JP2008067440A

JP2008067440A - 直流遮断装置の制御方法および直流遮断装置

Info

Publication number: JP2008067440A
Application number: JP2006240221A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Hiraoka; 靖史平岡; Akifumi Somatani; 聡文杣谷
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2006-09-05
Filing date: 2006-09-05
Publication date: 2008-03-21

Abstract

【課題】スナバ回路を必要としない、小型かつ低価格な直流電流遮断装置を提供する。
【解決手段】直流電流遮断装置１０は、従来の直流電流遮断装置と同じく、給電線２０に流れる電流を電流検出部１１で検出し、過電流判定部１４で過電流か否かの判定を行う。スイッチ駆動部１５は過電流判定部１４にて過電流と判定された場合、あらかじめ任意波形発生部１６にて生成されたある特定の信号波形に従って駆動信号を生成し、スイッチ部１２に出力する。
【選択図】図１

Description

本発明は、直流給電網に接続され、該直流給電網における過電流の遮断に用いられる直流電流遮断装置であって、給電線を流れる電流を検出する電流検出部と、検出した電流が過電流であるか否かを判定する過電流判定部と、半導体スイッチを用いたスイッチ部と、スイッチ部に対する駆動信号を出力するスイッチ駆動部とを有する直流電流遮断装置の制御方法に関する。

一般に、直流給電網において短絡事故等に起因する過電流から各種装置を保護するための電流遮断装置としては、従来、ヒューズやＭＣＣＢ（ＭｏｌｄｅｄＣａｓｅＣｉｒｃｕｉｔＢｅａｋｅｒ）などが用いられてきた。しかしながらヒューズの場合には電流遮断後に取り替え作業が必要であるし、ＭＣＣＢの場合には電流遮断時に発生するアークによって接点部が劣化するという問題があった。それに対し電流遮断用素子として半導体スイッチを用いることで、アークによる接点劣化が無く繰り返し使用が可能な直流電流遮断装置を構成することができる。また、半導体スイッチを用いることで高速な電流遮断が可能となる。しかしながら高速な電流遮断は大きな電流変化率ｄｉ／ｄｔをもたらすため、配線インダクタンス等によってスイッチ両端に大きなサージ電圧が発生する。

従来はこの問題に対し、図１０に示すように、半導体スイッチ３２の両端に例えばコンデンサと抵抗で構成されるスナバ回路３３を設置することで、スイッチ両端の電圧上昇を抑制していた。図１１にこの従来の手法によって直流電流を遮断した場合におけるスイッチ電流、スナバ電流、スイッチ両端のサージ電圧の例を示す。図１１に示すように、半導体スイッチ３２による遮断動作によって直流電流が遮断されると、行き場所の無くなった電流はスナバ回路３３へと転流される。その結果、急激な電流変化が起こらず、スイッチ両端の電圧もそれほど上昇していない。なお、図１０に示すような単純なスナバ回路の場合、遮断動作によって行き場の無くなったエネルギーは、最終的に抵抗によって熱エネルギーとして消費されることになる。

図１２は上記の従来の一般的な半導体スイッチによる直流電流遮断装置の構成図、図１３はその動作を示すフローチャートである。図１２に示すように、従来の直流電流遮断装置１０‘は電流検出部１１と、スイッチ部１２と、過電流判定部１４とスイッチ駆動部１５’を含む制御回路１３‘と、スナバ回路１７と有している。給電線２０に流れる電流は電流検出部１１にて常時観測されている（ステップ１０１）。ステップ１０２で、過電流が発生したと過電流判定部１４によって判定されると、過電流判定部１４によってスイッチ駆動部１５‘に過電流の発生が伝えられる。スイッチ駆動部１５’は過電流判定部１４からの情報に基づいてスイッチ部１２への駆動信号を導通レベルから遮断レベルへ（オンからオフへ）と変更する（ステップ１０７）。スイッチ部１２はスイッチ駆動部１５’からの信号に基づき遮断動作を行う（ステップ１０８）ことで過電流が遮断される。一般的な遮断動作では検出された電流があらかじめ設定された電流レベルを超過したとき、もしくは、設定レベルを超えた電流の大きさとその電流が流れていた時間の積がある一定量を超えた時に遮断動作が行われる。そのときのスイッチ駆動波形は矩形波状であり、半導体スイッチはある一定の動作遅延を有するものの、ほぼ瞬時に導通状態から遮断状態に移行する。なお、ステップ１０２で、過電流が発生していないと判定されると、スイッチ駆動部１５’からスイッチ部１２へ導通指令が出力される（ステップ１０３）ことは言うまでもない。
電気学会：高性能高機能パワーデバイス・パワーＩＣ調査専門委員会編「パワーデバイス・パワーＩＣハンドブック」１９９６年７月３０日初版第１刷発行４０３頁発行所：株式会社コロナ社

前記スナバ回路には多種多様な方式があり、配線インダクタンスの大きさや電圧、電流の定格などを考慮し、適用回路や装置に応じて設計する必要があった。また、図１０のように最終的に抵抗によって熱が発生する場合にはその発熱量に耐えうる抵抗を用いる必要があり、スナバ回路自体が大きくなってしまうという問題があった。

本発明の目的は、スナバ回路を必要としない、小型かつ低価格な直流電流遮断装置の制御方法および直流電流遮断装置を提供することにある。

本発明の直流電流遮断装置の制御方法は、過電流の発生を検出した際の、半導体スイッチの駆動信号の電圧を半導体スイッチの直流遮断動作開始時から漸次経時変化させること、すなわち駆動電圧が瞬時（０．０１ｍｓ未満）に変化することなく時間とともに徐々に変化するようにすることを特徴とする。

このように、半導体スイッチの遮断動作時における駆動信号を滑らかに変化させることによって急激な電流の変化を抑制し、電流変化率ｄｉ／ｄｔを小さくすることにより、半導体スイッチの両端に発生するサージ電圧を小さくすることができる。

図９は一般的な半導体スイッチである絶縁ゲート型電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）におけるゲート駆動電圧と素子電流の関係を示したグラフである。実際の半導体スイッチはＯＮ／ＯＦＦの二値動作ではなく、ゲート電極の信号レベルに応じて連続的に電流が変化する。したがって、ゲート駆動電圧を緩やかに変化させることでスイッチを可変抵抗として動作させることが可能となる。このようにスイッチを動作させることで急激な電流変化を抑制し、スイッチ両端におけるサージ電圧の発生を防ぐことが可能となる。

本発明によれば、過電流の発生を検出した際の、半導体スイッチの駆動信号の電圧を半導体スイッチの直流遮断動作開始時から漸次経時変化させることにより、直流電流遮断時において半導体スイッチの両端に発生するサージ電圧を抑制し、スナバ回路のない、小型かつ低価格な直流電流遮断装置を実現することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。

図１は本発明の一実施形態の直流電流遮断装置の構成図、図２はその動作を示すフローチャートである。

本実施形態の直流電流遮断装置１０は、図１２に示した従来の直流電流遮断装置１０‘とは給電線２０に流れる電流を電流検出部１１で検出し、過電流判定部１４で過電流か否かの判定を行う部分（ステップ１０１、１０２）は従来と同様である。しかしながら、本実施形態では、制御回路１３内に任意波形生成部１６を新たに備え、スイッチ駆動部１５は過電流判定部１４にて過電流と判定された場合、従来のように駆動信号を直ちに遮断レベルに変更するのではなく、あらかじめ任意波形発生部１６にて生成されたある特定の信号波形に従って漸次経時変化する駆動信号を出力する（ステップ１０４〜１０６）。このため本実施形態ではスナバ回路１７は不要になっている。なお、遮断の完了は、直流電流が遮断された後、スイッチ部１２の両端の電圧が一定（定常状態）になることで判断する。

以下、駆動信号として用いる波形ごとにその効果を説明する。

図３はスイッチ部駆動信号を導通レベルから遮断レベルに向けて、線形あるいはそれより高次の多項式関数で近似される関数に従って変化させる例として、もっとも単純な１次関数に従って変化させた例である。比較としてスナバ回路を付加した従来装置による遮断時波形も同時に示す。なお、電源電圧は３０Ｖ、スイッチ部駆動信号における導通レベルを２０Ｖ、遮断レベルを０Ｖとしている。時刻１ｍｓで短絡事故が発生し、一連の過電流検出動作を経た後、時刻１．０２ｍｓから遮断動作が始まっている。従来の装置では瞬時に駆動信号レベルが遮断レベルとなり、スイッチも遮断状態となる。スナバ回路によってサージ電圧の発生が抑制されるものの、電源電圧の２倍程度まで電圧上昇している。それに対し、本実施形態によるスイッチ部駆動信号を適用した例では、スイッチ部１２による遮断動作が滑らかになるため急激な電流変化が抑制される。したがって、スナバ回路が付加されていないにもかかわらず、大きなサージ電圧は発生していない。

図４は過電流検出後のスイッチ部駆動信号を双曲線関数に従って変化させたときの例であり、ここではその一例として反比例関数に従って変化させている。図３の場合と同様にスナバ回路がないにもかかわらずサージ電圧の発生が抑制されている。

同様に、図５は指数関数に従ってスイッチ部駆動信号を変化させた例であり、図６は三角関数を用いる例として正弦波状に駆動信号を変化させた例である。いずれもサージ電圧が抑制されていることがわかる。

より具体的な給電網において短絡電流を遮断する場合の例を次に示す。図７は本実施形態における給電網の回路図である。直流電源２１から出力された直流電力は給電線２２および２３、負荷装置２５の直前に設置された直流電流遮断装置２４を通して負荷装置２５に給電される。直流電源２１の出力電圧は３００Ｖ、給電線２２および２３は断面積１００ｍｍ＾２のＣＶＤケーブルで長さは５０ｍ、負荷装置２５の入力インピーダンスは１０Ωを想定している。直流電流遮断装置２４と負荷装置２５間の配線は十分短く無視できるものとした。今、直流電流遮断装置２４と負荷装置２５の間の給電線間を短絡スイッチ２６にて短絡させ、このときの短絡電流を直流電流遮断装置２４にて遮断する場合を考える。なお、短絡スイッチ２６における短絡インピーダンスは１０ｍΩとした。今回遮断用スイッチとしてはソース・ドレイン間耐圧が５００ＶのパワーＭＯＳＦＥＴを用いるものとする。したがって、遮断時のサージ電圧は５００Ｖ以下に抑える必要がある。

短絡および遮断動作を行ったときのスイッチ部駆動波形およびスイッチ両端の電圧を図８に示す。点線が従来装置を適用した場合の波形であり、実線は本発明による方法のうち指数関数に従ってスイッチ部駆動信号を変化させた例である。時刻１ｍｓで短絡が発生し、時刻１．０２ｍｓにて遮断動作が始まっている。従来装置では遮断動作開始と同時にスイッチは急激に短絡電流を遮断するため、スイッチ両端の電圧も急激に上昇している。しかしながらスナバ回路におけるコンデンサと給電線インダクタンスとの共振および、スナバ抵抗によるエネルギー消費によってサージ電圧は振動しながら減衰し、短絡発生から０．５ｍｓ程度で定常状態に至っている。一方、本発明による方法ではスイッチ部駆動信号が緩やかに変化するため、スナバ回路がないにも係わらず電圧上昇は緩やかになっている。駆動信号の減衰率を変化させることで電圧ピーク値も変化し、より早く減衰させた場合にはサージ電圧は大きくなり、ゆっくり減衰させた場合には小さくなる。今回のように従来方法と同程度の時間でスイッチ両端の電圧が定常状態になるように減衰させた場合においてもピーク電圧はスナバ回路を用いた場合と同程度となっており、本発明の効果がよく現れている。なお一般的なヒューズやＭＣＣＢなどでは数ｍｓから１０ｍｓ程度で電流を遮断する場合が多い。したがって、他の装置との保護強調の観点から、本発明を用いた場合においても給電線に流れる電流における過電流の発生の検知後からその検知後１０ミリ秒後までに直流電流の遮断が完了するように信号の減衰率を設定することが望ましい。この場合、この信号の電圧の変化は給電線に流れる電流における過電流の発生の検知後から直流遮断動作開始後１０ミリ秒後までに完了することが望ましい。この信号の電圧変化の完了とは、例えば、半導体スイッチの駆動電圧を零または半導体スイッチのしきい値電圧未満にすることである。ここで、給電線に流れる電流における過電流の発生の検知から半導体スイッチによる直流遮断動作開始までに０．１から０．５ミリ秒間要する。

なお、スイッチ部駆動信号として用いる任意波形に関しては、微分回路や積分回路、発信器といったアナログ回路を用いて波形を生成してもよいし、ＤＳＰ（ＤｉｇｉｔａｌＳｉｇｎａｌＰｒｏｃｅｓｓｏｒ）やＣＰＵ、マイクロコントローラといったデジタル回路を用いて生成してもよい。また、例としてあげた特定の関数を単体で用いるのみでなく合成関数として用いてもよいし、スイッチの導通状態に応じて時間的に複数の関数を切り替えてスイッチ部駆動信号として用いてもよい。

本実施形態では半導体スイッチは駆動電圧が零または半導体スイッチのしきい値電圧未満の時に直流電流を遮断するものを用いたが、電圧の印加により直流電流を遮断するものであっても構わない。この場合、直流遮断動作開始後に駆動電圧が増加することにより直流電流をさせるものであっても構わない。

本発明の一実施形態の直流電流遮断装置のブロック図である。図１の直流電流遮断装置の動作を示すフローチャートである。遮断用波形に１次関数を用いた場合の電圧波形図である。遮断用波形に双曲線関数を用いた場合の電圧波形図である。遮断用波形に指数関数を用いた場合の電圧波形図である。遮断用波形に三角関数を用いた場合の電圧波形図である。直流給電網の例を示すブロック図である。具体的な電流遮断の例を示す図である。一般的なＭＯＳＦＥＴにおけるＶｇ−Ｉｄ特性を示す図である。スナバ回路の構成例を示す図である。遮断動作時の電圧・電流波形の例を示す図である。直流電流遮断装置の従来例のブロック図である。図１２の直流電流遮断装置の動作を示すフローチャートである。

符号の説明

１０，１０’ 直流電流遮断装置
１１電流検出部
１２スイッチ部
１３、１３‘ 制御回路
１４過電流判定部
１５、１５’ スイッチ駆動部
１６任意波形発生部
１７スナバ回路
２０給電線
２１直流電源
２２，２３給電線
２４直流電流遮断装置
２５負荷装置
２６短絡スイッチ
３１給電線
３２半導体スイッチ
３３スナバ回路
１０１〜１０８ステップ

Claims

直流給電網に接続され、該直流給電網における過電流の遮断に用いられる直流電流遮断装置であって、給電線を流れる電流を検出する電流検出部と、検出した電流が過電流であるか否かを判定する過電流判定部と、半導体スイッチを用いたスイッチ部と、前記スイッチ部に対する駆動信号を出力するスイッチ駆動部とを有する直流電流遮断装置の制御方法において、
前記過電流の発生を検出した際の、前記半導体スイッチの前記駆動信号の電圧を前記半導体スイッチの直流遮断動作開始時から漸次経時変化させることを特徴とする、直流電流遮断装置の制御方法。
前記漸次経時変化を、前記過電流の発生を検出した後１０ミリ秒経過するまでに完了させる、請求項１に記載の直流電流遮断装置の制御方法。
前記漸次経時変化を、滑らかに変化する関数に基づいて行う、請求項１または２に記載の直流電流遮断装置の制御方法。
前記関数が、線形あるいはそれよりも高次の多項式の関数である、請求項３に記載の直流電流遮断装置の制御方法。
前記関数が双曲線関数である、請求項３に記載の直流電流遮断装置の制御方法。
前記関数が指数関数である、請求項３に記載の直流電流遮断装置の制御方法。
前記関数が三角関数である、請求項３に記載の直流電流遮断装置の制御方法。
直流給電網に接続され、該直流給電網における過電流の遮断に用いられる直流電流遮断装置であって、
給電線を流れる電流を検出する電流検出部と、
検出した電流が過電流であるか否かを判定する過電流判定部と、
半導体スイッチを用いたスイッチ部と、
前記スイッチ部に対する駆動信号を出力するスイッチ駆動部であって、前記過電流の発生を検出した際の、前記半導体スイッチの前記駆動信号の電圧を前記半導体スイッチの直流遮断動作開始時から漸次経時変化させるスイッチ駆動部と
を有する直流電流遮断装置。
滑らかに変化する関数を発生する任意波形発生部を有し、前記スイッチ駆動部は前記漸次経時変化を、前記任意波形発生部で発生された滑らかに変化する関数に基づいて行う、請求項８に記載の直流電流遮断装置。