JP2014120364A - 直流回路用の回路遮断スイッチ - Google Patents

Abstract

【課題】電流が双方向に流れる直流回路に適用して電流を安全，確実に遮断できる双方向の電流遮断機能を備えた直流回路用の回路遮断スイッチを提供する。
【解決手段】直流線路５に接続した機械式スイッチ７に半導体スイッチ回路９を並列接続し、直流線路５の断路時に該回路に流れている電流を機械式スイッチ７から半導体スイッチ回路９に転流して遮断するようにした直流回路用の回路遮断スイッチにおいて、前記半導体スイッチ回路９を、半導体スイッチング素子ＩＧＢＴ-1とダイオードD1、およびＩＧＢＴ-2とダイオードD2をそれぞれ順方向に直列接続した２組の回路アームを互いに逆並列に接続した双方向スイッチ回路で構成し、機械式スイッチ７の開極動作時に回路電流を半導体スイッチ回路９に転流した上で、ＩＧＢＴをＯＦＦ制御することにより、直流線路５の通電方向に制約されることなく、双方向の電流を遮断できるようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、直流無停電給電システムなどの直流回路に適用する回路遮断スイッチに関する。

近年になり、直流電源から需要負荷に直流電力を供給する直流給電システムが展開されるようになってきているが、この直流給電システムに適用する回路遮断スイッチには、その開閉動作に伴って接点間に発生するアークの消弧対策が大きな課題となっている。

すなわち、直流回路に通常の接点を備えた機械式スイッチを適用した場合、スイッチの開閉動作に伴ってその接点間に発生した直流アークが消弧しにくいことから、従来から様々なアーク消去方式が提案されており、その一つに機械式スイッチの接点間に半導体スイッチを並列接続し、機械式スイッチの開閉動作時に電流を半導体スイッチに転流させて機械式スイッチの接点間に生じたアークを素早く消滅させた上で、この半導体スイッチをＯＦＦ制御して電流を遮断するようにした「機械式スイッチの接点間アークの消去装置」（特許文献１参照）が知られており、その回路遮断スイッチの構成を図２に示す。

この回路遮断スイッチは、図示のように直流電源と負荷との間に接続された機械式スイッチ（機械接点）と、この機械式スイッチの接点間に発生するアークを消去するために並列接続された半導体スイッチ（ＩＧＢＴなどの半導体スイッチング素子）と、この半導体スイッチをＯＮ、ＯＦＦする制御回路，およびその電源回路などから構成されている。

そして、直流電源から負荷に給電している通電状態では機械式スイッチの接点が閉極し、半導体スイッチはＯＦＦである。これにより、直流回路の電流は機械式スイッチの接点を通じて負荷に流れる。一方、直流回路を断路するには、まず半導体スイッチをON制御し、続いて機械式スイッチの接点を開極させる。これにより、機械式スイッチの接点間にはアークが発生するが、半導体スイッチのＯＮ動作と同時にいままで機械式スイッチに流れていた電流は半導体スイッチに転流して機械式スイッチの接点間に生じたアークが即時に消滅する。その後、半導体スイッチをOFF制御することにより、半導体スイッチに流れていた電流も遮断されて直流回路の電流が遮断されることになる。

上記の回路遮断スイッチによれば、機械式スイッチ自身にアーク消滅のための付加的な消弧装置を設けることが必要無くなる。さらに、半導体スイッチにおいても常時は通電ＯＦＦで、電流遮断時のごく短時間のみＯＮ制御し電流を通電させるため、過渡な温度上昇の問題もなく、これにより直流の回路電流を安全，確実に遮断することが可能である。

特開平８−１０６８３９号公報

ところで、先記した特許文献１の回路遮断スイッチにおいて、機械式スイッチに並列接続した半導体スイッチに通流する電流の方向は一方向に決まっており、双方向の電流を遮断することは不可能である。

一方、図３に示すように、直流電源１から負荷２に給電する直流配電路３に、該配電路３から分岐した直流線路５を介して二次電池などの蓄電装置４を接続し、平時は直流電源１から負荷２に給電しながら蓄電装置４を浮動充電しておき、直流電源１が停止した非常時には蓄電装置４から負荷２への給電を継続して行うようにした直流無停電給電システムにおいては、蓄電装置４の浮動充電時に直流線路５に流れる電流（実線矢印）と放電時に流れる電流（点線矢印）とが逆向きになる。したがって、蓄電装置４に通じる直流線路５に接続した直流用の回路遮断スイッチ６には双方向の電流遮断機能が必要となる。そのほか、太陽光発電などの分散型直流電源の系統連係で電力の逆潮流を行う直流給電システムに適用する直流用の回路遮断スイッチについても、前記と同様な双方向の電流遮断機能が必要である。

かかる点、先記の特許文献１に開示されている回路遮断スイッチ（図２参照）は双方向の電流遮断が不可能であるため、このままでは図３に示した直流無停電給電システムのように回路電流が双方向に通流する直流回路には適用できないといった問題がある。

本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、その目的は機械式スイッチに半導体スイッチを組み合わせ、機械式スイッチの開極時に電流を半導体スイッチに転流させて回路電流を遮断する直流回路用の回路遮断スイッチにおいて、双方向の電流遮断機能を持たせるようにして直流無停電給電システム，直流電源の系統連係などに適用する回路遮断スイッチを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明によれば、直流回路に接続した機械式スイッチに半導体スイッチ回路を並列接続し、前記直流回路の断路時に該回路に流れている電流を機械式スイッチから半導体スイッチ回路に転流して遮断するようにした直流回路用の回路遮断スイッチにおいて、
前記半導体スイッチ回路を、半導体スイッチング素子とダイオードを順方向に直列接続した２組の回路アームを互いに逆並列に接続した双方向スイッチ回路で構成する（請求項１）。

ここで、前記の半導体スイッチング素子は、ＩＧＢＴ，ＭＯＳ−ＦＥＴ，ＧＴＯサイリスタなどの自己消弧能力のある半導体スイッチング素子である（請求項２）。

前記構成の回路遮断スイッチによれば、機械式スイッチの開閉時に回路電流を機械式スイッチから半導体スイッチ回路に転流させた上で、その半導体スイッチング素子をＯＦＦ制御することにより、回路電流の通流方向に制約されることなく双方向の回路電流を遮断することができる。

しかも、この半導体スイッチ回路には逆並列接続した各半導体スイッチング素子にダイオードを順方向に直列接続したことにより、回路遮断スイッチに通電する直流回路の電流の向きが変わっても各半導体スイッチング素子には順方向の電流のみが流れることになるので、回路電流の通電方向に制約されることなく双方向の電流遮断が可能となる。

したがって、この回路遮断スイッチを、直流電源と負荷との間に二次電池などの蓄電装置を分岐接続して負荷への給電を行う直流無停電給電システム、あるいは分散型直流電源の間で電力の逆潮流を行う直流回路などに適用することで、機械式スイッチの開閉動作時にその接点間に発生した直流アークを素早く消去して双方向の回路電流を安全，確実に遮断することができる。

本発明の実施例による回路遮断スイッチの回路図である。 従来技術として特許文献１に開示されている回路遮断スイッチの構成図である。 本発明の回路遮断スイッチを適用する直流無停電給電システムの略示回路図である。

以下、本発明の実施の形態を図１に示す実施例に基づいて説明する。なお、図示実施例の回路遮断スイッチは、例えば図３の直流無停電給電システムにおいて蓄電装置４に通じる充放電用の直流線路５に接続した回路遮断スイッチ６として適用するものである。

図１において、回路遮断スイッチ６は、前記直流無停電システムの直流線路５に接続した機械式スイッチ７と、該機械式スイッチ７に補助接点８を介して並列接続した半導体スイッチ回路９とから構成されている。

ここで、図示の機械式スイッチ７は、例えば橋絡形の可動接点７ａと固定接点７ｂからなる両切り式スイッチ（２接点）であるが、片切り式スイッチ（１接点）を用いてもよい。また、この機械式スイッチ７は、リレーのような電気的な指令を受けて開閉動作する方式のほか、手動あるいは回路の故障電流を検知して開閉動作する方式のものであってもよい。

一方、半導体スイッチ回路９は、ＩＧＢＴ，ＭＯＳ−ＦＥＴ，ＧＴＯサイリスタなどの自己消弧能力がある2個の半導体スイッチング素子ＩＧＢＴ-1，ＩＧＢＴ-2（この実施例では半導体スイッチング素子にＩＧＢＴを採用している）と、2個のダイオードD1，D2を図示のように接続した双方向スイッチ回路で構成されている。なお、ＦＷＤはＩＧＢＴ-1，ＩＧＢＴ-2の各半導体スイッチング素子に内蔵したフリーホイールダイオードである。

すなわち、この半導体スイッチ回路９では、ＩＧＢＴ-1のエミッタにダイオードＤ1のアノードを直列接続した第１の回路アームと、ＩＧＢＴ-2のエミッタとダイオードD2のアノードを直列に接続した第２の回路アームを逆並列に接続し、さらにＩＧＢＴ-1，ＩＧＢＴ-2にはそれぞれフリーホイールダイオードＦＷＤを並列接続して双方向スイッチ回路を構成している。また、ＩＧＢＴ-1，ＩＧＢＴ-2はそのゲートに制御回路１０を接続し、制御回路１０からの制御信号を受けてＯＮ，ＯＦＦ制御する。

上記の回路遮断スイッチにおいて、機械式スイッチ７の開極動作時に回路電流を前記の双方向スイッチ回路で構成した半導体スイッチ回路９に転流させた状態では、図中の実線矢印，点線矢印で表すように、機械式スイッチ７に流れていた直流電流はその通電方向に応じてＧＢＴ-1とダイオードD1の直列回路（第１の回路アーム）、もしくはＩＧＢＴ-2とダイオードD2の直列回路（第２の回路アーム）のいずれかを順方向に通流し、逆方向の電流はダイオードD1，もしくはD2により阻止される。そして、この転流状態で制御回路１０から制御信号を与えて通電中のＩＧＢＴをＯＦＦ制御することにより、直流線路５の電流方向に制約されることなく双方向の電流遮断が可能となる。

次に前記構成による回路遮断スイッチ６の動作を詳細に説明する。まず、回路遮断スイッチ６を投入（ＯＮ）した通常の通電状態では機械式スイッチ７の接点７ａが閉極している。この場合に、ＩＧＢＴ-1，ＩＧＢＴ-2はＯＮ，ＯＦＦいずれの動作状態であってもよく、補助接点８が閉極していてもＩＧＢＴ-1，ＩＧＢＴ-2およびダイオードD1，D2のオン電圧（約２Ｖ×２＝４Ｖ）により半導体スイッチ回路に電流が通流することはない。

また、回路遮断スイッチ６を投入して直流線路５に通電する際の手順としては、機械式スイッチ７を先に閉極するか、あるいは半導体スイッチ回路９のＩＧＢＴ-1，ＩＧＢＴ-2を先にＯＮ制御して機械式スイッチ７の接点を後から閉極してもよい。但し、ＩＧＢＴ-1，ＩＧＢＴ-2を先にＯＮとする場合には、通電によるＩＧＢＴの素子温度の上昇を考慮して、ＩＧＢＴのＯＮ動作から機械式スイッチ７の投入動作までの時間を出来るだけ短くすることが望ましい。

一方、直流線路５の回路電流を遮断する場合には、機械式スイッチ７の開極に先立って、半導体スイッチ回路９のＩＧＢＴをＯＮ制御しておくことが好ましい。すなわち、機械式スイッチ７の接点７ａを先に開極し、ＩＧＢＴを後からＯＮ制御すると、機械式スイッチ７の可動接点７ａが開極してからＩＧＢＴがＯＮ動作するまでの間、機械式スイッチ７の接点間（固定接点と可動接点の間）にアークａｒｃが発生し続けて接点の消耗が早く進行する。なお、この場合に、接点間のアーク電圧は接点材料と電極ギャップにより決まり、開極動作開始の初期では１接点当り約１５Ｖ程度のアーク電圧が発生し、図示実施例の両切り接点（２接点）の場合は約１５Ｖ×２＝３０Ｖのアーク電圧が発生する。その後、可動接点７ａの開極距離増加とともにアーク電圧が上昇し、このアーク電圧がＩＧＢＴおよびダイオードのオン電圧を超えると、回路電流が機械式スイッチ７から半導体スイッチ回路９に転流して機械式スイッチ７の接点間にいままで生じていたアークａｒｃは消滅する。そして、電流が半導体スイッチ回路９に転流した後、制御回路１０からの信号によりＩＧＢＴをＯＦＦ制御すると、直流線路５に流れていた電流が完全に遮断される。なお、図示実施例のように、半導体スイッチ回路９を経由する転流回路側に補助接点８を設け、ＩＧＢＴ-1，ＩＧＢＴ-2のＯＦＦ制御後に補助接点８を開極すれば、ＯＦＦ状態のＩＧＢＴを経由して流れる漏れ電流を遮断できる。

また、先記のようにＩＧＢＴ-1，ＩＧＢＴ-2の半導体スイッチング素子にはそれぞれダイオードD1，D2を順方向に直列接続し逆方向の電流を阻止するようにしたことにより、一方のＩＧＢＴがＯＮ、他方のＩＧＢＴがＯＦＦの通電状態でも、ＯＦＦ側のＩＧＢＴに直列接続したダイオードに逆電圧が掛かるので半導体スイッチングが破壊されるおそれはなく、またＩＧＢＴ-1，ＩＧＢＴ-2の各半導体スイッチング素子に内蔵したフリーホイールダイオードＦＷＤを通じてＯＦＦ側の半導体スイッチ素子に逆方向の電流が流れることもない。

１ 直流電源
２ 負荷
４ 蓄電装置
５ 直流線路
６ 回路遮断スイッチ
７ 機械式スイッチ
８ 補助接点
９ 双方向の半導体スイッチ回路
ＩＧＢＴ-1，ＩＧＢＴ-2 半導体スイッチング素子
D1，D2 ダイオード

Claims (2)

1. 直流回路に接続した機械式スイッチに半導体スイッチ回路を並列接続し、前記直流回路の断路時に該回路に流れている電流を機械式スイッチから半導体スイッチ回路に転流して遮断するようにした直流回路用の回路遮断スイッチにおいて、
   前記半導体スイッチ回路を、半導体スイッチング素子とダイオードを順方向に直列接続した２組の回路アームを互いに逆並列に接続した双方向スイッチ回路で構成したことを特徴とする直流回路用の回路遮断スイッチ。
2. 請求項１に記載の回路遮断スイッチにおいて、半導体スイッチング素子がＩＧＢＴ，ＭＯＳ−ＦＥＴ，ＧＴＯサイリスタなどの自己消弧能力のあるパワー半導体スイッチング素子であることを特徴とする直流回路用の回路遮断スイッチ。