JP5437199B2

JP5437199B2 - 半導体遮断回路

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Publication number: JP5437199B2
Application number: JP2010187134A
Authority: JP
Inventors: 謙介村井; 憲光田中; 忠利馬場崎
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2010-08-24
Filing date: 2010-08-24
Publication date: 2014-03-12
Anticipated expiration: 2030-08-24
Also published as: JP2012049616A

Description

本発明は、短絡が発生した際に回路を保護する半導体遮断回路に関する。

直流電源と直流電源から給電線を介して給電される負荷とを備えた給電回路においては、短絡が発生した際に回路を保護するために、電流を遮断する回路遮断器が直流電源と負荷との間に設けられている。なお、短絡には、例えば地絡が含まれる。回路遮断器としては、ヒューズや、半導体を用いた遮断器、サーキットブレーカ等が利用される。

半導体を用いた遮断器を利用した給電回路に短絡が発生すると、コレクタとエミッタとからなるスイッチング素子によって電流の遮断が開始される。このとき、直流電源から流れる電流の時間変化と、給電回路のインダクタンスとに応じた起電力が半導体にかかる。

これにより、半導体のコレクタとエミッタとの間の電圧値が急激に上昇し、半導体が破損してしまう恐れがある。以降、半導体を用いた遮断器のことを「半導体遮断器」といい、コレクタとエミッタとの間の電圧値のことを「半導体遮断器の両端間の電圧値」という。

半導体が破損するのを回避するために、半導体遮断器を利用した給電回路は、スナバ回路を備えているのか一般的である。なお、スナバ回路によって半導体遮断器の両端間の電圧値の急激な上昇を抑制するための技術が例えば、非特許文献１に開示されている。

図８は、半導体遮断器を利用した給電回路の一例を示す図である。

図８に示す給電回路は、直流電源８０と、半導体遮断回路１００と、負荷９０とを備えている。

半導体遮断回路１００は、制御部１１と、半導体遮断器１２と、電流検出部１３と、スナバ回路１０１とを備えている。

スナバ回路１０１においては通常、図８に示すように、抵抗とコンデンサとが直列に接続され、半導体遮断器１２とスナバ回路１０１とは、並列に接続されている。

また、図８に示した給電回路においては、正極線５１に流れる電流の電流値が電流検出部１３によって検出されている。そして、検出された電流値が所定の電流値に達すると、電流検出部１３は、制御部１１へ信号を出力する。そして、制御部１１は、電流検出部１３から出力された信号を受け付けると、半導体遮断器１２をオフ状態にすることにより、正極線５１に流れる電流の遮断が開始する。

半導体遮断器１２が電流の遮断を開始すると、電流がスナバ回路１０１に転流される。これにより、半導体遮断器１２の両端間の電圧値の急激な上昇が抑制され、半導体が破損するのを回避することができる。

上記の半導体が破損するのを回避する方法の他に、直流電源８０側の正極線５１と負極線５２の間にコンデンサを介挿させて、半導体遮断器１２の遮断動作後、直流電源８０側の電流がそのコンデンサに流れるようにする方法が考えられる。

また、電流の遮断を行なう際、半導体遮断器１２に過電圧を発生させないようにするために、ゲート電圧を徐々に下げることにより、半導体遮断機１２に流れる電流を緩やかに制限する方法もある。この方法では、通常時には半導体遮断器１２がオン状態になっているが、遮断時には素早く遮断を開始することができるように、波形発生部１１ａを用いて半導体遮断器１２のゲート電圧を制御する必要がある。

波形発生部１１ａは、遮断時には半導体遮断器１２をオン状態とオフ状態とに変化させる電圧レベルまで、半導体遮断器１２のゲート電圧を素早く下げ、半導体遮断機のゲートに蓄電した電荷を素早く引き抜くようにしている。その後、半導体遮断器１２をオン状態とオフ状態とを変化させる電圧領域では、波形発生部１１ａは、波形発生部１１ａは半導体遮断器１２のゲート電圧をゆっくりを下げる。これにより、電荷を徐々に引き抜くようにしている。

特開２００８−６７４４０号公報

http://www.fujielectric.co.jp/fdt/scd/technical/application/

上述したように、スナバ回路を用いれば、半導体遮断器が破損するのを回避することができる。しかし、スナバ回路を用いた場合、スナバ回路の分だけ半導体遮断回路が大きくなる。例えば、正極線と負極線との両方に流れる電流を遮断する必要がある場合、正極線上と負極線上の両方に半導体遮断器及びスナバ回路を設けなければならず、半導体遮断回路の大型化が避けられない。この場合、半導体遮断回路を設置するためのスペースが増大してしまうという問題点がある。

また、スナバ回路を用いた場合、半導体遮断器に流れる電流の遮断が完了した後にもスナバ回路のコンデンサを充電するために、短絡系統には電流が流れる。そのため、直流電源から出力された電流を電流分配装置によって複数の給電系統に分岐して負荷へ給電している場合、短絡が発生した給電系統において電流を遮断することによって発生する電圧変動が、短絡が発生していない給電系統に伝播してしまうという問題点がある。

また、直流電源８０側の正極線と負極線の間にコンデンサを介挿させて、半導体遮断器の遮断動作後、電源側の電流をこのコンデンサに流れるようにする方法でも、コンデンサの大きさ分、遮断回路が大きくなる。遮断後にコンデンサの電圧が上昇するので、所定の耐電圧を満たすようにコンデンサ容量を大きくする必要がある。高耐圧な素子を用いた場合であっても、短絡系統以外の系統の電圧変動が大きく生じたり、生産コストが高くなったりするといった問題がある。

さらに、半導体遮断器１２のゲート電圧を制御するための波形発生回路を用いた場合にも、半導体遮断回路が大型化したり、生産コストが高くなったりするといったことが避けられない。

そこで、本発明は、上記の課題に鑑み、スナバ回路や波形発生回路等を用いずに、回路面積が大型になったり、生産コストを高くなったりするのを抑えることのできる半導体遮断回路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の半導体遮断回路は、直流電源からの給電線を介して給電される負荷と前記直流電源との間に設けられた半導体遮断回路であって、前記給電線上に接続され、前記給電線に流れる電流の電流値が所定の電流値に達すると、前記給電線を流れる電流の遮断を開始する半導体遮断器と、前記直流電源と、前記半導体遮断器のゲート端子との間に接続され、前記半導体遮断器のゲート電圧を制御するゲート電圧調整部と、前記給電線に流れる電流の電流値が閾値電流値を超えると、前記半導体遮断器の電気的接続状態をオン状態からオフ状態へ切り替えるスイッチ切替制御部と、を有し、前記スイッチ切替制御部は、前記半導体遮断器が電流を遮断するとき、前記ゲート電圧調整部の分圧回路の電気的接続状態を複数の状態に切り替えることにより前記半導体遮断器のゲート電圧を制御し、前記ゲート電圧調整部は、前記給電線の一方の極線と、前記半導体遮断器のゲート端子との間に接続された複数の一方の極側抵抗と、前記給電線の他方の極線と、前記半導体遮断器のゲート端子との間に接続された少なくとも１つの他方の極側抵抗と、前記一方の極線と、前記複数の一方の極側抵抗とのそれぞれの間に接続された複数の一方の極側スイッチング素子と、前記他方の極線と、前記他方の極側抵抗との間に接続された少なくとも１つの他方の極側スイッチング素子と、からなり、前記ゲート電圧調整部は、前記一方の極線と、前記半導体遮断器のゲート端子との間に接続された第１及び第２の抵抗と、前記他方の極線と、前記半導体遮断器のゲート端子との間に接続された第３及び第４の抵抗と、前記一方の極線と、前記第１の抵抗との間に接続された第１のスイッチング素子と、前記一方の極線と、前記第２の抵抗との間に接続された第２のスイッチング素子と、前記他方の極線と、前記第３の抵抗との間に接続された第３のスイッチング素子と、前記他方の極線と、前記第４の抵抗との間に接続された第４のスイッチング素子と、からなり、時間を計測する計時部を有し、前記スイッチ切替制御部は、前記給電線に流れる電流の電流値が所定の電流値に達する前、前記第１及び第２のスイッチング素子の電気的接続状態をオン状態に切り替え、前記第３及び第４のスイッチング素子の電気的接続状態をオフ状態に切り替え、前記給電線に流れる電流の電流値が所定の電流値に達すると、前記第３及び第４のスイッチング素子の電気的接続状態をオン状態に切り替え、前記給電線に流れる電流の電流値が所定の電流値に達した後、前記計時部にて計測された時間が第１の時間を超えると、前記第１及び第３のスイッチング素子の電気的接続状態をオフ状態に切り替え、前記計時部にて計測された時間が前記第１の時間を超えた後、さらに第２の時間を超えると、前記第２のスイッチング素子の電気的接続状態をオフ状態に切り替えることにより、前記半導体遮断器の電気的接続状態をオン状態からオフ状態へ切り替える。
また、直流電源からの給電線を介して給電される負荷と前記直流電源との間に設けられた半導体遮断回路であって、前記給電線上に接続され、前記給電線に流れる電流の電流値が所定の電流値に達すると、前記給電線を流れる電流の遮断を開始する半導体遮断器と、前記直流電源と、前記半導体遮断器のゲート端子との間に接続され、前記半導体遮断器のゲート電圧を制御するゲート電圧調整部と、前記給電線に流れる電流の電流値が閾値電流値を超えると、前記半導体遮断器の電気的接続状態をオン状態からオフ状態へ切り替えるスイッチ切替制御部と、を有し、前記スイッチ切替制御部は、前記半導体遮断器が電流を遮断するとき、前記ゲート電圧調整部の分圧回路の電気的接続状態を複数の状態に切り替えることにより前記半導体遮断器のゲート電圧を制御し、前記ゲート電圧調整部は、前記給電線の一方の極線と、前記半導体遮断器のゲート端子との間に接続された複数の一方の極側抵抗と、前記給電線の他方の極線と、前記半導体遮断器のゲート端子との間に接続された少なくとも１つの他方の極側抵抗と、前記一方の極線と、前記複数の一方の極側抵抗とのそれぞれの間に接続された複数の一方の極側スイッチング素子と、前記他方の極線と、前記他方の極側抵抗との間に接続された少なくとも１つの他方の極側スイッチング素子と、からなり、前記ゲート電圧調整部は、前記一方の極線と、前記半導体遮断器のゲート端子との間に接続された第１及び第２の抵抗と、前記他方の極線と、前記半導体遮断器のゲート端子との間に接続された第３及び第４の抵抗と、前記一方の極線と、前記第１の抵抗との間に接続された第１のスイッチング素子と、前記一方の極線と、前記第２の抵抗との間に接続された第２のスイッチング素子と、前記他方の極線と、前記第３の抵抗との間に接続された第３のスイッチング素子と、前記他方の極線と、前記第４の抵抗との間に接続された第４のスイッチング素子と、からなり、前記半導体遮断器のゲートの電圧を検出する電圧検出部を有し、前記スイッチ切替制御部は、前記給電線に流れる電流の電流値が所定の電流値に達する前、前記第１及び第２のスイッチング素子の電気的接続状態をオン状態に切り替え、前記第３及び第４のスイッチング素子の電気的接続状態をオフ状態に切り替え、前記給電線に流れる電流の電流値が所定の電流値に達すると、前記第３及び第４のスイッチング素子の電気的接続状態をオン状態に切り替え、前記給電線に流れる電流の電流値が所定の電流値に達した後、前記電圧検出部にて検出された前記半導体遮断器のゲートの電圧が当該半導体遮断器の遮断開始電圧よりも高い電圧である第１の電圧以下になると、前記第１及び第３のスイッチング素子の電気的接続状態をオフ状態に切り替え、前記電圧検出部にて検出された前記半導体遮断器のゲートの電圧が前記第１の電圧以下になった後、さらに当該半導体遮断器の遮断完了電圧よりも低い電圧である第２の電圧以下になると、前記第２のスイッチング素子の電気的接続状態をオフ状態に切り替えることにより、前記半導体遮断器の電気的接続状態をオン状態からオフ状態へ切り替える。

本発明は以上説明したように構成されているので、波形発生回路等を用いることなく半導体遮断器のゲート電圧の制御を行ったり、スナバ回路や高耐圧な素子等を用いることなく過電流対策を行うことができる。半導体遮断回路にスナバ回路や波形発生回路等を用いる必要がないことで、半導体遮断回路を小型かつ低コストで製造することができる。

また、スナバ回路等を用いた場合よりも、半導体遮断回路を設置するためのスペースを低減することができる。

また、スナバ回路を用いた場合よりも、電流の遮断時に、短絡が発生していない給電系統に伝搬する電圧変動を抑制することができる。

本発明の半導体遮断回路を適用した給電回路の第１の実施形態の構成を示す図である。図１に示した半導体遮断回路の制御部１１の動作の流れ（時間により半導体遮断器１２のゲート電圧を制御する）を示すフローチャートである。図１に示した半導体遮断回路の制御部１１の動作（半導体遮断器１２のゲートの電圧の監視により半導体遮断器１２のゲート電圧を制御する）の流れを示すフローチャートである。本発明の半導体遮断回路を適用した給電回路の第１の変形例の構成を示す図である。本発明の半導体遮断回路を適用した給電回路の第２の変形例の構成を示す図である。本発明の半導体遮断回路を適用した給電回路の第３の変形例の構成を示す図である。本発明の半導体遮断回路を適用した給電回路の第４の変形例の構成を示す図である。半導体遮断器を利用した従来の給電回路の一例を示す図である。

以下に、本発明の好適な実施の形態について添付図面を参照して説明する。なお、以下の説明において参照する各図では、他の図と同等の構成要素は同一の符号によって示す。

（実施形態）
図１は、本発明の半導体遮断回路を適用した給電回路の実施形態の構成を示す図である。

本実施形態の給電回路は図１に示すように、半導体遮断回路１０と、直流電源８０と、負荷９０と、直流電源９１とを備えている。

また、半導体遮断回路１０と直流電源８０と負荷９０とは、正極線５１及び負極線５２から構成される給電線によって接続されている。そして、直流電源８０から給電線を介して電流が流れることにより、負荷９０へ給電される。また、電流検出部１３は、給電線上の第１の接続点に接続され、第１の接続点に流れる電流の電流値を検出する。そして、電流検出部１３は、検出された電流値が所定の電流値に達すると、制御部１１へ信号を出力する。

半導体遮断回路１０は、直流電源８０と負荷９０との間に設けられており、制御部１１と、半導体遮断器１２とを備えている。

制御部１１は、スイッチ切替制御部１１ａと、ゲート電圧調整部１１ｂである抵抗Ｒ_１〜Ｒ_４、及びスイッチＳ_１〜Ｓ_４とを有する。

スイッチ切替制御部１１ａは、電流検出部１３が出力した信号から、事前に定められた電流値と流れている電流値が比較して、それに応じて各スイッチの制御を行なう。

抵抗Ｒ_１は、負荷９０を駆動するために用いる直流電源８０とは別の直流電源９１の正極線５３と、スイッチＳ_１を介して半導体遮断器１２のゲート端子との間に接続される。抵抗Ｒ_２も、抵抗Ｒ_１と同様に、直流電源９１の正極線５３と、スイッチＳ_２を介して半導体遮断器１２のゲート端子との間に接続される。抵抗Ｒ_３は、直流電源９１の負極線５４と、スイッチＳ_３を介して半導体遮断器１２のゲート端子との間に接続される。抵抗Ｒ_４も、抵抗Ｒ_３と同様に、直流電源９１の負極線５４と、スイッチＳ_４を介して半導体遮断器１２のゲート端子との間に接続される。

上記の抵抗Ｒ_１〜Ｒ_４は、半導体遮断器１２のゲート電圧Ｖ_Ｇを制御するために用いられる素子である。直流電源９１の正極と、スイッチを介して半導体遮断器１２のゲート端子との間に２つの抵抗が接続され、直流電源９１の正極と、スイッチを介して半導体遮断器１２のゲート端子との間にも２つの抵抗が接続されていることで、半導体遮断器１２のゲート端子にかかる電圧を分圧させて、ゲート電圧Ｖ_Ｇを減少させることができるような回路構成になっている。

スイッチＳ_１は、直流電源９１の正極と抵抗Ｒ_１との間に接続され、制御部１１から出力されるスイッチング切替制御信号φ_１によって、その電気的接続状態が切り替わる。スイッチＳ_２は、直流電源９１の正極と抵抗Ｒ_２との間に接続され、制御部１１から出力されるスイッチング切替制御信号φ_２によって、その電気的接続状態が切り替わる。また、スイッチＳ_３は、直流電源９１の負極と抵抗Ｒ_３との間に接続され、制御部１１から出力されるスイッチング切替制御信号φ_３によって、その電気的接続状態が切り替わる。スイッチＳ_４は、直流電源９１の負極と抵抗Ｒ_４との間に接続され、制御部１１から出力されるスイッチング切替制御信号φ_４によって、その電気的接続状態が切り替わる。

上述した抵抗Ｒ_１，Ｒ_３は比較的小さな抵抗値を有するものを選択し、抵抗Ｒ_２，Ｒ_４は比較的大きな抵抗値を有するものを選択する。さらに、抵抗Ｒ_１〜Ｒ_４を用いてゲート端子にかかる電圧を分圧させているときに、半導体遮断器１２のゲート電圧Ｖ_Ｇが半導体遮断器１２が遮断を開始する閾値電圧Ｖ_１になるように、また抵抗Ｒ_２，Ｒ_４を用いてゲート端子にかかる電圧を分圧させているときに、半導体遮断器１２のゲート電圧Ｖ_Ｇが半導体遮断器１２が遮断を完了する閾値電圧Ｖ_２になるように、抵抗Ｒ_１〜Ｒ_４の抵抗値を決めておく。

例えば、抵抗Ｒ_１の抵抗値を１Ωとし、抵抗Ｒ_２の抵抗値を２０Ωとし、抵抗Ｒ_３の抵抗値を２Ωとし、抵抗Ｒ４の抵抗値を１０Ωのようにすることができる。また、本実施形態の説明では、正極側と負極側とに、２つずつ抵抗が接続されているが、正極側には抵抗が複数接続され、負極側には抵抗が少なくとも１つ接続されていれば良い。

半導体遮断器１２は、給電線上の第２の接続点に接続され、制御部１１によってオン状態とオフ状態とが切り替えられる。半導体遮断器１２は、オン状態からオフ状態に切り替えられることにより、第２の接続点に流れる電流の遮断を開始する。

以下に、上記のように構成された給電回路における半導体遮断回路１０の動作について説明する。

まず、図１に示した給電回路に短絡が発生していない場合について説明する。

図１に示した給電回路に短絡が発生していない場合には、半導体遮断器１２は、オフ状態であるため、直流電源８０から給電線を介して流れる電流は、負荷９０へ流れる。なお、短絡や過電流が発生していない通常時は、スイッチＳ_１の電気的接続状態をオン状態であり、スイッチＳ_３，Ｓ_４の電気的接続状態をオフ状態である。

次に、図１に示した給電回路に短絡が発生した場合について説明する。

図１に示した給電回路に短絡が発生すると、直流電源８０から給電線を介して流れる電流が増加していく。そして、スイッチ切替制御部１１ａは電流検出部１３から出力される信号から、流れている電流量が既定の電流量よりも大きいことを判定する。そして、制御部１１は、スイッチＳ_１〜Ｓ_４の電気的接続状態を切り替えるための信号を出し、スイッチを制御することでゲート電圧Ｖ_Ｇを低下させて、半導体遮断器１２が電流の遮断を開始する。

短絡や過電流が発生し、半導体遮断器１２が電流を遮断するとき、スイッチＳ_１〜Ｓ_４の電気的接続状態を切り替えると、正極線５１の電圧が抵抗Ｒ_１〜Ｒ_４によって半導体遮断器１２のゲート端子にかかる電圧が分圧される。例えば、直流電源９１の電圧を１２Ｖ、抵抗Ｒ_１の抵抗値を１Ω、抵抗Ｒ_２の抵抗値を２０Ω、抵抗Ｒ_３の抵抗値を２Ω、抵抗Ｒ４の抵抗値を１０Ωとしたとき、抵抗Ｒ_１，Ｒ_３をオン状態にすることで、半導体遮断器１２のゲート電圧Ｖ_Ｇは約８Ｖまで下がる。ゲート電圧調整部の抵抗値を低くすることで、半導体遮断器１２のゲート端子から電荷を一気に引き抜く速度を上げることができる。これにより、半導体遮断器１２のゲート電圧Ｖ_Ｇを、半導体遮断器１２が遮断を開始する閾値電圧Ｖ_１まで短時間で一気に減少させる。

そして、半導体遮断器１２のゲート電圧Ｖ_Ｇが、遮断を開始する閾値電圧Ｖ_１よりもやや高い電圧に達し、スイッチＳ_１，Ｓ_３の電気的接続状態をオフ状態に切り替え、スイッチＳ_２，Ｓ_４の電気的接続状態をオン状態にすると、正極線５１の電圧が抵抗Ｒ_２，Ｒ_４によって半導体遮断器１２のゲート端子にかかる電圧が分圧される。このとき、半導体遮断器１２のゲート電圧Ｖ_Ｇは約４Ｖまで下がる。ゲート電圧調整部の抵抗値を高くして、半導体遮断器１２のゲート端子から残りの電荷を徐々に引き抜く。これにより、半導体遮断器１２のゲート電圧Ｖ_Ｇを緩やかに減少させていく。

最後に、スイッチＳ_２の電気的接続状態をオフ状態に切り替えると、半導体遮断器１２のゲート端子は、負極線５２のみと接続されている状態となる。これにより、最終的に半導体遮断器１２のゲート電圧Ｖ_Ｇを０Ｖになり、半導体遮断器１２は完全にオフ状態となる。

このように、スイッチＳ_１〜Ｓ_４を切り替えて、抵抗Ｒ_１〜Ｒ_４の接続方法を変える。そして、半導体遮断器１２のゲート端子にかかる電圧の分圧の仕方を変えていくことで、半導体遮断器１２のゲート電圧Ｖ_Ｇを段階的に減少させていく。このため、スナバ回路や波形発生回路等を用いることなく、電流を短時間で遮断を開始することと、緩やかに電流を切ることの両立することが可能となる。このため、耐圧の大きいコンデンサや半導体遮断器等を用いる必要がない。

以下、図２及び図３を参照して、制御部１１による半導体遮断器１２の電気的接続状態を切り替るための制御の流れを詳細に説明する。

まず、図２に示すように、制御部１１は、スイッチＳ_１，Ｓ_２をオン状態に切り替えるようにスイッチング切替制御信号φ_１，φ_２を出力し，スイッチＳ_３，Ｓ_４をオフ状態に切り替えるようにスイッチング切替制御信号φ_３，φ_４を出力する（ステップＳ１０１）。次に、制御部１１は、電流検出部１３から電流値を入力し（ステップＳ１０２）、電流値が閾値電流を超えたか否かを判断することによって、回路に短絡や過電流が発生したか判断する。制御部１１は、電流値が閾値電流を超えていなく、短絡や過電流が発生していないと判断すると（ステップＳ１０３のＮＯ）、ステップＳ１０２に戻り処理を繰り返す。また、制御部１１は、電流値が閾値電流を超え、短絡や過電流が発生したと判断すると（ステップＳ１０３のＹＥＳ）、スイッチＳ_３，Ｓ_４の電気的接続状態をオフ状態からオン状態に切り替えるように、スイッチング切替制御信号φ_３，φ_４を出力する（ステップＳ１０４）。

制御部１１は、スイッチＳ_３，Ｓ_４の電気的接続状態をオン状態にしている時間を計時し（ステップＳ１０５）、その時間が指定された時間Ｔ_１を超えるまで（ステップＳ１０６のＮＯ）、各スイッチの電気的接続状態をそのままにしておく。上述したように、スイッチＳ_３，Ｓ_４の電気的接続状態を切り替えることで、半導体遮断器１２のゲート電圧Ｖ_Ｇを、半導体遮断器１２が遮断を開始する閾値電圧Ｖ_１よりも少し高い電圧まで短時間で一気に減少させる。

そして、制御部１１は、計時している時間が指定された時間Ｔ_１を超えて（ステップＳ１０６のＹＥＳ）、半導体遮断器１２のゲート電圧Ｖ_Ｇが、閾値電圧Ｖ_１よりもやや高い電圧に達すると、制御部１１は、スイッチＳ_１，Ｓ_３の電気的接続状態をオン状態からオフ状態に切り替えるように、スイッチング切替制御信号φ_１，φ_３を出力する（ステップＳ１０７）。制御部１１は、スイッチＳ_１，Ｓ_３の電気的接続状態をオフ状態にしている時間を計時し（ステップＳ１０８）、その時間が指定された時間Ｔ_２を超えるまで（ステップＳ１０９のＮＯ）、各スイッチの電気的接続状態をそのままにしておく。上述したように、スイッチＳ_１，Ｓ_３の電気的接続状態を切り替えることで、ゲート電圧Ｖ_Ｇを緩やかに低下させ、半導体遮断器１２のゲート電圧を閾値電圧Ｖ_２より小さくする。

そして、計時している時間が指定された時間Ｔ_２を超えると（ステップＳ１０９のＹＥＳ）、制御部１１は、スイッチＳ_２の電気的接続状態をオン状態からオフ状態に切り替えるように、スイッチング切替制御信号φ_２を出力する（ステップＳ１１０）。すると、半導体遮断器１２のゲート端子は、負極線５２のみと接続されている状態となるため、半導体遮断器１２は完全にオフ状態となって、電流値が０Ａになり遮断に係る一連の制御が完了する。

また、上述したように各スイッチをオン状態またはオフ状態にしている時間に応じて半導体遮断器１２の接続状態を切り替える以外にも、例えば半導体遮断器１２のゲート電圧Ｖ_Ｇに応じて半導体遮断器１２の接続状態を切り替えることもできる。

図３に示すように、制御部１１は、ステップＳ２０１〜Ｓ２０４の各処理を、上述したステップＳ１０１〜Ｓ１０４の各処理と同様に行う。そして、制御部１１は、半導体遮断器１２のゲート電圧Ｖ_Ｇが所定の半導体遮断器１２が遮断を開始する閾値電圧Ｖ_１よりも少し高い電圧Ｖ_Ａになるまでの間（ステップＳ２０５のＮＯ）、各スイッチの電気的接続状態をそのままにしておく。上述したように、スイッチＳ_３，Ｓ_４の電気的接続状態を切り替えることで、半導体遮断器１２のゲート電圧Ｖ_Ｇを、電圧Ｖ_Ａまで短時間で一気に減少させる。

そして、制御部１１は、半導体遮断器１２のゲートの電圧が所定の閾値電圧Ｖ_Ａ以下になり（ステップＳ２０５のＹＥＳ）、半導体遮断器１２のゲート電圧Ｖ_Ｇが、半導体遮断器１２が遮断を開始する遮断閾値電圧Ｖ_１よりもやや高い電圧に達すると、制御部１１は、スイッチＳ_１，Ｓ_３の電気的接続状態をオン状態からオフ状態に切り替えるように、スイッチング切替制御信号φ_１，φ_３を出力する（ステップＳ２０６）。

次に、制御部１１は、半導体遮断器１２のゲート電圧Ｖ_Ｇが半導体遮断器１２が遮断を完了する遮断閾値電圧Ｖ_２よりも低い閾値電圧Ｖ_Ｂ以下になるまでの間（ステップＳ２０７のＮＯ）、各スイッチの電気的接続状態をそのままにしておく。上述したように、スイッチＳ_１，Ｓ_３の電気的接続状態を切り替えることで、ゲート電圧Ｖ_Ｇを緩やかに低下させ、半導体遮断器１２のゲート電圧Ｖ_ＧをＶ₂より小さくする。

そして、半導体遮断器１２のゲート電圧Ｖ_Ｇが閾値電圧Ｖ_Ｂ以下になると（ステップＳ２０７のＹＥＳ）、電流値が０Ａになり、制御部１１は、スイッチＳ_２の電気的接続状態をオン状態からオフ状態に切り替えるように、スイッチング切替制御信号φ_２を出力する（ステップＳ１１０）。すると、半導体遮断器１２のゲート端子は、負極線５２のみと接続されている状態となるため、半導体遮断器１２は完全にオフ状態となって、遮断に係る一連の制御が完了する。

上述したように、回路に短絡が発生すると、スイッチＳ_３，Ｓ_４をオン状態に切り替えることで、ゲート電圧調整部の抵抗値を低くして、半導体遮断器１２のゲート端子から電荷を一気に引き抜く。これによって、半導体遮断器１２のゲート電圧Ｖ_Ｇを短時間で一気に減少させる。その後、スイッチＳ_１，Ｓ_３をオフ状態に切り替えることで。ゲート電圧調整部の抵抗値を高くして、半導体遮断器１２のゲート端子から電荷を徐々に引き抜く。これによって、半導体遮断器１２のゲート電圧Ｖ_Ｇを緩やかに減少させる。このようにして、波形発生回路等を用いて行っていた半導体遮断器１２のゲート電圧Ｖ_Ｇを制御を、波形発生回路等を用いなくても行うことができる。

なお、ステップＳ１０４〜Ｓ１０６又はステップＳ２０４，Ｓ２０５の処理時、スイッチＳ_１，Ｓ_３の電気的接続状態がオン状態になっていれば、スイッチＳ_２，Ｓ_４の電気的接続状態はオン状態またはオフ状態のどちらであっても良い。また、ステップＳ１１０又はステップＳ２０８の処理時、スイッチＳ_１，Ｓ_２の電気的接続状態がオフ状態になっていれば、スイッチＳ_３，Ｓ_４の電気的接続状態はいずれか一方のスイッチがオン状態になっていれば良い。

（変形例）
なお、上述した実施形態おいては、半導体遮断器１２及び電流検出部１３が正極線５１上に接続される場合を一例として説明したが、半導体遮断器１２及び電流検出部１３は、負極線５２上に接続されていてもよい。また、半導体遮断器１２と電流検出部１３との一方が正極線５１上に接続され、他方が負極線５２上に接続されていてもよい。さらに、短絡や過電流を検出するのに際しても、電流検出部１３を用いる以外の方法によって短絡や過電流を検出することもできる。

また、上述した実施形態において、半導体遮断器１２はＮ型ＭＯＳＦＥＴを用いて構成されるものであったが、これに限らない。図４に示す半導体遮断回路３０のように、半導体遮断器１２はＰ型ＭＯＳＦＥＴを用いて構成されるものであっても良い。この場合、図示するように、スイッチＳ_１，Ｓ_２は直流電源９１の負極線５４と接続され、スイッチＳ_3，Ｓ₄は直流電源９１の正極線５３と接続される。

また、上述した実施形態において、負荷９０を駆動するために用いる直流電源８０とは別に直流電源９１を設けていた。但し、図５に示すように、直流電源９１を用いる代わりに、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ９２を用いて給電線から給電される電圧を変換して、半導体遮断器１２のゲート電圧を制御するための電圧を生成しても良い。

また、図６に示すように、半導体遮断器１２が正極線５１上に設けられ、その半導体遮断器１２がＰ型ＭＯＳＦＥＴ等で構成され、半導体遮断器１２のゲート端子に−の電圧を印加されて通電・遮断動作を行うものである場合には、非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ９３を用いて、給電線から給電される電圧を変換して、半導体遮断器１２のゲート電圧を制御するための電圧を生成しても良い。なお、半導体遮断器１２が負極線５２上に設けられ、その半導体遮断器１２がＮ型ＭＯＳＦＥＴ等で構成され、半導体遮断器１２のゲート端子に＋の電圧を印加されて通電・遮断動作を行うものである場合には、非絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータ９３を設けて、給電線から給電される電圧を変換して、半導体遮断器１２のゲート電圧を制御するための電圧を生成しても良い。

なお、上述の直流電源８０の電圧が半導体遮断器１２のゲート電圧に適合している場合には、上述の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ９２や非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ９３を設けないで、正極線５１及び負極線５２とゲート電圧調整部１１ｂとを直接接続して、直流電源８０の電圧をそのままゲート端子の制御に利用しても良い。

また、上述した実施形態において、例えば、電流検出部１３が所定の電流値を検出してから、半導体遮断器１２が電流の遮断を開始するまでの間の電流の増加を抑制するために、図７に示すように、給電線上にインダクタ９４，９５が接続されていても良い。

（まとめ）
スナバ回路や波形発生回路等を用いることなく、半導体遮断器１２を破損させずに電流を遮断することができる。制御部１１が、短絡や過電流が発生したと判断すると、スイッチＳ_３，Ｓ_４の電気的接続状態をオン状態に切り替え、ゲート電圧調整部の抵抗値を低い状態にして、半導体遮断器１２のゲート電圧Ｖ_Ｇを半導体遮断器１２が遮断を開始する閾値電圧Ｖ_１よりもやや高いレベルまで短時間で一気に減少させる。次に、スイッチＳ_１，Ｓ_３の電気的接続状態をオフ状態に切り替え、ゲート電圧調整部の抵抗値を高い状態にして、半導体遮断器１２のゲート電圧Ｖ_Ｇを緩やかに減少させる。

このように、スイッチＳ_１〜Ｓ_４を切り替えて、抵抗Ｒ_１〜Ｒ_４の接続方法を変える。そして、半導体遮断器１２のゲート端子にかかる電圧の分圧の仕方を変えていくことで、半導体遮断器１２のゲート電圧Ｖ_Ｇを段階的に減少させていく。このため、スナバ回路や波形発生回路等を用いることなく、電流の遮断を短時間で開始させることと、緩やかに電流を切ることとを両立させることができる。

本発明は、直流電源で動作する様々な負荷を短絡や過電流から保護するための半導体遮断回路として用いることができる。

１０半導体遮断回路
１１制御部
１１ａスイッチ切替制御部
１１ｂゲート電圧調整部
１２半導体遮断器
１３電流検出部
５１正極線
５２負極線
８０直流電源
９０負荷

Claims

直流電源からの給電線を介して給電される負荷と前記直流電源との間に設けられた半導体遮断回路であって、
前記給電線上に接続され、前記給電線に流れる電流の電流値が所定の電流値に達すると、前記給電線を流れる電流の遮断を開始する半導体遮断器と、
前記直流電源と、前記半導体遮断器のゲート端子との間に接続され、前記半導体遮断器のゲート電圧を制御するゲート電圧調整部と、
前記給電線に流れる電流の電流値が閾値電流値を超えると、前記半導体遮断器の電気的接続状態をオン状態からオフ状態へ切り替えるスイッチ切替制御部と、を有し、
前記スイッチ切替制御部は、
前記半導体遮断器が電流を遮断するとき、前記ゲート電圧調整部の分圧回路の電気的接続状態を複数の状態に切り替えることにより前記半導体遮断器のゲート電圧を制御し、
前記ゲート電圧調整部は、
前記給電線の一方の極線と、前記半導体遮断器のゲート端子との間に接続された複数の一方の極側抵抗と、
前記給電線の他方の極線と、前記半導体遮断器のゲート端子との間に接続された少なくとも１つの他方の極側抵抗と、
前記一方の極線と、前記複数の一方の極側抵抗とのそれぞれの間に接続された複数の一方の極側スイッチング素子と、
前記他方の極線と、前記他方の極側抵抗との間に接続された少なくとも１つの他方の極側スイッチング素子と、からなり、
前記ゲート電圧調整部は、
前記一方の極線と、前記半導体遮断器のゲート端子との間に接続された第１及び第２の抵抗と、
前記他方の極線と、前記半導体遮断器のゲート端子との間に接続された第３及び第４の抵抗と、
前記一方の極線と、前記第１の抵抗との間に接続された第１のスイッチング素子と、
前記一方の極線と、前記第２の抵抗との間に接続された第２のスイッチング素子と、
前記他方の極線と、前記第３の抵抗との間に接続された第３のスイッチング素子と、
前記他方の極線と、前記第４の抵抗との間に接続された第４のスイッチング素子と、からなり、
時間を計測する計時部を有し、
前記スイッチ切替制御部は、
前記給電線に流れる電流の電流値が所定の電流値に達する前、前記第１及び第２のスイッチング素子の電気的接続状態をオン状態に切り替え、前記第３及び第４のスイッチング素子の電気的接続状態をオフ状態に切り替え、
前記給電線に流れる電流の電流値が所定の電流値に達すると、前記第３及び第４のスイッチング素子の電気的接続状態をオン状態に切り替え、
前記給電線に流れる電流の電流値が所定の電流値に達した後、前記計時部にて計測された時間が第１の時間を超えると、前記第１及び第３のスイッチング素子の電気的接続状態をオフ状態に切り替え、
前記計時部にて計測された時間が前記第１の時間を超えた後、さらに第２の時間を超えると、前記第２のスイッチング素子の電気的接続状態をオフ状態に切り替えることにより、前記半導体遮断器の電気的接続状態をオン状態からオフ状態へ切り替える半導体遮断回路。
直流電源からの給電線を介して給電される負荷と前記直流電源との間に設けられた半導体遮断回路であって、
前記給電線上に接続され、前記給電線に流れる電流の電流値が所定の電流値に達すると、前記給電線を流れる電流の遮断を開始する半導体遮断器と、
前記直流電源と、前記半導体遮断器のゲート端子との間に接続され、前記半導体遮断器のゲート電圧を制御するゲート電圧調整部と、
前記給電線に流れる電流の電流値が閾値電流値を超えると、前記半導体遮断器の電気的接続状態をオン状態からオフ状態へ切り替えるスイッチ切替制御部と、を有し、
前記スイッチ切替制御部は、
前記半導体遮断器が電流を遮断するとき、前記ゲート電圧調整部の分圧回路の電気的接続状態を複数の状態に切り替えることにより前記半導体遮断器のゲート電圧を制御し、
前記ゲート電圧調整部は、
前記給電線の一方の極線と、前記半導体遮断器のゲート端子との間に接続された複数の一方の極側抵抗と、
前記給電線の他方の極線と、前記半導体遮断器のゲート端子との間に接続された少なくとも１つの他方の極側抵抗と、
前記一方の極線と、前記複数の一方の極側抵抗とのそれぞれの間に接続された複数の一方の極側スイッチング素子と、
前記他方の極線と、前記他方の極側抵抗との間に接続された少なくとも１つの他方の極側スイッチング素子と、からなり、
前記ゲート電圧調整部は、
前記一方の極線と、前記半導体遮断器のゲート端子との間に接続された第１及び第２の抵抗と、
前記他方の極線と、前記半導体遮断器のゲート端子との間に接続された第３及び第４の抵抗と、
前記一方の極線と、前記第１の抵抗との間に接続された第１のスイッチング素子と、
前記一方の極線と、前記第２の抵抗との間に接続された第２のスイッチング素子と、
前記他方の極線と、前記第３の抵抗との間に接続された第３のスイッチング素子と、
前記他方の極線と、前記第４の抵抗との間に接続された第４のスイッチング素子と、からなり、
前記半導体遮断器のゲートの電圧を検出する電圧検出部を有し、
前記スイッチ切替制御部は、
前記給電線に流れる電流の電流値が所定の電流値に達する前、前記第１及び第２のスイッチング素子の電気的接続状態をオン状態に切り替え、前記第３及び第４のスイッチング素子の電気的接続状態をオフ状態に切り替え、
前記給電線に流れる電流の電流値が所定の電流値に達すると、前記第３及び第４のスイッチング素子の電気的接続状態をオン状態に切り替え、
前記給電線に流れる電流の電流値が所定の電流値に達した後、前記電圧検出部にて検出された前記半導体遮断器のゲートの電圧が当該半導体遮断器の遮断開始電圧よりも高い電圧である第１の電圧以下になると、前記第１及び第３のスイッチング素子の電気的接続状態をオフ状態に切り替え、
前記電圧検出部にて検出された前記半導体遮断器のゲートの電圧が前記第１の電圧以下になった後、さらに当該半導体遮断器の遮断完了電圧よりも低い電圧である第２の電圧以下になると、前記第２のスイッチング素子の電気的接続状態をオフ状態に切り替えることにより、前記半導体遮断器の電気的接続状態をオン状態からオフ状態へ切り替える半導体遮断回路。
請求項１または２に記載の半導体遮断回路において、
前記直流電源は、
前記負荷を駆動するための駆動用直流電源と、前記半導体遮断器を制御するための制御用直流電源とであって、
前記ゲート電圧調整部は、
前記制御用直流電源と、前記半導体遮断器のゲート端子との間に接続され、前記半導体遮断器のゲート電圧を制御する半導体遮断回路。
請求項１または２に記載の半導体遮断回路において、
前記ゲート電圧調整部は、
ＤＣ／ＤＣコンバータを介して前記給電線と接続され、前記半導体遮断器のゲート電圧を制御する半導体遮断回路。
請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体遮断回路において、
前記ゲート電圧調整部は、
インダクタが接続された前記給電線と接続され、前記半導体遮断器のゲート電圧を制御する半導体遮断回路。