JP2012028193A - 直流スイッチ - Google Patents

Abstract

【課題】直流電流路を導通とする場合において、電力損を小さくし、小型化を図った直流スイッチを提供する。
【解決手段】直流スイッチ２０ａは、直流電流が流れる直流電流路を開路または閉路とするために前記直流電流路に挿入される電子的開閉スイッチ１５と、電子的開閉スイッチ１５に対して並列に接続される並列機械的開閉スイッチ１６と、並列機械的開閉スイッチ１６および電子的開閉スイッチ１５の相互の開閉時間差を制御するスイッチ制御回路１４と、を備えており、スイッチ制御回路１４は、電子的開閉スイッチ１５が閉路とされた所定時間後に、並列機械的開閉スイッチ１６を閉路とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、直流電流が流れる電流経路を開路または閉路とするのに適した直流スイッチに関するものである。

従来は，同期発電機を用いた交流電力系統（商用電源）から交流電力が一般家庭に供給されている。一方、近年では、太陽光発電、風力発電、燃料電池発電などによる分散型電源が注目され、一般家庭でも用いられるようになってきている。これらの分散型電源から発電される電力は、直流電力である場合が多い。このような分散電源からの電力を直接に一般家庭、オフイス等に供給する直流給電が社会に受け入れられつつある。

電力系統（直流電源）からの直流電力を直流配電系に対して（例えば、直流電力を取扱う屋内配線に対して）供給して、使用する場合には、屋内配線と電気機器（例えば、テレビジョン受像機）との間に直流スイッチを介在させ、電気機器への電力供給をするか否かを制御する必要がある。ここで、直流スイッチ（直流電力の導通、切断を行うスイッチ）に要求される特性は、従来の交流スイッチ（交流電力の導通、切断を行うスイッチ）に要求される特性とは大きく異なる。従来の交流スイッチは、交流で点灯する電灯の開閉を基準として規格化されている。このような交流スイッチとしては、従来から、種々の小型のものが普及している。しかしながら、そのような小型の交流用のスイッチを直流電流が流れる電流経路（以下直流電流路の用語を用いる）で使用すると、切断できる電流量は極端に小さな電流に限定される。その理由は、直流の場合には、交流のように電流が零となる時刻がないため、スイッチの機械的接点を開く際に生じたアークが停止せずに持続的に生じ続け、アークの発生によってアーク電流が流れ続けるためである。そして、一旦アークが発生すると、アーク電流が流れ続けて、実質的に機械的接点を開の状態（スイッチの切断状態）とはできないことが挙げられる。また、アークによる発熱のために接点の焼損が発生することも生じ得る。そして、アークによる発熱に耐えて接点を開くことを可能とするスイッチは極端に大型化するものであった。つまり、従来の交流用のスイッチは、直流電源から供給される直流電力で動作する電気機器（例えば、家庭電気製品等）に用いるには不向きであった。

そこで、図１４に背景技術として示す直流スイッチが提案されている（特許文献１を参照）。図１４に示す直流スイッチは、直流配電系１１０において用いるに適したものである。直流スイッチ１２０ａは入力端子Ａ、入力端子Ｂ、出力端子Ｃ、出力端子Ｄを有している。直流スイッチ１２０ａは、機械的開閉スイッチ１１６と電子的開閉スイッチ１１５と、機械的開閉スイッチ１１６と電子的開閉スイッチ１１５との相互の開閉時間差を制御するスイッチ制御回路１１４と、制御スイッチ１１７と、を備えている。そして、母線１１３に直列に挿入された電子的開閉スイッチ１１５が開とされた後に、機械的開閉スイッチ１１６を開とするようにしている。このようにして、機械的開閉スイッチ１１６を開（電流路を切断）とする状態でアークが発生することを防止して、小型の機械的開閉スイッチ１１６によって、負荷１３０に供給される直流電力の電流路を切断（開）することを可能としている。

特開２００７−２１３８４２号公報

特許文献１に開示された直流スイッチ１２０ａでは、直流電流路を導通（閉）とする場合には、機械的開閉スイッチ１１６と電子的開閉スイッチ１１５の両方が導通するようにされる。ここで、機械的開閉スイッチ１１６の接点抵抗は、例えば、数ｍΩ（ミリオーム）程度であるが、電子的開閉スイッチ１１５の接点抵抗は、例えば、数百ｍΩ程度となる場合がある。そのために、このような直流スイッチが長時間に渡り電流路を導通（閉）とする場合には、電子的開閉スイッチ１１５における抵抗損（電力損）は無視できないものであり、抵抗損に応じた発熱も無視できないものである。

ここで、電子的開閉スイッチ１１５の接点抵抗を低下させるために、半導体で形成された電子的開閉スイッチ１１５のチップサイズを大きくして、導通時の抵抗を低くする解決策が考えられる。また、導通時におけるオン電圧を低くする解決策が考えられる。さらに、電子的開閉スイッチ１１５で生じる発熱に対しては、発熱自体を阻止できないものの、熱伝導度の高い材料で形成した放熱板を用いて電子的開閉スイッチ１１５の温度上昇を防止することができる。しかしながら、チップサイズを大きくする場合には、電子的開閉スイッチ１１５の価格が高価なものとなる。また、放熱板を用いる場合には、直流スイッチの大型化は避けられないこととなる。

発明が解決しようとする課題は、直流電流路を導通（閉）とする場合において、電力損を小さくして、小型化した、直流スイッチを提供するものである。

かかる課題を解決するため、本発明の直流スイッチは、
直流電流が流れる直流電流路を開路または閉路とするために前記直流電流路に挿入される電子的開閉スイッチと、
前記電子的開閉スイッチに対して並列に接続される並列機械的開閉スイッチと、
前記並列機械的開閉スイッチと前記電子的開閉スイッチとの相互の開閉時間差を制御するスイッチ制御回路と、を備え、
前記スイッチ制御回路は、前記電子的開閉スイッチが閉路とされた所定時間後に、前記並列機械的開閉スイッチを閉路とするものである。

本発明によれば、機械的開閉スイッチと電子的開閉スイッチと機械的開閉スイッチと電子的開閉スイッチを制御するスイッチ制御回路とを備えることによって、直流電流路を導通（閉）とする場合における電子的開閉スイッチの電力損失を小さくして、低価格で小型の直流スイッチを提供することができる。

第１実施形態を示す図である。 第１実施形態における、並列機械的開閉スイッチおよび電子的開閉スイッチの開閉の手順をタイミングチャートで示す図である。 図１に示す直流スイッチの実施例を示す図である。 第２実施形態を示す図である。 第２実施形態における、並列機械的開閉スイッチ、電子的開閉スイッチ、直列機械的開閉スイッチの開閉の手順をタイミングチャートで示す図である。 第３実施形態を示す図である。 直流スイッチの第１変形例を示す図である。 直流スイッチの第２変形例を示す図である。 直流スイッチの第３変形例を示す図である。 直流スイッチの第４変形例を示す図である。 直流スイッチの第５変形例を示す図である。 直流スイッチの第６変形例を示す図である。 直流スイッチの第７変形例を示す図である。 背景技術を示す図である。

発明を実施するための実施形態を以下に説明する。

第１実施形態の直流スイッチは、直流電流が流れる直流電流路を開路または閉路とするために直流電流路に挿入される電子的開閉スイッチと、この電子的開閉スイッチに対して並列に接続される並列機械的開閉スイッチと、並列機械的開閉スイッチと電子的開閉スイッチとの相互の開閉時間差を制御するスイッチ制御回路と、を備える。そして、スイッチ制御回路は、電子的開閉スイッチが閉路とされた所定時間後に、並列機械的開閉スイッチを閉路とするものである。

第２実施形態の直流スイッチは、直流電流が流れる直流電流路を開路または閉路とするために直流電流路に挿入される電子的開閉スイッチと、この電子的開閉スイッチに対して並列に接続される並列機械的開閉スイッチと、この電子的開閉スイッチとこの並列機械的開閉スイッチとに対して直列に接続される直列機械的開閉スイッチと、並列機械的開閉スイッチと直列機械的開閉スイッチと電子的開閉スイッチの３つのスイッチの相互の開閉時間差を制御するスイッチ制御回路と、を備える。そして、スイッチ制御回路は、直流電流が流れる直流電流路を閉路とするに際して、直列機械的開閉スイッチが閉路とされた所定時間後に、電子的開閉スイッチを閉路とし、最後に並列機械的開閉スイッチを閉路とする。また、直流電流が流れる直流電流路を開路とするに際して、並列機械的開閉スイッチが開路とされた所定時間後に、電子的開閉スイッチを開路とし、最後に直列機械的開閉スイッチを開路とするものである。

第３実施形態の直流スイッチは、直流電流が流れる直流電流路を開路または閉路とするために直流電流路に挿入される電子的開閉スイッチと、この電子的開閉スイッチに直列に接続される直列機械的開閉スイッチと、電子的開閉スイッチとこの直列に接続される機械的開閉スイッチとで形成される直列接続回路に対して並列に接続される並列機械的開閉スイッチと、並列機械的開閉スイッチと直列機械的開閉スイッチと電子的開閉スイッチの３つのスイッチの相互の開閉時間差を制御するスイッチ制御回路と、を備える。そして、スイッチ制御回路は、直流電流が流れる直流電流路を閉路とするに際して、直列機械的開閉スイッチが閉路とされた所定時間後に、電子的開閉スイッチを閉路とし、最後に並列機械的開閉スイッチを閉路とする。また、直流電流が流れる直流電流路を開路とするに際して、並列機械的開閉スイッチが開路とされた所定時間後に、電子的開閉スイッチを開路とし、最後に直列機械的開閉スイッチを開路とするものである。

実施形態の変形の形態（以下実施形態の変形例と記載する）の直流スイッチは、第１実施形態ないし第３実施形態の直流スイッチに対して、さらには、電子的開閉スイッチと直列機械的開閉スイッチのみを有する直流スイッチに対して転流ダイオードの付加、または、回生ダイオードの付加をするものである。転流ダイオードの付加は、直流スイッチを切断した直後における逆起電圧の発生を防止することを解決課題とする。回生ダイオードの付加は、負荷であるモータに生じた電力を、直流スイッチを介して電力回生をおこなうことを解決課題とする。

以下に第１実施形態ないし第３実施形態、さらには、これらの実施形態の変形の形態について詳細に説明をするが、第１実施形態では並列機械的開閉スイッチ、第２実施形態および第３実施形態では並列機械的開閉スイッチと直列機械的開閉スイッチとを直流スイッチの一構成要素とし、実施形態の変形例においても、これらを一構成要素としているのでこれらの機械的開閉スイッチについてまず説明をする。

機械的開閉スイッチは、導電体で形成された２つの接点を有し、電流が流れる経路である直流電流路に機械的開閉スイッチは挿入され、機械的開閉スイッチの各々の接点は２つに分断された直流電流路に各々接続されている。２つの接点が相互に接触して閉状態となることによって直流電流路が形成され、２つの接点が離間して開状態となることによって直流電流路が切断されるようになされている。

第１実施形態、および、第２実施形態では、後述する機械的開閉スイッチ１６は、後述する電子的開閉スイッチ１５に対して並列接続されるので、機械的開閉スイッチ１６は、並列機械的開閉スイッチ１６とも記載してその機能を明確にする。また、第３実施形態では機械的開閉スイッチ１６は、機械的開閉スイッチ１６１を介してではあるが電子的開閉スイッチ１５に対して並列接続されるので、第３実施形態においても並列機械的開閉スイッチ１６と記載する。

第２実施形態では、機械的開閉スイッチ１６１は、並列機械的開閉スイッチ１６と電子的開閉スイッチ１５の並列接続回路に直列に接続されており、少なくとも電子的開閉スイッチ１５に対して直列接続されているので、機械的開閉スイッチ１６１は、直列機械的開閉スイッチ１６１とも記載してその機能を明確にする。また、第３実施形態では、機械的開閉スイッチ１６１は、電子的開閉スイッチ１５に対して直列接続されているので、機械的開閉スイッチ１６１は、同様に、直列機械的開閉スイッチ１６１とも記載してその機能を明確にする。

また、後述する、直流スイッチに回生回路を付加した実施形態の第４変形例ないし第７変形例の直流スイッチにおいては、機械的開閉スイッチ１１６は直列機械的開閉スイッチとして機能するので、機械的開閉スイッチ１１６は、直列機械的開閉スイッチ１１６とも記載してその機能を明確にする。

ここで、並列機械的開閉スイッチにおける並列とは、直流電流路中に配された電子的開閉スイッチと機械的開閉スイッチとに電流が分流する（一方に分流する電流が０である場合も含む）接続態様を意味するものである。すなわち、電子的開閉スイッチと機械的開閉スイッチとを並列に接続すると、電子的開閉スイッチの抵抗値は、機械的開閉スイッチの抵抗値よりも高いので、直流電流路に流れる電流の多くは機械的開閉スイッチに流れる。また、電子的開閉スイッチが抵抗として機能するのではなく、一定のオン電圧（導通時のスイッチ両端の電圧）を有する素子として機能する場合には、オン電圧が０に近い機械的開閉スイッチにのみ電流は流れる。

また、直列機械的開閉スイッチにおける直列とは、直流電流路中に配された電子的開閉スイッチに流れる電流が、機械的開閉スイッチに流れるような接続態様を意味するものである。すなわち、電子的開閉スイッチと機械的開閉スイッチとを直列に接続する場合には、いずれか、一方が切断する（開となる）と、この電子的開閉スイッチと機械的開閉スイッチとが直列接続された部分の直流電流路には電流が流れることはない。安全規格等で機械的開閉スイッチの設置を義務づけている電気機器においては、このような直列接続を用いることによってこの義務に対応できることとなる。

（第１実施形態）
図１は第１実施形態を示す図である。図１に沿って第１実施形態の直流スイッチ２０ａについて説明する。直流スイッチ２０ａは、負荷３０と直流の電力系等（直流電源）１０との間に挿入して用いられる。図１では、直流スイッチ２０ａは、入力端子Ａ１と入力端子Ｂ１と出力端子Ｃ１と出力端子Ｄ１とを有する四端子回路として記載されているが、入力端子Ａ１と出力端子Ｃ１とは電気的には同一箇所であり、出力端子Ｃ１を設けることなく入力端子Ａ１と入力端子Ｂ１と出力端子Ｄ１とを有する三端子回路であっても同様の作用効果を生じる。電力系統１０は、入力端子Ａ１（＋側）と入力端子Ｂ１（−側）とに対して接続されている。負荷３０は、四端子回路の出力端子Ｃ１（＋側）と出力端子Ｄ１（−側）とに対して、また、図示はしないが、入力端子（入出力端子）Ａ１と入力端子Ｂ１と出力端子Ｄ１とを有する三端子回路である場合には、入力端子（入出力端子）Ａ１（＋側）と出力端子Ｄ１（−側）とに対して接続される。

直流スイッチ２０ａは、並列機械的開閉スイッチ１６と、電子的開閉スイッチ１５と、スイッチ制御回路１４と、制御スイッチ１７と、を備えている。そして、この並列機械的開閉スイッチ１６と電子的開閉スイッチ１５とは並列に接続され、並列機械的開閉スイッチ１６および電子的開閉スイッチ１５の並列接続回路が、電力系統１０と負荷３０との間の直流電流路に挿入されている。

負荷３０は、電気機器であり、例えば、テレビジョン受像機である。電気機器は静止機器のみならず、回転機器であっても良く、回転機器としては、例えば、整流子を有する直流モータ、インバータモータが、例として挙げられる。直流スイッチ２０ａの並列機械的開閉スイッチ１６および電子的開閉スイッチ１５は、負荷３０に対して、直流電流が流れる直流電流路を開路（直流電流路が形成されない状態）または閉路（直流電流路が形成される状態）とするために挿入されている。

すなわち、並列接続された並列機械的開閉スイッチ１６および電子的開閉スイッチ１５は、並列機械的開閉スイッチ１６および電子的開閉スイッチ１５のいずれもが、入力端子Ｂ１の側のマイナス側の母線１３に挿入され電力系統１０と負荷３０との間に直列に接続されている。このために、並列機械的開閉スイッチ１６または電子的開閉スイッチ１５のいずれか一方を閉（導通）とすると直流電流路は導通（閉路）とされ、並列機械的開閉スイッチ１６および電子的開閉スイッチ１５の両方を開（切断）とすると直流電流路は切断（開路）とされる。この開閉の動作によって、負荷３０への電力供給を絶ち、または、負荷３０に電力系統１０からの電力を供給することができる。なお、図１では並列機械的開閉スイッチ１６および電子的開閉スイッチ１５が、マイナス側の母線１３に挿入されているが、入力端子Ａ１の側のプラス側の母線１２に挿入しても同様な作用効果を奏する。

スイッチ制御回路１４は、並列機械的開閉スイッチ１６と電子的開閉スイッチ１５との両者の相互の開閉時間差を制御する。このとき、制御スイッチ１７は開閉を行い、スイッチ制御回路１４に対して、並列機械的開閉スイッチ１６および電子的開閉スイッチ１５の開閉の契機となるトリガー信号を与える。制御スイッチ１７は、例えば、人間によって操作されるスイッチである。

図２は、第１実施形態における、制御スイッチ１７、並列機械的開閉スイッチ１６および電子的開閉スイッチ１５の開閉の手順をタイミングチャートで示す図である。図２（Ａ）は制御スイッチ１７が開である切断（切断状態）と閉である導通（導通状態）を示し、図２（Ｂ）は電子的開閉スイッチ１５が開である切断（切断状態）と閉である導通（導通状態）を示し、図２（Ｃ）は並列機械的開閉スイッチ１６が開である切断（切断状態）と閉である導通（導通状態）を示すものである。横軸は時刻ｔを示すものである。図２を参照して、制御スイッチ１７、電子的開閉スイッチ１５および並列機械的開閉スイッチ１６の開閉の動作を説明する。まず、直流スイッチ２０ａによって直流電流路を閉路とする場合の手順を説明する。

制御スイッチ１７の操作者が、制御スイッチ１７を切断から導通に変化させる（図２（Ａ）の時刻ｔ１を参照）。スイッチ制御回路１４は、制御スイッチ１７によって発生するトリガー信号に基づき並列機械的開閉スイッチ１６および電子的開閉スイッチ１５を切断から導通に変化させる（図２（Ｂ）の時刻ｔ１、図２（Ｃ）の時刻ｔ２を参照）。すなわち、図２（Ｂ）に示すように、制御スイッチ１７が導通（閉）となると、電子的開閉スイッチ１５は、原理的には動作遅れなく、実際の半導体素子ではごく僅かの動作遅れを有して導通（閉）となる。一方、図２（Ｃ）に示すように、制御スイッチ１７が導通（閉）となると、並列機械的開閉スイッチ１６は予め定めた所定時間τ１の後に導通（閉）となる。ここで、時刻ｔ１と時刻ｔ２の間の所定時間τ１の間は、電子的開閉スイッチ１５のみが導通する。そして所定時間τ１の間は電子的開閉スイッチ１５において電力損失が発生するので、電子的開閉スイッチ１５の温度が予め定める所定温度以上（例えば、６０℃以上）に上昇しないような短い時間に所定時間τ１は設定されている。

所定時間τ１は電子的開閉スイッチ１５の動作遅れ以上であれば良い。所定時間τ１の長さを長くすることによって、電子的開閉スイッチ１５が十分に導通した後（電子的開閉スイッチ１５のオン電圧が十分に低くなった後）に並列機械的開閉スイッチ１６を導通させることを確保できる。このように所定時間τ１を設定することによって並列機械的開閉スイッチ１６の接点に高電圧が印加されたまま回路を閉とし、その結果として、接点に熱損失が生じるようなことはない。

つまり、所定時間τ１の最大許容時間は、電子的開閉スイッチ１５の許容温度によって定まり、所定時間τ１の最小許容時間は、並列機械的開閉スイッチ１６の接点の許容熱損失と電子的開閉スイッチ１５の導通速度とによって定まる。さらに、所定時間τ１が長くなればなるほど、直流電流路中の電子的開閉スイッチ１５に生じる電力損失は大きくなる。以上を勘案して、所定時間所定時間τ１は定められる。

このようにして、並列機械的開閉スイッチ１６が電子的開閉スイッチ１５よりも先に導通しないようにしている。並列機械的開閉スイッチ１６が電子的開閉スイッチ１５よりも先に導通する場合には、並列機械的開閉スイッチ１６の接点にアークが発生して接点の損傷を生じるおそれがある。特に、接点のチャタリングによってアークが発生する可能性は倍加する。ここで、チャタリングとは、並列機械的開閉スイッチ１６の接点が切り替わった際に、微細で非常に速い機械的振動によって、接点が接触と非接触とを繰り返し直流電流路に流れる電流を切断・導通させようとする現象であり、例えば、１〜１００ｍｓ（ミリセカンド）程度持続する現象である。

次に、直流スイッチ２０ａによって直流電流路を開路とする場合の手順を説明する。操作者が、制御スイッチ１７を導通から切断に変化させる（図２（Ａ）の時刻ｔ３を参照）。スイッチ制御回路１４は、制御スイッチ１７によって発生するトリガー信号に基づき並列機械的開閉スイッチ１６を導通から切断に変化させる（図２（Ｃ）の時刻ｔ３を参照）。また、スイッチ制御回路１４は、制御スイッチ１７によって発生するトリガー信号に基づき並列機械的開閉スイッチ１６を導通から切断に変化させてから所定時間τ２後の時刻ｔ４に電子的開閉スイッチ１５を導通から切断に変化させる。ここで、時刻ｔ３と時刻ｔ４との間の所定時間τ２は、並列機械的開閉スイッチ１６のチャタリングが収まる時間よりも長い時間以上に設定されるとともに、所定時間τ２は、電子的開閉スイッチ１５の温度が予め定める所定温度に上昇する時間よりも短い時間以内に設定する。

このような手順で、導通から切断とする場合においては、所定時間τ２は、並列機械的開閉スイッチ１６のチャタリングが収まる時間よりも長い時間に設定されている。よって、並列機械的開閉スイッチ１６のチャタリングが収まった後、並列機械的開閉スイッチ１６が完全に開となった時点において、未だ電子的開閉スイッチ１５は閉となっている。そのために、所定時間τ２以内の時間において、電子的開閉スイッチ１５が、例えば、ＭＯＳ−ＦＥＴの場合には、電子的開閉スイッチ１５の抵抗値は小さく、電子的開閉スイッチ１５の両端に生じる電圧は小さい。よって、所定時間τ２以内の時間において、並列機械的開閉スイッチ１６の接点にチャタリングが生じたとしても、並列機械的開閉スイッチ１６の接点間におけるアークの発生はない。

また、電子的開閉スイッチ１５が、例えば、バイポーラトランジスタの場合には、接点の両端には、電子的開閉スイッチ１５のオン電圧以上の電圧が生じることはない。よって、並列機械的開閉スイッチ１６の接点間におけるアークの発生はない。

また、所定時間τ２は、電子的開閉スイッチ１５の温度が予め定める所定温度（例えば、安全規格で定める温度、半導体の定格で定める温度）に上昇する時間よりも短い時間に設定されるので、電子的開閉スイッチ１５は、安全な低い温度を維持し、また、熱破壊することがない。そして、電子的開閉スイッチ１５を開とする時点で直流電流路は切断（開）の状態とされる。

つまり、所定時間τ２の最大許容時間は、電子的開閉スイッチ１５の許容温度によって定まり、所定時間τ２の最小許容時間は、並列機械的開閉スイッチ１６のチャタリング持続時間であり、所定時間τ２はチャタリング持続時間以上の時間とされる。さらに、所定時間τ２が長くなればなるほど、直流電流路中の電子的開閉スイッチ１５に生じる電力損失は大きくなる。以上を勘案して、所定時間所定時間τ２は定められる。

要するに第１実施形態では、並列機械的開閉スイッチ１６の導通する時間を前後方向（より前の時刻から（前方向）より後の時刻まで（後方向））に覆うように、電子的開閉スイッチ１５の導通する時間を定めるものである。そして、前方向に覆う時間である所定時間τ１と後方向に覆う時間である所定時間τ２とは、電子的開閉スイッチ１５の温度が予め定める所定温度に上昇する時間よりも短い時間以内に設定するとともに、電子的開閉スイッチ１５に生じる電力損失が無視できる時間とする。また、所定時間τ２は、並列機械的開閉スイッチ１６のチャタリングが収まる時間よりも長い時間以上に設定するものである。

図３は、図１に示す直流スイッチ２０ａの実施例を示す図である。図３を参照して、直流スイッチ２０ａのより具体的な構成の一例を説明する。並列機械的開閉スイッチ１６の一実施例である並列機械的開閉スイッチ１６ａは、電気接点を機械的に開閉する継電器（リレー）５０と、継電器５０を駆動するバイポーラトランジスタ５１を有して、バイポーラトランジスタ５１を介して、継電器５０のコイル巻線に流す電流を制御することができるようになされている。例えば、コイル巻線に電流を流す場合に接点が閉とされ、コイル巻線に電流を流さない場合に接点が開とされる。

電子的開閉スイッチ１５の一実施例である電子的開閉スイッチ１５ａは、ＭＯＳ−ＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｉｔｏｒ：モスエフイーテー）５３と、バイポーラトランジスタ５４とを主要な構成部品とし形成される。抵抗Ｒ１および抵抗Ｒ２の接続点とバイポーラトランジスタ５４のコレクタとをＭＯＳ−ＦＥＴ５３のゲートに接続して、ＭＯＳ−ＦＥＴ５３は、直流電流路を開閉するようになされている。ここで、電子的開閉スイッチ１５ａを開路とする場合には、ゲート電圧を下げて、ドレインとソースとの間を高抵抗とし、電子的開閉スイッチ１５ａを閉路とする場合には、ゲート電圧を上げて、ドレインとソースとの間を低抵抗とするようになされている。

スイッチ制御回路１４の一実施例であるスイッチ制御回路１４ａは、デジタルロジック回路１８と周辺回路で構成される。抵抗Ｒ４は、デジタルロジック回路１８に対して動作電圧を供給するためのものであり、動作電圧は、ゼナーダイオードＺＤとコンデンサＣとで定電圧化が図られている。制御スイッチ１７の両端の一方には抵抗Ｒ３が接続され、他方には母線１３が接続される。制御スイッチ１７の切断と導通との変化をトリガー信号として発生させ、トリガー信号はデジタルロジック回路１８の信号入力端子Ｉに入力される。デジタルロジック回路１８は信号出力端子Ｏ１と信号出力端子Ｏ２とを具備し、信号出力端子Ｏ１からの信号は、バイポーラトランジスタ５１のベースに印加され、信号出力端子Ｏ２からの信号は、バイポーラトランジスタ５４のベースに印加されるようになされている。このようなスイッチ制御回路１４の一実施例であるスイッチ制御回路１４ａによって、図２のタイミングチャートに示す動作を実現できる。なお、信号出力端子Ｏ１からの信号のレベルがハイレベルのときに継電器５０の接点が閉とされ、信号出力端子Ｏ２からの信号のレベルがローレベルのときには、ＭＯＳ−ＦＥＴ５３のドレインとソースとの間を低抵抗とするように、すなわち、電子的開閉スイッチ１５ａを閉路とするようになされている。

上述した回路例において、電子的開閉スイッチとして、ＭＯＳ−ＦＥＴを用い、このＭＯＳ−ＦＥＴを駆動する回路部としてバイポーラトランジスタを用いたが、この両者の組み合わせにおいて、ＭＯＳ−ＦＥＴ、バイポーラトランジスタ、ＩＧＢＴ等の半導体デバイスをいかなるように組み合わせても同様な効果を得ることができる。例えば、電子的開閉スイッチとして、バイポーラトランジスタを用い、このバイポーラトランジスタを駆動する回路部としてＭＯＳ−ＦＥＴを用いることもできるものである。

（第２実施形態）
図４は第２実施形態を示す図である。図４には第２実施形態の直流スイッチとしての直流スイッチ２０ｂを示す。第２実施形態の直流スイッチ２０ｂは、直流電流が流れる直流電流路を開路または閉路とするために直流電流路に挿入される並列機械的開閉スイッチ１６および直列機械的開閉スイッチ１６１と、電子的開閉スイッチ１５と、スイッチ制御回路１４１と、を備えている。ここで、直列機械的開閉スイッチ１６１は、電子的開閉スイッチ１５と直列に接続されるので、上述したように直列機械的開閉スイッチと称される。

第２実施形態の直流スイッチの特徴は、第１実施形態のおける直流電流路の閉路状態における電力損失が小さいという特徴を維持しながら、さらに、直流電流路の電子的開閉スイッチ１５に対して直列に直列機械的開閉スイッチ１６１を挿入して、直流電流路の切断をより確実なものとして、より安全性を向上するものである。

第２実施形態の直流スイッチ２０ｂにおける並列機械的開閉スイッチ１６および直列機械的開閉スイッチ１６１は、第１実施形態の直流スイッチ２０ａにおける並列機械的開閉スイッチ１６と同様の構成を有しており、第２実施形態の直流スイッチ２０ｂにおける電子的開閉スイッチ１５は、第１実施形態の直流スイッチ２０ａにおける電子的開閉スイッチ１５と同様の構成を有している。

そして、この並列機械的開閉スイッチ１６と電子的開閉スイッチ１５とは並列に接続され、この並列接続回路と直列機械的開閉スイッチ１６１とは直列に接続されている。よって、並列機械的開閉スイッチ１６と電子的開閉スイッチ１５との並列接続回路とこの並列接続回路に対して直列接続される直列機械的開閉スイッチ１６１とで形成される直列接続回路が、電力系統１０と負荷３０との間に直列となるように配置されている。

図５は、制御スイッチ１７、並列機械的開閉スイッチ１６、電子的開閉スイッチ１５および直列機械的開閉スイッチ１６１の開閉の手順をタイミングチャートで示す図である。図５（Ａ）は、制御スイッチ１７の切断（切断状態）と導通（導通状態）を示し、図５（Ｂ）は、直列機械的開閉スイッチ１６１の切断（切断状態）と導通（導通状態）を示し、図５（Ｃ）は、電子的開閉スイッチ１５の切断（切断状態）と導通（導通状態）を示し、図５（Ｄ）は、並列機械的開閉スイッチ１６の切断（切断状態）と導通（導通状態）を示すものである。横軸は時刻ｔを示すものである。このような制御はスイッチ制御回路１４１によって行われる。

ここで、図５（Ｃ）と図５（Ｄ）に表された、電子的開閉スイッチ１５の切断（切断状態）および導通（導通状態）と並列機械的開閉スイッチ１６の切断（切断状態）と導通（導通状態）との相互の関係は、図２（Ｂ）と図２（Ｃ）に表されたものと同様である。つまり、図５と図２とに示す並列機械的開閉スイッチ１６は、図５と図２とに示すに示す電子的開閉スイッチ１５に対して同様の時間関係を有して動作する。

つまり、電子的開閉スイッチ１５が導通となる時刻ｔ６から所定時間τ４の後である時刻ｔ７に並列機械的開閉スイッチ１６は導通するが、所定時間τ４（図５を参照）と所定時間τ１（図２を参照）とは同じ基準に基づき定められる。また、並列機械的開閉スイッチ１６が切断となる時刻ｔ８から所定時間τ５の後である時刻ｔ９に電子的開閉スイッチ１５は切断するが、所定時間τ５（図５を参照）と所定時間τ２（図２を参照）とは同じ基準に基づき定められる。

図５を参照して、まず、直流スイッチ２０ｂによって直流電流路を閉路とする場合の手順を説明する。

制御スイッチ１７の操作者が、制御スイッチ１７を切断から導通に変化させる（図５（Ａ）の時刻ｔ５を参照）。スイッチ制御回路１４１は、制御スイッチ１７によって発生するトリガー信号に基づき直列機械的開閉スイッチ１６１を切断から導通に変化させる（図５（Ｂ）の時刻ｔ５を参照）。すなわち、図５（Ｂ）に示すように、制御スイッチ１７が導通（閉）となると、直列機械的開閉スイッチ１６１は導通（閉）となる。ここで、直列機械的開閉スイッチ１６１が導通しても、電子的開閉スイッチ１５、並列機械的開閉スイッチ１６のいずれもが開であるので、直列機械的開閉スイッチ１６１に電流が流れることはない。そして、スイッチ制御回路１４１は、時刻ｔ５から所定時間τ３後に電子的開閉スイッチ１５を導通させる。

直列機械的開閉スイッチ１６１と電子的開閉スイッチ１５とが導通する時刻ｔ６において直流電流路は閉となり負荷３０に電力が供給される。ここで、時刻ｔ５と時刻ｔ６との間の所定時間τ３の長さは、直列機械的開閉スイッチ１６１の接点のチャタリングが収まる（消滅する）までの時間よりも長くしている。このようにして、直列機械的開閉スイッチ１６１の接点にアークが生じることを防止している。

このような手順で、切断から導通とする場合においては、直列機械的開閉スイッチ１６１を閉とする時点では、未だ電子的開閉スイッチ１５は開となっており、直列機械的開閉スイッチ１６１の接点に電圧が加わることはないのでチャタリングが生じたとしても、直列機械的開閉スイッチ１６１の接点にアークが生じることはない。

上述したように、電子的開閉スイッチ１５と並列機械的開閉スイッチ１６との相互の動作の時間関係は、第１実施形態におけると同様であるが、以下に説明をする。電子的開閉スイッチ１５が導通となる時刻ｔ６から予め定めた所定時間τ４の後の時刻ｔ７に並列機械的開閉スイッチ１６は導通（閉）となる。ここで、所定時間τ４は、電子的開閉スイッチ１５の温度が予め定める所定温度以上に上昇しないような短い時間であることが望ましい。

電子的開閉スイッチ１５の動作遅れが全く無く、スイッチ制御回路１４１からの制御信号によって直に導通状態となる場合には、所定時間τ４は、０であっても良いが、所定時間τ４の長さを長くすることによって、電子的開閉スイッチ１５が十分に導通した後（電子的開閉スイッチ１５のオン電圧が十分に低くなった後）に並列機械的開閉スイッチ１６を導通させることを確保できる。仮に、並列機械的開閉スイッチ１６が電子的開閉スイッチ１５よりも先に導通する場合には、並列機械的開閉スイッチ１６の接点のチャタリングによってアークが発生する可能性があり、このような制御は採用できない。

次に、直流スイッチ２０ｂによって直流電流路を開路とする場合の手順を説明する。操作者が、制御スイッチ１７を導通から切断に変化させる（図５（Ａ）の時刻ｔ８を参照）。スイッチ制御回路１４１は、制御スイッチ１７によって発生するトリガー信号に基づき並列機械的開閉スイッチ１６を導通から切断に変化させる（図５（Ｃ）の時刻ｔ８を参照）。また、スイッチ制御回路１４１は、制御スイッチ１７によって発生するトリガー信号に基づき並列機械的開閉スイッチ１６を導通から切断に変化させてから所定時間τ５後の時刻ｔ９に電子的開閉スイッチ１５を導通から切断に変化させる。ここで、所定時間τ５は、並列機械的開閉スイッチ１６のチャタリングが収まる時間よりも長い時間以上に設定されるとともに、電子的開閉スイッチ１５の温度が予め定める所定温度に上昇する時間よりも短い時間以内に設定される。さらに、所定時間τ５が長くなればなるほど、直流電流路中の電子的開閉スイッチ１５に生じる電力損失は大きくなる。以上を勘案して、所定時間所定時間τ５は定められる。

そして、電子的開閉スイッチ１５を開路とした後である所定時間τ６の後に、直列機械的開閉スイッチ１６１を開路とする。ここで、所定時間τ６は０であっても良いが、所定時間τ６の長さを長くすることによって、電子的開閉スイッチ１５が十分に切断した後に直列機械的開閉スイッチ１６１を切断させることを確保できる。

このような手順で、導通から切断とする場合においては、並列機械的開閉スイッチ１６を開とする時点では、未だ電子的開閉スイッチ１５は閉となっており、並列機械的開閉スイッチ１６の接点にチャタリングが生じたとしても、並列機械的開閉スイッチ１６の接点の両端には、電子的開閉スイッチ１５のオン電圧以上の電圧が生じることはなく、この接点間におけるアークの発生はない。そして、電子的開閉スイッチ１５を開とする時点で直流電流路は切断（開）の状態とされる。

そして、最後に、直列機械的開閉スイッチ１６１を切断（開）とすることによって直流電流路の切断をより確実なものとする。直列機械的開閉スイッチ１６１の切断は、時刻ｔ９よりも所定時間τ６遅れた時刻ｔ１０に行われるようにスイッチ制御回路１４１が制御をする。電子的開閉スイッチ１５の切断（開）が十分の行われた後（電子的開閉スイッチ１５が完全にオフ状態となった後）に行うように、所定時間τ６の長さを選択するのが望ましい。つまり、電子的開閉スイッチ１５の動作遅れが大きい場合には、所定時間τ６を長くして、直列機械的開閉スイッチ１６１の接点がダメージを受けないようにする。

要するに第２実施形態では、並列機械的開閉スイッチの導通する時間を前後方向に覆うように、電子的開閉スイッチの導通する時間を定める。また、電子的開閉スイッチの導通する時間を前後方向に覆うように、直列機械的開閉スイッチの導通する時間を定める。ここで、直列機械的開閉スイッチの接点のチャタリングが収まる時間、電子的開閉スイッチの導通する時間を前方向に覆うにしている。

（第３実施形態）
図６は、第３実施形態を示す図である。図６に第３実施形態の直流スイッチとしての直流スイッチ２０ｃを示す。第２実施形態の直流スイッチ２０ｃは、直流電流が流れる直流電流路を開路または閉路とするために直流電流路に挿入される並列機械的開閉スイッチ１６および直列機械的開閉スイッチ１６１と、電子的開閉スイッチ１５と、スイッチ制御回路１４１と、を備えている。第３実施形態の直流スイッチの特徴は、第１実施形態のおける直流電流路の導通状態における電力損失が小さいという特徴を維持しながら、さらに、直流電流路に直列に直列機械的開閉スイッチ１６１を挿入して、直流電流路の切断をより確実なものとして、より安全性を向上するものである。

第３実施形態の直流スイッチ２０ｃにおける並列機械的開閉スイッチ１６および直列機械的開閉スイッチ１６１は、第１実施形態の直流スイッチ２０ａにおける並列機械的開閉スイッチ１６と同様の構成を有しており、第３実施形態の直流スイッチ２０ｃにおける電子的開閉スイッチ１５は、第１実施形態の直流スイッチ２０ａにおける電子的開閉スイッチ１５と同様の構成を有している。

そして、この直列機械的開閉スイッチ１６１と電子的開閉スイッチ１５とは直列に接続され、この直列接続回路と並列機械的開閉スイッチ１６とは並列に接続されている。よって、直列機械的開閉スイッチ１６１と電子的開閉スイッチ１５との直列接続回路とこの直列接続回路に対して並列接続される並列機械的開閉スイッチ１６とで形成される並列接続回路が、電力系統１０と負荷３０との間に直列となるように配置されている。

母線１３に挿入されている機械的開閉スイッチと電子的開閉スイッチの接続態様に着目して、図４に示す第２実施形態と図６に示す第３実施形態とを対比する。図４に示す第２実施形態と図６に示す第３実施形態のいずれにおいても直列機械的開閉スイッチ１６１と電子的開閉スイッチ１５とは直列に接続されている。また、図４に示す第２実施形態では、並列機械的開閉スイッチ１６は、電子的開閉スイッチ１５と並列に接続されており、図６に示す第３実施形態では、並列機械的開閉スイッチ１６は、直列機械的開閉スイッチ１６１を介して、電子的開閉スイッチ１５と並列に接続されている。

第２実施形態の直流スイッチ２０ｂと第３実施形態の直流スイッチ２０ｃのこのような接続態様の共通性から、第３実施形態における、制御スイッチ１７、並列機械的開閉スイッチ１６、電子的開閉スイッチ１５および直列機械的開閉スイッチ１６１の開閉の手順を示すタイミングチャートは図５と同様なものとなるので、再び図５を参照して説明をする。

図５（Ａ）は、制御スイッチ１７の切断（切断状態）と導通（導通状態）を示し、図５（Ｂ）は、直列機械的開閉スイッチ１６１の切断（切断状態）と導通（導通状態）を示し、図５（Ｃ）は、電子的開閉スイッチ１５の切断（切断状態）と導通（導通状態）を示し、図５（Ｄ）は、並列機械的開閉スイッチ１６の切断（切断状態）と導通（導通状態）を示すものである。横軸は時刻ｔを示すものである。このような制御はスイッチ制御回路１４１によって行われる。

つまり、電子的開閉スイッチ１５が導通となる時刻ｔ６から所定時間τ４の後である時刻ｔ７に並列機械的開閉スイッチ１６は導通するが、所定時間τ４（図５を参照）と所定時間τ１（図２を参照）とは同じ基準に基づき定められる。また、第１機械的開閉スイッチが切断となる時刻ｔ８から所定時間τ５の後である時刻ｔ９に電子的開閉スイッチ１５は切断するが、所定時間τ５（図５を参照）と所定時間τ２（図２を参照）とは同じ基準に基づき定められる。また、所定時間τ３（図５を参照）と所定時間τ６（図５を参照）とは、第２実施形態におけると同様の意味内容を有する時間である。

第３実施形態の直流スイッチ２０ｃの開閉の手順は、第２実施形態に示したものと同様であるので説明を省略する。

要するに第３実施形態では、並列機械的開閉スイッチ１６の導通する時間を前後方向に覆うように、電子的開閉スイッチ１５の導通する時間を定める。また、電子的開閉スイッチ１５の導通する時間を前後方向に覆うように、直列機械的開閉スイッチ１６１の導通する時間を定める。ここで、機械的開閉スイッチ（直列機械的開閉スイッチ）の接点のチャタリングが収まる時間、電子的開閉スイッチの導通する時間を前方向に覆うにしている。

上述した、第１実施形態ないし第３実施形態のいずれにおいても、直流スイッチは、直流電流が流れる直流電流路を開路または閉路とするために、直流電流路に挿入される電子的開閉スイッチと、電子的開閉スイッチに対して並列に接続される並列機械的開閉スイッチと、前記並列機械的開閉スイッチと電子的開閉スイッチとの相互の開閉時間差を制御するスイッチ制御回路と、を備えており、スイッチ制御回路は、電子的開閉スイッチが閉路とされた所定時間後に、並列機械的開閉スイッチを閉路とするものである。

このようにすることによって、並列機械的開閉スイッチを閉路とするに際して、チャタリングによって、並列機械的開閉スイッチの接点にアークを生じさせることがない。また、電子的開閉スイッチが閉路とされた所定時間後に、並列機械的開閉スイッチを閉路とするので、この所定時間の間のみ電子的開閉スイッチには電流が流れ、電子的開閉スイッチの温度上昇が防止できる。そして、並列機械的開閉スイッチおよび電子的開閉スイッチの小型化、さらには、電子的開閉スイッチに設けられるヒートシンクの小型化が図られる。

また、スイッチ制御回路は、前記直流電流が流れる直流電流路を開路とするに際しては、並列機械的開閉スイッチを開路とし、並列機械的開閉スイッチが開路とされることによって生じるチャタリングが収まる時間よりも長い時間以上であって、電子的開閉スイッチの温度が予め定める所定温度に上昇する時間よりも短い時間以内において、電子的開閉スイッチを開路とするものである。

また、上述した、第２実施形態および第３実施形態のいずれにおいても、直流スイッチは、電子的開閉スイッチと並列機械的開閉スイッチとに加えて、電子的開閉スイッチに直列に接続される直列機械的開閉スイッチを備えており、直流電流が流れる直流電流路を閉路とするに際しては、直列機械的開閉スイッチが閉路とされることによって生じるチャタリングが収まる時間よりも長い所定時間後に、電子的開閉スイッチを閉路とするものである。

また、直流電流が流れる直流電流路を開路とするに際しては、電子的開閉スイッチを開路とした後に、直列機械的開閉スイッチを開路とするものである。

このようにすることによって、第２実施形態および第３実施形態のいずれにおいても、第１実施形態と同様に、電子的開閉スイッチが閉路とされた所定時間後に、並列機械的開閉スイッチを閉路とするので、並列機械的開閉スイッチを閉路とするに際して、チャタリングによって、並列機械的開閉スイッチの接点にアークを生じさせることがない。また、この所定時間の間のみ電子的開閉スイッチには電流が流れ、電子的開閉スイッチの温度上昇が防止できる。そして、並列機械的開閉スイッチおよび電子的開閉スイッチの小型化、さらには、電子的開閉スイッチに設けられるヒートシンクの小型化が図られる。加えて、直列機械的開閉スイッチと電子的開閉スイッチとが直流電流路に直列に配置されるので、直列機械的開閉スイッチを開とすることによって、直列機械的開閉スイッチの２つの接点は離間され、物理的に直流電流路が切断され直流スイッチとしての安全性がより高まる。さらに、直列機械的開閉スイッチは最後に開とされるので、直列機械的開閉スイッチの接点にアークを生じさせることがない。

「実施形態の変形例」
（電力回生回路付直流スイッチ）
第１実施形態ないし第３実施形態において、直流スイッチ２０ａの出力端子Ｃ１と出力端子Ｄ１から負荷３０までの配線が長く配線がインダクタンスを有する場合、直流スイッチ２０ｂの出力端子Ｃ２と出力端子Ｄ２から負荷３０までの配線が長く配線がインダクタンスを有する場合、または、直流スイッチ２０ｃの出力端子Ｃ３と出力端子Ｄ３から負荷３０までの配線が長く配線がインダクタンスを有する場合においては、負荷３０の側、母線の側、または、各直流スイッチ（直流スイッチ２０ａ、直流スイッチ２０ｂ、直流スイッチ２０ｃ）の側、のいずれかに逆起電圧の発生に対する特別の配慮を払うことが直流スイッチに対して高電圧の印加を防止する観点より解決すべき課題となる。また、負荷３０がモータ等のインダクタンス成分を有する負荷である場合には、配線が短くとも同様の配慮をすることが望ましい。さらに、負荷がモータである場合には、生じる起電力をどのようにして有効活用するかが解決すべき課題となる。

つまり、各直流スイッチの出力側にインダクタンス負荷（インダクタンス成分を有する負荷）が接続される場合には、上述した各直流スイッチの切断直後において、大きな逆起電圧が、出力端子Ｃ１と出力端子Ｄ１との間、出力端子Ｃ２と出力端子Ｄ２との間、出力端子Ｃ３と出力端子Ｄ３との間に印加されることとなる。この逆起電圧によって、各直流スイッチおよび線路上の他の機器が影響を受け、各直流スイッチおよび他の機器が破壊に至る場合もあり得る。

このような逆起電圧が発生することを防止するためには、負荷３０の内部に転流ダイオードを設けておくことが望ましい。転流ダイオードの作用により大きな逆起電圧の発生を防止することができる。なお、負荷３０の内部に転流ダイオードを設けるか否かは、負荷である電気機器の製造者の意思によるので、電気機器の内部に転流ダイオードが設けられない場合もあり得る。この場合には、直流スイッチから負荷に至るまでの線路中、または、直流スイッチの内部に逆起電圧に対する対策を施すこととなる。

さらに、負荷がモータ（電動機）である場合には、起電力を電力系統の側に戻す回生ダイオードを設けることが、より望ましい。転流ダイオード自体、回生ダイオード（電力回生ダイオード）自体は、公知技術である。しかしながら、電子的開閉スイッチ、または、機械的開閉スイッチによって電力系統と負荷との間の直流電流路が切断されてしまう直流スイッチにおいて、どのようにして、転流ダイオード、回生ダイオードの技術を利用するかについては、まだ、知られていない。

以下における実施形態は、上述した直流スイッチに、さらに、転流ダイオード、回生ダイオードを付加する直流スイッチを提供するものである。そして、逆起電圧の発生を防止し、起電力を電力系統の側に戻すという課題を解決するものである。

各直流スイッチにおける逆起電圧に対する対策としては、各直流スイッチの内部であって、出力端子Ｃ１と出力端子Ｄ１との間、出力端子Ｃ２と出力端子Ｄ２との間、出力端子Ｃ３と出力端子Ｄ３との間に転流ダイオードを予め設けるようにすることができる。

図７は、直流スイッチの第１変形例を示す図である。図７示す直流スイッチ２０ｄでは、直流スイッチの内部に転流ダイオードとして機能するダイオードＤｆを設けた図である。図７に示す直流スイッチ２０ｄの各部については、ダイオードＤｆ以外は図１に示す直流スイッチ２０ａと同様であるので、説明を省略する。ダイオードＤｆは、出力端子Ｃ１と出力端子Ｄ１との間に逆バイアスとなるように設ければよく、その位置は厳密に特定されるものではない。このように、直流スイッチ２０ａの内部にダイオードＤｆを逆バイアスとなるように設けることによって、インダクタンスを有する負荷３０の直流電流路を開とした直後にダイオードＤｆに順方向電流を流し、逆起電圧の発生を防止して、直流スイッチ２０ａが破壊することを防止できる。

回生ダイオードについては、直流スイッチ２０ｄでは、電子的開閉スイッチとしてＭＯＳ−ＦＥＴ３５を用いる場合には、ＭＯＳ−ＦＥＴ３５の逆バイアスとされるボディダイオード（図３を参照）が回生ダイオードの作用を果すことになる。よって、必ずしも、回生ダイオードを付加する必要はない。電子的開閉スイッチとしてバイポーラトランジスタを用いる場合には、ボディダイオードと同位置に回生ダイオードを設けることになる。このようにして、直流スイッチ２０ｄが開となった直後には、通常動作時には逆バイアスとされるボディダイオードに、回生電流を流して負荷３０に生じる電力を電力系統に回生することができる。

図７では、直流スイッチ２０ｄの出力端子Ｃ１と出力端子Ｄ１との両端に、逆バイアスとなるようにダイオードＤｆを並列に接続したが、この趣旨は、直流スイッチ２０ｄの内部の部品のすべてを保護するためである。図示はしないが、特に、電子的開閉スイッチ１５ａ（図３を参照）を保護することを目的とする場合には、母線１３に挿入される電子的開閉スイッチ１５ａの近傍と他の母線である母線１２との間にダイオードＤｆを逆バイアスとなるように設けることがより効果的である。

図８は、直流スイッチの第２変形例を示す図である。図８に示す直流スイッチ２０ｅは、図４に示す直流スイッチ２０ｂに対して、転流ダイオードとして機能するダイオードＤｆと回生ダイオードとして機能するダイオードＤｒとを接続している。ダイオードＤｒは、入力端子Ｂ２と出力端子Ｄ２との間に逆バイアスとなるように接続されている。また、ダイオードＤｆは、出力端子Ｃ２と出力端子Ｄ２との間に逆バイアスとなるように接続されている。

このような構成を採用して、インダクタンスを有する負荷３０の直流電流路を開とした直後に、ダイオードＤｆに順方向電流を流し、逆起電圧の発生を防止して、直流スイッチ２０ｅが破壊することを防止することができる。また、ダイオードＤｒに順方向電流を流して負荷３０に生じる電力を電力系統に回生することができる。

図９は、直流スイッチの第３変形例を示す図である。図９に示す直流スイッチ２０ｆは、図６に示す直流スイッチ２０ｃに対して、転流ダイオードとして機能するダイオードＤｆと回生ダイオードとして機能するダイオードＤｒとを接続している。ダイオードＤｒは、入力端子Ｂ３と出力端子Ｄ３との間に逆バイアスとなるように接続されている。また、ダイオードＤｆは、出力端子Ｃ３と出力端子Ｄ３との間に逆バイアスとなるように接続されている。

このような構成を採用して、インダクタンスを有する負荷３０の直流電流路を開とした直後に、ダイオードＤｆに順方向電流を流し、逆起電圧の発生を防止して、直流スイッチ２０ｆが破壊することを防止することができる。また、ダイオードＤｒに順方向電流を流して負荷３０に生じる電力を電力系統に回生することができる。

図１０は、直流スイッチの第４変形例を示す図である。図１０に示す直流スイッチ２０ｇは、図１４に示す直流スイッチ１２０ａに対して、転流ダイオードとして機能するダイオードＤｆと回生ダイオードとして機能するダイオードＤｒとを接続している。ダイオードＤｒは、入力端子Ｂと出力端子Ｄとの間に逆バイアスとなるように接続されている。また、ダイオードＤｆは、出力端子Ｃと出力端子Ｄとの間に逆バイアスとなるように接続されている。

直流スイッチ２０ｇでは、スイッチ制御回路１１４は、直流電流が流れる直流電流路を閉路とするに際しては、直列機械的開閉スイッチ１１６が閉路とされた後に、電子的開閉スイッチ１１５を閉路とし、直流電流が流れる直流電流路を開路とするに際しては、電子的開閉スイッチ１１５が開路とされた後に、直列機械的開閉スイッチ１１６を開路とするものである。このようにして直列機械的開閉スイッチ１１６にアーク放電が生じるのを防止できる。

このような構成を採用して、インダクタンスを有する負荷３０の直流電流路を開とした直後に、ダイオードＤｆに順方向電流を流し、逆起電圧の発生を防止して、直流スイッチ２０ｇが破壊することを防止する。また、ダイオードＤｒに順方向電流を流して負荷３０に生じる電力を電力系統に回生することができる。

図１１は、直流スイッチの第５変形例を示す図である。図１１に示す直流スイッチ２０ｈは、図４に示す直流スイッチ２０ｂに対して、転流ダイオードとして機能するダイオードＤｆと回生ダイオードとして機能するダイオードＤｒとを接続している。ダイオードＤｒは、直列機械的開閉スイッチ１６１に並列に逆バイアスとなるように接続されている。また、ダイオードＤｆは、出力端子Ｃ２と出力端子Ｄ２との間に逆バイアスとなるように接続されている。

このような構成を採用して、インダクタンスを有する負荷３０の直流電流路を開とした直後に、ダイオードＤｆに順方向電流を流し、逆起電圧の発生を防止して、直流スイッチ２０ｈが破壊することを防止できる。また、ダイオードＤｒと電子的開閉スイッチ１５のボディダイオードとに順方向電流を流して負荷３０に生じる電力を電力系統に回生することができる。

図１２は、直流スイッチの第６変形例を示す図である。図１２に示す直流スイッチ２０ｉは、図６に示す直流スイッチ２０ｃに対して、転流ダイオードとして機能するダイオードＤｆと回生ダイオードとして機能するダイオードＤｒとを接続している。ダイオードＤｒは、直列機械的開閉スイッチ１６１に並列に逆バイアスとなるように接続されている。また、ダイオードＤｆは、出力端子Ｃ３と出力端子Ｄ３との間に逆バイアスとなるように接続されている。

このような構成を採用して、インダクタンスを有する負荷３０の直流電流路を開とした直後に、ダイオードＤｆに順方向電流を流し、逆起電圧の発生を防止して、直流スイッチ２０ｉが破壊することを防止できる。また、ダイオードＤｒと電子的開閉スイッチ１５のボディダイオードとに順方向電流を流して負荷３０に生じる電力を電力系統に回生することができる。

図１３は、直流スイッチの第７変形例を示す図である。図１３に示す直流スイッチ２０ｊは、図１４に示す直流スイッチ１２０ａに対して、転流ダイオードとして機能するダイオードＤｆと回生ダイオードとして機能するダイオードＤｒを接続している。ダイオードＤｒは、機械的開閉スイッチ（直列機械的開閉スイッチ）１１６に逆バイアスとなるように接続されている。また、ダイオードＤｆは、出力端子Ｃと出力端子Ｄとの間に逆バイアスとなるように接続されている。

直流スイッチ２０ｊでは、スイッチ制御回路１１４は、直流電流が流れる直流電流路を閉路とするに際しては、直列機械的開閉スイッチ１１６が閉路とされた後に、電子的開閉スイッチ１１５を閉路とし、直流電流が流れる直流電流路を開路とするに際しては、電子的開閉スイッチ１１５が開路とされた後に、直列機械的開閉スイッチ１１６を開路とするものである。このようにして直列機械的開閉スイッチ１１６にアーク放電が生じるのを防止できる。

また、上述の構成を採用して、インダクタンスを有する負荷３０の直流電流路を開とした直後に、ダイオードＤｆに順方向電流を流し、逆起電圧の発生を防止して、直流スイッチ２０ｊが破壊することを防止できる。また、ダイオードＤｒと電子的開閉スイッチ１１５のボディダイオードとに順方向電流を流して負荷３０に生じる電力を電力系統に回生することができる。

上述した、実施形態の変形例では、直流スイッチの出力端の両端に、逆バイアスとなるように接続されるダイオードＤｆ（転流ダイオード）を備える。さらに、電子的開閉スイッチに対して逆バイアスとなるように並列に接続されるダイオードＤｒ（回生ダイオード）、または、電子的開閉スイッチと直列機械的開閉スイッチの直列接続回路に対して逆バイアスとなるように並列に接続されるダイオードＤｒ（回生ダイオード）、もしくは、機械的開閉スイッチに対して逆バイアスとなるように並列に接続されるダイオードＤｒ（回生ダイオード）を備えるようにしている。

上述した、実施形態の変形例では、転流ダイオードとして機能するダイオードＤｆと、回生ダイオードとして機能するダイオードＤｒとの両方を設けるとして説明をした。しかしながら、負荷がインダクタンス成分（例えば、転流ダイオードの両端から負荷までの配線インダクタンス成分、負荷自体のインダクタンス成分）を有する場合においては、転流ダイオードのみを設ける場合でも、直流スイッチの出力端子間に生じる逆起電圧の発生を防止することができる。また、負荷がモータ（電動機）で起電力を生じる場合においては、回生ダイオードのみを設ける場合でも、回生電力を電力系統に戻すことができる。

転流ダイオードと回生ダイオードとの両方を設ける場合には、上述したように、負荷がインダクタンス成分を有する場合、負荷がモータである場合を含み、さらに、広範囲な種類の負荷に対して、直流スイッチの出力端子間に生じる逆起電圧の発生を防止し、または／および、回生電力を電力系統に戻すことができる。

例えば、負荷がモータである場合には以下のように転流ダイオードと回生ダイオードの各々が時間差を有して動作をする。直流スイッチを切断した直後に、配線インダクタンス成分およびモータの巻線のインダクタンス成分に起因する逆起電圧が発生しようとするが、転流ダイオードによってこの逆起電圧の発生を防止することができるとともに、転流ダイオードに流れる順方向電流によってモータは回転させられる。その後、転流ダイオードの順方向電流が無くなれば、モータは発電機となり、回生ダイオードに順方向電流が流れて回生電力を電力系統に戻すことができる。

（直流スイッチの種々の使用の態様）
上述した、いずれの形態の直流スイッチも、電力系統に接続されるコンセントに差し込むプラグと負荷と直流スイッチとを一体として構成して、従来の電化製品に内蔵されるスイッチと同様に使用することができる。また、電力系統と負荷との間に別装置として配置するアダプタとして、構成することもできる。

直流スイッチをアダプタとして用いる場合には、プラグ（図示せず）と直流スイッチとコンセント（図示せず）とを一体の部品として構成される。電力系統に設けられるコンセントに差し込むためのプラグを、入力端子（例えば、入力端子Ａ１）と入力端子（例えば、入力端子Ｂ１）とに接続し、出力端子（例えば、出力端子Ｃ１）と出力端子（例えば、出力端子Ｄ１）とに、このプラグに合致する形状のコンセントを接続する。そして、負荷として従来型の電気機器を用い、この電気機器のプラグをこのアダプタのコンセントに挿入し、この電気機器に設けられているスイッチを常時通電状態とする。このアダプタの内部に配置された直流スイッチのＯＮ／ＯＦＦ（導通／切断）をおこない、従来型の電気機器のＯＮ／ＯＦＦ（導通／切断）を安全かつ簡単にできる。

ここで、従来の交流系統（例えば１００Ｖ単相）で動作する電気機器の多くは、現在は電子制御が採用され、このような電気機器は直流系統でも動作する。従って、このような電気機器に対して、直流スイッチを有するアダプタを用いることによって直流系統に接続して動作させることができる。

このような直流スイッチを用いたアダプタを介して給電される電気機器においては、アークを発生させることなく安全に電力供給のオン／オフができる。また、このようなアダプタの内部の直流スイッチは小型化をすることがで、アダプタ全体を小型化できる。

（直流スイッチの挿入箇所の変形例）
第１実施形態ないし第３実施形態、および、転流ダイオード、回生ダイオードを有する実施形態の変形例においては、機械的開閉スイッチと電子的開閉スイッチは、いずれも、入力端子Ｂ１と出力端子Ｄ１との間、入力端子Ｂ２と出力端子Ｄ２との間、入力端子Ｂ３と出力端子Ｄ３との間、入力端子Ｂと出力端子Ｄとの間、に挿入されるものとして説明をした。しかしながら、機械的開閉スイッチと電子的開閉スイッチと回生ダイオードとは、入力端子Ａ１と出力端子Ｃ１との間、入力端子Ａ２と出力端子Ｃ２との間、入力端子Ａ３と出力端子Ｃ３との間、入力端子Ａと出力端子Ｃとの間、に挿入するようにしても、所望の効果を生じさせることができる。つまり、母線１２と母線１３のいずれの側に、直列機械的開閉スイッチまたは/および並列機械的開閉スイッチと、電子的開閉スイッチと、回生ダイオードと、を挿入しても、同一の効果を得ることができる。

上述した種々の実施形態に開示された個々の技術を組み合わせた、新たな実施形態も実施可能である。また、本発明は上述した実施形態およびこれらを組み合わせた実施形態の範囲に限られるものではない。

１０ 電力系統、 １２、１３ 母線、 １４、１４ａ、１４１ スイッチ制御回路、 １５、１５ａ、１１５ 電子的開閉スイッチ、 １６、１６ａ 機械的開閉スイッチ（並列機械的開閉スイッチ）、 １７、１１７ 制御スイッチ、 １８ デジタルロジック回路、 ２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ、２０ｅ、２０ｆ、２０ｇ、２０ｈ、２０ｉ、２０ｊ 直流スイッチ、 ３０ 負荷、 ５０ 継電器、 ５１、５４ バイポーラトランジスタ、 ５３ ＭＯＳ−ＦＥＴ（モスエフイーテー）、１１６、１６１ 機械的開閉スイッチ（直列機械的開閉スイッチ）、 Ａ、Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ｂ、Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３ 入力端子、 Ｃ、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｄ、Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３ 出力端子、 Ｃ コンデンサ、 Ｄｆ ダイオード（転流ダイオード）、 Ｄｒ ダイオード（回生ダイオード）、 Ｉ 信号入力端子、Ｏ１、Ｏ２ 信号出力端子、 Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４ 抵抗、 ｔ、ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４、ｔ５、ｔ６、ｔ７、ｔ８、ｔ９、ｔ１０ 時刻、 τ１、τ２、τ３、τ４、τ５、τ６ 所定時間、 ＺＤ ゼナーダイオード

Claims (8)

1. 直流電流が流れる直流電流路を開路または閉路とするために前記直流電流路に挿入される電子的開閉スイッチと、
   前記電子的開閉スイッチに対して並列に接続される並列機械的開閉スイッチと、
   前記並列機械的開閉スイッチと前記電子的開閉スイッチとの相互の開閉時間差を制御するスイッチ制御回路と、を備え、
   前記スイッチ制御回路は、前記直流電流が流れる直流電流路を閉路とするに際して、
   前記電子的開閉スイッチが閉路とされた後に、前記並列機械的開閉スイッチを閉路とする、直流スイッチ。
2. 前記スイッチ制御回路は、前記直流電流が流れる直流電流路を開路とするに際して、
   前記並列機械的開閉スイッチを開路とし、
   前記並列機械的開閉スイッチが開路とされることによって生じるチャタリングが収まる時間よりも長い時間以上であって、前記電子的開閉スイッチの温度が予め定める所定温度に上昇する時間よりも短い時間以内において、前記電子的開閉スイッチを開路とする、請求項１に記載の直流スイッチ。
3. さらに、前記電子的開閉スイッチに対して直列に接続される直列機械的開閉スイッチを備え、
   前記スイッチ制御回路は、
   前記直流電流が流れる直流電流路を閉路とするに際して、
   前記直列機械的開閉スイッチが閉路とされることによって生じるチャタリングが収まる時間よりも長い所定時間後に、前記電子的開閉スイッチを閉路とする、請求項１に記載の直流スイッチ。
4. さらに、前記電子的開閉スイッチに対して直列に接続される直列機械的開閉スイッチを備え、
   前記スイッチ制御回路は、
   前記直流電流が流れる直流電流路を開路とするに際して、
   前記電子的開閉スイッチを開路とした後に、前記直列機械的開閉スイッチを開路とする、請求項１に記載の直流スイッチ。
5. さらに、出力端子の両端に、逆バイアスとなるように接続される転流ダイオードを備える、請求項１に記載の直流スイッチ。
6. 前記電子的開閉スイッチと前記直列機械的開閉スイッチとの直列接続回路に対して、逆バイアスとなるように並列に接続される回生ダイオードを備える、請求項３に記載の直流スイッチ。
7. 直流電流が流れる直流電流路を開路または閉路とするための電子的開閉スイッチと、
   前記電子的開閉スイッチに対して直列に接続される直列機械的開閉スイッチと、
   前記直列機械的開閉スイッチと前記電子的開閉スイッチとの相互の開閉時間差を制御するスイッチ制御回路と、
   出力端子の両端に、逆バイアスとなるように接続される転流ダイオードと、
   を備え、
   前記スイッチ制御回路は、
   前記直流電流路を閉路とするに際して、前記直列機械的開閉スイッチが閉路とされた後に、前記電子的開閉スイッチを閉路とする、直流スイッチ。
8. 直流電流が流れる直流電流路を開路または閉路とするための電子的開閉スイッチと、
   前記電子的開閉スイッチに対して直列に接続される直列機械的開閉スイッチと、
   前記直列機械的開閉スイッチと前記電子的開閉スイッチとの相互の開閉時間差を制御するスイッチ制御回路と、
   前記電子的開閉スイッチと前記直列機械的開閉スイッチとの直列接続回路に対して、逆バイアスとなるように並列に接続される回生ダイオードと、を備え、
   前記スイッチ制御回路は、
   前記直流電流路を閉路とするに際して、前記直列機械的開閉スイッチが閉路とされた後に、前記電子的開閉スイッチを閉路とする、直流スイッチ。

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