JP5578661B2 - 半導体遮断器及び直流給電システム - Google Patents

Description

本発明は、電源装置から負荷装置へ過電流が流れた場合にこれを遮断することが可能な半導体遮断器、及びこの半導体遮断器を備えた直流給電システムに関する。

近年、データセンタや通信局舎などにおいては、ルータやサーバ等の各種負荷装置へ直流電力を供給する直流給電システムの構築が進められている。直流給電システムは、電源装置からの直流電力（直流電流）を電力供給線を介して負荷装置へ供給するものであり、１つの電源装置から複数の負荷装置へ給電する場合には、電源装置からの直流電力を電流分配装置で分配して複数の負荷装置へ供給するように構成される。

このような直流給電システムでは、負荷装置への給電を高信頼・高品質で行えるようにすることが要求されている。そのため、電源装置と負荷装置の間には、負荷装置側で短絡等の事故が発生した場合に生じる過大な短絡電流からシステムを保護するために、保護装置が設けられる。上述した電流分配装置を備えたシステムにおいては、その電流分配装置内において分配先毎に保護装置が設けられるのが一般的である。

保護装置としては、従来よりヒューズの使用が一般的であるが、ヒューズの場合、過電流によって溶断する度に交換する必要があったり、高電圧の直流給電システムになるとそれに応じた定格のものを用いる必要があるなど、手間やコストの点で難点がある。そのため、ヒューズに代わる保護装置として、電力供給線上に半導体スイッチング素子を挿入し、この半導体スイッチング素子によって電力供給線を導通・遮断可能に構成された半導体遮断器が種々提案されている。

半導体遮断器は、通常動作時は半導体スイッチング素子を常時オンして電源装置から負荷装置へ電力を供給させるが、半導体スイッチング素子を流れる電流がある閾値以上となった場合、即ち過電流状態になった場合には、これを検出して半導体スイッチング素子をオフすることで、過電流を遮断する。

ところで、過電流の発生は、短絡事故が生じた場合に限らず、例えば瞬間的に流れる突入電流やノイズによって発生したり、負荷装置側の容量成分（コンデンサ）が充電される際に発生するなど、システムは正常であっても発生する場合がある。なお、負荷装置側のコンデンサとは、例えば、負荷装置の入力段に設けられた入力フィルタ（ＬＣフィルタ）を構成するコンデンサや、電源の瞬断時に負荷装置への電力供給を補償するための蓄電手段としてのコンデンサなど、半導体遮断器から負荷装置側の回路に存在しているあらゆるコンデンサ（容量成分）が含まれる。

このような、突入電流やコンデンサ充電電流などによる過電流は、短絡等による事故電流とは違って、システムの異常によって発生するものではないため、そのような過電流が検出された場合には必ずしも継続的に遮断させる必要はない。

そこで従来、過電流が発生した場合に、それが短絡等による事故電流なのかそれともコンデンサ充電電流のような一時的なものなのかを見極めて、事故電流であった場合には半導体スイッチング素子を完全にオフさせる技術が知られている（例えば、特許文献１，２参照。）。

特許文献１，２に記載された技術は、半導体スイッチング素子を流れる電流が閾値以上か否か判断し、閾値以上となった場合には半導体スイッチング素子のオン・オフ（以下「リトライ動作」という）を繰り返すことで、短絡電流を限流するものである。リトライ動作を行う毎、即ち、一旦オフさせて再びオンさせる毎に、そのオン時に半導体スイッチング素子を通過する電流をみて、閾値を下回っているか否か判断する。そして、閾値を下回るまでリトライ動作を繰り返し、閾値を下回ったならばリトライ動作を停止して半導体スイッチング素子を常時オン状態に復帰させる。

一方、所定時間リトライ動作を繰り返しても閾値を下回らなかった場合は、短絡等による事故電流であると判定して、半導体スイッチング素子を完全にオフする。

特開２００７−２３６０６１号公報 特許第３４００３０２号公報

しかし、コンデンサ充電電流による過電流は、負荷側のコンデンサの容量が大きくなると充電に要する時間も長くなるため、その過電流状態が長時間継続してしまう。すると、過電流発生によりリトライ動作が開始された後、所定時間経過しても、充電が完了せずにまだ過電流状態のままとなり、これによって短絡等による事故電流と誤判定され、半導体スイッチング素子が完全にオフされて負荷装置への電力供給が停止してしまう。

コンデンサの容量が大きくても上記のような誤判定を防ぎつつ確実に充電させるためには、例えば、リトライ動作を許容する所定時間を長く設定するという方法が考えられる。
しかし、そのようにすると、本当に短絡事故が発生して事故電流が流れている場合にも、設定した時間が経過するまではリトライ動作が繰り返されることになり、短絡事故であるとの判定や半導体スイッチング素子を完全にオフさせるタイミングが遅れてしまう。

一方、リトライ動作を許容する所定時間は変えずに、過電流かどうかを判定するための閾値を高い値に設定する方法も考えられる。しかしそのようにすると、短絡等による事故電流以外の過電流が流れているにもかかわらず、即ち短絡電流よりは小さいものの定格よりも大きい電流が流れていて半導体スイッチング素子をリトライ動作させるべき状態にある場合にもかかわらず、閾値以上ではないことによってリトライ動作がなされず常時オンされたままとなってしまう。そのため、過電流かどうかの閾値を高く設定することは、過電流の判定機能そのものが低下するため、現実的ではない。

本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、過電流の判定機能を十分に維持しつつ、過電流が発生した場合にそれが負荷装置側の短絡等による事故電流なのか否かを正確且つ迅速に判定して、事故電流の場合には迅速にその過電流を遮断することが可能な半導体遮断器を提供すること、及びこの半導体遮断器を備えた直流給電システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するためになされた請求項１に記載の発明は、電源装置から電力供給線を介して負荷装置へ直流電力を供給する直流給電システムにおいて、電源装置と負荷装置の間を導通・遮断するために電力供給線に設けられた半導体遮断器であって、電力供給線上に挿入され、該電力供給線を導通・遮断するための、半導体スイッチング素子からなる半導体スイッチ手段と、電源装置から負荷装置へ半導体スイッチ手段を介して流れる電流を検出する電流検出手段と、この電流検出手段により検出された電流が予め設定された第１の閾値以上である第１過電流であるか否かを判断する第１過電流判断手段と、この第１過電流判断手段により第１過電流と判断された場合に、所定のタイミングで半導体スイッチ手段のオン・オフを繰り返すリトライ動作を行うリトライ制御手段と、電流検出手段により検出された電流が、第１の閾値よりも大きい第２の閾値以上である第２過電流であるか否かを判断する第２過電流判断手段と、この第２過電流判断手段により第２過電流であると判断される状態が予め設定した事故判定所要期間以上継続したか否かを判定する事故判定手段と、この事故判定手段により第２過電流の状態が事故判定所要期間以上継続したと判定された場合に半導体スイッチ手段を継続的にオフさせる第１遮断手段と、を備え
る。負荷装置は、電源装置から電力供給線を介して供給される直流電力により充電されるコンデンサを有する。事故判定所要期間は、電源装置から電力供給線を介して負荷装置へ供給される直流電力によってコンデンサが充電されることに起因して第２過電流が発生した場合にその第２過電流の発生時からコンデンサの充電が進むことによって第２過電流ではなくなるまでに要する時間に基づき、その時間よりも長い時間となるように設定されている。

このように構成された請求項１に記載の半導体遮断器では、電源装置から負荷装置への給電が行われる通常時は、半導体スイッチ手段がオンされることによりこの半導体スイッチ手段を介して電力供給線上を電流が流れる。そして、その電流が第１の閾値以上の電流（第１過電流）となった場合にはリトライ動作が行われる。

このような動作を基本としつつ、本発明では更に、第１の閾値よりも大きい第２の閾値が設定され、半導体スイッチ手段を流れる電流が第２の閾値以上の電流（第２過電流）となった場合であってその第２過電流の状態が事故判定所要期間以上継続したならば、半導体スイッチ手段が継続的にオフされる。

そのため、例えば負荷装置が有するコンデンサ（容量成分）に対する充電電流によって、第２の閾値以上の大きな電流が一時的に流れたとしても、充電電流であれば事故判定所要期間が経過するまでには第２の閾値を下回るため、これをもって、第１遮断手段により半導体スイッチ手段が継続的にオフされてしまうのを回避できる。

一方、例えば負荷装置側の短絡事故によって第２の閾値以上となるような事故電流が流れた場合は、事故判定所要期間が経過するまではリトライ動作が続くものの、事故判定所要期間が経過したら半導体スイッチ手段が継続的にオフされる。

従って、請求項１に記載の半導体遮断器によれば、リトライ動作を行うべきレベルの過電流（第１過電流）に対する判定機能を十分に維持しつつ、過電流が発生した場合にそれが負荷装置側の短絡等による事故電流なのか否かを正確且つ迅速に判定することができる。そのため、事故電流の場合には半導体スイッチ手段をオフすることによってその事故電流を迅速に遮断することができる。また、例えば負荷装置側のコンデンサへ一時的に過大な充電電流が流れた場合には、それが事故電流と誤判定されるのを回避でき、コンデンサへの充電を確実に行うことができる。

次に、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の半導体遮断器であって、事故判定所要期間は、予め設定された事故判定時間が経過するまでの期間、又はリトライ制御手段によるリトライ動作が予め設定された事故判定回数行われる期間である。

このように構成された請求項２に記載の半導体遮断器によれば、事故判定所要期間の設定の自由度が広がり、汎用性の高い半導体遮断器の提供が可能となる。
次に、請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の半導体遮断器であって、過負荷判定手段と第２遮断手段とを備えている。過負荷判定手段は、第１過電流判断手段により第１過電流と判断された後、該第１過電流の状態が、予め設定された、上記事故判定所要期間よりも長い過負荷判定所要期間以上継続したか否かを判定する。第２遮断手段は、事故判定手段により第２過電流の状態が事故判定所要期間以上継続したと判定されることなく、過負荷判定手段によって第１過電流の状態が過負荷判定所要期間以上継続したと判定された場合に、半導体スイッチ手段を継続的にオフさせる。

このように構成された請求項３に記載の半導体遮断器は、第２過電流（第２の閾値以上）の状態が事故判定所要期間以上継続した場合に半導体スイッチ手段を継続的にオフさせる機能を有していると共に、これに加えて更に、第２過電流までには至っていないものの第１過電流（第１の閾値以上）の状態が過負荷判定所要期間以上継続したならば半導体スイッチ手段を継続的にオフさせる機能をも有している。

つまり、第２過電流状態が事故判定所要期間以上継続するような場合はより迅速に半導体スイッチ手段を継続的にオフさせることができると共に、第２過電流ではないものの第１過電流となっている場合には、一定期間（過負荷判定所要期間）様子を見た上でそれでもなお第１過電流となっているならば半導体スイッチ手段を継続的にオフさせるのである。

そのため、過電流が発生した場合に半導体スイッチ手段を継続的にオフさせるべきか否かの判断を、その過電流の程度に応じたより適切なタイミングで行うことができる。
次に、請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の半導体遮断器であって、過負荷判定所要期間は、予め設定された過負荷判定時間が経過するまでの期間、又はリトライ制御手段によるリトライ動作が予め設定された過負荷判定回数行われる期間である。

このように構成された請求項４に記載の半導体遮断器によれば、過負荷判定所要期間の設定の自由度が広がり、汎用性の高い半導体遮断器の提供が可能となる。
次に、請求項５に記載の発明は、請求項３又は請求項４に記載の半導体遮断器であって、リトライ制御手段は、リトライ動作の開始後、過負荷判定手段により第１過電流の状態が過負荷判定所要期間以上継続したと判定されることなく、第１過電流判断手段によって、電流検出手段により検出された電流が第１の閾値を下回ったと判断された場合には、リトライ動作を停止する。

このように構成された請求項５に記載の半導体遮断器によれば、通電電流が少なくとも第１の閾値以上の過電流である間は、リトライ動作によってその過電流を限流させつ負荷装置への電力供給を継続させることができ、その後過負荷判定所要期間が経過する前に第１の閾値を下回った場合は、再び通常の通電状態に戻す（即ち半導体スイッチ手段を継続的にオンさせる）ことができる。そのため、過電流に対する正確且つ確実な保護機能と、過電流状態ではなくなった場合の通常状態への迅速なる復帰機能とを兼ね備えた、より機能性の高い半導体遮断器の提供が可能となる。

次に、請求項６に記載の発明は、電源装置から複数の負荷装置へ直流電力を供給する直流給電システムであって、電源装置からの直流電力を複数の系統に分配して該系統毎にそれぞれ電流供給線を介して一又は複数の負荷装置へ直流電力を供給するよう構成されている。そして、各電流供給線の少なくとも１つに、請求項１〜請求項５の何れか１項に記載の半導体遮断器が設けられている。

上記のように構成された直流給電システムにおいては、電力供給系統が複数の系統に分配されているため、例えばある１つの系統において短絡事故が発生して過大な事故電流が流れると、その影響が、当該系統はもちろん、他の正常な系統にまで及んでしまう。

そこで、このような直流給電システムに対し、本発明（請求項１〜５）の半導体遮断器を設ければ、ある系統で短絡事故が発生して過大な事故電流が流れてもそれを迅速に遮断することができ、これにより他の正常な系統への影響を大幅に抑制することができる。

第１実施形態の直流給電システムの概略構成を表す構成図である。 第１実施形態の半導体遮断器の動作例を表す図であり、（ａ）は負荷装置側のコンデンサへの充電電流が流れた場合の動作例を表し、（ｂ）は負荷装置側の短絡事故による事故電流が流れた場合の動作例を表す。 第１実施形態の過電流保護制御処理を表すフローチャートである。 第２実施形態の過電流保護制御処理を表すフローチャートである。

以下に、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。
［第１実施形態］
（１）直流給電システムの構成
図１に、本発明が適用された実施形態の直流給電システムの概略構成を表す。図１に示すように、本実施形態の直流給電システム１は、電源装置３からの直流電力を電力供給線７，８を介して複数の負荷装置２１，２２，２３・・・へ供給するよう構成されたものである。

電源装置３からの直流電力は、電流分配装置５によって複数の系統に分配され、系統毎にそれぞれ対応する負荷装置へ供給される。図１では、一例として、１つの系統に対して１つの負荷装置が接続された構成が示されている。

電源装置３は、各負荷装置２１，２２，２３・・・へその動作用の直流電力を供給するものである。この電源装置３の具体的構成としては、例えば、商用交流電力を直流電力に変換する整流装置を備えてなるものが考えられるが、負荷装置側へ所定電圧の直流電力を供給できるものである限り、その具体的構成は特に限定されるものではない。

各負荷装置２１，２２，２３・・・は、いずれも電源装置３からの直流電力によって動作するものであるが、本実施形態では、各負荷装置２１，２２，２３・・・のいずれも、その入力段に、入力電力の安定化やノイズ対策等のための、コンデンサ及びコイルからなる入力フィルタ（ＬＣフィルタ）が設けられている。また、各負荷装置２１，２２，２３・・・の何れか１つ又は複数には、電源装置３からの直流電力供給が瞬断した場合に動作用電圧を補償するための蓄電手段（コンデンサ）が設けられている。

つまり、各負荷装置２１，２２，２３・・・はそれぞれ、電源装置３からみるとコンデンサ（容量成分）を有する負荷となっており、それ故に、これら各負荷装置２１，２２，２３・・・へ給電が行われる際には、後述するようにコンデンサへの過大な充電電流が流れることがある。

電流分配装置５は、電源装置３からの直流電力を各負荷装置２１，２２，２３・・・毎に分配して供給するために設けられたものである。本実施形態の直流給電システム１においては、電流分配装置５により分配された各系統それぞれにおいて、定格電流よりも大きい過電流が流れる可能性がある。具体的には、負荷装置側の過負荷により一時的又は継続的に発生する過電流、負荷装置側の短絡等の事故により継続的に発生する過電流、或いは、既述の通り、負荷装置側のコンデンサへ充電電流が流れる際に一時的に発生する過電流などが考えられる。

そこで、電流分配装置５には、分配された各系統毎にそれぞれ、負荷装置側へ流れる過電流を検出して必要に応じてこれを遮断するための、半導体遮断器が設けられている。即ち、複数の負荷装置２１，２２，２３・・・のうち１つの負荷装置２１への系統には１つの半導体遮断器１１が設けられ、別の１つの負荷装置２２への系統にも１つの半導体遮断器１２が設けられ、また別の１つの負荷装置２３への系統にも１つの半導体遮断器１３が設けられている。

本実施形態では、電流分配装置５内に設けられた複数の半導体遮断器１１，１２，１３・・・はいずれも基本的に同じ構成であるため、代表として１つの半導体遮断器１１についてその構成を説明する。

半導体遮断器１１は、２本の電力供給線７，８のうち一方の電力供給線７に設けられた半導体スイッチ部３１と、この半導体スイッチ部３１が設けられた電力供給線７を流れる電流を検出するための電流センサ３２と、この電流センサ３２により検出された電流に基づいて半導体スイッチ部３１の動作（オン・オフ）を制御する制御回路３３と、を備えている。

なお、２本の電力供給線７，８のうち、半導体スイッチ部３１が設けられた一方の電力供給線７は電源装置３内の直流電源（直流電圧）の正極側に接続され、他方の電力供給線８は電源装置３内の直流電源の負極側に接続されている。但し、各電力供給線７，８のうちどちらに半導体スイッチ部３１や電流センサ３２を設けるかについては特に限定されるものではなく、半導体スイッチ部３１については、負荷装置２１側へ直流電力を供給又は遮断できるものである限り、また電流センサ３２については、負荷装置側２１へ流れる電流を検出できるものである限り、具体的にどの電力供給線へどのように設けるかは適宜決めることができる。

半導体スイッチ部３１は、電力供給線７上に挿入された半導体スイッチング素子（図示略。例えばＭＯＳＦＥＴ。）を備えてなるものであり、制御回路３３からの駆動信号（詳しくは後述する駆動部４４からの駆動信号）に従ってその半導体スイッチング素子がオン・オフされる。即ち、半導体スイッチング素子が例えばＭＯＳＦＥＴの場合は、ソースが電源装置３側に接続され、ドレインが負荷装置２１側に接続され、ゲートに制御回路３３からの駆動信号が入力されることとなる。

なお、以下の説明で半導体スイッチ部３１について「オン」「オフ」という場合は、詳しくは半導体スイッチ部３１を構成する半導体スイッチング素子の「オン（ターンオン）」「オフ（ターンオフ）」を意味しているものとする。

そのため、半導体スイッチ部３１がオンされている間は、この半導体スイッチ部３１が設けられている電力供給線７が導通される。即ち、電源装置３から負荷装置２１への電力供給が可能な状態となる。逆に、半導体スイッチ部３１がオフされている間は、この半導体スイッチ部３１が設けられている電力供給線７が遮断される。即ち、電源装置３から負荷装置２１への電力供給が遮断される。

制御回路３３は、電流センサ３２により検出された電流値を計測してその電流値を示すデータ（電流Ｉｄ）を出力する電流計測部４１と、この電流計測部４１から出力されたデータ（電流Ｉｄ）が記憶される計測値記憶部４２と、この計測値記憶部４２に記憶された電流Ｉｄに基づいて後述する各種判断を行い、その判断結果に応じて半導体スイッチ部３１をオン又はオフさせるための制御信号を出力する制御部４３と、この制御部４３からの制御信号に従って半導体スイッチ部３１へ駆動信号を出力することにより半導体スイッチ部３１をオン・オフさせる駆動部４４と、制御部４３にて行われる各種判断に用いられる各種設定情報が記憶された設定情報記憶部４５と、を備えている。

設定情報記憶部４５には、設定情報として、半導体スイッチ部３１を流れる電流が過電流状態になっているか否かを判断するための判断基準として用いられる「第１の閾値」と、半導体スイッチ部３１を流れる電流が過電流状態となった場合にその過電流が負荷装置２１側の短絡等による事故電流であるか否かを判断するための判断基準として用いられる「第２の閾値」と、短絡等による事故電流であるか否かの最終判定を下すための判定基準として用いられる「事故判定時間Ｔ１」と、過負荷による過電流であるか否かの最終判定を下すための判定基準として用いられる「過負荷判定時間Ｔ２」が記憶されている。これらの設定情報は、入力インタフェース３４を介して、図示しない外部の設定装置から予め入力・記憶される。

本実施形態では、図２に示すように、一例として、定常状態時に各電力供給線７，８を流れる電流は約２．５［Ａ］であり、第１の閾値は４［Ａ］に設定され、第２の閾値は８［Ａ］に設定されている。また、事故判定時間Ｔ１は過負荷判定時間Ｔ２よりも短い時間に設定されている。この図２については後で説明する。

なお、電流計測部４１による電流Ｉｄの計測は、制御部４３からの計測指示に従って行われる。また、リトライ動作中は、半導体スイッチ部３１がオンした時の電流Ｉｄ（ピーク値）を計測するように計測指示が行われる。そして、その計測指示に従って計測される毎に、その計測結果である電流Ｉｄが計測値記憶部４２へ記憶される。

（２）半導体遮断器の動作説明
次に、上記のように構成された半導体遮断器１１の動作について、図２を用いて説明する。図２（ａ）は、負荷装置２１へコンデンサの充電電流が流れたことによって過電流が発生した場合の動作例を表し、図２（ｂ）は、負荷装置２１側の短絡等の事故による事故電流が流れたことによって過電流が発生した場合の動作例を表す。

図２（ａ）に示すように、定常状態において２．５［Ａ］の電流が流れているときに、負荷装置２１へコンデンサ充電電流が流れると、第１の閾値（４［Ａ］）を超える（時刻ｔ＝０）。即ち、過電流状態となる。このように第１の閾値以上となった場合は、制御部４３は、半導体スイッチ部３１のリトライ動作を行うための制御信号を駆動部４４へ出力して、リトライ動作を行うことにより、半導体スイッチ部３１を介して負荷装置２１側へ流れる電流を限流する。

リトライ動作とは、図２（ａ）に示されているように、半導体スイッチ部３１のオン・オフを所定タイミング毎に繰り返し行うものであり、オンされる毎に、そのオン時に半導体スイッチ部３１を流れる電流を検出して、第１の閾値を下回っているか否かを判断する。そして、第１の閾値を下回った場合にはリトライ動作を停止して定常状態に戻すが、第１の閾値以上である間は、継続してリトライ動作を繰り返す。但し後述するように、過負荷判定時間Ｔ２が経過しても第１の閾値以上である場合には、リトライ動作を停止して半導体スイッチ部３１を継続的にオフさせる。

図２（ａ）の例では、発生した過電流がコンデンサ充電電流であることから、図示のように、第１の閾値以上となることはもちろん、第２の閾値（８［Ａ］）も超える。このように第２の閾値をも超えるほどの過電流は、コンデンサ充電電流の場合以外にも、図２（ｂ）に示すように、負荷装置２１側の短絡等の事故による事故電流が流れた場合にも発生する（時刻ｔ＝０）。そのため、第２の閾値を超えた時点では、それがコンデンサ充電電流なのか事故電流なのかは判定できない。

但し、事故電流の場合は、図２（ｂ）に示すように第２の閾値以上の状態が継続するのに対し、コンデンサ充電電流の場合は、図２（ａ）に示すように、コンデンサへの充電が進むにつれて電流は徐々に低下していき、ある程度時間が経過した時（時刻ｔ１）に第２の閾値を下回る。

そこで制御部４３は、上記のようにコンデンサ充電電流の場合はやがて第２の閾値を下回るという性質を利用して、コンデンサ充電電流なのか事故電流なのかを判定するようにしている。具体的には、第２の閾値以上となった時（時刻ｔ＝０）から事故判定時間Ｔ１が経過するまでに第２の閾値を下回った場合にはコンデンサ充電電流と判定し、事故判定時間Ｔ１が経過してもまだ第２の閾値以上となっていた場合には事故電流であると判定する
図２（ａ）は、コンデンサ充電電流であるため、事故判定時間Ｔ１が経過する前にその電流値は第２の閾値を下回る。そのため、この場合は引き続きリトライ動作を継続しつつコンデンサへの充電を続ける。そして、更に充電が進むことによって第１の閾値を下回ると（時刻ｔ２）、リトライ動作を停止して、半導体スイッチ部３１を継続的にオンさせ、定常状態に戻す。

一方、図２（ｂ）は、事故電流であるため、事故判定時間Ｔ１が経過しても電流値は第２の閾値以上である。そのため、この場合は事故判定時間Ｔ１の経過後にリトライ動作を停止して、半導体スイッチ部３１を継続的にオフさせる。つまり、電源装置３から負荷装置２１への電力供給を完全に遮断するのである。

事故判定時間Ｔ１は、コンデンサ充電電流によって第２の閾値以上の過電流が発生した場合に、コンデンサへの充電が進むことによってその過電流の値が第２の閾値を下回るのに要する時間を考慮して設定される。即ち、コンデンサ充電電流ならば当該事故判定時間Ｔ１が経過するまでには第２の閾値を下回るであろう時間が適宜設定される。但し、短絡等による事故電流が発生した場合にはこれを可能な限り迅速に判定して半導体スイッチ部３１をオフさせる必要があるため、事故電流からの迅速な保護という観点では、事故判定時間Ｔ１はできるだけ短い方がよい。

そのため、事故判定時間Ｔ１は、コンデンサ充電電流であることの正確な判定と、事故電流であることの正確且つ迅速な判定の双方が可能となるように設定されている。
一方、過負荷による過電流（第１の閾値以上だが第２の閾値よりは小さい電流）については、短絡等による事故電流とは違って、必ずしも迅速に遮断する必要はなく、リトライ動作させながら可能な限り電力供給を継続させるのが望ましい。

そのため、過負荷判定時間Ｔ２は事故判定時間Ｔ１よりも非常に長い時間（過負荷状態を許容し得る、できるだけ長い時間）に設定されている。そして、この過負荷判定時間Ｔ２を過ぎても過負荷状態が継続していた場合には半導体スイッチ部３１を継続的にオフさせるようにしている。

（３）過電流保護制御処理の説明
次に、半導体遮断器１１を上記のように動作させるために制御部４３が実行する過電流保護制御処理について、図３のフローチャートを用いて説明する。図３のフローチャートは、半導体スイッチ部３１がオンされることにより負荷装置２１への定常的な電力供給が開始された後の処理を示すものである。

制御部４３は、定常的な電力供給を開始すると、まずＳ１１０にて、電流Ｉｄを計測する。具体的には、電流計測部４１に計測指示を出し、その計測結果を計測値記憶部４２から取得する。そして、Ｓ１２０にて２つのタイマｔａ，ｔｂをリセットする。これら２つのタイマｔａ，ｔｂのうち、タイマｔａは、過負荷による過電流であることを判定するために用いられ、タイマｔｂは、短絡等の事故電流であることを判定するために用いられる。

そして、Ｓ１３０にて、計測した電流Ｉｄが第１の閾値以上（本発明の第１過電流に相当）であるか否かを判断する。このとき、第１の閾値を下回っているならば、再びＳ１１０に戻るが、第１の閾値以上ならば、Ｓ１４０にてリトライ動作を開始し、Ｓ１５０にてタイマｔａをスタートさせる。そして、Ｓ１６０にて、計測した電流Ｉｄが第２の閾値以上（本発明の第２過電流に相当）であるか否かを判断する。

このとき、第２の閾値を下回っているならば、Ｓ２４０に進むが、第２の閾値以上ならば、Ｓ１７０にてタイマｔｂをスタートさせる。そして、Ｓ１８０にて、タイマｔｂ（詳しくはその計時時間）が事故判定時間Ｔ１以上であるか否かを判断し、事故判定時間Ｔ１以上ではない場合は、Ｓ１９０にて再び電流Ｉｄを計測する。そして、Ｓ２００にて、その計測した電流Ｉｄが第２の閾値以上であるか否かを判断し、第２の閾値以上であればＳ１８０に戻る。

つまり、電流Ｉｄが第２の閾値以上である間は、事故判定時間Ｔ１が経過するまでは、Ｓ１８０〜Ｓ２００の処理が繰り返されることになる。そして、タイマｔｂが事故判定時間Ｔ１以上となった場合、即ち第２の閾値以上の状態が事故判定時間Ｔ１以上継続した場合は、Ｓ１８０からＳ２１０に進み、短絡等による事故電流であるとの事故判定を行う。

事故判定後は、Ｓ２２０にてリトライ動作を停止し、続くＳ２３０にて、半導体スイッチ部３１を継続的にオフさせた上で、この過電流保護制御処理を終了する。
一方、Ｓ１６０にて電流Ｉｄが第２の閾値以上と判断されなかった場合、及び、一旦は電流Ｉｄが第２の閾値以上となったものの、その後事故判定時間Ｔ１が経過する前に第２の閾値を下回った場合は（Ｓ２００：ＮＯ）、Ｓ２４０へ進む。Ｓ２４０では、タイマｔａ（詳しくはその計時時間）が過負荷判定時間Ｔ２以上であるか否かを判断する。このとき、タイマｔａがまだ過負荷判定時間Ｔ２以上ではない場合は、Ｓ２６０にて再び電流Ｉｄを計測し、続くＳ２７０にて、その計測した電流Ｉｄが第１の閾値以上であるか否かを判断する。

このＳ２７０にて、第１の閾値以上であると判断した場合は、Ｓ３２０にて、電流Ｉｄが第２の閾値以上であるか否かを判断する。ここで、電流Ｉｄが第２の閾値以上でない場合は、Ｓ２４０に戻るが、第２の閾値以上となっていた場合は、Ｓ３３０にてタイマｔｂをリセットして、Ｓ１７０以下の処理に戻る。

つまり、一旦は第２の閾値を下回ったものの、負荷装置２１側の状態によっては、再び第２の閾値以上となることも考えられる。或いは、第２の閾値を下回った後に短絡等の事故が発生して再び第２の閾値以上となってしまう可能性も否定できない。そのため、再び第２の閾値以上となった場合には、タイマｔｂをリセットした上でＳ１７０に戻り、再度、事故電流か否かの判断を行うようにしている。

一方、Ｓ２７０にて、第１の閾値以上ではないと判断された場合は、Ｓ２８０に進み、正常な状態であるとの正常判定を行う。この正常判定が行われるケースとしては、コンデンサ充電電流によって一時的な過電流が発生した場合や、負荷装置２１側の状態によって一旦は過負荷状態になったもののそれが解消された場合などが考えられる。

正常判定後は、Ｓ２９０にてリトライ動作を停止し、続くＳ３００にて、半導体スイッチ部３１を継続的にオンさせて、定常状態に戻す。そして、Ｓ３１０にて、負荷装置２１側への電力供給を含む当該過電流保護制御処理を停止すべきか否かを判断し、まだ継続すべきならばＳ１１０に戻り、停止すべきならばＳ２３０に進んで半導体スイッチ部３１を継続的にオフさせる。

また、Ｓ２４０にて、タイマｔａが過負荷判定時間Ｔ２以上と判定された場合、即ち事故判定されることなく第１の閾値以上の状態が過負荷判定時間Ｔ２以上継続した場合は、Ｓ２５０にて過負荷判定を行った上で、Ｓ２２０以下の処理に進み、半導体スイッチ部３１を継続的にオフさせる。

（４）第１実施形態の効果等
以上説明した本実施形態の半導体遮断器１１によれば、過電流であるかどうかの判定を行うためのベースとなる第１の閾値とは別に、事故電流であるかどうかの判定を行うための、第１の閾値よりも大きい第２の閾値が設定されている。そして、その第２の閾値以上となるような過電流が発生した場合に、その第２の閾値以上の状態が事故判定時間Ｔ１以上経過した場合は、短絡等による事故電流と判定する。

そのため、リトライ動作を行うべきレベルの過電流（第１の閾値以上の過電流）に対する判定機能（基本的な機能）を十分に維持しつつ、過電流が発生した場合にそれが負荷装置２１側の短絡等による事故電流なのか否かを正確且つ迅速に判定することができる。そのため、事故電流の場合には半導体スイッチ部３１を迅速にオフしてその事故電流を迅速に遮断することができる。

また、負荷装置２１側のコンデンサへ一時的に過大な充電電流が流れた場合には、第２の閾値以上となる場合があるものの、事故判定時間Ｔ１が経過する前に第２の閾値を下回れば事故電流とは判定されない。そのため、コンデンサ充電電流が事故電流と誤判定されてしまうのを回避でき、コンデンサへの充電を確実に行うことができる。

また、本実施形態の半導体遮断器１１は、第２の閾値以上の状態が事故判定時間Ｔ１以上継続した場合に半導体スイッチ部３１を継続的にオフさせる機能を有していると共に、これに加えて更に、第２の閾値は下回っているものの第１の閾値以上となっている状態が過負荷判定時間Ｔ２以上継続したならば、半導体スイッチ部３１を継続的にオフさせる機能をも有している。つまり、事故電流に対してはそれを迅速に遮断できると共に、過負荷による過電流に対しては、一定期間（過負荷判定時間Ｔ２）様子を見た上でそれでもなお第１の閾値以上となっているならば半導体スイッチ部３１を継続的にオフさせる。

そのため、過電流が発生した場合に半導体スイッチ部３１を継続的にオフさせるべきか否かの判断を、その過電流の程度に応じたより適切なタイミングで行うことができる。
また、電流Ｉｄが少なくとも第１の閾値以上の過電流である間は、リトライ動作によってその過電流を限流させつ負荷装置２１への電力供給を継続させることができ、その後過負荷判定時間Ｔ２が経過する前に第１の閾値を下回った場合は、再び定常状態に戻す（即ち半導体スイッチ部３１を継続的にオンさせる）ことができる。そのため、過電流に対する正確且つ確実な保護機能と、過電流状態ではなくなった場合の定常状態への迅速なる復帰機能とを兼ね備えた、より機能性の高い半導体遮断器１１の提供が可能となる。

そして、本実施形態の直流給電システム１は、電力供給系統が複数の系統に分配されており、各系統毎に半導体遮断器１１，１２，１３・・・が設けられている。そのため、例えばある１つの系統において短絡等の事故が発生して過大な電流が流れても、それを迅速に遮断することができるため、事故による他の正常な系統への影響を大幅に抑制することができる。

ここで、本実施形態の構成要素と本発明の構成要素の対応関係を明らかにする。本実施形態において、半導体スイッチ部３１は本発明の半導体スイッチ手段に相当し、電流センサ３２は本発明の電流検出手段に相当し、制御回路３３は本発明の第１過電流判断手段、第２過電流判断手段、リトライ制御手段、事故判定手段、過負荷判定手段、第１遮断手段、及び第２遮断手段に相当する。

［第２実施形態］
上記第１実施形態では、電流Ｉｄが第２の閾値以上となった場合における、事故電流であるか否かの判定が、第２の閾値以上となった時からの経過時間に基づいて行われた（図３のＳ１８０参照）。また、電流Ｉｄが第１の閾値以上となった場合における、過負荷による過電流であるか否かの判定についても、第１の閾値以上となった時からの経過時間に基づいて行われた（図３のＳ２４０参照）。

これに対し、本実施形態では、経過時間ではなくリトライ動作回数に基づいて上記各判定を行うよう構成された半導体遮断器について説明する。
本実施形態の半導体遮断器は、上記の通り事故判定及び過負荷判定をいずれもリトライ動作回数に基づいて行うことから、そのハード構成は、図１に示した第１実施形態の半導体遮断器１１と比較して、設定情報記憶部４５の設定情報が一部異なる。

具体的には、第１実施形態における事故判定時間Ｔ１に代えて事故判定回数Ｋ１が設定され、過負荷判定時間Ｔ２に代えて過負荷判定回数Ｋ２が設定される。また、これに伴って、制御部４３が実行する過電流保護制御処理も一部異なる。これら以外の構成については、第１実施形態の半導体遮断器１１と同じである。

次に、本実施形態の半導体遮断器における制御部４３が実行する過電流保護制御処理について、図４を用いて説明する。
制御部４３は、定常的な電力供給を開始すると、まずＳ４１０にて、電流Ｉｄを計測する。そして、Ｓ４２０にて２つのカウンタｋａ，ｋｂをリセットする。これら２つのカウンタｋａ，ｋｂのうち、カウンタｋａは、過負荷による過電流であることを判定するために用いられ、カウンタｋｂは、短絡等の事故電流であることを判定するために用いられる。

これら各カウンタｋａ，ｋｂは、いずれも、リトライ動作が行われる回数をカウントするためのものであり、リトライ動作が１回行われる毎（即ち、一旦オフされて再びオンされる毎）にカウント値が１つずつインクリメントされる。

続くＳ４３０では、計測した電流Ｉｄが第１の閾値以上であるか否かを判断する。このとき、第１の閾値を下回っているならば再びＳ４１０に戻るが、第１の閾値以上ならば、Ｓ４４０にてリトライ動作を開始し、Ｓ４５０にてカウンタｋａによるカウント動作をスタートさせる。そして、Ｓ４６０にて、計測した電流Ｉｄが第２の閾値以上であるか否かを判断する。

このとき、第２の閾値を下回っているならば、Ｓ５４０に進むが、第２の閾値以上ならば、Ｓ４７０にてカウンタｋｂによるカウント動作をスタートさせる。そして、Ｓ４８０にて、カウンタｋｂ（詳しくはそのカウント値）が事故判定回数Ｋ１以上であるか否かを判断する。そして、カウンタｋｂが事故判定回数Ｋ１以上になるまで待機する。

そして、カウンタｋｂが事故判定回数Ｋ１以上になると、Ｓ４９０にて電流Ｉｄを計測し、続くＳ５００にて、その電流Ｉｄが第２の閾値以上であるか否かを判断する。
ここで、電流Ｉｄが第２の閾値以上であった場合、即ち、リトライ動作をＫ１回行ったにもかかわらずまだ電流Ｉｄが第２の閾値以上である場合は、Ｓ５１０に進み、短絡等による事故電流であるとの事故判定を行う。そして、事故判定後は、Ｓ５２０にてリトライ動作を停止し、続くＳ５３０にて、半導体スイッチ部３１を継続的にオフさせた上で、この過電流保護制御処理を終了する。

一方、Ｓ４６０又はＳ５００で電流Ｉｄが第２の閾値以上ではないと判断された場合は、Ｓ５４０へ進み、カウンタｋａ（詳しくはそのカウント値）が過負荷判定回数Ｋ２以上であるか否かを判断する。このとき、カウンタｋａがまだ過負荷判定回数Ｋ２以上ではない場合は、Ｓ５６０にて再び電流Ｉｄを計測し、続くＳ５７０にて、その計測した電流Ｉｄが第１の閾値以上であるか否かを判断する。

このＳ５７０にて、第１の閾値以上であると判断した場合は、Ｓ６２０にて、電流Ｉｄが第２の閾値以上であるか否かを判断する。そして、電流Ｉｄが第２の閾値以上でない場合は、Ｓ５４０に戻るが、第２の閾値以上となっていた場合は、Ｓ６３０にてカウンタｋｂをリセットして、Ｓ４７０以下の処理に戻る。

一方、Ｓ５７０にて、第１の閾値以上ではないと判断された場合は、Ｓ５８０に進み、正常な状態であるとの正常判定を行う。このＳ５８０以後の処理（Ｓ５８０〜Ｓ６１０）は、第１実施形態の過電流保護制御処理（図３）のＳ２８０以後の処理（Ｓ２８０〜Ｓ３１０）と全く同じであるため、その説明を省略する。

また、Ｓ５４０にて、カウンタｋａが過負荷判定回数Ｋ２以上と判定された場合、即ち事故判定されることなく第１の閾値以上の状態が過負荷判定回数Ｋ２以上継続した場合は、Ｓ５５０にて過負荷判定を行った上で、Ｓ５２０以下の処理に進み、半導体スイッチ部３１を継続的にオフさせる。

なお、事故判定回数Ｋ１は、第１実施形態の事故判定時間Ｔ１に対応したものである。即ち、リトライ動作を事故判定回数Ｋ１だけ行うのに要する時間と事故判定時間Ｔ１はほぼ等しい。また、過負荷判定回数Ｋ２は、第１実施形態の過負荷判定時間Ｔ２に対応したものである。即ち、リトライ動作を過負荷判定回数Ｋ２だけ行うのに要する時間と過負荷判定時間Ｔ２はほぼ等しい。

［変形例］
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明の実施の形態は、上記実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態を採り得ることはいうまでもない。

例えば、上記第１実施形態では、事故判定及び過負荷判定をいずれも、電流Ｉｄが対応する閾値以上となってからの経過時間に基づいて行うようにしたが、これら各判定のうちいずれか一方を、第２実施形態のようにリトライ動作回数に基づいて行うようにしてもよい。

第２実施形態についても同様であり、上記例では事故判定及び過負荷判定をいずれもリトライ回数に基づいて行うようにしたが、これら各判定のうちいずれか一方を、第１実施形態のように経過時間に基づいて行うようにしてもよい。

また、上記第１実施形態では、事故判定を行うにあたり、電流Ｉｄが第２の閾値以上である時間が事故判定時間Ｔ１以上か否かを判定している間（図３のＳ１８０〜Ｓ２００）、電流Ｉｄを逐一計測するようにしたが、事故判定時間Ｔ１が経過するまでは電流Ｉｄは計測せず、事故判定時間Ｔ１が経過した時にその時の電流Ｉｄを計測して第２閾値以上であるか否かを判断するようにしてもよい。

逆に、第２実施形態においては、事故判定を行うにあたり、電流Ｉｄが第２の閾値以上となった後、事故判定回数Ｋ１だけリトライ動作がなされるまでは電流Ｉｄを計測しないようにしたが（図４のＳ４８０）、カウンタｋｂが事故判定回数Ｋ１以上になるまでの間も電流Ｉｄの計測を逐一行って、第２の閾値を下回った場合には、たとえまだリトライ動作が事故判定回数Ｋ１だけ行われていなくてもＳ５４０に進むようにしてもよい。

また、コンデンサ充電電流による過電流が発生した場合、即ち、第２の閾値以上の電流が流れたもののその後事故判定時間Ｔ１が経過する前に第２の閾値を下回った場合には、コンデンサ充電電流であるとの想定のもとに、充電が完了すると予想される時間（即ち充電電圧が電源装置３からの直流電圧と等しくなると予想される時間）が経過するまでリトライ動作を継続し、その後リトライ動作を停止して定常状態に戻すようにしてもよい。

また、上記実施形態では、電流分配装置５によって分配される複数の系統の全てに半導体遮断器を設けたが、これは一例であって、必ずしも全ての系統に半導体遮断器を設ける必要はない。

また、上記実施形態では、電源装置３からの直流電力を電流分配装置５によって複数の系統に分配するように構成された直流給電システム１について説明したが、電流分配装置を有しない単一系統の直流給電システムに対しても本発明を適用できることはいうまでもない。

１…直流給電システム、３…電源装置、５…電流分配装置、７，８…電力供給線、１１，１２，１３…半導体遮断器、２１，２２，２３…負荷装置、３１…半導体スイッチ部、３２…電流センサ、３３…制御回路、３４…入力インタフェース、４１…電流計測部、４２…計測値記憶部、４３…制御部、４４…駆動部、４５…設定情報記憶部

Claims (6)

1. 電源装置から電力供給線を介して負荷装置へ直流電力を供給する直流給電システムにおいて、前記電源装置と前記負荷装置の間を導通・遮断するために前記電力供給線に設けられた半導体遮断器であって、
   前記電力供給線上に挿入され、該電力供給線を導通・遮断するための、半導体スイッチング素子からなる半導体スイッチ手段と、
   前記電源装置から前記負荷装置へ前記半導体スイッチ手段を介して流れる電流を検出する電流検出手段と、
   前記電流検出手段により検出された電流が予め設定された第１の閾値以上である第１過電流であるか否かを判断する第１過電流判断手段と、
   前記第１過電流判断手段により前記第１過電流と判断された場合に、所定のタイミングで前記半導体スイッチ手段のオン・オフを繰り返すリトライ動作を行うリトライ制御手段と、
   前記電流検出手段により検出された電流が、前記第１の閾値よりも大きい第２の閾値以上である第２過電流であるか否かを判断する第２過電流判断手段と、
   前記第２過電流判断手段により前記第２過電流であると判断される状態が予め設定した事故判定所要期間以上継続したか否かを判定する事故判定手段と、
   前記事故判定手段により前記第２過電流の状態が前記事故判定所要期間以上継続したと判定された場合に前記半導体スイッチ手段を継続的にオフさせる第１遮断手段と、
   を備え、
   前記負荷装置は、前記電源装置から前記電力供給線を介して供給される前記直流電力により充電されるコンデンサを有し
   前記事故判定所要期間は、前記電源装置から前記電力供給線を介して前記負荷装置へ供給される前記直流電力によって前記コンデンサが充電されることに起因して前記第２過電流が発生した場合にその第２過電流の発生時から前記コンデンサの充電が進むことによって前記第２過電流ではなくなるまでに要する時間に基づき、その時間よりも長い時間となるように設定されている
   ことを特徴とする半導体遮断器。
2. 請求項１に記載の半導体遮断器であって、
   前記事故判定所要期間は、予め設定された事故判定時間が経過するまでの期間、又は前記リトライ制御手段による前記リトライ動作が予め設定された事故判定回数行われる期間である
   ことを特徴とする半導体遮断器。
3. 請求項１又は請求項２に記載の半導体遮断器であって、
   前記第１過電流判断手段により前記第１過電流と判断された後、該第１過電流の状態が、予め設定された、前記事故判定所要期間よりも長い過負荷判定所要期間以上継続したか否かを判定する過負荷判定手段と、
   前記事故判定手段により前記第２過電流の状態が前記事故判定所要期間以上継続したと判定されることなく、前記過負荷判定手段によって前記第１過電流の状態が前記過負荷判定所要期間以上継続したと判定された場合に、前記半導体スイッチ手段を継続的にオフさせる第２遮断手段と、
   を備えていることを特徴とする半導体遮断器。
4. 請求項３に記載の半導体遮断器であって、
   前記過負荷判定所要期間は、予め設定された過負荷判定時間が経過するまでの期間、又は前記リトライ制御手段による前記リトライ動作が予め設定された過負荷判定回数行われる期間である
   ことを特徴とする半導体遮断器。
5. 請求項３又は請求項４に記載の半導体遮断器であって、
   前記リトライ制御手段は、前記リトライ動作の開始後、前記過負荷判定手段により前記第１過電流の状態が前記過負荷判定所要期間以上継続したと判定されることなく、前記第１過電流判断手段によって、前記電流検出手段により検出された電流が前記第１の閾値を下回ったと判断された場合には、前記リトライ動作を停止する
   ことを特徴とする半導体遮断器。
6. 電源装置から複数の負荷装置へ直流電力を供給する直流給電システムであって、
   前記電源装置からの直流電力を複数の系統に分配して該系統毎にそれぞれ電流供給線を介して一又は複数の負荷装置へ直流電力を供給するよう構成されており、
   前記各電流供給線の少なくとも１つに、請求項１〜請求項５の何れか１項に記載の半導体遮断器が設けられている
   ことを特徴とする直流給電システム。

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