JP7273813B2 - 負荷を一時的過電圧および過渡過電圧の両方から保護するための回路配置 - Google Patents

Description

本発明は、負荷を一時的過電圧および過渡過電圧の両方から保護するとともに、一時的過電圧の存在下での負荷の非常時動作を備え、かつ続流制限が組み込まれている回路配置であって、第１のサージアレスタ、特には火花ギャップまたはバリスタが、系統側入力端子の間に設けられ、第２のサージアレスタ、特にはバリスタが、続流制限のために負荷側出力端子の間に設けられている請求項１に記載の回路配置に基づく。

過電圧保護装置が、電気システムおよび電子設備の機能の維持に大きく貢献することが知られている。

すでに、電気システムを保護するための過電圧保護装置の使用は標準の一部である。

大気由来の過電圧、すなわち雷過電圧は、原則として電気システムの接地電位に対して発生するため、低電圧の民生用設備の過電圧保護を、活線（ａｃｔｉｖｅ）な導体と現場（ｌｏｃａｌ）の接地電位との間に設ける必要がある。低電圧の民生用設備のそれぞれのネットワークシステムに応じて、必要な保護経路の数およびアレスタ（ａｒｒｅｓｔｅｒ）の接続が設計される。したがって、標準のアレスタは、高速かつ短時間だけ発生する過電圧を制限するという役割を有する。これらの過電圧は、その発生ゆえに雷過電圧およびスイッチング過電圧とも呼ばれ、「過渡過電圧（ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｏｖｅｒｖｏｌｔａｇｅ）」の用語に含まれる。しかしながら、系統周波数における時間的に限られた電圧上昇は、一時的過電圧（ｔｅｍｐｏｒａｒｙ ｏｖｅｒｖｏｌｔａｇｅ）またはＴＯＶと呼ばれる。このような一時的過電圧は、それらの比較的長い持続時間ゆえに、条件付きの様相でしか制限することができず、この点で、アレスタにとってきわめて高いストレスを構成する。ＴＯＶの原因は、低電圧供給設備の内外のきわめてさまざまな故障状態であり得る。

以上から、本発明の課題は、負荷を一時的過電圧および過渡過電圧の両方から保護するための回路配置であって、一時的過電圧の存在下での負荷の非常時動作もさらに可能にする回路配置を提案することである。

本発明の課題の解決策は、請求項１による特徴の組み合わせによる回路配置によって実行され、従属請求項は、少なくとも適切な構成およびさらなる発展を構成する。

したがって、負荷を一時的過電圧および過渡過電圧の両方から保護するとともに、負荷の非常時動作を備えている回路配置が、被制御の半導体に基づく直列および並列要素に関する基礎として採用される。直列および並列ブランチに挿入されたキャパシタンスゆえに、一時的過電圧の場合に、例えば安全関連の制御部の電源の動作を可能にする定電力での非常時動作を保証することができる。直列および並列要素としてキャパシタンスを使用する代わりに、基本的に、抵抗または誘導による前置分圧器を使用することができる。被制御の直列および並列インピーダンスに基づく本発明による原理は、これによって影響を受けることはない。

本発明によれば、被制御半導体スイッチが、本発明の第１の実施形態において、入力および出力端子の間の直列ブランチに挿入される。さらなる被制御半導体スイッチが、出力側並列ブランチに位置する。

好ましい実施形態において、直列ブランチの半導体スイッチは、例えばリレーとして実現されて並列に接続された機械的スイッチと、並列に接続された直列キャパシタンスとを有する。

並列ブランチの半導体スイッチは、直列回路の一部である。この直列回路は、第２のサージアレスタ、特にはバリスタと、並列キャパシタンスとの並列回路を含む。

機械的スイッチの慣性を補償し、直列ブランチの半導体スイッチの保護を保証するために、直列インダクタンスが、入力端子と、直列キャパシタンス、被制御半導体スイッチ、および機械的スイッチを含む並列回路との間で、直列ブランチに設けられる。

マイクロコントローラが、半導体スイッチの制御を担当し、マイクロコントローラは、直列ブランチの電流検出器に接続される。

本発明のさらなる発展において、マイクロコントローラは、過電圧を検出するために入力端子に接続され、したがって、それぞれの入力電圧値を検出して、論理信号の処理および維持に使用することができる。

さらに、ゼロ交差を検出するための装置が、さらなる発展において設けられ、ゼロ交差に基づいて、それぞれの半導体スイッチの同期接続が可能である。

好ましくは、直列ブランチの半導体スイッチの制御は、特にはパルス変成器を介して、電気的に分離された方法で実行される。

並列ブランチの半導体スイッチの制御は、一時的過電圧が検出された場合に、パルス変成器によって能動的に実現される。過渡過電圧の場合には、並列ブランチの半導体スイッチの制御は、ＴＶＳダイオードを介して実行され、受動制御がＴＶＳダイオードの電圧よりも高い電圧よりも上で与えられる。

本発明のさらなる実施形態において、マイクロコントローラは、出力電圧を検出し、それぞれの負荷状態に対応する論理信号をもたらすために、出力端子に接続される。

電流検出器によって決定された値に基づき、直列ブランチの半導体スイッチの過負荷を回避するために、すでに述べた機械的スイッチの追加の接続が実行される。

直列および並列キャパシタンスは、一時的過電圧の場合にも出力端子に接続された小負荷の動作を続けることができるように、容量分圧器を形成する。

機械的スイッチが省略された場合、その結果は、機械的スイッチの遅い応答時間が回路配置に悪影響を及ぼすことがないという利点である。この場合、上述の直列インダクタンスは、切り離しのために省略され得る。負荷における最大電圧値を、直列ブランチの半導体スイッチのスイッチングレベルを介して設定することができる。

負荷によって引き起こされる大電流の場合に半導体スイッチの電力損失を限定するために、複数の直列半導体の並列接続を実現する必要がある。

本発明を、典型的な実施形態および図面に基づいて、以下でさらに詳しく説明する。

負荷を一時的過電圧および過渡過電圧の両方から保護するとともに、一時的過電圧の存在下での負荷の非常時動作の選択肢を備え、かつ続流制限が組み込まれている本発明による配置の基本的な回路図を示している。

図に示されているように、特には火花ギャップまたはバリスタとして形成された第１の既知のサージアレスタが、入力端子Ｅの間に位置する。この準上流の第１のサージアレスタは、発生するサージ電流の大部分を捕らえ、最大ＴＯＶ電圧が予測されるように構成されている。しかしながら、直列ブランチの半導体スイッチＨＬ_{Ｌａｎｇｓ}がオフに切り替わるまで、すなわちより小さな振幅のサージ電流は、並列ブランチの半導体スイッチＨＬ_Ｑｕｅｒによって捕らえられる。

直列インダクタンスＬ、ならびに直列キャパシタンスＣ_{Ｌａｎｇｓ}と、機械的スイッチＳと、例えば並列に接続された２つの半導体の形態のすでに述べた半導体スイッチＨＬ_{Ｌａｎｇｓ}とを含む並列回路が、入力端子と出力端子との間で直列ブランチに位置する。少ない電力損失ゆえに、機械的スイッチ、ＭＯＳＦＥＴ、およびＩＧＢＴの組み合わせは、ここでは特に有利である。

図の出力端子において認識することができる並列ブランチは、半導体スイッチＨＬ_Ｑｕｅｒの直列回路、ならびに続流制限のためのバリスタ２として形成された第２のサージアレスタと、並列キャパシタンスＣ_Ｑｕｅｒとを有する直列回路の一体の一部分としての並列回路を備える。

マイクロコントローラμＣが、直列ブランチの半導体スイッチＨＬ_{Ｌａｎｇｓ}および並列ブランチの半導体スイッチＨＬ_Ｑｕｅｒを制御するように機能する。

さらに、マイクロコントローラの対応する入力へとつながる電流検出器ＳＤが存在する。

さらに、マイクロコントローラは、入力電圧の検出および出力電圧の検出という目的を果たす入力を有する。

特定の設定点を超える負荷電流が検出されると、機械的スイッチＳを、半導体スイッチＨＬ_{Ｌａｎｇｓ}を救援するために、電流検出器ＳＤの助けにより、連続動作において、追加で接続することができる。

同期接続を可能にするために、本発明によれば、ゼロ交差の検出が用意される。これにより、採用された半導体スイッチを損傷させかねず、あるいは採用された半導体スイッチの寿命を短くしかねない過度に大きい突入電流が防止される。

入力における電圧検出によって、最初に一時的な電圧だけでなく、過渡的な電圧も検出し、マイクロコントローラおよびその内部プログラムを参照しながら応答することができる。直列半導体ＨＬ_{Ｌａｎｇｓ}の制御は、好ましくは、パルス変成器配置を介して実行され、スイッチング時間およびエネルギーターンオーバーを低減することができる。

一時的過電圧の場合、並列ブランチの半導体スイッチＨＬ_Ｑｕｅｒの制御は、パルス変成器を介して能動的に実行されるが、過渡過電圧の場合には、ＴＶＳダイオードを使用して受動的に実行される。並列ブランチの受動制御は、パルス変成器による制御が無効にされており、ＴＶＳダイオードの電圧よりも高い電圧が存在する場合に、常に有効である。これは、過渡過電圧の事象に当てはまり、例えば一時的過電圧がマイクロコントローラによって検出されるまで回路配置へと結合するときなど、一時的過電圧の開始時にも当てはまる。

基本的に、過渡過電圧の事象の検出はマイクロコントローラによって実行されるが、マイクロコントローラの応答時間はほとんど影響を受けないかもしれない。この場合、きわめて大きな電流が半導体スイッチを通って直列方向に流れる可能性がある。

入力電圧を検出する目的を果たすダイオードチェーンによる受動的なＴＯＶ電圧検出によって、直列ブランチの半導体スイッチＨＬ_{Ｌａｎｇｓ}の即座の制御を、マイクロコントローラをバイパスしつつ擬似的に実行することができる。検出をより迅速にし、直列ブランチの半導体スイッチＨＬ_{Ｌａｎｇｓ}をより迅速にオフにすることで、著しく大きいサージ電流を流すことができる。

同様に、リレーに基づく機械的スイッチは、例えば２～８ｍｓの間などの限定された応答時間を有するため、過渡過電圧の事象に迅速に応答するための解決策を生み出す必要がある。この点で、直列インダクタンスＬが使用され、例えばＬ＝２０μＨが使用される。この切り離しインダクタンスは、損傷が回避され、並列半導体が救援されるように、リレー電流を制限する。

典型的な実施形態によるキャパシタの使用は、非常時動作の定電力での保証を可能にする。例えばＣ_{Ｌａｎｇｓ}＝５μＦの場合、スイッチオフ、すなわちＴＯＶによって引き起こされる幹線からの分離が実行された場合でも、１５０Ｗの負荷を出力において動作させることができる。

中性線の喪失に起因する一時的過電圧の場合、相の負荷状態を考慮する必要がある。

典型的な実施形態による回路配置を、この点に関して、三相または多相であるように実現してもよい。過渡過電圧に対する効果的な保護のために、直列スイッチＨＬ_{Ｌａｎｇｓ}のスイッチング時間は、５００ｎｓ未満であることが望ましい。

上記提示の配置の動作の態様を、以下で簡単にまとめる。

例として、＜６Ａの負荷および電圧Ｕ_ＴＯＶ＞３４０Ｖでの連続動作において、通常は、生じ得る中性線の障害に迅速に応答できるように、直列ブランチの半導体スイッチのみが有効である。

＞６Ａの負荷およびＵ_ＴＯＶ＞３４０Ｖにおいて、半導体スイッチＨＬ_{Ｌａｎｇｓ}および機械的スイッチＳが同時に有効になり、連続動作における電力損失を減少させる。機械的スイッチＳの切り替わりの力学は、約３４０Ｖにおいて、負荷の保護に充分であると見なすことができる。追加の接続は、電圧ゼロ交差においてのみ実行される。機械的スイッチＳの切り替えは、並列半導体スイッチＨＬ_{Ｌａｎｇｓ}によって無電流の様相で実現でき、スイッチの寿命を向上させる。

過渡過電圧が発生すると、上流のサージアレスタ１が、サージ電流の大部分を引き受ける。より小さい振幅のサージ電流は、オフへの切り替わりが生じるまで、並列ブランチの半導体スイッチＨＬ_Ｑｕｅｒによって引き受けられる。ここで、次の２つの場合を区別する必要がある。

第１の場合、直列ブランチの半導体スイッチのみが有効である。直列部材を迅速に閉じることが可能であり、すなわちサージアレスタ１がすべてのサージ電流を引き受ける。

第２の場合、直列ブランチの半導体スイッチおよび機械的スイッチが有効である。機械的スイッチは、過渡事象に応答するには低速すぎる。この場合、半導体のサージ電流を許容範囲まで減少させる上述の誘導性の切り離しが必要である。

ＴＯＶ動作において、中性線の障害が生じる可能性がある。この場合、Ｕ_ＴＯＶは＜２７０Ｖであり、負荷は＞１２Ａである。直列ブランチの半導体スイッチおよび機械的スイッチは、有効なままであり、すなわち負荷は正常に動作し続けることができる。

Ｕ_ＴＯＶ＞２７０ＶおよびＩ_Ｌａｓｔ＜１２Ａの場合、並列経路の直列スイッチは、障害の発生時に無効にされる。例えば、１５０Ｗまでの負荷を容量分圧器Ｃ_{Ｌａｎｇｓ}およびＣ_Ｑｕｅｒを介してさらに動作させることができるため、動作の安全性を高めるための所望の非常時動作の機能が実現される。

例えば＞１２Ｖという上述の電流しきい値は、並列および直列スイッチの制御を可能にする調整機器を代表する。あるいは、実質的に２７０Ｖの電圧振幅のみへの調整も、いかなる負荷電流も流さずに実行することができる。

隣接する相におけるＬ－Ｎの短絡の場合、負荷Ｉ_Ｌａｓｔ＜６Ａにおいては半導体スイッチのみが有効であり、したがって障害事象に迅速に応答することができる。

＞６Ａの負荷においては、直列ブランチの半導体スイッチおよび機械的スイッチが有効である。反応時間は、機械的スイッチによって前もって決まる。電圧は、約２ｍｓにわたり、例えば基準電圧の１．３３倍に増加する。この短時間の電圧超過は、負荷にとって基準電圧の最大１．３３倍のレベルの過渡ストレスを表し、問題がないと見なすことができる。直列ブランチの半導体スイッチがすべての電流を引き受けるため、機械的スイッチは無電流の様相でオフにされる。

回路配置自体の相におけるＬ－Ｎの短絡の場合、障害が上流のヒューズによって矯正されるまで、半導体スイッチおよび機械的スイッチは共通に有効にされる。

直列ブランチにおける半導体スイッチおよび機械的スイッチの組み合わせの場合、一時的な事象の際の負荷における最大電圧値は、１．３３ｘＵ_ＲＥＦである。過渡事象において、負荷における保護レベルは約６５０Ｖに設定される。

Claims (7)

1. 負荷を一時的過電圧および過渡過電圧の両方から保護するとともに、一時的過電圧の存在下での負荷の非常時動作を備え、かつ続流制限が組み込まれている回路配置であって、第１のサージアレスタ（１）、特には火花ギャップまたはバリスタが、系統側入力端子（Ｅ）の間に設けられ、第２のサージアレスタ（２）、特にはバリスタが、続流制限のために負荷側出力端子（Ａ）の間に設けられている回路配置において、
   被制御半導体スイッチが、入力端子および出力端子（Ｅ；Ａ）の間の直列ブランチならびに出力側並列ブランチの各々に設けられ、機械的スイッチ（Ｓ）および直列キャパシタンス（Ｃ_{Ｌａｎｇｓ}）が、前記直列ブランチの半導体スイッチ（ＨＬ_{Ｌａｎｇｓ}）に並列に接続され、前記並列ブランチの半導体スイッチ（ＨＬ_Ｑｕｅｒ）は、前記第２のサージアレスタ（２）と並列キャパシタンス（Ｃ_Ｑｕｅｒ）との並列回路を含む直列回路の一部であり、直列インダクタンス（Ｌ）が、前記入力端子（Ｅ）と、前記直列キャパシタンス（Ｃ_{Ｌａｎｇｓ}）、前記被制御半導体スイッチ（ＨＬ_{Ｌａｎｇｓ}）、および前記機械的スイッチ（Ｓ）の並列回路との間の前記直列ブランチに存在し、前記半導体スイッチを制御するためのマイクロコントローラ（μＣ）が、前記直列ブランチの電流検出器（ＳＤ）に接続されている、ことを特徴とする回路配置。
2. 過電圧の検出のために、前記マイクロコントローラ（μＣ）は、それぞれの入力電圧値を受け取るように前記入力端子（Ｅ）に接続されている、ことを特徴とする請求項１に記載の回路配置。
3. ゼロ交差を検出するための装置が設けられ、ゼロ交差に基づいて前記半導体スイッチの同期接続を実行することができる、ことを特徴とする請求項１または２に記載の回路配置。
4. 前記直列ブランチの前記半導体スイッチ（ＨＬ_{Ｌａｎｇｓ}）の制御は、パルス変成器を介して実行される、ことを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載の回路配置。
5. 一時的過電圧（ＴＯＶ）の検出時に、前記並列ブランチの前記半導体スイッチ（ＨＬ_Ｑｕｅｒ）の制御がパルス変成器によって能動的に実行され、過渡過電圧の検出時に、制御がＴＶＳダイオードを介して受動的に実行され、前記受動的な制御は、ダイオード電圧を上回る電圧によってもたらされる、ことを特徴とする請求項１～４のいずれか一項に記載の回路配置。
6. 前記電流検出器（ＳＤ）によって取得された値に基づき、前記機械的スイッチ（Ｓ）の追加の接続が、前記直列ブランチの前記半導体スイッチ（ＨＬ_{Ｌａｎｇｓ}）の過負荷を回避するために実行される、ことを特徴とする請求項１～５のいずれか一項に記載の回路配置。
7. 前記直列および並列キャパシタンス（Ｃ_{Ｌａｎｇｓ}／Ｃ_Ｑｕｅｒ）は、一時的過電圧（ＴＯＶ）の場合にも前記出力端子（Ａ）に接続された小負荷の動作を続けることができるように、容量分圧器を形成する、ことを特徴とする請求項１～６のいずれか一項に記載の回路配置。

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