JP6352745B2 - ハイブリッド形開閉器 - Google Patents

Description

本発明は、直流系統の電源回路などに適用する双方向の電流遮断機能を備えたハイブリッド形の開閉器に関する。

昨今、太陽光発電システム，蓄電池を用いた非常電源システムなどの普及に伴い、これらシステムに適用する直流開閉機器の研究，開発が進んでいる。

ところで、従来における直流用の開閉機器（配線用遮断器（ＭＣＣＢ），漏電遮断器（ＥＬＢ），電磁開閉器（ＭＡＧ）などの機械式スイッチ（有接点スイッチ））は、開閉動作に伴いその主回路接点間に発生するアークの影響で接点の消耗が進むと動作不良を引き起こす可能があることから、開閉機器の長寿命化，信頼性を高めるためにも機械式スイッチのアーク消弧対策が重要課題となっている。

そのために、従来から様々なアーク消弧対策が提案されており、その一例として機械式スイッチの回路接点に半導体スイッチ（ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＭＯＳ−ＦＥＴ、ＧＴＯサイリスタなどの無接点式スイッチ）を並列接続し、機械式スイッチの開極時にその回路接点に流れていた主回路電流を前記半導体スイッチに転流させて機械式スイッチの回路接点に生成したアークを即時に消滅させ、その後に半導体スイッチをＯＦＦ制御して回路電流をアーク無しに遮断するようにしたハイブリッド形の開閉器が知られている（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、特許文献１に開示のハイブリッド形開閉器は、半導体スイッチのゲート駆動回路に独立した駆動電源、およびその駆動電源から半導体スイッチのゲートに印加するゲート制御信号の制御が必要である。そこで、発明者等は前記ゲート駆動回路の独立した駆動電源を省略し、その代わりに機械式スイッチの開極動作時にその回路接点間に発生したアーク電圧をゲート制御信号として半導体スイッチ（ＩＧＢＴ）のゲートに印加することにより、機械式スイッチの開極動作に同期して半導体スイッチをＯＮ／ＯＦＦ制御するようにした開閉器を先に提案しており（特許文献２参照）、その公開公報には開閉器の回路構成，および機械式スイッチの開極から電流遮断に至る動作の経緯が詳しく述べられている。

この特許文献２に開示の開閉器は、機械式スイッチの開極動作時にその回路接点に発生するアーク電圧を利用して半導体スイッチのＩＧＢＴをＯＮ／ＯＦＦ制御することで、主回路電流を機械式スイッチから半導体スイッチに転流させて遮断するようにしており、これにより先記した特許文献１の開閉器のように独立したゲート駆動電源が不要となって半導体スイッチのゲート駆動回路を簡略化できる。

ところで、蓄電池を備えた電源装置のように蓄電池の充電と放電とで回路電流が順逆方向に反転する回路、あるいは太陽光発電システムのような分散型の直流電源間で電力の逆潮流を行う直流系統の連係回路などに適用する直流開閉器については、その機械式スイッチの回路接点に並列接続した半導体スイッチに双方向の電流遮断機能が必要であるが、先記の特許文献２に開示されている開閉器は、半導体スイッチのＩＧＢＴが単方向素子であるため、このままでは電流方向が順逆反転すると主回路電流を機械式スイッチから半導体スイッチに転流させて遮断することができない。

そこで、発明者等は、機械式スイッチの回路接点に並列接続する半導体スイッチとして、逆直列接続した２個のＩＧＢＴと、各ＩＧＢＴに逆並列接続したダイオードとを組み合わせた双方向半導体スイッチを機械式スイッチの回路接点に並列接続した上で、機械式スイッチの開極動作時に発生する回路接点のアーク電圧をＩＧＢＴのゲートに印加して双方向半導体スイッチをＯＮ／ＯＦＦ制御することにより、主回路電流の通電方向に制約されることなく、その主回路電流を機械式スイッチから半導体スイッチに転流させて遮断できるようにした双方向遮断機能を有する直流用開閉器を考案し、特願２０１３−８９４５３号（２０１３年４月２２日出願）として先に提案しており、その開閉器の回路構成、および電流遮断動作を図７〜図１１に基づいて説明する。

先ず図７において、直流系統の主回路１に接続した機械式スイッチ２（例えば、電磁接触器）の主接点２１（１極分）は一対の固定接点２ａ，２ｂと橋絡可動接点２ｃからなり、この機械式スイッチ２には次記構成になる双方向半導体スイッチ３が前記主接点２１に並列接続されている。ここで、双方向半導体スイッチ３は、図示のように逆直列接続した２個のＩＧＢＴ（以下、ＩＧＢＴ−１，ＩＧＢＴ−２と呼称する）と、ＩＧＢＴ−１，ＩＧＢＴ−２にそれぞれ逆並列接続したダイオードＤ−１，Ｄ−２とで双方向半導体スイッチ３を構成している。

また、ＩＧＢＴ−１，ＩＧＢＴ−２のゲートｇ１，ｇ２に対しては、分圧抵抗５，６−１，６−２と、定電圧素子（バリスター，ツェナーダイオードなど）７−１，７−２と、コンデンサ８−１，８−２を図示のように組合せて、機械式スイッチ２の橋絡可動接点２ｃと主回路１に連なるＩＧＢＴ−１，ＩＧＢＴ−２のエミッタｅ１，ｅ２との間に接続したゲート駆動回路９を設け、このゲート駆動回路９を通じて機械式スイッチ２の開極動作時にその主接点２１の固定／可動接点間に発生したアーク電圧をＩＧＢＴ−１，ＩＧＢＴ−２のゲートｇ１．ｇ２に印加して双方向半導体スイッチ３をＯＮ／ＯＦＦ制御するようにしている。

上記の回路構成で、機械式スイッチ２の主接点２１が閉極している通電状態では、図８（ａ），（ｂ）の実線矢印で表すように、その時の主回路端子１１，１２の極性（＋，−極）に対応した回路電流が機械式スイッチ２の主接点２１を経て流れる。なお、この通電状態では機械式スイッチ２の固定／可動接点間の電位差は０Ｖであり、したがって双方向半導体スイッチ３のＩＧＢＴ−１，ＩＧＢＴ−２はいずれもＯＦＦ状態である。

一方、上記の通電状態から機械式スイッチ２が開極すると、図９（ａ），（ｂ）で表すように主接点２１の固定接点２ａ，２ｂと橋絡可動接点２ｃとの間にアークａｒｃが発生し、そのアーク電圧（電圧降下）によりゲート駆動回路９には機械式スイッチ２の橋絡可動接点２ｃを経て図示点線矢印で表すような制御電流が流れる。これにより、先記特許文献２の開閉器と同様に、主回路電流（実線矢印）の通電方向に対応してＩＧＢＴ−１，もしくはＩＧＢＴ−２のゲートに接続したコンデンサ８−１，８−２が充電される。そして、コンデンサ８−１，８−２の充電電圧がＩＧＢＴのゲート電圧（順バイアス電圧）が所定のゲート−エミッタ間しきい値電圧を超えると、ＩＧＢＴ−１、もしくはＩＧＢＴ−２がターンオンしてＯＮ状態となる。

これにより、いままで機械式スイッチ２の主接点２１に流れていた回路電流は、図１０（ａ），（ｂ）の実線矢印で表すように双方向半導体スイッチ３に転流する。この場合に、図１０（ａ）では主回路電流がＩＧＢＴ−２に逆並列接続したダイオードＤ−２とＩＧＢＴ−１（ＯＮ状態）を経由し、図１０（ｂ）では前記と逆にダイオードＤ−１とＩＧＢＴ−２（ＯＮ状態）を経由して流れる。また、主回路電流の転流に伴い、機械式スイッチ２の接点間電圧は半導体スイッチ３のＯＮ電圧（４Ｖ程度）に低下するので、いままで機械式スイッチ２の主接点２１に発生したアークは即時消滅することになる。

そして、機械式スイッチ２の主接点２１に生じていたアークが消滅すると固定接点／橋絡可動接点間のアーク電圧も消滅するので、前記ゲート駆動回路９の分圧回路（分圧抵抗６−１と６−２の直列回路）に加わる電圧は双方向半導体スイッチ３のＩＧＢＴとダイオードのＯＮ電圧のみとなる。これにより、直前にコンデンサ８−１，８−２に蓄えられていた充電電荷が図中に表した点線矢印のように分圧抵抗６−１もしくは６−２を通じて放電される。そして、コンデンサ８−１，８−２の放電が進んでＩＧＢＴ−１，ＩＧＢＴ−２のゲート電圧が所定のしきい値以下に低下すると、いままでＯＮ状態であったＩＧＢＴがターンオフしてＯＦＦ状態に切り換わり、これにより図１１で表すように主回路１に流れていた電流がアーク発生を伴わずに遮断されることになる。

上記説明から判るように、機械式スイッチ２の主接点２１に並列接続する半導体スイッチ３を、逆直列接続した２個のＧＢＴ−１，ＩＧＢＴ−２と、該ＩＧＢＴ−１，ＩＧＢＴ−２に逆並列接続したダイオードＤ−１，Ｄ−２とで双方向スイッチを構成することにより、主回路１の通電方向に制約されることなく、正逆双方向の主回路電流を機械式スイッチ２から半導体スイッチ３に転流させて遮断することができる。

特開平８−１０６８３９号公報 特開２０１３−４１７８２号公報

ところで、前記した従来提案（特願２０１３−８９４５３）のハイブリッド形開閉器は、実用，製品化を進める上で次記のような解決すべき課題がある。

すなわち、汎用の半導体スイッチング素子として従来から使われている在来型のＩＧＢＴは、周知のように逆印加電圧に対する耐圧（逆耐圧）が低いことから、この在来型ＩＧＢＴを図７に示したハイブリッド形開閉器の双方向半導体スイッチ３に適用するには、逆直列接続したＩＧＢＴ−１，ＩＧＢＴ−２にそれぞれダイオードＤ−１，Ｄ−２を組み合わせてＩＧＢＴの逆耐圧を担うようにしている。

このために、機械式スイッチ２の開極動作に伴って主回路電流が双方向半導体スイッチ３に転流した通電状態（図１０（ａ），（ｂ）参照）では、主回路電流がＩＧＢＴとダイオードの二つの素子を直列に通過して流れることになる。したがって、双方向半導体スイッチ３の回路には、（ＩＧＢＴのオン電圧）＋（ダイオードの順電圧）に相応した電圧降下が生じ、その電圧値はＩＧＢＴ，もしくはダイオードの単体素子と較べて２倍となる。このため、主回路電流が双方向半導体スイッチ３の回路に転流した状態（図１０参照）では、ＩＧＢＴとダイオードの各素子に発生する導通損失が加算されて半導体スイッチ３に発生する損失が大きくなる。

また、主回路電流が機械式スイッチ２から半導体スイッチ３に転流する際のスイッチング損失についても、ＩＧＢＴとダイオードとのスイッチング損失が加算されることから、主回路電流が機械式スイッチ２から双方向半導体スイッチ３に転流する際のスイッチング時間が長くなる。このために、機械式スイッチ２の開極動作に伴ってその主接点２１に発生したアークが消滅するまでの時間も長くなり、それだけ接点の消耗が早く進んで開閉器の寿命が短縮されるようになる。

例えば、機械式スイッチに適用する電磁開閉器の製品には通常数十万回以上の開閉動作を保証する耐久性が要求されるが、回路接点の寿命が短縮されると所要の耐久性を保証することが困難となる。また、双方向半導体スイッチ３の損失増加に伴い、その半導体素子を冷却する熱負荷も増すため、その冷却部（ヒートシンク）が大型化して製品の重量，コストも増加する。

そのほか、前記した従来提案のハイブリッド形開閉器では、電流遮断時に次記のような問題が派生する。すなわち、機械式スイッチ２の開極動作時に主回路電流が半導体スイッチに転流した状態（図１０参照）では、ゲート駆動回路９における分圧回路（分圧抵抗６−１と６−２の直列回路）の両端には、（ＩＧＢＴのＯＮ電圧）＋（ダイオードのＯＮ電圧）に相応する電圧（４Ｖ程度）が加わるだけであり、したがってＩＧＢＴのゲートに接続したコンデンサの充電電荷は分圧抵抗への放電を継続してゲート電圧が所定のしきい値電圧以下に低下してＩＧＢＴがターンオフに遷移する。

ところで、前記のようにＩＧＢＴ−１，ＩＧＢＴ−２がターンオフして双方向半導体スイッチ３に転流した主回路電流が遮断された状態（図１１参照）に移行すると、ゲート駆動回路９の分圧回路（図１１に表したＣ1−Ｃ2の間）には主回路電源に対応した電圧が印加されるようになる。このために、ＩＧＢＴ−１，もしくはＩＧＢＴ−２のゲートには、前記分圧回路を介してその時の主回路端子１１，１２の極性（＋，−）に対応した順方向のバイアス電圧が加わってゲート電圧が再び上昇し、その結果、ＯＦＦ状態のＩＧＢＴが誤点弧（ターンオン）して半導体スイッチ３に転流した主回路電流が遮断不能になるおそれがある。

本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、機械式スイッチの主接点に双方向半導体スイッチを並列接続し、機械式スイッチの開極動作時にその主接点に発生したアーク電圧をゲート制御信号として半導体スイッチをＯＮ／ＯＦＦ制御するようにした双方向の電流遮断機能を備えたハイブリッド形の開閉器について、双方向半導体スイッチの損失低減、およびスイッチング時間の短縮化に加えて、主回路電流の遮断直後に半導体スイッチのＩＧＢＴが誤点弧して主回路電流が遮断不能となる不具合を簡易な手段で防止できるよう改良して機能,信頼性の向上を図ったハイブリッド形開閉器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、主回路に接続した機械式スイッチと、該機械式スイッチの主接点に並列接続した半導体スイッチとの組み合わせからなり、前記機械式スイッチの開極動作時に、その主接点に流れていた主回路電流を半導体スイッチに転流させて遮断するようにしたハイブリッド形開閉器において、
逆耐圧性能を有する２個の逆阻止型ＩＧＢＴ（ＲＢ−ＩＧＢＴ：Reverse Blocking Insulated Gate Bipolar Transistor）を逆並列接続してなる双方向半導体スイッチを前記機械式スイッチの主接点に並列接続した上で、機械式スイッチの開極動作時にはその主接点に発生するアーク電圧を双方向半導体スイッチのゲート駆動回路を経て逆阻止型ＩＧＢＴのゲートに印加し、双方向半導体スイッチをＯＮ／ＯＦＦ制御するようにするとともに、
前記ゲート駆動回路には、機械式スイッチの開極時にその主接点より遅れて遅延開極動作してゲート駆動回路を主回路に連なる経路から切り離す断路用の補助接点を設けるものとする（請求項１）。

また、本発明によれば、前記のゲート駆動回路機械式スイッチ、機械式スイッチは、次記のような具体的態様で構成することかできる。
（１）前記のゲート駆動回路は、機械式スイッチの開極に伴ってその主接点に発生したアーク電圧を入力としてその分圧出力を各逆阻止型ＩＧＢＴのゲート端子に印加するように、分圧抵抗をＴ字接続して前記アーク電圧の入力端と主回路に連なる双方向半導体スイッチの両端との間に接続した分圧回路と、該分圧回路の分圧抵抗に並列接続した定電圧素子と、分圧回路の分圧抵抗間に介挿接続した断路用の補助接点とからなる（請求項２）。
（２）前記の機械式スイッチには、開閉操作機構に連繋して連動動作する主接点と補助接点を備え、前記双方向半導体スイッチとそのゲート駆動回路からなるアッセンブリーを機械式スイッチに搭載した構成とする（請求項３）。
（３）前項（２）において、補助接点の接点ワイプ量を主接点の接点ワイプ量よりも大に設定し、機械式スイッチの開極時に主接点の開極動作より遅れて補助接点を遅延開極動作させるようにする（請求項４）。
（４）前記の機械式スイッチには、１極当たり一対の固定接点と橋絡可動接点からなる双接点形の主接点を備え、該主接点の橋絡可動接点に前記ゲート駆動回路のアーク電圧入力端を接続する（請求項５）。
（５）前記の機械式スイッチには、２極に分けてその相互間を直列接続した２組の主接点を備え、該主接点相互間の接続部位に前記ゲート駆動回路のアーク電圧入力端を接続する（請求項６）。

上記構成になるハイブリッド形開閉器によれば、次記の効果を奏することができる。
（１）先ず、機械式スイッチの主接点に並列接続する半導体スイッチを、２個の逆阻止型ＩＧＢＴ同士を逆並列接続した双方向半導体スイッチで構成し、機械式スイッチの開極動作時にその主回路接点間に発生するアーク電圧を前記逆阻止型ＩＧＢＴのゲートに加えてＯＮ，ＯＦＦ制御するようにしたことにより、在来型のＩＧＢＴにダイオードを組み合わせて構成した双方向半導体スイッチ（図５参照）と較べて、通電損失、および機械式スイッチの接点消耗を低減して開閉器の長寿命化を達成できるほか、双方向スイッチを構成する素子数を削減して開閉器に搭載する双方向半導体スイッチの小型，軽量、およびコスト低減化が可能となる。
（２）そして、前記機械式スイッチには、その操作機構に連動して開閉動作する主接点と補助接点を備え、双方向半導体スイッチとそのゲート駆動回路からなるアッセンブリーを機械式スイッチに搭載して構成することで、ハイブリッド形開閉器を小形，コンパクトに構成できる。
（３）また、双方向半導体スイッチの逆阻止型ＩＧＢＴをＯＮ／ＯＦＦ制御するゲート駆動回路には、その抵抗分圧回路に断路用の補助接点を介挿接続した上で、該補助接点を機械式スイッチの開極時に主接点の開極動作より遅れて遅延開極動作させるようにしたことにより、機械式スイッチから双方向半導体スイッチの逆阻止型ＩＧＢＴに転流した主回路電流を遮断した直後に、主回路の電源電圧を受けて逆阻止型ＩＧＢＴが誤点弧するのを防ぐことができて電流遮断機能の信頼性が向上する。
（４）さらに、機械式スイッチの主接点については、該主接点を双接点形接点としてその橋絡可動接点にゲート駆動回路の入力端を接続するか、もしくは２極に分けて直列接続した２組の主接点を備えた上で、その接点相互間の接続部位にゲート駆動回路の入力端を接続することができ、特に２組の主接点を備えた後者の態様を採用することにより、ゲート駆動回路の信号入力配線が機械式スイッチの開極，閉極動作の動きを妨げるおそれなしに、機械式スイッチの主回路接点から外部に引き出した開閉器の接続端子を使って簡単に配線できる。

本発明の実施例１に係わるハイブリッド形開閉器の模式回路図である。 図１における機械式スイッチが閉極した状態での主回路電流の電流経路を表す図であり、（ａ），（ｂ）はそれぞれ主回路電流の方向が正逆反転した状態図である。 図２（ａ）に対応した回路電流遮断動作の説明図であって、（ａ）は機械式スイッチの開極動作開始直後における主回路電流，および逆阻止型ＩＧＢＴのゲート駆動回路に流れる制御電流の電流経路、（ｂ）は主回路電流が機械式スイッチから双方向半導体スイッチに転流した状態、（ｃ）は双方向半導体スイッチに転流した主回路電流が遮断した状態を表す図である。 機械式スイッチに適用する補助接点ユニット付きの電磁接触器に半導体スイッチを組み付けて構成したハイブリッド形開閉器の構造図であって、（ａ）は電磁接触器の内部構造を表す縦断面図、（ｂ）は電磁接触器の上面図である。 図４の電磁接触器に搭載した主接点，補助接点の配置、およびその開極動作の説明図であって、（ａ）は接点の閉極状態、（ｂ）は開極途上の状態、（ｃ）は開極動作完了の状態、（ｄ）は接点構成を模式的に表した図である。 本発明の応用実施例に係る開閉器の模式回路図であって、（ａ），（ｂ）は機械式スイッチの回路接点が異なる実施例の回路図である。 在来型のＩＧＢＴからなる双方向半導体スイッチを機械式スイッチに組み合わせて構成した従来のハイブリッド形開閉器の模式回路図である。 図７における機械式スイッチが閉極した通電状態での主回路電流の電流経路を表す図であって、（ａ），（ｂ）は主回路電流の方向が正逆反転した各状態図である。 図８（ａ），（ｂ）に対応する通電状態から、機械式スイッチの開極動作開始直後における主回路電流、および半導体スイッチのゲート駆動回路に流れる制御電流の電流経路を表す図である。 図９（ａ），（ｂ）の状態から主回路電流が半導体スイッチに転流した状態の電流経路を表す図である。 図１０（ａ），（ｂ）の状態から半導体スイッチをＯＦＦして主回路電流の遮断が完了した状態図である。

以下、本発明による実施の形態を図１〜図６に基づいて説明する。なお、図示実施例の図中で図７に対応する部材には同じ符号を付してその説明は省略する。

図１において、ハイブリッド形開閉器は先記した従来提案の開閉器（図7参照）と同様に、直流の主回路１に接続した機械式スイッチ２（配線用遮断器，漏電遮断器，電磁開閉器など）と、該機械式スイッチ２の主接点２１に並列接続した双方向半導体スイッチ３との組み合わせから構成されており、ここで機械式スイッチ２の主接点２１は一対の固定接点２ａ，２ｂと橋絡可動接点２ｃからなる。一方、双方向半導体スイッチ３は逆耐圧性を有する２個の逆阻止型ＩＧＢＴ（ＲＢ−ＩＧＢＴ：Reverse Blocking Insulated Gate Bipolar Transistor）４−１，４−２の単体素子を逆並列接続してなる双方向スイッチであり、この双方向半導体スイッチ３はその両端（コレクタ，エミッタ端子）を主回路１の端子１１，１２に分岐接続して機械式スイッチ２の主接点２１に並列接続するようにしている。

また、双方向半導体スイッチ３には次記構成になるゲート駆動回路９を付設し、機械式スイッチ２の開極動作時にその主接点２１の固定／可動接点間に発生したアーク電圧をこのゲート駆動回路９を介して逆阻止型ＩＧＢＴ４−１，４−２のゲートｇ１，ｇ２に印加し、双方向半導体スイッチ３をＯＮ／ＯＦＦ制御するようにしている。

すなわち、このゲート駆動回路９は、分圧抵抗５と分圧抵抗６−１，６−２とをＴ字接続し、図示のように機械式スイッチ２の橋絡可動接点２ｃと逆阻止型ＩＧＢＴ４−１，４−２の両端（コレクタ／エミッタ端子）との間に接続した分圧回路と、該分圧回路の分圧抵抗６−１，６−２に並列接続した定電圧素子（ツェナーダイオード）７とからなり、逆阻止型ＩＧＢＴ４−１，４−２のゲートｇ１，ｇ２は、分圧抵抗６−１，６−２、および定電圧素子７を介してエミッタ端子側に接続されている。

また、前記ゲート駆動回路９の分圧回路には、詳細を後記するように機械式スイッチ２の開極時に主接点２１より遅れて遅延開極動作する断路用の補助接点２２−１，２２−２が、前記Ｔ字接続点を挟んで分圧抵抗６−１と６−２の間には介挿接続されている。

次に、前記構成になるハイブリッド形開閉器の電流遮断動作について説明する。先ず、機械式スイッチ２を通じて主回路電流が順方向，逆方向に流れている状態を図２（ａ），（ｂ）に示す。この通電状態では、主回路電流は閉極している機械式スイッチ２の主接点２１を通じて流れ、主接点２１の固定／可動接点間の電圧は０Ｖである。したがって、逆阻止型ＩＧＢＴ４−１，４−２のゲート電圧は０Ｖで、逆阻止型ＩＧＢＴ４−１，４−２はいずれもＯＦＦ状態である。

この通電状態（主回路端子１１が（＋）、端子１２が（−）極）で機械式スイッチ２を開極すると、機械式スイッチ２の開極動作開始直後には、図３（ａ）に示すように主接点２１の固定／可動接点間に直流アークａｒｃが発生し、このアーク発生に伴い主接点２１の固定／可動接点間にアーク電圧（電圧降下）が発生する。なお、このアーク電圧は接点の材質と接点間の開極距離により決まり、主接点２１の開極初期では接点材料にほぼ依存して１接点当たり１５Ｖ程度のアーク電圧が発生し、接点の開極距離が増すに従ってアーク電圧が増加して開極距離が３mm程度になるとアーク電圧が３０Ｖ以上に上昇する。

これにより、ゲート駆動回路９には機械式スイッチ２の橋絡可動接点２ｃに接続した分圧抵抗５→補助接点２２−１→分圧抵抗６−１を通じて点線矢印で表す制御電流が流れ、その分圧抵抗６−１による分圧出力が逆阻止型ＩＧＢＴ４−１のゲートｇ１／エミッタｅ１間に順バイアスとして印加される。ここで、ＩＧＢＴ４−１のゲート電圧は分圧抵抗５と６−１の分圧比、および分圧抵抗６−１と逆阻止型ＩＧＢＴ４−１の入力容量（ゲート／エミッタ間のキャパシタンス）との時定数にしたがって上昇し、そのゲート電圧が定電圧素子（ツェナーダイオード）７で制限される電圧値（ツェナーダイオードの制限電圧をＩＧＢＴのゲートしきい値電圧に合わせて１５〜１８Ｖに設定しておく）まで上昇すると、ＩＧＢＴ４−１がターンオンに遷移してＯＮ状態に切り換わる。

このようにして、逆阻止型ＩＧＢＴ４−１がＯＮ状態になると、図３（ｂ）で表すように、いままで機械式スイッチ２の主接点２１に流れていた主回路電流は逆阻止型ＩＧＢＴ４−１に転流し、これに伴っていままで機械式スイッチ２の主接点２１に生じていたアークが消滅して固定／可動接点間に発生していたアーク電圧も消失する。

また、上記した一連の開極動作過程で、主回路電流が逆阻止型ＩＧＢＴ４−１に転流して機械式スイッチ２の主接点２１に生じていたアークが消滅した状態になると、ゲート駆動回路９の分圧回路（図中に表したＣ1−Ｃ2間）に加わる電圧は逆阻止型ＩＧＢＴ４−１のＯＮ電圧（２Ｖ程度）に低下する。したがって、逆阻止型ＩＧＢＴ４−１の入力容量に蓄えられていた充電電荷は分圧回路中のＣ3点を通じて分圧抵抗６−１に放電し、これに伴い逆阻止型ＩＧＢＴ４−１はゲート電圧が低下してＯＮからＯＦＦ状態に切り換わって双方向半導体スイッチ３に転流した主回路電流が遮断される。

また、前記ゲート駆動回路９の分圧回路に介挿接続した補助接点２２−１，２２−２については、後記のように機械式スイッチ２の開閉操作機構に連繋し、主接点２１と連動してその開極動作から遅れて補助接点２２−１，２２−２が遅延開極動作するよう設定している。

そして、前述した一連の電流遮断動作過程で、主回路電流が機械式スイッチ２から双方向半導体スイッチ３の逆阻止型ＩＧＢＴに転流した後に、補助接点２２−１，２２−２を開極してゲート駆動回路９を主回路１に通じる経路からを断路すると、これで一連の電流遮断動作が完了して主回路電流が完全に遮断されることになる（図３（ｃ）参照）。

なお、図３（ａ）〜（ｃ）では、主回路１の主回路端子１１が（＋）極、端子１２が（−）極で主回路電流が順方向に通電する場合について述べたが、これとは逆に主回路電流が主回路端子１２から１１に向けて流れている通電状態では、前記と逆に機械式スイッチ２の開極動作に伴って主接点２１に発生したアーク電圧のうち、固定接点２ａ／可動接点２ｃ間のアーク電圧が分圧抵抗５→補助接点２２−２→分圧抵抗６−２を介して逆阻止ＩＧＢＴ４−２のゲートｇ２に順バイアス電圧として印加され、これにより逆阻止型ＩＧＢＴ４−２がターンオンして主回路電流が半導体スイッチ３に転流し、その後に逆阻止型ＩＧＢＴ４−２がＯＦＦに切り換わって主回路電流を遮断する。これにより、蓄電池の充放電回路のように主回路電流が順逆反転する場合でも、その電流方向に制約されることなく双方向の主回路電流を遮断することができる。

ところで、前述した一連の電流遮断動作過程で、機械式スイッチ２から半導体スイッチ３の逆阻止型ＩＧＢＴに転流した主回路電流が遮断された図３（ｃ）の状態になると、ゲート駆動回路９の分圧回路に対して図中のＣ1−Ｃ2間には主回路電源（不図示）に対応した電圧が印加されるようになる。

この場合に、ゲート駆動回路９の分圧回路中に先記した補助接点２２−１，２２−２が接続されて無いと、図中のＣ1−Ｃ2間に印加される電源電圧に対応する分圧抵抗６−１，ないし６−２の分圧出力を受けて逆阻止型ＩＧＢＴのゲート電圧（順バイアス電圧）が再び上昇し、これが基で直前にターンオフしてＯＦＦ状態になっていた逆阻止型ＩＧＢＴが誤点弧（ターンオン）して主回路電流の遮断不能を引き起こすおそれがある。

かかる点、図示実施例の回路（図１参照）のように、ゲート駆動回路９の分圧回路に機械式スイッチ２の主接点２１より遅れて遅延開極動作する補助接点２２−１，２２−２を介挿接続しておけば、主回路電流の遮断後に主回路の電源電圧を受けて逆阻止型ＩＧＢＴが誤点弧するおそれが無くなり、これにより逆阻止型ＩＧＢＴが完全にＯＦＦ状態となって主回路電流の遮断動作が完了することになる。

なお、図示実施例のゲート駆動回路９では、分圧抵抗５，６−１，６−２をＴ字接続した分圧回路に対して、２個の断路用補助接点２２−１，２２−２を図示のようにＴ字接続点を挟んで分圧抵抗２２−１と２２−２の間に振り分けて介挿接続しているが、先述のようにこの補助接点２２−１，２２−２の役目は、逆阻止型ＩＧＢＴ４−１，４−２をＯＦＦ制御して双方向半導体スイッチ３に転流した主回路電流を遮断した状態で、主回路１の電源電圧を受けて逆阻止型ＩＧＢＴが誤点弧するのを防ぐように前記分圧回路を主回路側から切り離すためのものであることから、主回路電流の通電方向に関係なく補助接点２２−１，２２−２のいずれか一方を設けるだけでも同様な逆阻止型ＩＧＢＴの誤点弧防止機能を果たすことができる。

また図示実施例のゲート駆動回路９では、その分圧回路の分圧出力を逆阻止型ＩＧＢＴのゲート／エミッタ間に印加してその入力容量（ゲート／エミッタのキャパシタンス）を充電するようにしているが、これとは別に従来提案の回路（図７参照）と同様に、ゲート駆動回路９の分圧抵抗６−１，６−２に別な充電用のコンデンサを並列接続してもよい。

次に、先記したゲート駆動回路９についての設定条件を補足説明する。すなわち、機械式スイッチ２の開極動作時に逆阻止型ＩＧＢＴ４−１，４−２をターンオンして主回路電流を双方向半導体スイッチ３に転流させる過程では、逆阻止型ＩＧＢＴ４−１，４−２のゲートｇ１，ｇ２に印加される電圧（順バイアス）は、機械式スイッチ２の主回路接点２１に発生するアーク電圧と、ゲート駆動回路９の分圧抵抗５，６−１，６−２の抵抗値、およびその分圧比との関係により決まる。そこで、この分圧抵抗５，６−１，６−２の抵抗値，およびその分圧比は、機械式スイッチ２の主接点２１（固定／可動接点間）に発生したアーク電圧を受けて逆阻止型ＩＧＢＴ４−１，４−２のゲート電圧が所定のしきい値電圧まで上昇するように設定するものとし、具体的には機械式スイッチ２の回路接点２１に発生するアーク電圧が３０Ｖである場合には、分圧抵抗５と分圧抵抗６−１，６−２の抵抗比が約１：１か、それ以上に設定することで、逆阻止型ＩＧＢＴのゲートに１５Ｖ以上の電圧を印加してＯＮ状態に切り換えることができる。

また、機械式スイッチ２の開極動作開始時点から逆阻止型ＩＧＢＴ４−１，４−２がＯＮ状態に切り換わるターンオン時間は、逆阻止型ＩＧＢＴの入力容量と、充電抵抗として機能するゲート駆動回路９の分圧抵抗との時定数との関係により決定されることから、このターンオン時間が例えば数十μsec〜数百μsec程度の範囲に納まるようにゲート抵抗値を設定し、機械式スイッチ２の開極動作開始から約数百μsec以内に逆阻止型ＩＧＢＴ４−１、４−２のターンオンが完了するように設定するのがよい。

そのほか、機械式スイッチ２の主接点２１に遅れて開極動作する補助接点２２−１，２２−２の遅延時間は、一連の電流遮断動作過程で主接点２１の開極動作に伴い逆阻止型ＩＧＢＴの一方がＯＮ状態に切り換わって主回路電流が双方向半導体スイッチ３に転流した後に補助接点が開極するように設定するものとし、そのための具体的手段としては、次記のように機械式スイッチ２の開閉操作機構に連繋して開閉動作する主接点２１と補助接点との間に異なる接点ワイプ量を設定し、主接点２１の開極動作開始から数ｍsec遅れて補助接点２２−１，２２−２が開極するように設定することができる。

次に、図示実施例のハイブリッド形開閉器に適用する機械式スイッチ２についての具体な組立構造、およびこの機械式スイッチ２に搭載した主接点２１，補助接点２２−１，２２−２の接点構成、およびその接点ワイプ量設定を図４，図５について説明する。

まず、機械式スイッチ２に適用する電磁接触器（３極形電磁接触器）の組立構造を図４（ａ），（ｂ）に示す。図において、２３は電磁接触器のフレーム（外囲ケース）、２４は操作用電磁石、２５は操作用電磁石２４の可動鉄心に連結して主接点２１（図１参照）の橋絡可動接点２ｃを保持した可動接点ホルダー、２５ａは橋絡可動接点２ｃを固定接点２ａ，２ｂに向けて押圧付勢する接触ばね、２６，２７は一対の固定接点２ａ．２ｂを有する端子板に設けた主回路端子（ねじ端子）であり、フレーム２３の頂部には先記した双方向半導体スイッチ３，およびそのゲート駆動回路９（プリント板）のアッセンブリーが一体に組み付けられている。また、図４（ｂ）で示すように、フレーム２３の側面には補助接点ユニット２２（電磁接触器のオプション品）が着脱可能に装着されており、この装着位置で補助接点ユニット２２に備えた補助接点２２−１，２２−２（図１参照）が主接点２１と連動して開極／閉極するように操作用電磁石２４の可動鉄心に連繋されている。

一方、図５（ａ）〜（ｄ）は図４の電磁接触器（機械式スイッチ２）に搭載した主接点２１と補助接点２２−１，２２−２についての接点配置、およびその開極動作を模式的に表した説明図であり、補助接点２２−１，２２−２の固定接点は接点台座２８に形成した高さΔｈの段差部２８ａに配置し、主接点２１の接点ワイプ量（接点が接触し始めてから、完全に「閉」状態になるまでの接点ホルダーの移動量）に対して、補助接点２２−１，２２−２の接点ワイプ量が前記段差Δｈに対応した分だけ大きくなるよう設定している。

上記の接点配置により、図５（ａ）の閉極状態（主接点２１，補助接点２２−１，２２−２がともに「閉」）から電磁接触器の操作用電磁石２４（図４参照）に開極指令を与えて開極すると、主接点２１が補助接点２２−１，２２−２よりも先に開き始め（図５（ｂ）参照）、主接点２１より遅れて補助接点２２−１，２２−２が開極（図５（ｃ）参照）する。なお、前記した主接点と補助接点の間の接点ワイプ量差（Δｈに対応）は、主接点２１の開極動作に遅れて開極する補助接点２２−１，２２−２の遅延時間が先記設定条件のように数ｍsecとなるように調整しておく。

これにより、先記した一連の電流遮断動作過程で、機械式スイッチ２の主接点２１に流れていた主回路電流が、完全に双方向半導体スイッチ３の逆阻止型ＩＧＢＴに転流する以前に逆阻止型ＩＧＢＴがＯＦＦしないようにして、主回路電流の転流を確実に行うことができる。

なお、図５のように主接点２１と補助接点２２−１，２２−２との間に接点ワイプ量の差を設定しておくことで、この機械式スイッチ２の投入行程では最初に補助接点が閉極し、これに遅れて主接点が閉極するようになる。したがって、図３（ｃ）の主回路電流遮断状態から機械式スイッチ２を再投入する際には、その主接点２１が閉極する前に先立ちゲート駆動回路９の補助接点２２−１，２２−２が閉極して逆阻止型ＩＧＢＴがターンオンし、主回路電流が双方向半導体スイッチ３を流れるようになる。これにより、機械式スイッチ２の主接点２１が閉極動作する際にその固定／可動接点の接触子同士が衝突して接点バウンズが生じても、その固定／可動接点間のアーク発生なしに閉極させることができて接点損耗を抑制できる。

次に、本発明の応用実施例として、請求項６に対応する実施例２の回路構成を図６（ａ），（ｂ）に示す。すなわち、先記した実施例１（図１参照）では、機械式スイッチ２の回路接点２１が一対の固定接点２ａ，２ｂと橋絡可動接点２ｃからなる双接点形接点であり、その橋絡可動接点２ｃにゲート駆動回路９の分圧抵抗５に通じるゲート信号入力端を接続し、機械式スイッチ２の開極動作時にその主接点に発生するアーク電圧を逆阻止型ＩＧＢＴのゲートに印加するようにしている。

これに対して、図６（ａ），（ｂ）に示す実施例２では、機械式スイッチ２の主接点として、２極に分けて直列接続した２組の主接点２１−１と２１−２を備え、その接点相互間の接続部位（図中のＰ点）にゲート駆動回路９の信号入力端（分圧抵抗５のリード線）を接続するようにしている。なお、図６（ａ）では２組の主接点２１−１，２１−２を片切形接点、図６（ｂ）では主接点２１−１，２１−２を双接点形接点としている。

すなわち、図１に示した実施例１では、主接点２１の橋絡可動接点２ｃにゲート駆動回路９の信号入力側端子を接続していることから、機械式スイッチ２に電磁接触器などの小形スイッチを採用した場合は、その接点組立構造の制約から主接点２１の橋絡可動接点２ｃにゲート駆動回路９の信号入力端を接続配線することが困難となるほか、その接続リード線が干渉して回路接点の開極，閉極動作の動きを阻害するおそれもある。

これに対して、図６（ａ），（ｂ）のように機械式スイッチ２の主接点を２組の主接点２１−１，２１−２に分けた上で、この機械式スイッチに電磁接触器や配線用遮断器（単相用）を適用すれば、ケース外方に引き出した各極の主回路端子（ねじ端子）を利用して主接点相互間の直列接続、およびゲート駆動回路に通じるリード線の配線接続を容易に行うことができるほか、実施例１（図１参照）のように、ゲート駆動回路９に接続するリード線が接点の開閉動作に干渉してその動きを妨げるおそれも無い。

１ 主回路
１１，１２ 主回路端子
２ 機械式スイッチ
２１，２１−１，２１−２ 主接点
２２−１，２２−２ 補助接点
３ 双方向半導体スイッチ
４−１，４−２ 逆阻止型ＩＧＢＴ
５，６−１，６−２ 分圧抵抗
７ 定電圧素子（ツェナーダイオード）
９ ゲート駆動回路

Claims (6)

1. 主回路に接続した機械式スイッチと、該機械式スイッチの主接点に並列接続した半導体スイッチとの組み合わせからなり、前記機械式スイッチの開極動作時に、その主接点に流れていた主回路電流を半導体スイッチに転流させて遮断するようにしたハイブリッド形開閉器において、
   逆耐圧性能を有する２個の逆阻止型ＩＧＢＴ（ＲＢ−ＩＧＢＴ：Reverse Blocking Insulated Gate Bipolar Transistor）を逆並列接続してなる双方向半導体スイッチを前記機械式スイッチの主接点に並列接続した上で、機械式スイッチの開極動作時にはその主接点に発生するアーク電圧を双方向半導体スイッチのゲート駆動回路を経て逆阻止型ＩＧＢＴのゲートに印加し、双方向半導体スイッチをＯＮ／ＯＦＦ制御するようにするとともに、
   前記ゲート駆動回路には、機械式スイッチの開極時にその主接点より遅れて遅延開極動作してゲート駆動回路を主回路に連なる経路から切り離す断路用の補助接点を設けたことを特徴とするハイブリッド形開閉器。
2. 請求項１に記載のハイブリッド形開閉器において、ゲート駆動回路は、機械式スイッチの開極に伴ってその主接点に発生したアーク電圧を入力としてその分圧出力を各逆阻止型ＩＧＢＴのゲート端子に印加するように、分圧抵抗をＴ字接続して前記アーク電圧の入力端と主回路に連なる双方向半導体スイッチの両端との間に接続した分圧回路と、該分圧回路の分圧抵抗に並列接続した定電圧素子と、前記分圧回路の分圧抵抗間に介挿接続した断路用の補助接点とからなることを特徴とするハイブリッド形開閉器。
3. 請求項１または２に記載のハイブリッド形開閉器において、機械式スイッチは、その開閉操作機構に連繋して連動動作する主接点と補助接点を備え、前記双方向半導体スイッチとそのゲート駆動回路からなるアッセンブリーを前記機械式スイッチに搭載したことを特徴とするハイブリッド形開閉器。
4. 請求項２に記載のハイブリッド形開閉器において、前記補助接点の接点ワイプ量を主接点の接点ワイプ量よりも大に設定し、機械式スイッチの開極時に主接点の開極動作より遅れて補助接点を遅延開極動作させるようにしたことを特徴とするハイブリッド形開閉器。
5. 請求項１ないし３のいずれかの項に記載のハイブリッド形開閉器において、機械式スイッチには、１極当たり一対の固定接点と橋絡可動接点からなる双接点形の主接点を備え、該主接点の橋絡可動接点にゲート駆動回路のアーク電圧入力端を接続したことを特徴とするハイブリッド形開閉器。
6. 請求項１ないし３のいずれかの項に記載のハイブリッド形開閉器において、機械式スイッチには、２極に分けてその相互間を直列接続した２組の主接点を備え、該主接点相互間の接続部位に前記ゲート駆動回路のアーク電圧入力端を接続したことを特徴とするハイブリッド形開閉器。

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