面は、本明細書に開示される諸実施形態を実践するために必要となる当業者に知られている従来の特徴をすべて含むことを意味する。
【００１２】
下記の明細書および特許請求の範囲では、下記の意味を有するいくつかの用語が参照される。
【００１３】
単数形の「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」、および「その（ｔｈｅ）」は、文脈上そうでないとする明確な指示がない限り、複数形の照応を含む。
【００１４】
「任意選択の（ｏｐｔｉｏｎａｌ）」または「随意に（ｏｐｔｉｏｎａｌｌｙ）」は、後で記述される事象または状況が発生してもよいし発生しなくてもよいこと、および、その記述が、事象が発生する事例と事象が発生しない事例とを含むこと、を意味する。
【００１５】
本明細書および特許請求の範囲全体を通じて本明細書に用いられている近似を表す語は、その語が関連している基本機能の変化を生じさせることなく許容範囲で変化し得る任意の定量的表現を修飾するために適用することができる。したがって、「約（ａｂｏｕｔ）」、「およそ（ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ）」、「実質的に（ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙ）」などの用語によって修飾される値は、指定される正確な値に限定されるものではない。少なくともいくつかの事例において、近似を表す語は、その値を測定するための機器の精度に対応することができる。この場合、本明細書および特許請求の範囲全体を通じて、範囲制限は組み合わされかつ／または置き換えられてもよく、そのような範囲は識別され、文脈上または言語上特に指示がないない限り、その範囲に含まれるすべての部分範囲を含む。
【００１６】
本開示の諸実施形態は直流（ＤＣ）回路保護システムに関する。本明細書に記述されている直流回路遮断器は、アークなしの電流遮断、および線路と負荷との間のガルバニ絶縁を可能にする。より具体的には、本明細書に記述されている直流回路遮断器は、ソリッドステートスイッチと直列の主機械的接触器、および並列の高インピーダンススナバ回路を含む。過電流を検出すると、並列高インピーダンススナバ回路は、ソリッドステートスイッチの動作により電流を主回路から迂回させる。次いで、主機械的接触器は、実質的により低い電流条件下でアークなしに開放することができる。本明細書に記述されている直流回路遮断器は、アークなしの直流電流遮断を容易にし、それによって直流回路遮断器の耐用寿命およびコストを改善する。さらに、本明細書に記述されている直流回路遮断器は、電気安全基準に従ってガルバニ絶縁を可能にする。
【００１７】
図１は、例示的な直流回路１００のブロック図である。直流回路１００は、直流電源１１０、直流回路遮断器１２０、および負荷１３０を含む。負荷１３０は、例えば制限なく、直流電子負荷とモータと圧縮機と電池と交流（ＡＣ）電気器具およびその他の交流負荷用のＤＣ−ＡＣコンバータとを含み得る電気負荷である。直流電源１１０は、負荷１３０に直流を適切な電圧で供給するための任意の適当な構成要素を含む。ある実施形態では、直流電源１１０は電池を含む。代替実施形態では、直流電源１１０は交流発電機およびＡＣ−ＤＣコンバータを含む。
【００１８】
直流回路遮断器１２０は、過電流を検出したときに、直流電源１１０によって負荷１３０に供給される直流を遮断するための直流回路保護装置である。過電流は、例えば短絡または短絡故障の結果として発生し、過大な負荷に起因することもある。
【００１９】
図２は、直流回路１００（図１に示されている）に使用する例示的な直流回路遮断器２００のブロック図である。直流回路遮断器２００は、線路端子２２０と負荷端子２３０との間の接続を開閉する接触器２１０を含む。直流回路遮断器２００は、接触器２１０を導通する電流レベルを検出する電流センサ２４０を含む。電流センサ２４０は検知電流信号をドライバ２５０に送る。ドライバ２５０は、検知電流信号を受け取り、接触器２１０用の１つまたは複数の制御信号を生成する構成要素を含む。制御信号は、例えば制限なく、リレーのコイルを励磁する信号およびトランジスタのゲートを駆動する別の信号を含む。ある実施形態では、ドライバ２５０は、例えば制限なく、特定の制御信号を一定電流レベルでトリガするように構成された制御回路を含む。
【００２０】
図３は、直流回路１００（図１に示されている）に使用する例示的な直流回路遮断器３００の概略構成図である。直流回路遮断器３００は、線路端子３０４と負荷端子３０６との間に主回路３０２を含み、線路端子３０４と負荷端子３０６との間に過渡回路３０８も含む。直流回路遮断器３００は、線路端子３０４と負荷端子３０６との間の回路を開閉するように構成され、より詳細には、線路端子３０４と負荷端子３０６との間の直流電流をアークなしに遮断するように構成される。ある実施形態では、直流回路遮断器３００は、故障の発生から１ミリ秒以内に線路端子３０４と負荷端子３０６との間の回路を遮断することができる。直流回路遮断器３００は、開状態のときに線路端子３０４と負荷端子３０６との間にガルバニ絶縁を与えるようにさらに構成される。
【００２１】
主回路３０２は、ソリッドステートスイッチ３１２と直列に結合された主接触器３１０を含み、すべてが線路端子３０４と負荷端子３０６との間に結合されている。主接触器３１０は機械的接触器であり、開状態のときにガルバニ絶縁を与える。ソリッドステートスイッチ３１２は半導体装置であり、例として、低圧金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）があげられるが、この限りではない。
【００２２】
過渡回路３０８は、線路端子３０４と負荷端子３０６との間に主回路３０２と並列に結合される。過渡回路３０８は、過渡回路３０８を線路端子３０４に結合および減結合する補助接触器３１４を含む。過渡回路３０８は、電圧クランピング装置３１８に並列に結合された、直列結合されたソリッドステートスイッチ３１６も含む。電圧クランピング装置３１８はさらにコンデンサ３２０に並列に接続される。ソリッドステートスイッチ３１６としては、例として、高圧絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、パワーＭＯＳＦＥＴ、およびバイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）があげられるが、この限りではない。電圧クランピング装置３１８としては、例えば制限なしに、任意適当な抑制装置があげられ、例として、金属酸化物バリスタ（ＭＯＶ）、過渡電圧抑制ダイオード、およびガス入り管サプレッサがあげられるが、この限りではない。
【００２３】
直流回路遮断器３００は、負荷端子３０６と接地との間に結合された高圧半導体スイッチ３２２も含む。高圧半導体スイッチ３２２としては、例として、高圧絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、パワーＭＯＳＦＥＴ、およびバイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）があげられるが、この限りではない。高圧半導体スイッチ３２２はノーマルオープンであり、通常運転中、開いたままである。したがって、通常運転中、高圧半導体スイッチ３２２は、負荷端子３０６に印加される全線電圧を受ける。故障状態中、より具体的には高インピーダンス故障中、高圧半導体スイッチ３２２が閉じて、電流を主回路３０２から接地へ迂回させる。高インピーダンス故障は、例えば、人が線路から接地への経路を形成したときに発生するが、この限りではない。高インピーダンスは、例えば制限なく、機器故障などの低インピーダンス故障に対する人のインピーダンスを意味する。したがって、高圧半導体スイッチ３２２は、人の故障保護に十分な速切りを容易にする。
【００２４】
低圧ソリッドステートスイッチおよび高圧スイッチの定格は、直流回路遮断器３００のための総合定格電圧に対するものとして定められる。高圧と低圧とを区別するための定格閾値は実施形態ごとに異なる。例えば、直流回路遮断器３００の一実施形態の定格は６００ボルトであり、６００ボルトはこの一実施形態では高電圧と呼ばれる。したがって、この一実施形態での高圧ソリッドステートスイッチの定格は６００ボルト以上である。６００ボルトが高圧定格であれば、この一実施形態での低圧ソリッドステートスイッチの定格は１００ボルト以下である。別の実施形態では、例えば、直流回路遮断器３００の定格は１００ボルトであり、１００ボルトはこの実施形態では高電圧と呼ばれる。したがって、この実施形態での高圧ソリッドステートスイッチの定格は１００ボルト以上である。１００ボルトが高圧定格であれば、この実施形態での低圧ソリッドステートスイッチの定格は２０ボルト以下である。
【００２５】
直流回路遮断器３００では、閉状態のとき、主接触器３１０、ソリッドステートスイッチ３１２、および補助接触器３１４は閉じられ、ソリッドステートスイッチ３１６は開いている。閉状態のとき、主回路３０２は、過渡回路３０８に対して低インピーダンス経路である。開状態のとき、主接触器３１０および補助接触器３１４は開いていて、線路端子３０４と負荷端子３０６との間にガルバニ絶縁を与える。
【００２６】
主回路３０２では、主接触器３１０およびソリッドステートスイッチ３１２は、ドライバ２５０（図２に示されている）などのドライバからのそれぞれの制御信号によって制御される。過渡回路３０８では、補助接触器３１４およびソリッドステートスイッチ３１６もまた、ドライバからのそれぞれの制御信号によって制御される。
【００２７】
直流回路遮断器３００が閉状態にありかつ負荷を受けていると仮定すると、主回路３０２に流れる電流が、電流センサ、例えば電流センサ２４０（図２に示されている）によって検知されて、第１の閾値を超えると、ソリッドステートスイッチ３１６は閉じられ、ソリッドステートスイッチ３１２は開放される。第１の閾値は、例えば、直流回路遮断器３００の引外し電流レベルである。ソリッドステートスイッチ３１６および３１２の開閉は、過渡回路３０８が電流の低インピーダンス経路になるので、アークなしに実現される。主回路３０２は過渡回路３０８に対して高インピーダンスになり、したがって電流は主回路３０２から過渡回路３０８へ迂回させられる。過渡回路３０８内では、低インピーダンス経路はソリッドステートスイッチ３１６および補助接触器３１４を通り、ソリッドステートスイッチ３１６および補助接触器３１４に電流が流れる。
【００２８】
ソリッドステートスイッチ３１２を開放し、電流を過渡回路３０８経由で迂回させると、主接触器３１０に流れる電流は理想的にはゼロである。ソリッドステートスイッチ３１２は小漏れ電流を許容できるが、主接触器に流れる電流は実質的にゼロである。主接触器３１０に流れる電流が第２の閾値を下回ると、主接触器３１０はアークなしに開放される。第２の閾値は、例えば、主接触器３１０の媒体中での電流遮断中にアークが発生する見込みのない電流レベルである。
【００２９】
主接触器３１０が開放すると、ソリッドステートスイッチ３１６は開放されて、電流を、この時は電圧クランピング装置３１８経由で再び迂回させる。電圧クランピング装置３１８は電流を減衰させ、主回路３０２を電圧スパイクから保護する。ソリッドステートスイッチ３１６が開放され、電流が電圧クランピング装置３１８へ迂回させられると、コンデンサ３２０は、電圧スパイクに対する主回路３０２へのさらなる保護を与える。
【００３０】
ソリッドステートスイッチ３１６が開放すると、電圧クランピング装置３１８に流れる電流は一定時間内にゼロに向かって減少する。過渡回路３０８および補助接触器３１４に流れる電流が第２の閾値を下回ると、補助接触器３１４はアークなしに開放される。補助接触器３１４および主接触器３１０が開放しているとき、線路端子３０４は負荷端子３０６からガルバニ絶縁される。
【００３１】
図４は、直流回路１００（図１に示されている）に使用する別の例示的な直流回路遮断器４００の概略構成図である。直流回路遮断器４００は、線路端子３０４と負荷端子３０６との間に主回路４０２を含み、線路端子３０４と負荷端子３０６との間に過渡回路４０４も含む。直流回路遮断器４００は、線路端子３０４と負荷端子３０６との間の回路を開閉するように構成され、より詳細には、線路端子３０４と負荷端子３０６との間の直流電流をアークなしに遮断するように構成される。直流回路遮断器４００は、開状態のときに線路端子３０４と負荷端子３０６との間にガルバニ絶縁を与えるようにさらに構成される。
【００３２】
主回路４０２は、ソリッドステートスイッチ３１２と直列に結合された一体型の三極接触器４０６を含み、すべてが線路端子３０４と負荷端子３０６との間に結合されている。一体型三極接触器４０６は、共通接点Ｃ、主接点Ｍ、および補助接点Ａを含む。一体型三極接触器４０６は機械的接触器であり、開状態のときに、共通接点Ｃと主接点Ｍとの間、および共通接点Ｃと補助接点Ａとの間にガルバニ絶縁を与える。主回路４０２は、共通接点Ｃと主接点Ｍとの間の回路を含む。共通接点Ｃと主接点Ｍとの間の回路は主制御コイル（図示せず）によって開閉される。主制御コイルが励磁されると、共通接点Ｃと主接点Ｍとの間の回路は主接触器４０８によって閉じられる。
【００３３】
過渡回路４０４は、線路端子３０４と負荷端子３０６との間に主回路４０２と並列に結合される。過渡回路４０４は一体型三極接触器４０６を含み、より詳細には、共通接点Ｃと補助接点Ａとの間の回路を含む。共通接点Ｃと補助接点Ａとの間の回路は補助コイル（図示せず）によって開閉される。補助コイルが励磁されると、共通接点Ｃと補助接点Ａとの間の回路は補助接触器４１０によって閉じられる。過渡回路４０４は、電圧クランピング装置３１８に並列に結合され、さらにコンデンサ３２０に並列に結合された、直列結合されたソリッドステートスイッチ３１６も含む。
【００３４】
直流回路遮断器４００は、負荷端子３０６と接地との間に結合された高圧半導体スイッチ３２２も含む。高圧半導体スイッチ３２２としては、例として、高圧絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、パワーＭＯＳＦＥＴ、およびバイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）があげられるが、この限りではない。高圧半導体スイッチ３２２はノーマルオープンであり、通常運転中、開いたままである。したがって、通常運転中、高圧半導体スイッチ３２２は、負荷端子３０６に印加される全線電圧を受ける。故障状態中、より具体的には高インピーダンス故障中、高圧半導体スイッチ３２２が閉じて、電流を主回路４０２から接地へ迂回させる。高インピーダンス故障は、例えば、人が線路から接地への経路を形成したときに発生するが、この限りではない。高インピーダンスは、例えば制限なく、機器故障などの低インピーダンス故障に対する人のインピーダンスを意味する。したがって、高圧半導体スイッチ３２２は、人の故障保護に十分な速切りを容易にする。
【００３５】
直流回路遮断器４００では、閉状態のとき、主接触器４０８、補助接触器４１０、およびソリッドステートスイッチ３１２は閉じられ、ソリッドステートスイッチ３１６は開いている。閉状態のとき、主回路４０２は、過渡回路４０４に対して低インピーダンス経路である。開状態のとき、主制御コイルおよび補助制御コイルは共に無励磁にされ、それによって主接触器４０８および補助接触器４１０を開放する。開放すると、一体型三極接触器４０６は、線路端子３０４と負荷端子３０６との間にガルバニ絶縁を与える。
【００３６】
主回路４０２では、主制御コイルおよびソリッドステートスイッチ３１２は、ドライバ２５０（図２に示されている）などのドライバからのそれぞれの制御信号によって制御される。過渡回路４０４では、補助制御コイルおよびソリッドステートスイッチ３１６もまた、ドライバからのそれぞれの制御信号によって制御される。
【００３７】
直流回路遮断器４００が閉状態にありかつ負荷を受けていると仮定すると、主回路４０２に流れる電流が、電流センサ、例えば電流センサ２４０（図２に示されている）によって検知されて、第１の閾値を超えると、ソリッドステートスイッチ３１６は閉じられ、ソリッドステートスイッチ３１２は開放される。第１の閾値は、例えば、直流回路遮断器４００の引外し電流レベルである。ソリッドステートスイッチ３１６および３１２の開閉は、過渡回路４０４が電流の低インピーダンス経路になるので、アークなしに実現される。主回路４０２は過渡回路４０４に対して高インピーダンスになり、したがって電流は主回路４０２から過渡回路４０４へ迂回させられる。過渡回路４０４内では、低インピーダンス経路はソリッドステートスイッチ３１６、共通接点Ｃ、および補助接点Ａを通り、ソリッドステートスイッチ３１６、共通接点Ｃ、および補助接点Ａに電流が流れる。
【００３８】
ソリッドステートスイッチ３１２を開放し、電流を過渡回路４０４経由で迂回させると、共通接点Ｃおよび主接点Ｍに流れる電流は理想的にはゼロである。ソリッドステートスイッチ３１２は小漏れ電流を許容できるが、共通接点Ｃおよび主接点Ｍに流れる電流は実質的にゼロである。主回路４０２に流れる電流が第２の閾値を下回ると、主制御コイルは無励磁にされ、主接触器４０８はアークなしに開放される。第２の閾値は、例えば、一体型三極接触器４０６の媒体中での電流遮断中にアークが発生する見込みのない電流レベルである。
【００３９】
主接触器４０８が開放すると、ソリッドステートスイッチ３１６は開放されて、電流を、この時は電圧クランピング装置３１８経由で再び迂回させる。電圧クランピング装置３１８は電流を減衰させ、主回路４０２を電圧スパイクから保護する。ソリッドステートスイッチ３１６が開放され、電流が電圧クランピング装置３１８へ迂回させられると、コンデンサ３２０は、電圧スパイクに対する主回路４０２へのさらなる保護を与える。
【００４０】
ソリッドステートスイッチ３１６が開放すると、電圧クランピング装置３１８に流れる電流は一定時間内にゼロに向かって減少する。過渡回路４０４、共通接点Ｃ、および補助接点Ａに流れる電流が第２の閾値を下回ると、補助制御コイルは無励磁にされ、補助接触器４１０はアークなしに開放される。補助接触器４１０および主接触器４０８が開放しているとき、線路端子３０４は負荷端子３０６からガルバニ絶縁される。
【００４１】
図５は、例示的な直流回路５００のブロック図である。直流回路５００は、発電機５０２、整流器５０４、直流回路遮断器５０６、インバータ５０８、および負荷５１０を含む。インバータ５０８および負荷５１０は、正直流母線５１２および負直流母線５１４によって直流回路遮断器５０６に結合される。インバータ５０８は一般に負荷５１０の近くにあるのに対して、整流器５０４および直流回路遮断器５０６は負荷５１０から離れかつ発電機５０２の近くにある。したがって、正直流母線５１２および負直流母線５１４は一般に長いケーブルまたは電線の引き回しである。正直流母線５１２および負直流母線５１４は、発電機側および負荷側に配置されたコンデンサ５１６を介して接地に容量結合される。容量結合は、ある実施形態では、整流器５０４およびインバータ５０８の中に組み込まれる。
【００４２】
発電機５０２は、１つまたは複数の相を含む第１の交流母線５１８によって整流器５０４に結合される。整流器５０４は、発電機５０２の交流出力を、それぞれ直流回路遮断器５０６に結合する正直流出力５２０および負直流出力５２２に変換する。
【００４３】
負荷５１０は、１つまたは複数の相を含む第２の交流母線５２４によってインバータ５０８に結合される。インバータ５０８は、正直流母線５１２から正直流入力５２６を受け取り、負直流母線５１４から負直流入力５２８を受け取り、負荷５１０用の交流電力を発電する。
【００４４】
直流回路遮断器５０６は、正直流母線５１２および負直流母線５１４と一列に結合され、主回路５３０および過渡回路５３２を含む。主回路５３０は過渡回路５３２と並列に結合される。直流回路遮断器５０６は半導体スイッチ５３４も含む。半導体スイッチ５３４は、正直流母線５１２と接地との間、および負直流母線５１４と接地との間に結合される。直流回路遮断器５０６は、直流回路遮断器３００および４００（図３および図４に示されている）と同様に動作する。
【００４５】
図６は、直流回路遮断器３００（図３に示されている）を動作させる例示的な方法６００の流れ図である。次に図３および図５を参照すると、この方法は開始ステップ６１０から始まる。過電流検出ステップ６２０で、主経路電流が第１の閾値を超えたことを検出すると、第２のソリッドステートスイッチ３１６が閉じられる。第１の電流ダイバージョンステップ６３０で、第１のソリッドステートスイッチ３１２は、ソリッドステートスイッチ３１６が閉じられた後で開放される。主経路遮断ステップ６４０で、主接触器３１０は、主経路電流が第２の閾値を下回りかつ第１のソリッドステートスイッチ３１２が開いているときに開放される。第２の電流ダイバージョンステップ６５０で、第２のソリッドステートスイッチ３１６は、主接触器３１０が開放された後で開放される。過渡経路電流が第２の閾値を下回りかつ第２のソリッドステートスイッチ３１６が開放されたときに、過渡経路遮断ステップ６６０で補助接触器３１４は開放される。方法は終了ステップ６７０で終わる。
【００４６】
ある実施形態では、直流回路遮断器３００は、負荷端子３０６と接地との間に結合された高圧半導体スイッチ３２２を含む。高インピーダンス故障中、方法６００は、半導体スイッチ３２２を閉じ、半導体スイッチ３２２が電流を主回路３０２から接地へ迂回させることをさらに含む。高インピーダンス故障は、例えば、人が線路から接地への経路を形成したときに発生するが、この限りではない。高インピーダンスは、例えば制限なく、機器故障などの低インピーダンス故障に対する人のインピーダンスを意味する。方法は主経路遮断ステップ６４０を継続し、ここで主接触器３１０が開放される。したがって、高圧半導体スイッチ３２２は、人の故障保護に十分な速切りを容易にする。
【００４７】
上記の直流回路遮断器は、アークなしの電流遮断、および線路と負荷との間のガルバニ絶縁を可能にする。より具体的には、本明細書に記述されている直流回路遮断器は、ソリッドステートスイッチと直列の主機械的接触器、および並列の高インピーダンススナバ回路を含む。過電流を検出すると、並列高インピーダンススナバ回路は、ソリッドステートスイッチの動作により電流を主回路から迂回させる。次いで、主機械的接触器は、実質的により低い電流条件の下でアークなしに開放することができる。本明細書に記述されている直流回路遮断器は、アークなしの直流電流遮断を容易にし、それによって直流回路遮断器の耐用寿命およびコストを改善する。さらに、本明細書に記述されている直流回路遮断器は、電気安全基準に従ってガルバニ絶縁を与える。
【００４８】
本明細書に記述されている方法、システム、および装置の例示的な技術的効果は、（ａ）直流回路遮断器の開放している間のガルバニ絶縁の向上、（ｂ）機械的接触器とソリッドステートスイッチとの直列の組合せによるアークなしの直流遮断、（ｃ）アーク発生頻度の減少による直流回路遮断器の耐用寿命の向上、（ｄ）人的過失が発生した場合の高インピーダンス故障保護の向上、（ｅ）スイッチング時間が１０ミリ秒未満かつ１ミリ秒程度、（ｆ）アーク抑制を対象とする仕様の緩和による製造原価の低減、（ｇ）耐用寿命および製造原価の改善の結果としての設備投資の低減、の少なくとも１つを含む。
【００４９】
直流回路遮断器のための方法、システム、および装置の例示的な諸実施形態は、本明細書に記述されている特定の実施形態に限定されるものではなく、むしろ、システムの構成要素および／または方法のステップが、本明細書に記述されている他の構成要素および／またはステップから独立してかつ別々に利用されてもよい。例えば、上記方法は、他の非従来的な直流回路保護システムと組み合わせて使用されてもよく、本明細書に記述されているシステムおよび方法だけで実施するのに限定されるものではない。それどころか、例示的な実施形態は、効率の向上、運転コストの削減、および設備投資の削減から恩恵を受けることができる他の多くの用途、機器、およびシステムに関連して実施し利用することができる。
【００５０】
本開示の様々な実施形態の特定の特徴がいくつかの図面に示され得るが、これは便宜上にすぎない。本開示の原則によれば、一図面の特徴は、他の図面の特徴と組み合わせて参照されかつ／または特許請求され得る。
【００５１】
本明細書は、最良の形態を含めて実施形態を開示するために、それにまた、当業者が、任意の装置またはシステムを製作または使用すること、および、任意の組み込まれた方法を実行することを含めて実施形態を実施できるようにするために、例を使用している。本開示の特許性のある範囲は特許請求の範囲によって定義され、当業者が想起する他の例を含むことができる。このような他の例は、それらの例が特許請求の範囲の文言と異ならない構造要素を有する場合、または、それらの例が特許請求の範囲の文言とは実質的に差異のない同等の構造を含む場合、特許請求の範囲内にあることを意図している。
【符号の説明】
【００５２】
１００  直流回路
１１０  直流電源
１２０  直流回路遮断器
１３０  負荷
２００  直流回路遮断器
２１０  接触器
２２０  線路端子
２３０  負荷端子
２４０  電流センサ
２５０  ドライバ
３００  直流回路遮断器
３０２  主回路
３０４  線路端子
３０６  負荷端子
３０８  過渡回路
３１０  主接触器
３１２  第１のソリッドステートスイッチ
３１４  補助接触器
３１６  第２のソリッドステートスイッチ
３１８  電圧クランピング装置
３２０  コンデンサ
３２２  高圧半導体スイッチ
４００  直流回路遮断器
４０２  主回路
４０４  過渡回路
４０６  一体型三極接触器
４０８  主接触器
４１０  補助接触器
５００  直流回路
５０２  発電機
５０４  整流器
５０６  直流回路遮断器
５０８  インバータ
５１０  負荷
５１２  正直流母線
５１４  負直流母線
５１６  コンデンサ
５１８  第１の交流母線
５２０  正直流入力
５２２  負直流入力
５２４  第２の交流母線
５２６  正直流入力
５２８  負直流入力
５３０  主回路
５３２  過渡回路
５３４  半導体スイッチ
６００  方法
６１０  開始ステップ
６２０  過電流検出ステップ
６３０  第１の電流ダイバージョンステップ
６４０  主経路遮断ステップ
６５０  第２の電流ダイバージョンステップ
６６０  過渡経路遮断ステップ
６７０  終了ステップ
Ｃ  共通接点
Ｍ  主接点
Ａ  補助接点
【図１】
2016213179.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2016213179.tif 000007
【図６】
2016213179.tif 000008
【外国語明細書】
2016213179000001.pdf