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KR101420831B1 - 갈바닉 직류 전류 일시정지를 위한 스위치 분리기 - Google Patents

갈바닉 직류 전류 일시정지를 위한 스위치 분리기 Download PDF

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KR101420831B1
KR101420831B1 KR1020117025219A KR20117025219A KR101420831B1 KR 101420831 B1 KR101420831 B1 KR 101420831B1 KR 1020117025219 A KR1020117025219 A KR 1020117025219A KR 20117025219 A KR20117025219 A KR 20117025219A KR 101420831 B1 KR101420831 B1 KR 101420831B1
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KR
South Korea
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semiconductor
electronic device
switch
arc
current
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마하엘 나우만
토마스 치첼슈페어거
프랭크 게르디난트
Original Assignee
엘렌베르거 앤드 포엔스겐 게엠베하
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Abstract

본 발명은 직류 전류원(2) 및 전기 디바이스(3) 사이, 특히 광전지 발전기, 및 전류-전도 기계적 스위칭 접촉부(7a, 7b) 및 상기 스위칭 접촉부(7a, 7b)와 병렬로 접속된 반도체 전자장치(8)를 갖는 인버터 사이에서 직류 전류를 일시정지하기 위한 분리 장치(1)에 관한 것이다. 반도체 전자장치(8)는 스위칭 접촉부(7a, 7b)가 폐쇄될 때 비-전도성이고, 반도체 전자장치(8)의 제어 입력부(15)는, 스위칭 접촉부(7a, 7b)가 개방될 때, 스위칭 접촉부(7a, 7b)를 통한 아크(LB)의 결과로서 생성된 아크 전압(ULB)이 반도체 전자장치(8)가 전도되게 스위칭하도록 스위칭 접촉부(7a, 7b)와 배선된다.

Description

갈바닉 직류 전류 일시정지를 위한 스위치 분리기{SWITCH DISCONNECTOR FOR GALVANIC DIRECT CURRENT INTERRUPTION}
본 발명은 직류 전류원 및 전기 디바이스 사이에서 직류 전류를 일시정지(interruption)하기 위한, 전류-전도 기계적 스위칭 접촉부 및 상기 스위칭 접촉부와 병렬로 접속된 반도체 전자장치를 가진 분리 장치(disconnecting apparatus)에 관한 것이다. 그런 분리 장치는 예컨대 DE 10 2005 040 432 A1으로부터 공지된다.
이로써 직류 전류원은 특히 광전지 발전기(태양 설비)인 것으로 이해되고, 전기 디바이스는 특히 인버터인 것으로 이해된다.
DE 20 2008 010 312 U1은 직렬로 접속되거나 병렬 행(row)들로 존재하는 부분 발전기들을 형성하기 위하여 일부가 그룹들로 결합된 태양 패널들로 이루어진 소위 광전지 발전기를 가진 태양 설비 또는 광전지 설비를 개시한다. 부분 발전기가 두 개의 단자들을 통하여 상기 부분 발전기의 직류 전류를 전달하는 반면, 전체 광전지 발전기의 직류 전류 출력은 인버터를 통하여 교류 전류 전압 네트워크에 공급된다. 이에 따라 부분 발전기들 및 중앙 인버터 사이에서 케이블링 및 전력 손실들의 복잡성을 최소화하기 위하여, 소위 발전기 접속함(junction box)들은 부분 발전기들에 근접하게 배열된다. 이런 방식으로 정류(commutate)되는 직류 전류 출력은 일반적으로 공통 케이블을 통하여 중앙 인버터에 전도된다.
시스템에 따라, 한편으로는 광전지 설비가 동작 전류 및 180V(DC) 내지 1500V(DC) 사이의 범위의 동작 전압을 영구적으로 전달하고 그리고 다른 한편으로는 예컨대 설비, 장착 또는 서비싱(servicing) 및 특히 일반적으로 또한 사람 보호를 위해, 직류 전류원으로서 동작하는 광전지 설비로부터 전기 컴포넌트들 또는 디바이스들의 신뢰성 있는 분리가 필요하고, 대응하는 분리 장치는 로드 하에서 일시정지, 즉 직류 전류원의 임의의 사전 스위칭 없이 일시정지를 달성할 수 있어야 한다.
로드 분리를 위해, 기계적 스위치(스위칭 접촉부)가 사용될 수 있고 상기 기계적 스위치는 접촉부가 개방될 때 직류 전류원(광전지 설비)으로부터 전기 디바이스(인버터)의 갈바닉(galvanic) 분리가 형성되는 장점을 가진다. 그러나, 단점들은 접촉부가 개방될 때 발생하는 아크로 인해 상기 기계적 스위칭 접촉부들이 매우 빠르게 마모되고, 그리고 아크를 밀봉 및 냉각하기 위하여 부가적인 비용이 요구된다는 것이고, 상기 냉각은 소멸(extinguishing) 챔버를 가진 대응하는 기계적 스위치에 의해 일반적으로 이루어진다.
대조하여, 강력한 반도체 스위치들이 로드 분리를 위해 사용되면, 반도체들에서의 회피할 수 없는 전력 손실들이 또한 정상 동작에서 발생한다. 게다가, 갈바닉 분리 및 이에 따라 사람에 대한 신뢰성 있는 보호가 상기 전력 반도체들로 보장되지 않는다.
DE 102 25 259 B3은 혼합형 스위치 방식으로, 예컨대, 인버터의 하우징 내의 사이리스터 형태의 반도체 스위치 엘리먼트뿐 아니라 광전지 패널들에 접속된 메인 및 보조 접촉부들을 가진 로드 분리기로서 설계된, 전기 플러그-인 접속기를 개시한다. 언플러깅 프로세스에서 리딩(leading) 접촉부인 메인 접촉부는 반도체 스위치 엘리먼트와 직렬로 접속된 보조 접촉부 및 트레일링(trailing) 보조 접촉부와 병렬로 접속된다. 반도체 스위치 엘리먼트는 여기서 아크의 발생을 방지하거나 주기적으로 스위칭 온 및 오프됨으로써 아크를 소멸하기 위하여 제어된다.
DE 103 15 982 A2는 직류 전류의 일시정지를 위해, 반도체 스위치로서 IGBT(절연 게이트 바이폴라 트랜지스터) 및 전자기적으로 작동되는 메인 접촉부를 가진 혼합형 전자기 직류 전류 스위치를 개시한다.
그러나, 공지된 혼합형 스위치들은 항상 반도체 스위치를 제어하기 위해 그리고 반도체 스위치가 삽입된 반도체 전자장치를 동작시키기 위하여 외부 에너지원을 가진다.
본 발명의 목적은 직류 전류원, 특히 광전지 발전기, 및 전기 디바이스, 특히 인버터 사이의 직류 전류 일시정지를 위한 특히 적당한 분리 장치를 제공하는 것이다.
이 목적은 청구항 제 1 항의 특징부들에 의해 본 발명에 따라 달성된다. 이를 위해, 분리 스위치는 단락 지속기간, 즉 1ms 미만의 아크 지속기간, 바람직하게 500㎲ 이하의 아크에 대해 설계되는 기계적 스위칭 접촉부를 적당하게 포함한다. 기계적 스위칭 접촉부(스위치 또는 분리 엘리먼트)는 제 1 반도체 스위치, 바람직하게 IGBT, 및 제 2 반도체 스위치, 바람직하게 MOSFET를 포함하는 반도체 전자장치와 병렬로 접속된다.
본 발명에 따른 분리 스위치의 반도체 전자장치는 부가적인 에너지 원을 가지지 않고 결과적으로 기계적 스위치가 폐쇄될 때, 전류 장벽으로서 동작한다, 즉 높은 임피던스를 가지며 따라서 가상적으로 전류 및 전압이 없다. 기계적 스위칭 접촉부들이 폐쇄될 때, 반도체 전자장치에 걸쳐 전류가 흐르지 않고 그러므로 반도체 스위치 또는 각각의 반도체 스위치를 걸쳐 전압 강하가 없기 때문에, 반도체 회로는 또한 기계적 스위치가 폐쇄될 때 전력 손실들을 유발하지 않는다. 대신, 반도체 전자장치는 그들이 동작을 위해 필요한 에너지를 분리 장치, 즉 분리 스위치 시스템 자체로부터 얻는다. 기계적 스위치가 개방될 때 발생하는 아크 에너지는 요구되고 이를 위해 사용된다. 반도체 전자장치 또는 반도체 스위치에 대한 제어 입력부는, 스위치가 개방될 때, 스위치 또는 상기 스위치의 스위칭 접촉부들 및 상기 스위칭 접촉부와 병렬로 접속된 반도체 전자 장치들 양단의 아크 전압이 아크의 결과로서 반도체 전자장치가 전류-전도되게 하고, 즉 낮은 임피던스를 가지게 되어 전류를 운반할 수 있게 되도록 기계적 스위칭 접촉부들에 접속된다.
반도체 전자장치가 심지어 약간 전류-전도되자마자, 아크 전류는 기계적 스위치로부터 반도체 전자장치로 정류(commutate)하기 시작한다. 대응하는 아크 전압 또는 아크 전류는 아크가 형성되지 않고 반도체 전자장치를 특히 스위치 오프하기 위하여 제어 전압의 생성과 함께 방전하는 바람직하게 콘덴서 형태로 에너지 저장소를 충전한다. 미리 설정된 지속기간 또는 시간 상수 및 이에 따른 에너지 저장소 또는 콘덴서의 충전 지속기간은 아크의 지속기간을 결정한다.
충전 프로세스 다음에, 타이머는 바람직하게 시작하고, 상기 시작 동안 반도체 전자장치는 아크가 형성되지 않고 그리고 전류 장벽을 생성하도록 제어된다. 따라서 타이머의 지속기간은 아크 또는 플라즈마의 안전한 소멸 및 신뢰성 있는 냉각을 보장하도록 설정된다.
따라서 본 발명은 반도체 전자장치가 보조 에너지의 그 자신의 소스 없이 사용될 수 있을 때, 순수한 두 개의-단자 네트워크로서 설계된 혼합형 분리 장치가 내진성(shockproof)이고 신뢰성 있는 직류 전류 일시정지를 위해 사용될 수 있다는 개념으로부터 시작한다. 이것은 차례로 인식된 바와 같이, 전자장치와 병렬로 접속된 기계적 스위치가 전자장치의 동작을 위해 개방되어 사용될 때 생성되는 아크 에너지에 의해 달성될 수 있다. 이를 위하여, 전자장치는 아크 에너지의 적어도 일부를 저장하는 에너지 저장소를 가질 수 있고, 상기 아크 에너지의 적어도 일부는 아크의 신뢰성 있는 소멸을 보장하기 위하여 조정(calibrate) 되어야 하는 결정된 동작 기간 동안 전자장치에 이용 가능하게 된다.
바람직한 실시예에서, 에너지 저장소로서 편리하게 제공된 콘덴서는 오움 저항기와 관련하여, 에너지 저장소의 충전 지속기간 또는 충전 시간 상수를 결정한다. 에너지 저장소의 충전 지속기간 및 이에 따라 아크 지속기간은 바람직하게 1ms 미만으로 설정되고, 편리하게 0.5ms 이하로 설정된다. 이런 지속기간은 한편으로 기계적 스위치의 스위칭 접촉부들의 원하지 않는 접촉 마모를 신뢰성 있게 방지하기에 충분하도록 짧다. 다른 한편, 이 지속기간은 타이머에 의해 결정된 추후 지속기간 동안 반도체 전자장치의 자체-전원공급을 보장하기에 충분히 길고 상기 지속기간 내에서 전자장치는 낮은-임피던스 정류(commutating) 상태로부터 높은-임피던스 스위칭-오프 상태(시작 상태)로 제어된다.
타이머가 경과된 후, 전자장치가 높은 임피던스와 접속되더라도 소멸된 아크가 다시 발생할 수 없다는 것이 보장된다. 결과적으로 신뢰성 있는 분리 및 직류 전류 일시정지는 얻어진다.
추후 기계적 분리 스위치는 신뢰성 있는 갈바닉 일시정지 및 분리를 위한 부가적인 안전 엘리먼트로서 적당하게 제공되고 기계적 스위치 및 반도체 전자장치로 이루어진 병렬 회로와 직렬로 접속된다.
특히 바람직한 실시예에서, 반도체 전자장치는, IGBT로서 바람직하게 설계된 전력 또는 반도체 스위치에 더하여, 바람직하게 MOSFET(금속 산화물 반도체 전계-효과 트랜지스터) 형태를 취하는 추가 전력 또는 반도체 스위치를 포함한다. 따라서 대체로 임의의 전력 없이 제어될 수 있고 높은 차단 전압에서 우수한 전송 특성들을 나타내는 IGBT는 캐스코드(cascode) 어레인지먼트의 방식으로 추가 반도체 스위치(MOSFET)와 적당하게 직렬로 접속된다. 따라서 반도체 스위치들은 기계적 스위치에 의해 형성된 메인 전류 경로와 병렬의 정류(commutation) 경로를 형성하고 아크 전류는, 기계적 스위치가 개방되고 그리고 상기 반도체 스위치들 또는 각각의 반도체 스위치가 턴 온된 결과로서 상기 정류 경로 상으로 점점 정류된다. 혼합형 분리 스위치 양단 그리고 반도체 전자장치 양단 정류(commutation) 동안 감소하는 아크 전압은 대략 15V 내지 30V이다.
제 1 반도체 스위치는, 에너지 저장소를 충전하기에 충분한 전압, 예컨대 12V(DC)가 두 개의 반도체 스위치들 사이, 다른 말로 이를 때면 캐스코드 중앙 탭(tap)에 탭핑될 수 있도록, 우선 턴 온된다.
이 전압은 에너지 저장소를 충전하기 위하여 사용되고 상기 에너지 저장소의 저장된 에너지는 차례로 반도체 전자장치 내의 반도체 스위치들을 제어하기 위하여 사용되어, 스위칭될 두 개의 반도체 스위치들은 다시 완전하게 스위칭 오프될 수 있다, 즉 상기 두 개의 반도체 스위치들이 전류 장벽으로서 동작하도록 동작한다. 그 다음 메인 경로는 갈바닉적으로 개방되고 상기 메인 경로에 병렬의 정류(commutation) 경로는 높은 임피던스를 가지며, 그 결과 직류 전류원에 의해 (영구적으로) 생성된 높은 직류 전압이 혼합형 분리 스위치에서 예컨대 1000V(DC) 보다 많게 나타난다. 그러므로 아크가 소멸되는 것뿐 아니라 이로써 생성된 플라즈마가 또한 냉각되는 것이 타이머에 의해 보장될 수 있다.
완전한 갈바닉 직류 전류 일시정지는 이런 자가(autarchic) 혼합형 스위치와 직렬로 접속된 기계적 분리 스위치를 개방함으로써 얻어진다.
본 발명으로 얻어진 장점들은 특히 자가 혼합형 분리 장치의 사용으로 인해, 외부 에너지원 또는 부가적인 보조 에너지가 전자장치에 전원을 공급하기 위하여 요구되지 않는다는 점에 있고, 여기서 반도체 전자장치는 기계적 스위치가 개방될 때 발생하는 아크로부터, 전압의 자체 공급을 위해 필요한 에너지를 제거한다. 반도체 전자장치는 두 개의-단자 네트워크로서 바람직하게 설계되고 기계적 스위치가 폐쇄될 때 높은 임피던스를 가지므로, 실제로 전력 손실들이 정상 로드 동작 동안 본 발명에 따른 혼합형 분리 장치에서 발생하지 않는다.
본 발명에 따른 분리 장치는 또한 바람직하게 1500V(DC)까지의 직류 전압 범위 내에서 직류 전류를 일시정지하기 위해 적당하게 제공된다. 부가적인 기계적 분리 스위치의 바람직한 사용에서, 이런 자가 혼합형 분리 장치는 광전지 설비 및 상기 광전지 설비와 연관되고 그리고 예컨대 연료 전지 시스템 또는 축전지(배터리)와 관련된 인버터 사이에서 신뢰성 있고 내진성 갈바닉 직류 전류 일시정지를 위해 특히 적당하다.
본 발명의 예시적인 실시예들은 도면들을 참조하여 하기에 보다 상세히 설명된다.
도 1은 광전지 발전기 및 인버터 사이의 자가 혼합형 분리 스위치를 가진 본 발명에 따른 분리 장치를 블록 회로도로 도시한다.
도 2는 캐소코드 어레인지먼트의 두 개의 반도체 스위치들 및 에너지 저장소들로서 콘덴서들을 가진 분리 장치를 비교적 보다 상세한 회로도로 도시한다.
도 3은 아크의 소멸 이전, 동안 및 이후 시간에 따른 스위치 전류 및 전압의 결과적인 진행을 시간에 대한 전류/전압을 도시하는 그래프로 도시한다.
상호 대응하는 부분들은 동일한 참조 번호들을 가진 양쪽 도면들 내에 제공된다.
도 1은 예시적인 실시예에서 광전지 발전기(2) 및 인버터(3) 사이에 접속되는 분리 장치(1)를 도식으로 도시한다. 광전지 발전기(2)는 서로 병렬로 놓이고 말하자면 에너지 수집 포인트로서 사용하는 공통 발전기 접속함(5)으로 유도되는 다수의 태양 패널들(4)을 포함한다.
분리 장치(1)는 양의 단자를 나타내는 메인 전류 경로(6) 내에, 기계적 스위치로서 또한 아래에서 지칭되는 스위칭 접촉부(7), 및 상기 스위칭 접촉부(7)와 병렬로 접속된 반도체 전자장치(8)를 포함한다. 기계적 스위치(7) 및 반도체 전자장치(8)는 자가 혼합형 분리 스위치를 형성한다. 추가 혼합형 분리 스위치(7, 8)는 보다 상세히 도시되지 않은 방식으로, 음의 단자를 나타내고, 분리 장치(1)의 리턴 라인(9) 내에 접속될 수 있어서, 전체 설치가 이루어진다.
추가 기계적 분리 엘리먼트(10)의 기계적으로 함께 결합된 스위칭 접촉부들은 양의 단자를 나타내는 외부 라인(메인 경로)(6), 및 상기 광전지 발전기(2)와 인버터(3) 사이에서 완전한 갈바닉 분리 또는 직류 전류 일시정지를 위한 리턴 라인(9) 둘 다 내에 배열될 수 있다.
반도체 전자장치(8)는 필수적으로 기계적 스위치(7)와 병렬로 접속되는 반도체 스위치(11), 및 에너지 저장소(13) 및 타이머(14)를 가진 제어 회로(12)를 포함한다. 제어 회로(12)는 바람직하게 저항기 또는 일련의 저항기들(R)(도 2)을 통하여 메인 전류 경로(6)에 접속된다. 반도체 스위치(11)로서 바람직하게 삽입된 IGBT의 게이트는 반도체 회로(8)의 제어 입력부(15)를 형성한다. 이런 제어 입력부(15)는 제어 회로(12)를 통하여 메인 전류 경로(6)로 안내된다.
도 2는 기계적 스위치(7)와 병렬로 접속되고, 자가 혼합형 분리 스위치의 전자장치(8)의 비교적 상세한 회로도를 도시한다. 제 1 반도체 스위치(IGBT)(11a)는 MOSFET 형태의 제 2 반도체 스위치(11b)와 직렬로 접속된 캐스코드 어레인지먼트로 식별될 수 있다. 따라서 두 개의 반도체 스위치들(11a, 11b)을 가진 캐스코드 어레인지먼트는 도 1과 유사하게 기계적 스위치(7)와 그리고 이에 따라 메인 전류 경로(6)와 병렬의 정류(commutation) 경로(16)를 형성한다.
도 1에 도시된 분리 스위치 어레인지먼트 및 도 2에 도시된 캐스코드 어레인지먼트에서, 제 1 반도체 스위치(11a)는 직류 전류원(2) 및 혼합형 분리 스위치(7, 8) 사이에서 메인 전류 경로(6)로 안내된다. 전위(U+)는 제 2 반도체 스위치(MOSFET)(11b)가 메인 전력 회로(6)로 인도되는 반대측 스위치 상에 있는 전위(U-)보다 항상 크다. 양의 전위(U+)는 기계적 스위치(7)가 폐쇄될 때 0V이다.
제 1 반도체 스위치(IGBT)(11a)는 프리휠링(freewheeling) 다이오드(D2)에 접속된다. 제 1 제너 다이오드(D3)는 애노드 측이 전위(U-)에 접속되고 캐소드 측이 제 1 반도체 스위치(IGBT)(11a)의 게이트(제어 입력부(15))에 접속된다. 추가 제너 다이오드(D4)는 차례로 캐소드 측이 게이트(제어 입력부(15))에 접속되고 애노드 측이 제 1 반도체 스위치(IGBT)(11a)의 이미터에 접속된다.
다이오드(D1)는 애노드 측이 캐소코드 어레인지먼트의 제 1 및 제 2 반도체 스위치들(11a 및 11b) 사이의 중앙 또는 캐스코드 탭(17)에 인도되고, 그리고 캐소드 측이 에너지 저장소(13)로서 사용하는 콘덴서(C)를 통하여 전위(U-)에 접속된다. 에너지 저장소(13)는 또한 다수의 콘덴서들(C)로서 형성될 수 있다. 다이오드(D1) 및 에너지 저장소(13) 및 콘덴서(C) 사이의 애노드-측 전압 탭(18)을 통하여, 오움 저항기들(R1 및 R2)에 접속된 트랜지스터(T1)는 추가 저항기들(R3 및 R4)을 통하여 반도체 스위치(MOSFET)(15)의 게이트에 접속되고, 차례로 반도체 전자장치(8)의 제어 입력부(15)로 인도된다. 병렬 저항기(R5)를 가진 추가의 제너 다이오드(D5)는 캐소드 측이 제 2 반도체 스위치(MOSFET)(11b)의 게이트에 접속되고 애노드 측이 상기 제 2 반도체 스위치의 이미터에 접속된다.
트랜지스터(T1)는 자기에 관하여 베이스 측이 오움 저항기(R6)를 통하여 예컨대 모노플롭(monoflop)으로서 설계된 타이머(14)에 접속되는 트랜지스터(T2)에 의해 베이스 측이 제어된다. 트랜지스터(T2)는 부가적으로 베이스/이미터 측이 추가의 저항기(R7)에 접속된다.
도 3은 시간에 대한 전류/전압을 도시하는 그래프로, 기계적 스위치(7)의 접촉부가 시간(tK)에서 개방되기 전 및 스위치(7) 또는 상기 스위치의 스위칭 접촉부들(7a, 7b)(도 2) 양단 아크(LB)의 지속기간(tLB) 동안뿐 아니라, 타이머(14)에 의해 지정되거나, 미리 결정되거나 설정된 지속기간(tZG) 동안 시간에 따른 혼합형 분리 스위치(7, 8)의 스위치 전압(U) 및 스위치 전류(I)의 진행과정을 도시한다. 기계적 스위치(7)가 폐쇄될 때, 메인 전류 경로(6)는 낮은 임피던스를 가지는 반면, 혼합형 분리 스위치(7, 8)의 병렬 정류(commutation) 경로(16)는 높은 임피던스를 가져서 전류 장벽으로서 동작한다.
도 3의 좌측에 도시된 전류 진행과정은 스위칭 접촉부들(7a 및 7b)의 접촉부 개방의 시간(tK)까지 오로지 기계적 스위치(7)에 걸쳐 흐르는 전류(I)를 나타낸다. 기계적 스위치(7)의 개방은 접촉부 개방의 시간(tK) 이전에 이미 한번에 발생하고, 이는 보다 상세히 특정되지 않는다. 도 3의 좌측 하부 반쪽에 도시된 스위치 전압(U)은 접촉부 개방의 시간(tK) 전에 가상적으로 0V이고 시간(tK)에서 기계적 스위치(7)의 스위칭 접촉부들(7a, 7b)의 개방과 함께 아크(LB)에 대해 특성화된 값으로 가파르게 상승하고 예컨대 20V 내지 30V의 통상적인 아크 전압(ULB)을 가진다. 따라서 양의 전위(U+)는 기계적 스위치(7)가 개방될 때 이런 아크 전압(ULB ≒ 30V)으로 향한다.
접촉부 개방 시간(tK) 다음 지속기간(아크 시간 간격)(tLB) 동안, 실질적으로 아크 전류에 대응하고, 메인 전류 경로(6)로부터 정류(commutation) 경로(16) 상으로 스위치 전류(I)의 정류(commutation)가 시작된다.
지속기간(tLB) 동안 아크 전류(I)는 메인 전류 경로(6) ― 다른 말로 기계적 스위치(7) 양단 ― 및 정류(commutation) 경로(16) ― 다른 말로, 반도체 전자장치(8) ― 사이에서 가상적으로 분할된다. 에너지 저장소(13)는 이런 아크 시간 간격(tLB) 동안 충전된다. 지속기간(tLB)은 한편으로, 특히 아크의 지속기간을 나타내는 지속기간(tLB) 다음 기간(tZG) 동안 상기 반도체 전자장치를 스위치 오프하도록, 충분한 에너지가 반도체 전자장치(8)의 신뢰성 있는 제어를 위해 이용 가능하게 되도록 여기서 설정된다. 다른 한편, 지속기간(tLB)은 스위치(7) 또는 스위칭 접촉부들(7a, 7b)의 바람직하지 않은 접촉 부식 또는 마모를 방지하기 위하여 충분히 짧다.
아크(LB)가 시작되고 아크 전압(ULB)이 발생할 때, 제 1 반도체 스위치(IGBT)(11a)는 콘덴서들(C) 및 이에 따라 에너지 저장소(13)를 위해 적어도 충분한 충전 전압 및 충분한 아크 또는 충전 전류가 이용 가능한 정도로 저항기(R)(도 2)에 의해 턴 온된다. 이렇게 하기 위하여, 전자장치(8)에 대한 제어 회로는 바람직하게 저항기(R) 및 제너 다이오드(D3)에 제 1 반도체 스위치(IGBT)(11a)의 대응하는 접속으로 생성되고, 상기 제어 회로를 통하여 전압은 캐스코드 탭(17)에서, 예컨대 UAb = 12V(DC)로 설정된다. 아크 전류의 일부 및 이에 따른 혼합형 분리 스위치(7, 8)의 스위치 전류(I)의 일부는 이에 따라 양의 전위(U+)에 근접한 제 1 반도체 스위치(IGBT)(11a)를 통하여 흐른다.
탭핑 전압(UAb)은 전자장치(8)의 제어 회로(12)에 공급하기 위하여 사용하고, 필수적으로 트랜지스터들(T1 및 T2)뿐 아니라 타이머(14) 및 에너지 저장소(13)에 의해 형성된다. 애노드 측이 캐스코드 탭(17)에 접속되고 캐소드 측이 콘덴서(C)에 접속된 다이오드(D1)는 충전 전류가 콘덴서들(C1)로부터 정류(commutation) 경로(16)를 통하여 전위(U-)로 역으로 흐르는 것을 방지한다.
만약 충분한 에너지가 콘덴서(C) 및 이에 따라 에너지 저장소(13)에 포함되고, 결과적으로 충분히 높은 제어 또는 스위칭 전압(USp)이 전압 탭(18)에 존재하면, 트랜지스터(T1) 및 결과적으로 트랜지스터(T2)는 턴 온되어, 두 개의 반도체 스위치들(11a, 11b)은 또한 완전히 턴 온된다. 지금 턴-온된 반도체 스위치들(11a, 11b)의 저항이 실질적으로 개방된 스위치(7)에 의해 형성된, 메인 전류 경로(6)의 갭 섹션의 매우 높은 저항보다 실질적으로 낮기 때문에, 아크 또는 스위치 전류(I)는 거의 정류(commutation) 경로(16)를 통해서만 흐른다. 따라서 양의 전위(U+)는 스위치 전류(I)가 전자장치(8) 상으로 정류될 때 0V로 되고자 한다. 아크(LB)는 결과적으로 기계적 스위치(7)의 접촉부들(7a, 7b) 사이에서 소멸된다.
충전 용량 및 이에 따라 콘덴서(C)에 포함된 저장된 에너지는 반도체 전자장치(8)가 타이머(14)에 의해 미리 결정된 지속기간(tZG) 동안 스위치 전류(I)를 운반하도록 계산된다. 이런 지속기간(tZG)은 예컨대 tZG = 3ms로 설정될 수 있다. 이런 지속기간(tZG)은 계산되고, 따라서 타이머(14)는 필수적으로 아크(LB)의 완전한 소멸을 위한 애플리케이션-특정 또는 통상적인 지속기간들에 따라 그리고 이에 따라 형성된 플라즈마의 충분한 냉각에 따라 설정된다. 이에 따른 결정적인 요소는, 차례로 결과적으로서 높은 임피던스를 가지는 정류 경로(16) 및 결과적으로 여전히 개방된 기계적 스위치(7)에서 또는 상기 기계적 스위치의 스위칭 접촉부들(7a, 7b)에 걸쳐 전류 장벽으로서 동작하는 반도체 전자장치(8)를 이용하여, 상기 전자장치(8)가 스위치 오프된 후 새로운 아크(LB)가 발생하지 않는 것이다.
타이머(14)에 의해 설정된 지속기간(tZG)의 종료에서, 스위치 전류(I)는 거의 영(I = 0A)으로 떨어지고, 동시에 스위치 전압은 직류 전류원(2)에 의해 전달되는 동작 전압(UB)으로, 예컨대 1000V(DC) 내지 1500V(DC)로 증가한다. 따라서 양의 전위(U+)는 정류 경로(16)가 반도체 스위치들(11)의 차단으로인해 높은 임피던스를 가지며 따라서 전자장치(8)가 전류 장벽으로서 동작할 때 이런 동작 전압(UB≒1000V)으로 향한다.
이 시간에서 메인 전류 경로(6)는 갈바닉적으로 개방되고, 정류 경로(16)는 동시에 높은 임피던스를 가지며, 직류 전류원(2) 및 전기 디바이스(3) 사이의 아크 없는 직류 전류 일시정지는 이미 달성된다. 직류 전류원(2) 및 예컨대 전기 디바이스의 형태를 가지는 인버터(3) 사이의 접속은 결과적으로 이미 신뢰성 있게 분리된다. 그 다음 내진성 갈바닉 일시정지를 달성하기 위하여, 분리 장치(1)의 기계적 분리 엘리먼트(10)는 부가적으로 로드 또는 아크 없이 개방될 수 있다.
1 분리 장치
2 직류 전류원
3 인버터
4 태양 패널
5 발전기 접속함
6 메인 전류 경로
7 스위칭 접촉부/스위치
7a, 7b 접촉부
8 반도체 전자장치
9 리턴 라인
10 분리 엘리먼트
11a 제 1 반도체 스위치
11b 제 2 반도체 스위치
12 제어 회로
13 에너지 저장소
14 타이머
15 제어 입력부
16 정류 경로
17 캐스코드/중앙 탭
18 전압 탭
I 스위치 전류
tK 접촉부 개방 시간
tLB 아크 지속기간
tZG 타이머의 지속기간
U 스위치 전압
UB 동작 전압
ULB 아크 전압

Claims (11)

  1. 직류 전류원 및 전기 디바이스 사이에서 직류 전류 일시정지(interruption)를 위한 분리 장치로서,
    상기 직류 전류원 및 상기 전기 디바이스 사이에 접속되는 전류-전도 기계적 스위칭 접촉부;
    상기 스위칭 접촉부와 병렬로 접속되는 반도체 전자장치 ― 상기 반도체 전자장치는 상기 스위칭 접촉부가 폐쇄(close)될 때 전류 장벽으로서 동작하고, 상기 반도체 전자장치가 전류-전도될 때 아크 전류가 상기 스위칭 접촉부로부터 상기 반도체 전자장치로 정류(commutate)되고, 상기 반도체 전자장치는 각각 직렬로 접속된 제 1 반도체 스위치 및 제 2 반도체 스위치를 가지며, 상기 스위칭 접촉부가 개방될 때에 아크에 의해 생성되는 상기 스위칭 접촉부 양단의 아크 전압이 상기 반도체 전자장치를 전류-전도되게 하도록, 상기 반도체 전자장치는 상기 스위칭 접촉부에 접속되는 제어 입력부를 갖고, 상기 반도체 전자장치는 아크 지속기간 내에 충전되도록 접속되는 에너지 저장 디바이스를 가짐 ―; 및
    아크의 형성 없이 상기 반도체 전자장치를 스위치 오프하기 위해, 상기 에너지 저장 디바이스의 충전 시간의 종료시에 시작(start)하도록 구성되는 타이머
    를 포함하고,
    상기 에너지 저장 디바이스를 충전하는 상기 아크 전압은 상기 제 1 반도체 스위치 및 상기 제 2 반도체 스위치 사이의 노드에서 탭핑(tap)되고,
    상기 제 1 반도체 스위치 및 상기 제 2 반도체 스위치 사이의 상기 노드에서 탭핑되는 상기 아크 전압은 또한 상기 반도체 전자장치 및 상기 타이머에 공급 전압을 제공하는,
    분리 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 스위칭 접촉부 및 상기 반도체 전자장치는 광전지 발전기 및 인버터 사이에 접속되는,
    분리 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 에너지 저장 디바이스의 충전 시간의 종료 시에, 상기 아크에 의해 흐르는 스위치 전류가 상기 반도체 전자장치로 완전하게 정류되는,
    분리 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 아크 지속기간은 상기 에너지 저장 디바이스의 충전 지속기간 또는 용량에 의해 결정되는,
    분리 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 반도체 전자장치는 서로 직렬로 접속된 IGBT 및 MOSFET을 포함하는,
    분리 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 반도체 스위치는 상기 스위칭 접촉부가 개방될 때 오움 저항기를 통하여 상기 직류 전류원의 양의 전압 전위로 접속되는 제어 입력부를 가지는,
    분리 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 스위칭 접촉부와 상기 반도체 전자장치로 이루어진 병렬 회로와 직렬로 접속된, 갈바닉(galvanic) 직류 전류 일시정지를 위한 기계적 분리 엘리먼트를 포함하는,
    분리 장치.
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