JP2024027980A

JP2024027980A - 遮断器

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Publication number: JP2024027980A
Application number: JP2022131243A
Authority: JP
Inventors: 明彦岩田
Original assignee: Osaka Sangyo University
Current assignee: Osaka Sangyo University
Priority date: 2022-08-19
Filing date: 2022-08-19
Publication date: 2024-03-01
Also published as: WO2024038751A1

Abstract

【課題】軽量化しつつ、故障率を低くできる遮断器を提供する。【解決手段】遮断器１は、第１双方向半導体スイッチＳ１を含む第１回路Ｃ１と、第２双方向半導体スイッチＳ２を含む第２回路Ｃ２と、を備える。第１回路Ｃ１において、第１双方向半導体スイッチＳ１に直列に接続される第１機械式スイッチＭ１が設けられる。正常動作時は、第１双方向半導体スイッチＳ１及び第１機械式スイッチＭ１をオンして、第１回路Ｃ１に常時電流を流す。負荷２が故障した場合は、第１双方向半導体スイッチＳ１をオフにして過電流を遮断する。第１双方向半導体スイッチＳ１が故障した場合は、第１機械式スイッチＭ１を開放動作して、負荷２の常時電流を第２回路Ｃ２に流す。【選択図】図１

Description

本発明は、半導体素子で構成されたスイッチを含む遮断器に関するものである。

電源グリッドに関する研究開発の代表的なものとしては、例えば、ＮＡＳＡのＮ３－Ｘがある（非特許文献１）。Ｎ３－Ｘのような電動航空機のグリッドシステムは一部の機器が故障した場合でも、残った健全な機器で運航継続ができるよう、事故点を速やかに切り離し、接続切替えができるように構成されている。このような切替え構成を有するグリッドシステムでは、故障電流を抑制して切り離す限流・遮断器がキーパーツとなる。例えば、電動航空機のグリッドシステムでは、ＤＣ（直流）配電が検討されているから、ＤＣの遮断器であるＤＣ回路ブレーカは重要なパーツと位置付けられる。ＤＣ電流の波形は、ＡＣと異なり、ゼロ点を通らないため、ＤＣ電流の遮断は、ＡＣに比べて、困難を伴うことが多い。

ＤＣの限流・遮断器の研究は、主に再生可能エネルギーを活用したマイクログリッドの分野が先行している（非特許文献２）。非特許文献２では、ＤＣ回路ブレーカの７つの方式が紹介されている。そのうちの１つとして、Ｆｉｇ．４には、機械式スイッチと、半導体ブランチと、バリスタとを並列に接続した従来型ハイブリッド回路ブレーカが記載されている。この回路ブレーカでは、正常動作時には、機械式スイッチに電流が流れる。故障が検出されると、機械式スイッチが開放動作して、そのアーク電圧により、電流が機械式スイッチから半導体ブランチへ転流する。半導体は、機械式スイッチが、全システム電圧をブロックするまで電流を導通する。その後、半導体がオフになり、バリスタが導通して、回路ブレーカで生じる電圧を一定レベルに保持する。この方式では、切り替え速度は、機械式スイッチに強く依存する。

また、非特許文献２のＦｉｇ．６には、プロアクティブハイブリッドＤＣ回路ブレーカが記載されている。このＤＣ回路ブレーカは並列に接続された２つのブランチを備える。１つ目のブランチは、正常動作時の電流パスである機械式スイッチとＬＣＳ（ＬｏａｄＣｏｍｍｕｔａｔｉｏｎＳｗｉｔｃｈ）である半導体スイッチ群とが直列に接続されたブランチである。２つ目のブランチは、メインブレーカである半導体スイッチ群が直列に接続されたブランチである。正常動作時は、機械式スイッチとＬＣＳがオンとなり、メインブレーカの半導体スイッチ群はオフとなる。故障が検出されると、ＬＣＳがオフされ、メインブレーカの半導体スイッチ群はオンとなる。ＬＣＳの電圧抑制回路が、機械式スイッチからメインブレーカへ電流を流すための電圧を充電し生成する。全ての電流がメインブレーカに流れると、機械式スイッチが開放される。機械式スイッチは、電流がほぼゼロなので高速に開放される。その後、メインブレーカの半導体スイッチ群がオフになる。この方式では、ＬＣＳにより、メインブレーカの半導体スイッチ群への転流（ｃｏｍｍｕｔａｔｉｏｎ）が先取りして（すなわちプロアクティブに）行われるため、機械式スイッチの遅延が補われる。なお、同様の構成の回路ブレーカが、国際公開第２０１１／０５７６７５号（特許文献１）にも記載されている。

国際公開第２０１１／０５７６７５号

"Stability, Transient Response, Control, and Safety of a High-Power Electric Grid for Turboelectric Propulsion of Aircraft", NASA/CR-2013-217865 X. Pei, et al, "A review of technologies for MVDC circuit breakers", IECON 2016 - 42nd Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society

遮断器の故障は、システムに壊滅的な影響を及ぼす場合がある。例えば、電動航空機では、遮断器は、推進系のように運航に関わる重要な部分に用いられる。そのため、遮断器は、故障発生時の航空機への影響度が「Ｃａｔａｓｔｒｏｐｈｉｃ」となり、設計保証レベル（ＤｅｓｉｇｎＡｓｓｕｒａｎｃｅＬｅｖｅｌ：ＤＡＬ）として、レベルＡが要求される可能性がある。この場合、遮断器による遮断機能の故障率が１０＾－９／ｈｏｕｒ未満であることが求められる。すなわち、遮断器が、１時間当たりの負荷の短絡電流を遮断できない確率が、１０＾－９／ｈｏｕｒ未満であることが求められる。上記の文献では、限流・遮断器の故障についてはほとんど触れられていない。

例えば、上記従来型ハイブリッド回路ブレーカにおいて、遮断機能の故障率を１０＾－９／ｈｏｕｒ未満にするためには、機械式スイッチの故障率と負荷の故障率との積、及び、半導体の故障率と負荷の故障率との積を、いずれも、１０＾－９／ｈｏｕｒ未満とする必要がある。負荷では、半導体が多数使用されるため、負荷の故障率は、１０＾－４／ｈｏｕｒ未満程度となることが多い。この場合、機械式スイッチ及び半導体の故障率を、１０＾－５／ｈｏｕｒ未満に設定する必要がある。機械式スイッチの故障率を１０＾－５／ｈｏｕｒ未満にするためには、可動部を堅牢する、及び、接点部の消耗を抑制する等の構成が必要になる。この場合、機械式スイッチは、大型で重量の大きなものになってしまう。

また、上記従来型ハイブリッド回路ブレーカでは、負荷の故障を検出してから半導体をオフにするまでの遮断時間は、機械式スイッチの動作時間と絶縁までの回復時間の合計によって決まる。文献等から、遮断時間は、５００μ秒程度である。遮断時間が、５００μ秒程度である場合、上昇する負荷短絡電流を抑えるため、遮断器の上流又は下流に大きな限流インダクタが必要となる。その結果、システム全体の重量が大きくなってしまう。

そこで、本開示は、軽量化しつつ、遮断機能の故障率を低くできる遮断器を提供することを目的とする。

本発明の実施形態における遮断器は、負荷に接続される遮断器である。前記遮断器は、第１双方向半導体スイッチを含む第１回路と、前記第１回路に並列に接続され、第２双方向半導体スイッチを含む第２回路と、を備える。
前記第１回路又は前記第２回路のうち少なくとも前記第１回路において、前記第１双方向半導体スイッチに直列に接続される第１機械式スイッチが設けられる。
正常動作時は、前記第１双方向半導体スイッチ及び前記第１機械式スイッチをオンして、前記第１回路に常時電流を流す。
前記負荷が故障した場合は、前記第１双方向半導体スイッチをオフにして過電流を遮断する。
前記第１双方向半導体スイッチが故障した場合は、前記第１機械式スイッチを開放動作して、前記負荷の常時電流を前記第２回路に流す。

実施形態１における遮断器の構成例を示す図。実施形態２における遮断器の構成例を示す図。実施形態３における遮断器の構成例を示す図。実施形態４における遮断器の構成例を示す図。図４に示す遮断器の動作例を説明するための図。実施形態５における遮断器の構成例を示す図。図６に示す遮断器の動作例を説明するための図。実施形態におけるＤＣグリッドシステムの構成例を示す図。

（構成１）
本発明の実施形態における遮断器は、負荷に接続される遮断器である。前記遮断器は、第１双方向半導体スイッチを含む第１回路と、前記第１回路に並列に接続され、第２双方向半導体スイッチを含む第２回路と、を備える。
前記第１回路又は前記第２回路のうち少なくとも前記第１回路において、前記第１双方向半導体スイッチに直列に接続される第１機械式スイッチが設けられる。
正常動作時は、前記第１双方向半導体スイッチ及び前記第１機械式スイッチをオンして、前記第１回路に常時電流を流す。
前記負荷が故障した場合は、前記第１双方向半導体スイッチをオフにして過電流を遮断する。
前記第１双方向半導体スイッチが故障した場合は、前記第１機械式スイッチを開放動作して、前記負荷の常時電流を前記第２回路に流す。

上記構成１では、並列に接続された双方向半導体スイッチの少なくとも一方である第１双方向半導体スイッチに、第１機械式スイッチが直列に接続される。正常動作時の常時電流は、第１機械式スイッチを流れる。負荷の故障が検出された場合は、第１機械式スイッチに直列に接続された第１双方向半導体スイッチをオフにすることで、負荷の故障による過電流（例えば、短絡電流）を遮断する。これにより、機械式スイッチによる遮断に比べて、遮断時間を短くできる。その結果、上流又は下流に設けられる限流のためのインダクタを小型化且つ軽量化できる。さらに、この構成では、負荷と第１機械式スイッチが同時に故障した場合であっても、第１双方向半導体スイッチをオフにすることで過電流をオフにできる。また、第１双方向半導体スイッチが単独で故障した場合は、第１機械式スイッチの開放動作により、常時電流を第２回路に流すことができる。このように、構成１では、第１機械式スイッチと負荷の同時故障、第１機械式スイッチの単独故障、第１双方向半導体スイッチの単独故障に対して、フェールセーフ機能を有する。これにより、遮断器に求められる遮断機能の故障率を達成するために必要な第１機械式スイッチの故障率のレベルを低くできる。そのため、第１機械式スイッチの軽量化が可能になる。結果として、遮断器を軽量化しつつ、遮断機能の故障率を低くすることが可能になる。

双方向半導体スイッチは、例えば、半導体スイッチ素子により構成される双方向スイッチとすることができる。半導体スイッチ素子には、例えば、IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）、IGCT（Integrated gate-commutated thyristor）、又は、MOSFET（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）等を用いることができる。例えば、２つの半導体トランジスタのソース同士を接続したものを双方向半導体スイッチとすることができる。

（構成２）
上記構成１において、前記第２回路は、前記第２双方向半導体スイッチに直列に接続される機械式スイッチを含まないように構成されてもよい。この場合、正常動作時は、前記第１双方向半導体スイッチ及び前記第１機械式スイッチをオンし、且つ、前記第２双方向半導体スイッチをオフして、前記第１回路に常時電流を流す。
前記負荷が故障した場合は、前記第１双方向半導体スイッチをオフにして過電流をオフする。
前記第１双方向半導体スイッチが故障した場合は、前記第１機械式スイッチを開放動作して、前記負荷の常時電流を前記第２回路へ流し、前記第１機械式スイッチの絶縁が回復した後に、当該第２双方向半導体スイッチをオフにする。

第１双方向半導体スイッチが故障した場合の常時電流の第２回路への転流時には、第１機械式スイッチにアークが発生する電圧は印加されない。そのため、第１機械式スイッチは、アーク電圧が印加される機械式スイッチに比べて、小型で軽量にできる。

（構成３）
本発明の実施形態における遮断器は、負荷に接続される遮断器である。前記遮断器は、第１双方向半導体スイッチを含む第１回路と、前記第１回路に並列に接続され、第２双方向半導体スイッチを含む第２回路と、を備える。
前記第１回路は、前記第１双方向半導体スイッチに直列に接続された第１機械式スイッチを含み、前記第２回路は、前記第２双方向半導体スイッチに直列に接続された第２機械式スイッチを含んでもよい。

構成３では、遮断器は、双方向半導体スイッチと機械式スイッチを直列に接続したブランチが並列に接続される構成である。この構成により、正常動作時に、常時電流を、並列に接続された２つの双方向半導体スイッチに分配することができる。そのため、半導体の導通損失を小さくできる。また、構成３は、負荷が故障した場合の、２つの双方向半導体スイッチによる過電流のオフに加え、負荷と機械式スイッチの同時故障、機械式スイッチの単独故障、双方向半導体スイッチの単独故障のいずれにも対してフェールセーフ動作が可能な構成である。そのため、構成３の遮断器によれば、軽量化及び故障率の低減に加えて、損失を小さくして効率を高めることができる。

上記構成３の遮断器は、
正常動作時は、前記第１機械式スイッチ及び前記第２機械式スイッチをオンし、且つ、前記第１双方向半導体スイッチ及び前記第２双方向半導体スイッチをオンして、常時電流を前記第１回路及び前記第２回路に流してもよい。
前記負荷が故障した場合は、前記第１双方向半導体スイッチ及び前記第２双方向半導体スイッチをオフにして過電流をオフしてもよい。
前記第１双方向半導体スイッチが故障した場合は、前記第１機械式スイッチを開放動作して、前記負荷の常時電流を前記第２回路に流し、その後、正常動作を継続するか、又は、前記第１機械式スイッチの絶縁が回復した後に、前記第２双方向半導体スイッチをオフにすることができる。
前記第２双方向半導体スイッチが故障した場合は、前記第２機械式スイッチを開放動作して、前記負荷の常時電流を前記第１回路に流し、その後、正常動作を継続するか又は、前記第２機械式スイッチの絶縁が回復した後に、前記第１双方向半導体スイッチをオフにすることができる。

構成１の遮断器において、前記第１回路は、前記第１双方向半導体スイッチに直列に接続された前記第１機械式スイッチを含み、前記第２回路は、前記第２双方向半導体スイッチに直列に接続された第３双方向半導体スイッチを含んでもよい。この場合、正常動作時は、前記第１機械式スイッチ及び前記第１双方向半導体スイッチをオンし、且つ、前記第２双方向半導体スイッチ及び前記第３双方向半導体スイッチをオンして、常時電流を前記第１回路及び前記第２回路に流してもよい。
前記負荷が故障した場合は、前記第１双方向半導体スイッチ、前記第２双方向半導体スイッチ及び前記第３双方向半導体スイッチをオフにすることができる。
前記第１双方向半導体スイッチが故障した場合は、前記第１機械式スイッチを開放動作して、前記負荷の常時電流を前記第２回路に流し、その後、正常動作を継続するか又は、前記第１機械式スイッチの絶縁が回復した後に、前記第２双方向半導体スイッチ及び前記第３双方向半導体スイッチの少なくとも１つをオフにすることができる。
前記第２双方向半導体スイッチが故障した場合は、前記第３双方向半導体スイッチをオフして、前記負荷の常時電流を前記第１回路に流し正常動作を継続するか、又は、前記第３双方向半導体スイッチ及び前記第１双方向半導体スイッチをオフにすることができる。
前記第３双方向半導体スイッチが故障した場合は、前記第２双方向半導体スイッチをオフして、前記負荷の常時電流を前記第１回路に流して正常動作を継続するか、又は、前記第２双方向半導体スイッチ及び前記第１双方向半導体スイッチをオフにすることができる。

構成５において、正常動作時に、常時電流を、第１双方向半導体スイッチと、第２及び第３双方向半導体スイッチとに分配することができる。そのため、半導体の導通損失を小さくできる。また、構成５では、負荷が故障した場合に、第１～第３双方向半導体スイッチをオフにすることで過電流がオフされる。負荷と第１機械式スイッチが同時故障した場合、及び、第１機械式スイッチが故障した場合も、同様に、第１～第３双方向半導体スイッチをオフすることで、フェールセーフ動作を実行できる。また、第１～第３双方向半導体スイッチのいずれかが単独故障した場合もフェールセーフ動作が可能である。そのため、構成５の遮断器によれば、軽量化及び故障率の低減に加えて、損失を小さくして効率を高めることができる。

（構成６）
本発明の実施形態における遮断器は、負荷に接続される遮断器であって、第１双方向半導体スイッチを含む第１回路と、前記第１回路に並列に接続され、第２双方向半導体スイッチを含む第２回路と、を備える。前記負荷の故障率と前記第１双方向半導体スイッチの故障率の積が、１０＾－９／ｈｏｕｒ未満であり、前記負荷の故障率と前記第２双方向半導体スイッチの故障率の積が、１０＾－９／ｈｏｕｒ未満となるよう設計される。

これにより、遮断器を軽量化しつつ、遮断機能の故障率を低くすることができる。例えば、第１回路又は第２回路の少なくとも一方に、双方向半導体スイッチと直列に接続された機械式スイッチを含む構成において、遮断機能の故障率を１０＾－９／ｈｏｕｒ未満にするための機械式スイッチの故障率の要件が緩和される。一例として、負荷の故障率を１０＾－４／ｈｏｕｒ未満とし、第１及び第２双方向半導体スイッチそれぞれの故障率を１０＾－５／ｈｏｕｒ未満とした場合、第１及び第２双方向半導体スイッチそれぞれと機械式スイッチとの同時故障の故障率を１０＾－９／ｈｏｕｒ未満とするためには、機械式スイッチの故障率は１０＾－４／ｈｏｕｒ未満とすればよい。機械式スイッチの故障率は、１０＾－５／ｈｏｕｒ未満にしなくてもよいため、機械式スイッチの大型化及び重量増大を抑えることができる。なお、構成６と、上記構成１～５のいずれかを組み合わせた構成の遮断器も、本発明の実施形態に含まれる。

なお、前記負荷の故障率と前記第１双方向半導体スイッチの故障率の積が、１０＾－９／ｈｏｕｒ未満とすることは、前記負荷と前記第１双方向半導体スイッチが同時に故障する確率が、１０＾－９／ｈｏｕｒ未満となるよう設計することと同じである。
（構成７）
上記構成１～６のいずれかにおいて、前記第１双方向半導体スイッチ及び前記第２双方向半導体スイッチの故障診断処理を定期的に実行する故障診断部と、を備えてもよい。

故障診断部により、第１及び第２双方向半導体スイッチの故障が早期に検出できる。そのため、故障した第１又は第２双方向半導体スイッチが、故障していない他の構成要素と滞在する時間が減る。そのため、故障率を実質的に低減することができる。故障診断部の追加は、大幅な重量の増加を伴わない。結果として、遮断器を軽量化しつつ、故障率を低くすることが可能になる。故障診断処理は、例えば、双方向半導体スイッチの故障の有無を判断する処理である。

（構成８）
上記構成７において、前記負荷の故障率と前記第１双方向半導体スイッチの故障率の公称値と前記１／Ｋ１の積が、１０＾－９／ｈｏｕｒ未満であり、前記負荷の故障率と前記第２双方向半導体スイッチの故障率の公称値と前記１／Ｋ２の積が、１０＾－９／ｈｏｕｒ未満とすることができる。
ここで、前記Ｋ１は、前記第１双方向半導体スイッチの１時間当たりの前記故障診断処理の回数である。前記Ｋ２は、前記第２双方向半導体スイッチの１時間当たりの前記故障診断処理の回数である。

上記構成８では、負荷の故障率と第１双方向半導体スイッチの故障率との積、及び、負荷の故障率と第２双方向半導体スイッチの故障率との積のいずれも、１０＾－９／ｈｏｕｒ未満と見なせる。上記構成８は、上記構成７の一例である。

（構成９）
上記構成５の遮断器は、前記第１双方向半導体スイッチ、前記第２双方向半導体スイッチ、及び、前記第３双方向半導体スイッチの故障診断処理を定期的に実行する故障診断部を、さらに備えてもよい。これにより、遮断機能の故障率を実質的に低減することができる。

（構成１０）
上記構成７又は８において、前記故障診断部は、正常動作時に、前記第１双方向半導体スイッチをオン、前記第２双方向半導体スイッチをオフにして、前記常時電流を前記第１回路に流す動作と、前記第１双方向半導体スイッチをオフ、前記第２双方向半導体スイッチをオンにして、前記常時電流を前記第２回路に流す動作とを、順次実行し、前記動作時の前記第１回路の電流又は前記第２回路の電流の少なくとも一方に基づいて、前記故障診断処理を実行する構成であってもよい。これにより、効率よく、故障診断処理を実行できる。

上記構成９において、前記故障診断部は、正常動作時に、前記第１双方向半導体スイッチをオン、前記第２双方向半導体スイッチをオフにして、前記常時電流を前記第１回路に流す動作と、前記第１双方向半導体スイッチをオン、前記第３双方向半導体スイッチをオフにして、前記常時電流を前記第１回路に流す動作と、前記第１双方向半導体スイッチをオフ、前記第２双方向半導体スイッチをオンにして、前記常時電流を前記第２回路に流す動作とを、順次実行し、前記動作時の前記第１回路の電流又は前記第２回路の電流の少なくとも一方に基づいて、前記故障診断処理を実行する構成であってもよい。これにより、効率よく、故障診断処理を実行できる。

故障診断部は、回路によって構成されてもよい。故障診断部は、例えば、第１双方向半導体スイッチ及び第２双方向半導体スイッチのオン／オフを制御する制御部（コントローラ）に含まれてもよい。また、遮断器は、第１双方向半導体スイッチ及び第２双方向半導体スイッチを流れる電流を検出するセンサを有してもよい。故障診断部は、検出した電流を基に故障の有無を判断してもよい。

上記構成６～１０のいずれかにおいて、前記第１双方向半導体スイッチの故障率と、前記第２双方向半導体スイッチの故障率との積が、１０＾－９／ｈｏｕｒ未満に設計されてもよい。これにより、第１双方向半導体スイッチと、前記第２双方向半導体スイッチとの同時故障の故障率を実質的に１０＾－９／ｈｏｕｒ未満にすることができる。

ここで、故障率は、１時間あたりの故障する確率とする。故障率は、ＦＩＴ（ＦａｉｌｕｒｅＩｎＴｉｍｅ）すなわち、１０＾９時間あたりの平均故障回数の１／１０＾９とする。ここで、双方向半導体スイッチ、機械式スイッチ、負荷、及びその他の部品の故障率は、部品の提供元（例えば、メーカー）が提供する公称値と、その駆動設計及び配線設計そのた設計事項に基づいて決められる設計値とする。なお、「１０＾－９」は、「１０の－９乗」、「１．０ｅ－９」、「１．０Ｅ－９」、又は「１０^－９」、と表記されることもある。

上記構成６～１０のいずれかにおいて、前記第１双方向半導体スイッチの故障率と、前記第１機械式スイッチの故障率との積は、１０＾－９／ｈｏｕｒ未満に設計されてもよい。これにより、第１双方向半導体スイッチと、前記第１機械式スイッチとの同時故障の故障率を実質的に１０＾－９／ｈｏｕｒ未満にすることができる。

上記構成６～１０のいずれかにおいて、前記第２双方向半導体スイッチの故障率と、前記第２機械式スイッチの故障率との積は、１０＾－９／ｈｏｕｒ未満に設計されてもよい。これにより、第２双方向半導体スイッチと、前記第２機械式スイッチとの同時故障の故障率を実質的に１０＾－９／ｈｏｕｒ未満にすることができる。

（実施形態）
図１は、本発明の実施形態１における遮断器の構成例を示す図である。遮断器１は、負荷２に接続される。遮断器１は、例えば、直流電源と負荷２の間に接続されてもよい。遮断器１は、負荷が故障した場合に、負荷に流れる過電流を遮断する。遮断器１は、一例として、ＤＣ回路ブレーカである。

図１に示す遮断器１は、第１回路Ｃ１と第２回路Ｃ２を含む。第１回路Ｃ１と、第２回路Ｃ２は、並列に接続される。第１回路Ｃ１は、第１双方向半導体スイッチＳ１と、これに直列に接続される第１機械式スイッチＭ１とを有する。第２回路Ｃ２は、第２双方向半導体スイッチＳ２を有する。

図１の例では、遮断器１が接続される線上に、遮断器１と直列にインダクタＬｓと、開閉器Ｅｓが接続される。インダクタＬｓは、過電流の上昇率を抑えるための限流インダクタである。開閉器Ｅｓは、遮断器１による遮断が完了した後に、負荷を切り離し、絶縁を確保するためのスイッチである。なお、インダクタＬｓ及び開閉器Ｅｓは、遮断器１の上流側（電源側、一次側）、又は下流側（負荷型、二次側）のいずれに設けられてもよい。

図１に示す例では、第１及び第２双方向半導体スイッチＳ１、Ｓ２の各々は、半導体スイッチ素子を有する。半導体スイッチ素子は、直列に接続された２つの半導体トランジスタを有する。この例では、２つの半導体トランジスタのソース同士が接続される。２つの半導体トランジスタの各々には、逆流防止のためのダイオードが並列に接続される。２つの半導体トランジスタのゲートの電圧を制御することにより、第１及び第２双方向半導体スイッチＳ１、Ｓ２のオン／オフが制御される。半導体トランジスタは、例えば、ＩＧＢＴ、ＩＧＣＴ、又は、ＭＯＳ－ＦＥＴ等であってもよい。また、半導体トランジスタの半導体として、例えば、Ｓｉ又はＳｉＣ等が用いられてもよい。

第１機械式スイッチＭ１は、機械的に接点の接触と離間を切り替えることで、開状態（オン）と閉状態（オフ）を切り替える。第１機械式スイッチＭ１は、例えば、高速遮断器であってもよい。機械式スイッチの機構は、例えば、可動接点と、固定接点と、可動接点を動かして、固定接点に対して接触及び離間させる作動機構を備えてもよい。作動機構には、例えば、トムソンドライブ等の高速開閉機構が用いられてもよい。

第１及び第２双方向半導体スイッチＳ１、Ｓ２は、負荷への配電経路に設けられたセンサｂｓ（電流センサ）で検出された電流に応じてオン／オフすなわち導通／遮断が制御される。センサｂｓで検出される電流は、負荷電流であり、遮断器１を流れる電流でもある。第１及び第２双方向半導体スイッチＳ１、Ｓ２は、負荷電流以外、例えば、遮断器１の構成部品の状態に応じてオン／オフが制御されてもよい。第１機械式スイッチＭ１も、センサｂｓで検出される電流に応じてオン／オフが制御される。負荷電流以外、例えば、遮断器１の構成部品の状態に応じて、第１機械式スイッチＭ１のオン／オフが制御されてもよい。図示しないが、遮断器１は、第１及び第２双方向半導体スイッチＳ１、Ｓ２及び第１機械式スイッチＭ１を制御するコントローラを有してもよい。コントローラは、例えば、回路で形成される。

正常動作時は、第１双方向半導体スイッチＳ１及び第１機械式スイッチＭ１がオンになる。これにより、常時電流が、第１回路Ｃ１、すなわち、第１双方向半導体スイッチＳ１及び第１機械式スイッチＭ１に流れる。なお、正常動作時は、負荷に電流が供給され、負荷が正常に動作している時とする。正常動作時に負荷に供給される電流すなわち遮断器１を流れる電流を、常時電流とする。正常動作時は、第２双方向半導体スイッチＳ２をオフにしてもよい。

負荷２の故障が検出されると、第１双方向半導体スイッチＳ１がオフになる。これにより、負荷の過電流を遮断できる。例えば、負荷２の故障は、センサｂｓで検出される負荷電流に基づいて検出される。例えば、負荷電流又はその変化率の少なくとも１つが過電流の条件を満たす場合に、負荷２と故障と判断される。この判断は、遮断器１に内蔵される回路で行われてもよいし、遮断器１の外部の回路で行われてもよい。負荷２の故障時には、半導体スイッチにより過電流を遮断するため、例えば、機械式スイッチで遮断する場合に比べて遮断時間を短くできる。例えば、過電流の遮断時間を１００μ秒程度とすることができる。これにより、過電流の上昇率を抑えるためのインダクタＬｓを小型化且つ軽量化できる。なお、負荷２の故障が検出された場合、第１双方向半導体スイッチＳ１をオフにした後、電流がゼロになった後に第１機械式スイッチＭ１をオフにしてもよい。

第１双方向半導体スイッチＳ１が故障した場合は、第１機械式スイッチＭ１を開放動作して、負荷２の常時電流を第２回路に流す。これにより、第１双方向半導体スイッチＳ１が故障した場合であっても、遮断器１が過電流を遮断できない状況を避けることができる。

図１に示す遮断器１では、軽量化しつつ、遮断機能の故障率を小さくすることが可能である。以下にその例を説明する。一例として、図１に示すように、負荷２の故障率、第１機械式スイッチＭ１の故障率を１０＾－４／ｈｏｕｒ未満に設定し、第１及び第２双方向半導体スイッチＳ１、Ｓ２の故障率を１０＾－５／ｈｏｕｒ未満に設定する。この場合、第１双方向半導体スイッチＳ１と負荷２の同時故障の故障率は、１０＾－９／ｈｏｕｒ未満となる。同様に、第２双方向半導体スイッチＳ２と負荷２の同時故障の故障率も、１０＾－９／ｈｏｕｒ未満となる。故障率が、１０＾－９／ｈｏｕｒ未満を満たさないケースは、第１機械式スイッチＭ１と負荷２の同時故障、第１機械式スイッチＭ１の単独故障、第１及び第２双方向半導体スイッチＳ１、Ｓ２のそれぞれの単独故障となる。これらのケースは、いずれも、遮断器１による、下記のようなフェールセーフ動作によって、遮断器１が、事故電流を遮断できなくなる状況を回避できる。

第１機械式スイッチＭ１と負荷２の同時故障の場合、第１双方向半導体スイッチＳ１をオフにする。これにより、負荷の過電流を遮断できる。

第１機械式スイッチＭ１の単独故障の場合、第１双方向半導体スイッチＳ１をオフにすることで、常時電流をオフにする。例えば、機械式スイッチがオープン破壊した場合、又は、導通電圧が、想定される導通電圧より高くなった場合に、機械式スイッチの故障が検出される。第１機械式スイッチＭ１の故障が検出されると、第１双方向半導体スイッチＳ１がオフになるよう構成される。

第１双方向半導体スイッチＳ１の単独故障の場合、第１機械式スイッチＭ１をオフにして、且つ、第２双方向半導体スイッチＳ２をオンにして、第２回路Ｃ２に常時電流を転流する。この後、そのまま、正常動作を継続してもよい。又は、第１機械式スイッチＭ１の絶縁が確保された以降に、第２双方向半導体スイッチＳ２をオフにし、常時電流をオフにしてもよい。この場合、転流時に第１機械式スイッチＭ１には、アークを発生させる電圧は印加されない。そのため、第１機械式スイッチＭ１は、過電流を想定した構成に比べて、小型で軽量にできる。

第２双方向半導体スイッチＳ２の単独故障の場合、負荷２の動作を停止させる。双方向半導体スイッチの故障は、例えば、双方向半導体スイッチがオープン破壊した場合や、導通電圧が、想定される導通電圧より高くなった場合に、検出される。第２双方向半導体スイッチＳ２の故障が検出された場合、第２双方向半導体スイッチＳ２をオンの状態で、第１双方向半導体スイッチＳ１をオフにする。

上記のような各部品の故障率の設定及びフェールセーフ機能によって、遮断器１が、事故電流を遮断できなくなる故障の故障率（すなわち、遮断機能の故障率）を、１０＾－９／ｈｏｕｒ未満にすることができる。なお、開閉器Ｅｓの故障率は、開閉器Ｅｓを複数直列化する等により、１０＾－９／ｈｏｕｒ未満とすることができる。また、第１及び第２双方向半導体スイッチＳ１、Ｓ２は、故障率の公称値が１０＾－５／ｈｏｕｒ未満のものを用いてもよい。又は、故障率の公称値が１０＾－５／ｈｏｕｒ以上の半導体スイッチを、第１及び第２双方向半導体スイッチＳ１、Ｓ２として、自己診断機能を追加することにより、第１及び第２双方向半導体スイッチＳ１、Ｓ２の故障率を実質的に、１０＾－５／ｈｏｕｒと見なせる構成としてもよい（実施形態４参照）。

（実施形態２）
図２は、実施形態２における遮断器の構成例を示す図である。図２に示す遮断器１は、第２回路において、第２機械式スイッチＭ２が設けられる点で、図１の遮断器１と異なっている。第２機械式スイッチＭ２は、第２双方向半導体スイッチＳ２と直列に接続される。第２機械式スイッチＭ２は、第１機械式スイッチＭ１と同じ構成の機械式スイッチとすることができる。

図２の遮断器１は、正常動作時に、第１及び第２双方向半導体スイッチＳ１、Ｓ２と、第１及び第２機械式スイッチＭ１、Ｍ２がオンになる。常時電流は、第１回路Ｃ１及び第２回路Ｃ２に並列に流れる。常時電流が、第１回路Ｃ１及び第２回路Ｃ２に分配されるため、正常動作時の導通損失が小さくなる。

負荷２の故障が検出された場合、第１及び第２双方向半導体スイッチＳ１、Ｓ２がオフになる。これにより、負荷２の故障による過電流が遮断される。このように、半導体スイッチで過電流を遮断するため、遮断時間を短くできる。例えば、遮断時間を、１００μ秒程度にできる。そのため、限流のためのインダクタＬｓを小型で軽量にできる。なお、負荷２の故障が検出された場合、第１及び第２双方向半導体スイッチＳ１、Ｓ２をオフにした後、電流がゼロになった後に第１及び第２機械式スイッチＭ１、Ｍ２をオフにしてもよい。

第１双方向半導体スイッチＳ１が故障した場合は、第１機械式スイッチＭ１を開放動作して、負荷２の常時電流を第２回路Ｃ２に流す。第２双方向半導体スイッチＳ２が故障した場合は、第２機械式スイッチＭ２を開放動作して、負荷２の常時電流を第１回路Ｃ１に流す。これにより、第１双方向半導体スイッチＳ１又は第２双方向半導体スイッチＳ２のいずれかが故障した場合に、遮断器１が過電流を遮断できない状況が発生するのを避けることができる。

図２に示す遮断器１では、軽量化しつつ、遮断機能の故障率を小さくすることが可能である。一例として、図２に示すように、負荷２の故障率、第１機械式スイッチＭ１の故障率を１０＾－４／ｈｏｕｒ未満に設定し、第１及び第２双方向半導体スイッチＳ１、Ｓ２の故障率を１０＾－５／ｈｏｕｒ未満に設定する。この場合、第１双方向半導体スイッチＳ１と負荷２の同時故障の故障率、第２双方向半導体スイッチＳ２と負荷２の同時故障の故障率は、及び、第１及び第２双方向半導体スイッチＳ１、Ｓ２の同時故障の故障率は、いずれも、１０＾－９／ｈｏｕｒ未満となる。故障率が、１０＾－９／ｈｏｕｒ未満を満たさないケースは、第１機械式スイッチＭ１と負荷２の同時故障、第１機械式スイッチＭ１及び第２機械式スイッチＭ２それぞれの単独故障、第１及び第２双方向半導体スイッチＳ１、Ｓ２のそれぞれの単独故障となる。これらのケースは、いずれも、遮断器１による、下記のようなフェールセーフ動作によって、遮断器１が、事故電流を遮断できなくなる状況を回避できる。

第１機械式スイッチＭ１と負荷２の同時故障の場合、第１及び第２双方向半導体スイッチＳ１、Ｓ２をオフにする。これにより、負荷２の過電流を遮断できる。第１機械式スイッチＭ１の故障が検出され、且つ、負荷２の故障が検出された場合に、第１及び第２双方向半導体スイッチＳ１、Ｓ２がオフになる。

第１機械式スイッチＭ１の単独故障の場合、第１双方向半導体スイッチＳ１をオフにして、常時電流を第２回路Ｃ２に転流する。その後、正常動作を継続してもよい。又は、第２双方向半導体スイッチＳ２をオフにし、常時電流をオフにしてもよい。第２機械式スイッチＭ２の単独故障の場合、第２双方向半導体スイッチＳ２をオフにして、常時電流を第１回路Ｃ１に転流する。その後、正常動作を継続してもよい。又は、第１双方向半導体スイッチＳ１をオフにし、常時電流をオフにしてもよい。

第１及び第２機械式スイッチＭ１、Ｍ２の同時故障の場合、第１及び第２双方向半導体スイッチＳ１、Ｓ２をオフにして、常時電流をオフにする。すなわち、第１機械式スイッチＭ１の故障が検出され、且つ、第２機械式スイッチＭ２の故障も検出された場合、第１及び第２双方向半導体スイッチＳ１、Ｓ２をオフする。例えば、第１機械式スイッチＭ１の故障が検出され、第１双方向半導体スイッチＳ１をオフにして第２回路Ｃ２で常時電流を流している状態で、第２機械式スイッチＭ２の故障が検出された場合、第２双方向半導体スイッチＳ２もオフにして常時電流をオフにする。

第１双方向半導体スイッチＳ１の単独故障の場合、第１機械式スイッチＭ１をオフにして、常時電流を第２回路Ｃ２に転流する。その後、正常動作を継続してもよい。又は、第１機械式スイッチＭ１に加えて、第２双方向半導体スイッチＳ２又は第２機械式スイッチＭ２の少なくとも一方をオフにすることで、常時電流をオフにしてもよい。第１機械式スイッチＭ１をオフにして、常時電流を第２回路Ｃ２に転流する際に、第１機械式スイッチＭ１にアークを発生させる電圧は印加されない。そのため、第１機械式スイッチＭ１は、過電流を想定した構成に比べて、小型で軽量にできる。

第２双方向半導体スイッチＳ２の単独故障の場合、第２機械式スイッチＭ２をオフにして、常時電流を第１回路Ｃ１に転流する。その後、正常動作を継続してもよい。又は、第２機械式スイッチＭ２に加えて、第１双方向半導体スイッチＳ１又は第１機械式スイッチＭ１の少なくとも一方をオフにすることで、常時電流をオフにしてもよい。第２機械式スイッチＭ２をオフにして、常時電流を第１回路Ｃ１に転流する際に、第２機械式スイッチＭ２にアークを発生させる電圧は印加されない。そのため、第２機械式スイッチＭ２は、過電流を想定した構成に比べて、小型で軽量にできる。

上記のような各部品の故障率の設定及びフェールセーフ機能によって、遮断器１が、事故電流を遮断できなくなる故障の故障率（すなわち、遮断機能の故障率）を、１０＾－９／ｈｏｕｒ未満にすることができる。

（実施形態３）
図３は、実施形態３における遮断器の構成例を示す図である。図３に示す遮断器１は、第２回路において、第２機械式スイッチＭ２の代わりに第３双方向半導体スイッチＳ３が設けられる点で、図２の遮断器１と異なっている。第３双方向半導体スイッチＳ３は、第２双方向半導体スイッチＳ２と直列に接続される。第３双方向半導体スイッチＳ３は、第１又は第２双方向半導体スイッチＳ１、Ｓ２と同じ構成の双方向半導体スイッチとすることができる。

図３の遮断器１は、正常動作時に、第１、第２、第３双方向半導体スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３と、第１機械式スイッチＭ１がオンになる。常時電流は、第１回路Ｃ１及び第２回路Ｃ２に並列に流れる。常時電流が、第１回路Ｃ１及び第２回路Ｃ２に分配されるため、正常動作時の導通損失が小さくなる。

負荷２の故障が検出された場合、第１、第２、第３双方向半導体スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３がオフになる。これにより、負荷２の故障による過電流が遮断される。このように、半導体スイッチで過電流を遮断するため、遮断時間を短くできる。例えば、遮断時間を、１００μ秒程度にできる。そのため、限流のためのインダクタＬｓを小型で軽量にできる。

第１双方向半導体スイッチＳ１が故障した場合は、第１機械式スイッチＭ１を開放動作して、負荷２の常時電流を第２回路Ｃ２に流す。第２双方向半導体スイッチＳ２又は第３双方向半導体スイッチＳ３のいずれかが故障した場合は、第２機械式スイッチＭ２を開放動作して、負荷２の常時電流を、第１回路Ｃ１に流す。これにより、第１双方向半導体スイッチＳ１、第２双方向半導体スイッチＳ２又は第３双方向半導体スイッチＳ３のいずれかが故障しても、遮断器１が過電流を遮断できない状況を避けることができる。

図３に示す遮断器１では、軽量化しつつ、遮断機能の故障率を小さくすることが可能である。一例として、図３に示すように、負荷２の故障率、第１機械式スイッチＭ１の故障率を１０＾－４／ｈｏｕｒ未満に設定し、第１、第２、第３双方向半導体スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３の故障率を１０＾－５／ｈｏｕｒ未満に設定する。この場合、Ｓ１と負荷２の同時故障、Ｓ２と負荷２の同時故障、Ｓ３と負荷２の同時故障、Ｓ１とＳ２の同時故障、Ｓ２とＳ３の同時故障、Ｓ１とＳ３の同時故障のそれぞれの故障率は、いずれも、１０＾－９／ｈｏｕｒ未満となる。故障率が、１０＾－９／ｈｏｕｒ未満を満たさないケースは、第１機械式スイッチＭ１と負荷２の同時故障、第１機械式スイッチＭ１の単独故障、第１、第２、第３双方向半導体スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３のそれぞれの単独故障となる。これらのケースは、いずれも、遮断器１による、下記のようなフェールセーフ動作によって、遮断器１が、事故電流を遮断できなくなる状況を回避できる。

第１機械式スイッチＭ１と負荷２の同時故障の場合、第１、第２、第３双方向半導体スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３をオフにする。これにより、負荷２の過電流を遮断できる。第１機械式スイッチＭ１の故障が検出され、且つ、負荷２の故障が検出された場合に、第１、第２、第３双方向半導体スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３がオフになる。

第１機械式スイッチＭ１の単独故障の場合、第１双方向半導体スイッチＳ１をオフにして、常時電流を第２回路Ｃ２に転流する。その後、正常動作を継続してもよい。又は、第２双方向半導体スイッチＳ２及び第３双方向半導体スイッチＳ３をオフにし、常時電流をオフにしてもよい。

第１双方向半導体スイッチＳ１の単独故障の場合、第１機械式スイッチＭ１をオフにして、常時電流を第２回路Ｃ２に転流する。その後、正常動作を継続してもよい。又は、第１機械式スイッチＭ１に加えて、第２双方向半導体スイッチＳ２又は第３双方向半導体スイッチＳ３の少なくとも一方をオフにすることで、常時電流をオフにしてもよい。第１機械式スイッチＭ１をオフにして、常時電流を第２回路Ｃ２に転流する際に、第１機械式スイッチＭ１にアークを発生させる電圧は印加されない。そのため、第１機械式スイッチＭ１は、過電流を想定した構成に比べて、小型で軽量にできる。

第２双方向半導体スイッチＳ２の単独故障の場合、第３双方向半導体スイッチＳ３をオフにし、常時電流を第１回路Ｃ１に転流する。その後、正常動作を継続してもよい。又は、第３双方向半導体スイッチＳ３に加えて、第１双方向半導体スイッチＳ１又は第１機械式スイッチＭ１の少なくとも１つをオフにすることで、常時電流をオフにしてもよい。

第３双方向半導体スイッチＳ３の単独故障の場合、第２双方向半導体スイッチＳ２をオフにし、常時電流を第１回路Ｃ１に転流する。その後、正常動作を継続してもよい。又は、第２双方向半導体スイッチＳ２に加えて、第１双方向半導体スイッチＳ１又は第１機械式スイッチＭ１の少なくとも１つをオフにすることで、常時電流をオフにしてもよい。

（実施形態４）
図４は、実施形態４における遮断器の構成例を示す図である。図４に示す遮断器１は、故障診断部３をさらに備える点で、図１に示す遮断器１と異なる。すなわち、実施形態４の遮断器１は、実施形態１に故障診断の機能を追加したものである。故障診断部３は、第１機械式スイッチＭ１、第１及び第２双方向半導体スイッチのオン／オフを制御するコントローラＣｔの一部である。故障診断部３は、第１及び第２双方向半導体スイッチＳ１、Ｓ２の故障診断処理を定期的に実行する。

故障診断部３は、第１回路Ｃ１の電流ｉ１、及び、第２回路Ｃ２の電流ｉ２に基づいて、双方向半導体スイッチの故障の有無を判断することができる。一例として、故障診断部３は、正常動作時において、Ｓ１をオン、Ｓ２をオフにした場合の第２回路Ｃ２の電流ｉ２、及び、Ｓ１をオフ、Ｓ２をオンにした場合の第１回路Ｃ１の電流ｉ１を用いて、第１双方向半導体スイッチＳ１及び第２双方向半導体スイッチＳ２の故障の有無を判断することができる。この場合、遮断器１は、第１回路Ｃ１の電流ｉ１を検出するセンサ、及び、第２回路Ｃ２の電流ｉ２を検出するセンサを備えてもよい。

図５は、図４に示す遮断器１における故障診断処理の例を説明するための図である。図５は、第１回路Ｃ１の電流ｉ１、第２回路Ｃ２の電流ｉ２、第１双方向半導体スイッチＳ１のオン／オフ状態、及び、第２双方向半導体スイッチＳ２のオン／オフ状態の時間変化を示す。図５に示す例では、故障診断部３は、常時電流が流れている間に、第１及び第２双方向半導体スイッチＳ１、Ｓ２のオン／オフを制御して、Ｓ１及びＳ２のうち一方をオフ、他方をオンとなる期間を実現させる。故障診断部３は、この期間において、検出される第１回路Ｃ１の電流ｉ１、及び第２回路Ｃ２の電流ｉ２を基に、Ｓ１及びＳ２の故障の有無を判断することができる。この期間では、双方向半導体スイッチをオンにした方の回路に全ての常時電流が流れ、オフにした方の回路の常時電流は遮断される。この現象が検出された場合、故障診断部３は、故障がないと判断できる。

例えば、図５に示すように、故障診断部３が、正常動作時のＳ１及びＳ２の両方ともオンの状態では電流ｉ１、ｉ２のレベルはいずれもＩＬａである。この状態から、Ｓ１をオフにすると、常時電流は、全て第２回路Ｃ２に流れるため、電流ｉ２のレベルはＩＬｂ（ＩＬａ＜ＩＬｂ）に、電流ｉ１のレベルは０になる。また、正常動作時のＳ１及びＳ２の両方ともオンの状態から、Ｓ２をオフにすると、電流ｉ１のレベルはＩＬｂに、電流ｉ２のレベルは０になる。このＳ１又はＳ２のオン／オフの切り替えによる電流ｉ１、ｉ２の変化を確認することで、故障診断部３は、Ｓ１及びＳ２の故障の有無を判断できる。例えば、Ｓ１をオンからオフにした場合に、電流ｉ１のレベルが、ＩＬａから０になれば、故障診断部３は、Ｓ１のオフ機能は正常と判断できる。電流ｉ１のレベルが、ＩＬａのままで０にならなければ、故障診断部３は、Ｓ１のオフ機能が故障していると判断できる。Ｓ１をオフからオンにした場合に、電流ｉ１のレベルが０からＩＬａに戻れば、Ｓ１のオン機能は正常と判断できる。電流ｉ１のレベルが０のままでＩＬａに戻らなければ、Ｓ１のオン機能が故障していると判断できる。Ｓ２についても同様にして故障の有無を判断できる。

このように、故障診断部３は、第１双方向半導体スイッチＳ１及び第２双方向半導体スイッチＳ２のオン／オフを制御して、正常動作時に、常時電流を、第１回路Ｃ１及び第２回路Ｃ２に交互に一時的に転流させ、転流時の第１回路Ｃ１の電流ｉ１又は第２回路Ｃ２の電流ｉ２の少なくとも一方を検出する。故障診断部３は、検出した電流を基に第１双方向半導体スイッチＳ１又は第２双方向半導体スイッチＳ２の故障の有無を判断する。

故障診断部３により、第１双方向半導体スイッチＳ１、又は、第２双方向半導体スイッチＳ２の故障が検出された場合、上記の実施形態１と同様に、遮断器１は、フェールセーフ動作を実行する。

例えば、第１双方向半導体スイッチＳ１の故障診断処理を、１時間あたりＫ１回繰り返すとことにより、第１双方向半導体スイッチＳ１の故障率が、実質的に１／Ｋ１低下するとみなすことができる。例えば、第１双方向半導体スイッチＳ１の故障診断処理を、１時間あたりＫ１回繰り返すことにより、第１双方向半導体スイッチＳ１の故障が生じてから、故障を特定し、経路を遮断するまでの時間が、１／１０時間となる。すなわち、故障が生じていない要素が、故障した第１双方向半導体スイッチＳ１と同じく滞在する時間が、１／１０時間に短縮される。そのため、第１双方向半導体スイッチＳ１の故障率が、実質的に１／１０低下したとみなすことができる。例えば、第１双方向半導体スイッチＳ１の故障率の公称値が１０＾－４／ｈｏｕｒ未満の場合、１時間当たり１０回（Ｋ１＝１０）の第１双方向半導体スイッチＳ１の故障診断処理を実行することで、第１双方向半導体スイッチＳ１の故障率を、１０^－５／ｈｏｕｒと見なすことが可能になる。

同様に、第２双方向半導体スイッチＳ２の故障診断処理を、１時間あたりＫ２回繰り返すとことにより、第１双方向半導体スイッチＳ１の故障率が、実質的に１／Ｋ２低下するとみなすことができる。

この観点から、負荷２の故障率と第１双方向半導体スイッチＳ１の故障率の公称値と１／Ｋ１との積が、１０＾－９／ｈｏｕｒ未満となるように、負荷２の故障率、第１双方向半導体スイッチＳ１の故障率の公称値、及び、１時間当たりの第１双方向半導体スイッチＳ１の故障診断回数Ｋ１を設定することができる。これにより、遮断器１の故障率を低くすることが容易になる。

同様に、負荷２の故障率と第１双方向半導体スイッチの故障率の公称値と１／Ｋ２との積が、１０＾－９／ｈｏｕｒ未満となるように、負荷２の故障率、第２双方向半導体スイッチＳ２の故障率の公称値、及び、１時間当たりの第２双方向半導体スイッチＳ２の故障診断回数Ｋ２を設定することができる。これにより、遮断器１の遮断機能の故障率を低くすることがより容易になる。

なお、Ｋ１、Ｋ２は、特に限定されないが、例えば、故障診断部３は、第１及び第２双方向半導体スイッチＳ１、Ｓ２のそれぞれに対して、１時間に少なくとも１回、故障診断処理を実行してもよい（１≦Ｋ１、１≦Ｋ２）。

故障診断部３は、第１及び第２双方向半導体スイッチＳ１、Ｓ２のそれぞれの故障診断を、例えば、一定の周期で実行してもよい。これにより、効率よく、故障診断処理を実行できる。なお、第１及び第２双方向半導体スイッチＳ１、Ｓ２のそれぞれの故障診断処理の周期は、厳密に一定でなくてもよい。例えば、１時間内で、偏らずにある程度分散したタイミングで故障診断処理が実行されてもよい。このように、故障診断処理を定期的に実行する形態には、一定の周期、又は故障率の低下に貢献できる程度に時間的に分散して故障診断処理を実行する場合が含まれる。

本例において、故障診断部３は、Ｓ１及びＳ２の両方をオンにして第１回路Ｃ１及び第２回路Ｃ２に常時電流を流す動作、Ｓ１をオン、Ｓ２をオフにして第１回路Ｃ１に常時電流を流す第１回路転流動作、及び、Ｓ１をオフ、Ｓ２をオンにして、第２回路Ｃ２に常時電流を流す第２回路転流動作を、順次実行する。故障診断部３は、第１回路転流動作時に検出される第２回路Ｃ２の電流ｉ２に基づいて第２双方向半導体スイッチＳ２の故障の有無を判断し、第２回路転流動作時に検出される第１回路Ｃ１の電流ｉ１に基づいて第１双方向半導体スイッチＳ１の故障の有無を判断する。この判断処理が、定期的に繰り返し実行される。これにより、効率よく故障診断処理を実行できる。なお、第１回路転流動作と、第２回路転流動作の順番は、図５に示す場合に限定されない。また、第１回路転流動作時に検出される第１回路Ｃ１の電流ｉ１に基づいてＳ２の故障の有無を判断してもよい。同様に、第２回路転流動作時に検出される第２回路Ｃ２の電流ｉ２に基づいてＳ１の故障の有無を判断してもよい。

第１回路転流動作及び第２回路転流動作のそれぞれの期間の長さは、Ｓ１及びＳ２の両方をオンにして常時電流を並列に流す期間よりも短くすることが好ましい。これにより、常時電流を並列に流すことによる損失低減の度合いが高くなる。

上記実施形態２における遮断器１にも、故障診断部３を追加することができる。実施形態２の遮断器１に、上記故障診断部３と同様の構成及び動作の故障診断部３を追加することができる。この場合、例えば、図２に示す構成において、第１及び第２双方向半導体スイッチＳ１、Ｓ２の故障率の公称値にそれぞれ、１／Ｋ１、１／Ｋ２を掛けた値が、１０＾－９／ｈｏｕｒ未満となるように、負荷２の故障率、第１及び第２双方向半導体スイッチＳ１、Ｓ２の故障率の公称値、及び、１時間当たりの第１及び第２双方向半導体スイッチＳ１、Ｓ２のそれぞれの故障診断回数Ｋ１、Ｋ２を設定することができる。

（実施形態５）
図６は、実施形態５における遮断器の構成例を示す図である。図６に示す遮断器１は、故障診断部３をさらに備える点で、図３に示す遮断器１と異なる。すなわち、実施形態５の遮断器１は、実施形態３に故障診断の機能を追加したものである。故障診断部３は、第１機械式スイッチＭ１、第１、第２、第３双方向半導体スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３のオン／オフを制御するコントローラＣｔの一部である。故障診断部３は、第１、第２、第３双方向半導体スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３の故障診断処理を定期的に実行する。

故障診断部３は、正常動作時において、Ｓ１をオフ、Ｓ２及びＳ３をオンにした場合の第１回路Ｃ１の電流ｉ１、Ｓ１及びＳ３をオン、Ｓ２をオフにした場合の第２回路Ｃ２の電流ｉ２、並びに、Ｓ１及びＳ２をオン、Ｓ３をオフにした場合の第２回路Ｃ２の電流ｉ２を用いて、第１双方向半導体スイッチＳ１、第２双方向半導体スイッチＳ２及び第３双方向半導体スイッチＳ３の故障の有無を判断する。この場合、遮断器１は、第１回路Ｃ１の電流ｉ１を検出するセンサ、及び、第２回路Ｃ２の電流ｉ２を検出するセンサを備えてもよい。

図７は、図５に示す遮断器１における故障診断処理の例を説明するための図である。図７は、第１回路Ｃ１の電流ｉ１、第２回路Ｃ２の電流ｉ２、第１、第２、第３双方向半導体スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３それぞれのオン／オフ状態を示す。図７に示す例では、故障診断部３は、常時電流が流れている間に、第１、第２、第３双方向半導体スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３のオン／オフを制御して、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３のうち１つがオフ、残りがオンとなる期間を実現させる。故障診断部３は、この期間において、検出される第１回路Ｃ１の電流ｉ１、及び第２回路Ｃ２の電流ｉ２を基に、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３の故障の有無を判断することができる。この期間では、双方向半導体スイッチをオフにした方の回路の常時電流が遮断され、他方の回路に全ての常時電流が流れる。この現象が検出された場合、故障診断部３は、故障がないと判断できる。

例えば、図７に示すように、故障診断部３が、正常動作時のＳ１、Ｓ２及びＳ３が全てオンの状態では電流ｉ１、ｉ２のレベルはいずれもＩＬａである。この状態から、Ｓ１をオフにすると、常時電流は、全て第２回路Ｃ２に流れるため、電流ｉ２のレベルはＩＬｂ（ＩＬａ＜ＩＬｂ）に、電流ｉ１のレベルは０になる。また、正常動作時のＳ１及びＳ２の両方ともオンの状態から、Ｓ２又はＳ３のいずれか１つをオフにすると、電流ｉ１のレベルはＩＬｂに、電流ｉ２のレベルは０になる。このＳ１、Ｓ２、Ｓ３のオン／オフの切り替えによる電流ｉ１、ｉ２の変化を確認することで、故障診断部３は、Ｓ１及びＳ２の故障の有無を判断できる。例えば、Ｓ２をオンからオフにした場合に、電流ｉ２のレベルが、ＩＬａから０になれば、故障診断部３は、Ｓ２のオフ機能は正常と判断できる。電流ｉ２のレベルが、ＩＬａのままで０にならなければ、故障診断部３は、Ｓ２のオフ機能が故障していると判断できる。Ｓ２をオフからオンにした場合に、電流ｉ２のレベルが０からＩＬａに戻れば、Ｓ２のオン機能は正常と判断できる。電流ｉ２のレベルが０のままでＩＬａに戻らなければ、Ｓ２のオン機能が故障していると判断できる。Ｓ１、Ｓ３についても同様にして故障の有無を判断できる。

このように、故障診断部３は、第１、第２、第３双方向半導体スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３のオン／オフを制御して、正常動作時に、常時電流を、第１回路Ｃ１及び第２回路Ｃ２に交互に一時的に転流させ、転流時の第１回路Ｃ１の電流ｉ１又は第２回路Ｃ２の電流ｉ２の少なくとも一方を検出する。故障診断部３は、検出した電流を基に第１、第２、第３双方向半導体スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３の故障の有無を判断する。

故障診断部３により、第１双方向半導体スイッチＳ１、第２双方向半導体スイッチＳ２又は、第３双方向半導体スイッチＳ３のいずれかの故障が検出された場合、上記の実施形態３と同様に、遮断器１は、フェールセーフ動作を実行する。

例えば、第３双方向半導体スイッチＳ３の故障診断処理を、１時間あたりＫ３回繰り返すとことにより、第３双方向半導体スイッチＳ３の故障率が、実質的に１／Ｋ３低下するとみなすことができる。これは、第１双方向半導体スイッチＳ１、及び、第２双方向半導体スイッチＳ２についても同様である。

この観点から、負荷２の故障率と第３双方向半導体スイッチＳ３の故障率の公称値と１／Ｋ３との積が、１０＾－９／ｈｏｕｒ未満となるように、負荷２の故障率、第３双方向半導体スイッチＳ３の故障率の公称値、及び、１時間当たりの第３双方向半導体スイッチＳ３の故障診断回数Ｋ３を設定することができる。これにより、遮断器１の遮断機能の故障率を低くすることが容易になる。なお、負荷２の故障率と第１双方向半導体スイッチＳ１の故障率の公称値と１／Ｋ１との積、及び、負荷２の故障率と第２双方向半導体スイッチＳ２の故障率の公称値と１／Ｋ２との積が、１０＾－９／ｈｏｕｒ未満となるように、負荷２の故障率、第１及び第２双方向半導体スイッチＳ１、Ｓ２それぞれの故障率の公称値、及び、１時間当たりの第１及び第２双方向半導体スイッチＳ１、Ｓ２それぞれの故障診断回数Ｋ１、Ｋ２を設定することができる。

なお、Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３は、特に限定されないが、例えば、故障診断部３は、第１、第２、第３双方向半導体スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３のそれぞれに対して、１時間に少なくとも１回、故障診断処理を実行してもよい（１≦Ｋ１、１≦Ｋ２、１≦Ｋ３）。

故障診断部３は、第１、第２、第３双方向半導体スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３のそれぞれの故障診断を、例えば、一定の周期で実行してもよい。これにより、効率よく、故障診断処理を実行できる。なお、第１、第２、第３双方向半導体スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３のそれぞれの故障診断処理の周期は、厳密に一定でなくてもよい。

本例において、故障診断部３は、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３を全てオンにして第１回路Ｃ１及び第２回路Ｃ２に並列に常時電流を流す動作、Ｓ１、Ｓ３をオン、Ｓ２をオフにして第１回路Ｃ１に常時電流を流すＳ２オフによる第１回路転流動作、Ｓ１、Ｓ２をオン、Ｓ３をオフにして第１回路Ｃ１に常時電流を流すＳ３オフによる第１回路転流動作、及び、Ｓ１をオフ、Ｓ２及びＳ３をオンにして、第２回路Ｃ２に常時電流を流す第２回路転流動作を、順次実行する。故障診断部３は、Ｓ２オフによる第１回路転流動作時に検出される第２回路Ｃ２の電流ｉ２に基づいて第２双方向半導体スイッチＳ２の故障の有無を判断する。故障診断部３は、Ｓ３オフによる第１回路転流動作時に検出される第２回路Ｃ２の電流ｉ２に基づいて第３双方向半導体スイッチＳ３の故障の有無を判断する。さらに、故障診断部３は、第２回路転流動作時に検出される第１回路Ｃ１の電流ｉ１に基づいて第１双方向半導体スイッチＳ１の故障の有無を判断する。これらの判断処理が、定期的に繰り返し実行される。これにより、効率よく故障診断処理を実行できる。なお、Ｓ２オフによる第１回路転流動作と、Ｓ３オフによる第１回路転流動作、及び、第２回路電流動作の順番は、図７に示す場合に限定されない。

Ｓ２オフによる第１回路転流動作、Ｓ３オフによる第１回路転流動作、及び、第２回路転流動作のそれぞれの期間の長さは、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ２の全てをオンにして常時電流を並列に流す期間よりも短くすることが好ましい。これにより、常時電流を並列に流すことによる損失低減の度合いが高くなる。

本発明の遮断器は、上記の実施形態に限定されない。例えば、遮断器は、上記構成に加えてさらに構成要素を有してもよい。例えば、第１、第２双方向半導体スイッチＳ１、Ｓ２に対して、エネルギー吸収回路が並列に接続されてもよい。エネルギー吸収回路は、例えば、コンデンサ又は電圧クランプ素子を含んでもよい。電圧クランプ素子は、例えば、バリスタ、ツェナーダイオード、又は、その他半導体を用いた電圧クランプ回路によって構成される。

また、第１回路において、第１双方向半導体スイッチに加えて、さらに、他の１以上の双方向半導体スイッチが、直列に接続されてもよい。第２回路においても、同様に、さらに直列接続の１以上の双方向半導体スイッチが追加で設けられてもよい。

負荷の故障率と第１双方向半導体スイッチの故障率の積、及び、負荷の故障率と第２双方向半導体スイッチの故障率の積を１０＾－９／ｈｏｕｒ未満に設計する態様は、上記実施形態に限られない。例えば、負荷の故障率は、半導体などを含むため、一般に、１０＾－４／ｈｏｕｒ未満と設定される。この場合、上記の双方向半導体スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３と負荷の故障が同時に起こる確率を、１０＾－９／ｈｏｕｒ未満にするためには、双方向半導体スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３の故障率を、１０＾－５／ｈｏｕｒ未満にすることが必要である。双方向半導体スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３の故障率の公称値が、１０＾－４／ｈｏｕｒの場合、上記実施形態４、５のように、故障診断部を設けることで、双方向半導体スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３の故障率が実質的に１０＾－５／ｈｏｕｒ未満になるよう設計することができる。この変形例として、故障診断を用いずに、双方向半導体スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３の故障率を１０＾－５／ｈｏｕｒ未満に設計することもできる。

例えば、双方向半導体スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３の故障の原因は、（１）半導体自体の劣化、及び、（２）駆動回路を含む信号系の不具合である。後者の（２）については、例えば、電子回路により２重系を構成することにより、１重系の故障率を、１０＾－２．５／ｈｏｕｒ未満まで緩和することが可能である。前者（１）の半導体の劣化の原因は、定常電流（常時電流）の発熱でヒートサイクルが生じ各接合部に疲労が起こることによる。従って、各部の温度上昇を抑えることにより疲労を低減することができる。例えば、定格電流に対する定常電流（常時電流）の比率を十分に下げて設計すればよい。これにより、半導体の劣化による故障の確率を低減できる。

また、上記の実施形態における遮断器を含むＤＣグリッドシステムも本発明の実施形態に含まれる。図８は、遮断器を含むＤＣグリッドシステムの構成例を示す図である。ＤＣグリッドシステムは、直流電源Ｂｔに接続されるバス４と、バス４に並列に接続された複数の負荷２と、バス４と、複数の負荷２のそれぞれとの間に接続されたインダクタＬｓ及び遮断器１を備える。遮断器１のそれぞれは、上記実施形態における遮断器１と同様に構成することができる。遮断器１は、軽量化しつつ、遮断機能の故障率を低くできる。これは、ＤＣグリッドシステム全体の軽量化及び信頼性の向上に大きく貢献する。

１：遮断器、２：負荷、３：故障診断部、Ｃ１：第１回路、Ｃ２：第２回路、Ｓ１：第１双方向半導体スイッチ、Ｓ２：第２双方向半導体スイッチ、Ｓ３：第３双方向半導体スイッチ、Ｍ１：第１機械式スイッチ、Ｍ２：第２機械式スイッチ

Claims

負荷に接続される遮断器であって、
第１双方向半導体スイッチを含む第１回路と、
前記第１回路に並列に接続され、第２双方向半導体スイッチを含む第２回路と、を備え、
前記第１回路又は前記第２回路のうち少なくとも前記第１回路において、前記第１双方向半導体スイッチに直列に接続される第１機械式スイッチが設けられ、
正常動作時は、前記第１双方向半導体スイッチ及び前記第１機械式スイッチをオンして、前記第１回路に常時電流を流し、
前記負荷が故障した場合は、前記第１双方向半導体スイッチをオフにして過電流を遮断し、
前記第１双方向半導体スイッチが故障した場合は、前記第１機械式スイッチを開放動作して、前記負荷の常時電流を前記第２回路に流す、遮断器。
請求項１に記載の遮断器であって、
前記第２回路は、前記第２双方向半導体スイッチに直列に接続される機械式スイッチを含まない、
正常動作時は、前記第１双方向半導体スイッチ及び前記第１機械式スイッチをオンし、且つ、前記第２双方向半導体スイッチをオフして、前記第１回路に常時電流を流し、
前記負荷が故障した場合は、前記第１双方向半導体スイッチをオフにして過電流をオフし、
前記第１双方向半導体スイッチが故障した場合は、前記第１機械式スイッチを開放動作して、前記負荷の常時電流を前記第２回路へ流し、前記第１機械式スイッチの絶縁が回復した後に、当該第２双方向半導体スイッチをオフにする、遮断器。
請求項１に記載の遮断器であって、
前記第１回路は、前記第１双方向半導体スイッチに直列に接続された前記第１機械式スイッチを含み、
前記第２回路は、前記第２双方向半導体スイッチに直列に接続された第２機械式スイッチを含む、遮断器。
請求項３に記載の遮断器であって、
正常動作時は、前記第１機械式スイッチ及び前記第２機械式スイッチをオンし、且つ、前記第１双方向半導体スイッチ及び前記第２双方向半導体スイッチをオンして、常時電流を前記第１回路及び前記第２回路に流し、
前記負荷が故障した場合は、前記第１双方向半導体スイッチ及び前記第２双方向半導体スイッチをオフにして過電流をオフし、
前記第１双方向半導体スイッチが故障した場合は、前記第１機械式スイッチを開放動作して、前記負荷の常時電流を前記第２回路に流し、その後、正常動作を継続するか、又は、前記第１機械式スイッチの絶縁が回復した後に、前記第２双方向半導体スイッチをオフにし、
前記第２双方向半導体スイッチが故障した場合は、前記第２機械式スイッチを開放動作して、前記負荷の常時電流を前記第１回路に流し、その後、正常動作を継続するか又は、前記第２機械式スイッチの絶縁が回復した後に、前記第１双方向半導体スイッチをオフにする、遮断器。
請求項１に記載の遮断器であって、
前記第１回路は、前記第１双方向半導体スイッチに直列に接続された前記第１機械式スイッチを含み、
前記第２回路は、前記第２双方向半導体スイッチに直列に接続された第３双方向半導体スイッチを含み、
正常動作時は、前記第１機械式スイッチ及び前記第１双方向半導体スイッチをオンし、且つ、前記第２双方向半導体スイッチ及び前記第３双方向半導体スイッチをオンして、常時電流を前記第１回路及び前記第２回路に流し、
前記負荷が故障した場合は、前記第１双方向半導体スイッチ、前記第２双方向半導体スイッチ及び前記第３双方向半導体スイッチをオフにし、
前記第１双方向半導体スイッチが故障した場合は、前記第１機械式スイッチを開放動作して、前記負荷の常時電流を前記第２回路に流し、その後、正常動作を継続するか又は、前記第１機械式スイッチの絶縁が回復した後に、前記第２双方向半導体スイッチ及び前記第３双方向半導体スイッチの少なくとも１つをオフにし、
前記第２双方向半導体スイッチが故障した場合は、前記第３双方向半導体スイッチをオフして、前記負荷の常時電流を前記第１回路に流し正常動作を継続するか、又は、前記第３双方向半導体スイッチ及び前記第１双方向半導体スイッチをオフにし、
前記第３双方向半導体スイッチが故障した場合は、前記第２双方向半導体スイッチをオフして、前記負荷の常時電流を前記第１回路に流して正常動作を継続するか、又は、前記第２双方向半導体スイッチ及び前記第１双方向半導体スイッチをオフにする、遮断器。
請求項１～５のいずれか１項に記載の遮断器であって、
前記負荷の故障率と前記第１双方向半導体スイッチの故障率の積が、１０＾－９／ｈｏｕｒ未満であり、
前記負荷の故障率と前記第２双方向半導体スイッチの故障率の積が、１０＾－９／ｈｏｕｒ未満となるよう設計された、遮断器。
請求項６に記載の遮断器であって、
前記第１双方向半導体スイッチ及び前記第２双方向半導体スイッチの故障診断処理を定期的に実行する故障診断部を、さらに備える、遮断器。
請求項７に記載の遮断器であって、
前記負荷の故障率と前記第１双方向半導体スイッチの故障率の公称値と１／Ｋ１の積が、１０＾－９／ｈｏｕｒ未満であり、
前記負荷の故障率と前記第２双方向半導体スイッチの故障率の公称値と１／Ｋ２の積が、１０＾－９／ｈｏｕｒ未満であり、
前記Ｋ１は、前記第１双方向半導体スイッチの１時間当たりの前記故障診断処理の回数であり、
前記Ｋ２は、前記第２双方向半導体スイッチの１時間当たりの前記故障診断処理の回数である、遮断器。
請求項５に記載の遮断器であって、
前記第１双方向半導体スイッチ、前記第２双方向半導体スイッチ、及び、前記第３双方向半導体スイッチの故障診断処理を定期的に実行する故障診断部を、さらに備える、遮断器。
請求項７に記載の遮断器であって、
前記故障診断部は、正常動作時に、前記第１双方向半導体スイッチをオン、前記第２双方向半導体スイッチをオフにして、前記常時電流を前記第１回路に流す動作と、前記第１双方向半導体スイッチをオフ、前記第２双方向半導体スイッチをオンにして、前記常時電流を前記第２回路に流す動作とを順次実行して、前記動作時の前記第１回路の電流又は前記第２回路の電流の少なくとも一方に基づいて、前記故障診断処理を実行する、遮断器。