JP5884067B2 - 直流接続装置 - Google Patents

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Description

本発明は、太陽光発電や家庭用燃料電池などの直流配電システムに適する直流接続装置に関する。
近年、太陽光発電や家庭用燃料電池などの直流配電システムが一般家庭などにおいても普及しつつあり、これら直流配電システムの電源電圧は４００Ｖ前後であり、従来からの交流配電システムの電源電圧である１００Ｖ又は２００Ｖ等と比べて高圧である。周知のように、電源の電圧が高くなると、コネクタやコンセントなどの接続装置を着脱する際にアークが発弧する。特に、直流電源の場合、接続装置を切り離す際にアークが発弧すると、電流が容易には遮断されず、負荷に電流が流れ続けるため、安全性に問題がある。そこで、本出願人は、例えば特許文献１に示されているように、直流接続用プラグの端子間にコンデンサを接続し、プラグをコンセントから抜き取る際のアークの発生を防止した直流接続装置を提案している。この直流接続装置によれば、プラグをコンセントから抜き取る際、コンデンサ時充電された電荷が放電され、その放電電流によってプラグの端子電圧をコンセントの端子電圧とほぼ同電位にして、アークの発弧を抑制している。
特開２００９−１４６７８３号公報
上記直流接続装置は構造が簡単であるため、小型で低コストの直流接続装置を提供することができるが、専ら負荷側に用いられるプラグにのみコンデンサが設けられているため、プラグをコンセントに挿入する際のアークの発弧を防止することができない。そこで、本発明は、上記従来例の問題を解決するためになされたものであり、プラグとコンセントを着脱する際のアークの発弧を防止することが可能な直流接続装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために発明の一態様に係る直流接続装置は、第１コネクタと、前記第１コネクタに接続される第２コネクタからなる直流接続装置であって、
前記第１コネクタは、一対の第１接続端子を備え、直流電源側に接続されており、
前記第２コネクタは、前記第１接続端子と電気的に接続される１対の第２接続端子を備え、直流駆動される負荷に接続されており、
前記第１コネクタは、前記直流電源側と前記１対の第１接続端子のいずれか一方の第１接続端子の間に直列接続された半導体スイッチと、前記第１接続端子に対する前記第２接続端子の相対的な位置関係を検出する接続状態検出装置と、前記接続状態検出装置による検出結果に応じて前記半導体スイッチをオン又はオフさせる制御回路と、前記負荷側に流れる電流を検出するための電流検出回路を備え、それに応じて前記制御回路には、少なくとも１つの電流閾値が設定され、
前記半導体スイッチと、前記電流検出回路と前記制御回路で突入電流防止回路を構成し、
前記接続状態検出装置は、前記第１接続端子に対する前記第２接続端子の相対的な位置の変化を検出し、
前記制御回路は、前記第１接続端子に対する前記第２接続端子の相対的な位置が、前記第１接続端子と前記第２接続端子が確実に電気的接続された状態にあるときに、前記電流検出回路により検出された電流値が前記閾値を超えたときに前記半導体スイッチをオフし、電流値が前記閾値以下になったときに前記半導体スイッチをオンすると共に、前記半導体スイッチのデューティ比を制御することにより突入電流を抑制することを特徴とする。
上記構成において、前記第１コネクタは、前記負荷側に印加される電圧を検出するための電圧検出回路をさらに備え、それに応じて前記制御回路には、少なくとも１つの電圧閾値が設定され、
前記半導体スイッチ、前記電圧検出回路及び前記制御回路で逆電流防止回路を構成し、
前記制御回路は、前記電圧検出回路により検出された電圧値が前記閾値を超えたときに前記半導体スイッチをオフし、電圧値が前記閾値以下になったときに前記半導体スイッチをオンすることにより負荷側から直流電源側に逆電流が流れるのを防止することが好ましい。
また、前記制御回路は、タイマーを備え、それに応じて時間閾値が設定されており、
前記制御回路は、前記タイマーによって前記電流検出回路により検出された電流値が前記閾値を超えている時間を検出し、さらに超過時間が前記時間閾値を超えたときに、前記半導体スイッチをオフすることが好ましい。
また、前記半導体スイッチは、２つのＦＥＴが、そのソース及びドレインが互いに逆向きとなるように直列接続されてなり、
前記突入電流防止回路を構成する前記制御回路は、前記２つのＦＥＴの一方のみを独立して制御し、
前記逆電流防止回路を構成する前記制御回路は、前記２つのＦＥＴの他方のみを独立して制御することが好ましい。
また、前記半導体スイッチは、ＧａＮ／ＡｌＧａＮを用いた横型トランジスタ構造を有する双方向スイッチ素子であり、
前記突入電流防止回路を構成する前記制御回路及び前記逆電流防止回路を構成する前記制御回路は、それぞれ同一の前記双方向スイッチ素子を制御することが好ましい。
また、前記第１コネクタは、前記第１接続端子と前記半導体スイッチの間に直列接続された有接点開閉装置をさらに備えたことが好ましい。
また、前記制御回路は、前記第１接続端子と前記第２接続端子が完全に電気的に接続された状態となり、かつ、前記有接点開閉装置のオン動作完了後に、前記半導体スイッチをオンさせることが好ましい。
また、前記制御回路は、前記第１接続端子に対する前記第２接続端子の相対的な位置が、前記第１接続端子と前記第２接続端子が電気的に完全に接続された状態から、逆方向に変位され、かつ、前記第１接続端子と前記第２接続端子が電気的に完全に非接続になる状態までの間であって、さらに、前記半導体スイッチをオフさせた後に、前記有接点開閉装置をオフさせることが好ましい。
また、前記第１コネクタは、交流電源側に接続された１対の第３接続端子をさらに備えたことが好ましい。
また、前記第１コネクタは、前記交流電源側と前記１対の第３接続端子のいずれか一方の第３接続端子の間に直列接続された交流回路遮断機と、前記交流電源側と前記負荷側又は他の負荷側の間の交流回路に流れる地絡電流を検出する交流地絡電流検出回路と、前記直流電源側と前記負荷側の間の直流回路に流れる地絡電流を検出する直流地絡電流検出回路をさらに備え、
前記制御回路は、前記直流地絡電流検出回路又は前記交流地絡電流検出回路のいずれか一方が地絡電流を検出すると、前記直流電源側に接続された半導体スイッチ及び前記交流電源側に接続された交流回路遮断機の両方をオフすることが好ましい。
また、前記直流地絡電流検出回路及び前記交流地絡電流検出回路の少なくとも一部が共通であることが好ましい。
本発明に係るコネクタは、直流電源側に接続され、一対の第１接続端子を備え、前記第１接続端子が直流駆動される負荷に接続された他のコネクタの第２接続端子と電気的に接続されるように構成されており、
前記直流電源側と前記１対の第１接続端子のいずれか一方の第１接続端子の間に直列接続された半導体スイッチと、前記第１接続端子に対する前記第２接続端子の相対的な位置関係を検出する接続状態検出装置と、前記接続状態検出装置による検出結果に応じて前記半導体スイッチをオン又はオフさせる制御回路と、前記負荷側に流れる電流を検出するための電流検出回路を備え、それに応じて前記制御回路には、少なくとも１つの電流閾値が設定され、
前記半導体スイッチと、前記電流検出回路と前記制御回路で突入電流防止回路を構成し、
前記接続状態検出装置は、前記第１接続端子に対する前記第２接続端子の相対的な位置の変化を検出し、
前記制御回路は、前記第１接続端子に対する前記第２接続端子の相対的な位置が、前記第１接続端子と前記第２接続端子が確実に電気的接続された状態にあるときに、前記電流検出回路により検出された電流値が前記閾値を超えたときに前記半導体スイッチをオフし、電流値が前記閾値以下になったときに前記半導体スイッチをオンすると共に、前記半導体スイッチのデューティ比を制御することにより突入電流を抑制することを特徴とする。
本発明によれば、第１コネクタの端子（第１接続端子）の一部が、必ず第２コネクタの端子（第２接続端子）に接触した状態で半導体スイッチがオンオフされる。例えば第１コネクタ（例えばコンセント）に第２コネクタ（例えばプラグ）に接続するときは、第１コネクタの端子と第２コネクタの端子が電気的に接続されるまで半導体スイッチはオンされず、第１コネクタの端子と第２コネクタの端子の間にアークは発弧しない。また、第１コネクタを第２コネクタから切り離すときも、先に半導体スイッチがオフされてから第１コネクタの端子が第２コネクタの端子から離反するので、第１コネクタの端子と第２コネクタの端子の間にアークは発弧しない。第１コネクタの端子と第２コネクタの端子の接触状態は、例えば第２コネクタに設けられたセンサなどにより検出可能である。
本発明の一実施形態に係る直流接続装置の基本構成を示すブロック図。 上記直流接続装置における接続状態検出装置の具体的構成を示す図。 上記直流接続装置における接続状態検出装置の別の具体的構成を示す図。 上記直流接続装置における接続状態検出装置のさらに別の具体的構成を示す図。 上記直流接続装置の変形例の構成を示すブロック図。 ＦＥＴを用いた半導体スイッチの回路構成例を示す図。 ２つのＦＥＴに代えて、ＧａＮ／ＡｌＧａＮを用いた横型トランジスタ構造を有する双方向スイッチ素子を用いた半導体スイッチの回路構成例を示す図。 双方向スイッチ素子（シングルゲート）の構成を示す平面図。 図８における範囲Ａの拡大図。 図８におけるＢ−Ｂ断面図。 双方向スイッチ素子（デュアルゲート）の構成を示す平面図。 図１１におけるＣ−Ｃ断面図。 上記直流接続装置の他の変形例の構成を示すブロック図。 第２コネクタ（コンセント）に対する第１コネクタ（プラグ）の着脱方法の一例を示す図。 第１コネクタ（プラグ）を第２コネクタ（コンセント）にロックする機構の一例を示す図。 上記直流接続装置のさらに他の変形例を示すブロック図。 上記直流接続装置のさらに他の変形例を示すブロック図。 上記直流接続装置のさらに他の変形例を示すブロック図。
本発明の一実施形態に係る直流接続装置について説明する。直流接続装置は、直流電源側又は負荷側と接続される第１コネクタと、第１コネクタに接続される第２コネクタからなり、第１コネクタは一対の第１接続端子を備え、第２コネクタは、第１接続端子と電気的に接続される１対の第２接続端子を有している。第１コネクタ及び第２コネクタの形状や用途は特に限定されず、また第１接続端子及び第２接続端子の形状や凹凸関係も特に限定されない。便宜上、以下に説明するように、半導体スイッチと、接続状態検出装置と、制御回路を備えたものを第１コネクタと称し、これらを備えていないものを第２コネクタと称する。
図１は、本実施形態に係る直流接続装置１の基本構成を示すブロック図である。図１では、第１コネクタを、例えば建築物の壁面４に設けられたコンセント１０とし、第２コネクタをプラグ２０として例示する。コンセント１０は直流電源２に接続され、プラグ２０は直流駆動される負荷３に、例えばケーブルを介して接続されている。プラグ２０は、プラグ本体２０ａから突出する一対の第２接続端子２１及び２２を備えている。コンセント１０は、プラグ２０の第２接続端子２１，２２と電気的に接続される１対の第１接続端子１１及び１２と、直流電源２と１対の第１接続端子１１，１２のいずれか一方の第１接続端子１１の間に直列接続された半導体スイッチ（ＳＷ）１３を備えている。また、コンセント１０は、第１接続端子１１，１２に対する第２接続端子２１，２２の相対的な位置関係を検出する接続状態検出装置１４と、接続状態検出装置１４による検出結果に応じて半導体スイッチ１３をオン又はオフさせる制御回路１５を備えている。
半導体スイッチ１３は、例えばＦＥＴ（電界効果トランジスタ）などの半導体スイッチ素子であり、制御回路１５は、接続状態検出装置１４による検出結果に応じてこのＦＥＴのゲート電圧を制御する。接続状態検出装置１４の構成は特に限定されるものではなく、プラグ２０をコンセント１０に対して着脱する際に、コンセント１０の第１接続端子１１，１２に対するプラグ２０の第２接続端子２１，２２の相対的な位置の変化が検出できればよい。
図２に示すように、接続状態検出装置１４は、第１接続端子１１，１２に対して第２接続端子２１，２２が相対的にそれ以上変位できなくなった位置又はその手前近傍の位置に設けられ、第２接続端子２１，２２に接触する機械スイッチ３１で構成されていてもよい。
プラグ２０をコンセント１０に接続させる場合、第１接続端子１１，１２に対して第２接続端子２１，２２が相対的にそれ以上変位できなくなるか又はその直前に第２接続端子２１，２２が機械スイッチ３１に接触し、機械スイッチ３１がオン又はオフする。それによって、制御回路１５は、第１接続端子１１，１２と第２接続端子２１，２２が確実に電気的接続された状態にあると判断できるので、半導体スイッチ１３をオンさせればよい。すなわち、プラグ２０をコンセント１０に接続させる（差し込む）際、プラグ２０の第２接続端子２１，２２とコンセント１０の第１接続端子１１，１２の電位差が小さいので、第１接続端子１１，１２と第２接続端子２１，２２の間で放電は発生しない。
一方、プラグ２０をコンセント１０から離脱させる（引き抜く）場合、第１接続端子１１，１２に対して第２接続端子２１，２２を逆方向に若干変位させると、第２接続端子２１，２２が機械スイッチ３１から離れ、機械スイッチ３１がオフ又はオンする。この段階で、第１接続端子１１，１２と第２接続端子２１，２２は電気的に接続された状態にある。そのため、第１接続端子１１，１２と第２接続端子２１，２２が電気的に完全に非接続になる状態までの間に、制御回路１５は速やかに半導体スイッチ１３をオフさせればよい。すなわち、プラグ２０をコンセント１０から離脱させる（引き抜く）際、先に半導体スイッチ１３がオフし、第１接続端子１１，１２と第２接続端子２１，２２が同電位になっているので、第１接続端子１１，１２と第２接続端子２１，２２の間で放電は発生しない。
あるいは、図３に示すように、接続状態検出装置１４は、同様の位置に設けられ、発光素子３２ａ及び受光素子３２ｂを備えた光学センサ３２などで構成されていてもよい。この場合、第１接続端子１１，１２に対して第２接続端子２１，２２が相対的にそれ以上変位できなくなるか又はその直前に第２接続端子２１，２２が発光素子３２ａからの光を遮るので、受光素子３２ｂの出力信号がハイレベルからローレベルに変化する。それによって、制御回路１５は、第１接続端子１１，１２と第２接続端子２１，２２が確実に電気的接続される位置に存在していると判断できるので、半導体スイッチ１３をオンさせればよい。一方、プラグ２０をコンセント１０から離脱させる（引き抜く）場合、第１接続端子１１，１２に対して第２接続端子２１，２２を逆方向に若干変位させると、発光素子３２ａから出力された光が受光素子３２ｂに入射する。そして、受光素子３２ｂの出力信号がローレベルからハイレベルに変化するので、制御回路１５は、半導体スイッチ１３をオフさせればよい。
あるいは、図４に示すように、接続状態検出装置１４は、プラグ２０の本体２０ａに設けられた突起２３と、コンセント１０側に設けられたプッシュオンスイッチ３３などで構成されていてもよい。この場合、プラグ２０をコンセント１０に接続し、コンセント１０の本体１０ａにプラグ２０の本体２０ａが接触すると、突起２３によってプッシュオンスイッチ３３がオンされる。それによって、制御回路１５は、第１接続端子１１，１２と第２接続端子２１，２２が確実に電気的接続される位置に存在していると判断できるので、半導体スイッチ１３をオンさせればよい。なお、プラグ２０の本体２０ａに突起を設けずに、プッシュオンスイッチ３３の先端部をコンセント１０の本体１０ａから突出させるように構成してもよいが、幼児によるいたずらなどを考慮すると、図示した構成の方が好ましい。
図５は、本実施形態に係る直流接続装置１の変形例を示す。この変形例では、コンセント１０は、負荷３に流れる電流を検出するための電流検出回路（Ａ）４１と負荷３に印加される電圧を検出するための電圧検出回路（Ｖ）４２をさらに備えている。それに応じて制御回路１５には、少なくとも１つの電流閾値及び少なくとも１つの電圧閾値が設定されている。制御回路１５は、電流検出回路４１により検出された電流値が閾値を超えたときに半導体スイッチ１３をオフし、電流値が閾値以下になったときに半導体スイッチ１３をオンするように制御する。直流電源によって駆動される負荷の種類によっては、電源投入時に過大な電流（突入電流）が流れる。半導体スイッチ１３として、例えばＦＥＴ（電界効果トランジスタ）を用いた場合、この半導体スイッチ１３、電流検出回路４１及び制御回路１５で突入電流防止回路を構成することができる。制御回路１５は、ＦＥＴのオンデューティ比を制御することにより、突入電流を抑制することができる。また、制御回路１５は、電圧検出回路４２により検出された電圧値が閾値を超えたときに半導体スイッチ１３をオフし、電圧値が閾値以下になったときに半導体スイッチ１３をオンするように制御する。例えば、直流電源２に他のコンセントなどを介して他の負荷が接続され電源電圧が低下した場合や、直流電源が停止した場合、瞬間的に負荷３側の電圧が高くなり、負荷３側から直流電源４側に逆電流が流れる。半導体スイッチ１３として、例えばＦＥＴを用いた場合、この半導体スイッチ１３、電圧検出回路４２及び制御回路１５で逆電流防止回路を構成することができる。逆過電圧発生時に半導体スイッチ１３をオフすることによって、負荷３側から直流電源４側に逆電流が流れるのを防止することができる。なお、電流検出回路４１と電圧検出回路４２の両方を備えている必要はなく、いずれか一方のみを備えていてもよい。
図６は、半導体スイッチ１３としてＦＥＴを用いた回路構成例を示す。半導体スイッチ１３は、２つのＦＥＴ１３１及び１３２が、そのソース及びドレインが互いに逆向きとなるように直列接続されて構成されている。また、制御回路１５は、電流検出回路４１とＦＥＴ１３１のゲート制御回路が一体化されたＩＣ１４１と、電圧検出回路４２とＦＥＴ１３２のゲート制御回路が一体化されたＩＣ１４２で構成されている。このように、半導体スイッチとして２つのＦＥＴを逆向きに接続し、それぞれを独立して制御することにより、過電流（突入電流）防止及び逆電流防止の両方を同時に行うことができる。また、ＩＣ１４１に、さらにタイマー機能を設け、さらに時間閾値を設定してもよい。ＩＣ１４１（制御回路）は、タイマーによって電流検出回路により検出された電流値が閾値を超えている時間を検出し、さらに超過時間が前記時間閾値を超えたときに、ＦＥＴ１３１をオフする。それによって、負荷の短絡などによる過電流から直流配電システムを保護することができる。
図７は、半導体スイッチ１３として、上記２つのＦＥＴに代えて、ＧａＮ／ＡｌＧａＮを用いた横型トランジスタ構造を有する双方向スイッチ素子１００を用いた回路構成例を示す。ＦＥＴは、ダイオード構造を有しているため、ゲート電圧にかかわらず、ダイオードの順方向に電圧がかかると電流が流れる性質を有している。そのため、上記のように、ダイオード構造が逆向きとなるように２つのＦＥＴを直列接続しなければならない。それに比べて、この双方向スイッチ素子はダイオード構造を有していないため、１つの素子で同様の機能を行うことができる。さらに、ＧａＮ／ＡｌＧａＮを用いた横型トランジスタ構造を有する双方向スイッチ素子は、ダイオード構造による損失がなく、ＦＥＴに比べて低損失であり、かつ制御回路の一体化が図れるというメリットを有している。すなわち、電流検出回路４１と電圧検出回路４２と制御回路１５と、タイマーを一体化したＩＣ１４３で制御することができる。
図８〜１１を用いて、ＧａＮ／ＡｌＧａＮを用いた横型トランジスタ構造を有する双方向スイッチ素子１００の詳細について説明する。図８は双方向スイッチ素子１００の構成を示す平面図であり、図９は範囲Ａの拡大図、図１０はＢ−Ｂ断面図である。なお、この双方向スイッチ素子１００は、２つの電極Ｄ１及びＤ２間にゲートＧが１つだけ設けられているので、シングルゲート型と呼ばれている。
図１０に示すように、双方向スイッチ素子１００の基板１０１は、導体層１０１ａと、導体層１０１ａの上に積層されたＧａＮ層２ｂ及びＡｌＧａＮ層１０１ｃで構成されている。この実施形態では、チャネル層としてＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ界面に生じる２次元電子ガス層を利用している。図８に示すように、基板１０１の表面１０１ｄには、直流電源２及び負荷３に対してそれぞれ直列に接続された第１電極Ｄ１及び第２電極Ｄ２と、第１電極Ｄ１の電位及び第２電極Ｄ２の電位に対して中間電位となる中間電位部Ｓが形成されている。さらに、中間電位部Ｓの上には、制御電極（ゲート）Ｇが積層形成されている。制御電極Ｇとして、例えばショットキ電極を用いる。第１電極Ｄ１及び第２電極Ｄ２は、それぞれ互いに平行に配列された複数の電極部１１１，１１２，１１３・・・及び１２１，１２２，１２３・・・を有する櫛歯状であり、櫛歯状に配列された電極部同士が互いに対向するように配置されている。中間電位部Ｓ及び制御電極Ｇは、櫛歯状に配列された電極部１１１，１１２，１１３・・・及び１２１，１２２，１２３・・・の間にそれぞれ配置されており、電極部の間に形成される空間の平面形状に相似した形状（略魚背骨状）を有している。
次に、双方向スイッチ素子１００を構成する横型のトランジスタ構造について説明する。図９に示すように、第１電極Ｄ１の電極部１１１と第２電極Ｄ２の電極部１２１は、それらの幅方向における中心線が同一線上に位置するように配列されている。また、中間電位部Ｓ及び制御電極Ｇは、それぞれ第１電極Ｄ１の電極部１１１及び第２電極Ｄ２の電極部１２１の配列に対して平行に設けられている。上記幅方向における第１電極Ｄ１の電極部１１１と第２電極Ｄ２の電極部１２１と中間電位部Ｓ及び制御電極Ｇの距離は、所定の耐電圧を維持しうる距離に設定されている。上記幅方向に直交する方向、すなわち第１電極Ｄ１の電極部１１１と第２電極Ｄ２の電極部１２１の長手方向においても同様である。また、これらの関係は、その他の電極部１１２及び１２２，１１３及び１２３・・・についても同様である。すなわち、中間電位部Ｓ及び制御電極Ｇは、第１電極Ｄ１及び第２電極Ｄ２に対して所定の耐電圧を維持しうる位置に配置されている。
そのため、第１電極Ｄ１が高電位側、第２電極Ｄ２が低電位側である場合、双方向スイッチ素子１００がオフのとき、少なくとも第１電極Ｄ１と、制御電極Ｇ及び中間電位部Ｓの間で、電流は確実に遮断される（制御電極（ゲート）Ｇの直下で電流が阻止される）。一方、双方向スイッチ素子１００がオンのとき、すなわち制御電極Ｇに所定の閾値以上の電圧の信号が印加されたときは、図中矢印で示すように、第１電極Ｄ１（電極部１１１・・・）、中間電位部Ｓ、第２電極Ｄ２（電極部１２１・・・）の経路で電流が流れる。逆の場合も同様である。その結果、制御電極Ｇに印加する信号の閾値電圧を必要最低限のレベルまで低下させても、双方向スイッチ素子１００を確実にオン／オフさせることができ、低オン抵抗を実現することができる。また、第１電極Ｄ１の電極部１１１，１１２，１１３・・・及び第２電極Ｄ２の電極部１２１，１２２，１２３・・・を櫛歯状に配列することができ、双方向スイッチ素子１００のチップサイズを大きくすることなく、大電流を取り出すことができる。
図１１及び１２は、ＧａＮ／ＡｌＧａＮを用いた横型トランジスタ構造を有する他の双方向スイッチ素子３００の構成を示す。図１１は双方向スイッチ素子３００の構成を示す平面図であり、図１２はＣ−Ｃ断面図である。なお、この双方向スイッチ素子３００は、２つの電極Ｄ１及びＤ２間に２つのゲートＧ１及びＧ２が設けられているので、デュアルゲート型と呼ばれている。
図１１及び１２に示すように、横型のデュアルゲートトランジスタ構造の主スイッチ素子３００は、耐圧を維持する箇所を１箇所とした損失の少ない双方向素子を実現する構造である。すなわち、ドレイン電極Ｄ１及びＤ２はそれぞれＧａＮ層に達するように形成され、ゲート電極Ｇ１及びＧ２はそれぞれＡｌＧａＮ層の上に形成されている。ゲート電極Ｇ１，Ｇ２に電圧が印加されていない状態では、ゲート電極Ｇ１，Ｇ２の直下のＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ界面に生じる２次元電子ガス層に電子の空白地帯が生じ、電流は流れない。一方、ゲート電極Ｇ１，Ｇ２に電圧が印加されると、ドレイン電極Ｄ１からＤ２に向かって（又はその逆に）ＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ界面に電流が流れる。ゲート電極Ｇ１とＧ２の間は、耐電圧を必要とし、一定の距離を設ける必要があるが、ドレイン電極Ｄ１とゲート電極Ｇ１の間及びドレイン電極Ｄ２とゲート電極Ｇ２の間は耐電圧を必要としない。そのため、ドレイン電極Ｄ１とゲート電極Ｇ１及びドレイン電極Ｄ２とゲート電極Ｇ２とが、絶縁層Ｉｎを介して重複していてもよい。なお、この構成の素子はドレイン電極Ｄ１，Ｄ２の電圧を基準として制御する必要があり、２つのゲート電極Ｇ１，Ｇ２にそれぞれ駆動信号を入力する必要がある（そのため、デュアルゲートトランジスタ構造と呼ぶ）。
図１３は、本実施形態に係る直流接続装置１の他の変形例を示す。この変形例では、コンセント１０は、第１接続端子１１，１２と半導体スイッチ１３の間に直列接続された有接点開閉装置１６をさらに備えている。制御回路１５は、第１接続端子１１，１２と第２接続端子２１，２２が完全に電気的に接続された状態となり、かつ、有接点開閉装置１６のオン動作完了後に、半導体スイッチ１３をオンさせる。また、制御回路１５は、第１接続端子１１，１２に対する第２接続端子２１，２２の相対的な位置が、第１接続端子１１，１２と第２接続端子２１，２２が電気的に完全に接続された状態から逆方向に変位され、かつ、第１接続端子１１，１２と第２接続端子２１，２２が電気的に完全に非接続になる状態までの間であって、さらに、半導体スイッチ１３をオフさせた後に、有接点開閉装置１６をオフさせる。有接点開閉装置１６として、例えばリレーやブレーカなどを用いることができる。このように、プラグ２０がコンセント１０に接続されていない状態では、有接点開閉装置１６の接点が開離し、コンセント１０の第１接続端子１１，１２は物理的に直流電源２から遮断される。そのため、万一、半導体スイッチ１３が破壊されても、安全性を確保することができる。また、プラグ２０をコンセント１０に着脱する際に、チャッタリングが発生したとしても、第１接続端子１１，１２と第２接続端子２１，２２の間での放電発生を防止することができる。
コンセント１０に対するプラグ２０の着脱方法、すなわち、第１接続端子１１，１２に対する第２接続端子２１，２２の変位は、一般的な抜き差しである直線動作だけでなく、例えば図１４に示すように、回転動作及び直線動作と回転動作の組み合わせが可能である。制御回路１５は、プラグ２０をコンセント１０に接続を完了した後、すなわち、第１接続端子１１，１２に対して第２接続端子２１，２２が相対的にそれ以上変位できなくなった後に、有接点開閉装置１６をオンさせ、その後に半導体スイッチ１３をオンさせる。また、有接点開閉装置１６を有していない場合は、制御回路１５は、第１接続端子１１，１２に対して第２接続端子２１，２２が相対的にそれ以上変位できなくなった後に、半導体スイッチ１３をオンさせればよい。
さらに、図１５に示すように、プラグ２０をコンセント１０に装着した後、プラグ２０をコンセント１０にロックする機構を備えていてもよい。例えば、プラグ２０の本体２０ａの側部に係止フック２４が設けられ、コンセント１０の本体１０ａに係止穴１７が設けられている。さらに、コンセント１０の本体１０ａの内部で、係止穴１７の近傍にスイッチ３４を設けられている。プラグ２０をコンセント１０に装着する（差し込む）と、係止フック２４が樹脂の弾性により変形して係止穴１７に嵌合され、弾性復元力により係止フック２４が係止穴１７に係止される。それによって、プラグ２０がコンセント１０にロックされる。同時に、係止フック２４の先端部がスイッチ３４に当接し、スイッチ３４がオンされる。制御回路１５は、スイッチ３４がオンした後、有接点開閉装置１６をオンさせ、さらにその後、半導体スイッチ１３をオンさせる。コンセント１０からプラグ２０を取り外すには、ユーザが両方の係止フック２４をそれぞれ本体２０ａ側に押しつけて変形させる。そうすると、係止フック２４の先端部がスイッチ３４から離れ、スイッチ３４がオフされる。制御回路１５は、スイッチ３４がオフすると、直ちに半導体スイッチ１３をオフさせ、さらにその後、有接点開閉装置１６をオフさせる。ユーザは、その状態でプラグ２０をコンセント１０から引き抜けばよい。なお、ロック機構は図示したものに限定されず、その他の構造であってもよい。換言すれば、制御回路１５は、ロック機構が第１接続端子１１，１２及び第２接続端子２１，２２をロックしている間に、有接点開閉装置１６をオン及びオフさせるように構成されていればよい。
図１６は、本実施形態に係る直流接続装置１のさらに他の変形例を示す。この変形例では、上記直流配電と交流配電を１つのコンセント１０で行いうるハイブリッド仕様に構成されている。太陽光発電や家庭用燃料電池の普及により、直流電源で直接駆動されるエアコンや冷蔵庫などの電気機器が開発されると考えられる。ところが、太陽光発電の場合、天候や季節の影響を受けやすく、発電量は不安定であり、また、日没後は発電されない。そのため、一般的には二次電池を併用し、二次電池に充電された電力が使用される。しかしながら、二次電池に充電された電力で全ての電気機器の消費電力をまかなえるとは限らず、エアコンや冷蔵庫など消費電力の大きな電気機器は、従来からの交流電源をバックアップ電源として使用可能なように、ハイブリッド仕様で設計されると予想される。従って、図１６に示すコンセント１０には、交流電源５に接続された１対の第３接続端子１８，１９が設けられている。第３接続端子１８，１９には、交流プラグ５０の端子５１，５２が接続される。交流電源５の電圧は、例えば１００Ｖ又は２００Ｖであるが、直流配電システムと異なり、交流配電システムの場合は、プラグ５０をコンセント１０から引き抜く際にアーク放電が発生しても、容易に消弧できるため、半導体スイッチは特に設けられていない。
例えばリレーやブレーカなどで構成された上記有接点開閉装置１６は、交流電源５と１対の第３接続端子１８，１９（いずれか一方でもよい）の間に直列接続され、交流回路遮断機としても機能する。あるいは、上記有接点開閉装置１６とは別に、交流電源５と１対の第３接続端子１８，１９の間に交流回路遮断機を接続してもよい。また、コンセント１０には、直流電源２と負荷３の間の直流回路に流れる地絡電流を検出する直流地絡電流検出回路（Ａ’）４３と、交流電源５と負荷３の間の交流回路に流れる地絡電流を検出する交流地絡電流検出回路（Ａ”）４４が設けられている。直流地絡電流検出回路４３としては、例えばホール素子などを用いることができる。また、交流地絡電流検出回路４４としては、例えば零相変流器（ＺＣＴ）などを用いることができる。あるいは、図１７に示すように、直流回路と交流回路を同一のコアに通し、直流地絡電流検出回路４３と交流地絡電流検出回路４４の一部を共通化してもよい。それによって、コンセント１０の小型化及び低コスト化を実現することができる。
制御回路１５は、直流地絡電流検出回路４３又は交流地絡電流検出回路４４のいずれか一方が地絡電流を検出すると、直流電源２に接続された半導体スイッチ１３及び交流電源５に接続された有接点開閉装置１６（又は交流回路遮断機）の両方をオフする。なお、この場合は、直流回路側に接続された有接点開閉装置１６をオフするタイミングよりも、半導体スイッチ１３をオフするタイミングを早くすることはいうまでもない。
なお、本発明は、上記実施形態の説明に限定されるものではなく、様々な変形及び応用が可能である。図１８は、負荷３側にもコンセント１０’を設け、直流電源２側のコンセント１０とケーブル３６で接続した構成例を示す。負荷３側のコンセント１０’は負荷３の内部電源（ＤＣ／ＤＣコンバータ又はインバータ）３５に接続されている。ケーブル３６の両端には、それぞれプラグ２０及び２０’が接続されている。この場合、プラグ２０の第２接続端子２１，２２とプラグ２０’の第２接続端子２１’，２２’の凹凸は逆である。同様に、コンセント１０の第１接続端子１１，１２とコンセント１０’の第１接続端子１１’，１２’の凹凸も逆である。このように、第１コネクタであるコンセント１０，１０’は必ずしも、直流電源２に接続されるものではなく、負荷３又は負荷３側の内部電源３５に接続される場合もある。あるいは、直流電源に接続された配電盤の回路遮断機などに接続される場合もある。さらに、第２コネクタであるプラグ２０，２０’は、必ずしも負荷３に直接接続されるものではなく、直流電源２と負荷３を接続するケーブル３６に接続される場合もある。
１ 直流接続装置
２ 直流電源
３ 負荷
５ 交流電源
１０ コンセント
１１，１２ 第２接続端子
１３ 半導体スイッチ
１４ 接続状態検出装置
１５ 制御回路
１６ 有接点開閉装置
１７ 係止穴（ロック機構）
１８，１９ 第３接続端子
２０ プラグ
２１，２２ 第１接続端子
２４ 係止フック（ロック機構）
４１ 電流検出回路
４２ 電圧検出回路
４３ 直流地絡電流検出回路
４４ 交流地絡電流検出回路
１００，３００ 双方向スイッチ素子

Claims (12)

  1. 第１コネクタと、前記第１コネクタに接続される第２コネクタからなる直流接続装置であって、
    前記第１コネクタは、一対の第１接続端子を備え、直流電源側に接続されており、
    前記第２コネクタは、前記第１接続端子と電気的に接続される１対の第２接続端子を備え、直流駆動される負荷に接続されており、
    前記第１コネクタは、前記直流電源側と前記１対の第１接続端子のいずれか一方の第１接続端子の間に直列接続された半導体スイッチと、前記第１接続端子に対する前記第２接続端子の相対的な位置関係を検出する接続状態検出装置と、前記接続状態検出装置による検出結果に応じて前記半導体スイッチをオン又はオフさせる制御回路と、前記負荷側に流れる電流を検出するための電流検出回路を備え、それに応じて前記制御回路には、少なくとも１つの電流閾値が設定され、
    前記半導体スイッチと、前記電流検出回路と前記制御回路で突入電流防止回路を構成し、
    前記接続状態検出装置は、前記第１接続端子に対する前記第２接続端子の相対的な位置の変化を検出し、
    前記制御回路は、前記第１接続端子に対する前記第２接続端子の相対的な位置が、前記第１接続端子と前記第２接続端子が確実に電気的接続された状態にあるときに、前記電流検出回路により検出された電流値が前記閾値を超えたときに前記半導体スイッチをオフし、電流値が前記閾値以下になったときに前記半導体スイッチをオンすると共に、前記半導体スイッチのデューティ比を制御することにより突入電流を抑制することを特徴とする直流接続装置。
  2. 前記第１コネクタは、前記負荷側に印加される電圧を検出するための電圧検出回路をさらに備え、それに応じて前記制御回路には、少なくとも１つの電圧閾値が設定され、
    前記半導体スイッチ、前記電圧検出回路及び前記制御回路で逆電流防止回路を構成し、
    前記制御回路は、前記電圧検出回路により検出された電圧値が前記閾値を超えたときに前記半導体スイッチをオフし、電圧値が前記閾値以下になったときに前記半導体スイッチをオンすることにより負荷側から直流電源側に逆電流が流れるのを防止することを特徴とする請求項１に記載の直流接続装置。
  3. 前記制御回路は、タイマーを備え、それに応じて時間閾値が設定されており、
    前記制御回路は、前記タイマーによって前記電流検出回路により検出された電流値が前記閾値を超えている時間を検出し、さらに超過時間が前記時間閾値を超えたときに、前記半導体スイッチをオフすることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の直流接続装置。
  4. 前記半導体スイッチは、２つのＦＥＴが、そのソース及びドレインが互いに逆向きとなるように直列接続されてなり、
    前記突入電流防止回路を構成する前記制御回路は、前記２つのＦＥＴの一方のみを独立して制御し、
    前記逆電流防止回路を構成する前記制御回路は、前記２つのＦＥＴの他方のみを独立して制御することを特徴とする請求項２又は請求項２に従属する請求項３に記載の直流接続装置。
  5. 前記半導体スイッチは、ＧａＮ／ＡｌＧａＮを用いた横型トランジスタ構造を有する双方向スイッチ素子であり、
    前記突入電流防止回路を構成する前記制御回路及び前記逆電流防止回路を構成する前記制御回路は、それぞれ同一の前記双方向スイッチ素子を制御することを特徴とする請求項２又は請求項２に従属する請求項３に記載の直流接続装置。
  6. 前記第１コネクタは、前記第１接続端子と前記半導体スイッチの間に直列接続された有接点開閉装置をさらに備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の直流接続装置。
  7. 前記制御回路は、前記第１接続端子と前記第２接続端子が完全に電気的に接続された状態となり、かつ、前記有接点開閉装置のオン動作完了後に、前記半導体スイッチをオンさせることを特徴とする請求項６に記載の直流接続装置。
  8. 前記制御回路は、前記第１接続端子に対する前記第２接続端子の相対的な位置が、前記第１接続端子と前記第２接続端子が電気的に完全に接続された状態から、逆方向に変位され、かつ、前記第１接続端子と前記第２接続端子が電気的に完全に非接続になる状態までの間であって、さらに、前記半導体スイッチをオフさせた後に、前記有接点開閉装置をオフさせることを特徴とする請求項７に記載の直流接続装置。
  9. 前記第１コネクタは、交流電源側に接続された１対の第３接続端子をさらに備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の直流接続装置。
  10. 前記第１コネクタは、前記交流電源側と前記１対の第３接続端子のいずれか一方の第３接続端子の間に直列接続された交流回路遮断機と、前記交流電源側と前記負荷側又は他の負荷側の間の交流回路に流れる地絡電流を検出する交流地絡電流検出回路と、前記直流電源側と前記負荷側の間の直流回路に流れる地絡電流を検出する直流地絡電流検出回路をさらに備え、
    前記制御回路は、前記直流地絡電流検出回路又は前記交流地絡電流検出回路のいずれか一方が地絡電流を検出すると、前記直流電源側に接続された半導体スイッチ及び前記交流電源側に接続された交流回路遮断機の両方をオフすることを特徴とする請求項９に記載の直流接続装置。
  11. 前記直流地絡電流検出回路及び前記交流地絡電流検出回路の少なくとも一部が共通であることを特徴とする請求項１０に記載の直流接続装置。
  12. 直流電源側に接続され、一対の第１接続端子を備え、前記第１接続端子が直流駆動される負荷に接続された他のコネクタの第２接続端子と電気的に接続されるように構成されているコネクタであって、
    前記直流電源側と前記１対の第１接続端子のいずれか一方の第１接続端子の間に直列接続された半導体スイッチと、前記第１接続端子に対する前記第２接続端子の相対的な位置関係を検出する接続状態検出装置と、前記接続状態検出装置による検出結果に応じて前記半導体スイッチをオン又はオフさせる制御回路と、前記負荷側に流れる電流を検出するための電流検出回路を備え、それに応じて前記制御回路には、少なくとも１つの電流閾値が設定され、
    前記半導体スイッチと、前記電流検出回路と前記制御回路で突入電流防止回路を構成し、
    前記接続状態検出装置は、前記第１接続端子に対する前記第２接続端子の相対的な位置の変化を検出し、
    前記制御回路は、前記第１接続端子に対する前記第２接続端子の相対的な位置が、前記第１接続端子と前記第２接続端子が確実に電気的接続された状態にあるときに、前記電流検出回路により検出された電流値が前記閾値を超えたときに前記半導体スイッチをオフし、電流値が前記閾値以下になったときに前記半導体スイッチをオンすると共に、前記半導体スイッチのデューティ比を制御することにより突入電流を抑制することを特徴とするコネクタ。
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