JP2015230849A - 開閉器 - Google Patents

Abstract

【課題】機械式スイッチの開極時に、該機械式スイッチから双方向スイッチに転流する転流時間を短縮して機械式スイッチ接点の長寿命化が図れるようにする。【解決手段】回路電流が順逆両方向に反転する直流、もしくは交流系統の回路に適用してその回路電流を遮断する開閉器であって、主回路７に接続した機械式スイッチ４の回路接点４１に半導体素子からなる双方向スイッチ５を並列接続し、機械式スイッチ４の開極時に回路電流を双方向スイッチ５に転流させて遮断するようにした開閉器において、前記双方向スイッ５チは逆阻止型絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（逆阻止型ＩＧＢＴ）５ａ，５ｂの単体素子を逆並列接続した双方向スイッチであり、該双方向スイッチ５を、機械式スイッチ４の回路接点４１に並列接続して開閉器を構成する。【選択図】図１

Description

本発明は、電流の通電方向が順逆両方向に反転する直流回路，ないし交流回路に適用する配線用遮断器，漏電遮断器，電磁開閉器などを対象とした開閉器に関する。

昨今、太陽光発電システム，蓄電池を用いた電源システムなどの普及に伴い、これらシステムに適用する直流用開閉器の研究，開発が進んでいる。

ところで、従来における直流用の開閉器（配線用遮断器（ＭＣＣＢ），漏電遮断器（ＥＬＢ），電磁開閉器（ＭＡＧ）などの機械式スイッチ（有接点スイッチ））は、開閉動作に伴って接点間に発生する直流アークにより接点の消耗が早期に進んで動作不良を引き起こす問題があることから、従来から様々なアーク消弧対策に提案がされている。その一例として機械式スイッチの回路接点に半導体スイッチ（ＩＧＢＴ、ＭＯＳ−ＦＥＴ、ＧＴＯサイリスタなどの無接点式スイッチ）を並列に接続し、機械式スイッチの開極動作時に該機械式スイッチを流れていた回路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瞬時に消滅させた上で、この半導体スイッチをＯＦＦ制御して回路電流を遮断するようにした直流用の開閉器が知られており（例えば、特許文献１参照）、その模式回路を図８に示す。

図８において、１は直流電源、２は負荷、３は直流電源１と負荷２との間を繋ぐ主回路に接続した開閉器であり、この開閉器３は主回路を開閉する接点（以下「回路接点」と呼称する）を備えた機械式スイッチ４と、該機械式スイッチ４に並列接続した半導体スイッチ５と、半導体スイッチ５に直列接続した断路用の補助接点６を組み合わせて構成されている。

上記の構成で、主回路の通電時には回路電流が機械式スイッチ４の回路接点、および補助接点６を通じて流れ、半導体スイッチ５はＯＦＦの状態である。そして、回路電流の遮断時には、その遮断指令によりまず半導体スイッチ５をゲート制御によりターンオンに遷移した上で、機械式スイッチ４を開極して回路電流を半導体スイッチ５に転流させる。これにより、機械式スイッチ４の接点間に生じたアークは瞬時に消滅する。続いて半導体スイッチ５をターンオフ制御して回路電流を遮断し、その後に補助接点６を開極することにより直流回路が完全に断路される。

ところで、頭記した蓄電池の充放電回路のように蓄電池の充電時と放電時とで回路電流の通電方向が順逆反転する直流回路、あるいは太陽光発電システムのような分散型の直流電源間で電力潮流を行う直流系統の回路などに適用する直流開閉器には、その機械式スイッチの回路接点に並列接続する半導体スイッチに双方向の電流遮断機能が要求されるが、特許文献１に開示の直流開閉器は半導体スイッチ５の通電が単方向であり、このままでは順逆方向に反転する回路電流を半導体スイッチに転流させて遮断することができない。

一方、発明者等は、機械式スイッチに並列接続した前記の半導体スイッチとして、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）に逆方向の耐圧を担うダイオードを直列接続した２組の回路アームを逆並列接続して双方向スイッチを形成し、この双方向スイッチを前記機械式スイッチの回路接点に並列接続して順逆双方向の電流遮断機能を持たせるようにした直流用の開閉器を考案して先に提案（特願平２４−２７５４４４号）しており、その模式回路を図９に示す。

すなわち、図９において、直流の主回路７に接続した機械式スイッチ４に対して、その回路接点に並列接続した半導体スイッチ５は、ＩＧＢＴ−１にダイオードＤ１を直列接続した第１の回路アームと、ＩＧＢＴ−２にダイオードＤ２を直列接続した第２の回路アームとを互いに逆並列接続して双方向スイッチを構成している。そして、機械式スイッチ４の開極動作に連係してＩＧＢＴ−１，ＩＧＢＴ−２のゲートに制御回路から駆動信号を加え、半導体スイッチ５をＯＮ／ＯＦＦ制御するようにしている。なお、４１は機械式スイッチ４の回路接点、ＦＷＤはＩＧＢＴ−１，ＩＧＢＴ−２に逆並列接続したフリー・ホイーリング・ダイオード（free-wheeling diode）である。

上記構成になる直流開閉器において、回路電流の遮断時には機械式スイッチ４の開極動作に連係して半導体スイッチ５のＩＧＢＴ−１，ＩＧＢＴ−２に制御回路からのゲート駆動信号を与えてＩＧＢＴをＯＮにする。この際に、主回路７に流れる回路電流の通電方向が順方向（図示の左側が（＋）極、右側が（−）極）であれば、回路電流は図示の実線矢印で表すようにＩＧＢＴ−１（ＯＮ状態），ダイオードＤ１，および断路用の補助接点６を通じて半導体スイッチ５の回路に転流する。これにより、機械式スイッチ４の回路接点４１に生じたアークは即時に消滅する。そして、回路電流の転流後に引き続いて半導体スイッチ５のＩＧＢＴ−１をターンオフ制御すると、半導体スイッチ５に転流した回路電流が遮断される。

また、主回路７の通電方向が逆方向（図示の右側が（＋）極、左側が（−）極）であれば、半導体スイッチ５のゲート制御により、図示の点線矢印で表すように回路電流は補助接点６，ＩＧＢＴ−２，ダイオードＤ２を経て半導体スイッチ５の回路に転流し、その後にＩＧＢＴ−２をターンオフ制御して半導体スイッチ５に転流した電流が遮断されることになる。

特開２０１２−２４８４４５号公報（図５）

図９に示した従来提案の開閉器において、機械式スイッチ４の回路接点に並列接続した半導体スイッチ５（双方向スイッチ）のＩＧＢＴ−１，ＩＧＢＴ−２には従来型のＩＧＢＴを用いている。

ところで、従来型のＩＧＢＴは逆印加電圧に対する耐圧（逆耐圧）を持たないため、図９に示した従来提案では、図示のようにＩＧＢＴ−１，ＩＧＢＴ−２にそれぞれダイオードＤ１，Ｄ２を直列接続して逆方向の耐圧も持たせるようにしている。

したがって、機械式スイッチ４の開極動作に伴って主回路電流が半導体スイッチ５に転流した通電状態では、回路電流がＩＧＢＴとダイオードの二つの半導体素子を直列に通過することになり、これにより半導体スイッチ（双方向スイッチ）５には（ＩＧＢＴのオン電圧）＋（ダイオードの順電圧）に相応した電圧降下が生じ、その電圧はＩＧＢＴ，もしくはダイオードの単体素子と較べて２倍となる。このために、主回路電流が機械式スイッチ４から半導体スイッチ５の回路に転流した状態では、ＩＧＢＴとダイオードの各素子に発生する導通損失が加算されて半導体スイッチ５の電力損失が増大する。

また、回路電流が機械式スイッチ４から半導体スイッチ５に転流する際のスイッチング動作においてもＩＧＢＴとダイオードとのスイッチング損失が加算されるため、機械式スイッチ４から半導体スイッチ５に転流する回路電流のスイッチング時間も長くなり、このスイッチング時間が長くなることで機械式スイッチ４の接点間に発生したアークが消滅するまでの時間も長引き、それだけ接点の消耗が早く進んで開閉器の寿命が短縮されることになる。例えば、機械式スイッチに適用する電磁開閉器には通常数十万回以上の開閉動作を保証することが要求されるが、電気接点の寿命が短縮されると所要の開閉回数を保証することが困難となる。

そのほか半導体スイッチ５の損失増加に伴い、その半導体素子を冷却する熱負荷も増すのでその冷却部が大型化して重量，コストも増加する。

本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、近年になり逆方向の耐圧性能を有するパワー半導体スイッチング素子として開発された逆阻止型絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（通称：逆阻止型ＩＧＢＴ）を用いて双方向スイッチを構成し、機械式スイッチの開極動作時にその回路電流が双方向の半導体スイッチに転流する転流時間を短縮して機械式スイッチの接点の長寿命化を図るとともに、半導体スイッチを構成する素子数を低減して製品の小型，軽量化、およびコスト低減が図れるようにした開閉器を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明によれば、回路電流が順逆両方向に反転する直流、もしくは交流系統の回路に適用してその回路電流を遮断する開閉器として、前記回路に接続した機械式スイッチの回路接点に半導体素子からなる双方向スイッチを並列接続し、前記機械式スイッチの開極動作時に回路電流を前記双方向スイッチに転流して機械式スイッチの接点間に発生したアークを消滅させた上で、前記双方向スイッチをＯＦＦ制御して転流電流を遮断するようにした開閉器において、
前記双方向スイッチは逆阻止型絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＲＢ−ＩＧＢＴ：Reverse Blocking Insulated Gate Bipolar Transistor）を逆並列接続した双方向スイッチであり、該双方向スイッチを前記機械式スイッチの回路接点に並列接続して開閉器を構成する（請求項１）。

また、前記構成の開閉器における機械式スイッチには、３組の回路接点を備えた３極型スイッチを使用し、その１極の回路接点を主接点として該回路接点に前記の双方向スイッチを並列接続し、残り２極の回路接点を断路用の補助接点として主回路の往路，および復路に介挿接続することができる（請求項２）。

上記構成の開閉器によれば、次記効果を奏することができる。

先ず、機械式スイッチの回路接点に並列接続する半導体スイッチとして、順逆両方向の耐圧を有する逆阻止型絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（逆阻止型ＩＧＢＴ）を逆並列接続して双方向スイッチを構成することにより、先に述べた従来提案の双方向スイッチ（図９参照）におけるＩＧＢＴ−１，ＩＧＢＴ−２に直列接続したダイオードＤ１，Ｄ２を省略できる。

これにより、機械式スイッチの開極時に回路電流が半導体スイッチ（双方向スイッチ）に転流した通電状態での電圧降下は逆阻止型ＩＧＢＴ単体のＯＮ電圧だけとなるので、図９に示した双方向スイッチと較べて導通損失が低減するとともに、回路電流の転流時間も短縮し、この転流時間の短縮により機械式スイッチのアークによる接点消耗が減少して開閉器の長寿命化を達成できる。

さらに、従来提案で従来型のＩＧＢＴに接続していたダイオードの省略により、半導体スイッチを構成する素子数が低減して開閉器に搭載する半導体スイッチの小型，軽量化、およびコスト低減が可能となる。

また、前記の機械式スイッチを３極型スイッチとし、その１極の回路接点を主接点として該回路接点に前記双方向スイッチを並列接続するとともに、残り２極の回路接点を断路用補助接点として主回路の往路，および復路に介挿接続したことにより、機械式スイッチの開極操作により負荷を電源から完全に断路して負荷の保守，点検作業を感電のおそれ無しに安全に行うことができるほか、機械式スイッチに接続した半導体スイッチも同様に電源から断路して不要な誤動作を防止できる。

本発明の実施例１に係わる開閉器の模式回路図である。 図１の開閉器の閉極時における電流の通電経路を表す図であって、（ａ），（ｂ）はそれぞれ回路電流の順方向，逆方向に対応した図である。 図２の状態から機械式スイッチを開極した直後の通電状態を表す図であって、（ａ），（ｂ）はそれぞれ回路電流の順方向，逆方向に対応した図である。 図３の状態から回路電流が双方向スイッチに転流した状態の通電経路を表す図であって、（ａ），（ｂ）はそれぞれ回路電流の順方向，逆方向に対応した図である。 図４（ａ），（ｂ）の状態から半導体スイッチをＯＦＦ制御して回路電流を遮断した状態を表す図である。 本発明の実施例２に対応する開閉器の模式回路図である。 図６の機械式スイッチに対応する３極型電磁開閉器の構造図であって、（ａ）はその内部機構を表す縦断面図、（ｂ）は（ａ）の平面図である。 特許文献１に開示されている直流開閉器の模式回路図である。 従来型のＩＧＢＴにダイオードを直接接続してなる双方向スイッチを機械式スイッチの回路接点に並列接続して構成した従来の直流開閉器の模式回路図である。

以下、本発明による開閉器の構成、電流遮断動作を図示実施例に基づいて説明する。なお、図示実施例は蓄電池の充放電回路のように通電方向が順逆両方向に反転する直流回路に適用する直流用の開閉器であり、図８，図９に対応する回路部品には同じ符号を付している。

先ず、本発明の請求項１に対応する開閉器の基本構成，およびその電流遮断動作を図１〜図５に基づいて説明する。

すなわち、図示実施例の開閉器３は、図９で述べた従来提案の開閉器と同様に、直流系統の主回路７に接続した機械式スイッチ４（配線用遮断器，漏電遮断器，電磁開閉器など）と、該機械式スイッチ４の回路接点４１に並列接続した双方向の半導体スイッチ５とから構成されている。

ここで、図示の半導体スイッチ５は、逆方向の耐圧性能を有する２個の逆阻止型ＩＧＢＴ（逆阻止型絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）５ａ，５ｂの単体同士を逆並列接続した上で、機械式スイッチ４の回路接点４１に並列接続した構成になり、図９に示した逆耐圧を担うダイオードＤ１，Ｄ２は接続されて無い。

次に、図１の開閉器による回路電流の遮断動作について説明する。先ず、直流の主回路７に電流が順方向，および逆方向に流れている通電状態を図２（ａ），（ｂ）に示す。この通電状態では、回路電流は閉極している機械式スイッチ（配線用遮断器，漏電遮断器，電磁開閉器など）４の回路接点４１を通じて通流し、半導体スイッチ５の逆阻止型ＩＧＢＴ５ａ，５ｂはいずれもＯＦＦ状態であり、この通電状態では半導体スイッチ５には導通損失，発熱の発生はない。

そして、図２（ａ），（ｂ）の通電状態から開閉器３に開極指令を与えて回路電流を遮断するには、この開極指令に基づき最初に半導体スイッチ５の逆阻止型ＩＧＢＴ５ａ，５ｂにゲートＯＮ信号を印加してターンオン状態に遷移した上で、機械式スイッチ４の開極操作により回路接点４１を開極する。これにより、図３（ａ），（ｂ）で示すように機械式スイッチ4の開極直後はその回路接点４１にはアークａｒｃが発生し、このアーク電圧（電圧降下）が逆阻止型ＩＧＢＴ５ａ，５ｂのＯＮ電圧を超えた時点から回路電流は半導体スイッチ５に転流し始める。図４（ａ），（ｂ）は回路電流が半導体スイッチ５に転流した状態を表している。

なお、逆阻止型ＩＧＢＴ５ａ，５ｂのゲートに印加するＯＮ信号のタイミングは、前記のように開閉器の開極指令に連係して機械式スイッチ４の開極動作開始前に印加するほか、逆阻止型ＩＧＢＴ５ａ，５ｂで構成した双方向スイッチは導通損失が極めて少ないことから機械式スイッチ４の開極，閉極状態に関係なく常時印加するようにしてもよい。

そして、図４（ａ），（ｂ）に示した回路電流の転流完了後に、続いて逆阻止型ＩＧＢＴ５ａ，５ｂに印加していたゲート信号をＯＦＦ、あるいはマイナス方向のバイアス信号を印加することにより、図５で示すように、半導体スイッチ５がＯＦＦ状態になって回路電流が遮断される。なお、この際には機械式スイッチ４の回路接点間に電気的絶縁が確保されていることが必要であり、そのために半導体スイッチ５の逆阻止型ＩＧＢＴ５ａ，５ｂは、機械式スイッチ４が開極した時点から若干遅らせてＯＦＦ制御を行うようにする。

なお、図示の実施例の開閉器は、蓄電器の充放電回路のように通電方向が順逆両方向に反転する直流回路に適用した例を示したが、本発明の開閉器は直流回路用に限定されるものではなく、交流回路への適用も可能である。

次に、本発明の請求項２に係わる実施例２について説明する。この実施例２の開閉器は、当該開閉器を介して電源に接続した負荷について、機械式スイッチの開極操作により負荷を電源から完全に切り離して負荷の保守，点検作業などが感電のおそれなしに安全に行えるようにしたものであり、その開閉器の模式回路を図６に、またこの機械式スイッチの構造を図７に示す。

先ず図６の回路図において、電源１と負荷２との間を繋ぐ配電路に接続した開閉器３の機械式スイッチ４として、該機械式スイッチのＯＮ／ＯＦＦ操作に連動して開極，閉極動作する３組の回路接点４１−１，４１−２，４１−３を備えた３極型の電磁開閉器などを使用する。そして、３組の回路接点のうちの１極、例えば中央極の回路接点４１−２を主接点として、該回路接点４１−２に半導体スイッチ（逆阻止型ＩＧＢＴ５ａ，５ｂを逆並列接続した双方向スイッチ）５を並列接続するとともに、残り２極の回路接点４１−１，４１−３を断路用の補助接点として、図示のように主回路１の往路，および復路に介挿接続している。なお、図中に記した端子４ａ〜４ｆは前記３極の回路接点４１−１，４１−２，４１−３に対応する外部端子（ねじ端子）を表している。そして、この３極型の電磁開閉器に対して、電源１を外部端子４ａと４ｅの間、負荷２を外部端子４ｄと４ｆの間に接続し、さらに外部端子４ｂと４ｃの相互間を別なリード配線８で渡り接続している。

また、図７（ａ），（ｂ）は図６の機械式スイッチ４に適用した３極型電磁開閉器の構造図であり、図中の４２は電磁開閉器のフレーム（ケース）、４３はフレーム４２に内蔵した開閉操作用の電磁石、４４は電磁石４３の可動鉄心に連結した可動の接点ホルダー、４１ａ，４１ｂは図６における各極の回路接点（双接点形接点）４１−１，４１−２，４１−３に対応する固定接点、４１ｃは前記可動接点ホルダー４４に搭載して固定接点４１ａ，４１ｂに対向させた橋絡可動接点である。そして、この電磁開閉器のフレーム頂部に前記半導体スイッチ５のパッケージを図示のように搭載した上で、リード配線を介して電磁開閉器の外部端子４ｃと４ｄとの間に並列接続している。

上記構成によれば、電源１と負荷２の間を繋ぐ主回路７に接続した機械式スイッチ（３極型電磁開閉器）４を開極すると、負荷１と電源２との間が完全に切り離されるので、負荷２の点検作業等を感電のおそれなしに安全に行うことができる。また、この機械式スイッチ４に接続した半導体スイッチ５についても、３極型電磁開閉器の開極に伴い前記と同様に電源から断路されるので、半導体スイッチ５の不要な誤動作を防ぐことができる。

なお、回路電流の遮断時に機械式スイッチ４から半導体スイッチ５に転流した回路電流は、半導体スイッチ５の逆阻止型ＩＧＢＴ５ａ，５ｂをＯＦＦ制御して遮断するが、この際にＩＧＢＴのスイッチング特性としてターンオフ時にはテール電流による多少の遅れがある。このために、半導体スイッチ５に転流した電流の遮断が完了する以前に図６，図７で述べた電磁開閉器の２極の回路接点４１−１，４１−３（断路用の補助接点）が開極すると、この回路接点にアークが発生するおそれがある。

そこで、この断路用の補助接点にアークが発生するのを防ぐには、例えば図７の電磁開閉器における回路接点４１−２（主接点）と回路接点４１−１，４１−３（断路用の補助接点）との間に異なるワイプ量を設定し、電磁接触器の開極時に断路用の補助接点（回路接点４１−１，４１−３）が主接点（回路接点４１−２）より若干遅れて開極するように設定すればよい。

１ 電源
２ 負荷
３ 開閉器
４ 機械式スイッチ
４１ 回路接点
４１−１〜４１−３ ３極型電磁開閉器の回路接点
５ 半導体スイッチ（双方向スイッチ）
５ａ，５ｂ 逆阻止型ＩＧＢＴ
７ 主回路

Claims (2)

1. 回路電流が順逆方向に反転する直流、もしくは交流系統に適用してその回路電流を遮断する開閉器であり、前記回路に接続した機械式スイッチの回路接点に半導体素子からなる双方向スイッチを並列接続し、前記機械式スイッチの開極動作時に回路電流を前記双方向スイッチに転流して機械式スイッチの接点間に発生したアークを消滅させた上で、双方向スイッチに転流した電流を該スイッチのＯＦＦ制御により遮断するようにした開閉器において、
   前記双方向スイッチは逆阻止型絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＲＢ−ＩＧＢＴ：Reverse Blocking Insulated Gate Bipolar Transistor）を逆並列接続した双方向スイッチであり、該双方向スイッチを機械式スイッチの回路接点に接続したことを特徴とする開閉器。
2. 請求項１に記載の開閉器において、機械式スイッチが３組の接点を備えた３極型スイッチであり、その１極を主接点として該回路接点に前記双方向スイッチを並列接続するとともに、残り２極の接点を断路用の補助接点として主回路の往路，および復路に接続したことを特徴とする開閉器。