JP5881511B2

JP5881511B2 - 直流配電用の電源コンセント

Info

Publication number: JP5881511B2
Application number: JP2012083938A
Authority: JP
Inventors: 恩地　俊行; 俊行恩地; 芳准山内
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd; Fuji Electric FA Components and Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd; Fuji Electric FA Components and Systems Co Ltd
Priority date: 2012-01-17
Filing date: 2012-04-02
Publication date: 2016-03-09
Anticipated expiration: 2032-04-02
Also published as: JP2013168347A

Description

本発明は直流配電系統で用いる直流配電用の電源コンセントに関する。

最近になり、データセンターなどではその省電力化を推進するために、データセンター内の配電をサーバーなどの機器に適した直流で行うようにする直流給電システムの採用が進められている。そのほか、今後予測される自家用の太陽光発電，燃料電池などの分散電源の普及に伴い、次世代の給電方式として一般家庭を対象とした直流給電システムも注目されている。

ところで、この直流給電システムの運用には、直流給電に対応した電源コンセントが必要であるが、この場合に直流は交流とは異なり、ゼロクロスポイントが無いために、高電圧の直流配電系統（例えば、４００Ｖ程度）では、機器（負荷）の通電中にプラグをコンセントから引き抜くと、プラグの差込端子（栓刃）とコンセント側の受端子（栓刃の受金）との間に継続したアークが発生する安全上の問題がある。

そこで、コンセントの内部にプラグの差込み，引抜き操作に連係して主回路電流を遮断するスイッチ回路などを内蔵してプラグ引き抜きに伴うアーク発生の防止，抑制対策を施した各種方式の直流用電源コンセントが提案されており、その一例として、プラグの引抜き時には、コンセントの内蔵スイッチを開いて通流電流を半導体スイッチング素子に転流させた上で、この半導体スイッチング素子に流れる電流を限流遮断してアークの発生を防ぐようにした直流電流の遮断支援回路が特許文献１で知られており、その動作，機能を図１０で簡単に説明する。

図１０の回路において、コネクタＣＮ（プラグ）を引抜く際には、先ずコンセント側の開閉器ＳＷを開放し、その後にプラグを引き抜いてコネクタＣＮの接点Ｓ1とＳ2，およびＳ3とＳ4を切り離すことで、アークを発生させること無くプラグの引き抜き操作を完了できる。すなわち、開閉器ＳＷを開くことにより、該開閉器ＳＷに流れていた主回路電流が半導体Ｑ1に転流し、その後、半導体Ｑ1に流れる電流を０に限流して直流電源から負荷に流れる電流を０にする。これにより、主回路電流が０になった時点でプラグを引き抜くので、引き抜き時にアークが発生するのを防止できる。

特開２００９−２１８０５４号公報

ところで、先記特許文献１に示された直流電流の遮断支援回路は、あらかじめ開閉器ＳＷを開くことで、主回路電流を転流回路に転移，限流してアークの発生を抑制する。このために、開閉器ＳＷを開く前にプラグが引き抜かれることが無いよう、プラグとの間にインターロック機構が必要となる。さらに、その転流回路には二つの半導体スイッチング素子Ｑ１とＱ２を使用することからコスト高となるほか、コンセント部の大型化も避けられない。

本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、その目的は簡易な回路構成で、コンセントに差込み接続したプラグをコンセントから引き抜く際に、プラグの接触子とコンセントの接触子との間に発生した直流アークを素早く消滅させて電流を遮断する機能を備えた安全性の高い直流配電用の電源コンセントを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明によれば、直流配電系統に適用して負荷に接続したプラグを接続する電源コンセントにおいて、そのコンセント内部には、主回路の＋極と−極との間に並列接続した半導体スイッチング素子と、プラグの引抜きに伴い該プラグの差込端子とコンセントの受金端子の間に発生した直流アークのアーク電圧検出手段と、該アーク電圧検出手段で得たアーク電圧を入力信号として前記半導体スイッチング素子をＯＮ／ＯＦＦ制御するゲート駆動回路とからなるアーク消滅用の転流回路を備え、前記アーク電圧の入力信号を基にプラグの引抜き時に主回路電流を前記半導体スイッチング素子に転流してアークを消滅させた後、該半導体スイッチング素子をＯＦＦ制御して主回路電流を遮断するようにする（請求項１）。

ここで、前記のアーク電圧検出手段，アーク消滅用の転流回路，および半導体スイッチング素子のゲート駆動回路は具体的に次記のような態様で構成する。
（１）プラグの引抜き時に発生した直流アークのアーク電圧検出手段として、コンセントにはプラグの端子差込み穴内に臨ませて受金端子の前方に位置してプラグの差込端子に接触するアーク電圧検出用端子を配置する（請求項２）。
（２）前記半導体スイッチング素子のゲート駆動回路を、半導体スイッチング素子のゲートとエミッタ間に接続したゲート電圧保持用のコンデンサと、プラグの引抜き時に発生した直流アークのアーク電圧で前記コンデンサを充電する抵抗分圧回路から構成する（請求項３）。
（３）前記ゲート駆動回路のゲート電圧保持用のコンデンサに過電圧抑制素子を並列接続する（請求項４）。
さらに、直流配電系統に適用して負荷に接続したプラグを接続する電源コンセントにおいて、そのコンセント内部には、プラグの差込端子をコンセントの受金端子に接続した際に、主回路の＋極と−極のうちいずれかの極側でプラグの差込端子と接触し、プラグの引抜きに伴い該プラグの差込端子とコンセントの受金端子の間に発生した直流アークのアーク電圧を検出するアーク電圧検出手段と、該アーク電圧検出手段と主回路の＋極と−極のうち前記アーク電圧検出手段が接触するプラグの差込端子側の極との間に接続した半導体スイッチング素子と、該アーク電圧検出手段で得たアーク電圧を入力信号として前記半導体スイッチング素子をＯＮ／ＯＦＦ制御するゲート駆動回路とからなるアーク消滅用の転流回路を備え、前記ゲート駆動回路は、半導体スイッチング素子のゲートとエミッタ間に接続したゲート電圧保持用のコンデンサと、プラグの引抜き時に発生した直流アークのアーク電圧で前記コンデンサを充電する抵抗分圧回路からなり、前記アーク電圧の入力信号を基にプラグの引抜き時に主回路電流を前記半導体スイッチング素子に転流してアークを消滅させた後、該半導体スイッチング素子をＯＦＦ制御して主回路電流を遮断するようにする（請求項５）。

上記構成により、通電中にプラグを引き抜いた際にプラグの差込端子とコンセントの受金端子との間に発生したアークを速やかに消滅して主回路電流を遮断することができる。
すなわち、プラグの引き抜き操作に伴ってその差込端子とコンセントの受金端子との間に直流アークが発生すると、そのアーク電圧がコンセント側の受金端子の前方に配置したアーク電圧検出用端子を介して抵抗分圧回路で検出され、その分電圧をゲート入力信号として半導体スイッチング素子がＯＮ状態に切り替わるとともに、そのゲートに接続したゲート電圧保持用コンデンサも充電されて半導体スイッチング素子をＯＮ状態に保持する。

これにより、直流電源からコンセント，プラグを経て負荷側に流れていた電流が前記半導体スイッチング素子に転流し、これによりコンセントとプラグとの間に発生していた直流アークが消滅する。また、このアーク消滅に伴い、半導体スイッチング素子のゲート電圧を保持していた前記コンデンサの充電電荷が分圧回路の抵抗を通じて放電されると、半導体スイッチング素子はＯＦＦに切り替わって該半導体スイッチング素子に流れていた電流が遮断され、これで主回路電流は完全に遮断する。したがって、通電中にプラグを安全に引抜き操作することができる。

しかも、プラグの引抜きに伴ってプラグとコンセントの端子間に発生する直流アークのアーク電圧を検出して転流回路の半導体スイッチング素子をＯＮ／ＯＦＦ制御するようにしたので、コンセントの内部には特許文献１に開示されているような開閉器、およびこの開閉器とプラグとを連係するインターロック機構を設ける必要がなく、さらにアーク消滅用の転流回路における半導体スイッチング素子は１個で済み、これにより小形で安全性の高い直流配電用の電源コンセントを安価に提供できる。

本発明の実施例１による電源コンセントの回路構成図である。図１の構成でコンセントにプラグを接続した状態での電流経路を表す図である。図２の接続状態からプラグを引抜き開始してコンセントとプラグとの間にアークが発生した初期状態の電流経路を表す図である。図３の状態から主回路電流がコンセントの転流回路に転流した状態の電流経路を表す図である。図４の状態から半導体スイッチング素子がＯＦＦして主回路電流が遮断した状態を表す図である。本発明の実施例２による電源コンセントの回路構成図である。図６の構成でコンセントにプラグを接続した状態での電流経路を表す図である。図７の接続状態からプラグを引抜き開始してコンセントとプラグとの間にアークが発生した初期状態の電流経路を表す図である。図８の状態から主回路電流がコンセントの転流回路に転流した状態の電流経路を表す図である。特許文献１に開示されている遮断支援回路の回路図である。

以下、本発明の実施の形態を図１〜図５に示す実施例１、および図６〜図９に示す実施例２に基づいて説明する。

まず、本発明の実施例１による電源コンセントの内部回路を図１に示す。図１において、１は直流電源に接続したコンセント（例えば壁埋め込み形）、２はケーブルを介して直流機器（負荷）に接続したプラグであり、コンセント１にはプラグ２の差込端子２ａ，２ｂに対応する＋極，−極の受金端子３ａ，３ｂ，およびアーク電圧検出用端子４を配したプラグ接続部３、およびアーク消滅用の転流回路５が内蔵されている。

ここで、アーク電圧検出用端子４は、プラグ接続部３におけるプラグ２の端子差込み穴の通路に臨ませて−極側受金端子３ｂの前方位置に配置されており、該受金端子３ｂはプラグ２をプラグ接続部３に差し込んだ状態でプラグ２の差込端子２ｂに接触する。一方、前記転流回路５は、電流制限抵抗６を介して主回路の＋極と−極の間に並列接続した半導体スイッチング素子７と次記のゲート駆動回路とからなり、このゲート駆動回路は前記アーク電圧検出用端子４と主回路の−極との間に接続した分圧抵抗８ａ，８ｂからなる抵抗分圧回路８、前記分圧抵抗８ｂに並列接続して半導体スイッチング素子７のゲートとエミッタとの間に介装したゲート電圧保持用のコンデンサ９、および過電圧抑制素子（例えば、バリスタ）１０から構成されている。なお、図示実施例では半導体スイッチング素子７にＩＧＢＴを用いているが、ＭＯＳＦＥＴを使用しても良い。また、前記のコンデンサ９についても、ＩＧＢＴのゲート／エミッタ間の浮遊容量を利用することで省略することができる。

次に、前記電源コンセントの動作，機能を図２〜５に基づいて説明する。なお、図中で太実線矢印は主回路電流の経路，細点線矢印は制御電流の経路を表している。
まず、図２はプラグ２をコンセント１に差し込んだ接続状態を示し、直流電源から給電される主回路電流はコンセント１とプラグ２の端子を介して負荷（不図示）に流れる。このプラグ接続状態ではコンセント１の受金端子３ａ，３ｂとプラグ２の差込端子２ａ，２ｂとは同じ電位で両者間の電位差は０Ｖであり、半導体スイッチング素子（以下「ＩＧＢＴ」と呼称する）７はＯＦＦ状態である。

図２の通電状態からプラグ２の引抜き操作を開始し、ここでコンセント１の受金端子３ａ，３ｂとプラグ２の差込端子２ａ，２ｂとの間が開離し始めると、図３のように各端子間に直流アークａｒｃが発生し、プラグ２の差込端子２ｂとコンセント１の受金端子３ｂとの間にはアーク電圧が発生する。このアーク電圧は端子の材質と端子間のギャップにより決まるが、特に端子の解離初期ではギャップによる電圧上昇は僅かであるため、アーク電圧は電極の材料にほぼ依存した特性となる。この場合、アーク電圧は遮断電流値には依存せず、ほぼ２０Ｖ程度の電圧が発生する。したがって、差込端子２ｂと受金３ｂの間のアーク電圧も２０Ｖ程度となる。この場合に、前記したアーク電圧検出用端子４はプラグ２の差込端子２ｂに接触していて同じ電位となることから、抵抗分圧回路８の分圧抵抗８ａと８ｂの抵抗比を１：３程度に設定しておけば、前記のアーク電圧検出用端子４から抵抗分圧回路８を介してＩＧＢＴ７のゲートに印加されるゲート電圧は１５Ｖ程度となる。また、同時にゲート電圧保持用のコンデンサ９も１５Ｖ程度の電圧で充電される。

これにより、主回路の＋極と−極の間に接続したＩＧＢＴ７はＯＦＦからＯＮ状態に切り替わる。これにより、図４のように直流電源から給電される主回路電流は、電流制限抵抗６，ＩＧＢＴ７を経由する転流回路５に転流してバイパスするとともに、この主回路電流の転流に伴い、いままでプラグ２の差込端子２ａ，２ｂとコンセント１の差込端子３ａ，３ｂの間に発生していた直流アーク（図３参照）は直ちに消滅することになる。

また、直流アークの消滅に伴いアーク電圧検出用端子４を介して検出していたアーク電圧（ゲート駆動回路の入力信号）も消失するので、コンデンサ９に充電されていた電荷は図４の点線経路で表すように抵抗分圧回路８の分圧抵抗８ｂを通じて放電され、その充電電圧が減少してＩＧＢＴ７のゲート電圧も低下する。その結果、ＩＧＢＴ７はＯＮからＯＦＦ状態に切り替わり、図５のように主回路電流が完全に遮断される。

上記の説明で明らかなように、本発明の電源コンセントを用いることにより、プラグの引抜きに伴いコンセントとプラグの端子間に生じた直流アークを速やかに消滅して通電中でもプラグを安全に引き抜くことができる。しかも、その回路構成は簡易で先記特許文献１のようにコンセント内部に開閉器やこの開閉器とプラグとの間を連係するインターロック機構を設ける必要もなく、これにより小形で安全性の高い直流配電用の電源コンセントを提供できる。

なお、コンデンサ９の放電タイミングはコンデンサ９と分圧抵抗８ｂで構成される放電回路の時定数で決定されるので、この時定数の選定により、プラグの差込端子とコンセントの受金端子間に発生した直流アークが消滅してＩＧＢＴ７がＯＦＦ状態に切り替わってから主回路電流が完全に遮断されるまでの時間間隔を調整することが可能である。そして、この回路時定数を例えばｍｓオーダーの時定数を選定することで、主回路電流の遮断直後に生じるサージ電圧も効果的に抑制できる。

また、図示実施例のゲート駆動回路では、ＩＧＢＴ７のゲートに過電圧が印加される事を防ぐために、抵抗分圧回路８の分圧抵抗８ｂに過電圧抑制素子１０（例えば、バリスタ）を並列接続している。この場合に、抵抗分圧回路８の分圧抵抗８ａはコンデンサ９の充電抵抗としての機能を有しているので、過電圧抑制素子１０を取り付ける場合には、分圧抵抗８ａの抵抗値は充電抵抗としての機能を考慮して設定するようにしている。

そのほか、図示実施例の回路構成では、アーク電圧検出用端子４を−極の受金端子３ｂ側に配置してプラグ２の差込端子２ｂとの間に発生した直流アークのアーク電圧を検出するようにしているが、前記の過電圧抑制素子１０を取り付けてＩＧＢＴ７のゲート電圧を規制することにより、このアーク電圧検出用端子４を＋極の受金端子３ａ側に配置してプラグ２の差込端子２ａとの間に発生した直流アークのアーク電圧を利用してＩＧＢＴ７をＯＮ／ＯＦＦ制御させることも可能である。

次に本発明の請求項５に対応する実施例２について、その回路構成，および動作を図６〜図９を用いて説明する。この実施例２においては、転流回路５における半導体スイッチング素子７（ＩＧＢＴ）が、コンセント１における−極側の受金端子３ｂの前方に配置したアーク電圧検出用端子４と主回路の−極との間に接続されており、該半導体スイッチング素子７（以下「ＩＧＢＴ」と呼称する）のゲート駆動回路は先記実施例１の構成と同様である。

上記の構成で、コンセント１にプラグ２を差し込んで負荷（不図示）に給電している通電状態では、図７で示すように主回路電流がコンセント１とプラグ２の各端子を介して流れる。また、このプラグ接続状態ではコンセント１の受金端子３ａ，３ｂとプラグ２の差込端子２ａ，２ｂとは同じ電位で両者間の電位差は０Ｖであり、ＩＧＢＴ７はＯＦＦ状態である。

上記の通電状態からプラグ２の引抜き操作を開始し、ここでコンセント１の受金端子３ａ，３ｂとプラグ２の差込端子２ａ，２ｂとの間が開離し始めると、図８で示すように各端子間に直流アークａｒｃが発生し、このアーク電圧を受けてアーク電圧検出用端子４から抵抗分圧回路８，コンデンサ９を経由して図示のように制御電流が流れてコンデンサ９が充電される。

これにより、先記実施例１の動作と同様に、ＩＧＢＴ７はＯＦＦからＯＮ状態に切り替わり、プラグ２の差込端子２ｂ（−極）からコンセント１のプラグ受金３ｂを経て主回路の−極側に流れていた主回路電流は、図９のようにアーク電圧検出用端子４を経由してＩＧＢＴ７に転流するとともに、いままでプラグ２の差込端子２ｂとコンセント１の受金端子３ｂの間に発生していた直流アーク（図８参照）は消滅する。また、この直流アークの消滅に伴いアーク電圧検出用端子４を介して検出していたアーク電圧（ゲート駆動回路の入力信号）も消失する。したがって、いままでコンデンサ９に充電されていた電荷は図９のように抵抗分圧回路８の分圧抵抗８ｂを通じて放電されるので、その充電電圧が減少してＩＧＢＴ７のゲート電圧も低下し、ＩＧＢＴ７はＯＮからＯＦＦ状態に切り替わる。その結果、プラグ２の差込端子２ａ（＋極）とコンセント１の受金端子３ａの間に生じていたアークも消滅し、実施例１の図５で述べたと同様に主回路電流が完全に遮断される。

また、この実施例２では、ＩＧＢＴ７が−極側に配置したアーク電圧検出用端子４と主回路の−極との間に接続されている。したがって、ＩＧＢＴ７はコンセント１の受金端子３ａ，３ｂとプラグ２の差込端子２ａ，２ｂとの間にアークが発生している状態でのみＯＮとなるので、実施例１の回路構成（図１参照）と比べて、ＩＧＢＴ７には電流制限抵抗６を接続する必要がなく、かつＩＧＢＴ７の耐電圧も低めることができる。

１コンセント
２プラグ
２ａ，２ｂ差込端子
３プラグ接続部
３ａ，３ｂ受金端子
４アーク電圧検出用端子
５アーク消滅用の転流回路
７半導体スイッチング素子（ＩＧＢＴ）
８ゲート駆動回路の抵抗分圧回路
９ゲート電圧保持用のコンデンサ
１０過電圧抑制素子（バリスタ）

Claims

直流配電系統に適用して負荷に接続したプラグを接続する電源コンセントにおいて、そのコンセント内部には、主回路の＋極と−極との間に並列接続した半導体スイッチング素子と、プラグの引抜きに伴い該プラグの差込端子とコンセントの受金端子の間に発生した直流アークのアーク電圧検出手段と、該アーク電圧検出手段で得たアーク電圧を入力信号として前記半導体スイッチング素子をＯＮ／ＯＦＦ制御するゲート駆動回路とからなるアーク消滅用の転流回路を備え、前記アーク電圧の入力信号を基にプラグの引抜き時に主回路電流を前記半導体スイッチング素子に転流してアークを消滅させた後、該半導体スイッチング素子をＯＦＦ制御して主回路電流を遮断するようにしたことを特徴とする直流配電用の電源コンセント。
請求項１に記載の電源コンセントにおいて、プラグの引抜き時に発生した直流アークのアーク電圧検出手段として、コンセントにはプラグの端子差込み穴内に臨ませて受金端子の前方に位置してプラグの差込端子に接触するアーク電圧検出用端子を配置したことを特徴とする直流配電用の電源コンセント。
請求項１または２に記載の電源コンセントにおいて、半導体スイッチング素子のゲート駆動回路が、半導体スイッチング素子のゲートとエミッタ間に接続したゲート電圧保持用のコンデンサと、プラグの引抜き時に発生した直流アークのアーク電圧で前記コンデンサを充電する抵抗分圧回路からなることを特徴とする直流配電用の電源コンセント。
請求項３に記載の電源コンセントにおいて、ゲート駆動回路のゲート電圧保持用のコンデンサに過電圧抑制素子を並列接続したことを特徴とする直流配電用の電源コンセント。
直流配電系統に適用して負荷に接続したプラグを接続する電源コンセントにおいて、そのコンセント内部には、プラグの差込端子をコンセントの受金端子に接続した際に、主回路の＋極と−極のうちいずれかの極側でプラグの差込端子と接触し、プラグの引抜きに伴い該プラグの差込端子とコンセントの受金端子の間に発生した直流アークのアーク電圧を検出するアーク電圧検出手段と、該アーク電圧検出手段と主回路の＋極と−極のうち前記アーク電圧検出手段と接触するプラグの差込端子側の極との間に接続した半導体スイッチング素子と、該アーク電圧検出手段で得たアーク電圧を入力信号として前記半導体スイッチング素子をＯＮ／ＯＦＦ制御するゲート駆動回路とからなるアーク消滅用の転流回路を備え、前記ゲート駆動回路は、半導体スイッチング素子のゲートとエミッタ間に接続したゲート電圧保持用のコンデンサと、プラグの引抜き時に発生した直流アークのアーク電圧で前記コンデンサを充電する抵抗分圧回路からなり、前記アーク電圧の入力信号を基にプラグの引抜き時に主回路電流を前記半導体スイッチング素子に転流してアークを消滅させた後、該半導体スイッチング素子をＯＦＦ制御して主回路電流を遮断するようにしたことを特徴とする直流配電用の電源コンセント。