JP2007200817A - 電源用スイッチング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】バッテリーと負荷の接続、遮断時に機械的な開閉接点間に生じるアークを十分に防止するとともに、バッテリーと負荷の接続、遮断の信頼性を高める電源用スイッチング装置を提供すること。
【解決手段】直流電源３のプラス端子、マイナス端子のそれぞれから負荷１，２側に接続される配線１７，１８のうちの少なくとも一方に直列に接続される機械的な開閉接点１２ａ，１４ａを備えたリレー１２，１４と、開閉接点１２ａ，１４ａに直列に接続されるノーマリオンの半導体スイッチ素子１１，１３とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電源用スイッチング装置に関し、より詳しくは、ハイブリッド自動車、電気自動車、ロボット等の電気系統に用いられる高圧直流電源とこれにより電力が供給される負荷とを接続、遮断するための電源用スイッチング装置に関する。

ガソリンエンジン、電気モータ等の複数の動力源を組み合わせたハイブリッド自動車や、電気モータを動力源とする電気自動車或いは移動ロボット等においては、電気モータなどの駆動源、その他の電気系統の負荷に電力を供給するために高圧直流電源、例えば高電圧のバッテリーが取り付けられ、さらに、高圧直流電源と負荷を接続したり遮断したりする開閉機構と、負荷の動作開始時に生じる突入電流を防止したり動作開始時、停止時に機械的開閉接点で生じるアークを防止したりするための保護機構とを有するスイッチング装置等が取り付けられている。

例えば下記の特許文献１には、接点スイッチ機構の開閉による遮断性能の劣化を防止するために、メカニカルリレーと半導体スイッチを用いた開閉装置が記載されている。

即ち、特許文献１には、高圧直流電源のプラス電極とマイナス電極から引き出されるプラス側配線、マイナス側配線のそれぞれの線路中に励磁コイルにより開閉される機械的な開閉接点を直列に続し、さらに、マイナス側配線の機械的な開閉接点に常開接点（ノーマリオフ）のＭＯＳＦＥＴを直列に接続することが記載されている。
そして、高圧直流電源と負荷を電気的に接続する場合には、励磁コイルに電流を流し作動させて機械的な開閉接点を閉じた後にＭＯＳＦＥＴにゲート電圧を印加してオン状態にする一方、高圧直流電源と負荷を遮断する場合には、励磁コイルに流す電流を停止すると同時にＭＯＳＦＥＴをオフし、機械的な開閉接点がＭＯＳＦＥＴのオフ時間よりも遅くオフする性質を利用して機械的な開閉接点でのアークの発生を阻止することが記載されている。

また、特許文献２には、高圧直流電源のプラス電極とマイナス電極から引き出されるプラス側配線、マイナス側配線のうちプラス側配線の途中に電界効果トランジスタのソースとドレインを接続するとともに、ゲートを制御部に接続する構造が記載されている。電界効果トランジスタにより電力を遮断する場合には耐圧が数百Ｖであり、アーク放電の発生が防止される。
なお、突入電流の防止には電流制限抵抗が一般に使用される。
特開平１０−３０２５８４号公報 特開２００５−２６０６１３号公報

しかし、特許文献１に記載のスイッチング装置よれば、機械的な接点と直列に接続されているノーマリオフのＭＯＳＦＥＴの制御系が故障してそのゲートに電圧を印可することができない場合に、ＭＯＳＦＥＴの交換、修理が行われるまでの間に高圧直流電源と負荷の接続が不可能となってモータ等の駆動ができなくなるといった問題がある。このような課題は特許文献２のスイッチング装置でも存在する。

また、特許文献２のスイッチング装置によれば、機械的な開閉接点を有さずにアークの発生は防止されるが、電界効果トランジスタはオフ時に漏れ電流が流れて高電圧を完全に絶縁することができないので、電力が無駄に消費され易くなる。

本発明の目的は、直流電源と負荷の接続、遮断時に機械的な開閉接点間に生じるアークを十分に防止するとともに、直流電源と負荷の接続、遮断の信頼性を高めることができる電源用スイッチング装置を提供することにある。

上記の課題を解決するための本発明の第１の態様は、直流電源と負荷の間の電力系回路を接続、遮断する機能を備えた電源用スイッチ装置であって、前記直流電源のプラス端子、マイナス端子のそれぞれから前記負荷に接続される２系統の配線のうちの少なくとも一方に直列に接続される機械的な開閉接点を備えたリレーと、前記開閉接点に直列に接続されるノーマリオンの半導体スイッチ素子とを有することを特徴とする電源用スイッチング装置である。

本発明の第２の態様は、前記第１の態様に係る電源用スイッチング装置において、前記半導体スイッチ素子は、窒化ガリウム系の半導体素子であることを特徴とする。
本発明の第３の態様は、前記第１又は第２の態様に係る電源用スイッチング装置において、前記半導体スイッチ素子は、窒化ガリウム系の電界効果トランジスタであってソース、ドレインが前記配線の途中に直列に接続されることを特徴とする。

本発明の第４の態様は、前記第１乃至第３の態様のいずれかに係る電源用スイッチング装置において、前記電界効果トランジスタは、前記ソースと前記ドレインの間に二次元電子ガス領域を有する高電子移動度トランジスタであることを特徴とする。

本発明の第５の態様は、前記第１乃至第４の態様のいずれかに係る電源用スイッチング装置において、前記半導体スイッチ素子のオン、オフと前記リレーの励磁コイルへの電流の流れとを制御するとともに、前記リレーの前記開閉接点をオフする前に前記半導体スイッチ素子をオフする制御する機構を備えた制御回路をさらに有することを特徴とする。
本発明の第６の態様は、前記第５の態様に係る電源用スイッチング装置において、前記半導体スイッチ素子は電界効果トランジスタであり、前記制御回路は前記電界効果トランジスタのゲートに電圧を印可することにより前記電界効果トランジスタをオフする機構を有することを特徴とする。

本発明によれば、直流電源のプラス端子、マイナス端子のそれぞれから負荷に接続される２系統の配線のうちの少なくとも一方に直列に接続される機械的な開閉接点を備えたリレーと、その開閉接点に直列に接続されるノーマリオンの半導体スイッチ素子とを設けたので、負荷と直流電源を接続する際には機械的な開閉接点をオンする直前から直後に亘りノーマリーオンの半導体スイッチ素子を一時的にオフし、また、負荷と直流電源を遮断する際には機械的な開閉接点をオフする直前から直後に亘りノーマリーオンの半導体スイッチ素子を一時的にオフすることにより、開閉接点の開閉時にアークの発生を防止できる。

しかも、半導体スイッチ素子の制御信号が故障により送信できなくなっても、半導体スイッチ素子はノーマリオンとなっているのでリレーを制御して機械的な開閉接点による直流電源と負荷の接続は可能になり、半導体スイッチ素子の交換又は修理が行われるまでの間も電機自動車等の運転ができる状態になる。
また、機械的にオン、オフを行う開閉接点をオフすることにより半導体スイッチ素子内に漏れ電流が流れることを防止できる。

以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明の実施形態に係るスイッチング装置が搭載される動力装置における電力供給系回路図、図２は、本発明の実施形態に係るスイッチング装置に使用される半導体スイッチ素子の一例を示す断面図である。

図１において、ハイブリッド自動車、電気自動車、ロボット等の電気系統に搭載されるインバータ１とＤＣ−ＤＣコンバータ２のそれぞれの入力端は互いに並列に接続され、それらの入力端と３６Ｖ〜３００Ｖの高圧直流電源であるバッテリー３の端子との間にはスイッチング装置１０が接続されている。
また、インバータ１の出力端には車輪等を駆動するモータ等の電機負荷４が接続され、さらに、ＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力端には複数の１２Ｖ電機負荷５〜７と１２Ｖバッテリー８が接続されている。

スイッチング装置１０は、プラス入力端子１０ａ、マイナス入力端子１０ｂ、プラス出力端子１０ｃ及びマイナス出力端子１０ｄを有し、内部におけるプラス入力端子１０ａとプラス出力端子１０ｃの間には常閉接点（ノーマリーオン）の窒化ガリウム（ＧａＮ）半導体スイッチ素子１１と第１のリレー１２の常開接点である機械的な開閉接点１２ａとが配線１７を介して直列に接続され、また、マイナス入力端子１０ｂとマイナス出力端子１０ｄの間には第２のリレー１３の常開接点である機械的な開閉接点１３ａが配線１８を介して直列に接続されている。
さらに、ＧａＮ半導体スイッチ素子１１とプラス出力端子１０ｃの間には、第３のリレー１４の常開接点である開閉接点１４ａと抵抗１６とが直列に接続されている。これにより、第３のリレー１４の開閉接点１４ａと抵抗１６は第１のリレー１２の開閉接点１２ａに並列に接続されている。

ノーマリーオンのＧａＮ半導体スイッチ素子１１として、例えば図２に示す構造を有する高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ：High Electron Mobility Transistor）が採用される。
図２において、アンドープのＧａＮ、ＳｉＣ等からなる半絶縁性基板２１の上には、ＧａＮからなるバッファ層２２、アンドープのＧａＮからなる電子走行層２３、中間層２４、電子走行層２３より薄いアンドープのＡｌＧａＮからなる電子供給層２５が気相成長法により順に積層され、これによりヘテロ接合構造が順に形成されている。電子供給層２５と電子走行層２３の間に形成される中間層２４は、電子走行層２３よりもエネルギーバンドギャップが大きい窒化物系化合物半導体から構成されている。また、電子供給層２５のうちゲート形成領域の両側にはｎ型ＧａＮからなるコンタクト層２６が積層されている。

電子供給層２５のゲート形成領域の上には電子供給層２５にショットキー接触するゲート電極２７が形成され、さらにゲート電極２７の両側方のうち一方のコンタクト層２６上にはソース電極２８が接続され、他方のコンタクト層２６上にはドレイン電極２９が接続されていて、ソース電極２８及びドレイン電極２９はそれぞれコンタクト層２６に対してオーミック接触している。

電子供給層２５側の電子走行層２３のヘテロ接合界面直下では、エネルギーバンドギャップが局所的に狭くなり、電子供給層２５から供給された電子が２次元的に分布する２次元電子ガスが生成されてキャリアとして利用される。これに対して、電子供給層２５と電子走行層２３の間に電子走行層２３よりもエネルギーバンドギャップが大きな中間層２４が存在することにより、中間層２４を形成しない場合に比べて約２倍の密度で電子ガスが生成され、低損失で高出力特性のノーマリーオンのＦＥＴが実現される。

ＨＥＭＴでは、外部からの電圧の制御によってドレイン電極２９の電位をソース電極２８の電位よりも高くしてそれらの間に電位差を生じさせた状態において、コンタクト層２６、電子供給層２５、中間層２４を介してソース電極２８から電子走行層２３に供給された電子は、電子走行層２３のうち中間層２４側に生じる二次元電子ガス領域３０を高速走行してドレイン電極２９まで移動する。二次元電子ガス領域３０を移動する電子の量は、ゲート電極２７に加える電圧の大きさに応じてゲート電極２７の直下に広がる空乏層３１の厚さを変化させることによって制御される。

従って、ゲート電極２７に電圧を印可しないことによりソース電極２８からドレイン電極２９に最大量の電子を流すことができ、これによりドレイン電極２９とソース電極２８の間で最大値の電流を通電することが可能である。また、ゲート電極２７に所定の大きさの電圧を印可することによって空乏層３１を２次元電子ガス領域３１に広げて電子の移動を阻止することによりドレイン電極２９とソース電極２８の間に流れる電流を遮断することが可能になる。
ＧａＮから構成されたノーマリオンのＨＥＭＴは、オン抵抗が小さく、電力効率の良い回路を構成することが可能である。

以上のような構成を有するＧａＮ半導体スイッチ素子１１のソース電極２８は第１のリレー１２の開閉接点１２ａの端子のうちのプラス入力端子１０ａ側に接続され、また、そのドレイン電極２９はプラス入力端子１０ａに接続される。
ＧａＮ半導体スイッチ素子１１のゲート電極２７と第１、第２及び第３のリレー１２，１３，１４の各励磁コイル１２ｂ、１３ｂ、１４ｂはそれぞれコントロールユニット３２に接続されている。コントロールユニット３２は、イグニッション信号を送信するキースイッチ３３に接続されている。

なお、第１のリレー１２とプラス出力端子１０ｃを接続する配線にはバッテリー３から流れる電流量を検出する電流センサー３４が接続され、また、電流センサー３４にはその電流検出量を読み取るバッテリー電子制御システム（ＥＣＵ；Electronic Control Unit）３５が接続されている。
上記のスイッチング装置１０を使用してバッテリー３から負荷４〜７に電力を供給可能にするために、まず、プラス入力端子１０ａをバッテリー３のプラス端子に接続し、マイナス入力端子１０ｂをバッテリー３のマイナス端子に接続する。さらに、スイッチング装置１０のプラス出力端子１０ｃをインバータ１、ＤＣ−ＤＣコンバータ２の各プラス入力端子に接続し、さらにマイナス出力端子１０ｄをインバータ１、ＤＣ−ＤＣコンバータ２の各マイナス入力端子に接続する。

そして、スイッチング装置１０内の第１、第２及び第３のリレー１２，１３，１４の各開閉接点１２ａ，１３ａ，１４ａがオフであってＧａＮ半導体スイッチ素子１１がオンの状態において、バッテリー３からインバータ１、ＤＣ−ＤＣコンバータ２への電力供給を開始するためにキースイッチ３３を入れると、図３（ａ）に示すように、時間Ｔ₀ でコントロールユニット３２はＧａＮ半導体スイッチ素子１１のゲート電極２７に所定の電圧を印可してソース電極２８・ドレイン電極２９間の電流の流れを遮断させた後に、第１、第２及び第３のリレー１２，１３，１４の励磁コイル１２ｂ、１３ｂ、１４ｂに電流を流してそれらの機械的な開閉接点１２ａ、１３ａ、１４ａをオンにし、その直後にＧａＮ半導体スイッチ素子１１のゲート電極２７への印加電圧を低減してソース電極２８・ドレイン電極２９間に電流を流すと、スイッチング装置１０のプラス入力端子１０ａとプラス出力端子１０ｃは導通し、さらに、マイナス入力端子１０ｂとマイナス出力端子１０ｄは導通する。

この結果、バッテリー３のプラス端はインバータ１及びＤＣ−ＤＣコンバータ２の各プラス入力端子に接続され、同時にバッテリー３のマイナス端はインバータ１及びＤＣ−ＤＣコンバータ２の各マイナス入力端子に接続され、バッテリー３からインバータ１及びＤＣ−ＤＣコンバータ２に電力が供給される。
ここで、機械的な開閉接点１２ａ、１３ａ、１４ａをオンすることによりバッテリー３とインバータ１及びＤＣ−ＤＣコンバータ２とを接続する際に、開閉接点１２ａ、１３ａ、１４ａをオンする直前から直後に亘ってＧａＮ半導体スイッチ素子１１を一時的にオフする、といった操作をコントロールユニット３２によって行うことにより、機械的な開閉接点１２ａ、１３ａ、１４ａでの突入電流を防ぐことができる。また、機械的な開閉接点１２ａ、１３ａ、１４ａを閉じた状態で半導体スイッチ素子１１をオンすることによって、ＧａＮ半導体スイッチ素子１１自体の特性によって突入電流を防止することができる。この場合、コントロールユニット３２により半導体スイッチ素子１１のゲート電極２７に印加する電圧を漸次低減して電流の立ち上がり時間を長くし、これにより突入電流を抑制するようにしてもよい。

バッテリー３とインバータ１及びＤＣ−ＤＣコンバータ２との接続は、機械的な開閉接点１２ａを介しているため、ＧａＮ半導体スイッチ素子１１のゲートへの電圧印加が不能となった場合でも、バッテリー３とインバータ１、ＤＣ−ＤＣコンバータ２との接続の制御を行うことができる。従って、ハイブリッド自動車、電機自動車等を運転することは可能である。
そのような事態を考慮し、コントロールユニット３２は、第２、第３のリレー１３，１４をオンした後に第１のリレー１２をオンすることにより、第３のリレー１４に直列に接続された抵抗１６により突入電流やアークの発生をある程度抑制することができるような構成となっている。

一方、第１、第２及び第３のリレー１２，１３，１４の開閉接点１２ａ，１３ａ，１４ａとＧａＮ半導体スイッチ素子１１がオンの状態において、バッテリー３からインバータ１、ＤＣ−ＤＣコンバータ２へ供給される電力を遮断するためにキースイッチ３３を切ると、図３（ｂ）に示すように、時間Ｔ₁ でコントロールユニット３２はＧａＮ半導体スイッチ素子１１のゲート電極２７に所定の電圧を印可してソース電極２８・ドレイン電極２９間の電流の流れを遮断させた後に、第１、第２及び第３のリレー１２，１３，１４の励磁コイル１２ｂ，１３ｂ，１４ｂに供給される電流を停止させてそれらの機械的な開閉接点１２ａ，１３ａ，１４ａを開くと、スイッチング装置１０におけるプラス入力端子１０ａとプラス出力端子１０ｃの間と、マイナス入力端子１０ｂとマイナス出力端子１０ｄの間はそれぞれ遮断される。この遮断状態では、第１、第２及び第３のリレー１２，１３，１４の開閉接点１２ａ，１３ａ，１４ａがオフの状態を保持するので、次の電力の供給時まで、ＧａＮ半導体スイッチ素子１１のゲート電極２７に電圧を印加せずにオンさせた状態にする。
なお、第１、第２及び第３のリレー１２，１３，１４の開閉接点１２ａ，１３ａ，１４ａをオフした後に、次の電力の供給時までＧａＮ半導体スイッチ素子１１をオフさせてもよい。

この結果、バッテリー３はインバータ１及びＤＣ−ＤＣコンバータ２から遮断され、インバータ１及びＤＣ−ＤＣコンバータ２への電力の供給が停止する。
ここで、第１、第２及び第３のリレー１２，１３，１４の機械的な開閉接点１２ａ，１３ａ，１４ａをオンした状態でＧａＮ半導体スイッチ素子１１をオフし、ついで開閉接点１２ａ，１３ａ，１４ａをオフするようにしているので、開閉接点１２ａ，１３ａ，１４ａのオフ時のアークの発生が防止され、開閉接点１２ａ，１４ａ，１５ａの劣化、損傷を防ぐことができる。

また、第１、第２及び第３のリレー１２，１３，１４の開閉接点１２ａ，１３ａ，１４ａの開閉から独立してＧａＮ半導体スイッチ素子１１をオン、オフしているので、故障によりＧａＮ半導体スイッチ素子１１のゲート電極２７に電圧を印可できずにソース・ドレイン間に電流が流れ続ける状態となっても、第１、第２及び第３のリレー１２，１３，１４の開閉接点１２ａ，１３ａ，１４ａを切断することにより、バッテリー３とインバータ１及びＤＣ−ＤＣコンバータ２を切断することが可能になる。
そのような事態を考慮し、コントロールユニット３２は、第１のリレー１２をオフした後に第２、第３のリレー１３，１４をオフすることにより、第３のリレー１４に直列に接続された抵抗１６によりアークの発生をある程度抑制することができる構成となっている。
なお、上記した実施形態では、ＧａＮ半導体スイッチ素子１１をスイッチング装置１０のプラス側に接続しているが、マイナス側に接続してもよい。

図１は、本発明の実施形態に係るスイッチング装置とその接続状態を示す回路図である。 図２は、本発明の実施形態に係るスイッチング装置に使用される半導体スイッチ素子の一例を示す断面図である。 図３は、本発明の実施形態に係るスイッチング装置の動作を説明するタイミングチャートである。

符号の説明

１：インバータ
２：ＤＣ−ＤＣコンバータ
３：バッテリー
４〜７：負荷
１０：スイッチング装置
１１：半導体スイッチ素子
１２、１３、１４：リレー
１２ａ、１３ａ、１４ａ：開閉接点
１２ｂ、１３ｂ、１４ｂ：励磁コイル
１６：抵抗
３２：コントロールユニット
３３：キースイッチ
３４：電流センサー

Claims (6)

1. 直流電源と負荷の間の電力系回路を接続、遮断する機能を備えた電源用スイッチ装置であって、
   前記直流電源のプラス端子、マイナス端子のそれぞれから前記負荷に接続される２系統の配線のうちの少なくとも一方に直列に接続される機械的な開閉接点を備えたリレーと、
   前記開閉接点に直列に接続されるノーマリオンの半導体スイッチ素子と
   を有することを特徴とする電源用スイッチング装置。
2. 前記半導体スイッチ素子は、窒化ガリウム系の半導体素子であることを特徴とする請求項１に記載の電源用スイッチング装置。
3. 前記半導体スイッチ素子は、窒化ガリウム系の電界効果トランジスタであってソース、ドレインが前記配線の途中に直列に接続されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電源用スイッチング装置。
4. 前記電界効果トランジスタは、前記ソースと前記ドレインの間に二次元電子ガス領域を有する高電子移動度トランジスタであることを特徴とする請求項３に記載の電源用スイッチング装置。
5. 前記半導体スイッチ素子のオン、オフと前記リレーの励磁コイルへの電流の流れとを制御するとともに、前記リレーの前記開閉接点をオフする前に前記半導体スイッチ素子をオフする制御する機構を備えた制御回路をさらに有することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１つに記載された電源用スイッチング装置。
6. 前記半導体スイッチ素子は電界効果トランジスタであり、前記制御回路は前記電界効果トランジスタのゲートに電圧を印可することにより前記電界効果トランジスタをオフする機構を有することを特徴とする請求項５に記載の電源用スイッチング装置。

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