JP2019185959A - 過電圧抑制回路及び直流遮断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】受動素子を用いた簡単な回路構成により、半導体遮断器の遮断時の過電圧を抑制するとともに再閉路時の過電流を抑制する。【解決手段】直流電力の供給及び遮断を切り替える半導体スイッチ素子２に並列接続される過電圧抑制回路３であって、半導体スイッチ素子２の遮断時に所定の閾値以上の電圧が印加されることにより導通する非線形素子３１と、非線形素子３１の正側に直列接続され、その順方向が非線形素子３１を向くダイオード３２と、ダイオード３２に並列接続された抵抗器３３とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、過電圧抑制回路及び直流遮断装置に関するものである。

従来、直流電源と負荷とを接続する主回路に設けられる直流遮断装置としては、特許文献１に示すように、逆並列接続した２個の半導体素子で構成された第１の遮断部と、同様に逆並列接続した２個の半導体素子で構成した第２の遮断部及び抵抗器の直列接続回路と、酸化亜鉛バリスタ等の非直線系素子（非線形素子ともいう。）とを並列接続して構成されたものがある。

この直流遮断装置では、短絡事故等により生じる過電流を検出すると第１の遮断部が遮断される。第１の遮断部が遮断されると、主回路電流は第２の遮断部及び抵抗器の直列回路へ転流されて、当該主回路電流は抵抗器及び主回路インダクタンスとで決まる時定数で減衰する。

主回路電流が減衰し、主回路インダクタンスに蓄積されたエネルギが非線形素子で吸収可能なエネルギ以下に減衰したことが検知された時点において、第２の遮断部が遮断される。第２の遮断部が遮断されると、主回路電流は非線形素子へ転流されて、半導体素子の両端電圧は非線形素子の制限電圧値（放電開始電圧）に制限される。その後、主回路電流は急激に減衰してゼロになり、遮断動作が完了する。

ここで、半導体スイッチ素子に並列接続される非線形素子は、遮断時に所定値以上の電圧（放電開始電圧）が印加されることで導通（放電）し、半導体スイッチ素子の両端電圧を定格電圧以下に抑制する役割を有する。このとき、非線形素子の静電容量（静電容量）には、印加電圧に依存した静電エネルギが蓄積される。

ところが、半導体スイッチ素子が遮断後に再び閉路すると、その直後に非線形素子の静電容量に蓄積された静電エネルギの放電により、半導体スイッチ素子の定格を上回る突入電流が当該半導体スイッチ素子に流れ込む恐れがある。

ここで、特許文献１の直流遮断装置において、非線形素子の静電容量に蓄積された静電エネルギを消費する構成としては、再閉路時に第２の遮断器をオンして第２の遮断器に直列接続された抵抗器で消費することが考えられる。

しかしながら、第１の遮断器をオンする前に第２の遮断器をオンするといったアクティブな制御が必要となってしまい、このアクティブ制御に伴って部品点数が増加すること等から、装置が複雑化・高コスト化するという問題がある。

特開２０１４−４４９０４号公報

そこで本発明は、上記問題点を解決すべくなされたものであり、受動素子を用いた簡単な回路構成により、半導体スイッチ素子による遮断時の過電圧を抑制するとともに再閉路時の過電流を抑制することをその主たる課題とするものである。

すなわち本発明に係る過電圧抑制回路は、直流電力の供給及び遮断を切り替える半導体スイッチ素子に並列接続される過電圧抑制回路であって、前記半導体スイッチ素子の遮断時に所定の閾値以上の電圧が印加されることにより導通する非線形素子と、前記非線形素子の正側に直列接続され、その順方向が前記非線形素子を向くダイオードと、前記ダイオードに並列接続された抵抗器とを備えることを特徴とする。

本発明の過電圧抑制回路では、半導体スイッチ素子の遮断時、過電圧抑制回路の両端電圧がダイオードの順方向電圧と非線形素子の放電開始電圧の合計値を超えると、非線形素子はダイオードを介する経路で放電し、半導体スイッチ素子の両端電圧を定格電圧以下に抑制することができる。
一方、半導体スイッチ素子の再閉路時、ダイオードは逆バイアスとなるため、非線形素子の放電容量に蓄えられた静電エネルギは非線形素子の静電容量と抵抗器と半導体スイッチ素子とを結ぶ経路で放電する。そのため、放電電流は抵抗器により制限され、半導体スイッチ素子は定格電流以下での動作が可能となる。
このように本発明によれば、受動素子を用いた簡単な回路構成により、半導体スイッチ素子の遮断時の過電圧を抑制するとともに再閉路時の過電流を抑制することができる。

前記非線形素子に並列接続されたコンデンサを更に備えることが望ましい。
この構成であれば、半導体スイッチ素子の遮断時に、非線形素子に並列接続したコンデンサがダイオードを介する経路で充電し、過渡電圧の増加率ｄｖ／ｄｔを抑制することができる。

半導体スイッチ素子が複数直列接続されている場合、半導体スイッチ素子やゲート駆動回路の特性個体差により、遮断直後において、直列接続した半導体スイッチ素子間に過渡電圧のアンバランスが生じる。これにより半導体スイッチ素子に過大な電圧が印加される恐れがある。ここで、非線形素子にコンデンサを並列接続することにより、各半導体スイッチ素子の遮断直後の過渡電圧の増加率ｄｖ／ｄｔを低減して、直列接続した半導体スイッチ素子間の電圧バランス効果を得ることができる。

また本発明に係る直流遮断装置は、直流電力の供給及び遮断を切り替える半導体スイッチ素子と、前記半導体スイッチ素子に並列接続される過電圧抑制回路とを備え、前記過電圧抑制回路は、前記半導体スイッチ素子の遮断時に所定の閾値以上の電圧が印加されることにより導通する非線形素子と、前記非線形素子の正側に直列接続され、その順方向が前記非線形素子を向くダイオードと、前記ダイオードに並列接続された抵抗器とを備えることを特徴とする。

このように構成した本発明によれば、受動素子を用いた簡単な回路構成により、半導体スイッチ素子の遮断時の過電圧を抑制するとともに再閉路時の過電流を抑制することができる。

本実施形態の直流遮断装置の回路構成を模式的に示す図である。 同実施形態の遮断時及び再復路時の電流の流れを示す図である。 同実施形態のシミュレーションに用いた回路条件を示す図である。 従来の回路構成におけるシミュレーション結果を示す図である。 本発明の回路構成におけるシミュレーション結果を示す図である。

以下に、本発明に係る過電圧抑制回路を有する直流遮断装置の一実施形態について、図面を参照して説明する。

本実施形態の直流遮断装置１００は、図１に示すように、直流電源２００と負荷３００とを接続する配電線４００に設けられ、負荷３００への直流電力の供給及び遮断を切り替えるものである。

具体的に直流遮断装置１００は、直流電力の供給及び遮断を切り替える半導体スイッチ素子２と、当該半導体スイッチ素子２に並列接続される過電圧抑制回路３とを備えている。

本実施形態の直流遮断装置１００は、２つの半導体スイッチ素子２を直列接続して構成されている。また２つの半導体スイッチ素子２それぞれに分圧抵抗４及び過電圧抑制回路３が並列接続されている。各半導体スイッチ素子２は、図示しない制御装置により制御されるゲート駆動回路により開閉駆動される。

過電圧抑制回路３は、半導体スイッチ素子２の遮断時の過電圧を抑制するとともに、再復路時の過電流を抑制する機能を有する。この過電圧抑制回路３は、受動素子のみから構成されている。

具体的に過電流抑制回路３は、半導体スイッチ素子２の遮断時に所定値以上の電圧（放電開始電圧）が印加されることにより導通する非線形素子３１と、非線形素子３１の正側に直列接続され、その順方向が非線形素子３１を向くダイオード３２と、当該ダイオード３２に並列接続される抵抗器３３と、非線形素子３１に並列接続されるコンデンサ３４とを有している。

非線形素子３１は、静電容量３１ｘを有しており、例えば酸化亜鉛バリスタ等を用いたアレスタである。その他、非線形素子としては、ツェナーダイオードやダイオードを用いて構成したものであっても良い。

このように構成された直流遮断装置１００の動作について説明する。

例えば負荷短絡等により生じる過電流を電流検出器（不図示）により検出した場合に、制御装置が半導体スイッチ素子２を遮断する。

この半導体スイッチ素子２の遮断時において、過電圧抑制回路３の両端電圧がダイオード３２の順方向電圧と非線形素子３１の放電開始電圧との合計値を超えると、非線形素子３１はダイオード３２を介する経路で導通する（図２（ａ）参照）。これにより、半導体スイッチ素子２の両端電圧が定格電圧以下に抑制される。なお、このとき、非線形素子３１の静電容量３１ｘには、非線形素子３１への印加電圧に依存した静電エネルギが蓄積される。

また、非線形素子３１に並列接続されたコンデンサ３４がダイオード３２を介する経路で充電される。これにより、過渡電圧（半導体スイッチ素子２の両端電圧）の増加率ｄｖ／ｄｔが抑制される。その結果、複数の半導体スイッチ素子２やゲート駆動回路の特性に個体差があっても、直列接続した半導体スイッチ素子２間の電圧バランス効果を得ることができる。

一方、半導体スイッチ素子２の再閉路時において、ダイオード３２は逆バイアスとなるため、非線形素子３１の静電容量３１ｘに蓄えられた静電エネルギは、非線形素子３１の静電容量３１ｘと抵抗器３３と半導体スイッチ素子２とを結ぶ経路で放電する。このため、静電エネルギの放電により生じる放電電流は抵抗器３３により制限される。これにより、半導体スイッチ素子２は定格電流以下で動作可能となる。

＜本実施形態の効果＞
本実施形態の直流遮断装置１００によれば、受動素子３１〜３４のみを用いた簡単な回路構成により、半導体スイッチ素子２の遮断時の過電圧を抑制するとともに再閉路時の過電流を抑制することができる。

次に、図３に示す条件を用いて従来の直流遮断装置と本実施形態の直流遮断装置との再復路時における電圧及び電流の挙動をシミュレーションした結果を図４及び図５に示す。

従来の直流遮断装置は、半導体スイッチ素子２に非線形素子３１のみを接続した構成であり、本実施形態の直流遮断装置は、上述したように半導体スイッチ素子２に非線形素子３１を有する過電圧抑制回路３を接続した構成である。両回路に用いた非線形素子３１は、日本ケミコン株式会社製のセラミックバリスタTND20V-152KB00AAA0であり、その静電容量３１ｘは３９０ｐＦである。本実施形態の抵抗器３３の抵抗値は２０Ωである。

図４及び図５には、シミュレーション結果として、再閉路直後の直流遮断装置の両端電圧（「遮断器電圧」）、電力線４００を流れる電流（「遮断器電流」）、半導体スイッチ素子２の両端電圧（「半導体ＳＷ電圧」）及び半導体スイッチ素子２の通流電流（「半導体ＳＷ電流」）を示している。

従来の直流遮断装置では、再復路時に半導体スイッチ素子２に流れる放電電流が約５５Ａである（図３の「半導体ＳＷ電流」参照）が、本実施形態の直流遮断装置１００では、再復路時に半導体スイッチ素子２に流れる放電電流が約２４Ａに低減された（図４の「半導体ＳＷ電流」参照）。

＜その他の変形実施形態＞
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。

前記実施形態では、半導体スイッチ素子２を複数直列に接続して直流遮断装置１００を構成しているが、１つの半導体スイッチ素子２を用いて直流遮断装置１００を構成しても良い。また、半導体スイッチ素子２の直列接続部２０が１つの構成であっても良い。

前記実施形態では、非線形素子３１にコンデンサ３４を並列接続するものであったが、コンデンサ３４を並列接続しない構成であっても良い。

その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

１００・・・直流遮断装置
２ ・・・半導体スイッチ素子
３ ・・・過電圧抑制回路
３１ ・・・非線形素子
３２ ・・・ダイオード
３３ ・・・抵抗器
３４ ・・・コンデンサ

Claims (4)

1. 直流電力の供給及び遮断を切り替える半導体スイッチ素子に並列接続される過電圧抑制回路であって、
   前記半導体スイッチ素子の遮断時に所定の閾値以上の電圧が印加されることにより導通する非線形素子と、
   前記非線形素子の正側に直列接続され、その順方向が前記非線形素子を向くダイオードと、
   前記ダイオードに並列接続された抵抗器とを備える、過電圧抑制回路。
2. 前記非線形素子に並列接続されたコンデンサを更に備える、請求項１記載の過電圧抑制回路。
3. 直流電力の供給及び遮断を切り替える半導体スイッチ素子と、
   前記半導体スイッチ素子に並列接続される請求項１又は２記載の過電圧抑制回路とを備える、直流遮断装置。
4. 複数の前記半導体スイッチ素子が直列接続されており、
   前記過電圧抑制回路は、複数の前記半導体スイッチ素子それぞれに並列接続されている、請求項３記載の直流遮断装置。