特許ウォッチ

公開番号2025179014
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-12-09
出願番号2025068969
出願日2025-04-18
発明の名称直流電圧系統における故障電流を制限するための装置および方法
出願人シーメンスエナジーグローバルゲゼルシャフトミットベシュレンクテルハフツングウントコンパニーコマンディートゲゼルシャフト,SIEMENS ENERGY GLOBAL GMBH & CO. KG
代理人弁理士法人山口・竹本知的財産事務所,個人,個人,個人
主分類H02J 1/00 20060101AFI20251202BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】直流送配電装置の運転中にできるだけ損失が少なく、且つ、信頼性のある装置及び本装置を用いて故障電流を制限するための方法を提供する。
【解決手段】直流電圧回路(6～9)において故障電流を制限するための装置(20)であって、収容装置(24)内に電流制限モジュール(23.1～23.2n)の直列接続を備え、各電流制限モジュールが、複数のパワー半導体スイッチ(331～33n)およびパワー半導体に並列に接続されたサージアレスタ(34)を備え、パワー半導体スイッチを異なるゲート‐エミッタ電圧を用いて作動させるように制御する制御装置(26、37)と、電流制限モジュールにエネルギを供給するための電源装置(27)と、電流制限モジュール又はそのパワー半導体を冷却するための冷却装置(28)と、装置における電流および/または電圧などの測定量を検出するための測定装置(29)と、さらに備える。
【選択図】図2
特許請求の範囲【請求項１】
直流電圧回路において故障電流を制限するための装置（２０）であって、電流制限モジュール（２３．１～２３．２ｎ）の直列接続を備え、各電流制限モジュール（２３）が複数のパワー半導体スイッチ（３３１～３３ｎ）および前記パワー半導体（３３１～３３ｎ）に並列に接続されたサージアレスタ（３４）を備える装置において、
前記パワー半導体スイッチ（３３１～３３ｎ）を制御するための制御装置（２６）であって、前記パワー半導体スイッチ（３３１～３３ｎ）を異なるゲート‐エミッタ電圧を用いて作動させるように構成されている制御装置（２６）、を特徴とする装置（２０）。
続きを表示（約 1,200 文字）【請求項２】
前記制御装置（２６）が、電流制限モジュール（２３．１～２３．２ｎ）の少なくとも１つの第１のパワー半導体スイッチ（３３１～３３ｎ）を公称ゲート‐エミッタ電圧に対応する第１のゲート‐エミッタ電圧を用いて作動させるように、及び、同じ電流制限モジュール（２３．１～２３．２ｎ）の少なくとも１つの第２のパワー半導体スイッチ（３３１～３３ｎ）を前記公称ゲート‐エミッタ電圧よりも高い値の第２のゲート‐エミッタ電圧を用いて作動させるように、構成されている、請求項１に記載の装置（２０）。
【請求項３】
少なくとも１つの電流制限モジュール（２３．１～２３．２ｎ）が、直列接続で配置されている少なくとも２つのパワー半導体スイッチ（３３１～３３ｎ）を備える、請求項１または２に記載の装置（２０）。
【請求項４】
少なくとも１つの電流制限モジュール（２３．１～２３．２ｎ）が、互いに逆直列に配置されている少なくとも２つのパワー半導体スイッチ（３３１～３３ｎ）を備える、請求項１から３のいずれか１項に記載の装置（２０）。
【請求項５】
少なくとも１つの電流制限モジュール（２３．１～２３．２ｎ）が、互いに並列接続状態で配置されている少なくとも２つのパワー半導体スイッチ（３３１～３３ｎ）を備える、請求項１から４のいずれか１項に記載の装置（２０）。
【請求項６】
少なくとも１つの電流制限モジュール（２３．１～２３．２ｎ）が、少なくとも４つのパワー半導体スイッチ（３３１～３３ｎ）を備え、当該少なくとも４つのパワー半導体スイッチは、それぞれ互いに逆直列に配置された２つのパワー半導体スイッチ（３３１～３３ｎ）の並列接続状態で配置されている、請求項１から５のいずれか１項に記載の装置（２０）。
【請求項７】
少なくとも１つの電流制限モジュール（２３．１～２３．２ｎ）が、故障時に前記電流制限モジュール（２３．１～２３．２ｎ）をバイパスするためのバイパススイッチ（３５）を備える、請求項１から６のいずれか１項に記載の装置（２０）。
【請求項８】
少なくとも１つの電流制限モジュール（２３．１～２３．２ｎ）が、前記サージアレスタに対して並列接続状態の並列抵抗器（３６）を備える、請求項１から７のいずれか１項に記載の装置（２０）。
【請求項９】
前記装置が前記電流制限モジュール（２３．１～２３．２ｎ）にエネルギを供給するための電源装置（２７）を備え、当該電源装置（２７）は前記電流制限モジュール（２３．１～２３．２ｎ）から電気的に絶縁されている、請求項１から８のいずれか１項に記載の装置（２０）。
【請求項１０】
前記パワー半導体スイッチ（３３１～３３ｎ）が、能動的冷却を用いて放熱可能である、請求項１から９のいずれか１項に記載の装置（２０）。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、直流電圧回路における故障電流を制限するための、複数の電流制限モジュールの直列接続を備えた装置に関し、各電流制限モジュールは、複数のパワー半導体スイッチおよびこれらのパワー半導体に並列に接続された１つのサージアレスタを備える。
続きを表示（約 1,900 文字）【０００２】
直流電圧ベースの送・配電系統（ポイントｔｏポイント系統、マルチターミナル系統およびメッシュ系統）の運転にとって、故障電流を制限または抑制するための装置（これらはしばしば直流遮断器または直流故障分離デバイスと呼ばれる）は重要である。交流電圧／電流とは対照的に、直流電圧系統には自然な電流ゼロクロスは存在せず、したがって、この利用のためには特定の解決手法が必要となる。直流遮断器／直流故障分離デバイスに対しては、これらが小さい順方向損失を有することが、特に重要である。故障電流を抑制するために、パワーエレクトロニクスを利用した複数の装置を使用することができ、これらでは、上述の順方向損失の最小化に加えて、複数の半導体の並列接続および直列接続に起因するディレーティングの回避も技術的課題である。
【０００３】
冒頭で述べた装置は特許文献１から知られている。この公知の装置はパワーエレクトロニクス直流遮断器を備え、このパワーエレクトロニクス直流遮断器は、複数の半導体スイッチング素子の直列接続およびこのスイッチの直列接続に電気的に並列に接続された１つのフライホイール経路を備え、当該複数の半導体スイッチング素子はそれぞれ１つのパワーエレクトロニクススイッチおよび１つのサージアレスタを有している。この公知の解決策が、動作電流経路（正常動作中に動作電流が流れる経路）に機械的スイッチを有する直流遮断器と異なるのは、この公知の直流遮断器では動作電流経路に複数のパワー半導体スイッチが配置されていることである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
独国特許出願公開第１０２０１５２１１３３９Ａ１号明細書
国際公開第２０１２／１０７０１０Ａ１号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の課題は、冒頭に述べた装置であって、運転中にできるだけ損失が少なく、且つ、信頼性のある装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この課題は請求項１の特徴による装置によって解決される。
【０００７】
本発明によれば、この装置は、複数のパワー半導体スイッチを制御するための制御装置を備え、当該制御装置は、パワー半導体スイッチを異なるゲート‐エミッタ電圧を用いて作動させるように、構成されている。すなわち、この制御装置は、制御信号を用いて複数のパワー半導体スイッチをスイッチオンまたはオフするように構成されている（この目的のために、この制御装置は関連するパワー半導体スイッチのそれぞれのゲートに接続されている）。これらのパワー半導体スイッチは、例えばＩＧＢＴ、ＩＧＣＴ、ＭＯＳＦＥＴ、ＪＦＥＴ、および、ＳｉＣベースまたはＧａＮベースのパワー半導体スイッチなどの、好ましくはオフに切り替えることができるパワー半導体スイッチである。
【０００８】
本発明は、パワー半導体におけるコレクタ‐エミッタ電圧ＵＣＥが(またしたがって、順方向損失も）、一般に、(少なくとも約２．5ｋＡまでの電流については）印加されているゲート‐エミッタ電圧ＵＧＥに依存するという知見を利用する。特に、電圧ＵＣＥは、一般に、電圧ＵＧＥが上げられると、低下する。上昇したＵＧＥを有する半導体スイッチの動作は例えば特許文献２に記載されている。
【０００９】
しかしながら、本発明によれば、全てのパワー半導体スイッチが１つの（および同一の）上昇された電圧ＵＧＥによって作動されるのではない。そうではなく、これら複数のパワー半導体スイッチは、その装置の信頼性を高めるために、異なるゲート‐エミッタ電圧によって制御されて作動される。
【００１０】
適切には、ゲート‐エミッタ電圧は、正の電圧に対して１８Ｖ～３５Ｖの間ある、或いは、負の電圧に対して０Ｖ～－１５Ｖの間にある。パワー半導体スイッチがオフ状態のとき、コレクタ‐エミッタ電圧ＵＣＥは１ｋＶ～１０ｋＶの値を取ることができる。順方向電圧は、例えば１０Ｖまでの値を取ることができる。全ての電流制限モジュールの起動または停止に加えて、この制御装置は、特には、例えば電流をゆるやかに抑制するためにまたは電流を最大値で制限するために、これらのモジュールの一部のみを作動させるように構成されている。
（【００１１】以降は省略されています）

関連特許