JP5628184B2 - switch - Google Patents

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Description

[関連出願の記載]
本発明は、日本国特許出願:特願2009−214415号(2009年9月16日出願)、特願2009−272435号(2009年11月30日出願)、特願2010−050648号(2010年3月8日出願)の優先権主張に基づくものであり、同出願の全記載内容は引用をもって本書に組み込み記載されているものとする。
本発明はスイッチに関し、特に、直流スイッチ(DCスイッチ)に適用して好適なスイッチに関する。
[Description of related applications]
The present invention includes Japanese patent applications: Japanese Patent Application No. 2009-214415 (filed on September 16, 2009), Japanese Patent Application No. 2009-272435 (filed on November 30, 2009), Japanese Patent Application No. 2010-050648 (2010). Filed on March 8) based on the priority claim, and the entire description of the application is incorporated herein by reference.
The present invention relates to a switch, and more particularly to a switch suitable for application to a direct current switch (DC switch).

電力消費量が増えているデータセンターなどでは400V程度の直流が利用されることが計画されている。そのためには、直流スイッチや遮断器の簡易化が必要とされる。直流スイッチは、交流スイッチと異なり、電流ゼロ点が無いため、アーク・プラズマに絶えずエネルギーが供給される。このため、電流遮断を行い難い。従来より、直流(DC)方式が多用され、各種遮断器やスイッチが開発されている。   In data centers where power consumption is increasing, it is planned that DC of about 400V will be used. For this purpose, it is necessary to simplify DC switches and circuit breakers. Unlike the AC switch, the DC switch does not have a current zero point, so that energy is constantly supplied to the arc plasma. For this reason, it is difficult to cut off the current. Conventionally, a direct current (DC) system has been frequently used, and various circuit breakers and switches have been developed.

その一つは磁場印加方式である。これは、電流が流れる方向に垂直に磁場を印加すると電磁力が働き、アーク・プラズマをそれぞれの方向に垂直方向に押し出す原理を利用している。大型の遮断器等で使われてきた。現在、この原理を利用した小型のスイッチが開発されている。以下にそれぞれ説明を行う。図1は、非特許文献1に記載された、気中遮断器の消弧部の断面構造を示す図である(電気学会編、「電気工学ハンドブック(第6版)」、p.755、2001年より引用)。吹消しコイルでアークを隔壁やグリッドにぶつけてプラズマ温度を下げ、消弧する。遮断動作に入ると、スイッチ部が開となり、電極間でアークが発生する。図1の「隔壁orひだ」及び「ディアイオングリッド」にアーク・プラズマがぶつかる。アーク電流自身が作る磁場と、吹消しコイルが作る磁場と、アーク・プラズマ電流による電磁力によって、吹き飛ばされる。「隔壁」は、電圧の低い家庭用などやAC600Vまでの機器では、鉄が図のような構造で用いられている。アーク・プラズマがぶつかると、アークは急激に冷やされるため、温度が下がりアーク・プラズマの抵抗が大きくなり、冷やされるため、プラズマ内のイオンと電子が再結合によって電流キャリアが減少し、抵抗が大きくなる。このため、ON電圧が上昇し限流作用が現れる。気中遮断器は、定格電流が200A〜6kA、定格遮断電流5〜125kAの機器が用いられる。投入動作は、手動式から電気操作などがあり、操作や保守点検が容易な機器が広く利用されている。この種の気中遮断器は遮断機能だけでなく、アーク・プラズマの消弧作用を通じて限流機能がある。   One of them is a magnetic field application method. This uses the principle that an electromagnetic force works when a magnetic field is applied perpendicularly to the direction of current flow and pushes arc plasma in the direction perpendicular to each direction. It has been used in large circuit breakers. Currently, small switches using this principle have been developed. Each will be described below. 1 is a diagram showing a cross-sectional structure of an arc extinguishing part of an air circuit breaker described in Non-Patent Document 1 (The Institute of Electrical Engineers, “Electrical Engineering Handbook (6th edition)”, p. 755, 2001. Quoted from year). The blowout coil strikes the arc against the bulkhead or grid to lower the plasma temperature and extinguish the arc. When the interruption operation is started, the switch portion is opened and an arc is generated between the electrodes. Arc plasma hits the “partition or folds” and the “diaion grid” in FIG. It is blown away by the magnetic field created by the arc current itself, the magnetic field created by the blowout coil, and the electromagnetic force generated by the arc plasma current. As for the “partition wall”, iron is used in a structure as shown in the figure for households with a low voltage and devices up to AC 600V. When the arc plasma collides, the arc is cooled rapidly, the temperature drops and the resistance of the arc plasma increases, and the ion plasma in the plasma is recombined to reduce current carriers due to recombination and increase resistance. Become. For this reason, the ON voltage rises and current limiting action appears. As the air circuit breaker, a device having a rated current of 200 A to 6 kA and a rated breaking current of 5 to 125 kA is used. The charging operation includes manual operation and electric operation, and devices that are easy to operate and maintain are widely used. This type of air circuit breaker has not only a breaker function but also a current limiting function through the arc / plasma extinguishing action.

なお、特許文献1には、直流電流を非振動的に転流・遮断させるコンデンサとスイッチを並列に接続した直流遮断器が開示されている。   Patent Document 1 discloses a DC circuit breaker in which a capacitor and a switch for commutating / cutting off a direct current in a non-vibrational manner are connected in parallel.

特開2004−14241号公報JP 2004-14241 A

電気学会編、「電気工学ハンドブック(第6版)」、p.755,2001年The Institute of Electrical Engineers of Japan, “Electrical Engineering Handbook (6th edition)”, p. 755, 2001

磁場を利用した機械式のスイッチでは、接点間にアーク・プラズマが発生し、電極が損傷を受ける。このため、寿命(スイッチの開閉回数)が短くなる。特に、電流値が大となると、損傷が大となり、数回のスイッチ開閉回数で接点を交換する場合もある。   In a mechanical switch using a magnetic field, arc plasma is generated between the contacts, and the electrodes are damaged. For this reason, the lifetime (the number of times the switch is opened and closed) is shortened. In particular, when the current value becomes large, the damage becomes large, and the contacts may be exchanged after several times of opening and closing the switch.

半導体デバイスを利用したスイッチでは、上記のように寿命の問題は生じないが、コストが高い、制御回路が必要である、ON抵抗が大きいため、発熱し、放熱器が必要になる等、大型化し、消費電力が大となる。   A switch using a semiconductor device does not cause a problem of life as described above, but it is expensive, requires a control circuit, has a large ON resistance, generates heat, requires a radiator, etc. , Power consumption becomes large.

本発明の目的は、小型化、省電力化を図り、スイッチの寿命を延ばす直流スイッチを提供することにある。   An object of the present invention is to provide a DC switch that achieves miniaturization and power saving and extends the life of the switch.

本発明の第1のアスペクトによれば、金属接点を持つ機械スイッチと、前記機械スイッチに並列に接続され、電気信号により導通、非導通が制御される半導体スイッチとを備えたスイッチが提供される。   According to a first aspect of the present invention, there is provided a switch comprising a mechanical switch having a metal contact and a semiconductor switch connected in parallel to the mechanical switch and controlled to be turned on and off by an electric signal. .

本発明において、スイッチ導通時、前記半導体スイッチを非導通状態から導通させたのち、前記機械スイッチを非導通状態から導通させ、前記スイッチ非導通時、前記機械スイッチを導通状態から非導通としたのち、前記半導体スイッチを導通状態から非導通とする。   In the present invention, after the semiconductor switch is turned on from the non-conductive state when the switch is turned on, the mechanical switch is turned on from the non-conductive state, and when the switch is turned off, the mechanical switch is turned off from the conductive state. The semiconductor switch is changed from the conductive state to the non-conductive state.

本発明において、第2のスイッチと第1の抵抗の直列回路を負荷と並列に接続した構成としてもよい。   In the present invention, a series circuit of the second switch and the first resistor may be connected in parallel with the load.

本発明において、前記機械スイッチと並列に、第2のスイッチと第1の抵抗の直列回路を接続した構成としてもよい。   In this invention, it is good also as a structure which connected the series circuit of the 2nd switch and the 1st resistance in parallel with the said mechanical switch.

本発明において、前記機械スイッチと並列に第1の容量と第1の抵抗の直列回路を接続した構成としてもよい。   In the present invention, a series circuit of a first capacitor and a first resistor may be connected in parallel with the mechanical switch.

本発明において、電源電圧を分圧する分圧抵抗を備え、分圧点の電圧が、前記半導体スイッチの制御端子に入力される構成としてもよい。電源と前記分圧点間に、前記分圧抵抗の1つと並列に、第1の容量と補助スイッチの並列回路を接続した構成としてもよい。   In the present invention, a voltage dividing resistor for dividing the power supply voltage may be provided, and the voltage at the voltage dividing point may be input to the control terminal of the semiconductor switch. A parallel circuit of a first capacitor and an auxiliary switch may be connected between the power source and the voltage dividing point in parallel with one of the voltage dividing resistors.

本発明において、前記補助スイッチを導通状態から非導通としたのち、前記機械スイッチを非導通状態から導通させ、前記機械スイッチを導通状態から非導通としたのち、前記補助スイッチを非導通状態から導通させる。   In the present invention, after the auxiliary switch is turned off from the conductive state, the mechanical switch is turned on from the non-conductive state, and after the mechanical switch is turned off from the conductive state, the auxiliary switch is turned off from the non-conductive state. Let

本発明において、前記機械スイッチが遮断機械スイッチである。   In the present invention, the mechanical switch is a cutoff mechanical switch.

本発明において、前記遮断機械スイッチを導通状態から非導通としたのち、前記半導体スイッチを導通状態から非導通とする構成としてもよい。   In the present invention, the semiconductor switch may be changed from the conductive state to the non-conductive state after the interruption mechanical switch is changed from the conductive state to the non-conductive state.

本発明において、機械スイッチの第1、第2の接点の各々が、銅接点と高融点金属接点を有し、前記第1の接点において、前記高融点金属接点表面は銅接点表面よりも突設し、
前記第2の接点が、前記高融点金属接点の裏に弾性部材を備え、
閉成時、銅接点と高融点金属接点は同一面で当接し、前記第1、第2の接点の一方が固定接点であり、他方が可動接点である。
In the present invention, each of the first and second contacts of the mechanical switch has a copper contact and a refractory metal contact, and in the first contact, the surface of the refractory metal contact protrudes from the surface of the copper contact. And
The second contact comprises an elastic member behind the refractory metal contact;
At the time of closing, the copper contact and the refractory metal contact abut on the same surface, one of the first and second contacts is a fixed contact, and the other is a movable contact.

本発明において、前記第1、第2の接点の各々が、銅接点と高融点金属接点を有し、
前記第1の接点は固定接点であり、前記第2の接点は可動接点であり、
前記第1の接点において、前記高融点金属接点表面は銅接点表面よりも突設し、
前記第2の接点を可動自在に支持するアームを可撓性とし、閉成時、銅接点と高融点金属接点は同一面で当接する。
さらに、本発明においては、前記機械式スイッチの遮断失敗(failure to open)によって接点間に発生したアークプラズマを検出する手段と、前記機械式スイッチの前記接点間に発生したアークプラズマを検出時、前記アークプラズマを消去する手段と、を備えた構成としてもよい。
本発明においては、前記機械式スイッチの電流経路に電流検出器を備え、前記機械式スイッチがオフであるにもかかわらず、前記電流検出器で電流が検出された場合、前記半導体スイッチをオンとし、前記機械式スイッチに流れていた電流を前記半導体スイッチに転流させることで、前記機械式スイッチの接点間に発生したアークプラズマを消弧させる、構成としてもよい。あるいは、本発明においては、前記半導体スイッチをさらに所定期間電流を流したのち、前記半導体スイッチをオフとし、前記別の機械式スイッチの接点間に発生したアークプラズマを消弧させる構成としてもよい。
In the present invention, each of the first and second contacts has a copper contact and a refractory metal contact,
The first contact is a fixed contact, and the second contact is a movable contact;
In the first contact, the refractory metal contact surface protrudes from the copper contact surface,
The arm that movably supports the second contact is made flexible, and when closed, the copper contact and the refractory metal contact abut on the same surface.
Furthermore, in the present invention, when detecting the arc plasma generated between the contacts of the mechanical switch due to failure to open the mechanical switch, and detecting arc plasma generated between the contacts of the mechanical switch, And a means for erasing the arc plasma.
In the present invention, a current detector is provided in the current path of the mechanical switch, and when the current is detected by the current detector even though the mechanical switch is off, the semiconductor switch is turned on. The arc plasma generated between the contact points of the mechanical switch may be extinguished by commutating the current flowing through the mechanical switch to the semiconductor switch. Alternatively, the present invention may be configured such that after a current is further passed through the semiconductor switch for a predetermined period, the semiconductor switch is turned off and arc plasma generated between the contacts of the other mechanical switch is extinguished.

本発明によれば、小型化、省電力化を図り、スイッチの寿命を延ばすことができる。   According to the present invention, downsizing and power saving can be achieved, and the life of the switch can be extended.

非特許文献1から引用した図である。It is the figure quoted from the nonpatent literature 1. 本発明の第1の実施形態の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態の動作例を示すタイミング図である。It is a timing diagram which shows the operation example of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施形態の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施形態の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第4の実施形態の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the 4th Embodiment of this invention. 本発明の第5の実施形態の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the 5th Embodiment of this invention. 本発明の第5の実施形態の動作例を示すタイミング図である。It is a timing diagram which shows the operation example of the 5th Embodiment of this invention. 本発明の第6の実施形態の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the 6th Embodiment of this invention. 本発明の第6の実施形態の動作例を示すタイミング図である。It is a timing diagram which shows the operation example of the 6th Embodiment of this invention. 本発明の第7の実施形態の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the 7th Embodiment of this invention. 本発明の第7の実施形態の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the 7th Embodiment of this invention. DC回路例を示す図である。It is a figure which shows DC circuit example. 本発明の第8の実施形態におけるCスイッチ系を示す図である。It is a figure which shows the C switch system in the 8th Embodiment of this invention. スイッチの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of a switch. 2接点スイッチ(その1)を示す図である。It is a figure which shows 2 contact switch (the 1). 2接点スイッチ(その2)を示す図である。It is a figure which shows 2 contact switch (the 2). 2接点スイッチ回路(その1)を示す図である。It is a figure which shows a 2 contact switch circuit (the 1). 回路の動作シーケンスを示す図である。It is a figure which shows the operation | movement sequence of a circuit. 2接点スイッチ回路(その2)を示す図である。It is a figure which shows a 2 contact switch circuit (the 2). 2接点スイッチ回路(その3)を示す図である。It is a figure which shows a 2 contact switch circuit (the 3). 3接点スイッチ回路(その1)を示す図である。It is a figure which shows a 3 contact switch circuit (the 1). 3接点スイッチ回路(その2)を示す図である。It is a figure which shows a 3 contact switch circuit (the 2). 3接点スイッチ回路(その3)を示す図である。It is a figure which shows a 3 contact switch circuit (the 3). 3接点スイッチ回路(その4)を示す図である。It is a figure which shows a 3 contact switch circuit (the 4). 遮断失敗時に接点間でアークプラズマが発生している状況を説明する図である。It is a figure explaining the condition where the arc plasma is generated between the contacts at the time of interruption failure. 本発明の別の実施形態の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of another embodiment of this invention. 図27の変形例1の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the modification 1 of FIG. 図27の変形例2の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the modification 2 of FIG.

本発明の実施形態について説明する。   An embodiment of the present invention will be described.

<実施形態1>
図2は、本発明の第1の実施形態の構成を示す図である。本発明のスイッチにおいては、接点間に、機械スイッチと半導体デバイスを並列接続して構成したものである。金属接点を持つ機械スイッチと、IGBT(insulated gate bipolar transistor)が並列接続されている。C、E、Gは、IGBTのコレクタ、エミッタ、ゲートである。
<Embodiment 1>
FIG. 2 is a diagram showing a configuration of the first exemplary embodiment of the present invention. In the switch of the present invention, a mechanical switch and a semiconductor device are connected in parallel between the contacts. A mechanical switch having a metal contact and an IGBT (insulated gate bipolar transistor) are connected in parallel. C, E, and G are the collector, emitter, and gate of the IGBT.

図3は、図2の第1の実施形態の動作を説明するタイミング波形図である。次に、動作を説明する。スイッチをOFF(非導通)からON(導通)にする時は、最初に、IGBTのゲート(G)に信号を与え、IGBTをON状態とする。このタイミングを時刻t1とする。t1から遅れた時刻t2で機械スイッチSW1をONにする。   FIG. 3 is a timing waveform diagram for explaining the operation of the first embodiment of FIG. Next, the operation will be described. When switching the switch from OFF (non-conducting) to ON (conducting), first, a signal is given to the gate (G) of the IGBT to turn the IGBT on. This timing is time t1. At time t2 delayed from t1, the mechanical switch SW1 is turned on.

次に、スイッチをONからOFFにする時の動作を説明する。IGBTがON状態の時に、機械スイッチSW1をOFFにする(時刻t3)。その後、IGBTを時刻t4でOFFにする。   Next, the operation when the switch is turned from ON to OFF will be described. When the IGBT is in the ON state, the mechanical switch SW1 is turned off (time t3). Thereafter, the IGBT is turned OFF at time t4.

図2の構成において、図3のように動作させると、機械スイッチSW1の電極間にはアーク・プラズマがほとんど発生しない。これは、機械スイッチSW1の金属接点の開極、閉極時に、並列接続したIGBTがON状態であることから、機械スイッチSW1の金属接点間電圧は例えば数V以下になり、電流はIGBTに流れるためである。機械スイッチSW1に流れていた電流は、例えば数μs(マイクロ秒)でIGBTに転流する。この結果、スイッチの長寿命化を図ることができる。   In the configuration of FIG. 2, when operated as in FIG. 3, almost no arc plasma is generated between the electrodes of the mechanical switch SW1. This is because, since the IGBTs connected in parallel are in an ON state when the metal contacts of the mechanical switch SW1 are opened and closed, the voltage between the metal contacts of the mechanical switch SW1 is, for example, several volts or less, and the current flows to the IGBT. Because. The current flowing through the mechanical switch SW1 is commutated to the IGBT in, for example, several μs (microseconds). As a result, the life of the switch can be extended.

IGBTのON抵抗による電力消費(Power Dissipation)は大きくない。これは、IGBTのON時の電圧がコレクタ・エミッタ間電圧が2−3Vに対して、機械スイッチSW1のON時の接点間の電圧はこれよりも2桁近く低い。IGBTと機械スイッチSW1が同時にON状態であるときには、端子間の電流の殆どが機械スイッチSW1側に流れる。つまり、従来の機械接点スイッチと同等の損失になる。このため、実質的なIGBTの通電時間は短い。よって、IGBTの発熱量は少なくなり、IGBTに取り付ける放熱器は不要になる。   The power consumption due to the ON resistance of the IGBT is not large. This is because the voltage between the collector and emitter when the IGBT is ON is 2-3V, and the voltage between the contacts when the mechanical switch SW1 is ON is nearly two orders of magnitude lower than this. When the IGBT and the mechanical switch SW1 are in the ON state at the same time, most of the current between the terminals flows to the mechanical switch SW1 side. That is, the loss is equivalent to that of a conventional mechanical contact switch. For this reason, the substantial IGBT energization time is short. Accordingly, the amount of heat generated by the IGBT is reduced, and a heat sink attached to the IGBT is not necessary.

また、図3に示したように、機械スイッチSW1がONの後、IGBTに電流を流さないようにするために、時刻t2xからt3xまでは、IGBTをOFFにするようにしてもよい。通電期間の大部分においてIGBTには電流が流れない。よってIGBTのON抵抗による発熱の問題は解消する。   Further, as shown in FIG. 3, after the mechanical switch SW1 is turned on, the IGBT may be turned off from time t2x to t3x in order to prevent a current from flowing through the IGBT. In most of the energization period, no current flows through the IGBT. Therefore, the problem of heat generation due to the ON resistance of the IGBT is solved.

本実施例によれば、外部からのインテリジェント制御が可能になる。つまり、スイッチをインターネット等を介して外部の端末等から遠隔制御することができる。   According to this embodiment, intelligent control from the outside becomes possible. That is, the switch can be remotely controlled from an external terminal or the like via the Internet or the like.

<実施形態2>
図4は、本発明の第2の実施形態の構成を示す図である。本実施形態は、負荷に大きなインダクタンスを含む回路(LR負荷)に適用すると効果的である。つまり、回路がインダクタンスによって磁気エネルギーを持っているため、IGBTは短時間で遮断を行うと、電源電圧以上の大きなサージ電圧がIGBTのコレクタ−エミッタ間に発生する。すると、IGBTが破損する。これを避けるためには、高電圧IGBTの利用や、吸収エネルギーを大きなIGBTの選択が必要になる。しかし、高価となる。
<Embodiment 2>
FIG. 4 is a diagram showing a configuration of the second exemplary embodiment of the present invention. This embodiment is effective when applied to a circuit (LR load) including a large inductance in the load. That is, since the circuit has magnetic energy due to the inductance, when the IGBT is cut off in a short time, a large surge voltage higher than the power supply voltage is generated between the collector and the emitter of the IGBT. Then, the IGBT is damaged. In order to avoid this, it is necessary to use a high voltage IGBT or to select an IGBT having a large absorbed energy. However, it becomes expensive.

本実施形態では、図4に示すように、抵抗Rと第2のスイッチSW2を、負荷(LR負荷)に並列に回路に挿入している。   In the present embodiment, as shown in FIG. 4, the resistor R and the second switch SW2 are inserted in the circuit in parallel with the load (LR load).

スイッチ遮断時に、スイッチSW2はONとなる。なお、スイッチSW2を挿入しない場合もある。スイッチSW2を削除すると、抵抗Rに常に電流が流れ、消費電力が増大する。スイッチSW2がOFFのままとなり、遮断に失敗する事態の発生を回避する場合等には、スイッチSW2は挿入されない。遮断の失敗を避けるために、機械スイッチSW1とスイッチSW2が機械的に連動するようにする。スイッチSW2の遮断によってインダクタンス成分が発生するサージ電圧は抵抗Rによって吸収される(磁気エネルギーは抵抗R2によって熱エネルギーとして回路から消える)。機械スイッチSW1がOFFになる時に、必ずスイッチSW2はONとなっている。図4では、抵抗RとスイッチSW2は、負荷側に配置されているが、一般に、電源側にも大きなインダクタンス成分がある場合がある。この場合、抵抗RとスイッチSW2の直列回路をIGBTよりも電源側に配置すると良い。この場合、スイッチSW2をONさせてから、一定時間後、スイッチSW2をOFFにして、抵抗Rに電流が常に流れることを回避する。   When the switch is shut off, the switch SW2 is turned on. Note that the switch SW2 may not be inserted. When the switch SW2 is deleted, a current always flows through the resistor R, and power consumption increases. The switch SW2 is not inserted, for example, when the switch SW2 remains OFF and the occurrence of a situation where the switch fails is avoided. In order to avoid the failure of interruption, the mechanical switch SW1 and the switch SW2 are mechanically interlocked. The surge voltage in which the inductance component is generated by the interruption of the switch SW2 is absorbed by the resistor R (magnetic energy disappears from the circuit as heat energy by the resistor R2). When the mechanical switch SW1 is turned off, the switch SW2 is always turned on. In FIG. 4, the resistor R and the switch SW2 are arranged on the load side, but generally there may be a large inductance component on the power supply side. In this case, a series circuit of the resistor R and the switch SW2 is preferably arranged on the power supply side with respect to the IGBT. In this case, after the switch SW2 is turned on, the switch SW2 is turned off after a certain period of time to prevent the current from constantly flowing through the resistor R.

<実施形態3>
図5は、本発明の第3の実施形態の構成を示す図である。本実施形態は、電源側にも大きなインダクタンスがあるような場合に効果的である。抵抗RとスイッチSW2の直列回路が、機械スイッチSW1、半導体スイッチIGBTに並列に接続されている。機械スイッチSW1及びIGBTがOFFのとき(スイッチSW2がONのとき)、抵抗Rに電流が流れる。回路内のインダクタンス素子(成分)が持つ磁気エネルギーは抵抗Rによって熱エネルギーに変換される。流れる電流値は、抵抗Rによって制限され、10mA以下となる、通常のスイッチで電流を切ることが出来る。スイッチSW2がOFFになる。なお、スイッチSW2に並列にキャパシタを接続することによってサージ電圧を減少することが可能である。これはIGBTのスナバ回路(保護回路)ともいえる。
<Embodiment 3>
FIG. 5 is a diagram showing the configuration of the third exemplary embodiment of the present invention. This embodiment is effective when there is a large inductance on the power supply side. A series circuit of a resistor R and a switch SW2 is connected in parallel to the mechanical switch SW1 and the semiconductor switch IGBT. When the mechanical switch SW1 and the IGBT are OFF (when the switch SW2 is ON), a current flows through the resistor R. The magnetic energy of the inductance element (component) in the circuit is converted into thermal energy by the resistor R. The value of the flowing current is limited by the resistance R, and the current can be cut by a normal switch that is 10 mA or less. The switch SW2 is turned off. Note that the surge voltage can be reduced by connecting a capacitor in parallel with the switch SW2. This can be said to be an IGBT snubber circuit (protection circuit).

<実施形態4>
図6は、本発明の第4の実施形態の構成を示す図である。負荷にインダクタンス成分が多く含まれるときには、遮断時には、スイッチ部に電源電圧より高い電圧が発生する。これを避けるための回路として、本実施形態では、図6に示すように、機械スイッチSW1、半導体スイッチIGBTに並列に、キャパシタC1を接続する。図6では、抵抗RとキャパシタC1の直列回路が、半導体スイッチIGBTのコレクタとエミッタ間に接続されている。キャパシタC1は、直流成分をカットする。したがって、図5におけるスイッチSW2があることと等価となる。したがって、図5のスイッチSW2は不要になる。また、この回路では、電源側のインダクタンスによる磁気エネルギーもこの部分で吸収できる。ただし、大きな磁気エネルギーを処理するためには、図4の回路が用いられる。
<Embodiment 4>
FIG. 6 is a diagram showing the configuration of the fourth exemplary embodiment of the present invention. When the load includes a large amount of inductance component, a voltage higher than the power supply voltage is generated in the switch unit at the time of interruption. As a circuit for avoiding this, in this embodiment, as shown in FIG. 6, a capacitor C1 is connected in parallel to the mechanical switch SW1 and the semiconductor switch IGBT. In FIG. 6, a series circuit of a resistor R and a capacitor C1 is connected between the collector and emitter of the semiconductor switch IGBT. The capacitor C1 cuts a direct current component. Therefore, this is equivalent to the presence of the switch SW2 in FIG. Therefore, the switch SW2 in FIG. 5 is not necessary. In this circuit, the magnetic energy due to the inductance on the power supply side can also be absorbed by this portion. However, the circuit of FIG. 4 is used to process large magnetic energy.

<実施形態5>
図7は、本発明の第5の実施形態の構成を示す図である。IGBTのゲート信号の制御について説明する。AC100Vのスイッチではスイッチ内に制御回路が含まれることはほとんどない。IGBTのゲート信号の振幅は20V程度である。図7を参照すると、電源側の直流電圧を抵抗R1とR2で分割し、端子間電圧が400Vの場合、分圧抵抗R1とR2の比(分圧比)は380:20にすればよい。分圧抵抗に流れる電流を少なくするには、例えば380kOhmと20kOhmとなる。この場合、リーク電流は1mAとなり、損失は0.4Wである。
<Embodiment 5>
FIG. 7 is a diagram showing the configuration of the fifth exemplary embodiment of the present invention. The control of the IGBT gate signal will be described. In an AC100V switch, a control circuit is rarely included in the switch. The amplitude of the IGBT gate signal is about 20V. Referring to FIG. 7, when the DC voltage on the power source side is divided by resistors R1 and R2, and the voltage between terminals is 400V, the ratio of voltage dividing resistors R1 and R2 (voltage dividing ratio) may be 380: 20. In order to reduce the current flowing through the voltage dividing resistor, for example, 380 kOhm and 20 kOhm are used. In this case, the leakage current is 1 mA and the loss is 0.4 W.

抵抗R1の端子間に並列にキャパシタC1と補助スイッチSW3の並列回路を接続し、分圧電圧をIGBTのゲートGに接続する。分圧抵抗R1、R2の分圧比はIGBTのゲート電圧の閾値に対応している。補助スイッチSW3がONのとき、IGBTのゲートとエミッタは同一電圧となり、IGBTはカットオフされ、コレクタ−エミッタ間電流は流れない。補助スイッチSW3は、IGBTのONとOFFを制御する。あるいは、他の方法としては、400Vから20Vの直流電圧を出力するDC/DCコンバータを利用しても良い。   A parallel circuit of the capacitor C1 and the auxiliary switch SW3 is connected in parallel between the terminals of the resistor R1, and the divided voltage is connected to the gate G of the IGBT. The voltage dividing ratio of the voltage dividing resistors R1 and R2 corresponds to the threshold value of the gate voltage of the IGBT. When the auxiliary switch SW3 is ON, the gate and emitter of the IGBT are at the same voltage, the IGBT is cut off, and no collector-emitter current flows. The auxiliary switch SW3 controls ON / OFF of the IGBT. Alternatively, as another method, a DC / DC converter that outputs a DC voltage of 400V to 20V may be used.

補助スイッチSW3をOFFにすると、ゲートGとエミッタE間に電圧が発生し、IGBTがONになる。キャパシタC2が挿入されているため、補助スイッチSW3がONになった後、キャパシタC2の充電時間(時定数)分遅れて、IGBTがONになる。続いて機械スイッチをONにする。この時、補助スイッチSW3と機械スイッチSW1は連動するように構成する。また、キャパシタC2を入れることで、スイッチSW3がONしたときに、直ちに電流が立ち上がらないので、IGBTを破損する可能性を低減することができる。また、例えばリレーを利用して所定時間遅れて補助スイッチSW3と機械スイッチSW1が連動するようにすることが望ましい。   When the auxiliary switch SW3 is turned off, a voltage is generated between the gate G and the emitter E, and the IGBT is turned on. Since the capacitor C2 is inserted, after the auxiliary switch SW3 is turned on, the IGBT is turned on with a delay of the charging time (time constant) of the capacitor C2. Subsequently, the machine switch is turned on. At this time, the auxiliary switch SW3 and the mechanical switch SW1 are configured to work together. In addition, by inserting the capacitor C2, since the current does not rise immediately when the switch SW3 is turned on, the possibility of damaging the IGBT can be reduced. For example, it is desirable that the auxiliary switch SW3 and the mechanical switch SW1 be interlocked with each other with a predetermined time delay using a relay.

図8は、図7のスイッチの動作シーケンスを示す図である。横軸は時間であり、補助スイッチSW2と機械スイッチSW1のON/OFFの時間推移が示されている。   FIG. 8 is a diagram illustrating an operation sequence of the switch of FIG. The horizontal axis represents time, and the time transition of ON / OFF of the auxiliary switch SW2 and the mechanical switch SW1 is shown.

最初に補助スイッチSW3がOFFになる。これによって、IGBTがONになる。   First, the auxiliary switch SW3 is turned off. As a result, the IGBT is turned on.

次に少し遅れて、機械スイッチSW1が連動してONになる。   Next, a little later, the mechanical switch SW1 is turned on in conjunction.

したがって、最初に、電流はIGBTに流れ、つづいて機械スイッチSW1に流れる。これは、機械スイッチSW1のON電圧が低いことによる。   Therefore, first, current flows through the IGBT, and then flows through the mechanical switch SW1. This is because the ON voltage of the mechanical switch SW1 is low.

スイッチを切るときには、まず、機械スイッチSW1をOFFにする。その後、補助スイッチSW3をOFFにする。この場合も、2つのスイッチSW3、機械スイッチSW1が連動して動作する。機械スイッチSW1がOFFになっても、IGBTがON状態であるため、接点間には、ほとんどアークが発生しない。このため、機械スイッチSW1の接点が損傷を受けない。これは、本発明者により、実験で確認された。   When turning off the switch, first, the mechanical switch SW1 is turned off. Thereafter, the auxiliary switch SW3 is turned off. Also in this case, the two switches SW3 and the mechanical switch SW1 operate in conjunction with each other. Even when the mechanical switch SW1 is turned OFF, since the IGBT is in the ON state, almost no arc is generated between the contacts. For this reason, the contact of the mechanical switch SW1 is not damaged. This has been confirmed by experiments by the inventor.

以上の例では、IGBTを使ったが、自己消弧能力がある半導体デバイスであれば、この回路に適用できる。例えば、パワーMOSFET、GTO(Gate Turn Off thyrister)等を用いてもよい。   In the above example, the IGBT is used. However, any semiconductor device having a self-extinguishing capability can be applied to this circuit. For example, a power MOSFET, GTO (Gate Turn Off Thyster), or the like may be used.

半導体デバイスに流れる電流は時間がt1−t2、及びt3−t4の間に限られる。この時間が短いと、IGBTの電流容量が短時間定格となるため、小型IGBTを使うことができる。また、半導体デバイスに放熱フィン等を取り付ける必要も無くなる。なお、一般的に、機械スイッチは、耐圧がDC400Vであり、電流容量は10Aから20A迄であるため、それほど大きなスイッチは不要であり、AC220V(DC換算311V)と同程度の電流容量の接点が利用できる。   The current flowing through the semiconductor device is limited to the time between t1-t2 and t3-t4. If this time is short, the current capacity of the IGBT is rated for a short time, so a small IGBT can be used. Further, it is not necessary to attach a heat radiation fin or the like to the semiconductor device. In general, mechanical switches have a withstand voltage of DC400V and current capacities from 10A to 20A, so a very large switch is not required, and there are contacts with current capacities comparable to AC220V (DC conversion 311V). Available.

<実施形態6>
図9は、本発明の第6の実施形態の構成を示す図である。DCスイッチは直流遮断器にも適用できる。特に、高電圧・大電流の直流は遮断が困難になる。そこで、再度、遮断に絞って、本発明の実施形態の説明を行う。図9は、図2と同じ回路構成であるが、機械スイッチSW1は大型になっている。また図10は、図9の動作シーケンスを示す図である。
<Embodiment 6>
FIG. 9 is a diagram showing the configuration of the sixth exemplary embodiment of the present invention. The DC switch can also be applied to a DC circuit breaker. In particular, it is difficult to cut off high voltage and large current direct current. Therefore, the embodiment of the present invention will be described again focusing on blocking. FIG. 9 has the same circuit configuration as FIG. 2, but the mechanical switch SW1 is large. FIG. 10 is a diagram showing the operation sequence of FIG.

図9の実施形態は、基本的に、アーク・プラズマに強い構造とされ、通常は、交流も含めた遮断器接点を用いる。しかし、基本的には、アーク・プラズマがほとんど発生しないので、通常の銅を用いた金属接点を用いることができる。この場合、大型高速接点を用いることが重要になる。直流電流は、遮断機械スイッチSW11に流れる。図9では、半導体スイッチとしてIGBTを用いているが、大電流用で自己消弧能力があるGTOを利用してもよい。   The embodiment of FIG. 9 is basically constructed to be arc-plasma resistant and typically uses breaker contacts including alternating current. However, basically, since arc plasma is hardly generated, a normal metal contact using copper can be used. In this case, it is important to use a large high-speed contact. The direct current flows through the cutoff machine switch SW11. In FIG. 9, an IGBT is used as the semiconductor switch, but a GTO having a self-extinguishing capability for a large current may be used.

半導体デバイスに流れる電流は、遮断前後の時間t1−t3の間に限られる。この時間が短いと、電流容量の小さなIGBTを短時間定格として利用できる。短時間定格は材料と熱容量で決まり、SiCなどを用いると、定格値から著しく高くできる。   The current flowing through the semiconductor device is limited to the time t1-t3 before and after the interruption. If this time is short, an IGBT having a small current capacity can be used as a short-time rating. The short-time rating is determined by the material and heat capacity, and can be significantly increased from the rated value by using SiC or the like.

遮断機械スイッチSW11に電流が流れているが、IGBTがONしてから、開極すると、接点間にアーク・プラズマが発生し、電圧が高くなる。すると、この電圧によって、遮断機械スイッチSW11の電流は、IGBTに転流する。その結果、接点間のアーク・プラズマは消弧する。このアーク・プラズマが発生している時間は、回路の時定数や半導体スイッチ及び機械スイッチの特性で決まるが、多くは数μs(マイクロ秒)であり、接点の損傷は少ない。この現象は、図2と同様である。その後、IGBTが遮断を行う。   Although a current flows through the breaking machine switch SW11, when the IGBT is turned on after the IGBT is turned on, arc plasma is generated between the contacts, and the voltage is increased. Then, by this voltage, the current of the cutoff mechanical switch SW11 is commutated to the IGBT. As a result, the arc plasma between the contacts is extinguished. The time during which this arc plasma is generated is determined by the time constant of the circuit and the characteristics of the semiconductor switch and the mechanical switch, but it is usually several μs (microseconds), and the damage to the contact is small. This phenomenon is the same as in FIG. Thereafter, the IGBT shuts off.

また、IGBTの代わりに、自己消弧機能がないサイリスタなどの素子を利用する場合には、周知のように、逆方向からコンデンサなどを用いて電流を注入する構成としてもよい。サイリスタはIGBT等に比べて安価であるため、電流注入機構を取り付けても、全体として安価となることもある。   In addition, when an element such as a thyristor having no self-extinguishing function is used instead of the IGBT, a current may be injected using a capacitor or the like from the opposite direction as is well known. A thyristor is cheaper than an IGBT or the like, so that even if a current injection mechanism is attached, the thyristor may be cheap as a whole.

<実施形態7>
図11は、本実施形態の構成を示す図である。アーク・プラズマは短時間でも発生するため、遮断器では、接点部に高融点金属等が用いられる。高融点金属の接点は抵抗が高いことから、接点部での発熱が大となり、電力消費が増大する。遮断器において、好ましくは、遮断時に発生するアーク・プラズマは高融点金属接点で発生し、通常の通電時には、銅接点に電流が流れる構造とする。本実施形態において、接点は、2つの部材からなっている。一つは電気抵抗が低い銅接点であり、他は、電気抵抗は高いがアーク・プラズマに対して耐性がある高融点金属接点である。タングステンやモリブデン及びそれらの合金が用いられる。図11において電流の向きは任意である。スイッチの固定接点側は高融点金属接点の表面は銅接点13の表面より飛び出している。一方、可動接点側は、高融点金属接点12はバネ11が裏側に設置してある。このため、スイッチが閉じているときには、銅接点13と高融点金属接点12も同じ面で接触することができる。このような構造にすると、高融点金属接点12の接圧が銅接点13より高くなるが、銅接点13側も電流を流すことができる十分な接圧を取る。このため、大部分の電流は接触抵抗が低い銅接点13側を流れる。
<Embodiment 7>
FIG. 11 is a diagram showing a configuration of the present embodiment. Since arc plasma is generated even in a short time, a high melting point metal or the like is used for the contact portion in the circuit breaker. Since the contact point of the refractory metal has a high resistance, heat generation at the contact point is increased, and the power consumption is increased. In the circuit breaker, the arc plasma generated at the time of breaking is preferably generated at a refractory metal contact, and a current flows through the copper contact during normal energization. In this embodiment, the contact consists of two members. One is a copper contact with low electrical resistance, and the other is a refractory metal contact with high electrical resistance but resistance to arc plasma. Tungsten, molybdenum and their alloys are used. In FIG. 11, the direction of the current is arbitrary. On the fixed contact side of the switch, the surface of the refractory metal contact protrudes from the surface of the copper contact 13. On the other hand, on the movable contact side, the refractory metal contact 12 is provided with a spring 11 on the back side. For this reason, when the switch is closed, the copper contact 13 and the refractory metal contact 12 can also contact on the same surface. With such a structure, the contact pressure of the refractory metal contact 12 is higher than that of the copper contact 13, but the copper contact 13 side also takes a sufficient contact pressure that allows current to flow. For this reason, most of the current flows through the copper contact 13 side having a low contact resistance.

図12には、スイッチが開き始める時の状態を示している。最初に銅接点部13が開く。しかし、高融点金属接点部12はまだ接触している。このようにすると、銅接点13間に流れていた電流は、高融点金属接点12側に転流する。したがって、銅接点13間にはアーク・プラズマが発生しない。開極が進み、接点間距離が長くなっていくと、最終的には高融点金属接点12間も開極する。このため、この部分でアーク・プラズマが発生する。しかし、高融点金属接点12はアーク・プラズマに対して耐性があるので、損傷は抑制される。IGBTなどの半導体デバイスが並列接続されているので、この部分で発生するアーク・プラズマ自身も限定的であり、数μs(マイクロ秒)程度しか発生しないからである。よって、接点の損傷は著しく少なくなる。図11、図12等のような構造にすれば、半導体デバイスが並列接続していなくても、長寿命のスイッチが構成できる。   FIG. 12 shows a state when the switch starts to open. First, the copper contact portion 13 is opened. However, the refractory metal contact portion 12 is still in contact. In this way, the current flowing between the copper contacts 13 is commutated to the refractory metal contact 12 side. Therefore, no arc plasma is generated between the copper contacts 13. As the opening progresses and the distance between the contacts becomes longer, the refractory metal contacts 12 are finally opened. For this reason, arc plasma is generated in this portion. However, since the refractory metal contact 12 is resistant to arc plasma, damage is suppressed. This is because, since semiconductor devices such as IGBTs are connected in parallel, the arc / plasma generated in this portion is limited, and only a few μs (microseconds) is generated. Thus, contact damage is significantly reduced. With the structure as shown in FIGS. 11 and 12, a long-life switch can be configured even if semiconductor devices are not connected in parallel.

本実施形態の接点構造は、アーク・プラズマに対して耐性がある。このような構造は、バネを用いなくても、アーム10が撓む構造でも同様な効果があることは容易に分かる。可撓性アーム10を用いて銅接点13と高融点金属接点12も同じ面になるように押さえつける。高融点金属接点12の面は銅接点13の面より突出しているので、開極時には銅接点13が開いても高融点金属接点12はまだ接触しているからである。本実施形態では、可動接点側にバネ11を用いているが、固定接点側にバネを使っても良いし、両方に使っても良い。本実施形態によれば、直流を容易に遮断できる。上記実施形態で説明したスイッチ構造は、交流等のスイッチに適用してもよいことは勿論である。   The contact structure of this embodiment is resistant to arc plasma. It can be easily understood that such a structure has the same effect even when the arm 10 is bent without using a spring. Using the flexible arm 10, the copper contact 13 and the refractory metal contact 12 are pressed so as to be on the same surface. This is because the surface of the refractory metal contact 12 protrudes from the surface of the copper contact 13, so that the refractory metal contact 12 is still in contact with the copper contact 13 when the contact is opened. In the present embodiment, the spring 11 is used on the movable contact side, but a spring may be used on the fixed contact side or both. According to this embodiment, direct current can be easily interrupted. Of course, the switch structure described in the above embodiment may be applied to an AC switch or the like.

本発明によれば、半導体スイッチを機械スイッチに並列接続し、互いに協調動作を取ることによって機械接点間にアークを発生しないようにしている。   According to the present invention, a semiconductor switch is connected in parallel to a mechanical switch, and an arc is not generated between the mechanical contacts by performing a cooperative operation with each other.

しかし、DCスイッチはACスイッチに比べて、危険なことが有る。具体例として、短絡事故などではACではスイッチに直列接続しているNFB(Non−Fuse Breaker)が電流遮断を行う。NFBをDCスイッチに取り込んだ構成を図13に示す。負荷には、DCスイッチと直列接続したDC NFBが接続している。もし、負荷が短絡事故を起こしたときには、DC NFBが遮断を行う。尚、DC NFBも今回のDCスイッチと同じ構造を取る。即ち、並列に半導体スイッチを接続し、今までにDCスイッチで述べてきたような協調動作を取るようになっている。図13の回路で、DCスイッチをOFFにして負荷に電流を流さないようにしたときに、DCスイッチの半導体が破損して、電流遮断に失敗したとしよう。すると、負荷には同じ電流が流れ続ける。そして、DCスイッチはアークのために、そのままの状態がつづくと、最終的に炎上する。これは火災につながる。しかし、回路に流れる電流はDCスイッチがONとほぼ同じであるため、DC NFBは作動しない。ACスイッチでは、電流ゼロ点があるため、遮断が容易であり、上記のような問題は生じにくい。しかし、アークの発生は火災につながるため、より安全性の向上が望まれる。   However, DC switches can be more dangerous than AC switches. As a specific example, in a short circuit accident or the like, in AC, an NFB (Non-Fuse Breaker) connected in series to a switch cuts off a current. FIG. 13 shows a configuration in which NFB is incorporated in the DC switch. A DC NFB connected in series with a DC switch is connected to the load. If the load causes a short circuit accident, the DC NFB will shut off. The DC NFB has the same structure as the current DC switch. That is, semiconductor switches are connected in parallel, and a cooperative operation as described above with respect to the DC switch is performed. In the circuit of FIG. 13, when the DC switch is turned off so that no current flows through the load, it is assumed that the semiconductor of the DC switch is damaged and the current interruption fails. Then, the same current continues to flow through the load. Then, the DC switch will eventually burn up due to arcing if it continues as it is. This leads to a fire. However, since the current flowing through the circuit is almost the same as when the DC switch is ON, the DC NFB does not operate. In the AC switch, since there is a current zero point, it is easy to cut off, and the above-described problems are unlikely to occur. However, since the occurrence of an arc leads to a fire, further improvement in safety is desired.

そこで、図14のような構成とする。即ち、DCスイッチをOFFにしても電流を切ることができないときには、当該DCスイッチが上流のDC NFBに通信で知らせて、遮断を行う。この通信を行う通信線には、スイッチが直接接続されている電力線を利用することが自然であろう。このようなシステムは、回路を構成するときにスイッチが互いにどんな関係であるかを、それぞれのスイッチに設定できるようにする。例えば、DC NFBは親でDCスイッチは子の関係などとする。すると、子スイッチが遮断失敗したときには、すぐに親スイッチに連絡が行き、親スイッチが電流遮断を行うようにするのである。更に、親スイッチは外部との通信機能も持っていて、子スイッチに遮断失敗が有れば、それを管理者(パソコンや携帯電話)に知らせる機能を持たせる。これを定期的に行うようにすると、もし連絡が来ないときには通信機能にも問題があることが分かり、システムのメインテナンスにも役に立てることができる。また、親スイッチは、複数の子スイッチのON/OFFをモニタする機能を持たせれば、より安全にシステムを運用できる。そして、どの子スイッチの遮断が失敗したかが分かるようにする。そして、このような情報を管理者に知らせる機能を持たせる。これらによって、より安全なスイッチ系になる。尚、上記では上流の親スイッチをDC NFBとしているが、これは単に電流容量が大きいだけであるため、大型のスイッチでも良い。更に、親スイッチの半導体スイッチが同時に故障することもあろうが、その時にはもう一つ大型のNFBスイッチをおき、ここには半導体スイッチを並列接続しない方式もある。これは、雷などのサージによって、この回路の半導体素子が全滅したときなどに対応する。   Therefore, the configuration shown in FIG. That is, when the current cannot be cut off even when the DC switch is turned off, the DC switch informs the upstream DC NFB by communication and performs a shut-off. It would be natural to use a power line to which a switch is directly connected as a communication line for performing this communication. Such a system allows each switch to set what relationship the switches are to each other when configuring the circuit. For example, the DC NFB is a parent and the DC switch is a child. Then, when the child switch fails to shut down, the parent switch is immediately contacted so that the parent switch cuts off the current. Furthermore, the parent switch also has a function of communicating with the outside, and if the child switch has failed to shut down, the parent switch has a function of notifying the administrator (personal computer or mobile phone). If this is done on a regular basis, it can be seen that there is a problem with the communication function if there is no contact, which can also be useful for system maintenance. Further, if the parent switch has a function of monitoring ON / OFF of a plurality of child switches, the system can be operated more safely. Then, it is made clear which child switch has failed to be cut off. A function of notifying the administrator of such information is provided. These make the switch system safer. In the above description, the upstream parent switch is DC NFB. However, since this has only a large current capacity, a large switch may be used. Further, the semiconductor switch of the parent switch may fail at the same time. At that time, another large NFB switch is provided, and there is a system in which the semiconductor switches are not connected in parallel. This corresponds to a case where the semiconductor element of this circuit is completely destroyed by a surge such as lightning.

電力用途でスイッチを構成する場合、金属接点のみで完全に遮断する回路が必要とされる場合がある。つまり、図15の様な回路では半導体スイッチ(IGBT)が電流遮断を行うが、コレクタ(C)とエミッタ(E)間には何時も電圧がかかることになり、これでは危険と考えられる場合があるからである。即ち、IGBTに直列に機械スイッチを入れる必要があることを意味する。これは、自動的に少なくとも2つの機械スイッチを必要とする。まず、機械スイッチ構造の例を図16に示す。図16のケーブル、回転部、アームは、図11、図12のケーブル、回転部、アームに対応する。回転部において、2つの可動電極側が互いに電気絶縁(絶縁層1)がなされているが、機械的には一体になっている。また、固定接点側も2つの接点があり、それぞれ電気絶縁(絶縁層2)されているが、機械的には一体になった構造である。そして、それぞれの接点に電気配線されるが、このような構造のため、動作をさせると、2つの接点は、ON時間は僅かに異なる。以下、2つの接点をSW1、SW2とし、ON時にはSW2がSW1より少し早くONになり、その後SW1がONになる。また、OFF時には、SW1が先にOFFになり、その後SW1がOFFになるように機械的に設定されている。まだ、この時間差はあまりバラツキがないように構造及び調整がされている。   When configuring a switch for power applications, a circuit that completely cuts off only with a metal contact may be required. That is, in the circuit as shown in FIG. 15, the semiconductor switch (IGBT) cuts off the current, but voltage is always applied between the collector (C) and the emitter (E), which may be considered dangerous. Because. That is, it means that it is necessary to put a mechanical switch in series with the IGBT. This automatically requires at least two mechanical switches. First, an example of a mechanical switch structure is shown in FIG. The cable, the rotating unit, and the arm in FIG. 16 correspond to the cable, the rotating unit, and the arm in FIGS. In the rotating part, the two movable electrodes are electrically insulated from each other (insulating layer 1), but are mechanically integrated. Moreover, the fixed contact side also has two contacts, and each is electrically insulated (insulating layer 2), but is mechanically integrated. And although it is electrically wired to each contact, because of such a structure, when operated, the two contacts have slightly different ON times. In the following, the two contacts are SW1 and SW2, and when ON, SW2 is turned ON slightly earlier than SW1, and then SW1 is turned ON. Further, at the time of OFF, SW1 is turned off first, and thereafter, SW1 is turned off mechanically. Still, this time difference is structured and adjusted so that there is not much variation.

同様な他の例として図17を示す。これはプッシュ式のスイッチであり、押し出すことによってONになる。接点が図16と同じように2つあり、一方はより相手側接点方向にバネ構造を通じて突きだしているので、ON時には早く接触する。両方がONにはバネが縮まり、一緒に接触している。また、OFF時にはバネがついている側が遅れてOFFになる。そして、バネ長等を調整することによって、2つのスイッチのON、OFF時の時間差を調整することができる。   FIG. 17 shows another similar example. This is a push-type switch, and it is turned ON when pushed out. As in FIG. 16, there are two contacts, one of which protrudes more through the spring structure in the direction of the other contact, so that it contacts quickly when it is ON. When both are ON, the springs are contracted and contacted together. Further, when turned off, the side with the spring is delayed and turned off. Then, by adjusting the spring length or the like, the time difference between when the two switches are turned on and off can be adjusted.

次に、図16の2接点スイッチを使ったDCスイッチ回路を図18に示す。スイッチは、電源と負荷の間に入り、負荷(=機器)を高圧側にしないために、スイッチが一つの時には、スイッチは高圧側に入れることになる。2つの接点をSW1、SW2とし、SW2はON時には時間的に早くONになり、OFF時には時間的に遅くOFFになる。そして、2つの金属接点は機械的に一体であり、連動して動くようになっている。図16、図17に示すようである。図18において、タイマ(Timer)の電源端子P1はスイッチSW2を介して高圧側に接続され、アース側の端子P2は、直接アースに接続されている。このため、スイッチSW2が閉じると、タイマ(Timer)に電力が供給される。スイッチSW2が閉じた状態で、スイッチSW1がOFFであり、IGBTもOFFであると、抵抗R1、R2の両端に電圧が発生するので、タイマ(Timer)のトリガー端子(trig)にはトリガー信号(電圧)が印加される。そして、タイマ(Timer)の出力端子outからの出力信号がIGBTのゲートに印加され、IGBTがON(導通)になる。なお、図18の例では、IGBTが高圧側に接続されているが、アース側でもかまわない。これは、以下の各図でも同様であり、アース側の例が書かれているときには、高圧側にあってもよい。例えば、図20から図24は、それにあたる。また、スイッチが2つ使われているが、これは図16のようなスイッチとは別に、独立のスイッチをそれぞれ時間差を制御して利用する構成も、この回路(図18)に含まれる。   Next, FIG. 18 shows a DC switch circuit using the two-contact switch of FIG. Since the switch enters between the power source and the load and does not place the load (= device) on the high voltage side, the switch is inserted on the high voltage side when there is only one switch. The two contacts are SW1 and SW2, and SW2 is turned on earlier in time when turned on, and turned off later in time when turned off. The two metal contacts are mechanically integrated and move in conjunction with each other. As shown in FIGS. 16 and 17. In FIG. 18, the power supply terminal P1 of the timer (Timer) is connected to the high voltage side via the switch SW2, and the terminal P2 on the ground side is directly connected to the ground. For this reason, when the switch SW2 is closed, power is supplied to the timer (Timer). When the switch SW2 is closed and the switch SW1 is OFF and the IGBT is also OFF, a voltage is generated at both ends of the resistors R1 and R2. Therefore, a trigger signal (trig) of the timer (Timer) is supplied to the trigger signal (trig). Voltage) is applied. Then, an output signal from the output terminal out of the timer (Timer) is applied to the gate of the IGBT, and the IGBT is turned on (conductive). In the example of FIG. 18, the IGBT is connected to the high voltage side, but may be the ground side. The same applies to the following drawings. When an example of the ground side is written, it may be on the high voltage side. For example, FIGS. 20 to 24 correspond to this. In addition, two switches are used, and this circuit (FIG. 18) also includes a configuration in which independent switches are used with their time differences controlled separately from the switches as shown in FIG.

図19(A)、(B)は、図18の回路の動作の時間シーケンスを示す図である。図18の回路構成と図19の時間シーケンスを用いて、回路動作を以下に説明する。回路は、2つの機械接点スイッチのほかに、自己消弧型の半導体スイッチ(IGBT、あるいはMOSFET等でもよい)、及びタイマ(Timer)(図18)を備えている。タイマは、端子P1、P2を電源に接続し、電力を得て稼働する。そして、trig端子にトリガ信号が入ると、出力端子パルス信号が出力されるからすぐにパルス(パルス幅=T1、T2)のパルスを、IGBTのゲートに出力する。以下ではT1、T2とパルスを2つに分けて書いたが、同じ時間でも構わない(重なってもよい)。これによって、パルスが活性期間中はIGBTがON状態になるように設定している。また、抵抗R1、R2(分圧抵抗)はスイッチ電源側とスイッチ負荷(IGBTのEとC)の間に接続され、中点がタイマ(Timer)のtrig端子に接続され、分圧抵抗による分圧電圧がtrig端子に入るトリガ信号の振幅を規定している。タイミング動作は、図19に示すようなものとなる。   19A and 19B are diagrams showing a time sequence of the operation of the circuit of FIG. The circuit operation will be described below using the circuit configuration of FIG. 18 and the time sequence of FIG. In addition to the two mechanical contact switches, the circuit includes a self-extinguishing semiconductor switch (which may be an IGBT or a MOSFET) and a timer (FIG. 18). The timer is operated by connecting terminals P1 and P2 to a power source and obtaining power. When a trigger signal is input to the trig terminal, a pulse (pulse width = T1, T2) is output to the gate of the IGBT immediately after the output terminal pulse signal is output. In the following, T1 and T2 and the pulse are written in two parts, but they may be the same time (may overlap). Thus, the IGBT is set to be in the ON state while the pulse is active. The resistors R1 and R2 (voltage dividing resistors) are connected between the switch power supply side and the switch load (EBT and E of the IGBT), and the middle point is connected to the trigger terminal of the timer (Timer). The voltage of the trigger signal that defines the trigger signal that enters the trig terminal is defined. The timing operation is as shown in FIG.

最初にON時の動作から説明を行う。スイッチSW2が最初にONになった時点では、まだスイッチSW1はOFFである。すると、タイマ(Timer)は駆動電源が供給され、稼働状態になり、同時に、trig端子にトリガ信号が入る。そして、直ちにタイマ(Timer)の出力端子からパルス信号が出力される。IGBTのゲートにパルス信号が入力され、IGBTがONになる。時間的には数マイクロ秒以内である。それを図示したのが、図19(B)であり、トリガ信号が入ってからTdだけ遅れて、IGBTのゲートに入力されるパルス信号がON(Gate ON)になる。IGBTのゲートに入力されるパルス信号のパルス幅はT1である。一方、スイッチSW1はまだONにはなっていないが、IGBTのゲートに入力されるパルス信号が活性化状態(High)の間(T1)の間に、スイッチSW1がONになる。このため、主スイッチである機械スイッチSW1の接点間には、アークが発生しない。これによって、スイッチ全体としてON状態になる。尚、T1、T2は数ミリ秒から数十ミリ秒程度を想定している。   First, the operation when ON is described. When the switch SW2 is first turned ON, the switch SW1 is still OFF. Then, the drive power is supplied to the timer (Timer), and the timer enters an operating state. At the same time, a trigger signal is input to the trigger terminal. Then, a pulse signal is immediately output from the output terminal of the timer (Timer). A pulse signal is input to the gate of the IGBT and the IGBT is turned on. The time is within a few microseconds. This is illustrated in FIG. 19B, in which the pulse signal input to the gate of the IGBT is turned ON (Gate ON) with a delay of Td after the trigger signal is input. The pulse width of the pulse signal input to the gate of the IGBT is T1. On the other hand, the switch SW1 is not turned on yet, but the switch SW1 is turned on while the pulse signal inputted to the gate of the IGBT is in the activated state (High) (T1). For this reason, no arc is generated between the contacts of the mechanical switch SW1, which is the main switch. As a result, the entire switch is turned on. T1 and T2 are assumed to be about several milliseconds to several tens of milliseconds.

その後、タイマ(Timer)の出力パルス信号(IGBTへのゲートへのパルス)は出なくなるので、IGBTは、OFF状態になる。このため、回路に流れる電流は、スイッチSW1を通って流れ、スイッチSW2はONであるが、IGBTがOFFのため、このSW2、IGBTのパスに電流は流れない。   Thereafter, since the output pulse signal of the timer (Timer) (pulse to the gate to the IGBT) is not output, the IGBT is turned off. For this reason, the current flowing through the circuit flows through the switch SW1 and the switch SW2 is ON. However, since the IGBT is OFF, no current flows through the SW2 and IGBT paths.

次に、スイッチのOFF時の動作について説明を行う。OFF時には、最初に、スイッチSW1がOFFになる。この時、スイッチSW2は、まだON状態であり、IGBTは、OFF状態(Gate OFF)である。また、タイマ(Timer)は端子P1、P2が電源に接続されているので、スタンバイ状態である。そして、スイッチSW1がOFFになると、抵抗R1、R2の分割電圧が、タイマ(Timer)のtrig端子にトリガ信号として印加される。これによって、タイマ(Timer)のout端子から、IGBTのゲート信号へパルス(パルス幅T2)が出力され、IGBTはON状態になる。すると、スイッチSW1の金属接点間ではアークがほとんど発生せず、OFFになる。パルス幅T2が経過すると、IGBTはOFFになる。   Next, the operation when the switch is OFF will be described. When the switch is OFF, first, the switch SW1 is turned OFF. At this time, the switch SW2 is still in the ON state, and the IGBT is in the OFF state (Gate OFF). The timer (Timer) is in a standby state because the terminals P1 and P2 are connected to the power source. When the switch SW1 is turned off, the divided voltage of the resistors R1 and R2 is applied as a trigger signal to the trigger terminal of the timer (Timer). As a result, a pulse (pulse width T2) is output from the out terminal of the timer (Timer) to the gate signal of the IGBT, and the IGBT is turned on. Then, an arc is hardly generated between the metal contacts of the switch SW1, and the switch SW1 is turned off. When the pulse width T2 elapses, the IGBT is turned off.

このとき、IGBTとスイッチSW1がOFFであるため、再度、抵抗R1、R2の分圧電圧がtrig端子にトリガ信号として印加されるが、タイマ(Timer)は、一旦、trig端子に信号が入ると、T3時間は、不感となるように設定されている。すなわち、T3>T2に設定されており、このトリガ信号によってタイマ(Timer)は端子パルス信号が出力されるから、IGBTのゲートへのパルス信号を出さない。したがって、不感時間中は、電流ゼロが保持される。その電流ゼロの期間中にスイッチSW2がOFFになる。したがって、接点間にアークは発生しない。そして、最終的に、スイッチSW1、SW2のどちらの接点でも、アークは発生せず、電流遮断が完了する。   At this time, since the IGBT and the switch SW1 are OFF, the divided voltage of the resistors R1 and R2 is again applied as a trigger signal to the trigger terminal, but the timer (Timer) once receives a signal at the trigger terminal. , T3 time is set to be insensitive. That is, T3> T2 is set, and the timer (Timer) outputs a terminal pulse signal by this trigger signal, and therefore does not output a pulse signal to the gate of the IGBT. Therefore, the current zero is maintained during the dead time. The switch SW2 is turned OFF during the current zero period. Therefore, no arc is generated between the contacts. Finally, no arc is generated at either contact point of the switches SW1 and SW2, and the current interruption is completed.

タイマ(Timer)を用いると、T1、T2、T3等の時間の設定が出来るために、機械スイッチの特性に合わせてスイッチ・システム全体を構成することが出来る。   When a timer is used, time such as T1, T2, and T3 can be set, so that the entire switch system can be configured in accordance with the characteristics of the mechanical switch.

同様な2接点回路の他例をとして、図20にその回路構成を示す。図20は、図19と高圧側とアース側が反対になっている。また、電流方向が矢印で示しているが、これは高圧側がプラス側になっていることを示している。直流では、高圧をマイナス側に取ることもあるが、この場合、IGBTのコレクタ(C)とエミッタ(E)を逆にすることが必要になるため、所定の対策が必要である。図20のタイミング動作は、図19に準じる。   As another example of the similar two-contact circuit, the circuit configuration is shown in FIG. In FIG. 20, the high voltage side and the ground side are opposite to those in FIG. Moreover, although the electric current direction is shown by the arrow, this has shown that the high voltage | pressure side is a plus side. In DC, a high voltage may be taken on the negative side, but in this case, it is necessary to reverse the collector (C) and emitter (E) of the IGBT, so that a predetermined measure is required. The timing operation in FIG. 20 conforms to FIG.

図20に示す例では、ON時にはスイッチSW2が最初に入る。スイッチSW2がONするときには、接点間で若干アークが発生するが、ONによってアークは消弧するので、問題は無い。スイッチSW2がONになると、タイマ(Timer)に電力が供給され稼動を開始する。このとき、スイッチSW1がOFFであるため、タイマ(Timer)のtrig端子にトリガ信号が入り、out端子からIGBTのゲートにパルス信号が出力され、IGBTがON状態になる。   In the example shown in FIG. 20, the switch SW2 enters first when ON. When the switch SW2 is turned on, a slight arc is generated between the contacts. However, since the arc is extinguished when the switch SW2 is turned on, there is no problem. When the switch SW2 is turned ON, power is supplied to the timer (Timer) and operation starts. At this time, since the switch SW1 is OFF, a trigger signal is input to the trigger terminal of the timer (Timer), a pulse signal is output from the out terminal to the gate of the IGBT, and the IGBT is turned on.

IGBTがON状態の間に、スイッチSW1がONになる。このため、スイッチSW1では全くアークが接点間で発生しない。パルス幅T1が経過すると、IGBTはOFFになる。しかし、スイッチSW1がONであるため、trig端子にはトリガ信号が入らないため、out端子からIGBTのゲートへのパルス信号は出力されず、IGBTはOFF状態が保持される。但し、Timerには電力が供給され続けるので、タイマ(Timer)はスタンバイ状態である。   While the IGBT is ON, the switch SW1 is turned ON. For this reason, no arc is generated between the contacts in the switch SW1. When the pulse width T1 elapses, the IGBT is turned off. However, since the switch SW1 is ON, no trigger signal is input to the trig terminal, so that a pulse signal from the out terminal to the gate of the IGBT is not output, and the IGBT is maintained in the OFF state. However, since power is continuously supplied to the Timer, the timer (Timer) is in a standby state.

OFF時には、最初に、スイッチSW1がOFFになる。タイマ(Timer)には電力が供給され、スタンバイ状態が続いている。すると、タイマ(Timer)のtrig端子にトリガ信号が入り、out端子からパルス信号が出力され、IGBTがON状態になる。このため、スイッチSW1の接点間にはアークが発生しない。その後、期間T2が経過すると、IGBTがOFF状態になる。するとすぐに、タイマ(Timer)のtrig端子にトリガ信号が入るが、不感期間T3以内であればタイマ(Timer)はout端子からゲート信号を出力しないので、IGBTのOFFが保持される。すると、回路電流はこの期間中はゼロが保持される。その期間中にスイッチSW2がOFFする。この時には電流が流れていないので、スイッチSW2の接点間にはアークは発生しない。   When the switch is OFF, first, the switch SW1 is turned OFF. Electric power is supplied to the timer (Timer) and the standby state continues. Then, a trigger signal is input to the trigger terminal of the timer (Timer), a pulse signal is output from the out terminal, and the IGBT is turned on. For this reason, no arc occurs between the contacts of the switch SW1. Thereafter, when the period T2 elapses, the IGBT is turned off. As soon as the trigger signal is input to the trigger terminal of the timer (Timer), the timer (Timer) does not output a gate signal from the out terminal within the dead period T3, so that the IGBT is kept OFF. The circuit current is then held at zero during this period. During this period, the switch SW2 is turned off. Since no current flows at this time, no arc is generated between the contacts of the switch SW2.

図21は、図20の変形例を示す図である。タイマ(Timer)の電力の取り方が異なっており、P1、P2の接続部がことなる。つまり、端子P1は、図20のP1と同じであるが、P2のアース側がスイッチSW1とIGBTのアース側に接続している。動作は、図20と同じである。タイマ(Timer)が直接アースに接続されるので、ノイズに強いであろう。   FIG. 21 is a diagram showing a modification of FIG. The timer (Timer) takes different power, and the connection parts of P1 and P2 are different. That is, the terminal P1 is the same as P1 in FIG. 20, but the ground side of P2 is connected to the ground side of the switch SW1 and the IGBT. The operation is the same as in FIG. Since the timer is directly connected to ground, it will be resistant to noise.

次に、以上の回路の拡張として接点を3つ使った回路例を以下に示す。これは、今までに述べたスイッチは遮断部が電源とアースも含めて部分的に接続されている。しかし、スイッチとしてより安全にするためには、スイッチが電源と完全に切り離されることが望ましいことがある。このため3つの接点を使った。この例では3つのスイッチが使われるが、それぞれが独立に制御されるスイッチを使い、シーケンスに沿って連動して動作することを前提に議論を進める。また、これらの例では、IGBTがどれもアース側に接続されているが、前述したとおり、高圧側にあってもよい。   Next, a circuit example using three contacts as an extension of the above circuit is shown below. This is because, in the switches described so far, the shut-off portion is partially connected including the power source and the ground. However, in order to be more secure as a switch, it may be desirable for the switch to be completely disconnected from the power source. For this reason, three contacts were used. In this example, three switches are used, but the discussion proceeds based on the assumption that each switch is controlled independently and operates in conjunction with the sequence. In these examples, the IGBTs are all connected to the ground side, but may be on the high voltage side as described above.

実際、NTTのスイッチについての仕様基準では、電気回路素子である、半導体スイッチ、抵抗、キャパシタ(コンデンサ)、インダクタなどがスイッチがOFF時に接続されていてはいけないということである。しかし、図22以下の回路のように、スイッチを3つ設けることにより、完全に電源から切り離すことができるため、NTTの基準を守ることができる回路となっている。   In fact, the specification standard for NTT switches is that electrical circuit elements such as semiconductor switches, resistors, capacitors (capacitors), inductors, and the like must not be connected when the switches are OFF. However, as shown in the circuit of FIG. 22 and subsequent figures, by providing three switches, it is possible to completely disconnect from the power source, so that the circuit can comply with NTT standards.

図22の例では、アース側の機械接点としてスイッチSW3を設けている。これによって、負荷(=機器)が完全に電源側と切り離されるので、安全性が向上する。このスイッチSW3もスイッチSW1、SW2と機械的には一体で連動する方式とする。このため、3つの接点が用いられる。機械スイッチSW1、SW2、SW3は同様に連動して動作する。このような例としては、交流三相回路で使われるスイッチがある。動作は下記のようである。尚、負荷はアースが取られているとしている。動作は以下のようである。   In the example of FIG. 22, a switch SW3 is provided as a mechanical contact on the ground side. As a result, the load (= device) is completely disconnected from the power supply side, so that safety is improved. The switch SW3 is also mechanically interlocked with the switches SW1 and SW2. For this reason, three contacts are used. Similarly, the mechanical switches SW1, SW2, and SW3 operate in conjunction with each other. An example of this is a switch used in an AC three-phase circuit. The operation is as follows. The load is assumed to be grounded. The operation is as follows.

1)ON時には、スイッチSW2とSW3が先にほぼ同時にONになる。すると、タイマ(Timer)に電力が供給されtrig端子にトリガ信号が入り、out端子からIGBTのゲートに入力されるパルス信号がT1のパルス幅で出力され、IGBTがONになる。この間にスイッチSW1がONになる。このため、スイッチSW1の接点間にはアークが発生しない。スイッチSW2、SW3の接点間にはアークが発生するが、これは、ONになるタイミングのため、最終的には接触するので、僅かな時間しかアークは発生しないので、問題は無い。   1) At the time of ON, the switches SW2 and SW3 are turned ON almost simultaneously first. Then, power is supplied to the timer (Timer), a trigger signal is input to the trigger terminal, a pulse signal input from the out terminal to the gate of the IGBT is output with a pulse width of T1, and the IGBT is turned on. During this time, the switch SW1 is turned on. For this reason, no arc occurs between the contacts of the switch SW1. An arc is generated between the contacts of the switches SW2 and SW3, but this is a timing at which the switch is turned on, so that the final contact is made, so that the arc is generated only for a short time, so there is no problem.

2)ON時が保持されるときには、スイッチSW1、SW3には電流が流れるが、IGBTがOFFのため、スイッチSW2には電流が流れない。   2) When the ON state is held, current flows through the switches SW1 and SW3, but no current flows through the switch SW2 because the IGBT is OFF.

3)OFF時には、スイッチSW1が先にOFFにする。すると、IGBTがOFFであるため、タイマ(Timer)のtrig端子にトリガ信号が入り、すぐにout端子からIGBTのゲートに入力されるパルス信号が期間T2出力され、IGBTがONになり、スイッチSW2の金属接点間にはアークが発生しなくOFFになる。   3) At the time of OFF, switch SW1 is turned OFF first. Then, since the IGBT is OFF, a trigger signal is input to the trigger terminal of the timer (Timer), and a pulse signal input from the out terminal to the gate of the IGBT is immediately output for a period T2, the IGBT is turned ON, and the switch SW2 An arc is not generated between the metal contacts, and is turned off.

パルス幅T2が経過すると、IGBTがOFFになるので、回路電流はゼロになる。すると、すぐにタイマ(Timer)のtrig端子にトリガ信号が入るが、期間T3の間はタイマ(Timer)は、トリガ信号が入っても、out端子から、IGBTのゲートに入力されるパルス信号は出力されないので、IGBTのOFF状態が保持される。その間の回路電流がゼロの間にスイッチSW2とSW3の両方か一方がOFFになる。電流がゼロであるため、接点間にはアークが発生しない。そして、スイッチSW1、SW2、SW3の全てがOFFになるため、スイッチ部は電源の高圧側及びアース側から切り離され、遮断が完成する。   When the pulse width T2 elapses, the IGBT is turned off, so that the circuit current becomes zero. Then, the trigger signal immediately enters the trigger terminal of the timer (Timer), but during the period T3, the timer (Timer) does not receive the pulse signal input from the out terminal to the IGBT gate even if the trigger signal is input. Since it is not output, the OFF state of the IGBT is maintained. While the circuit current during that time is zero, either one of the switches SW2 and SW3 is OFF. Since the current is zero, no arc is generated between the contacts. Since all of the switches SW1, SW2, and SW3 are turned off, the switch unit is disconnected from the high voltage side and the ground side of the power source, and the cutoff is completed.

図23は、図22の一部を変更したものである。これは、図22のスイッチSW2の位置を変えただけである。動作としては図22に準じる。この場合は、主回路に流れる電流にたいしてスイッチSW2、SW3の2つの接点が直列に入っている。このため、もし遮断失敗しても少なくともアーク電圧が2倍になるため、図22の回路より安全になる場合がある。   FIG. 23 is obtained by changing a part of FIG. This is only a change in the position of the switch SW2 in FIG. The operation is based on FIG. In this case, the two contacts of the switches SW2 and SW3 are in series with the current flowing through the main circuit. For this reason, if the interruption fails, the arc voltage is at least doubled, which may be safer than the circuit of FIG.

図24は、図23の変形例を示す図である。これはタイマの電力の取り方を、図23と変えていて、図20と図21の関係に対応する。したがって、動作は同じである。   FIG. 24 is a diagram showing a modification of FIG. This is different from FIG. 23 in taking the power of the timer, and corresponds to the relationship between FIG. 20 and FIG. Therefore, the operation is the same.

図25に、負荷にインダクタンス成分が多くあるときに対応させて還流ダイオードを備えた構成を示す。動作は、図24と同じである。還流ダイオードによって、遮断時にスイッチ部に発生するサージ電圧を吸収できる。尚、ダイオードに、直列に抵抗を入れることによって、回路のエネルギーを吸収する。   FIG. 25 shows a configuration provided with a free wheeling diode corresponding to a case where the load has a large inductance component. The operation is the same as in FIG. The surge voltage generated in the switch part at the time of interruption can be absorbed by the reflux diode. In addition, the energy of a circuit is absorbed by putting resistance in series with a diode.

<さらに別の実施形態>
DCスイッチにおいて「遮断失敗」(failure to open)は短絡のように大電流が流れるわけではなく、ほぼ同じ電流が流れている状況になる。他の機器は「遮断失敗」を検出することは困難である。DCスイッチにおいて遮断失敗時、アークプラズマが発生するため、電極が溶けスイッチが破壊する場合があり、出火(火災)等の原因ともなり得る。遮断失敗等がスイッチの寿命中に一度でもあれば実際には使用不可能となる。尚、交流では電極間距離が開くこと、及び、何度も電流ゼロが生じるために、遮断失敗が直接火災の原因となることはほぼあり得ないと考えられてきている。
<Another embodiment>
In a DC switch, “failure to open” does not mean that a large current flows like a short circuit, but a situation where almost the same current flows. It is difficult for other devices to detect “shutdown failure”. When the DC switch fails to shut off, arc plasma is generated, so the electrode may melt and the switch may be destroyed, which may cause a fire (fire) or the like. If there is a disconnection failure or the like once during the life of the switch, it cannot be actually used. In addition, it is considered that the failure of shut-off can hardly cause a direct fire because the distance between the electrodes is increased and the current zero is generated many times in alternating current.

DCスイッチにも、遮断失敗に対する対応策が必要になる。図26を参照して説明する。図26には、遮断失敗によって、3つのスイッチSW1、SW2、SW3の各接点間でアークプラズマが発生している状況が示されている。図26は、図24の構成と同一である。   The DC switch also needs a countermeasure against the failure of interruption. This will be described with reference to FIG. FIG. 26 shows a situation in which arc plasma is generated between the contacts of the three switches SW1, SW2, and SW3 due to the failure of interruption. FIG. 26 is the same as the configuration of FIG.

アークプラズマの検出として、
・接点間電圧の検出、
・電極温度の計測、
・アークプラズマからの光及び電流の計測や磁場計測
等が挙げられる。
As arc plasma detection,
・ Detection of voltage between contacts,
・ Measurement of electrode temperature,
・ Measurement of light and current from arc plasma and magnetic field measurement.

本実施形態では、電流計測に電流センサCT(Current Transformer)を利用している。CTからの信号は、タイマ/制御系のCinに入る。そして、スイッチSW1、SW2がOFF状態であるにもかかわらず、CTからの信号がゼロでないときには、タイマ/制御系は、遮断失敗と判断する。このとき、スイッチSW1〜SW3のうち、一つの接点でもアークプラズマが切れると電流遮断は成功する。したがって、遮断失敗には、下記の対応を行う。   In the present embodiment, a current sensor CT (Current Transformer) is used for current measurement. The signal from the CT enters the Cin of the timer / control system. When the signal from the CT is not zero even though the switches SW1 and SW2 are in the OFF state, the timer / control system determines that the interruption has failed. At this time, if the arc plasma is cut off even at one of the switches SW1 to SW3, the current interruption is successful. Therefore, the following countermeasures are taken for the failure of interruption.

(1)IGBTを、タイマ/制御系のoutからゲートに供給される信号(ゲート電圧)によって、再度、点弧する。これによって、スイッチSW1に流れていた電流はIGBTに転流する。なお、遮断失敗であるため、タイマ/制御系には、駆動用の電力が供給されており、正常に動作することができる。 (1) The IGBT is fired again by a signal (gate voltage) supplied from the timer / control system out to the gate. As a result, the current flowing through the switch SW1 is commutated to the IGBT. Since the interruption has failed, the timer / control system is supplied with driving power and can operate normally.

(2)この結果、スイッチSW1のアークプラズマが消弧する。この時、IGBTを通って電流が流れているため、スイッチSW2、SW3の各接点間に発生しているアークプラズマは発生している状況が続いている。 (2) As a result, the arc plasma of the switch SW1 is extinguished. At this time, since current flows through the IGBT, the arc plasma generated between the contacts of the switches SW2 and SW3 continues to be generated.

(3)IGBTに、例えば数ミリ秒程度電流を流すと、スイッチSW1の接点間耐電圧が回復する。その後、タイマ/制御系のoutからIGBTのゲートに供給される信号(ゲート電圧)によってIGBTをOFFとする。すると、回路がオープンとなり、遮断が行われる。この結果、スイッチSW2、SW3の接点間に発生していたアークプラズマも消弧する。 (3) When a current flows through the IGBT for several milliseconds, for example, the withstand voltage between the contacts of the switch SW1 is recovered. Thereafter, the IGBT is turned OFF by a signal (gate voltage) supplied from the timer / control system out to the gate of the IGBT. As a result, the circuit is opened and shut off. As a result, the arc plasma generated between the contacts of the switches SW2 and SW3 is also extinguished.

(4)上記(1)から(3)の動作を行っても、遮断が行われないときには、(1)から(3)の動作を更に繰り返す。これによって、遮断が成功するまで繰り返す。この状況は交流スイッチ接点が開いている状況で何度も、電流ゼロを経験することと等価となる。上記実施例のDCスイッチに対応可能となる。 (4) If the operation is not performed even if the operations (1) to (3) are performed, the operations (1) to (3) are further repeated. This repeats until the block is successful. This situation is equivalent to experiencing zero current many times with the AC switch contact open. It becomes possible to deal with the DC switch of the above embodiment.

(5)上記(1)から(3)を一定数の繰り返しを行っても遮断ができないときには、より上流のDCスイッチに信号を送り、上流側で電流遮断を行うようにする。 (5) When interruption is not possible even if the above steps (1) to (3) are repeated a certain number of times, a signal is sent to the upstream DC switch to cut off the current on the upstream side.

さらに、信号をインターネットなどの通信を通じて、遮断失敗があったことを上流のDCスイッチや、遮断失敗を行ったスイッチから電話やメールなどで知らせる機能も追加することは安全に重要である。   In addition, it is important to add a function of notifying the signal that there has been a disconnection failure through a communication such as the Internet, by a telephone or e-mail from an upstream DC switch or a switch that has failed.

なお、本実施形態は、図24以外にも、図18、図20、図21、図22、図23、図25等のいずれの構成についても適用可能であることは勿論である。   Of course, this embodiment can be applied to any configuration other than FIG. 24, such as FIGS. 18, 20, 21, 22, 23, and 25.

市販のDCスイッチは、一般に、通常の交流スイッチとほぼ同じ形式であり、電極が高融点金属材料からなり、特殊なガス中に封入する等の対策が講じられているが、遮断失敗時にはいかなる対応もとることができない。このため、DCスイッチは、遮断失敗対策を実現しない限り、家庭やオフィス及び工場等では広く使うことができないものと思料される。   Commercially available DC switches are generally of the same type as ordinary AC switches, and the electrodes are made of a refractory metal material, and measures are taken such as enclosing them in a special gas. I can't take it. For this reason, it is considered that the DC switch cannot be widely used in homes, offices, factories, etc., unless measures against interruption failures are realized.

本実施形態によれば、直流が広く利用されるための技術的な貢献をなすものと期待される。   According to this embodiment, it is expected to make a technical contribution to widely use DC.

<さらにまた別の実施形態>
図27は、本発明のさらにまた別の実施形態の構成を示す図である。機械スイッチとしてスイッチSW1、SW2、SW3、SWを備え、IGBT等の自己消弧素子はそれぞれ2のスイッチを使っている。スイッチSW1、スイッチSW2は+高圧側、スイッチSW3、SW4は、負極側の−高圧側に挿入され、+高圧側、−高圧側のIGBTのゲートには、当該IGBT1、2のエミッタ・コレクタ間電圧を抵抗R1、R2で分圧した電圧をトリガー端子(trig)に入力するタイマ(Timer)1、2を備えている。ON時には、機械的に、スイッチSW1、SW2、SW3、SW4がほぼ同時にON(導通)になることによって、+高圧側とアース間の負荷、−高圧側とアース間の負荷に、それぞれ電流が流れ始める。
<Still another embodiment>
FIG. 27 is a diagram showing the configuration of still another embodiment of the present invention. Switches SW1, SW2, SW3, and SW are provided as mechanical switches, and two switches are used as self-extinguishing elements such as IGBTs. The switches SW1 and SW2 are inserted on the + high-voltage side, and the switches SW3 and SW4 are inserted on the negative-side high-voltage side. Are provided with timers (Timers) 1 and 2 for inputting a voltage divided by resistors R1 and R2 to a trigger terminal (trig). When ON, the switches SW1, SW2, SW3, and SW4 are turned on (conducted) almost simultaneously, so that current flows through the load between the + high voltage side and the ground and the load between the high voltage side and the ground. start.

+高圧側、−高圧側のスイッチSW2、SW4がONになると、タイマ(Timer)1、2に電力が供給され、稼動を開始する。同時に、スイッチSW1、SW3がOFFであるため、タイマ(Timer)1、2のtrig端子にトリガ信号が入り、out端子からIGBT1、2のゲートにパルス信号が出力され、IGBT1、2がON状態になる。   When the switches SW2 and SW4 on the + high voltage side and the −high voltage side are turned on, power is supplied to the timers (Timers) 1 and 2, and the operation is started. At the same time, since the switches SW1 and SW3 are OFF, a trigger signal is input to the trigger terminals of the timers (Timers) 1 and 2, a pulse signal is output from the out terminal to the gates of the IGBTs 1 and 2, and the IGBTs 1 and 2 are turned on. Become.

IGBT1、2がON状態の間に、スイッチSW1、SW3がONになる。このため、スイッチSW1、SW3では全くアークが接点間で発生しない。パルス幅T1が経過するとIGBT1、2はOFFになる。しかし、SW1、SW3がONであるため、タイマ1、2のtrig端子にはトリガ信号が入らないため、out端子からIGBT1、2のゲートへのパルス信号は出力されず、IGBTはOFF状態が保持される。但し、タイマ(Timer)1、2には電力が供給され続けるので、タイマ(Timer)1、2はスタンバイ状態である。   While the IGBTs 1 and 2 are in the ON state, the switches SW1 and SW3 are turned on. For this reason, no arc is generated between the contacts in the switches SW1 and SW3. When the pulse width T1 elapses, the IGBTs 1 and 2 are turned off. However, since SW1 and SW3 are ON, the trigger signal does not enter the trigger terminals of timers 1 and 2, so the pulse signal from the out terminal to the gates of IGBTs 1 and 2 is not output, and the IGBT remains in the OFF state. Is done. However, since power is continuously supplied to the timers 1 and 2, the timers 1 and 2 are in a standby state.

OFF時には、最初に、+高圧側、−高圧側のスイッチSW1、SW3がOFFになる。タイマ(Timer)1、2には電力が供給され、スタンバイ状態が続いている。すると、タイマ(Timer)1、2のtrig端子にトリガ信号が入り、out端子からパルス信号が出力され、IGBT1、2がON状態になる。このため、SW1、SW3の接点間にはアークが発生しない。その後、期間T2が経過すると、IGBT1、2がOFF状態になる。   At the time of OFF, first, the switches SW1 and SW3 on the + high voltage side and the −high voltage side are turned OFF. Electric power is supplied to the timers (Timers) 1 and 2, and the standby state continues. Then, a trigger signal enters the trigger terminals of the timers (Timers) 1 and 2, a pulse signal is output from the out terminal, and the IGBTs 1 and 2 are turned on. For this reason, no arc is generated between the contacts of SW1 and SW3. Thereafter, when the period T2 elapses, the IGBTs 1 and 2 are turned off.

スイッチSW1、SW2、SW3、SW4がON時には、IGBTに電流が流れない。このため、前記各実施形態と同様、半導体素子に流れる電流によって損失が大きくなることはない。   When the switches SW1, SW2, SW3, and SW4 are ON, no current flows through the IGBT. For this reason, as in the above embodiments, the loss does not increase due to the current flowing through the semiconductor element.

スイッチがOFF時には、IGBT1、2にゲート信号が印加され、IGBT1、2がONになる。すぐにスイッチSW1、SW3がOFFになる。IGBT側に電流が転流するので、接点間にアークは発生しない。この時間差を短くしているため、僅かな時間金属接点スイッチの電極間にアークを発生しても問題が無い場合がある。その後、IGBT1、2がOFFになり、直流電流が遮断される。最後に、スイッチSW2、SW4がOFFになり、負荷は電源側と切り離される。本実施形態では、アース線には、金属接点スイッチが入っていないが、必要なときには、スイッチSW2、SW4と連動して、同時に、OFFになるスイッチを配設してもよい。   When the switch is OFF, a gate signal is applied to the IGBTs 1 and 2 and the IGBTs 1 and 2 are turned ON. The switches SW1 and SW3 are turned off immediately. Since current flows to the IGBT side, no arc is generated between the contacts. Since this time difference is shortened, there may be no problem even if an arc is generated between the electrodes of the metal contact switch for a short time. Thereafter, the IGBTs 1 and 2 are turned off, and the direct current is cut off. Finally, the switches SW2 and SW4 are turned off, and the load is disconnected from the power supply side. In the present embodiment, the metal wire switch is not included in the ground wire. However, when necessary, a switch that is simultaneously turned off may be provided in conjunction with the switches SW2 and SW4.

負荷のインダクタンスが大きな場合には、IGBTが電流遮断をするときに大きなサージ電圧が発生する。この場合、図27の変形例1として、図28に示すように、ダイオードDとエネルギー吸収を行う抵抗Rの直列回路を、+高圧側とアース間、−高圧側とアース間にそれぞれ接続する。これによって、IGBTが処理しなくてはならない電気エネルギーを減少させ、安全性が向上する。   When the inductance of the load is large, a large surge voltage is generated when the IGBT cuts off the current. In this case, as a first modification of FIG. 27, as shown in FIG. 28, a series circuit of a diode D and a resistor R that absorbs energy is connected between the + high voltage side and the ground, and between the −high voltage side and the ground. This reduces the electrical energy that must be processed by the IGBT and improves safety.

図29は、本実施形態の変形例2を示す図である。図29には、IGBTの故障のため電流遮断ができなくなったときにヒューズを利用して遮断を行う構成が示されている。図29を参照すると、図28の構成に、さらに、+高圧側では、IGBT1のコレクタ端子と、スイッチSW2、SW1の接続点の間に直流電流遮断用のヒューズ1を備え、−高圧側では、IGBT2のコレクタ端子と、スイッチSW4、SW3の接続点の間に直流電流遮断用のヒューズ2を備えている。IGBTのON時間は短いので、この時間ではヒューズは動作せず、溶断によって電流遮断が行われない。一般に、半導体スイッチ素子等は、故障時、ON状態になる場合があり、IGBTが故障によって電流遮断ができなくなると、長時間にわたってヒューズには電流が流れ続ける。この時間は、ヒューズを選択することによって調整することができる。このため、所定期間IGBTに電流が流れ続けると、故障と判断し、ヒューズが動作する(溶断)。なお、ヒューズを利用したリカバリー回路は、前記各実施形態のいずれについても適用可能である。   FIG. 29 is a diagram illustrating a second modification of the present embodiment. FIG. 29 shows a configuration in which a fuse is used to cut off current when it becomes impossible to cut off current due to an IGBT failure. Referring to FIG. 29, the configuration of FIG. 28 further includes a fuse 1 for cutting off direct current between the collector terminal of the IGBT 1 and the connection point of the switches SW2 and SW1 on the + high voltage side. A DC current blocking fuse 2 is provided between the collector terminal of the IGBT 2 and the connection point of the switches SW4 and SW3. Since the ON time of the IGBT is short, the fuse does not operate during this time, and the current is not interrupted by fusing. In general, a semiconductor switch element or the like may be in an ON state at the time of a failure, and if the current cannot be cut off due to the failure, the current continues to flow through the fuse for a long time. This time can be adjusted by selecting a fuse. For this reason, if a current continues to flow through the IGBT for a predetermined period, it is determined that there is a failure and the fuse operates (melting). A recovery circuit using a fuse can be applied to any of the above embodiments.

なお、上記の特許文献、非特許文献の各開示を、本書に引用をもって繰り込むものとする。本発明の全開示(請求の範囲を含む)の枠内において、さらにその基本的技術思想に基づいて、実施形態ないし実施例の変更・調整が可能である。また、本発明の請求の範囲の枠内において種々の開示要素の多様な組み合わせないし選択が可能である。すなわち、本発明は、請求の範囲を含む全開示、技術的思想にしたがって当業者であればなし得るであろう各種変形、修正を含むことは勿論である。   It should be noted that the disclosures of the above-mentioned patent documents and non-patent documents are incorporated herein by reference. Within the scope of the entire disclosure (including claims) of the present invention, the embodiments and examples can be changed and adjusted based on the basic technical concept. Various combinations and selections of various disclosed elements are possible within the scope of the claims of the present invention. That is, the present invention of course includes various variations and modifications that could be made by those skilled in the art according to the entire disclosure including the claims and the technical idea.

10 アーム
11 バネ
12 高融点金属接点
13 銅接点
14 回転部
15 ケーブル
10 Arm 11 Spring 12 High melting point metal contact 13 Copper contact 14 Rotating part 15 Cable

Claims (3)

一端が接地された第1の負荷と正極電源間に直列接続された、金属接点を持つ第1、第2の機械スイッチと、
前記第1の機械スイッチに並列に接続され、電気信号により導通、非導通が制御される第1の半導体スイッチと、
前記第2の機械スイッチと前記第1の機械スイッチの接続点と前記第1の負荷側間の分圧抵抗による分圧電圧をトリガ信号として受け、所定パルス幅のパルスを出力する第1のタイマと、
一端が接地された第2の負荷と負極電源間に直列接続された、金属接点を持つ第3、第4の機械スイッチと、
前記第3の機械スイッチに並列に接続され、電気信号により導通、非導通が制御される第2の半導体スイッチと、
前記第の機械スイッチと前記第3の機械スイッチの接続点と前記第1の負荷側間の分圧抵抗による分圧電圧をトリガ信号として受け、所定パルス幅のパルスを出力する第2のタイマと、
を備え、前記第1、第2のタイマの出力パルスは前記第1、第2の半導体スイッチの制御端子に供給され、前記第1、第2の半導体スイッチのオン・オフを制御する、スイッチ。
First and second mechanical switches having metal contacts connected in series between a first load having one end grounded and a positive power supply;
A first semiconductor switch connected in parallel to the first mechanical switch and controlled to be conductive or non-conductive by an electrical signal;
A first timer that receives a voltage divided by a voltage dividing resistor between a connection point of the second mechanical switch and the first mechanical switch and the first load side as a trigger signal and outputs a pulse having a predetermined pulse width. When,
Third and fourth mechanical switches having metal contacts connected in series between a second load having one end grounded and a negative power supply;
A second semiconductor switch connected in parallel to the third mechanical switch and controlled to be conductive or non-conductive by an electrical signal;
A second timer for receiving a voltage divided by a voltage dividing resistor between a connection point of the fourth mechanical switch and the third mechanical switch and the first load side as a trigger signal and outputting a pulse having a predetermined pulse width; When,
The output pulses of the first and second timers are supplied to the control terminals of the first and second semiconductor switches to control on / off of the first and second semiconductor switches.
前記第1の機械スイッチと前記第1の負荷の接続点と接地間に、ダイオードと抵抗を直列に接続した第1の回路と、
前記第3の機械スイッチと前記第2の負荷の接続点と接地間に、ダイオードと抵抗を直列に接続した第2の回路と、
を備えている、請求項記載のスイッチ。
A first circuit in which a diode and a resistor are connected in series between a connection point of the first mechanical switch and the first load and the ground;
A second circuit in which a diode and a resistor are connected in series between a connection point between the third mechanical switch and the second load and the ground;
And a switch of claim 1, wherein.
前記第1の半導体スイッチと、前記第1、第2のスイッチの接続点間に接続された第1のヒューズと、
前記第2の半導体スイッチと、前記第3、第4のスイッチの接続点間に接続された第2のヒューズと、
を備えている、請求項又は記載のスイッチ。
A first fuse connected between connection points of the first semiconductor switch and the first and second switches;
A second fuse connected between connection points of the second semiconductor switch and the third and fourth switches;
And a claim 1 or 2 switch according.
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