JP7638869B2 - Ａｃ電圧の異常に対する保護 - Google Patents

Description

（関連出願の相互参照）

本出願は、「ＡＣ ＶＯＬＴＡＧＥ ＳＷＥＬＬ ＰＲＯＴＥＣＴＯＲ」の名称で２０１８年１２月１９日に出願された米国仮出願第６２／７８２，３３８号および「ＡＣＴＩＶＥ ＡＣ ＯＶＥＲＶＯＬＴＡＧＥ ＰＲＯＴＥＣＴＩＯＮ」の名称で２０１８年１２月１９日に出願された米国仮出願第６２／７８２，３３６号の優先権を主張し、それらの各々の開示は、その全体が参照により明示的に本明細書に組み込まれる。

本開示は、ＡＣ電圧の異常に対する保護のための回路、デバイス、システムおよび方法に関する。

電化製品などの多くの電気機器は、ＡＣ電圧によって電力が供給される。場合によっては、そのようなＡＣ電圧に異常が存在することがあり、そのような異常は望ましくなく、電気機器にダメージを与える可能性がある。

いくつかの実施態様では、本開示は、ＡＣ電源からの電力を供給するように構成されたＡＣ線と、ＡＣ線に接続され、かつ負荷回路と電気的に並列になるように実装された第１の保護回路とを含む保護回路に関する。第１の保護回路は、負荷回路にかかる電圧が正常な範囲にあるときは、実質的に非導電である非アクティブ状態になり、あるいは、負荷回路にかかる電圧が正常な範囲よりも大きい過電圧値を有するときは、負荷回路から電力をシャントさせるために実質的に導電であるアクティブ状態になるように構成されている。保護回路は、電気的にＡＣ電源と負荷回路との間に位置するように実装された第２の保護回路をさらに含む。第２の保護回路は、第１の保護回路がアクティブ状態になることに起因する異常に応答してＡＣ電源からの電力を遮断するように構成されている。

いくつかの実施態様では、第１の保護回路は、ガス放電管（ＧＤＴ）と金属酸化物バリスタ（ＭＯＶ）との電気的に直列な組み合わせを含むことができる。第１の保護回路がアクティブ状態になることに起因する上記異常は、通過信号における高周波成分を含む。第２の保護回路は、ＡＣ線に沿って実装され、かつ高周波成分を検出するとＡＣ電源からの電力を遮断するように構成されたアークフォルト回路遮断器（ＡＦＣＩ）を含むことができる。通過信号における高周波成分は第１の保護回路によって生成され得る。

いくつかの実施態様では、ＧＤＴとＭＯＶとがそれぞれ別個のデバイスとして構成され得る。いくつかの実施態様では、ＧＤＴおよびＭＯＶが単一のデバイスとして一緒にパッケージされ得る。いくつかの実施態様では、ＧＤＴおよびＭＯＶは、ＧＤＴおよびＭＯＶに共通する少なくとも１つの共有部分を含むことができる。いくつかの実施態様では、少なくとも１つの共有部分は、ＭＯＶの電極としても機能するように構成されたＧＤＴの電極を含むことができる。

いくつかの実施態様では、第１の保護回路は、サイリスタ過電圧保護デバイスを含むことができる。いくつかの実施態様では、サイリスタ過電圧保護デバイスは、サイリスタ統合型サージプロテクタ（ＴＩＳＰ）として実装され得る。いくつかの実施態様では、第１の保護回路がアクティブ状態になることに起因する上記異常は、ＡＣ線における過電流を含むことができる。第２の保護回路は、ＡＣ線に沿って実装され、かつＡＣ線における過電流を遮断するように構成された過渡状態ブロッキングユニット（ＴＢＵ）を含むことができる。

いくつかの実施態様では、保護回路は、ＴＢＵとサイリスタ過電圧保護デバイスとの間に実装され、かつＡＣ電力を上記電圧を有する出力に変換するように構成された電力変換コンポーネントをさらに含むことができる。そのような電力変換コンポーネントの出力は、ＤＣ電圧またはＡＣ電圧であってもよい。いくつかの実施態様では、保護回路は、ＡＣ線を跨ぐように実装され、かつＡＣ線に関連する過電圧状態によって作動したときに、ＡＣ電力を電力変換コンポーネントからシャントさせるように構成された過電圧保護デバイスをさらに含むことができる。いくつかの実施態様では、保護回路は、ＡＣ線に沿って実装され、かつトリップしたときにＡＣ電力がＡＣ線に流入することを防止するように構成されたヒューズをさらに含むことができる。

いくつかの実施態様では、本開示は、負荷回路と、負荷回路に電力を供給するように構成された保護回路とを含む電気機器に関する。保護回路は、ＡＣ電源からの電力を供給するように構成されたＡＣ線と、ＡＣ線に接続され、かつ負荷回路と電気的に並列になるように実装された第１の保護回路とを含む。第１の保護回路は、負荷回路にかかる電圧が正常な範囲にあるときは、実質的に非導電である非アクティブ状態になり、あるいは、負荷回路にかかる電圧が正常な範囲よりも大きい過電圧値を有するときは、負荷回路から電力をシャントさせるために実質的に導電であるアクティブ状態になるように構成されている。保護回路は、電気的にＡＣ電源と負荷回路との間に位置するように実装された第２の保護回路をさらに含む。第２の保護回路は、第１の保護回路がアクティブ状態になることに起因する異常に応答してＡＣ電源からの電力を遮断するように構成されている。

いくつかの実施態様では、電気機器は、電力をＡＣ線に供給するために保護回路をＡＣ電源に接続するように構成された接続コンポーネントを含む電化製品であってもよい。

いくつかの実施態様では、本開示は、ＡＣ電源からの電力を負荷回路に供給するように構成されたＡＣ線と、ガス放電管（ＧＤＴ）と金属酸化物バリスタ（ＭＯＶ）との直列配置を含むサブ回路とを含む保護回路に関する。サブ回路は、負荷回路がＡＣ線に接続されたときに負荷回路と並列になるようにＡＣ線を挟んで実装されている。サブ回路は、アクティブ化された状態のときに通過信号に高周波成分を発生させる。保護回路は、ＡＣ線に沿って実装され、かつサブ回路によって発生させられた高周波成分を検知すると負荷回路に供給されている電力を遮断するように構成されたアークフォルト回路遮断器（ＡＦＣＩ）をさらに含むことができる。

いくつかの実施態様では、ＡＦＣＩは、ＡＣ線がＡＣ電源に接続されたときに、サブ回路とＡＣ電源との間に位置するように実装され得る。

いくつかの実施態様では、ＧＤＴとＭＯＶとがそれぞれ別個のデバイスとして構成され得る。いくつかの実施態様では、ＧＤＴおよびＭＯＶが単一のデバイスとして一緒にパッケージされ得る。いくつかの実施態様では、サブ回路は、ＧＤＴおよびＭＯＶに共通する少なくとも１つの共有部分を含むことができる。

いくつかの実施態様では、本開示は、負荷回路と、負荷回路に電力を供給するように構成された保護回路とを含む電気機器に関する。保護回路は、ＡＣ電源に接続されるように構成されたＡＣ線を含む。保護回路は、ガス放電管（ＧＤＴ）と金属酸化物バリスタ（ＭＯＶ）との直列配置を有するサブ回路をさらに含む。サブ回路は、負荷回路と並列になるようにＡＣ線を挟んで実装されている。サブ回路は、アクティブ化された状態のときに通過信号に高周波成分を発生させる。保護回路は、ＡＣ線に沿って実装され、かつサブ回路によって発生させられた高周波成分を検知すると負荷回路に供給されている電力を遮断するように構成されたアークフォルト回路遮断器（ＡＦＣＩ）をさらに含む。

いくつかの実施態様では、電気機器は、電力をＡＣ線に供給するために保護回路をＡＣ電源に接続するように構成された接続コンポーネントをさらに含むことができる。いくつかの実施態様では、電気機器は電化製品であってもよい。

いくつかの実施態様では、本開示は、ＡＣ電源を受けるように構成されたＡＣ線と、ＡＣ線に沿って実装された過渡状態ブロッキングユニット（ＴＢＵ）とを含む保護供給回路に関する。保護供給回路は、ＡＣ線に接続され、かつ負荷回路が回路保護デバイスに接続されたときに負荷回路と並列になるように実装された回路保護デバイスをさらに含む。回路保護デバイスは、負荷回路に供給される電圧が通常の範囲にあるときには非導電となり、電圧が通常の範囲よりも大きい過電圧値を有するときには実質的に全ての過剰電力を負荷回路からシャントさせるために導電となるように構成されている。ＴＢＵは、回路保護デバイスにおける電流に起因するＡＣ線における過剰電流を遮断するように構成されている。

いくつかの実施態様では、保護供給回路は、ＡＣ線と回路保護デバイスとの間に実装され、かつＡＣ電力を上記電圧を有する出力に変換するように構成された電力変換コンポーネントをさらに含むことができる。電力変換コンポーネントの出力の電圧はＤＣ電圧またはＡＣ電圧であってもよい。

いくつかの実施態様では、回路保護デバイスは過電圧保護デバイスであってもよい。回路保護デバイスは、サイリスタ統合型サージプロテクタ（ＴＩＳＰ）のようなサイリスタ過電圧保護デバイスであってもよい。

いくつかの実施態様では、保護供給回路は、ＡＣ線を跨ぐように実装され、かつＡＣ線に関連する過電圧状態によって作動したときに、ＡＣ電力を電力変換コンポーネントからシャントさせるように構成された過電圧保護デバイスをさらに含むことができる。いくつかの実施態様では、保護供給回路は、ＡＣ線に沿って実装され、かつトリップしたときにＡＣ電力がＡＣ線に流入することを防止するように構成されたヒューズをさらに含むことができる。

いくつかの実施態様では、本開示は、電圧で動作するように構成された負荷回路と、ＡＣ電力を受け取り、負荷回路のための上記電圧を生成するように構成された保護供給回路とを含む電気機器に関する。保護供給回路は、ＡＣ電力を受け取るように構成されたＡＣ線と、ＡＣ線に沿って実装された過渡状態ブロッキングユニット（ＴＢＵ）とを含む。保護供給回路は、ＡＣ線に接続され、かつ負荷回路と並列になるように実装された回路保護デバイスをさらに含む。回路保護デバイスは、負荷回路に供給される電圧が通常の範囲にあるときには非導電となり、電圧が通常の範囲よりも大きい過電圧値を有するときには実質的に全ての過剰電力を負荷回路からシャントさせるために導電となるように構成されている。ＴＢＵは、回路保護デバイスにおける電流に起因するＡＣ線における過剰電流を遮断するように構成されている。

いくつかの実施態様では、保護供給回路は、ＡＣ線と回路保護デバイスとの間に実装され、かつＡＣ電力を上記電圧を有する出力に変換するように構成された電力変換コンポーネントをさらに含むことができる。

いくつかの実施態様では、保護供給回路は、ＡＣ電力をＡＣ線に供給するために保護供給回路をＡＣ電源に接続するように構成された接続コンポーネントをさらに含むことができる。いくつかの実施態様では、電気機器は電化製品であってもよい。

本開示を要約する目的のために、特定の態様、利点、および本発明の新規な特徴が本明細書に記載される。このような利点は、本発明の任意の具体的な実施形態にしたがって必ずしも全て達成される必要はないことが理解されるべきである。したがって、本発明は、本明細書に教示または示唆され得るように、必ずしも他の利点を達成することなく、本明細書で教示されるような一つの利点または一群の利点を達成または最適化するように具現化または実施することが可能である。

保護回路を介して交流（ＡＣ）電源によって電力が供給される保護対象のデバイスを含む回路構成を示す図である。 ＡＣ電源からの電力供給が保護対象の回路またはデバイスへの電力供給に利用されている回路の例を示す図である。 図２の回路の正常な動作状態の一例を示す図である。 図２の回路の例において、保護対象の回路またはデバイスから電力を迂回させるためにＧＤＴ＋ＭＯＶアセンブリが作動することにつながる、ＡＣ電圧スウェルのような過電圧状態の例を示す図である。 ＧＤＴ＋ＭＯＶアセンブリを通過する電流に対応する信号の一例を示す図である。 ＧＤＴ＋ＭＯＶアセンブリに関連する高周波信号成分を感知した結果、アークフォルト回路遮断器（ＡＦＣＩ）が作動した例を示す図である。 図２の回路で利用することができるＧＤＴ＋ＭＯＶアセンブリの非限定的な例を示す図である。 図２の回路で利用することができるＧＤＴ＋ＭＯＶアセンブリの非限定的な例を示す図である。 図２の回路で利用することができるＧＤＴ＋ＭＯＶアセンブリの非限定的な例を示す図である。 図２の回路で利用することができるＧＤＴ＋ＭＯＶアセンブリの非限定的な例を示す図である。 いくつかの実施形態において、図２の回路が、保護回路を含む種々の機能部分またはブロックを含むことができることを示す図である。 いくつかの実施形態において、図８の保護回路を所与の装置において実装することができることを示す図である。 図９の例と同様の構成要素の配置を有する装置の例を示す図である。 いくつかの実施形態において、図８の保護回路が、所与の装置において部分的に実装され、かつＡＣ電源により一層関連付けられた手法で部分的に実装され得ることを示す図である。 図１１の例と同様の構成要素の配置を有する装置の例を示す図である。 ＡＣ電源からの電力供給が保護対象の回路またはデバイスへの電力供給に利用されている回路の他の例を示す図である。 図１３の回路の正常な動作状態の一例を示す図である。 図１３の回路の例に関し、保護対象の回路またはデバイスの両端に生じ得る過電圧状態の一例を示す図である。 図１３の回路の例に関し、電力変換コンポーネントによってＡＣ線に引き出される電流の増加量の一例を示す図である。 過渡状態ブロッキングユニット（ＴＢＵ）が、電力変換コンポーネントに流入する電流を遮断するためにアクティブな状態にある例を示す図である。 ＡＣ線を介して電力供給されている負荷の過電圧状態を生じさせる事象の前、間および後の、負荷電圧およびＡＣ線間電流の例示的なタイミング図である。 回路が保護されていない場合に回路にダメージを与える可能性のある事象の例を示す図である。 いくつかの実施形態において、図１３の例の回路が異なる部分又はブロックに分割され得ることを示す図である。 保護供給回路を介して電力が供給される１つまたは複数の被保護回路を含み得る、本明細書に記載されているような１つまたは複数の特徴を有する装置を示す図である。

本明細書に見出しがある場合、それは便宜上のものにすぎず、特許請求の範囲に記載した発明の範囲または意図に必ずしも影響を与えるものではない。

図１は、デバイスまたは回路（１１０，５１６）が交流（ＡＣ）電源（１０２，５０２）によって電力供給されている構成（１００および／または５００）が、本明細書に記載されているような１つまたは複数の特徴を有する保護回路（２００および／または６００）によって保護されることができることを示している。したがって、デバイスまたは回路（１１０，５１６）は、保護対象のデバイスまたは回路であるとみなすことができる。

本明細書に開示されている様々な例では、構成（１００および／または５００）は、種々の手法で実装することができる。例えば、保護回路（２００および／または６００）が、保護対象のデバイスまたは回路（１１０，５１６）を有する装置の実質的に外部にあるように、あるいは保護対象のデバイスまたは回路（１１０，５１６）を有する装置の部分的に外部にかつ部分的に内部にあるように、あるいは保護対象のデバイスまたは回路（１１０，５１６）を有する装置の実質的に内部にあるように、またはそれらの任意の組み合わせで実装することができる。

また、本明細書に開示されている様々な例では、図１の構成（１００および／または５００）を回路と称することがある。このような回路は、例えば、システムにおいて、装置において、電気回路において、またはそれらのいくつかの組み合わせで実装できることが理解されるであろう。したがって、このような回路または構成は、システム、装置、または電気回路と称されることもある。

また、本明細書に開示されている様々な例では、図１の保護対象のデバイスまたは回路（１１０，５１６）は、本明細書では、被保護回路または単に回路と称されることがある。そのような回路は、電気回路、電気デバイス、またはそれらのいくつかの組み合わせであり得ることが理解されるであろう。

図２～１２は概ね第１の例の構成１００に関するものであり、図１３～図２１は概ね第２の例の構成５００に関するものである。いくつかの実施形態では、本明細書に記載した１つまたは複数の特徴を有する構成は、第１の例の構成１００の１つまたは複数の特徴と、第２の例の構成の１つまたは複数の特徴とを有する組み合わせを含むことができる。

第１の例の構成
以下では、ガス放電管（ＧＤＴ）および金属酸化物バリスタ（ＭＯＶ）の機能を持つアセンブリと、アークフォルト回路遮断器（ＡＦＣＩ）とを組み合わせて過電圧保護機能を実現する例を開示する。このような過電圧保護機能は、交流（ＡＣ）線間電圧のスウェルなどの事象に対して有効である。

図２は、ＡＣ電源１０２からのＡＣ電力が保護対象の回路１１０に電力を供給するために用いられている回路１００の例を示している。説明の目的上、このような回路は、回路１００に付随する過電圧保護機能により、被保護回路であるとみなすことができる。被保護回路１１０は、ＡＣ電力を利用する１つまたは複数の負荷回路、ＤＣ電力を利用する１つまたは複数の負荷回路、またはそれらの任意の組み合わせを含むことができることが理解されるであろう。

図２の例では、ＡＣ電源１０２は、アークフォルト回路遮断器（ＡＦＣＩ：ａｒｃ ｆａｕｌｔ ｃｉｒｃｕｉｔ ｉｎｔｅｒｒｕｐｔｅｒ）を介して被保護回路１１０に接続されていることが示されている。いくつかの実施形態では、ガス放電管（ＧＤＴ）および金属酸化物バリスタ（ＭＯＶ）の機能を有するアセンブリ１０６を、被保護回路１１０と並列になるように、被保護回路１１０を跨ぐように設けることができる。このようなＧＤＴ＋ＭＯＶアセンブリの例が、より詳細に本明細書に記載されている。

典型的なＡＦＣＩは、例えば、電気接続不良によって引き起こされるアークに関連する高周波成分の感知に基づいてＡＣ回路を遮断するように構成することができることに留意されたい。いくつかの実施形態では、本明細書に記載されているように、図２のＡＦＣＩ１０４は、ＧＤＴ＋ＭＯＶアセンブリ１０６の動作中に生成されたシグネチャを感知するように構成することができる。このような感知されたシグネチャに基づいて、ＡＦＣＩ１０４は、電源１０２からＡＦＣＩ１０４の他方の側に供給されているＡＣ電力を遮断するように作動することができる。

いくつかの実施形態では、ＧＤＴ＋ＭＯＶアセンブリ１０６の動作に関連する前述のシグネチャは、高周波特性を有する１つまたは複数の一時的なパルスを含むことができる。したがって、そのような高周波成分が利用される場合、ＡＦＣＩ１０４は、ＧＤＴ＋ＭＯＶアセンブリ１０６に関連するそのような高周波シグネチャの感知に基づいて作動するように構成することができる。

いくつかの実施形態では、ＡＦＣＩ１０４は、典型的なアーク異常（例えば、電気接続不良に起因する）またはＧＤＴ＋ＭＯＶアセンブリ１０６の動作に関連するシグネチャに基づいて作動するように構成することができる。いくつかの実施形態では、ＡＦＣＩ１０４は、典型的なアーク異常（例えば、電気接続不良に起因する）ではなく、ＧＤＴ＋ＭＯＶアセンブリ１０６の動作に関連するシグネチャに基づいて作動するように構成することができる。

図３は、上記のように構成された図２の回路１００の正常な動作状態の一例を示している。図３では、ＡＣ電源１０２からのＡＣ電力が被保護回路１１０に供給されている。したがって、ＡＦＣＩ１０４を介して被保護回路１１０に正常な交流電流１２０が供給されている状態が示されている。このような状態では、ＧＤＴ＋ＭＯＶアセンブリ１０６は非アクティブのままである。図３に対応する回路１００の種々の構成要素の状態が、表１に示されている。

図４は、被保護回路１１０から電力を迂回させるためにＧＤＴ＋ＭＯＶアセンブリ１０６が作動することにつながる、ＡＣ電圧スウェルのような過電圧状態の例を示している。したがって、図４では、電流１２２がＧＤＴ＋ＭＯＶアセンブリ１０６を通過することが可能であり、それによって回路１１０の保護が行われる。図４の状態に対応する回路１００の種々の構成要素の状態が、表２に示されている。

図４の例では、ＧＤＴ＋ＭＯＶアセンブリ１０６のアクティブ化に起因する電流１２２が、主成分と高周波数（ＨＦ）成分とを含むことが示されている。図５は、ＧＤＴ＋ＭＯＶアセンブリ１０６を通過する電流（図４の１２２）に対応する信号１２４の一例を示している。より詳細には、例示する信号１２４は、主成分と、信号１２４に関連する過電圧状態での短持続時間の高周波成分１２６とを含む電圧出力である。

図４および図５を参照すると、ＡＦＣＩ１０４が高周波成分（図５の例におけるＨＦ成分１２６など）の存在を検出すると、ＡＦＣＩ１０４は電源１０２からのＡＣ電力を遮断するために作動することができる。したがって、表２において、図４のＡＦＣＩ１０４の状態はＡＦＣＩが作動し始めている遷移状態であり得る。

図６は、ＧＤＴ＋ＭＯＶアセンブリ１０６に関連する高周波信号成分を感知した結果、ＡＦＣＩ１０４が作動した例を示している。したがって、図６では、ＡＦＣＩ１０４は電源側を回路側から切り離している。図６の状態に対応する回路１００の種々の構成要素の状態が、表３に示されている。

図６の例では、ＡＦＣＩ１０４によって回路１００が遮断されていることにより、回路側に電力が実質的に存在しない状態となっている。したがって、このような状態では、ＧＤＴ＋ＭＯＶアセンブリ１０６は自らをリセットして非アクティブになることができる。

いくつかの実施形態では、図６の回路１００は、ＡＦＣＩ１０４が（例えば、過電圧状態がなくなった後に、手動または何らかの制御信号で）リセットされるまで、遮断状態のままであり得る。リセットされると、ＡＦＣＩ１０４は、非アクティブ状態になることができ、したがって、被保護回路１１０の動作のために回路側に電力を供給することができる。

図７Ａ～図７Ｄは、図２の回路で利用することができるＧＤＴ＋ＭＯＶアセンブリの非限定的な例を示している。図７Ａは、いくつかの実施形態において、本明細書に記載されているような１つまたは複数の特徴を有するＧＤＴ＋ＭＯＶアセンブリ１０６が、ＧＤＴデバイス１５０とＭＯＶデバイス１５２とをそれぞれ別個のデバイスの状態で含むことができることを示している。このような別個のデバイスは、導体１５６で直列に接続することができる。したがって、ＧＤＴ＋ＭＯＶアセンブリ１０６の一方の端部は導体１５４を介して接続することができ、他方の端部は導体１５８を介して接続することができる。

図７Ｂは、いくつかの実施形態において、本明細書に記載されているような１つまたは複数の特徴を有するＧＤＴ＋ＭＯＶアセンブリ１０６が、単一のパッケージ化されたデバイスに一緒に組み合わされたＧＤＴデバイス１６０およびＭＯＶデバイス１６２を含むことができることを示している。例えば、ＧＤＴデバイス１６０の端子または電極は、ＭＯＶデバイス１６２の端子または電極と物理的および電気的に接触することができる。したがって、ＧＤＴ＋ＭＯＶアセンブリ１０６の一方の端部は導体１６４を介して接続することができ、他方の端部は導体１６８を介して接続することができる。

図７Ｃは、図７ＢのＧＤＴ＋ＭＯＶアセンブリ１０６のより具体的な例を示している。図７Ｃはまた、いくつかの実施形態において、本明細書に記載の１つまたは複数の特徴を有するＧＤＴ＋ＭＯＶアセンブリ１０６が、１つまたは複数のＧＤＴおよび１つまたは複数のＭＯＶを含むことができることを示している。例えば、図７ＣのＧＤＴ＋ＭＯＶアセンブリ１０６は、ＭＯＶ＋ＧＤＴ＋ＭＯＶの直列組み合わせを含むように示されている。このような構成に関する追加の詳細は、「ＩＮＴＥＧＲＡＴＥＤ ＤＥＶＩＣＥ ＨＡＶＩＮＧ ＧＤＴ ＡＮＤ ＭＯＶ ＦＵＮＣＴＩＯＮＡＬＩＴＩＥＳ」の名称で２０１９年８月３０日に出願された国際出願ＰＣＴ／ＵＳ２０１９／０４９００８に開示されており、その開示は、その全体が参照により明示的に本明細書に組み込まれる。

図７Ｄは、いくつかの実施形態において、本明細書に記載された１つまたは複数の特徴を有するＧＤＴ＋ＭＯＶアセンブリ１０６が、１つまたは複数のＧＤＴおよび１つまたは複数のＭＯＶに関連付けられた１つまたは複数の部品の統合を含むことができることを示している。例えば、図７ＤのＧＤＴ＋ＭＯＶアセンブリ１０６は、図７Ｃと同様のＭＯＶ＋ＧＤＴ＋ＭＯＶの直列組み合わせの機能を提供することができるが、一部の部品は共有されている。このような構成に関する更なる詳細は、上述の国際出願ＰＣＴ／ＵＳ２０１９／０４９００８に開示されている。

図８は、図２～図４および図６の回路１００を示している。図８では、そのような回路は、ＡＣ電源１０２から被保護回路１１０に電力を供給するように構成された保護回路２００を含むことができる。いくつかの実施形態では、そのような保護回路は、ＧＤＴ＋ＭＯＶアセンブリ１０６およびＡＦＣＩ１０４を含むことができ、本明細書に記載されるように動作するように構成されている。

図９～図１２は、図８の保護回路２００が種々の手法で実装できることを示している。より詳細には、そのような保護回路は、単一の装置に、あるいは別個のデバイスまたはシステムの一部として、またはそれらの任意の組み合わせで実装することができる。

例えば、図９は、本明細書に記載されているような１つまたは複数の特徴を有する保護回路２００を所与の装置において実装することができることを示している。そのような文脈では、保護回路２００の左側の部分は接続コンポーネント３０２であるとみなすことができ、接続コンポーネント３０２の左側の部分はＡＣ電源２０４であるとみなすことができる。このような文脈では、保護回路２００は、接続コンポーネントを介してＡＣ電源に接続可能であるように構成することができる。

図１０は、図９の例と同様の構成要素の配置を有する装置３００の例を示している。より詳細には、装置３００は、保護回路２００を介して電力が供給される１つまたは複数の被保護回路１１０を含むことができる。保護回路２００は、本明細書に記載されているような１つまたは複数の特徴を含むことができ、装置３００の外部にあるＡＣ電源１０２から１つまたは複数の被保護回路１１０に電力を供給するように構成することができる。図１０の例では、ＡＣ電源１０２は、例えば、適切に構成されたプラグ３０４を受け入れるように構成された電気コンセントであってもよい。いくつかの実施形態では、そのようなプラグは、電気コード３０６に接続することができ、したがって、コード３０６およびプラグ３０４は、装置３００に付随するＡＣ電源接続コンポーネント３０２の一部であり得る。

いくつかの実施形態では、図１０の装置３００は、作動するためにプラグがＡＣコンセントに差し込まれるように構成された任意の電気機器であってもよい。このような電気機器は、例えば、家庭用電化製品であってもよい。

他の例では、図１１は、本明細書に記載された１つまたは複数の特徴を有する保護回路２００が、所与の装置において部分的に実装され、かつＡＣ電源により一層関連付けられたアセンブリにおいて部分的に実装され得ることを示している。例えば、保護回路２００のＡＦＣＩ１０４は、ＡＣ電源１０２に対して概ね固定された位置にあることができる。壁に実装されたＡＣコンセントであって、そのコンセントがＡＦＣＩ機能を含むものは、そのような構成の一例である。このような文脈では、２０４として示された部分は、部分的な保護機能を有するＡＣ電源であるとみなすことができる。

図１１の例では、ＧＤＴ＋ＭＯＶアセンブリ１０６は、所与の装置３００の一部として実装されるように示されている。このようなＧＤＴ＋ＭＯＶアセンブリは、部分２０４の一部として実装することもできるが、ＧＤＴ＋ＭＯＶアセンブリ１０６が被保護回路１１０の電気的特性に適合するように構成されている（したがって、同じ装置３００の一部である）ことがより望ましい場合があることに留意されたい。

図１２は、図１１の例と同様の構成要素の配置を有する装置３００の例を示している。より詳細には、装置３００は、保護回路２００を介して電力が供給される１つまたは複数の被保護回路１１０を含むことができる。保護回路２００は、本明細書に記載されているような１つまたは複数の特徴を含むことができ、装置３００の外部にあるＡＣ電源２０４から１つまたは複数の被保護回路１１０に電力を供給するように構成することができる。図１２の例では、ＡＣ電源２０４は、例えば、適切に構成されたプラグ３０４を受け入れるように構成された電気コンセントであってもよい。いくつかの実施形態では、そのようなプラグは、電気コード３０６に接続することができ、したがって、コード３０６およびプラグ３０４は、装置３００に付随するＡＣ電源接続コンポーネント３０２の一部であり得る。

図１２の例では、保護回路２００の一部が、装置３００の部分として、また、ＡＣ電源２０４に関連付けられた部分として実装されていることが示されている。

第２の例の構成
以下では、統合型サージプロテクタ（例えば、サイリスタ統合型サージプロテクタ（ＴＩＳＰ））および過渡状態ブロッキングユニット（ＴＢＵ）のようなクローバ（ｃｒｏｗｂａｒ）回路保護デバイスを協調して使用し、自己保護および自己リセットによる過電圧保護機能を提供することに関する例を開示する。このような過電圧保護機能は、雷、サブサーキットの故障および／または交流（ＡＣ）線間の電圧スウェルなどの事象に対して有効である。なお、ＴＩＳＰ素子は一例であるにすぎず、他の電圧保護デバイス（ガス放電管（ＧＤＴ）、金属酸化物バリスタ（ＭＯＶ）、過渡電圧サプレッサ（ＴＶＳ）など）も利用できることを理解されたい。

図１３は、ＡＣ電源５０２からのＡＣ電力が負荷５１６に電力を供給するために利用されている回路５００の例を示している。説明の目的上、このような負荷は、回路５００に付随する過電圧保護機能により、被保護回路であるとみなすことができる。

図１３の例では、ＡＣ電源５０２は、ＡＣ線５１０を介して電力変換コンポーネント５１２に接続されていることが示されている。電力変換コンポーネント５１２は、ＡＣ線５１０を介して供給されるＡＣ電力を、電流Ｉおよび電圧Ｖを有する直流（ＤＣ）または交流（ＡＣ）の電力に変換することができる。

いくつかの実施形態では、統合型サージプロテクタ（例えば、ＴＩＳＰ（ｔｏｔａｌｌｙ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｓｕｒｇｅ ｐｒｏｔｅｃｔｏｒ：完全統合型サージプロテクタ））のようなクローバ回路保護デバイス５１４を被保護回路５１６を跨ぐように設けることができ、さらに、ＡＣ線５１０に沿って過渡状態ブロッキングユニット（ＴＢＵ）５０８を設けることができる。クローバ回路保護デバイス５１４およびＴＢＵ５０８の動作に関連する例は、本明細書においてより詳細に説明されている。

いくつかの実施形態では、ＴＢＵ５０８が過電圧保護（ＯＶＰ）デバイス５０６と電力変換コンポーネント５１２との間に位置するように、ＡＣ線５１０を跨いでＯＶＰデバイス５０６を設けることができる。このようなＯＶＰデバイス（５０６）は、特定の状況（例えば、ＡＣ電源側に生じる過電圧状態）で作動させることができる。いくつかの実施形態では、ヒューズ５０４がＯＶＰデバイス５０６とＡＣ電源５０２との間に位置するように、ヒューズ（Ｆ１）５０４をＡＣ線５１０に沿って設けることができる。このようなヒューズは、特定の状況（例えば、ＡＣ電源側に大きなサージが発生した場合）に作動させることができる。

図１３の例では、ＡＣ電源側のサージ事象が十分に大きい場合、ヒューズ５０４は、トリップして（切れて）、ヒューズ５０４の右側にある回路５００全体への電力をカットすることができる。ヒューズ５０４をトリップさせないが、ＯＶＰデバイス５０６を作動させるＡＣ電源側のサージがあるかもしれない。そのような状況では、ＡＣ電源５０２からの電流は、ＯＶＰデバイス５０６により電力変換コンポーネント５１２から離れるように概ねシャント（分路）させることができる。いくつかの実施形態では、ＯＶＰデバイス５０６は、例えば、金属酸化物バリスタ（ＭＯＶ）であってもよい。

図１４は、上記のように構成された図１３の回路５００の正常な動作状態の一例を示している。図１４では、ＡＣ電源５０２からのＡＣ電力が電力変換コンポーネント５１２によってＤＣ電力に変換されて、負荷（被保護回路）５１６に正常な電流が供給されている。したがって、正常な電圧Ｖ_ｎｏｒｍが、被保護回路５１６の両端に存在するとともに、クローバ回路保護デバイス５１４の両端に存在している。クローバ回路保護デバイス５１４は非アクティブであり、基本的に開回路として作用する。回路５００の種々の構成要素の状態が、表４に示されている。

図１５は、被保護回路５１６の両端に生じ得る過電圧状態の一例を示している。このような過電圧状態は、電力変換コンポーネント５１２のどちらかの側の事象によって生じる可能性がある。したがって、説明の目的上、被保護回路５１６にかかる過電圧Ｖ_ｏｖｅｒが何らかの条件から生じると仮定する。このような過電圧状態が発生すると、クローバ回路保護デバイス５１４がアクティブになり、導電状態になる。したがって、過電圧状態から生じる電流は、被保護回路５１６から離れるようにシャントされ、クローバ回路保護デバイス５１４を通って流れる。したがって、図１５では、クローバ回路保護デバイス５１４によってシャントされているそのような電流はクローバ電流として示されている。このようなクローバ電流が確立されると、クローバ回路保護デバイス５１４にかかる電圧はほぼゼロになる。図１５の状態に対応する回路５００の種々の構成要素の状態が、表５に示されている。

図１５の例では、クローバ回路保護デバイス５１４（作動時）の導電性により、クローバ電流はほとんどまたは全く抵抗なく流れることになる。したがって、電力変換コンポーネント５１２は、上記のクローバ電流に応じて増加した量の電流をＡＣ線５１０から引き出すことができる。

図１６は、電力変換コンポーネント５１２によってＡＣ線５１０に引き出される電流の上記増加量の一例を示している。より詳細には、クローバ電流に応じて生じるこのような電流が、ＡＣ線５１０に流れる過電流として示されている。なお、図１６の例では電力変換コンポーネント５１２が電流制限機能を有していないものとしている。図１６の状態に対応する回路５００の種々の構成要素の状態が、表６に示されている。

図１６の例では、ＡＣ線５１０における過電流は、増加した電流（クローバ電流として示されている）の結果として引き出される追加の電流であると想定されている。ＡＣ線５１０における過電流を含む全電流がＴＢＵ５０８のトリップ電流の或る閾値を超えると、ＴＢＵ５０８はアクティブになり、遮断機能を生じさせる。

図１７は、ＴＢＵ５０８が、電力変換コンポーネント５１２に流入する電流を遮断するためにアクティブな状態にある例を示している。いくつかの実施形態では、アクティブな状態にあるＴＢＵ５０８は、ＡＣ電流の正の部分および負の部分の両方の通過をブロックすることができる。図１７では、ＴＢＵ５０８は、ＡＣ電流の一方の方向（例えば、正の部分に対応する）を遮断するように描かれている（他方の方向も遮断するとしても）。しかしながら、図１７の説明上、ＡＣ電流のそのような他方の方向は、電力変換コンポーネント５１２の他方の側に到達することがブロックされると想定される。より詳細には、電力変換コンポーネント５１２は、ＡＣ電力の正または負の部分のみが通過するような整流機能を含むと想定してもよい。したがって、ＴＢＵ５０８が正の部分のみを遮断したとしても、負の部分は電力変換コンポーネント５１２によって遮断される。図１７の状態に対応する回路５００の種々の構成要素の状態が、表７に示されている。

図１７の例では、ＴＢＵ５０８が作動することにより、ＡＣ線５１０から電力変換コンポーネント５１２の負荷側への電力が遮断される。したがって、クローバをアクティブ化させる事象がＡＣ線側で発生した場合、負荷側には電力が供給されず、クローバ回路保護デバイス５１４は非アクティブになることができる。クローバをアクティブ化させる事象が負荷側で発生した場合、クローバ回路保護デバイス５１４は、アクティブ状態のままであってもよいし、非アクティブ状態に戻ってもよい。例えば、クローバをアクティブ化させる異常が残っている場合、ＴＢＵの作動後であっても、クローバ回路保護デバイス５１４は、負荷を保護するために作動状態を維持することができる。他の例では、クローバをアクティブ化させる異常がもはや存在しない場合、クローバ回路保護デバイス５１４は、非アクティブ状態に戻ることができる。

図１３～図１７を参照して本明細書で説明したような様々な例に基づけば、ＡＣ電源（５０２）によって電力供給されている被保護回路（５１６）は、過電圧状態を生じさせる事象から実質的に常に保護され得ることが分かる。そのような過電圧状態がクリアされると、クローバ回路保護デバイス５１４はリセットすることができ、回路５００は通常の動作を再開することができる。

図１８は、ＡＣ線を介して電力供給されている負荷の過電圧状態を生じさせる事象の前、間および後の、負荷電圧（破線）およびＡＣ線間電流（実線）の例示的なタイミング図である。時刻ｔ１の前は、図１３～図１７の回路５００は、正常な負荷電圧が被保護回路（５１６）に供給されている、正常な動作状態にあることが示されている。このような負荷電圧は、ＡＣ線（５１０）から変換された電力によって生じる。

時刻ｔ１に過電圧状態が発生し、その結果、負荷に供給される電圧が上昇している。このような電圧の増加は、時刻ｔ２にクローバの閾値に達するまで続くことが示されている。そのような時刻において、クローバ回路保護デバイス（５１４）がアクティブになって低抵抗のシャントパスを形成し、それによって、負荷に供給される電圧が減少している。

本明細書に記載されているように、低抵抗のクローバパスは、そこを通る電流の増加を生じさせ、それによってＡＣ線の電流の増加を誘発する。したがって、ＴＢＵの閾値に到達する時刻ｔ３まで、ＡＣ線の電流も増加する。このとき、ＴＢＵ（５０８）は、ＡＣ線電流を遮断し、それによって、ＡＣ線電流が電力変換コンポーネント（５１２）に到達するのを阻止する。したがって、電力変換コンポーネントでのＡＣ線電流と、その結果の変換された電力とは、各々のｎｕｌｌレベルまで減少する。

図１８の例では、そのようなｎｕｌｌレベルは、過電圧状態がもはや存在しなくなり、かつクローバ回路保護デバイス（１１４）およびＴＢＵ（１０８）がリセットされるまで維持されることが示されている。そのような時刻（ｔ４）に、ＡＣ線電流が通常の動作レベルに達することができる。時刻ｔ５に、負荷電圧もその通常の動作レベル（時刻ｔ６）まで上昇し始めることができる。

図１８の例では、事象継続時間ΔＴは、時刻ｔ１で始まり、時刻ｔ６で終わるとみなすことができる。図１９を参照して本明細書で説明するように、このような事象継続時間は、比較的短くても、長くても、その中間でもよい。いくつかの実施形態では、クローバ回路保護デバイス（５１４）およびＴＢＵ（５０８）に関連するアクティブ化時間は、そのような様々な継続時間の事象中に効果的な保護をもたらすために十分に小さくすることができる。いくつかの状況では、クローバ回路保護デバイス（５１４）は、ＡＣ入力電圧のゼロ交差毎にリセットすることができることに留意されたい。そのような状況では、図１８に示す例示的なシーケンスは、ＡＣ入力電力の半サイクルまたは１サイクル（半波整流の構成の場合）毎に繰り返されてもよい。

図１９は、回路が保護されていない場合に回路にダメージを与える可能性のある事象の例を示している。例えば、雷のような短時間（ΔＴ_１）の事象は、大きな過電圧を伴うことがある。他の例では、サブサーキットの故障により、雷の例よりも長く続く（例えば、ΔＴ_２）過電圧状態になることがある。さらに他の例では、状況によっては、引込み線の電圧スウェルが、上記２つの例の持続時間のいずれよりもはるかに長く続くことがある。このような長時間（例えば、ΔＴ_３）の過電圧状態は、過電圧レベルは雷の例ほど高くないかもしれないが、回路には同様のダメージを与える可能性がある。

図２０は、図１３～図１７の回路５００を示している。図２０では、このような回路は異なる部分に分割され得る。例えば、ある部分は、被保護回路５１６に電力を供給するように構成された保護供給回路６００であるとみなすことができる。いくつかの実施形態では、そのような保護供給回路は、クローバ回路保護デバイス５１４、電力変換コンポーネント５１２およびＴＢＵ５０８を含むことができる。いくつかの実施形態では、保護供給回路６００は、過電圧保護（ＯＶＰ）デバイス５０６およびヒューズ（Ｆ１）５０４のいずれかまたは両方を任意に含むことができる。

図２０の例では、保護供給回路６００の左側の部分は接続コンポーネント６０２とみなすことができ、接続コンポーネント６０２の左側の部分はＡＣ電源６０４とみなすことができる。このような例示的な文脈において、保護供給回路６００は、保護されるべき回路（例えば、５１６）に接続されるように、または接続可能であるように構成することができる。また、保護供給回路６００は、接続コンポーネント６０２を介して、ＡＣ電源６０４に接続される、または接続可能であることができる。本明細書では、電力が電力変換コンポーネント５１２によって変換されるという文脈で様々な例が説明されているが、本開示の１つまたは複数の特徴は、そのような変換コンポーネントのない回路でも実装可能であることに留意されたい。そのような構成では、ＡＣ電源（例えば５０２）からの電力は、ＡＣ線（例えば５１０）を介して、負荷回路（例えば５１６）および対応するクローバ回路保護デバイス（例えば５１４）に供給することができる。

図２１は、本明細書に記載されているような１つまたは複数の特徴を有する装置７００の例を示している。いくつかの実施形態では、装置７００は、保護供給回路６００を介して電力が供給される１つまたは複数の被保護回路５１６を含むことができる。保護供給回路６００は、本明細書に記載されるような１つまたは複数の特徴を含むことができ、ＡＣ電源５０２から１つまたは複数の被保護回路５１６に電力を供給するように構成することができる。図２１の例では、ＡＣ電源は、例えば、適切に構成されたプラグ７０４を受け入れるように構成された電気コンセントであってもよい。いくつかの実施形態では、そのようなプラグは、電気コード７０２に接続することができ、したがって、コード７０２およびプラグ７０４は、装置７００に付随するＡＣ電源接続コンポーネント６０２の一部であり得る。

いくつかの実施形態では、装置７００は、動作のためにＡＣコンセントにプラグが差し込まれるように構成された任意の電気機器であってもよい。このような電気機器は、例えば、家庭用電化製品であってもよい。

いくつかの実施形態では、保護供給回路６００の少なくとも一部は、図１１および図１２を参照して本明細書で説明した例と同様に、装置の外部で実装することができることを理解されたい。

文脈で明確に必要としない限り、明細書および特許請求の範囲を通して、「備える」「備えている」などの語句は、排他的または網羅的な意味とは対照的に、包括的な意味、すなわち、それに限定されるのではなく「含む」という意味で解釈されるべきである。一般的に本明細書で使用される、「結合」という用語は、２つ以上の要素が直接接続される、または、１つ以上の中間要素を介して接続されることを意味する。また、「本明細書に」、「上記の」、「下記の」の語句および類似の語句は、本出願において使用される場合、本出願の任意の特定の部分ではなく本出願の全体を指す。ここで、文脈が許すところで、明細書中の単数形または複数形による単語は、それぞれ、複数または単数を含むことができる。２つまたはそれ以上の項目のリストを参照する「または」の語句は以下の解釈のすべてを包含する：リスト内の項目のいずれか、リスト内のすべての項目、およびリスト内の任意の組合せ。

本発明の実施形態の上記の詳細な説明は、網羅的であることを意図したものではなく、また、本発明を上記に開示された詳細な形態に限定することを意図したものではない。本発明の特定の実施形態、および本発明のための実施例は、例示目的で上記に記載されているが、関連する技術の当業者であれば認識するであろうように、本発明の範囲内で様々な均等な改変が可能である。例えば、プロセスまたはブロックが所定の順序で示されているが、代替的な実施形態は、ステップを有するルーチンを実行してもよく、またはブロックを有するシステムを別の順序で用いてもよく、いくつかのプロセスまたはブロックは、削除、移動、追加、細分化、結合、および／または変更されてもよい。これらのプロセスまたはブロックの各々は、様々な異なる方法で実施されてもよい。また、プロセスまたはブロックが直列に実行されるように示されることがあるが、これらのプロセスまたはブロックは、代わりに並列して実行されてもよく、または時を異にして実行されてもよい。

本明細書で提供される本発明の教示は、必ずしも上述したシステムに限らず、他のシステムにも適用することができる。上述した様々な実施形態の要素および作用は、さらなる実施形態を提供するために組み合わせることができる。

本発明のいくつかの実施形態が記載されているが、これらの実施形態は例示のためだけに示されており、本開示の範囲を限定することを意図していない。実際、本明細書に記載された新規な方法およびシステムは、様々な他の形態で実施されてもよく、さらに、様々の省略、置換、および本明細書に記載された方法およびシステムの形態の変更は、本開示の趣旨から逸脱することなく行うことができる。添付の特許請求の範囲およびそれらの均等物は、本開示の範囲および趣旨に含まれるであろうそのような形態または修正をカバーすることを意図している。

Claims (7)

1. ＡＣ電源からの電力を供給するように構成されたＡＣ線と、
   前記ＡＣ線に接続され、かつ負荷回路と電気的に並列になるように実装された第１の保護回路であって、前記負荷回路にかかる電圧が正常な範囲にあるときは、実質的に非導電である非アクティブ状態になり、あるいは、前記負荷回路にかかる電圧が前記正常な範囲よりも大きい過電圧値を有するときは、前記負荷回路から電力をシャントさせるために実質的に導電であるアクティブ状態になるように構成され、ガス放電管（ＧＤＴ）と金属酸化物バリスタ（ＭＯＶ）との電気的に直列な組み合わせを含む、前記第１の保護回路と、
   電気的に前記ＡＣ電源と前記負荷回路との間に位置するように実装された第２の保護回路であって、前記第１の保護回路が前記アクティブ状態になることに起因する異常に応答して前記ＡＣ電源からの電力を遮断するように構成され、前記異常は、前記第１の保護回路のアクティブ状態における通過信号の高周波成分を含む、前記第２の保護回路と、
   を有し、
   前記第２の保護回路は、前記ＡＣ線に沿って実装され、かつ前記高周波成分を検出すると前記ＡＣ電源からの前記電力を遮断するように構成されたアークフォルト回路遮断器（ＡＦＣＩ）を含む、保護回路。
2. 前記ＧＤＴと前記ＭＯＶとがそれぞれ別個のデバイスとして構成されている、請求項１に記載の保護回路。
3. 前記ＧＤＴおよび前記ＭＯＶが単一のデバイスとして一緒にパッケージされている、請求項１に記載の保護回路。
4. 前記ＧＤＴおよび前記ＭＯＶは、前記ＧＤＴおよび前記ＭＯＶに共通する少なくとも１つの共有部分を含む、請求項１に記載の保護回路。
5. 前記少なくとも１つの共有部分は、前記ＭＯＶの電極としても機能するように構成された前記ＧＤＴの電極を含む、請求項４に記載の保護回路。
6. 負荷回路と、
   前記負荷回路に電力を供給するように構成された保護回路と、
   を有し、
   前記保護回路は、ＡＣ電源からの電力を供給するように構成されたＡＣ線と、前記ＡＣ線に接続され、かつ負荷回路と電気的に並列になるように実装された第１の保護回路とを含んでおり、該第１の保護回路は、前記負荷回路にかかる電圧が正常な範囲にあるときは、実質的に非導電である非アクティブ状態になり、あるいは、前記負荷回路にかかる電圧が前記正常な範囲よりも大きい過電圧値を有するときは、前記負荷回路から電力をシャントさせるために実質的に導電であるアクティブ状態になるように構成されており、前記第１の保護回路は、ガス放電管（ＧＤＴ）と金属酸化物バリスタ（ＭＯＶ）との電気的に直列な組み合わせを含み、前記保護回路は、電気的に前記ＡＣ電源と前記負荷回路との間に位置するように実装された第２の保護回路をさらに含んでおり、該第２の保護回路は、前記第１の保護回路が前記アクティブ状態になることに起因する異常に応答して前記ＡＣ電源からの電力を遮断するように構成され、前記異常は、前記第１の保護回路のアクティブ状態における通過信号の高周波成分を含み、前記第２の保護回路は、前記ＡＣ線に沿って実装され、かつ前記高周波成分を検出すると前記ＡＣ電源からの前記電力を遮断するように構成されたアークフォルト回路遮断器（ＡＦＣＩ）を含む、電気機器。
7. 前記電気機器は、前記電力を前記ＡＣ線に供給するために前記保護回路を前記ＡＣ電源に接続するように構成された接続コンポーネントを含む電化製品である、請求項６に記載の電気機器。

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