JP2022511891A - 直流系統の遮断装置およびその制御方法 - Google Patents

Abstract

本開示は、第１電力用半導体素子および第１電力用半導体素子の電気的特性値を測定する第１測定器を含む第１半導体切替回路と、第１電力用半導体素子の駆動電圧または駆動電流を調節し、第１電力用半導体素子の導通（ｏｎ）および遮断（ｏｆｆ）を制御するゲートコントロールと、制御部とを含む直流系統の遮断装置を提供することができる。本開示による制御部は、第１測定器で測定した第１電力用半導体素子の電気的特性値に基づいて、過負荷電流、短絡電流、地絡電流、およびフラッシュオーバー（ｆｌａｓｈ ｏｖｅｒ）の少なくともいずれか一つを検出し、検出結果に基づいてゲートコントロールを制御することにより、第１電力用半導体素子を遮断することができる。

Description

本開示は、直流系統の遮断装置およびその制御方法を提供する。

太陽光発電、燃料電池発電などの環境に優しい新・再生可能エネルギーを用いる直流発電源の増加、電気自動車（ＥＶ）の充電設備、バッテリーエネルギー貯蔵装置（ＢＥＳＳ）などの直流負荷の増加、長距離送配電時に交流に比べて電力損失が少なく、系統連系が容易な直流送配電設備の実装など、直流の使用は、日々増加するであろう。

５０［Ｈｚ］または６０［Ｈｚ］の周波数の交流は、１秒間に１００回または１２０回の電圧“０”点が存在し、回路の導通／遮断（Ｏｎ／Ｏｆｆ）に容易である。一方、直流電源は、周波数が無い（すなわち、電圧“０”）ので、回路遮断（Ｏｆｆ）の際に発生するアーク（Ａｒｃ）を消弧することが交流に比べて非常に難しい。

現在、機械式直流遮断器の開発および研究が活発に進んでいるが、回路遮断（Ｏｆｆ）の際に発生するアーク（Ａｒｃ）による接点の磨耗により、接触抵抗の増加から起因する火災を防止できる方案が構築されていない実情である。

これにより、上記のような問題点を改善するために、アーク（Ａｒｃ）を発生させることなく、直流を安全にＯｎ／Ｏｆｆすることができる直流系統の遮断装置が要求されている実情である。

本開示は、直流系統の遮断装置およびその制御方法を提供するためのものである。本実施例が解決しようとする技術的課題は、上述した技術的課題に限定されず、以下の実施例からまた他の技術的課題が類推され得る。

上述した技術的課題を解決するための技術的手段として、本開示の第１側面は、直流系統の遮断装置であって、第１電力用半導体素子と、前記第１電力用半導体素子の電気的特性値を測定する第１測定器とを含む第１半導体切替回路と、前記第１電力用半導体素子の駆動電圧または駆動電流を調節し、前記第１電力用半導体素子の導通（ｏｎ）および遮断（ｏｆｆ）を制御するゲートコントロール（Ｇａｔｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ）と、制御部とを含み、前記制御部は、前記第１測定器で測定した前記第１電力用半導体素子の電気的特性値に基づいて、過負荷電流、短絡電流、およびフラッシュオーバー（ｆｌａｓｈ ｏｖｅｒ）の少なくともいずれか一つを検出し、前記検出結果に基づいて前記ゲートコントロールを制御することにより、前記第１電力用半導体素子を遮断する、直流系統の遮断装置を提供することができる。

本開示の第２側面は、直流系統の遮断装置の動作方法であって、第１測定器で測定した第１電力用半導体素子の電気的特性値を受信するステップと、前記受信した電気的特性値に基づいて、過負荷電流、短絡電流、およびフラッシュオーバーの少なくともいずれか一つを検出するステップと、前記検出結果に基づいて、前記第１電力用半導体素子の駆動電圧または駆動電流を調節することにより、前記第１電力用半導体素子を遮断するステップと、を含む方法を提供することができる。

本開示の第３側面は、第２側面の方法をコンピュータで実行させるためのプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体を提供することができる。

本発明によると、電力用半導体素子の特性のうち素子が必然的に有する導通抵抗（Ｏｎ抵抗）の特性を利用し、電流の大きさ、電流の時間的変化率、電流の波形などを測定することができる。

本発明では、測定した電流の大きさ、電流の時間的変化率、電流の波形と閾値を比較して直流系統の線路の過負荷電流、短絡電流、地絡電流、および電源（バッテリーなど）の内部で発生するフラッシュオーバー（Ｆｌａｓｈ Ｏｖｅｒ）を検出し、アーク（Ａｒｃ）を発生することなく、安全に回路を遮断することができる。これにより、人体への感電、直流電気設備の過熱、焼損、火災などを未然に防止することができる。

また、電力用半導体素子のＯｎ抵抗特性を利用し、電流の大きさ、電流の時間的変化率、電流の波形を測定することにより、直流電流を測定するために使用するホールＣＴ（Ｈａｌｌ－ＣＴ）、シャント（Ｓｈｕｎｔ）（分路抵抗）などのセンサーを使用しておらず、コストおよび体積を減らすことができる。

一実施例に係る電力用半導体素子を説明するための例示的な図である。 一実施例に係る電力用半導体素子を説明するための例示的な図である。 一実施例に係る直流系統の遮断装置を含む回路図の例示的な図である。 一実施例に係る半導体切替回路の例示的な図である。 一実施例に係る直流系統の遮断装置を含む回路図の例示的な図である。 一実施例に係る直流系統の遮断装置の動作方法を示すフローチャートである。

本開示は、第１電力用半導体素子および第１電力用半導体素子の電気的特性値を測定する第１測定器を含む第１半導体切替回路と、第１電力用半導体素子の駆動電圧または駆動電流を調節し、第１電力用半導体素子の導通（ｏｎ）および遮断（ｏｆｆ）を制御するゲートコントロールと、制御部とを含む直流系統の遮断装置を提供することができる。

本開示に係る制御部は、第１測定器で測定した第１電力用半導体素子の電気的特性値に基づいて、過負荷電流、短絡電流、地絡電流、およびフラッシュオーバー（ｆｌａｓｈ ｏｖｅｒ）の少なくともいずれか一つを検出し、検出結果に基づいてゲートコントロールを制御することにより、第１電力用半導体素子を遮断することができる。

本明細書で数多く記載される「いくつかの実施形態において」または「一実施例において」などは、必ずしも全部同一の実施例を指しているわけではない。

本開示のいくつかの実施例は、機能的なブロック構成および様々な処理ステップで表され得る。 これらの機能ブロックの一部または全部は、特定の機能を実行する様々なハードウェアおよび／またはソフトウェアの構成で実装されることができる。例えば、本開示の機能ブロックは、１つ以上のマイクロプロセッサによって実装されるか、または所定の機能のための回路構成によって実装されることができる。また、例えば、本開示の機能ブロックは、様々なプログラミングまたはスクリプト言語で実装されることができる。機能ブロックは、１つ以上のプロセッサで実行されるアルゴリズムによってされることができる。また、本開示は、電子的な環境の設定、信号処理、および／またはデータ処理などのために、従来の技術を採用してもよい。「メカニズム」、「要素」、「手段」、および「構成」などの用語は、広く使用されてもよく、機械的、物理的な構成に限定されるものではない。また、明細書に記載された「部」、「モジュール」などの用語は、少なくとも１つの機能や動作を処理する単位を意味し、これはハードウェアまたはソフトウェアで実装されるか、またはハードウェアとソフトウェアとの組み合わせで実装されることができる。

また、図面に示された構成要素間の接続線または接続部材は、機能的なおよび／または物理的或いは回路的な接続を例示的に示すものである。実際の装置では、代替可能であるかまたは追加された様々な機能的な接続、物理的な接続、または回路接続によって構成要素間の接続を示してもよい。

以下では、図面を参照し、本発明の実施例を詳細に説明する。

図１Ａおよび図１Ｂは、一実施例に係る電力用半導体素子を説明するための例示的な図である。

電力用半導体素子は、電力の変換や制御に最適化された素子であり、半導体切替用途に使用される。

電力用半導体素子は、整流ダイオード、パワーＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、またはＧＴＯ（Ｇａｔｅ Ｔｕｒｎ－Ｏｆｆ ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ）であってもよいが、これらに限定されない。

図１Ａを参照すると、電力用半導体素子の例としてＩＧＢＴ１が示される。図１Ａは、ＩＧＢＴ１の例示的な回路図であり、ＩＧＢＴ１の回路図が多様に変形され得ることは、当該技術分野の通常の技術者であれば分かるであろう。

ＩＧＢＴ１は、ＭＯＳＦＥＴ２およびトランジスタ３（例えば、ＰＮＰトランジスタ）を組み合わせて作製した電力用半導体素子である。ＩＧＢＴ１は、ＭＯＳＦＥＴ素子の速い切替速度およびＧＴＯ素子の大電流通電特性を有する。

ＩＧＢＴ１は、ゲートＧと、コレクタＣと、エミッタＥとで構成される。ＩＧＢＴ１の通電時に、コレクタＣとエミッタＥとの間に発生する電圧Ｖ_ＣＥの関係式は、以下の数式１で表される。

数式１のＶ_ＢＥは、トランジスタ３のベースＢとエミッタＥとの間の電圧［Ｖ］、Ｉ_ＭＯＳは、ＭＯＳＦＥＴ２のドレイン（ｄｒａｉｎ）電流［Ａ］、Ｒ_Ｓは、Ｎ－領域の伝導度調節による抵抗、またＲ_ＣＨは、ＭＯＳＦＥＴ２の導通抵抗（または、Ｏｎ抵抗）を示す。

ＩＧＢＴ１の通電時に、コレクタＣとエミッタＥとの間に発生する電圧Ｖ_ＣＥによる電流Ｉ_ＣＥの換算式は、以下の数式２で表される。

数式２のＲ_ＯＮは、ＩＧＢＴ１の導通抵抗を示す。一方、ＩＧＢＴ１の導通抵抗は、温度の影響を受けるので、温度補正値を使用してもよい。

上記の数式１および数式２を参照すると、ＩＧＢＴ１の導通抵抗が一定である場合、電圧Ｖ_ＣＥは電流Ｉ_ＣＥに比例することが分かる。

上記の数式１および数式２に対するＩＧＢＴメーカーの定格電流が７０であるＩＧＢＴ素子のデータシート（ｄａｔａ ｓｈｅｅｔ）は、図１Ｂと同様である。

図１Ｂのグラフ４を通して、ＩＧＢＴのゲートＧおよびエミッタＥに駆動電圧ＶＧＥ１５Ｖを印加し、ＩＧＢＴの導通（Ｏｎ）時、コレクタＣからエミッタＥへ流れる電流ＩＣの値に対するコレクタＣとエミッタＥとの間の電圧Ｖ_ＣＥの値を確認することができる。言い換えれば、グラフ４を通して直流電圧Ｖ_ＣＥと直流電流ＩＣとの相関関係が分かる。

本開示では、ＩＧＢＴ１を導通（ｏｎ）させた後、ＩＧＢＴ１の電圧Ｖ_ＣＥ（または、電流Ｉ_ＣＥ）と既に設定された閾値とを比較し、直流回路の過負荷電流、短絡電流、地絡電流、および電源（バッテリー）の内部で発生するフラッシュオーバー（Ｆｌａｓｈ ｏｖｅｒ）を検出し、直流回路を遮断する方法および装置が提供される。

図２は、一実施例に係る直流系統の遮断装置を含む回路図の例示的な図である。

図２を参照すると、電源１０は、直流電源であり、電源１０側から負荷２０側に直流電源が供給されてもよい。電源１０側および負荷２０は、直流系統の線路によって接続され、電源１０側と負荷２０側との間に直流系統の遮断装置が位置してもよい。

直流系統の遮断装置は、半導体切替回路１００を含んでもよい。半導体切替回路１００は、電力用半導体素子１０１および測定器１０２を含んでもよい。

電力用半導体素子１０１は、整流ダイオード、パワーＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ、またはＧＴＯであってもよいが、これらに限定されない。図２において、電力用半導体素子１０１は、ＩＧＢＴであることを前提にした。

測定器１０２は、電力用半導体素子１０１の電気的特性値を測定してもよい。一実施例において、測定器１０２は、電圧測定器であり、電力用半導体素子１０１の両端にかかる電圧を測定してもよい。例えば、測定器１０２は、電力用半導体素子１０１の導通抵抗によりコレクタＣとエミッタＥとの間に発生する電圧Ｖ_ＣＥを測定してもよい。他の実施例において、測定器１０２は、電流測定器であり、電力用半導体素子１０１に流れる電流を測定してもよい。他の実施例において、別の測定器１０２を使用せずに、電力用半導体素子１０１の電気的特性値を直接に制御部３００に入力してもよい。図２では、測定器１０２が電圧測定器であることを前提にした。

一方、半導体切替回路１００は、例示的な回路図であり、半導体切替回路１００に、様々な素子がさらに含まれてもよいことを、当該技術分野の通常の技術者であれば分かるであろう。

直流系統の遮断装置は、ゲートコントロール（Ｇａｔｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ）２００をさらに含んでもよい。ゲートコントロール２００は、電力用半導体素子１０１の駆動電圧または駆動電流を調節し、電力用半導体素子１０１の導通（ｏｎ）および遮断（ｏｆｆ）を制御してもよい。

直流系統の遮断装置は、制御部３００をさらに含んでもよい。制御部３００は、直流系統の遮断装置を駆動するための全体的な機能を制御する役割を果たす。

制御部３００は、測定器１０２で測定した電力用半導体素子１０１の電気的特性値に基づいて、過負荷電流、短絡電流、地絡電流、およびフラッシュオーバーの少なくともいずれか一つを検出してもよい。

一実施例において、測定器１０２で測定した電力用半導体素子１０１の電気的特性値（例えば、両端にかかる電圧値）が第１閾値以上である場合、制御部３００は、直流系統の線路に過負荷電流が流れると判断し、ゲートコントロール２００を制御することにより、電力用半導体素子１０１を遮断してもよい。

閾値は、ＩＥＣ標準による過電流遮断器（産業用、６３Ａ以下）を基準にすると、第１閾値は、定格電流の１．３倍である場合、６０分以内に遮断する電流値であり、第２閾値は、定格電流の１０倍である場合、０．２秒以内に遮断する電流値であり、第３閾値は、対地電圧１２０［Ｖ］に換算された絶対値である場合、０．１秒以内に遮断する電流値である。このような閾値は、一例に過ぎず、閾値はＫＳ Ｃ ＩＥＣ標準および認証基準などによって変更され得る。

また、測定器１０２で測定した電力用半導体素子１０１の電気的特性値（例えば、両端にかかる電圧値）が第２閾値以上である場合、制御部３００は、直流系統の線路に短絡電流が流れると判断し、ゲートコントロール２００を制御することにより、電力用半導体素子１０１を遮断してもよい。

また、制御部３００は、測定器１０２で電力用半導体素子１０１の電気的特性に対する波形を検出し、検出した波形に基づいて、電源１０側および負荷２０側にフラッシュオーバーが発生したと判断してもよい。電源１０側および負荷２０側にフラッシュオーバーが発生した場合、制御部３００は、ゲートコントロール２００を制御することにより、電力用半導体素子１０１を遮断してもよい。

具体的には、制御部３００は、測定器１０２によって測定された電力用半導体素子１０１の通電時のコレクタＣとエミッタＥとの間に発生する電圧Ｖ_ＣＥの波形を測定してもよい。制御部３００は、測定された波形が既に記憶されたフラッシュオーバー検出波形に対応する場合、制御部３００は、ゲートコントロール２００を制御することにより、電力用半導体素子１０１を遮断してもよい。例えば、既に記憶されたフラッシュオーバー検出波形は、パルス波の形態であることができるが、これらに限定されない。

一方、制御部３００およびゲートコントロール２００は、別のハードウェアで動作するか、またはゲートコントロール２００が制御部３００に含まれて１つのハードウェアとして動作してもよい。

直流系統の遮断装置は、機械式開閉接点４０１および４０２をさらに含んでもよい。電力用半導体素子１０１の特性により、電力用半導体素子１０１が遮断（ｏｆｆ）された状態でも、電力用半導体素子１０１のコレクタＣからエミッタＥへリーク電流（Ｌｅａｋａｇｅ Ｃｕｒｒｅｎｔ）が流れることができる。本開示では、機械式開閉接点４０１および４０２を利用し、リーク電流を遮断することができる。

一実施例において、制御部３００が、電源１０側から電力の供給を受けた場合、機械式開閉接点４０１および４０２が導通状態であるか否かを判断することができる。機械式開閉接点４０１および４０２が導通状態である場合、制御部３００は、ゲートコントロール２００を制御することにより、電力用半導体素子１０１を導通してもよい。言い換えれば、電源１０側から負荷２０側に直流電源が供給される場合、機械式開閉接点４０１および４０２が導通された後、電力用半導体素子１０１が導通されてもよい。これにより、機械式開閉接点４０１および４０２におけるアーク（Ａｒｃ）の発生を防止することができる。

一方、制御部３００が過負荷電流、短絡電流、地絡電流、およびフラッシュオーバーのいずれか一つを検出した場合、制御部３００が、ゲートコントロール２００を制御することにより、電力用半導体素子１０１を遮断した後、機械式開閉接点４０１および４０２が遮断されてもよい。 言い換えれば、制御部３００が過負荷電流、短絡電流、およびフラッシュオーバーのいずれか一つを検出した場合、電力用半導体素子１０１が遮断された後、機械式開閉接点４０１および４０２が遮断されてもよい。これにより、機械式開閉接点４０１および４０２におけるアーク（Ａｒｃ）の発生を防止することができる。

直流系統の遮断装置は、Ｃ－ｐｏｗｅｒ５００をさらに含んでもよい。Ｃ－ｐｏｗｅｒ５００は、太陽光発電のストリング電圧やバッテリーの充放電電圧など、変動する直流電圧および公共直流配電系統より供給される公称電圧から制御部３００に安定した直流定格電圧を供給してもよい。

図３は、一実施例に係る半導体切替回路の例示的な図である。

図３を参照すると、半導体切替回路１００は、電力用半導体素子１０１および測定器１０２を含んでもよい。

電力用半導体素子１０１は、整流ダイオード、パワーＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ、またはＧＴＯであってもよいが、これらに限定されない。図３において、電力用半導体素子１０１は、ＩＧＢＴであることを前提にした。

測定器１０２は、電力用半導体素子１０１の電気的特性値を測定してもよい。一実施例において、測定器１０２は、電圧測定器であり、電力用半導体素子１０１の両端にかかる電圧を測定してもよい。例えば、測定器１０２は、電力用半導体素子１０１の導通抵抗によりコレクタＣとエミッタＥとの間に発生する電圧Ｖ_ＣＥを測定してもよい。他の実施例において、測定器１０２は、電流測定器であり、電力用半導体素子１０１に流れる電流を測定してもよい。図３では、測定器１０２が電圧測定器であることを前提にした。

半導体切替回路１００は、サージ保護装置（ＳＰＤ（Ｓｕｒｇｅ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｖｅ Ｄｅｖｉｃｅ））１０３をさらに含んでもよい。

サージ保護装置１０３は、電力用半導体素子１０１が遮断され、電源１０から負荷２０への直流電源の供給が中断される場合、負荷２０側のインダクタンスによって発生する可能性のある過電圧（逆起電圧）から、電力用半導体素子１０１を保護するために、過電圧を一定電圧以下に制限する装置である。

半導体切替回路１００は、スナバ回路（Ｓｎｕｂｂｅｒ Ｃｉｒｃｕｉｔ）１０４をさらに含んでもよい。

スナバ回路１０４は、電源１０が停電（Ｉｎｔｅｒｒｕｐｔｉｏｎ）後、復電（Ｒｅ－ｓｕｐｐｌｙ）されるとき、突入電流（Ｉｎｒｕｓｈ Ｃｕｒｒｅｎｔ）から電力用半導体素子１０１を保護するための回路である。

一方、図３に示された半導体切替回路１００は、例示的な回路図であり、半導体切替回路１００のいくつかの素子が省略されるか、または別の素子がさらに含まれ得ることを、当該技術分野の通常の技術者であれば分かるであろう。

図４は、一実施例に係る直流系統の遮断装置を含む回路図の例示的な図である。

図４を参照すると、電源１０は、直流電源であり、電源１０側から負荷２０側へ直流電源が供給されてもよい。電源１０側および負荷２０は、直流系統の線路によって接続され、電源１０側と負荷２０側との間に直流系統の遮断装置が位置してもよい。

直流系統の遮断装置は、第１半導体切替回路１００と第２半導体切替回路６００を含んでもよい。第１半導体切替回路１００は、第１電力用半導体素子１０１および第１測定器１０２を含んでもよい。また、第２半導体切替回路６００は、第２電力用半導体素子６０１および第２測定器６０２を含んでもよい。

第１電力用半導体素子１０１および第２電力用半導体素子６０１は、整流ダイオード、パワーＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ、またはＧＴＯであってもよいが、これらに限定されない。図４において、第１電力用半導体素子１０１および第２電力用半導体素子６０１は、ＩＧＢＴであることを前提にした。

第１測定器１０２および第２測定器６０２のそれぞれは、第１電力用半導体素子１０１および第２電力用半導体素子６０１の電気的特性値を測定することができる。

一実施例において、第１測定器１０２および第２測定器６０２は、電圧測定器であり、それぞれ第１電力用半導体素子１０１および第２電力用半導体素子６０１の両端にかかる電圧を測定してもよい。例えば、第１測定器１０２は、第１電力用半導体素子１０１の導通抵抗によりコレクタＣとエミッタＥとの間に発生する電圧Ｖ_ＣＥを測定してもよい。同様に、第２測定器６０２は、第２電力用半導体素子６０１の導通抵抗によりコレクタＣとエミッタＥとの間に発生する電圧Ｖ_ＣＥを測定してもよい。

他の実施例において、第１測定器１０２は、電流測定器であり、第１電力用半導体素子１０１に流れる電流を測定してもよい。第２測定器６０２は、電流測定器であり、第２電力用半導体素子６０１に流れる電流を測定してもよい。または、第１測定器１０２および第２測定器６０２のいずれか一つは、電圧測定器であってもよく、他の一つは、電流測定器であってもよい。

図４では、第１測定器１０２および第２測定器６０２が電圧測定器であることを前提にした。

一方、第１半導体切替回路１００および第２半導体切替回路６００は、例示的な回路図であり、第１半導体切替回路１００および第２半導体切替回路６００に、様々な素子がさらに含まれてもよいことを、当該技術分野の通常の技術者であれば分かるであろう。

直流系統の遮断装置は、ゲートコントロール２００をさらに含んでもよい。ゲートコントロール２００は、第１電力用半導体素子１０１および第２電力用半導体素子６０１の駆動電圧または駆動電流を調節し、第１電力用半導体素子１０１および第２電力用半導体素子６０１の導通（ｏｎ）および遮断（ｏｆｆ）を制御してもよい。

直流系統の遮断装置は、制御部３００をさらに含んでもよい。制御部３００は、第１測定器１０２で測定した第１電力用半導体素子１０１の電気的特性値と、第２測定器６０２で測定した第２電力用半導体素子６０１の電気的特性値に基づいて、過負荷電流、短絡電流、地絡電流、およびフラッシュオーバーの少なくともいずれか一つを検出してもよい。

一実施例において、制御部３００は、第１測定器１０２および第２測定器６０２のいずれか一つの測定器で測定した電力用半導体素子の電気的特性値に基づいて、過負荷電流、短絡電流、地絡電流、およびフラッシュオーバーの少なくともいずれか一つを検出してもよい。以下では、第２測定器６０２で測定した第２電力用半導体素子６０１の電気的特性値に基づいて、過負荷電流、短絡電流、地絡電流、およびフラッシュオーバーの少なくともいずれか一つを検出する方法に対して説明する。

第２測定器６０２で測定した第２電力用半導体素子６０１の電気的特性値（例えば、両端にかかる電圧値）が第１閾値以上である場合、制御部３００は、直流系統の線路に過負荷電流が流れると判断し、ゲートコントロール２００を制御することにより、第２電力用半導体素子６０１を遮断してもよい。

また、第２測定器６０２で測定した第２電力用半導体素子６０１の電気的特性値（例えば、両端にかかる電圧値）が第２閾値以上である場合、制御部３００は、直流系統の線路に短絡電流が流れると判断し、ゲートコントロール２００を制御することにより、第２電力用半導体素子６０１を遮断してもよい。

また、制御部３００は、第２測定器６０２で第２電力用半導体素子６０１の電気的特性に対する波形を検出し、検出した波形に基づいて、電源１０側および／または負荷２０側にフラッシュオーバーが発生したと判断してもよい。電源１０側および／または負荷２０側にフラッシュオーバーが発生した場合、制御部３００は、ゲートコントロール２００を制御することにより、第２電力用半導体素子６０１を遮断してもよい。

一実施例において、制御部３００は、第１測定器１０２および第２測定器６０２のそれぞれによって測定した第１電力用半導体素子１０１の電気的特性値と、第２測定器６０２で測定した第２電力用半導体素子６０１の電気的特性値に基づいて、地絡電流を検出してもよい。

例えば、制御部３００は、第１測定器１０２で測定した第１電力用半導体素子１０１の第１電圧値と、第２測定器６０２で測定した第２電力用半導体素子６０１の第２電圧値と間の差（ｓｕｂｔｒａｃｔｉｏｎ）の絶対値を算出することができる。

算出した絶対値が第３閾値以上である場合、制御部３００は、直流系統の線路に地絡電流が流れると判断し、ゲートコントロール２００を制御することにより、第１電力用半導体素子１０１および第２電力用半導体素子６０１を遮断してもよい。

直流系統の遮断装置は、第１機械式開閉接点４０１および第２機械式開閉接点４０２をさらに含んでもよい。第１電力用半導体素子１０１および第２電力用半導体素子６０１の特性により、第１電力用半導体素子１０１または第２電力用半導体素子６０１が遮断（ｏｆｆ）された状態でも、第１電力用半導体素子１０１または第２電力用半導体素子６０１のコレクタＣからエミッタＥへリーク電流（Ｌｅａｋａｇｅ Ｃｕｒｒｅｎｔ）が流れることができる。本開示では、第１機械式開閉接点４０１および第２機械式開閉接点４０２を利用し、リーク電流を遮断することができる。

一実施例において、制御部３００が、電源１０側から電力の供給を受けた場合、第１機械式開閉接点４０１および第２機械式開閉接点４０２が導通状態であるか否かを判断することができる。 第１機械式開閉接点４０１および第２機械式開閉接点４０２が導通状態である場合、制御部３００は、ゲートコントロール２００を制御することにより、第１電力用半導体素子１０１または第２電力用半導体素子６０１を導通してもよい。言い換えれば、電源１０側から負荷２０側に直流電源が供給される場合、第１機械式開閉接点４０１および第２機械式開閉接点４０２が導通された後、第１電力用半導体素子１０１または第２電力用半導体素子６０１が導通されてもよい。 これにより、機械式開閉接点４０１および４０２におけるアーク（Ａｒｃ）の発生を防止することができる。

一方、制御部３００が過負荷電流、短絡電流、フラッシュオーバー、および地絡電流のいずれか一つを検出した場合、制御部３００が、ゲートコントロール２００を制御することにより、第１電力用半導体素子１０１または第２電力用半導体素子６０１を遮断した後、第１機械式開閉接点４０１および第２機械式開閉接点４０２が遮断されてもよい。言い換えれば、制御部３００が過負荷電流、短絡電流、地絡電流、およびフラッシュオーバーのいずれか一つを検出した場合、第１電力用半導体素子１０１または第２電力用半導体素子６０１が遮断された後、第１機械式開閉接点４０１および第２機械式開閉接点４０２が遮断されてもよい。これにより、機械式開閉接点４０１および４０２におけるアーク（Ａｒｃ）の発生を防止することができる。

直流系統の遮断装置は、メモリ（図示せず）をさらに含んでもよい。制御部３００は、過負荷、地絡事故、フラッシュオーバーなどが発生したとき、事件（ｅｖｅｎｔ）の種類および事件の発生時刻（年、月、日、時、分、秒）をメモリ（図示せず）に記録することができる。

制御部３００は、電源供給がなくても、長時間安定して記憶することができるＥＥＰＲＯＭ、Ｆｌａｓｈ Ｍｅｍｏｒｙなどのメモリ（図示せず）に事件の種類および事件の発生時刻を記録し、その後、メモリ（図示せず）に格納されたデータを利用して、事故原因を分析することができる。

図５は、一実施例に係る直流系統の遮断装置の動作方法を示すフローチャートである。

図５を参照すると、ステップ５１０で直流系統の遮断装置は、第１測定器で測定した第１電力用半導体素子の電気的特性値を受信することができる。

第１電力用半導体素子１０１は、整流ダイオード、パワーＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ、またはＧＴＯであってもよいが、これらに限定されない。

第１測定器は、第１電力用半導体素子の電気的特性値を測定してもよい。一実施例において、第１測定器は、電圧測定器であり、第１電力用半導体素子の両端にかかる電圧を測定してもよい。 例えば、第１測定器は、第１電力用半導体素子の導通抵抗によりコレクタＣとエミッタＥとの間に発生する電圧Ｖ_ＣＥを測定してもよい。他の実施例において、第１測定器は、電流測定器であり、第１電力用半導体素子に流れる電流を測定してもよい。

ステップ５２０において、直流系統の遮断装置は、受信した電気的特性値に基づいて、過負荷電流、短絡電流、地絡電流、およびフラッシュオーバーの少なくともいずれか一つを検出してもよい。

第１測定器で測定した上記の第１電力用半導体素子の電気的特性値が第１閾値以上である場合、直流系統の遮断装置は、直流系統の線路に過負荷電流が流れると判断してもよい。

また、第１測定器で測定した第１電力用半導体素子の電気的特性値が第２閾値以上である場合、直流系統の遮断装置は、直流系統の線路に短絡電流が流れると判断してもよい。

また、直流系統の遮断装置は、第１測定器から第１電力用半導体素子の電気的特性に対する波形を検出し、検出した波形に基づいて、電源側にフラッシュオーバーが発生したと判断してもよい。

ステップ５３０において、直流系統の遮断装置は、検出結果に基づいて、第１電力用半導体素子の駆動電圧または駆動電流を調節することにより、第１電力用半導体素子を遮断してもよい。

直流系統の遮断装置は、ゲートコントロールを用いてもよい。直流系統の遮断装置は、ゲートコントロールを用いて、第１電力用半導体素子の駆動電圧または駆動電流を調節することにより、第１電力用半導体素子を遮断してもよい。

一方、過負荷電流、短絡電流、およびフラッシュオーバーのいずれか一つを検出した場合、直流系統の遮断装置が第１電力用半導体素子を遮断した後、第１機械式開閉接点が遮断されてもよい。

一実施例において、直流系統の遮断装置は、第２測定器で測定した第２電力用半導体素子の電気的特性値を受信してもよい。第２測定器および第２電力用半導体素子に対する説明は、第１測定器および第１電力用半導体素子に対する説明と同様であるので省略する。

直流系統の遮断装置は、第１電力用半導体素子の電気的特性値および第２電力用半導体素子の電気的特性値に基づいて地絡電流を検出してもよい。

例えば、直流系統の遮断装置は、第１測定器で測定した第１電力用半導体素子の第１電圧値と、第２測定器で測定した第２電力用半導体素子の第２電圧値との差の絶対値を算出することができる。

算出した絶対値が第３閾値以上である場合、直流系統の遮断装置は、直流系統の線路に地絡電流が流れると判断し、第１電力用半導体素子および第２電力用半導体素子を遮断してもよい。

一方、地絡電流を検出した場合、直流系統の遮断装置が第１電力用半導体素子および第２電力用半導体素子を遮断した後、第１機械式開閉接点および第２機械式開閉接点が遮断されてもよい。

上述した方法は、コンピュータで実行し得るプログラムで作成可能であり、コンピュータで読み取り可能な記録媒体を用いて上記のプログラムを動作させる汎用デジタルコンピュータで実装することができる。また、上述した方法で使用されたデータの構造は、様々な手段を通して、コンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録され得る。上記のコンピュータで読み取り可能な記録媒体は、磁気記憶媒体（例えば、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＵＳＢ、フロッピーディスク（登録商標）、ハードディスクなど）、光学的読取媒体（例えば、ＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤなど）などの記憶媒体を含む。

前述した本明細書の説明は、例示のためのものであり、本明細書の内容が属する技術分野で通常の知識を有する者は、本発明がその技術的思想や必須の特徴を変更せず、他の具体的な形に用意に変形可能であることを理解するであろう。したがって、前述した実施例は、全ての面で例示的なものであり、限定するものではないことを理解するべきである。例えば、単一形で説明されている各構成要素は、分散されて実施されることができ、同様に、分散されたものと説明されている構成要素も、組み合わせた形態で実施されることができる。

本実施例の範囲は、上記の詳細な説明より、後述する特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲の意味および範囲、またその均等概念から導き出される全ての変更または変形された形態を含むものとして解釈されるべきである。

Claims (14)

1. 直流系統の遮断装置であって、
   第１電力用半導体素子と、前記第１電力用半導体素子の電気的特性値を測定する第１測定器とを含む第１半導体切替回路と、
   前記第１電力用半導体素子の駆動電圧または駆動電流を調節し、前記第１電力用半導体素子の導通（ｏｎ）および遮断（ｏｆｆ）を制御するゲートコントロール（Ｇａｔｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ）と、
   制御部と、を含み、
   前記制御部は、前記第１測定器で測定した前記第１電力用半導体素子の電気的特性値に基づいて、過負荷電流、短絡電流、およびフラッシュオーバー（ｆｌａｓｈ ｏｖｅｒ）の少なくともいずれか一つを検出し、前記検出結果に基づいて前記ゲートコントロールを制御することにより、前記第１電力用半導体素子を遮断する、直流系統の遮断装置。
2. 前記制御部は、前記第１測定器で測定した前記第１電力用半導体素子の電気的特性値が第１閾値以上である場合、直流系統の線路に過負荷電流が流れると判断し、前記ゲートコントロールを制御することにより、前記第１電力用半導体素子を遮断する、請求項１に記載の直流系統の遮断装置。
3. 前記制御部は、前記第１測定器で測定した前記第１電力用半導体素子の電気的特性値が第２閾値以上である場合、直流系統の線路に短絡電流が流れると判断し、前記ゲートコントロールを制御することにより、前記第１電力用半導体素子を遮断する、請求項１に記載の直流系統の遮断装置。
4. 前記制御部は、前記第１測定器から前記第１電力用半導体素子の電気的特性に対する波形を検出し、前記検出した波形に基づいて電源側および／または負荷側にフラッシュオーバーが発生したと判断し、前記ゲートコントロールを制御することにより、前記第１電力用半導体素子を遮断する、請求項１に記載の直流系統の遮断装置。
5. 第２電力用半導体素子と、前記第２電力用半導体素子の電気的特性値を測定する第２測定器とを含む第２半導体切替回路をさらに含み、前記制御部は、前記第１測定器で測定した前記第１電力用半導体素子の電気的特性値と、前記第２測定器で測定した前記第２電力用半導体素子の電気的特性値との差の絶対値が第３閾値以上である場合、直流系統の線路に地絡電流が流れると判断し、前記ゲートコントロールを制御することにより、前記第１電力用半導体素子および前記第２電力用半導体素子を遮断する、請求項１に記載の直流系統の遮断装置。
6. 前記直流系統の遮断装置は、機械式開閉接点をさらに含み、前記第１電力用半導体素子および前記第２電力用半導体素子の少なくともいずれか一つが遮断された後、前記機械式開閉接点が遮断される、請求項２～請求項５のいずれか１項に記載の直流系統の遮断装置。
7. 前記第１測定器は、前記第１電力用半導体素子の両端にかかる電圧を測定する電圧測定器または前記第１電力用半導体に流れる電流を測定する電流測定器のいずれか一つである、請求項１に記載の直流系統の遮断装置。
8. 前記第２測定器は、前記第２電力用半導体素子の両端にかかる電圧を測定する電圧測定器または前記第２電力用半導体に流れる電流を測定する電流測定器のいずれか一つである、請求項５に記載の直流系統の遮断装置。
9. 前記直流系統の遮断装置は、機械式開閉接点をさらに含み、前記制御部は、電源側から電力の供給を受けた場合、前記機械式開閉接点が導通状態であるか否かを判断し、前記機械式開閉接点が導通状態である場合、前記ゲートコントロールを制御することにより、前記第１電力用半導体素子を導通する、請求項１に記載の直流系統の遮断装置。
10. 前記第１半導体切替回路は、サージ保護装置（ＳＰＤ（Ｓｕｒｇｅ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｖｅ Ｄｅｖｉｃｅ））と、スナバ回路（Ｓｎｕｂｂｅｒ Ｃｉｒｃｕｉｔ）とをさらに含む、請求項１に記載の直流系統の遮断装置。
11. 前記直流系統の遮断装置は、メモリをさらに含み、前記制御部は、過負荷電流、短絡電流、フラッシュオーバー、および地絡電流のいずれか一つが検出されたとき、事件（ｅｖｅｎｔ）の種類および事件の発生時刻を前記メモリに記録する、請求項２～請求項５のいずれか１項に記載の直流系統の遮断装置。
12. 直流系統の遮断装置の動作方法であって、
    第１測定器で測定した第１電力用半導体素子の電気的特性値を受信するステップと、
    前記受信した電気的特性値に基づいて、過負荷電流、短絡電流、およびフラッシュオーバーの少なくともいずれか一つを検出するステップと、
    前記検出結果に基づいて、前記第１電力用半導体素子の駆動電圧または駆動電流を調節することにより、前記第１電力用半導体素子を遮断するステップと、を含む方法。
13. 前記の方法は、第２測定器で測定した第２電力用半導体素子の電気的特性値を受信するステップと、前記第１電力用半導体素子の電気的特性値および前記第２電力用半導体素子の電気的特性値に基づいて地絡電流を検出するステップと、をさらに含み、
    前記遮断するステップは、前記検出結果に基づいて、前記第１電力用半導体素子および前記第２電力用半導体素子の駆動電圧または駆動電流を調節することにより、前記第１電力用半導体素子および前記第２電力用半導体素子を遮断するステップを含む、請求項１２に記載の方法。
14. 請求項１２に記載の方法をコンピュータで実行するためのプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。

Images