JP2015508555A - スイッチング部材の接点ギャップにわたって発生するアークを抑圧するための回路装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、ＰＴＣ抵抗器（１０５）を備える電流バイパス経路（１０４）がスイッチ（１０１）と並列に設けられた、スイッチング処理中に発生するアークを抑圧するための回路装置（１０）に関する。この回路装置（１０）は、電流バイパス経路（１０４）におけるＰＴＣ抵抗器（１０５）と直列にヒューズ（１０６）が接続されていることを特徴とする。また本発明は、ＤＣライン（２、３）を介してインバータ（５）に接続された光起電力発生器（１）を有する太陽光発電設備に関する。この構成では、このような回路装置（１０）が ＤＣライン（２、３）のうちの少なくとも一方に配置されている。【選択図】図１

Description

本発明は、スイッチング処理中に発生するアークを抑圧するための回路装置に関する。
アークの抑圧は、この場合には、アークの発生が防止されることと、すでに発生したアークが消されることとの両方を意味するように理解されたい。

特に、高い電流強度と、約３０ボルトを超える高い電圧とを有する直流のスイッチングの間には、スイッチにおけるスイッチング接点によって構成された接点ギャップの開放中にスイッチング接点どうしの間にアークが生じ、そのアークを介して電流が流れ続けるという危険性が潜在的に存在する。
このようなアークは、一方では、対応するスイッチにおけるスイッチング接点を破壊し、他方では火災の危険性を伴う。

火災の危険性を防ぐため、発生したアークがスイッチング接点から特殊な消弧チャンバに導かれる特別な直流リレーまたは直流接触器が知られている。
この装置では、アークをそらせるため、アークのイオン化粒子と相互作用する磁石、または、圧縮空気の流れが用いられる。
これらの解決策は、一方では機械的に複雑なものであり、他方では、圧縮空気の供給が得られない太陽光発電設備などの設備には適していない。

さらに、スイッチの開放中に、スイッチにおけるスイッチング接点と並列の電流バイパス経路に電流を迂回させることでアークが回避される解決策が知られている。
この電流バイパス経路は、半導体スイッチ、コンデンサまたは温度依存性抵抗器を用いることによって形成され得る。
この装置では、電流バイパス経路におけるコンデンサまたは温度依存性抵抗器が、電流バイパス経路における半導体スイッチが次のように駆動するように設計されている。
すなわち、スイッチが開くと、このスイッチが動作している時に電圧と電流が非常に低くなってアークが発生しないように、電流はまず電流バイパス経路を介して少なくとも大きく流れる。
その後、電流バイパス経路の電流が理想的にはゼロの値まで低下し、それによって、装置全体を流れる電流が遮断される。

以下のテキストでは略してＰＴＣ抵抗器とも呼ばれる、正の温度係数（ＰＴＣ）を有する抵抗器を用いるこのような装置は、たとえば印刷文献である特許文献１によって知られている。
この装置は、スイッチの開放と、ＰＴＣ抵抗器によって形成された電流バイパス経路への迂回との後に回路の電流をゼロの値まで下げられるように、さらなるスイッチと直列に動作する。
このさらなるスイッチは、バイパス経路を流れる電流がこのような小さい値まで低下すると難なく開くことができ、このさらなる接点ギャップが動作した時には、アークはもはや発生しないか、または消弧されることになる。
両方のスイッチは、たとえば電磁的に一緒に動作するスイッチであることによって、同時か、または互いに対して短い時間間隔で動作する。

同様の装置は、印刷文献である特許文献２によって知られている。
ＤＣ電流またはＡＣ電流に好適な回路において、直列に接続された２つのスイッチが設けられており、この場合には、これらのスイッチのうちの第１のスイッチと並列にＰＣＴ抵抗器が接続されている。
並列のＰＣＴ抵抗器を伴う第１のスイッチは、上記のＤＣ回路装置またはＡＣ回路装置における電流を遮断するために最初に開く。
それにより、電流は電流バイパス経路の方に切り替わり、第１のスイッチの接点の所でスイッチングアークが発生することなくＰＴＣ抵抗器を通って流れる。
次にＰＴＣ抵抗器が熱くなり、その結果、ＰＴＣ抵抗器の抵抗が増え、ＤＣ回路装置またはＡＣ回路装置の電流が減少する。
その後、第２のスイッチの所でアークが発生する危険性がない状態で電流を完全に遮断するために、電流がすでに低下している間に第２のスイッチが同様に開き得る。
ＰＴＣ抵抗器と、第２のスイッチのためのスイッチング手段とは、ＰＴＣ抵抗器が自身の温度上昇に従って膨張する時に第２のスイッチが自動的に開くようにして結合している。

しかし上記の装置では、電流バイパス経路におけるＰＴＣ抵抗器が、それぞれのスイッチング処理に関係する高い負荷に通常さらされる点が不利となり、このことは、この装置が高い数のスイッチングサイクルに適していない理由である。

印刷文献である特許文献３からは、スイッチにおけるスイッチングギャップと並列にＰＴＣ抵抗器を設け、さらに、このＰＴＣ抵抗器と並列に電圧依存性抵抗器（ＶＤＲ）を設けることが知られている。
スイッチの開放と、それによるＰＴＣ抵抗器の抵抗の増加との後、スイッチングギャップの両端の電圧降下が増え、ＶＤＲ抵抗器はますます導電性となり、それによって電流の一部を引き受けるとともにＰＴＣ抵抗器の負荷を軽減する。
しかし、その場合でも、１つ以上のスイッチングサイクルの後にはＰＴＣ抵抗器がそれ以上機能せず、以降のスイッチングサイクルにおいてアークを確実に抑圧することができない可能性がある。

そのため、高い数のスイッチングサイクルに向けて設計される必要のあるスイッチング部材の場合には、高いコストがかかるものの、電流バイパス経路に半導体スイッチを代替的に使用することが実際にはより適している。
しかし、このようなユニットでさえ、たとえば半導体スイッチが不良であったり、あるいはスイッチング接点どうしがくっつくか、または互いと溶接されてしまった際には故障の恐れがある。
そのため、安全性の理由により、通常は、回路を遮断することができるさらなる回路装置を設け、このさらなる回路装置、および／または、最初の回路装置におけるアークが抑圧（防止および／または消弧）される必要がある。

しかし、半導体スイッチを有するこのさらなる回路装置を設けることは、装置全体に対するコストのさらなる増加の一因となる。
また、２つの装置の部分のうちの一方だけの不具合を検出する、半導体スイッチでブリッジされたスイッチからなるこのような冗長な装置では、動作できる可能性が、この冗長な装置のうちの半分だけの欠陥によって検出可能に下げられるということがないため、まったくの実現性がない。
このように、冗長となるように構成されながらも片方では不良のある装置は、抑圧されていないアークの発生の危険性を高めるにもかかわらず、動作し続ける可能性がある。

欧州特許出願公開第０８５０４８６（Ｂ１）号明細書 独国特許出願公開第１０ ２００５ ００６ ９５３（Ａ１）号明細書 米国特許出願公開第４，５８３，１４６号明細書

したがって、本発明の目的は、スイッチング処理中に発生するアークを抑圧するための、ＰＴＣ抵抗器を備える回路装置を提供することである。
この回路装置は、可能な限り費用効率が高く構成でき、また、機能不能なＰＴＣ抵抗器が原因で抑圧されないアークが発生する危険性が、検出されないという形で以降のスイッチングサイクルにおいて高められることのないように、この回路装置が使用するための信頼のおけるインジケータを備えている。

本目的は、独立請求項の特徴を有する回路装置によって達成される。
有利な実施形態と展開は、従属請求項の主題である。

スイッチング処理中に発生するアークを抑圧するための、本発明による回路装置では、ＰＴＣ抵抗器を有する電流バイパス経路がスイッチと並列に設けられている。
この回路装置は、電流バイパス経路におけるＰＴＣ抵抗器と直列にヒューズが接続されていることを特徴とする。

回路装置のスイッチが電流負荷のもとで開放すると、このことは、電流バイパス経路における電流をもたらす。
温度依存性抵抗器が初めのうちは周囲温度を有しているため、この温度依存性抵抗器の抵抗は、このＰＴＣ抵抗器における正の温度係数のために比較的低い。
そのため比較的高い電流がヒューズを通って流れ、それによって、開放中にスイッチにわたって生じ得るすべてのアークが消弧または抑圧され、次いでヒューズがトリップする。
一方では、このことがアークによる焼け尽きからスイッチを保護し、他方では、ヒューズが、電流負荷のもとでスイッチが開いたというインジケータとして働く。
この回路装置は、電流負荷のもとで正常に動作していないスイッチ、とりわけ、開放しているスイッチのためのさらなる保護回路として特に有利に用いることができる。
このような状況は、太陽光発電設備の直流側における絶縁用スイッチなどにおいて生じる。
この絶縁用スイッチは、通常、この絶縁用スイッチと直列に接続されているとともに耐アーク性であるスイッチが最初に開放した場合にのみ動作する。

回路装置における有利な実施形態では、スイッチと電流バイパス経路とからなる並列回路と直列に、または、この電流バイパス経路自体に、さらなるスイッチが接続されている。
上記スイッチおよび上記さらなるスイッチは、上記スイッチおよび上記さらなるスイッチの動作に関して結合していることが好ましい。
電流バイパス経路を流れる電流は、この電流がゼロまで下がらない場合でも上記さらなるスイッチによって阻止され、そうでなければ、ヒューズのトリップの後に電流経路に現れ得る別の素子によって抑圧され得る。

回路装置におけるさらに有利な実施形態では、ヒューズがトリップした時のヒューズ両端の電圧降下を制限する回路ユニットが、上記ヒューズと並列に配置されている。
そのため、高い電圧が回路装置の両端にかかっているにもかかわらず、電気的強度の低さと、それによる構造上のサイズの小ささとを有するヒューズを用いることができる。
この回路ユニットは、ヒューズがトリップした後に電流バイパス経路の電流を維持するが、この電流は、熱くなり始めるＰＴＣ抵抗器によって急速に減少し、場合によっては上記のさらなるスイッチを介して完全にゼロまで低下し得る。
この回路ユニットは、少なくとも１つのダイオード、または、逆平行に接続された２つのダイオードを備えることが好ましい。
特に好ましくは、上記ダイオードのうちの少なくとも１つは、この場合には、ツェナーダイオード、または、トランシルダイオードとしても知られているサプレッサダイオードである。
ヒューズと並列に配置された上記素子は、バリスタなどの少なくとも１つの電圧依存性抵抗器を備えることが特に好ましい。

回路装置におけるさらに有利な実施形態では、上記スイッチおよび／または上記さらなるスイッチの動作は、ヒューズの両端の電圧降下に応じて阻止される。
それにより、ヒューズがトリップした場合に回路装置の動作が阻止され得る。
特に、回路装置におけるヒューズと、可能な場合にはＰＴＣ抵抗器とが、交換されていない状態、またはチェックされていない状態における、スイッチの自動的な再動作（ｒｅａｃｔｉｖａｔｉｏｎ）、またはチェックされていない再活性化が防止される。
このことによって、本回路装置が用いられる回路が、正常に動作する回路装置によってのみ動作することが確実なものとなる。

この装置では、ヒューズの両端の電圧降下を求めるためにコンパレータ回路が設けられていること、または、上記スイッチおよび／もしくは上記さらなるスイッチを動作させるための動作コイルが、ヒューズとＰＴＣ抵抗器とを接続するノードに接続されていることが好ましい。
双方において、上記スイッチおよび／または上記さらなるスイッチの動作は、ヒューズの状態に応じて簡単な方法で阻止され得る。

回路装置におけるさらに有利な実施形態では、上記スイッチおよび／または上記さらなるスイッチに熱的に接続された温度ヒューズが、動作コイルと直列に接続されている。
このようにして、上記スイッチおよび／または上記さらなるスイッチは、それぞれのスイッチの過負荷の際、または、アークが発生した際に開放することになる。

回路装置におけるさらに有利な実施形態では、上記ヒューズおよび／または上記温度ヒューズは、可逆的にトリップするヒューズである。
回路装置は、このようにしてヒューズのトリップ後の動作を継続し得る。
この装置では、電流バイパス経路を介して行われた消弧処理を数えるための計数デバイスが設けられていることが好ましい。
この計数デバイスは、特に好ましくは、所定数の消弧処理の完了が達せられた時に、可逆的にトリップするヒューズのリセットを阻止する。
したがって、たとえばＰＴＣ抵抗器を損傷し得る、可逆的に動作するヒューズによる過度に発生するトリップも防止される。

本発明による太陽光発電設備は、ＤＣラインを介してインバータに接続された光起電力発生器を有する。
この構成では、前述した回路装置のうちの１つがＤＣラインのうちの少なくとも一方に配置される。
このことは、回路装置に関して説明された利点を同様にもたらす。

太陽光発電設備におけるさらに有利な実施形態では、上記スイッチおよび／または上記さらなるスイッチは、インバータからの光起電力発生器の電気的絶縁のためのリレーの一部である。
耐アークスイッチングユニットは、回路装置と直列に接続されていることが好ましい。
さらに好ましくは、耐アークスイッチングユニットは、回路装置における上記スイッチおよび／または上記さらなるスイッチによって形成されたスイッチを有する。
本回路装置は、述べられた構成において、材料費をほとんどかけることなく、負荷にもとづく（障害のある）スイッチングの影響から回路内のスイッチを保護する。

以下のテキストでは、６つの図を用い、例示的実施形態を参照して本発明をさらに詳しく説明する。

アークを抑圧するための回路装置における第１の例示的実施形態を示す。 アークを抑圧するための回路装置における第２の例示的実施形態を示す。 第３の例示的実施形態による回路装置を有する太陽光発電設備を示す。 アークを抑圧するための回路装置におけるさらなる例示的実施形態を示す。 アークを抑圧するための回路装置におけるさらなる例示的実施形態を示す。 アークを抑圧するための回路装置におけるさらなる例示的実施形態を示す。

図１は、アークを抑圧するための回路装置１０における第１の例示的実施形態を示す。
この回路装置１０は、スイッチ１０１と、さらなるスイッチ１０２とからなる直列回路を介して互いに接続された入力端子と出力端子とを有する。
これら２つのスイッチ１０１、１０２は、結合部分１０３を介して互いに結合して、一緒に動作し得る。
この回路装置は、たとえば電流源または電圧源を負荷に接続するために用いられるため、電流源または電圧源と負荷との間に直列に接続されている（電流源または電圧源は図１に示されていない）。
スイッチ１０１および１０２は、たとえば電磁的に一緒に動作するスイッチング部材（接触器）におけるスイッチでもよく、たとえば動作コイルなどの、スイッチング部材のうちのさらなる部品はここでは示されていない。
このような場合、結合部分１０３は、直接的な機械的なものでもよい。
あるいは、スイッチ１０１および１０２は、異なるスイッチング部材に割り当てられていてもよく、この場合に結合部分１０３は、２つのスイッチング部材を、同時か、またはわずかな時間のオフセットをもって駆動する。
特に有利な実施形態では、スイッチ１０２は、スイッチ１０１の開放の直後に開く。
このことは、たとえば、スイッチング部材を相応に電気的に駆動することによって行なわれてもよい。
機械的および電気的な結合の他に、たとえば、電気的ドライブと接続された光素子を用いることなどによるスイッチ１０１、１０２の光学的結合、または、スイッチにおける熱機械的ドライブもしくは電気的ドライブと共に、スイッチ１０２の所で測定してスイッチ１０１に作用する温度ヒューズなどによる、スイッチ１０１、１０２の熱的結合などの結合方法も可能である。
さらに、特にスイッチ１０２の所にある、電気的なアーク検出器を介してスイッチ１０１が開くということも考えられる。

電流バイパス経路１０４は、スイッチ１０１の接点ギャップと並列に配置されており、以下のテキストではＰＴＣ抵抗器１０５と呼ばれる、正の温度係数を有する抵抗器１０５と、ヒューズ１０６との直列回路からなる。
ダイオード１０７は、回路装置１０を通って流れる電流Ｉの順方向に位置するように、ヒューズ１０６と並列に配置されている。
電流Ｉの一部は、電流バイパス経路１０４を通って同じ方向に流れる。

図１による回路装置１０の動作を説明するために以下のテキストでは初期状態が想定されており、この状態では、両方のスイッチ１０１、１０２が閉じており、電流Ｉは、可能な場合には回路装置１０を通って指定された方向に流れている。

次にスイッチ１０１、１０２は、同時か、または、互いに対してわずかな時間のオフセットをもって開放する。
スイッチ１０１、１０２の開放時に依然として流れている電流Ｉが、すでに不具合を示しているということも想定される。
このような不具合は、図１には示されていない、回路装置１０より前にある耐アークスイッチングユニットが、接点どうしのくっつきが原因か、または、半導体スイッチの不良などにより、このスイッチングユニットにおいてもかかわらずアークが生じたことが原因で故障し、電流を遮断することができなかったことなどによって生じ得る。
このような不具合の場合において依然として存在する、回路装置１０を流れる電流Ｉは、スイッチ１０１が開いた時の電流バイパス経路１０４における電流をもたらす。

温度依存性抵抗器１０５は、最初は周囲温度を有していることから、ＰＴＣ抵抗器１０５における正の温度係数のために自身の抵抗が比較的低い。
電流バイパス経路１０４の電流は、典型的なダイオード１０７の場合には約１ボルトの範囲内である順方向電圧のために、基本的にはヒューズ１０６を通って流れる。
周囲温度を有するＰＴＣ抵抗器１０５の抵抗と、ヒューズ１０６のトリップ電流とは、ヒューズ１０６がトリップするように選択されている。
ヒューズ１０６は、可溶性の遮断器などの、不可逆的にトリップするヒューズであることが好ましい。
ヒューズ１０６がトリップすると、電流バイパス経路１０４の電流はダイオード１０７の方に切り替わる。
また、ＰＴＣ抵抗器１０５の抵抗値は、スイッチング部材１０１が開いた後に電流バイパス経路１０４を最初に通って流れる電流が十分に大きくなるように決められており、それによってスイッチ１０１の両端の電圧降下が非常に小さくなるため、スイッチ１０１の所にアークが生じることはない。

電流バイパス経路１０４の電流と、ＰＴＣ抵抗器１０５の両端の電圧降下とにより、ＰＴＣ抵抗器１０５は短時間のうちに熱くなり、それによってＰＴＣ抵抗器１０５の抵抗値が増えるとともに、電流バイパス経路１０４を流れる電流が減少する。
アークが生じ得なかったスイッチ１０１が開放しているため、回路装置１０を流れる電流Ｉも結果的に減少する。
このことは、さらなるスイッチ１０２の所や、回路装置１０と直列に配置されたスイッチの所に生じた可能性のある、あらゆるアークの消弧につながる。

ヒューズ１０６の不可逆的なトリップによって、ヒューズ１０６の状態を読み取ることにより、回路装置１０がアークの抑圧に向けてアクティブとなったかどうかを通知することが可能となる。
したがって、回路装置１０がいったんアクティブになると、このことは、耐アークスイッチングユニットなどの、回路装置１０の前にあって電流Ｉを切断するための絶縁用デバイスの不具合を示す。
さらなる損傷を防ぐためには、電流源または電圧源が再度負荷に接続される前に、不具合の原因が認識されるとともに解消される必要がある。
この回路装置１０では、スイッチ１０１、１０２を閉じることは、ヒューズ１０６の状態に関係する呼びかけ（ｉｎｔｅｒｒｏｇａｔｉｏｎ）に関連してのみ行われる。
このプロセスでは、スイッチ１０１、１０２を閉じることは、ヒューズが完全な（トリップしていない）状態においてのみ可能であり、以外の場合には阻止される。
このようにして、不良の可能性のある部品が存在する場合に電流源または電圧源と負荷とを接続することが効果的に抑制され得る。
トリップしたヒューズ１０６が、損傷を受けていないヒューズに交換されるのは、原因が分析され、不具合が解消され、可能である場合には不具合によって損傷を受けた部品が交換された後のみである。
このようにして不具合の解消が確認され、回路装置は、電流源または電圧源と負荷との再接続に向けて開放される。

またダイオード１０７は、ヒューズ１０６の両端の電圧降下がダイオード１０７の順方向電圧に制限されることを確実なものとしている。
そのためヒューズ１０６は、低い最大電圧に向けてのみ、すなわち、電気的強度の低さをもってのみ設計されている必要があり、それによって回路装置１０は、小型になるとともにコスト効果が高くなるように構成され得る。

図２は、第２の例示的実施形態における回路装置１０を示す。
同一の参照記号は、同一の要素、または、同図または以降の図においてまったく同様に動作する要素を示す。

ここでは図１に示されている例とは対照的に、スイッチ１０２が、ＰＴＣ抵抗器１０５と直列に接続された電流バイパス経路１０４における部品となっている。
このように、スイッチ１０１および１０２は、ここでは並列の電流経路において配置されている。

図２による回路装置１０の動作では、以下のテキストで説明されるように２つの異なる変形形態が可能である。

第１の変形形態では、初期状態において両方のスイッチ１０１、１０２が閉じており、電流Ｉは、指定された方向に回路装置１０を通って流れ得る。

入力部から出力部までの接続部分が回路装置１０によって遮断されることになる場合、スイッチ１０１が開き、その後にさらなるスイッチ１０２が開く。
図１の例示的実施形態で説明されたように、この場合にも、スイッチ１０１、１０２の開放の時点で依然として流れている電流Ｉが、回路に存在する耐アークスイッチングユニットの不具合をすでに示していると想定されることになる。
スイッチ１０１の開放の時点で電流Ｉが依然として回路装置１０を通って流れている場合、この電流Ｉは、スイッチ１０１におけるアークの発生を防ぐ電流バイパス経路１０４の方に切り替わる。
これまで説明されたように、一方ではヒューズ１０６がトリップし、他方では、ＰＴＣ抵抗器１０５における温度上昇によって電流が減少する。
次に、さらなるスイッチ１０２の開放によって電流が完全に遮断される。
さらなるスイッチ１０２の開放の時点で、電流バイパス経路１０４を流れる電流が依然としてあり、この電流が非常に大きいためにさらなるスイッチ１０２の所でアークが生じる場合、このアークは、ＰＴＣ抵抗器１０５における以降の（さらなる）加熱によって消されることになる。

第２の変形形態では、初期状態においてスイッチ１０１が閉じており、スイッチ１０２は開放している。
電流Ｉは、ここでも同様に、指定された方向に回路装置１０を通って流れ得る。

第２の変形形態では、入力部から出力部までの接続部分が遮断されることになる場合にはまずスイッチ１０１も開く。
動作中に電流Ｉが回路装置１０を通って依然として流れると、特定の状況のもとではスイッチ１０１の所にアークが生じる。
次にさらなるスイッチ１０２が閉じて、発生した可能性のあるアークを消すために電流を電流バイパス経路１０４に迂回させる。
次に、さらなるスイッチ１０２は、発生した可能性のあるアークが電流バイパス経路１０４によって消された後に、回路装置１０を流れる電流を完全に遮断するために再度開く。
ここでは、さらなるスイッチ１０２の動作は、たとえば、さらなるスイッチ１０２が、スイッチ１０１に熱的に接続されたバイメタルスイッチとして設計されていることによって、アークの発生とつながっていてもよい。
さらなるスイッチ１０２は、スイッチ１０１の所でアークが発生すると熱の発生によって自動的に閉じ、アークが消されると再度開く。
スイッチ１０１、１０２の結合は、図１とは対照的に図２では、スイッチ１０１の所で測定され、スイッチ１０２に作用する温度または他の種類の結合が存在するようにして行われる。

図３は、太陽光発電設備内のさらなる実施形態における、アークを抑圧するための回路装置１０の使用をブロック図で示す。

この太陽光発電設備は、リレー４と、直流（ＤＣ）ライン２、３とを介してインバータ５に接続された光起電力発生器１を備える。
インバータ５は、自身の出力端の所で電力供給網６に接続されている。
この場合、電力供給網６は、公共の供給網であってもよく、または私設の供給網（アイランドオペレーション）であってもよい。

図２の光起電力発生器１は、単一の光起電力セルの回路記号によって例として表されている。
図示されている太陽光発電設備の実装形態では、光起電力発生器１は、多数のセルを有する単一の光起電力モジュールでもよく、または、１つもしくは並列に接続された複数のストリングを形成するために特に直列に接続された複数の光起電力モジュールからなる相互接続体であってもよい。
インバータ５は、さらに例として、電力供給網６への単相供給に向けて２つだけの交流出力部を有して設計されている。
当然ながら、三相設計などの、図示されているインバータ５における単相設計以外の別の設計も可能である。

リレー４は、ここでは２つのスイッチ１００、１０２を有しており、これらのスイッチ１００、１０２は、それぞれ直流ライン２、３の一方に配置されている。
このように、光起電力発生器１および／またはインバータ５のメンテナンスの際などに、インバータ５からの光起電力発生器１の十分な（電気的）絶縁が、安全性のために必要なリレー４を介して可能となる。
しかし、光起電力発生器１とインバータ５との間で単極絶縁だけが行われることも考えられ、この場合には、スイッチ１００および１０２のどちらかが独立して（すなわち、図３に示されているような互いを相互接続する結合部分なしに）制御されてもよく、または、リレー４のスイッチ１００が省かれてもよい。

耐アークスイッチングユニット２０は、リレー４を安全に切り換え得るために、とりわけ、スイッチ１００、１０２を安全に開放するために、ここでは例として直流ライン３である、直流ライン２、３の一方に配置されている。
この耐アークスイッチングユニット２０は、ＤＣライン３を流れる電流を遮断するためのスイッチ２０１を備える。
このスイッチ２０１と並列に、半導体スイッチ２０３を有する電流バイパス経路２０２が設けられている。
この半導体スイッチ２０３は、ここでは４つの整流用ダイオード２０５からなるブリッジ整流器構成体において対角線上に配置されており、ドライバ回路によって駆動する。
これらの整流用ダイオード２０５は、半導体スイッチ２０３を通る順方向の電流方向とは関係なく電流バイパス経路２０２の電流を導くために用いられている。
ツェナーダイオード２０４は、いかなる過電圧の発生の際の損傷からも半導体スイッチ２０３を保護する。

半導体スイッチ２０３は、電流を導くためにスイッチ２０１の開放の直前にドライバ回路によって切り換えられる。
このように、スイッチ２０１の解放後には半導体スイッチ２０３を流れる電流がまず生じ、それにより電流が電流バイパス経路２０２を通って流れ、スイッチ２０１におけるアークの発生が防止される。
この後、半導体スイッチ２０３が開き、それによって電流が遮断される。
このように、ＤＣライン３の電流と、それによる（ＤＣ）ライン２の電流とは共に、耐アークスイッチングユニット２０を介する負荷によって遮断され得る。
次に、電流バイパス経路２０２があるためにスイッチ２０１によっては行われることのない電気的絶縁が、リレー４を動作させることによって、とりわけスイッチ１００および１０２を開放することによって行われ得る。

さらに、ＤＣライン３には、本願による回路装置１０の一部として追加のスイッチ１０１が設けられている。
この回路装置１０は、さらなるスイッチとして、リレー４におけるスイッチ１０２をさらに備えている。
回路装置１０は、基本的には、図１の回路装置に従って構成されている。
唯一の違いは、回路装置１０が双方向に動作することを可能にするさらなるダイオード１０７ａがダイオード１０７と逆平行に配置されていることである。
この例では耐アークスイッチングユニット２０においても行われるこのような双方向設計は、１つもしくは複数のストリング内における相互接続、非対称性、またはグランド、または短絡によってリターン電流が発生する場合や、それらのストリングに割り当てられた回路装置が並列に接続されている場合などの、太陽光発電設備におけるある特定の動作条件のもとにおいて好適であり得る。
しかし、リバース電流が、太陽光発電設備の正常動作と比べて別の方法で防止される場合には、回路装置１０および耐アークスイッチングユニット２０は共に単方向となるように設計されてもよいことが示されている。

図３の太陽光発電設備において回路装置１０は、たとえば、欠陥のある半導体スイッチ２０３が原因でスイッチ２０１の接点どうしの間にアークが発生した場合など、リレー４の開放の前の直流回路の遮断がスイッチ２０１の開放が原因で失敗した場合に、回路内にあるスイッチ１００、１０２、および２０１を保護するために用いられる。
同様に回路装置１０は、スイッチ２０１における接点どうしのくっつきなどの、欠陥のあるスイッチ２０１によって直流回路の電流を遮断することができないために、リレー４を開放する際にスイッチ１００、１０２にわたってアークが生じる危険性がある場合に、回路内にあるスイッチ１００および１０２を保護する。
このため、回路装置１０のスイッチ１０２は、結合部分１０３を介してスイッチ１００、１０１と同時に動作する。
このことは、ここでも同様に、図１に関連して述べられたように、たとえばスイッチ１００、１０１、および１０２がリレー４のジョイント動作コイルによって動作するという点で、直接的な機械的結合部分によって行なわれてもよい。

図示されている例では、スイッチ１０１によって保護されている、回路装置１０におけるさらなるスイッチ１０２は、リレー４に割り当てられている。
しかし、リレー４を介する電気的絶縁が行われず、回路を遮断するために耐アークスイッチングユニット２０だけが設けられる構成も考えられる。
このような場合、スイッチ２０１は回路装置１０におけるさらなるスイッチとして動作してもよく、この場合には、このスイッチ２０１がスイッチ１０１に接続されることになる。
本実施形態では、ダイオード２０４、２０５を含む半導体２０３が、スイッチ２０１およびスイッチ１０１からなる直列回路と並列に接続されていることが特に好適である。

フォールト・トレランスに向けては、すでに保護されているスイッチ１０２の他に、特にスイッチ２０１、１００である他のスイッチも回路装置１０と取り替えることが有利であり得る。

図４は、アークを抑圧するための回路装置１０におけるさらなる例示的実施形態を示す。
図４に示されているこの例示的実施形態は、図１に示されている回路装置１０に基づくものであり、ここでは図１の回路装置１０に対する双方向設計がなされている。

ここでは、これまでの例示的実施形態によりわかっている要素に加え、スイッチ１０１および１０２の動作に反応するヒューズ１０６の状態を監視するデバイスが設けられている。
このため、ヒューズ１０６の一方の端部は基準電位としてのグランド端子ＧＮＤに接続されている。
ヒューズ１０６の他方の端部は、抵抗器１０８を介して、図４において電圧Ｕ_０によって示されている電圧源に接続されている。
さらに、グランド端子ＧＮＤの所に位置していないヒューズ１０６の端部は、コンパレータ回路１０９の入力部にも接続されている。
コンパレータ回路１０９は、この入力部において電圧を測定し、上記の電圧、すなわち上記の電圧の絶対値を、約０．５ボルトのしきい値と比較する。
このしきい値は、より一般的に言えば、ゼロボルトと、ダイオードの順方向電圧とによって定められる間隔の中に入るように定義されている。
したがって、コンパレータ回路１０９の入力部には、ヒューズ１０６とダイオード１０７、１０７ａとからなる並列回路の両端の電圧降下分が印加されている。
この電圧降下は、トリップしていない動作中のヒューズ１０６の場合には、ヒューズ１０６における低い内部抵抗によって基本的にゼロボルトになる傾向がある。
逆に、ヒューズ１０６として可溶性の遮断器を用いた時にヒューズ１０６が溶断した場合など、ヒューズ１０６がトリップした場合には、電流バイパス経路１０４の電流がダイオード１０７を通って流れ、この時にダイオード１０７の種類に応じて、約０．７ボルトから約１ボルトの電圧降下が生じる。
このように、電圧降下は、トリップしていないヒューズ１０６の場合にはコンパレータ回路１０９のしきい値を下まわるのに対して、トリップしたヒューズ１０の場合にはこのしきい値を上まわる。

コンパレータ回路１０９の出力部では、ヒューズ１０６における可能な２つの状態を示すデジタル信号が出力される。
コンパレータ回路１０９の出力部における信号は、信号出力部１１０を介して、ヒューズ１０６のトリップを示す信号デバイスなどに供給され得る。
さらに、コンパレータ回路１０９の出力部における信号は、ＡＮＤゲート１１１の入力部に供給される。
ＡＮＤゲートにおけるさらなる入力部は、制御入力部１１２に接続されている。
このＡＮＤゲート１１１の出力により、結合部分１０３を介してスイッチ１０１および１０２を動作させる動作コイル１１３が駆動する。
このように、動作コイル１１３、結合部分１０３、ならびにスイッチ１０１および１０２は、接触器またはリレーなどのスイッチング部材を構成している。
したがって、スイッチ１０１および１０２は、回路装置１０の制御入力部１１２を通じて動作し得るが、これは動作中のヒューズ１０６の場合に限られる。
逆に、回路装置１０がアークの抑圧に向けてアクティブになったことでヒューズ１０６がひとたびトリップすると、スイッチ１０１および１０２は、ヒューズ１０６がまず交換されなければ再度スイッチオンされることはない。
このように、欠陥の後には、電流を増やすことはもはや不可能となるため、アークを発生させることももはや可能ではなくなる。

ヒューズ１０６の交換は、特定の細部構造によっては、トリップ過程によって損傷を受けた可能性のあるＰＴＣ抵抗器１０５と一緒に回路装置がそれ以上動作しないように、ＰＴＣ抵抗器１０５の交換に合わせてのみ可能であってもよい。
可逆的に動作するヒューズ１０６と共に計数デバイスを用いることも考えられる。
このような可逆的に動作するヒューズ１０６に関連する計数デバイスは、ここでは、これまでに示された実施形態と比べて拡張された機能を提供する。
特に、ポリマーベースのＰＴＣ（いわゆる、ＰＰＴＣ）の場合には、それぞれの消弧によって、その部品の不可逆的な機能損傷の影響がもたらされる。
このためＰＰＴＣは、限られた数の消弧処理を確実に実行し得るだけである。
ＰＰＴＣは、公表された数の消弧の後は、安全性の理由により交換される必要がある。
可逆的にトリップするヒューズ１０６は、不可逆性のヒューズと同様に、ヒューズ１０６をリセットすることによって不具合の解消がまず確認されなければ、電流源または電圧源を負荷に再接続することを阻止する。
しかし、回路装置１０によるそれぞれの正常な消弧は、比較的長期間にわたって費用効率が高くなり得るヒューズ１０６の物理的交換とは必ずしもリンクしていない。
計数デバイスは、ＰＴＣ抵抗器１０５を介して行われた消弧処理を数え、各ＰＴＣ抵抗器の材料に特有の所定数に達すると、可逆性のヒューズ１０６におけるいかなるリセットも阻止する。
可逆的に動作するヒューズ１０６のリセットの阻止動作がキャンセルされ、電流源または電圧源を負荷に再接続するために回路装置１０が開放されるのは、もはや信頼性をもって動作していないＰＴＣ抵抗器が新しい部品と交換され、交換の完了が計数デバイスにおいて確認された後のみである。
計数デバイスの計数機構は、計数デバイスにおける確認をもって、初期値であるゼロに適切にリセットされる。

図５は、さらなる例示的実施形態における回路装置１０を示す。
基本構成に関してはここでも同様に、これまでの例示的実施形態への参照がなされている。
この例示的実施形態では、ダイオード１０７または１０７ａの代わりに、双方向トランシルダイオードとしても知られている双方向サプレッサダイオード１０７ｂが設けられている。
回路装置１０における単方向設計の場合には、ツェナーダイオード、または、単方向トランシルダイオードとしても知られている単方向サプレッサダイオードが、この点におけるダイオード１０７ｂとして用いられてもよい。
ヒューズ１０６と並列に接続された少なくとも１つのダイオード１０７、１０７ａ、１０７ｂの代替として、所望の電圧降下を作るための別の部品がヒューズ１０６と並列に接続されていてもよい。
このような部品は、たとえば、抵抗器または電圧依存性抵抗器（バリスタ）であってもよい。
たとえばダイオードと抵抗器の並列接続である、所望の電圧降下を作るためのいくつかの部品の組み合わせも考えられる。

この例示的実施形態では、スイッチ１０１および１０２が属するスイッチング部材のうちの動作コイル１１３は、ＰＴＣ抵抗器１０５とヒューズ１０６との間のノードに直接接続されている。
図４の例示的実施形態における機能は、サプレッサダイオードまたはツェナーダイオード１０７ｂによって実現される。
動作中のヒューズ１０６と、制御入力部１１２における、大きさＵ_０の印加制御電圧との場合、電圧全体Ｕ_０が基本的に動作コイル１１３の両端にわたって降下し、この時に動作コイル１１３がスイッチ１０１および１０２を動作させる。
トランシルダイオード、サプレッサダイオード、またはツェナーダイオード１０７ｂは降伏電圧を有しており、この降伏電圧が非常に高いため、ヒューズ１０６がトリップすると、トランシルダイオード、サプレッサダイオード、またはツェナーダイオード１０７ｂの両端の電圧降下によって、動作コイル１１３の両端の電圧降下が減少し、それにより動作コイル１１３はもはやスイッチ１０１および１０２を動作させなくなる。
そのためヒューズ１０６は、動作コイル１１３に必要な電流ではトリップせず、可能性のある最も低いアーク生成電流でトリップするように設計されている必要がある。

図６は、図５の回路装置１０におけるさらなる展開を示す。
図６の例示的実施形態では、手動でリセット可能な温度ヒューズ、自分自身でリセットする温度ヒューズ、またはリセットできない温度ヒューズなどの温度ヒューズ１１４が、動作コイル１１３と直列に配置されている。
この温度ヒューズ１１４は、スイッチ１０１および１０２と熱接触しており、このことは、図６における相互作用の矢印１１５によって表されている。

接点の燃焼につながり得る接点の問題がスイッチ１０１、１０２において生じると、それらの問題が温度ヒューズ１１４によって検出され、この時に温度ヒューズ１１４がトリップして動作コイル１１３を流れる電流を遮断する。
それに応じてスイッチ１０１および１０２が開き、たとえばスイッチ１０２にわたって生じる、すべてのアークがＰＴＣ抵抗器１０５を介して消弧する。
さらに、この場合にはヒューズ１０６がトリップし、特に、温度ヒューズ１１４が自分自身でリセットする温度ヒューズである場合でも、スイッチ１０１、１０２が再度閉じることを防止する。

１ 光起電力発生器
２、３ ＤＣライン
４ リレー
５ インバータ
６ 電力供給網
１０ 回路装置
１００、１０１、１０２ スイッチ
１０３ 結合部分
１０４ 電流バイパス経路
１０５ 正の温度係数を有する抵抗器（ＰＴＣ抵抗器）
１０６ ヒューズ
１０７、１０７ａ、１０７ｂ ダイオード
１０８ 抵抗器
１０９ コンパレータ回路
１１０ 信号出力部
１１１ ＡＮＤゲート
１１２ 制御入力部
１１３ 動作コイル
１１４ 温度ヒューズ
１１５ 相互作用の矢印
２０ 耐アークスイッチングユニット
２０１ スイッチ
２０２ 電流バイパス経路
２０３ 半導体スイッチ
２０４ ツェナーダイオード
２０５ 整流用ダイオード
ＧＮＤ グランド端子
Ｉ 電流
Ｕ_０ 電圧

Claims (20)

1. ＰＴＣ抵抗器（１０５）を備える電流バイパス経路（１０４）がスイッチ（１０１）と並列に設けられた、スイッチング処理中に発生するアークを抑圧するための回路装置（１０）において、
   前記電流バイパス経路（１０４）における前記ＰＴＣ抵抗器（１０５）と直列にヒューズ（１０６）が接続されていることを特徴とする
   回路装置（１０）。
2. 前記スイッチ（１０１）と前記電流バイパス経路（１０４）とからなる並列回路と直列にさらなるスイッチ（１０２）が接続されている
   請求項１に記載の回路装置（１０）。
3. さらなるスイッチ（１０２）が前記電流バイパス経路（１０４）に配置されている
   請求項１に記載の回路装置（１０）。
4. 前記スイッチ（１０１）および前記さらなるスイッチ（１０２）が、前記スイッチ（１０１）および前記さらなるスイッチ（１０２）の動作に関して結合している
   請求項２または３に記載の回路装置（１０）。
5. 前記ヒューズ（１０６）がトリップした時の前記ヒューズ（１０６）の両端の電圧降下を制限する回路ユニットが前記ヒューズ（１０６）と並列に配置されている
   請求項１から４のいずれか一項に記載の回路装置（１０）。
6. 前記ヒューズ（１０６）と並列に配置された前記回路ユニットが、少なくとも１つのダイオード（１０７、１０７ａ、１０７ｂ）を備える
   請求項５に記載の回路装置（１０）。
7. 前記ヒューズ（１０６）と並列に配置された前記回路ユニットが、逆平行に接続された２つのダイオード（１０７、１０７ａ、１０７ｂ）を備える
   請求項６に記載の回路装置（１０）。
8. 前記ダイオード（１０７、１０７ａ、１０７ｂ）のうちの少なくとも１つがツェナーダイオードまたはサプレッサダイオードである
   請求項６または７に記載の回路装置（１０）。
9. 前記ヒューズ（１０６）と並列に配置された前記素子が、バリスタなどの少なくとも１つの電圧依存性抵抗器を備える
   請求項５に記載の回路装置（１０）。
10. 前記スイッチ（１０１）、および／または、前記さらなるスイッチ（１０２）の動作が、前記ヒューズ（１０６）の両端の電圧降下に応じて阻止される
    請求項１から９のいずれか一項に記載の回路装置（１０）。
11. 前記ヒューズ（１０６）の両端の電圧降下を求めるためにコンパレータ回路（１０９）が設けられている
    請求項１０に記載の回路装置（１０）。
12. 前記スイッチ（１０１）、および／または、前記さらなるスイッチ（１０２）を動作させるための動作コイル（１１３）が、前記ヒューズ（１０６）と前記ＰＴＣ抵抗器（１０５）とを接続するノードに接続されている
    請求項１０に記載の回路装置（１０）。
13. 前記スイッチ（１０１）、および／または、前記さらなるスイッチ（１０２）に熱的に接続された温度ヒューズ（１１４）が、前記動作コイル（１１３）と直列に接続されている
    請求項１０から１２のいずれか一項に記載の回路装置（１０）。
14. 前記ヒューズ（１０６）および／または前記温度ヒューズ（１１４）が、可逆的にトリップするヒューズである
    請求項１から１３のいずれか一項に記載の回路装置（１０）。
15. 前記電流バイパス経路（１０４）を介して行われた消弧処理を数えるための計数デバイスを備える
    請求項１４に記載の回路装置（１０）。
16. 前記計数デバイスが、所定数の消弧処理の完了が達せられた時に、前記可逆的にトリップするヒューズ（１０６）のリセットを阻止する
    請求項１５に記載の回路装置（１０）。
17. ＤＣライン（２、３）を介してインバータ（５）に接続された光起電力発生器（１）を有する太陽光発電設備において
    請求項１から１６のいずれか一項に記載の回路装置（１０）が前記ＤＣライン（２、３）のうちの少なくとも一方に配置されている、太陽光発電設備。
18. 前記スイッチ（１０１）、および／または、前記さらなるスイッチ（１０２）が、前記インバータ（５）からの前記光起電力発生器（１）の電気的絶縁のためのリレー（４）の一部である
    請求項１７に記載の太陽光発電設備。
19. 前記回路装置（１０）と直列に耐アークスイッチングユニット（２０）が接続されている
    請求項１７または１８に記載の太陽光発電設備。
20. 前記耐アークスイッチングユニット（２０）が、前記回路装置（１０）における前記スイッチ（１０１）および／または前記さらなるスイッチ（１０２）によって形成されたスイッチ（２０１）を有する
    請求項１９に記載の太陽光発電設備。

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