JP2020528636A - 電気短絡装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、第１の電気接触部品（４０４）および第２の電気接触部品（４０８）と、少なくとも一方向において第１の接触部品（４０４）と第２の接触部品（４０８）との間の電流の流れを阻止する電気半伝導性の結晶材料から作られる構成部品（４１２）とを備える電気短絡装置（４００）に関する。アクチュエータ（６０８）が、電気トリガ信号（Ｓ）に応答して構成部品（４１２）に機械的な力を付与し、それによって構成部品（４１２）の結晶構造を少なくとも部分的に壊すように設計される。

Description

本発明は電気短絡装置に関する。短絡（橋渡し）の特定の回路部品の必要性が、電気回路において生じるときがある。例えば、直列に接続された数多くの電気モジュールを備える電力変換装置がある。モジュールのうちの１つが動作の間に絶縁破壊した場合、電気直列回路の他のモジュールを動作させ続けることができるように、この失陥したモジュールを短絡（橋渡し）することが望ましい。

火工駆動部を伴う電気短絡装置が、国際特許出願ＷＯ２０１１／１０７３６３Ａ１から知られている。火工駆動部は、短絡装置の素早い閉鎖を可能にするが、安全性（爆発物）に関する問題を引き起こすことがある。

ＷＯ２０１１／１０７３６３Ａ１

本発明は、火工駆動部が必要とされない短絡装置およびモジュールを短絡するための方法を提供するという目的に基づいている。

この目的は、独立請求項による電気短絡装置および方法によって、本発明に従って達成される。短絡装置および方法の実施形態の有利な形態は、従属請求項において提供されている。

第１の電気接触部品および第２の電気接触部品と、
少なくとも一方向において第１の接触部品と第２の接触部品との間の電流の流れを阻止する電気半伝導性の結晶材料から作られる構成部品と、
電気トリガ信号に応答して構成部品に機械的な力を付与し、それによって構成部品の結晶構造を少なくとも部分的に壊すように設計される（電気的な）アクチュエータ（駆動要素）と
を備える電気短絡装置（橋渡し装置）が開示されている。アクチュエータは、電気トリガ信号に応答して構成部品に機械的な力を付与し、それによって材料を壊すように設計されてもよい。半伝導性の結晶材料の少なくとも部分的に壊された結晶構造の結果として、前記材料はその電気的に阻止する能力を失い、そのため結果的に、第１の接触部品と第２の接触部品との間の電流の流れが、最初に阻止されていた方向において可能とされる。この過程は絶縁破壊とも称される。単なる結晶材料の結晶構造における細かい割れまたは粉砕でさえも、短絡装置の電気的に阻止する特性を無効にするのに十分であり得る。しかしながら、機械的な力を用いて半伝導性の結晶材料を複数の破片（裸眼で見ることができる）へと破壊することも当然ながら可能である。アクチュエータは、概して、電気信号を機械的な運動へと変換する要素である。

短絡装置は、構成部品が第１の接触部品と第２の接触部品との間に配置されるように設計される。構成部品は、具体的には、第１の接触部品と第２の接触部品との間で締め付けられ得る。短絡された状態において、電流は、有利には、電流の方向に依存して、接触部品のうちの１つから構成部品を通って接触部品のうちの別のものへと流れる。

短絡装置は、ディスクセルとして設計されるように設計され得る。短絡装置は、この方式では、機械的に非常にコンパクトで堅牢となるように設計できる。第１の接触部品と第２の接触部品とは、ここでは本質的に互いと並列に並べられる。

短絡装置は、第１の接触部品が、アクチュエータが配置される第１の凹部を備えるように設計されてもよい。第１の凹部に配置されたアクチュエータは構成部品に機械的に直接作用できる。

短絡装置は、第２の接触部品が、第１の凹部の反対に配置される第２の凹部を備えるように設計されてもよい。第２の凹部は、構成部品を機械的な力に応答して変形させることができる。これは、構成部品の結晶構造が機械的な力に応答して部分的に壊されるという効果を有する。

短絡装置は、構成部品が第１の凹部を第２の凹部から分離するように設計され得る。

短絡装置は、構成部品が円板（電気半伝導性の結晶材料から作られる）となるように設計されてもよい。このような円板はウエハとも称される。この種類の円板は比較的薄く作られ得るため、結晶材料の結晶構造を比較的小さいアクチュエータおよび／または小さい電気トリガ信号で壊すことが可能である。

短絡装置は、構成部品が、少なくとも１つのｐｎ接合を備え、具体的には、反対方向において並べられた２つのｐｎ接合を備えるように設計され得る。

構成部品が１つのｐｎ接合を備えるだけの場合（つまり、構成部品が、例えば電気ダイオードに対応する場合）、短絡する状態にないとき、一方向において電流を阻止することができる。構成部品が反対の向きでの２つのｐｎ接合を備えるだけの場合（つまり、構成部品が、例えばサイリスタに対応する場合）、短絡する状態にないとき、構成部品は両方向において電流を阻止することができる。

短絡装置は、少なくとも１つのｐｎ接合が、第１の電気接触部品および／または第２の電気接触部品と並列に並べられるプレーナ型ｐｎ接合となるように設計されてもよい。１つまたは複数のこのようなプレーナ型ｐｎ接合を用いることで、短絡装置が短絡する状態にあるとき、大きな電流であっても安全に伝えられ得る。

短絡装置は、アクチュエータが（電気の）ピエゾアクチュエータとなるように設計されてもよい。この種類のピエゾアクチュエータは、具体的には、電気トリガ信号に応答して非常に素早く機械的な運動を生成し、そのため、電気トリガ信号に応答して機械的な力を構成部品に非常に素早く付与することができるという利点を有する。

短絡装置は、
構成部品が、制御端子（具体的には、そのゲート端子）が短絡装置から外される電気的に切り替え可能な半導体要素（具体的には、サイリスタ）であり、そのため半導体構成部品もその制御端子を用いて（電気的に）切り替えられ得るように設計されてもよい。

電気的に直列に接続される複数の（同一の）二極モジュール（下位モジュール）を伴う電力変換装置がさらに開示され、先に記載された変形のうちの１つによるそれぞれの電気短絡装置がモジュールの各々に割り当てられる（具体的には、並列に接続される）、（そのため、モジュールは、それぞれに割り当てられた短絡装置を用いて短絡（橋渡し）され得る）。

この電力変換装置は、具体的には、モジュール式マルチレベル電力変換装置であり得る。

電気二極モジュールを短絡するための方法であって、第１の電気接触部品と、第２の電気接触部品と、電気半伝導性の結晶材料から作られる構成部品とを備える電気短絡装置がモジュールと並列に接続され、この方法において、
第１の接触部品と第２の接触部品との間の電流の流れが、少なくとも一方向において、構成部品によって初期に阻止され、
構成部品が、電気トリガ信号に応答して、アクチュエータによる機械的な力に供され、
それによって構成部品の結晶構造が少なくとも部分的（機械的）に壊され、その結果として、（構成部品が絶縁破壊し、）最初に阻止されていた方向における第１の電気接触部品と第２の電気接触部品との間の電流の流れが可能とされる、方法がさらに開示されている。

この方法は、電気モジュールが、少なくとも２つの電子的切替要素と電気エネルギー保存部とを備えるように設計され得る。

本方法は、電気モジュールがモジュール式マルチレベル電力変換装置のモジュール（下位モジュール）であるように設計されてもよい。

本方法は、構成部品が円板（電気半伝導性の結晶材料から作られる）となるように設計されてもよい。

短絡装置は、アクチュエータが（電気の）ピエゾアクチュエータとなるように設計され得る。

本方法は、短絡装置と関連して先に提示されている利点と同じ利点を有する。

本発明は、例示的な実施形態を参照して以下においてより詳細に説明されている。ここでは、同じ符号は同じ要素または同じ効果を有する要素を指す。

複数のモジュールを備える電力変換装置の例示的な実施形態の図である。 短絡装置を伴うモジュールの例示的な実施形態の図である。 短絡装置を伴うモジュールのさらなる例示的な実施形態の図である。 短絡装置の例示的な実施形態の三次元の図である。 短絡装置の例示的な実施形態の平面図である。 短絡装置の例示的な実施形態の断面図である。 トリガ信号の後の短絡装置の例示的な実施形態の断面図である。 電気半伝導性の材料から作られた構成部品の例示的な実施形態の図である。 短絡装置についての例示的な回路記号を示す図である。

モジュール式マルチレベル電力変換装置１（ＭＭＣ）の形態での電力変換装置１が図１に示されている。このマルチレベル電力変換装置１は、第１の交流電圧端子５と、第２の交流電圧端子７と、第３の交流電圧端子９とを備える。第１の交流電圧端子５は第１の相モジュール分岐１１と第２の相モジュール分岐１３とに電気的に接続されている。第１の相モジュール分岐１１と第２の相モジュール分岐１３とは電力変換装置１の第１の相モジュール１５を形成している。交流電圧端子５から離れた方にある第１の相モジュール分岐１１の端は、第１の直流電圧端子１６に電気的に接続されており、第１の交流電圧端子５から離れた方にある第２の相モジュール分岐１３の端は第２の直流電圧端子１７に電気的に接続されている。第１の直流電圧端子１６は正の直流電圧端子であり、第２の直流電圧端子１７は負の直流電圧端子である。

第２の交流電圧端子７は第３の相モジュール分岐１８の一端と第４の相モジュール分岐２１の一端とに電気的に接続されている。第３の相モジュール分岐１８と第４の相モジュール分岐２１とは第２の相モジュール２４を形成している。第３の交流電圧端子９は第５の相モジュール分岐２７の一端と第６の相モジュール分岐２９の一端とに電気的に接続されている。第５の相モジュール分岐２７と第６の相モジュール分岐２９とは第３の相モジュール３１を形成している。

第２の交流電圧端子７から離れた方にある第３の相モジュール分岐１８の端と、第３の交流電圧端子９から離れた方にある第５の相モジュール分岐２７の端とは、第１の直流電圧端子１６に電気的に接続されている。第２の交流電圧端子７から離れた方にある第４の相モジュール分岐２１の端と、第３の交流電圧端子９から離れた方にある第６の相モジュール分岐２９の端とは、第２の直流電圧端子１７に電気的に接続されている。第１の相モジュール分岐１１、第３の相モジュール分岐１８、および第５の相モジュール分岐２７は、正側の電力変換装置部品３２を形成しており、第２の相モジュール分岐１３、第４の相モジュール分岐２１、および第６の相モジュール分岐２９は、負側の電力変換装置部品３３を形成している。

各々の相モジュール分岐は、（ガルバニック電流端子を用いて）電気的に直列に接続されている複数のモジュール（１＿１、１＿２、１＿３、１＿４・・・１＿ｎ；２＿１・・・２＿ｎ；など）を備える。このようなモジュールは下位モジュールとも称される。図１の例示的な実施形態では、各々の相モジュール分岐はｎ個のモジュールを備える。ガルバニック電流端子を用いて電気的に直列に接続されたモジュールの数は大きく異なることができ、少なくとも３つのモジュールが直列に接続されるが、例えば、５０個、１００個、またはより多くのモジュールが電気的に直列に接続できる。例示的な実施形態では、ｎ＝３６であり、したがって、第１の相モジュール分岐１１は、３６個のモジュール１＿１、１＿２、１＿３、・・・１＿３６を備える。他の相モジュール分岐１３、１８、２１、２７、および２９は同じ構造を有する。

モジュール１＿１〜６＿ｎのための制御装置３５が図１の左手側の部分に概略的に示されている。光学メッセージまたは光学信号が、光学通信接続３７を通じて（例えば、光ファイバを通じて）、この中央制御装置３５から個々のモジュールへと送信される。制御装置とモジュールとの間でのメッセージの伝達は、各々の場合で、線３７によって象徴的に示されており、メッセージ伝達の方向は、線３７における矢印の先端によって表されている。これは、モジュール１＿１、１＿４、および４＿５の例を用いて示されており、同じ手法で、メッセージは他のモジュールへと送信される、または、メッセージはこれらのモジュールから受信される。制御装置３５は、例えば、各々の場合で、それぞれのモジュールが個別のモジュールへと提供すべき出力電圧の高さについての設定値を送る。

電力変換装置１のモジュール２００の例示的な実施形態が図２に示されている。これは、例えば、図１に示されたモジュール１＿１・・・６＿ｎのうちの１つであり得る。

モジュール２００はハーフブリッジモジュール２００として設計されている。モジュール２００は、第１のダイオード２０４が逆並列に接続されている第１の電子的切替要素２０２（スイッチオフされ得る）（スイッチオフされ得る第１の半導体弁２０２）を備える。モジュール２００は、第２のダイオード２０８が逆並列に接続されている第２の電子的切替要素２０６（スイッチオフされ得る）（スイッチオフされ得る第２の半導体弁２０６）と、キャパシタ２１０の形態での電気エネルギー保存部２１０とをさらに備える。第１の電子的切替要素２０２および第２の電子的切替要素２０６は、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）として各々設計されている。第１の電子的切替要素２０２は第２の電子的切替要素２０６と電気的に直列に接続されている。第１のガルバニックモジュール端子２１２が２つの電子的切替要素２０２および２０６の間の接続点に配置されている。第２のガルバニックモジュール端子２１５が、接続点と反対にある第２の電子的切替要素２０６の端子に配置されている。第２のモジュール端子２１５は、エネルギー保存部２１０の第１の端子に電気的にさらに接続され、エネルギー保存部２１０の第２の端子は、接続点と反対にある第１の電子的切替要素２０２の端子に電気的に接続されている。

したがって、エネルギー保存部２１０は、第１の電子的切替要素２０２および第２の電子的切替要素２０６の直列回路と電気的に並列に接続されている。電力変換装置の電子制御装置（図示せず）による第１の電子的切替要素２０２および第２の電子的切替要素２０６の適切な駆動を通じて、エネルギー保存部２１０の電圧が第１のモジュール端子２１２と第２のモジュール端子２１５との間で出力されるか、または、電圧が出力されない（つまり、ゼロ電圧が出力される）かのいずれかを確保することが可能である。したがって、個々の相モジュール分岐のモジュールの相互作用を通じて、所与の時間に望まれる電力変換装置の出力電圧が生成され得る。

短絡装置２２０がモジュール２００と並列に接続されている。したがって、短絡装置２２０は、第１のモジュール端子２１２と第２のモジュール端子２１５との間に接続されている。短絡装置２２０が短絡された状態／短絡する状態に入るとき、次いで、短絡装置２２０はモジュール２００を橋渡しし、短絡装置２２０はモジュール２００を短絡する。次いで、電力変換装置の動作電流が、例えば、第１のモジュール端子２１２から短絡装置２２０を介して第２のモジュール端子２１５へと流れる（モジュール２００の他の構成部品を介さないで流れ、具体的には、切替要素２０２、２０６およびダイオード２０４、２０８を介さないで流れる）。

電力変換装置１のモジュール３００のさらなる例示的な実施形態が図３に示されている。これは、例えば、図１に示されたモジュール１＿１・・・６＿ｎのうちの１つであり得る。図２からすでに知られている第１の電子的切替要素２０２、第２の電子的切替要素２０６、第１の環流ダイオード２０４、第２の環流ダイオード２０８、およびエネルギー保存部２１０に加えて、図３に示されているモジュール３００は、第３の還流ダイオード３０４が逆並列に接続されている第３の電子的切替要素３０２と、第４の還流ダイオード３０８が逆並列に接続されている第４の電子的切替要素３０６とを備える。第３の電子的切替要素３０２および第４の電子的切替要素３０６は、ＩＧＢＴとして各々設計されている。図２の回路と対照的に、第２のモジュール端子３１５は第２の電子的切替要素２０６に接続されていないが、第３の電子的切替要素３０２および第４の電子的切替要素３０６からなる電気直列回路の中心点に接続されている。

図３におけるモジュール３００は、フルブリッジモジュール３００として知られるものである。このフルブリッジモジュール３００は、第１の（ガルバニック）モジュール端子２１２と第２の（ガルバニック）モジュール端子３１５との間の４つの電子的切替要素の適切な駆動によって、任意選択で、エネルギー保存部２１０の正の電圧もしくはエネルギー保存部２１０の負の電圧のいずれか、または、値がゼロの電圧（ゼロ電圧）が出力され得ることを特徴とする。したがって、出力電圧の極性は、フルブリッジモジュール３００を用いることで逆にさせることができる。マルチレベル電力変換装置１は、ハーフブリッジモジュール２００だけ、もしくは、フルブリッジモジュール３００だけのいずれかを備え得る、または、ハーフブリッジモジュール２００もフルブリッジモジュール３００も備え得る。

短絡装置３２０がモジュール３００と並列に接続されている。したがって、短絡装置３２０は、第１のモジュール端子２１２と第２のモジュール端子３１５との間に接続されている。短絡装置３２０が短絡された状態／短絡する状態に入るとき、次いで、短絡装置３２０はモジュール３００を橋渡しし、短絡装置３２０はモジュール３００を短絡する。次いで、電力変換装置の動作電流が、例えば、第１のモジュール端子２１２から短絡装置３２０を介して第２のモジュール端子３１５へと流れる（モジュール３００の他の構成部品を介さないで流れ、具体的には、切替要素２０２、２０６、３０２、３０６および／またはダイオード２０４、２０８、３０４、３０８を介さないで流れる）。短絡装置３２０は短絡装置２２０と同様に構築され得る。

短絡装置４００の例示的な実施形態の外観図が図４において概略的に示されている。この短絡装置４００は、例えば、短絡装置２２０または短絡装置３２０のいずれかであり得る。

短絡装置４００は、高さが比較的低い真っ直ぐな円筒の外部の形態を本質的に有し、つまり、その形はディスクセル４００として知られている。

第１の電気接触部品４０４と、第２の電気接触部品４０８と、第１の電気接触部品４０４と第２の電気接触部品４０８との間に配置された電気半伝導性の結晶材料からなる構成部品４１２とが、概略的に示されている。

第１の電気接触部品４０４は第１の圧力要素４０４として設計でき、第２の電気接触部品４０８は第２の圧力要素４０８として設計できる。構成部品４１２は、第１の圧力要素４０４と第２の圧力要素４０８との間で支持／締め付けられ得る。第２の電気接触部品４０８における第１の電気接触部品４０４は、例えば銅といった金属からなり得る。短絡装置４００の平面図が図５において概略的に示されている。短絡装置４００の直径に沿っての断面が、一点鎖線を用いて図５において指示されている。関連する断面図が図６および図７に示されている。

短絡されていない状態における短絡装置４００を貫く断面図が、図６において概略的に示されている。この短絡されていない状態（短絡していない状態）は開スイッチに対応する。第１の接触部品４０４および第２の接触部品４０８は真っ直ぐな円筒の基本的な形を各々有する。第１の接触部品４０４は、アクチュエータ６０８が配置される第１の凹部６０４を備える。第１の凹部６０４は中心の凹部６０４である。例示的な実施形態では、第１の凹部６０４は回転対称の設計を有する。

アクチュエータ６０８は電気信号（トリガ信号）を機械的な運動へと変換する。機械的な運動を用いて、アクチュエータ６０８は、機械的な力を構成部品４１２に付与することができる。アクチュエータ６０８は、電気トリガ信号がアクチュエータ６０８へと送られるのに介する２つの端子６１２を備える。例示的な実施形態では、アクチュエータは圧電アクチュエータ６０８である。この圧電アクチュエータ６０８は、圧電性の結晶を用いて信号を機械的な運動へと変換する。それによって、力が構成部品４１２へと付与される。圧電性の結晶は、概略的に図示されているアクチュエータ６０８において指示されている。

第２の凹部６２０が第２の接触部品４０８に配置されている。この第２の凹部６２０は第１の凹部６０４の反対に配置されている。構成部品４１２は第１の接触部品４０４と第２の接触部品４０８との間に配置されている。したがって、構成部品４１２は第１の凹部６０４を第２の凹部６２０から分離している。例示的な実施形態における構成部品４１２は、電気半伝導性の結晶材料からなる円板である。

例示的な実施形態では、第１の凹部６０４と第２の凹部６２０とは互いと相補的に設計されている。第２の凹部６２０は拡張凹部（例えば、拡張室）を表す。この第２の凹部６２０は、構成部品４１２が機械的な力に応答して機械的に変形させられる（第２の凹部６２０の方向に）ことを可能にし、それによって構成部品４１２の結晶構造が少なくとも部分的に（具体的には、少なくとも局所的に）壊されることを可能にする。

短絡装置４００は、図７において短絡する状態で概略的に示されている。電気トリガ信号Ｓに応答して、アクチュエータ６０８は機械的な力を構成部品４１２に付与している。構成部品４１２は、力によって第２の凹部６２０の方向へ曲がっており、その結果として、構成部品４１２は粉砕されている。構成部品４１２のこの粉砕は、図７において大雑把に概略的に示されている。力の付与の結果として、小さい割れが構成部品４１２の結晶構造に形成される場合、および、それによって構成部品の結晶構造が少なくとも部分的に壊される場合、全体として適切である。

構成部品の結晶構造のこの破壊を通じて、構成部品４１２は電流の流れを阻止することがもはやできず、ここで電流は、例えば第１の接触部品４０４から構成部品４１２を通じて第２の接触部品４０８へと流れることができる。構成部品４１２の電気半伝導性の結晶材料は電荷担体で溢れ、それによって導電性となる。この過程は絶縁破壊とも称される。結果として、第１の接触部品４０４は第２の接触部品４０８へと短絡され、電気短絡装置４００は、その短絡された（短絡する）状態になる。

別の言い方をすれば、アクチュエータ６０８の作用力は構成部品４１２へと向けられる。短絡装置４００をスイッチオンするために、電気トリガ信号Ｓがアクチュエータ６０８に適用される（例えば、電圧パルスによって）。結果として生じるアクチュエータ６０８の力は構成部品４１２に作用し、構成部品を第２の凹部６２０へと押し、それによって構成部品４１２を粉砕する。結晶の微細構造における結果生じる粉砕の結果として、構成部品４１２は、その絶縁特性または阻止特性を失い、第１の接触部品４０４と第２の接触部品４０８との間に信頼できる短絡を確保する（構成部品４１２は絶縁破壊する）。

図６および図７において、より容易な認識のために、空間が、第１の接触部品４０４と構成部品４１２との間と、構成部品４１２と第２の接触部品４０８との間とに示されていることに留意されたい。しかしながら、この空間はより良い明確性の理由のために提示されているだけである。実際には、完全に組み立てられた短絡装置では、このような大きな距離は、原則として、第１の接触部品４０４と構成部品４１２との間と、構成部品４１２と第２の接触部品４０８との間とに存在しない。構成部品４１２は、むしろ、第１の接触部品４０４と第２の接触部品４０８との間で締め付けられ、構成部品４１２は接触部品４０４および４０８によって保持される。

構成部品４１２の例示的な可能な構造の断面図が、図８において概略的に示されている。構成部品は、単結晶または多結晶のシリコンの円板４１２として設計されている。円板４１２は４つの異なるドープ層を備え、すなわち、第１のｐ層８０４と、第１のｎ層８０８と、第２のｐ層８１２と、第２のｎ層８１６とを備える。それによって、円板４１２はいくつかのｐｎ接合を備え、すなわち、第１のｐ層８０４と第１のｎ層８０８との間の第１のｐｎ接合と、第２のｐ層８１２と第１のｎ層８０８との間の第２のｐｎ接合とを備える。第１のｐｎ接合は第２のｐｎ接合の反対に並べられる。そのため、構成部品４１２（壊されていない状態にあるとき）は、両方向において電流を阻止することができる。一方、構成部品４１２の壊された状態では、ｐｎ接合はもはや有効ではなく、電流は両方向において流れることができる。

例示的な実施形態におけるｐｎ接合はプレーナ型ｐｎ接合として設計されている。ｐｎ接合は、第１の電気接触部品および／または第２の電気接触部品と並列に並べられる。

図８において概略的に示されている構成部品４１２は、本質的に、サイリスタまたは４層ダイオード（ショックレーダイオード）の構造を有する。別の例示的な実施形態では、この構成部品４１２は単純なダイオードの構造も有してもよい。この場合、構成部品４１２は第１のｐ層８０４と第１のｎ層８０８とを有するだけであり、１つだけのｐｎ接合が構成部品４１２に存在することになる。この場合、構成部品４１２は、電流を一方向において阻止できるだけである。

任意選択で、構成部品４１２は、電気的に切り替え可能な半導体要素として（具体的には、サイリスタとして）設計されてもよく、その制御端子（具体的には、そのゲート端子）は短絡装置４００から外される。次いで、制御端子は、例えば第２のｐ層８１２に接触することになる。次いで、半導体構成部品は、その制御端子を用いて（電気的に）スイッチオンさせることもできる。これは、短絡装置を２つの異なる方式で切り替えることを可能にし、すなわち、一方では、構成部品に機械的な力を供するアクチュエータ６０８を用いて、他方では、半導体構成部品の制御端子（具体的には、サイリスタのゲート端子）を用いて、切り替えることを可能にする。前者の場合は、構成部品４１２の破壊を伴って、一回だけ短絡装置をスイッチオンすることをもたらし、一方、後者の場合は、短絡装置４００の可逆のスイッチオンまたは繰り返しのスイッチオンを可能にする。したがって、構成部品は、電気的に可逆的に切り替え可能な手法で追加的にスイッチオフされ得る。それにより、短絡装置４００はより多様な手法で使用することができる。

短絡装置４００についての回路記号が図９において象徴的に示されている。短絡装置４００は、一回の作動のために、または、一回のスイッチオンのために提供されている圧電作動される回路閉鎖装置（一回限りの回路閉鎖装置、一回限りの回路短絡装置）を本質的に表すことを認識するべきである。

短絡装置が短絡していない状態から短絡する状態へと移行されるとき、以下の過程が行われ、すなわち、最初に（トリガ信号がアクチュエータに適用される前）、第１の接触部品と第２の接触部品との間の電流の流れが、少なくとも一方向において構成部品によって阻止される。トリガ信号がアクチュエータに適用されるとき、構成部品はアクチュエータによって機械的な力に供される。構成部品の結晶構造は、機械的な力によって少なくとも部分的に（機械的に）壊される。結果として、電流の流れが、第１の電気接触部品と第２の電気接触部品との間で、最初に阻止されていた方向において可能とされる。これは、構成部品の絶縁破壊も称される。

短絡装置４００はバイパスディスクセルと称されてもよい。短絡装置４００は、非火工的に作動させられる短絡装置、または、非火工的に作動させられるバイパススイッチを表す。短絡装置４００は、例えば１ミリ秒未満の時間内といった、非常に短い時間内で閉じられ得る。これは、具体的には、故障の場合に、電力変換装置の失陥したモジュールを橋渡しするために、短絡装置４００を電力変換装置において使用することを可能にする。失陥したモジュールを橋渡しすることで、電力変換装置の動作電流、延いては、電力変換装置の動作は、引き続き維持され得る。バイパススイッチ４００（短絡装置４００）は、短絡する状態（閉じた状態）において、電力変換装置の動作電流を次の修理まで確実に伝えることができ、それによって、失陥したモジュールを確実に橋渡し（短絡）することができる。

電気短絡装置と電気モジュールを短絡するための方法とが記載されてきた。

１ モジュール式マルチレベル電力変換装置
５ 第１の交流電圧端子
７ 第２の交流電圧端子
９ 第３の交流電圧端子
１１ 第１の相モジュール分岐
１３ 第２の相モジュール分岐
１５ 第１の相モジュール
１６ 第１の直流電圧端子
１７ 第２の直流電圧端子
１８ 第３の相モジュール分岐
２１ 第４の相モジュール分岐
２４ 第２の相モジュール
２７ 第５の相モジュール分岐
２９ 第６の相モジュール分岐
３１ 第３の相モジュール
３２ 正側の電力変換装置部品
３３ 負側の電力変換装置部品
３５ 中央制御装置
３７ 光学通信接続
２００ ハーフブリッジモジュール
２０２ 第１の電子的切替要素、第１の半導体弁
２０４ 第１の環流ダイオード
２０６ 第２の電子的切替要素、第２の半導体弁
２０８ 第２の環流ダイオード
２１０ 電気エネルギー保存部、キャパシタ
２１２ 第１のガルバニックモジュール端子
２１５ 第２のガルバニックモジュール端子
２２０ 電気短絡装置
３００ フルブリッジモジュール
３０２ 第３の電子的切替要素
３０４ 第３の還流ダイオード
３０６ 第４の電子的切替要素
３０８ 第４の還流ダイオード
３１５ 第２のモジュール端子
３２０ 電気短絡装置
４００ 電気短絡装置、ディスクセル、バイパススイッチ
４０４ 第１の電気接触部品、第１の圧力要素
４０８ 第２の電気接触部品、第２の圧力要素
４１２ 構成部品、円板
６０４ 第１の凹部
６０８ 圧電アクチュエータ
６１２ 端子
６２０ 第２の凹部
８０４ 第１のｐ層
８０８ 第１のｎ層
８１２ 第２のｐ層
８１６ 第２のｎ層
１＿ｎ、２＿ｎ、３＿ｎ、４＿ｎ、５＿ｎ、６＿ｎ モジュール
Ｓ 電気トリガ信号

Claims (17)

1. 第１の電気接触部品（４０４）および第２の電気接触部品（４０８）と、
   少なくとも一方向において前記第１の接触部品（４０４）と前記第２の接触部品（４０８）との間の電流の流れを阻止する電気半伝導性の結晶材料から作られる構成部品（４１２）と、
   電気トリガ信号（Ｓ）に応答して前記構成部品（４１２）に機械的な力を付与し、それによって前記構成部品（４１２）の結晶構造を少なくとも部分的に壊すように設計されるアクチュエータ（６０８）と
   を備える電気短絡装置（４００）。
2. 前記構成部品（４１２）が前記第１の接触部品（４０４）と前記第２の接触部品（４０８）との間に配置されることを特徴とする、請求項１に記載の短絡装置。
3. 前記電気短絡装置（４００）がディスクセルとして設計されることを特徴とする、請求項１または２に記載の短絡装置。
4. 前記第１の接触部品（４０４）が、前記アクチュエータ（６０８）が配置される第１の凹部（６０４）を備えることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の短絡装置。
5. 前記第２の接触部品（４０８）が、前記第１の凹部（６０４）の反対に配置される第２の凹部（６２０）を備えることを特徴とする、請求項４に記載の短絡装置。
6. 前記構成部品（４１２）が前記第１の凹部（６０４）を前記第２の凹部（６２０）から分離することを特徴とする、請求項４または５に記載の短絡装置。
7. 前記構成部品（４１２）が円板であることを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の短絡装置。
8. 前記構成部品（４１２）が、少なくとも１つのｐｎ接合を備え、具体的には、反対方向において並べられた２つのｐｎ接合を備えることを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載の短絡装置。
9. 前記少なくとも１つのｐｎ接合が、前記第１の電気接触部品（４０４）および／または前記第２の電気接触部品（４０８）と並列に並べられるプレーナ型ｐｎ接合であることを特徴とする、請求項８に記載の短絡装置。
10. 前記アクチュエータ（６０８）がピエゾアクチュエータであることを特徴とする、請求項１から９のいずれか一項に記載の短絡装置。
11. 電気的に直列に接続される複数の二極モジュール（１＿１・・・６＿ｎ）を備え、それぞれの請求項１から１０のいずれか一項に記載の電気短絡装置（２２０、３２０、４００）が前記モジュールの各々に割り当てられる、電力変換装置（１）。
12. 前記電力変換装置（１）がモジュール式マルチレベル電力変換装置であることを特徴とする、請求項１１に記載の電力変換装置。
13. 電気二極モジュール（１＿１・・・６＿ｎ）を短絡するための方法であって、第１の電気接触部品（４０４）と、第２の電気接触部品（４０８）と、電気半伝導性の結晶材料から作られる構成部品（４１２）とを備える電気短絡装置（４００）が前記モジュールと並列に接続され、前記方法において、
    前記第１の接触部品（４０４）と前記第２の接触部品（４０８）との間の電流の流れが、少なくとも一方向において、前記構成部品（４１２）によって初期に阻止され、
    前記構成部品が、電気トリガ信号（Ｓ）に応答して、アクチュエータ（６０８）による機械的な力に供され、
    それによって前記構成部品（４１２）の結晶構造が少なくとも部分的に壊され、その結果として、最初に阻止されていた方向における前記第１の電気接触部品（４０４）と前記第２の電気接触部品（４０８）との間の前記電流の流れが可能とされる、方法。
14. 前記電気モジュール（１＿１・・・６＿ｎ）が、少なくとも２つの電子的切替要素（２０２、２０６）と電気エネルギー保存部（２１０）とを備えることを特徴とする、請求項１３に記載の方法。
15. 前記電気モジュール（１＿１・・・６＿ｎ）がモジュール式マルチレベル電力変換装置（１）のモジュールであることを特徴とする、請求項１３または１４に記載の方法。
16. 前記構成部品（４１２）が円板であることを特徴とする、請求項１３から１５のいずれか一項に記載の方法。
17. 前記アクチュエータ（６０８）がピエゾアクチュエータであることを特徴とする、請求項１３から１６のいずれか一項に記載の方法。

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