JP6901183B2

JP6901183B2 - 直流消弧回路および装置

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Publication number: JP6901183B2
Application number: JP2020502664A
Authority: JP
Inventors: 郭橋石
Original assignee: 郭橋石
Priority date: 2017-07-24
Filing date: 2018-07-19
Publication date: 2021-07-14
Anticipated expiration: 2038-07-19
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Description

本発明は、直流消弧回路および装置に関し、特に、機械式スイッチなどの機械接点に対して急速にアークを消弧するのに適する直流消弧回路および装置に関し、他の遮断点（例えば、ヒューズの溶断、コンセントに対するプラグの抜き差し、導線の断線点）に対する消弧にも適用できる。

現在、新エネルギー車、軌道交通、艦船などの直流電気制御システムにおいて、一般に、接触器（リレー）などの機械式スイッチで負荷の投入および遮断を制御する。直流では、零点がないため、遮断時に強力なアークが発生し、機械式スイッチのコストが高く（高圧接触器）、電気的寿命が短いという欠点がある。機械式スイッチは、図１のあるブランドの高圧接触器の遮断電圧（すなわち、アーク遮断電圧）に対する電気的寿命のグラフに示すように、遮断電圧が大きくなるにつれて、機械式スイッチの電気的寿命が大幅に低下する。

本発明は、従来の直流電気制御システムにおいて機械式スイッチの電気的寿命が短いという問題を解決し、消弧効果が良く、機械式スイッチの遮断電圧（アーク遮断電圧）を低下させ、消弧速度が速い直流消弧回路および装置を提供することを目的とする。

本発明の目的は、以下の技術の手段により達成される。

消弧される機械式スイッチと負荷とが直列接続されている直流消弧回路であって、パワー半導体デバイスとコンデンサを含み、前記パワー半導体デバイスと前記コンデンサとが接続され、前記機械式スイッチでの遮断中、前記パワー半導体デバイスは、前記機械式スイッチの両端の電位差が５Ｖよりも大きい場合オンになり、電流が前記パワー半導体デバイス及び前記負荷を流れて、前記機械式スイッチの遮断時のアークを消弧し、前記電流は前記コンデンサの充電電流または放電電流である。

直流消弧回路であって、前記機械式スイッチでの遮断中、前記パワー半導体デバイスは、前記機械式スイッチの両端の電位差が５Ｖを超えかつ２０Ｖ以下の区間においてオンになるか、または２０Ｖを超えかつ前記機械式スイッチの動作電圧未満の区間においてオンになる。

直流消弧回路であって、前記パワー半導体デバイスは前記機械式スイッチの発弧後にオンになる。

直流消弧回路であって、前記機械式スイッチでの遮断中、前記パワー半導体デバイスは、前記機械式スイッチの接点間の開離距離に対する破壊電圧が前記機械式スイッチの動作電圧よりも大きい場合、オンになる。

上述した直流消弧回路を含む直流消弧装置であって、前記パワー半導体デバイスは、非自己消弧型デバイスであり、前記非自己消弧型デバイスのトリガ極が前記非自己消弧型デバイスのアノードまたは第２アノードに接続されて電圧検出スイッチを形成し、前記パワー半導体デバイスと前記コンデンサは第１直列接続回路を構成し、前記第１直列接続回路と前記機械式スイッチとが並列接続されている。

直流消弧装置であって、第１半導体デバイスをさらに含み、前記第１半導体デバイスのオン電圧が３Ｖよりも大きく、前記非自己消弧型デバイスのトリガ極は前記第１半導体デバイスを介して前記アノードまたは前記第２アノードに接続されている。

直流消弧装置であって、前記第１半導体デバイスはツェナーダイオード、TVSダイオード、トリガダイオード、または感圧抵抗である。

直流消弧装置であって、第２ダイオードをさらに含み、前記第２ダイオードと、前記第１半導体デバイスと、前記非自己消弧型デバイスのトリガ極とが直列接続されている。

直流消弧装置であって、前記電圧検出スイッチの検出端と前記電圧検出スイッチの出力端とが絶縁分離されない。

直流消弧装置であって、前記電圧検出スイッチは遅延半導体スイッチである。

直流消弧装置であって、前記電圧検出スイッチは２端子回路である。

直流消弧装置であって、前記コンデンサから放電される放電ユニットをさらに含み、前記放電ユニットと前記非自己消弧型デバイスとが並列接続されている。

直流消弧装置であって、前記放電ユニットは、第１ダイオードまたは第１電流制限素子で構成されるか、または第１ダイオードと第１電流制限素子とが直列接続されて構成される。

直流消弧装置であって、絶縁材料でデバイスとしてパッケージされる。

直流消弧装置であって、前記コンデンサから放電される放電ユニットとともに、絶縁材料でデバイスとしてパッケージされる。

上述した直流消弧回路を含む直流消弧装置であって、制御ユニットをさらに含み、前記制御ユニットは前記パワー半導体デバイスに接続されている。

直流消弧装置であって、前記制御ユニット及び前記パワー半導体デバイスで電圧検出スイッチを構成し、前記機械式スイッチと前記負荷との接続端の電圧信号が前記制御ユニットに伝達され、前記コンデンサと前記パワー半導体デバイスは第１直列接続回路を構成し、前記第１直列接続回路と前記機械式スイッチとが並列接続されている。

直流消弧装置であって、前記機械式スイッチでの遮断中、前記制御ユニットは、前記機械式スイッチの接点が開極されたことを検出した場合、遅延の時間が１００μｓを超えるように前記パワー半導体デバイスのオンを遅延制御する。

直流消弧装置であって、前記制御ユニットは前記電圧信号のＡ／Ｄ収集を行う。

直流消弧装置であって、前記コンデンサから放電される放電ユニットをさらに含み、前記放電ユニットと前記パワー半導体デバイスとが並列接続され、前記コンデンサから前記機械式スイッチ及び前記放電ユニットを介して放電し、前記電圧信号は前記負荷の電圧である。

直流消弧装置であって、前記電圧信号は、前記負荷の電圧、または前記パワー半導体デバイスに対する他端の電圧、または前記機械式スイッチに対する電源入力端の電圧である。

直流消弧装置であって、前記パワー半導体デバイスは非自己消弧型デバイスである。

直流消弧装置であって、前記機械式スイッチの制御信号が前記制御ユニットに伝達されるか、または前記制御ユニットの制御信号が前記機械式スイッチに伝達される。

直流消弧装置であって、前記制御ユニットは、適応制御プログラムを記憶し、前記電圧信号または前記パワー半導体デバイスの前記負荷との接続端に対する他端の電圧信号の変化に応じて、消弧制御パラメータを最適化する。

直流消弧装置であって、前記コンデンサから放電される放電ユニットをさらに含み、前記放電ユニットは少なくとも放電用スイッチを含み、前記制御ユニットの制御信号が前記放電用スイッチに伝達される。

直流消弧装置であって、前記放電用スイッチは第１半導体スイッチであり、前記第１半導体スイッチは非自己消弧型デバイスである。

直流消弧装置であって、第１電流制限素子をさらに含み、前記放電用スイッチと前記第１電流制限素子とが直列接続されている。

直流消弧装置であって、前記放電用スイッチと前記コンデンサとが並列接続され、前記機械式スイッチの閉動作中、前記制御ユニットは前記放電用スイッチ及び前記パワー半導体デバイスがオンになるように制御して前記負荷に給電し、その後、前記機械式スイッチが閉じられ、前記機械式スイッチでの遮断動作中、前記放電用スイッチがオフ状態にある。

直流消弧装置であって、第４半導体スイッチをさらに含み、前記第４半導体スイッチは非自己消弧型デバイスであり、前記第４半導体スイッチの制御端は前記制御ユニットに接続され、前記コンデンサと前記第４半導体スイッチは第２直列接続回路を構成し、前記機械式スイッチの入力電源端から前記第４半導体スイッチ、前記パワー半導体デバイス、及び前記負荷を介して前記コンデンサを充電する。

直流消弧装置であって、第３ダイオードをさらに含み、前記コンデンサから前記放電用スイッチ及び前記第３ダイオードを介して放電する。

直流消弧装置であって、前記放電用スイッチ及び前記パワー半導体デバイスは非自己消弧型スイッチであり、前記第２直列接続回路と、前記放電用スイッチと、前記パワー半導体デバイスとが接続された共通端の電圧信号は、前記制御ユニットに接続される。

直流消弧装置であって、前記パワー半導体デバイスの動作状態を検出する。

直流消弧装置であって、前記放電用スイッチの動作状態を検出する。

直流消弧装置であって、前記第４半導体スイッチの動作状態を検出する。

直流消弧装置であって、前記制御ユニットは、前記機械式スイッチでの遮断の状態において発弧を検出した場合、前記パワー半導体デバイスがオンになるように制御する。

直流消弧装置であって、前記機械式スイッチは、それぞれが第１機械式スイッチ及び第２機械式スイッチであるとの２つの機械式スイッチを少なくとも含み、前記負荷は、それぞれが第１負荷及び第２負荷であるとの２つの負荷を少なくとも含み、前記パワー半導体デバイスは、それぞれが第１パワー半導体デバイス及び第２パワー半導体デバイスであるとの２つのパワー半導体デバイスを少なくともを含む。

直流消弧装置であって、第４機械式スイッチをさらに含み、前記第４機械式スイッチと、前記放電用スイッチと前記第１直列接続回路とが直列接続され、前記制御ユニットの制御信号は前記第４機械式スイッチの制御端に接続されている。

直流消弧装置であって、前記機械式スイッチでの遮断中、前記制御ユニットは、前記機械式スイッチの接点が開極されたことを検出した場合、遅延の時間が１００μｓを超えるように前記パワー半導体デバイスのオンを遅延制御し、前記制御ユニットは、前記負荷の電流に関するパラメータを記憶するか、または前記負荷の電流に関するパラメータが入力され、前記機械式スイッチでの遮断動作中、前記負荷の電流が大きいほど前記遅延の時間を長くする。

直流消弧回路であって、図２に示すように、消弧される機械式スイッチＫ１と負荷ＲＬ１とが直列接続され、パワー半導体デバイスＴＲ１と、コンデンサＣ１を含み、パワー半導体デバイスＴＲ１とコンデンサＣ１とが接続され、機械式スイッチＫ１での遮断中、パワー半導体デバイスＴＲ１は、機械式スイッチＫ１の両端の電位差が５Ｖよりも大きい場合オンになり、電流がパワー半導体デバイスＴＲ１及び負荷ＲＬ１を流れて、機械式スイッチＫ１の遮断時のアークを消弧し、電流はコンデンサＣ１の充電電流である（備考：Ｐ１端と負荷ＲＬ１端とを接続する場合、電流はコンデンサＣ１の放電電流である）。

動作原理：機械式スイッチＫ１での遮断中、パワー半導体デバイスＴＲ１は、機械式スイッチＫ１の両端の電位差が５Ｖよりも大きい場合オンになり、機械式スイッチＫ１の電源入力端から出力した電流がパワー半導体デバイスＴＲ１及び負荷ＲＬ１を介してコンデンサＣ１を充電し、当該電流はコンデンサＣ１の充電電流である。これによって、負荷ＲＬ１の電圧が急速に上昇し、機械式スイッチＫ１の接点間の電界強度が急速に低下し、機械式スイッチＫ１の遮断時のアークを消弧するという目的を達成する（すなわち、アークなしの遮断、またはアーク時間が極めて短い遮断という目的を達成する）。なお、図１に示すコンデンサＣ１の充電電源は、機械式スイッチＫ１の電源入力端から供給され、コストが低く、回路が簡単であるという利点があるが、実際の使用時、他の電源をコンデンサＣ１の充電電源として採用してもよい。

Ｐ１端が負荷ＲＬ１端に接続されるように変更すれば、動作原理は以下のとおりである。

機械式スイッチＫ１が閉じられると、パワー半導体デバイスＴＲ１がオンになるように制御してコンデンサＣ１を充電する（予め他の電源を用いてコンデンサを満充電してもよい）。機械式スイッチＫ１での遮断中、パワー半導体デバイスＴＲ１は、機械式スイッチＫ１の両端の電位差が５Ｖよりも大きい場合オンになり、電流がパワー半導体デバイスＴＲ１及び負荷ＲＬ１を流れて、当該電流はコンデンサＣ１の放電電流である。これによって、負荷ＲＬ１の電圧が急速に上昇し、機械式スイッチＫ１の接点間の電界強度が急速に低下し、機械式スイッチＫ１の遮断時のアークを消弧するという目的を達成する（すなわち、アークなしの遮断、またはアーク時間が極めて短い遮断という目的を達成する）。

本発明の設計が合理的であり、パワー半導体デバイスＴＲ１は、機械式スイッチＫ１の両端の電位差が５Ｖよりも大きい場合オンになり、このとき、機械式スイッチＫ１の接点の両端には一定の開離距離があるので、アークを急速に消弧しやすく、アーク消弧後またはアークなしの遮断後、再点弧がにくい。本発明は消弧効果が良く、機械式スイッチの遮断電圧を低下させ、消弧速度が速いという利点がある。

図１は、背景技術に係わるあるブランドの高圧接触器の遮断電圧に対する電気的寿命のグラフである。図２は、本発明の直流消弧回路の回路原理図である。図３は、本発明の直流消弧装置の実施例１の回路原理図である。図４は、本発明の直流消弧装置の実施例２の回路原理図である。図５は、本発明の直流消弧装置の電圧検出スイッチの遅延回路図である。図６は、本発明の直流消弧装置のパッケージ模式図１である。図７は、本発明の直流消弧装置のパッケージ模式図２である。図８は、本発明の直流消弧装置の実施例３の回路原理図である。図９は、本発明の直流消弧装置の実施例４の回路原理図である。

本発明の直流消弧装置の実施例１は、図３に示すとおりである。

消弧される機械式スイッチＫ１と負荷ＲＬ１とが直列接続されている直流消弧回路であって、パワー半導体デバイスＴＲ１（非自己消弧型デバイス、双方向サイリスタ）とコンデンサＣ１を含み、機械式スイッチＫ１での遮断中、パワー半導体デバイスＴＲ１は、機械式スイッチＫ１の両端の電位差が５Ｖよりも大きい場合オンになり、電流がパワー半導体デバイスＴＲ１及び負荷ＲＬ１を流れて、機械式スイッチＫ１の遮断時のアークを消弧し、電流はコンデンサＣ１の充電電流である。

直流消弧装置であって、上述した直流消弧回路を含み、第１半導体デバイスＺ１（ツェナーダイオード）をさらに含み、パワー半導体デバイスＴＲ１のトリガ極が第１半導体デバイスＺ１を介してパワー半導体デバイスＴＲ１の第２アノードに接続されて電圧検出スイッチＡを構成し、パワー半導体デバイスＴＲ１とコンデンサＣ１とが直列接続されて第１直列接続回路を構成し、第１直列接続回路と機械式スイッチＫ１とが並列接続されている。

動作原理：機械式スイッチＫ１が閉じられると、コンデンサＣ１から機械式スイッチＫ１、パワー半導体デバイスＴＲ１を介して放電する。機械式スイッチＫ１での遮断中、機械式スイッチＫ１の両端の電位差が電圧検出スイッチＡのオン電圧よりも大きい（５Ｖよりも大きい）場合、それをトリガとして、パワー半導体デバイスＴＲ１がオンになり、機械式スイッチＫ１の入力電源端からパワー半導体デバイスＴＲ１、負荷ＲＬ１を介してコンデンサＣ１に急速に充電する。これによって、負荷ＲＬ１の両端の電圧が上昇し、機械式スイッチＫ１の接点間の電界強度が急速に低下し、機械式スイッチＫ１に対してアークを急速に消弧するという目的を達成する。

本実施例において、電圧検出スイッチＡに双方向サイリスタが採用され、回路が簡単であるという利点がある。

本発明の消弧装置の実施例２は、図４に示すとおりである。

消弧される機械式スイッチＫ１と負荷ＲＬ１とが直列接続されている直流消弧回路であって、パワー半導体デバイスＳＣＲ１（非自己消弧型デバイス、単方向サイリスタ）とコンデンサＣ１を含み、機械式スイッチＫ１での遮断中、パワー半導体デバイスＳＣＲ１は、機械式スイッチＫ１の両端の電位差が５Ｖよりも大きい場合オンになり、電流がパワー半導体デバイスＳＣＲ１、負荷ＲＬ１を流れて、機械式スイッチＫ１の遮断時のアークを消弧し、電流はコンデンサＣ１の充電電流である。

直流消弧装置であって、上述した直流消弧回路を含み、第１半導体デバイスＺ１（ツェナーダイオード）と、第２ダイオードＤ２と、放電ユニットＢをさらに含み、パワー半導体デバイスＳＣＲ１のトリガ極が第２ダイオードＤ２（逆電圧による回路への影響を防ぐために使用される）、及び第１半導体デバイスＺ１を介してパワー半導体デバイスＳＣＲ１のアノードに接続されて、機械式スイッチＫ１の両端の電位差を検出するための電圧検出スイッチＡを構成し、パワー半導体デバイスＳＣＲ１とコンデンサＣ１とが直列接続されて第１直列接続回路を構成し、第１直列接続回路と機械式スイッチＫ１とが並列接続されている。

放電ユニットＢは、パワー半導体デバイスＳＣＲ１と並列接続され、第１ダイオードＤ１と第１電流制限素子Ｒ１（抵抗）とが直列接続されて構成され、実際の状況に応じて、第１電流制限素子Ｒ１または第１ダイオードＤ１のみで構成されてもよい。

動作原理：機械式スイッチＫ１が閉じられると、コンデンサＣ１から機械式スイッチＫ１、放電ユニットＢを介して放電する。機械式スイッチＫ１での遮断中、機械式スイッチＫ１の両端の電位差が電圧検出スイッチＡのオン電圧よりも大きい場合、それをトリガとして、パワー半導体デバイスＳＣＲ１がオンになり、コンデンサＣ１はパワー半導体デバイスＳＣＲ１、負荷ＲＬ１を介して急速に充電される。これによって、負荷ＲＬ１の両端の電圧が上昇し、機械式スイッチＫ１の接点間の電界強度が急速に低下し、機械式スイッチＫ１に対してアークを急速に消弧するという目的を達成する。

本実施例において、電圧検出スイッチＡに単方向サイリスタが採用され、電流上昇レートに対する耐性が高く、信頼性がよいという利点がある。また、放電ユニットＢが採用され、第１電流制限素子Ｒ１が直列接続される場合に、電流による衝撃が低いという利点がある。

上記実施例において、電圧検出スイッチＡは、２端子回路であり、かつ、半導体デバイスで構成される非自己消弧型スイッチであり、回路が簡単でコストが低いという利点がある。

上記実施例１、２において、第１半導体デバイスＺ１について、オン電圧を３Ｖよりも大きくする必要があり（システムリップル電圧のピークピーク値よりも大きくする必要がある）、TVSダイオード（ＴｒａｎｓｉｅｎｔＶｏｌｔａｇｅＳｕｐｐｒｅｓｓｏｒ）、トリガダイオード、または感圧抵抗などの等価デバイスを採用してもよい。オン電圧が５Ｖよりも大きいサイリスタを採用する場合、第１半導体デバイスＺ１は使用状況の必要に応じて選択されてもよい。

機械式スイッチＫ１での遮断中、電流を制限するためにパワー半導体デバイスのトリガ極に抵抗を直列接続する必要がない。これによって、パワー半導体デバイスのトリガ速度を上げ、パワー半導体デバイスがオンになる前にコンデンサが充電されることを解消し、コンデンサの容量の利用率を向上させることができる。上記実施例において、電圧検出スイッチＡの検出端と電圧検出スイッチＡの出力端とが絶縁分離されないことで、コストが低いという利点がある。

実際の使用時、電圧検出スイッチＡの第１半導体デバイスＺ１において図５のような遅延回路または類似の遅延回路が採用されてもよい。この場合、電圧検出スイッチは、オン遅延スイッチとなる。これによって、機械式スイッチＫ１に対して十分な開離距離でアークを消弧することを確保でき、アーク消弧後の再発弧を防止することができる。オン遅延スイッチのオン遅延時間は１００μｓよりも大きいように制御されることが好ましい。

普及と使用を促進し、標準化、バッチ化を図り、汎用デバイスになるために、上記実施例における直流消弧回路及び装置は、絶縁材料でデバイスとしてパッケージされてもよく、２ポートまたは３ポートとすることができる。放電ユニットは、必要に応じて外装（外装時、３ポートとなり、そのうちの１ポートはコンデンサとパワー半導体デバイスとが接続される端点である）も内蔵も可能であり、円形構造（図６に示す）または方形構造（図７に示す）を採用することができる。

本発明の直流消弧装置の実施例３は、図８に示すとおりである。

直流消弧装置であって、上述した直流消弧回路を含み、制御ユニットＣ、放電ユニットＢをさらに含み、前記制御ユニットＣとパワー半導体デバイスＳＣＲ１とが接続されて電圧検出スイッチＡを構成する。パワー半導体デバイスＳＣＲ１とコンデンサＣ１とが直列接続されて第１直列接続回路を構成し、第１直列接続回路と機械式スイッチＫ１とが並列接続されている。

電圧検出スイッチＡは、制御ユニットＣ及びパワー半導体デバイスＳＣＲ１（非自己消弧型デバイス、単方向サイリスタ）で構成され、パワー半導体デバイスＳＣＲ１とコンデンサＣ１は第１直列接続回路を構成し、第１直列接続回路と機械式スイッチＫ１とが並列接続され、機械式スイッチＫ１と負荷ＲＬ１の接続端の電圧信号が制御ユニットＣに伝達される。パワー半導体デバイスＳＣＲ１が制御ユニットＣに接続される。機械式スイッチＫ１での遮断中、パワー半導体デバイスＳＣＲ１がオンになり、機械式スイッチＫ１の電源入力端からパワー半導体デバイスＳＣＲ１、及び負荷ＲＬ１を介してコンデンサＣ１を充電する。Ｊ１ポートは制御電源端であり、Ｊ２ポートは、制御命令およびデータを受信し、本装置および外部の状態情報（例えば、機械式スイッチ、負荷の状態など）を転送するための通信ポートであり、Ｊ１、Ｊ２は必要に応じて選択されてもよい。

制御ユニットＣにおいて、プログラマブルデバイス（マイクロコントローラ）が内蔵され、負荷ＲＬ１の電圧のＡ／Ｄ収集を行う。機械式スイッチＫ１の制御信号は制御ユニットＣに伝達される（必要に応じて選択される）。機械式スイッチＫ１の制御信号が制御ユニットＣから与えられるという制御方法を採用してもよい（必要に応じて選択される）。制御ユニットＣは、負荷ＲＬ１の電流に関するパラメータを記憶するか、または負荷ＲＬ１の電流に関するパラメータが入力される。機械式スイッチＫ１での遮断動作中、機械式スイッチＫ１の接点が開極されたことを検出した場合、負荷ＲＬ１の電流が大きいほど遅延の時間が長くなり、遅延の時間が負荷ＲＬ１の電流に正比例するように、パワー半導体ＳＣＲ１のオンを遅延制御する。機械式スイッチＫ１での遮断動作中、負荷ＲＬ１の電流が大きいほど、コンデンサＣ１と負荷ＲＬ１との電圧差が大きい状態において、パワー半導体デバイスＳＣＲ１をオンにさせる。これによって、コンデンサＣ１を充電する電流を高め、消弧の効果を向上させる。

放電ユニットＢはパワー半導体デバイスＳＣＲ１に並列接続され、コンデンサＣ１から機械式スイッチＫ１及び放電ユニットＢを介して放電する。放電ユニットＢは、第１ダイオードＤ１と第１電流制限素子Ｒ１とが直列接続されて構成されてもよく、第１ダイオードＤ１または第１電流制限素子Ｒ１のみで構成されてもよい。パワー半導体デバイスＳＣＲ１として、双方向サイリスタが採用される場合、放電ユニットＢは必要に応じて選択されてもよい。

動作原理：機械式スイッチＫ１が閉じられると、コンデンサＣ１から機械式スイッチＫ１及び放電ユニットＢを介して放電する（例えば、コンデンサＣ１にはそもそも電荷が蓄積されている）。機械式スイッチＫ１での遮断中、制御ユニットＣは、機械式スイッチＫ１の接点が開極されたことを検出した場合、パワー半導体ＳＣＲ１のオンを遅延させるように制御するか（遅延の時間に１００μｓを超えさせるか、または、これに加えて、制御ユニットＣが設定する電圧値を満たさせる。遅延の時間の値は機械式スイッチＫ１の遮断速度によって決定されてよい）、または機械式スイッチＫ１と負荷ＲＬ１との接続端の電圧信号が設定された電圧値に達したことを検出した場合（または、これに加えて、制御ユニットＣが設定する時間の値を満たし、当該時間の値は機械式スイッチＫ１の遮断速度によって決定されてよい）、パワー半導体デバイスＳＣＲ１がオンになるように制御することにより、コンデンサＣ１はパワー半導体デバイスＳＣＲ１及び負荷ＲＬ１を介して急速に充電される。これによって、負荷ＲＬ１の両端の電圧が上昇し、機械式スイッチＫ１の接点間の電界強度が急速に低下し、機械式スイッチＫ１に対してアークを急速に消弧するという目的を達成する。

本実施例において、機械式スイッチＫ１と負荷ＲＬ１との接続端の電圧信号は、負荷ＲＬ１の電圧であってもよいし、コンデンサＣ１と負荷ＲＬ１との電位差（すなわち、パワー半導体デバイスＳＣＲ１に対する他端の電圧）であってもよい。機械式スイッチＫ１の入力電源端に電源が投入されたとき、コンデンサＣ１に対して電源投入による衝撃電流がない。電圧検出スイッチＡとして、単方向サイリスタが採用され、電流上昇レートに対する耐性が高く、信頼性がよいという利点がある。また、放電ユニットＢが採用され、機械式スイッチＫ１が閉じられる時に電流による衝撃が低い（第１電流制限素子が直列接続されている場合）という利点がある。制御ユニットＣは、適応制御プログラムを記憶する場合、機械式スイッチＫ１での遮断中、機械式スイッチＫ１と負荷ＲＬ１との接続端の電圧信号、またはパワー半導体デバイスＳＣＲ１と負荷ＲＬ１との接続端に対する他端（すなわち、コンデンサＣ１とパワー半導体デバイスＳＣＲ１との接続端）の電圧信号の変化に応じて、消弧制御パラメータを最適化する（すなわち、パワー半導体デバイスのオンと機械式スイッチの接点の開極との時間差を調整し、制御する）ことにより、最適な消弧効果を図る。制御ユニットＣは、、制御プログラムのインテリジェントユニットが内蔵されたプログラマブルデバイスを含み、タイミング、Ａ／Ｄ収集、電圧比較、ロジック処理などを行うことができる。ことによって、回路の簡素化に有利であり、負荷の異なる状況（電圧変化）に応じて制御方法を調整することができ、消弧効果を向上させ、機械式スイッチの電気的寿命を効果的に延ばすことができる。発弧状況および動作回数に基づいて機械式スイッチの電気的寿命を計算することができ、補助用接点を使用せずに、機械式スイッチＫ１の接点状態（閉極状態、開極状態、発弧状態）をリアルタイムに検出し、関連情報を転送することができる。

本発明の直流消弧装置の実施例４は、図９に示すとおりである。

消弧される機械式スイッチ（Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３）と負荷（ＲＬ１、ＲＬ２、ＲＬ３）とが直列接続されている直流消弧回路であって、パワー半導体デバイス（ＳＣＲ１、ＳＣＲ２、ＳＣＲ３、非自己消弧型デバイス、単方向サイリスタ）とコンデンサＣ１を含み、機械式スイッチＫ１での遮断中、パワー半導体デバイス（ＳＣＲ１、ＳＣＲ２、ＳＣＲ３）は、機械式スイッチ（Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３）の両端の電位差が５Ｖよりも大きい場合オンになり、電流がパワー半導体デバイス（ＳＣＲ１、ＳＣＲ２、ＳＣＲ３）、及び負荷（ＲＬ１、ＲＬ２、ＲＬ３）を流れて、機械式スイッチ（Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３）の遮断時のアークを消弧し、電流はコンデンサＣ１の充電電流である。

マルチチャンネルの機械式スイッチを使用した電気制御システムに適用する直流消弧装置（すなわち、直流アーク管理システム）であって、上述した直流消弧回路を含み、パワー半導体デバイス（ＳＣＲ１、ＳＣＲ２、ＳＣＲ３）とコンデンサＣ１とが直列接続されて第１直列接続回路を構成し、第１直列接続回路と機械式スイッチ（Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３）とが並列接続されている。さらに、制御ユニットＣと、放電ユニットＢと、第３ダイオードＤ３と、第４半導体スイッチＳＣＲ４（非自己消弧型デバイスであり、単方向サイリスタである。ＰＡとＰＢとの間は必要に応じて切断されてもよいが、推奨しない。ＰＡとＰＢとの間が切断された場合、制御ユニットＣによりＰＡとＰＢの端点電圧を収集する必要がある。）と、第４機械式スイッチＫ４をさらに含み、第４機械式スイッチＫ４の制御信号は制御ユニットＣから与えられている。制御ユニットＣとパワー半導体デバイス（ＳＣＲ１、ＳＣＲ２、ＳＣＲ３）とが接続されて電圧検出スイッチＡを構成し、第３ダイオードＤ３と第４半導体スイッチＳＣＲ４とが並列接続され、第４半導体スイッチＳＣＲ４の制御端が制御ユニットＣに接続される。コンデンサＣ１と第４半導体スイッチＳＣＲ４で構成された第２直列接続回路と、放電ユニットＢの第１半導体スイッチＳ１（非自己消弧型デバイス、単方向サイリスタ、放電用スイッチ）と、パワー半導体デバイス（ＳＣＲ１、ＳＣＲ２、ＳＣＲ３、非自己消弧型デバイス、単方向サイリスタ）とが接続された共通端ＰＢの電圧信号は、制御ユニットＣに接続される。機械式スイッチ（Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３）の入力電源端がバッテリＢＴに接続され、バッテリＢＴの負極は第６機械式スイッチＫ６（メイン負極接触器）を介してグラウンドに接続される。Ｊ１ポートは制御電源端であり、Ｊ２ポートは、制御命令およびデータを受信し、本装置および外部の状態情報（例えば、機械式スイッチ、負荷の状態など）を転送するための通信ポートであり、Ｊ１、Ｊ２は必要に応じて選択される。

電圧検出スイッチＡは、制御ユニットＣ、及びパワー半導体デバイス（ＳＣＲ１、ＳＣＲ２、ＳＣＲ３）で構成される。パワー半導体デバイス（ＳＣＲ１、ＳＣＲ２、ＳＣＲ３）、第４半導体スイッチＳＣＲ４（必要に応じて選択される）、及びコンデンサＣ１は第１直列接続回路を構成し、第１直列接続回路と機械式スイッチ（Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３）とが並列接続され、機械式スイッチ（Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３）と負荷（ＲＬ１、ＲＬ２、ＲＬ３）との接続端の電圧信号は制御ユニットＣに伝達され、パワー半導体デバイス（ＳＣＲ１、ＳＣＲ２、ＳＣＲ３）は制御ユニットＣに接続されている。

制御ユニットＣにおいて、、プログラマブルデバイス（マイクロコントローラ）が内蔵され、負荷（ＲＬ１、ＲＬ２、ＲＬ３）の電圧および共通端ＰＢの電圧信号のＡ／Ｄ収集を行う。機械式スイッチＫ１の入力電源端の電圧信号は制御ユニットＣに接続される（Ａ／Ｄ収集）。機械式スイッチ（Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３）での遮断動作中、機械式スイッチ（Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３）の接点が開極されたことを検出した場合、パワー半導体デバイス（ＳＣＲ１、ＳＣＲ２、ＳＣＲ３）のオンを遅延させるように制御する。制御ユニットＣに接続される機械式スイッチ（Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３）および負荷（ＲＬ１、ＲＬ２、ＲＬ３）の電気的特性は必ずしも同じではないので、最適な消弧効果を取得するために、制御ユニットＣは、負荷（ＲＬ１、ＲＬ２、ＲＬ３）の電流に関するパラメータを記憶するか、または負荷（ＲＬ１、ＲＬ２、ＲＬ３）の電流に関するパラメータが入力される必要がある。機械式スイッチ（Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３）での遮断動作中、負荷（ＲＬ１、ＲＬ２、ＲＬ３）の電流が大きいほど遅延の時間を長くし、遅延の時間を負荷（ＲＬ１、ＲＬ２、ＲＬ３）の電流に正比例させる。遅延制御における時間パラメータは、制御ユニットＣに内蔵されたマイクロコントローラによって設定されることができる。機械式スイッチ（Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３、Ｋ５、Ｋ６）の制御信号は制御ユニットＣに伝達されてもよく（消弧の正確性、リアルタイム性の向上に有利であり、必要に応じて選択される）、機械式スイッチ（Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３、Ｋ５、Ｋ６）の制御信号が制御ユニットＣから与えられるという制御方法を採用してもよい（各機械式スイッチの動作ロジック、消弧制御ロジックの最適化制御に有利であり、必要に応じて選択される）。

放電ユニットＢは、第１電流制限素子Ｒ１（抵抗である。第３ダイオードＤ３に電流制限素子が直列接続される場合、及び負荷が非容量性負荷である場合、省略されてもよい）と、第１半導体スイッチＳ１（非自己消弧型デバイス、単方向サイリスタ）を含み、第１半導体スイッチＳ１は放電用スイッチであり、制御ユニットＣは制御信号で第１半導体スイッチＳ１がオンになるように制御し、コンデンサＣ１は第１電流制限素子Ｒ１、第１半導体スイッチＳ１、及び第３ダイオードＤ３（第４半導体スイッチＳＣＲ４として、双方向サイリスタが採用される場合、必要に応じて選択されてもよい）を介して放電する。

動作原理：機械式スイッチＫ６が閉じられて、機械式スイッチ（Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３）の電源入力端に電源が投入された後（バッテリＢＴを投入した後）、制御ユニットＣは、先ず第４機械式スイッチＫ４が閉じられるように制御する。制御ユニットＣは、パルス信号をトリガとして与えて第１半導体スイッチＳ１をオンにさせて、コンデンサＣ１から放電させ、放電電流が第１半導体スイッチＳ１のオン保持可能な最小電流よりも小さくなると、第１半導体スイッチＳ１が自動的にオフになる。機械式スイッチ（Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３）の閉動作中、制御ユニットＣはパルス信号をトリガとして与えて第１半導体スイッチＳ１およびパワー半導体デバイス（ＳＣＲ１、ＳＣＲ２、ＳＣＲ３のいずれか１つ）をオンにさせて、負荷（ＲＬ１、ＲＬ２、ＲＬ３のいずれか１つ）に充電（給電）する（例えば、モータコントローラ、直流コンバータなどに充電（給電）する）。これによって、機械式スイッチ（Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３）に対して容量性負荷による電流衝撃および閉じられる時のアークを効果的に消すことができる。制御ユニットＣは、共通端ＰＢ点の電圧を検出することにより、第１半導体スイッチＳ１およびパワー半導体デバイス（ＳＣＲ１、ＳＣＲ２、ＳＣＲ３）がオフになるか否かを把握でき、オフになると、機械式スイッチ（Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３）の閉動作が完成したことを示す。

機械式スイッチ（Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３）での遮断中、第１半導体スイッチＳ１がオフ状態にあり、制御ユニットＣは、機械式スイッチ（Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３）の接点が開極されたことを検出した場合、第４半導体スイッチＳＣＲ４及びパワー半導体デバイス（ＳＣＲ１、ＳＣＲ２、ＳＣＲ３）のオンを遅延させるように制御するか（内蔵されたマイクロコントローラによって遅延の時間に１００μｓを超えさせるか、または、これに加えて、制御ユニットＣが設定する電圧値を満たさせる。遅延の時間の値は対応する機械式スイッチの遮断速度によって決定されてよい）、または機械式スイッチ（Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３）と負荷（ＲＬ１、ＲＬ２、ＲＬ３）との接続端の電圧信号が設定された電圧値に達したことを検出した場合（または、これに加えて、制御ユニットＣが設定する時間の値を満たし、当該時間の値は対応する機械式スイッチの遮断速度によって決定されてよい）、第４半導体スイッチＳＣＲ４及びパワー半導体デバイス（ＳＣＲ１、ＳＣＲ２、ＳＣＲ３）がオンになるように制御する。制御ユニットＣは、共通端ＰＢ点の電圧を検出することで第４半導体スイッチＳＣＲ４及びパワー半導体デバイス（ＳＣＲ１、ＳＣＲ２、ＳＣＲ３）がオン状態にあるか否かを把握できる。機械式スイッチ（Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３）の入力電源端から第４半導体スイッチＳＣＲ４及びパワー半導体デバイス（ＳＣＲ１、ＳＣＲ２、ＳＣＲ３）、負荷（ＲＬ１、ＲＬ２、ＲＬ３）を介してコンデンサＣ１を急速に充電し、負荷（ＲＬ１、ＲＬ２、ＲＬ３）の両端の電圧が上昇し、機械式スイッチ（Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３）の接点間の電界強度が急速に低下し、機械式スイッチ（Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３）に対してアークを急速に消弧するという目的を達成する。制御ユニットＣは、共通端ＰＢ点の電圧を検出することにより第４半導体スイッチＳＣＲ４、パワー半導体デバイス（ＳＣＲ１、ＳＣＲ２、ＳＣＲ３）がオフ状態にあるか否かを把握し、コンデンサＣ１への充電が完了したか否かを判断し、コンデンサＣ１の次回の放電のために準備をすることができる。

制御ユニットＣにより共通端ＰＢの電圧信号のＡ／Ｄ収集（または、ハイローレベル収集）を行うことは以下の利点がある。

１、単一の端点に対して高解像度せずにＡ／Ｄ収集を行うことにより、第４半導体スイッチＳＣＲ４、第１半導体スイッチＳ１、パワー半導体デバイス（ＳＣＲ１、ＳＣＲ２、ＳＣＲ３）のオン状態、オフ状態（充電または放電が完了したか否か）、破壊状態を急速かつ正確に検出でき、システムの応答速度と安全性を確保することができる。

負荷（ＲＬ１、ＲＬ２、ＲＬ３）は、モータコントローラ、ＤＣ／ＤＣコンバータ、モータ、抵抗などの負荷であってもよい。

上述した機械式スイッチ（Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３）と負荷（ＲＬ１、ＲＬ２、ＲＬ３）との接続端の電圧信号は負荷（ＲＬ１、ＲＬ２、ＲＬ３）の電圧である（制御ユニットＣにより電圧信号のＡ／Ｄ収集を行う場合、機械式スイッチＫ１の両端の絶縁耐圧に影響しなく、機械式スイッチＫ１のノーマルオープン状態において漏れ電流がないという利点がある）。電圧信号はパワー半導体デバイス（ＳＣＲ１、ＳＣＲ２、ＳＣＲ３）に対する他端の電圧、または機械式スイッチ（Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３）に対する電源入力端の電圧であってもよい。

機械式スイッチでの遮断中、電圧信号の変化速度が制御ユニットＣが設定する変化速度よりも小さい場合、制御ユニットＣは、かかるパワー半導体デバイスがオンになるような制御信号を与えない。これによって、コンデンサＣ１への充電が遅く過ぎ、パワー半導体デバイス（ＳＣＲ１、ＳＣＲ２、ＳＣＲ３）が遅くオフになって、他の機械式スイッチに対する消弧の応答速度に影響を及ぼすことを防止する。制御ユニットＣは、負荷の残留電圧の変化に関するパラメータを記憶する場合、機械式スイッチでの遮断に対する検出の正確性の向上に有利である。制御ユニットＣは、適応制御プログラムを記憶する場合、機械式スイッチ（Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３）での遮断中、機械式スイッチ（Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３、Ｋ５）と負荷（ＲＬ１、ＲＬ２、ＲＬ３）との接続端の電圧信号、またはパワー半導体デバイス（ＳＣＲ１、ＳＣＲ２、ＳＣＲ３）と負荷（ＲＬ１、ＲＬ２、ＲＬ３）との接続端に対する他端（ＰＢ）の電圧信号の変化に応じて、消弧制御のパラメータを最適化することにより（すなわち、パワー半導体デバイスのオンと機械式スイッチの接点の開極との時間差を調整し、制御する）、最適な消弧効果を取得する。

機械式スイッチＫ１、機械式スイッチＫ２、機械式スイッチＫ３をそれぞれ第１機械式スイッチ、第２機械式スイッチ、第３機械式スイッチと定義する。

負荷ＲＬ１、負荷ＲＬ２、負荷ＲＬ３をそれぞれ第１負荷、第２負荷、第３負荷と定義する。

パワー半導体デバイスＳＣＲ１、パワー半導体デバイスＳＣＲ２、パワー半導体デバイスＳＣＲ３をそれぞれ第１パワー半導体デバイス、第２パワー半導体デバイス、第３パワー半導体デバイスと定義する。

マルチチャンネルの機械式スイッチに対してアークを消弧する場合、消弧失敗の場合、第６機械式スイッチＫ６により遮断するように制御する。制御ユニットＣは、異常（例えば、第１半導体スイッチの破壊または誤オン、パワー半導体デバイスの破壊または誤オン）を検出した場合、第４機械式スイッチＫ４により遮断するように制御する。第６機械式スイッチＫ６及び第４機械式スイッチＫ４以外、本発明の直流消弧装置の消弧対象となる機械式スイッチ（Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３）として、一般的な（非密閉型高電圧）接触器を採用してもよい。これによって、コストを大幅に低減させることができ、安全性の向上（空気漏れのリスクなし）を図ることができる。特に、移動しかつ予期しない機械的衝撃（衝突、横転など）の発生可能性がある自動車などに適用する場合、機械式スイッチ（Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３）はノーマルオープン状態において予期せずに閉じられたり遮断したりするか、または開離距離が小さくなるか、または機械式スイッチ（Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３）の両端に衝撃電圧が発生する可能性があり、この場合、発弧が発生する可能性がある。制御ユニットＣは、機械式スイッチ（Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３）により遮断する状態において発弧を検出した場合、パワー半導体デバイス（ＳＣＲ１、ＳＣＲ２、ＳＣＲ３）がオンになるように制御し、コンデンサはパワー半導体デバイス（ＳＣＲ１、ＳＣＲ２、ＳＣＲ３）、負荷（ＲＬ１、ＲＬ２、ＲＬ３）を介して充電回路を形成して、アークを消弧する。制御ユニットＣは、消弧失敗を検出した場合、機械式スイッチＫ６により遮断するように制御するための信号を出力する。

本実施例において、制御ユニットは、制御プログラムのインテリジェントユニットが内蔵されたプログラマブルデバイスを含み、負荷（ＲＬ１、ＲＬ２、ＲＬ３）、機械式スイッチ（Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３）のそれぞれの異なる状況に応じて制御方法を調整することができ、消弧効果を向上させ、機械式スイッチの電気的寿命を効果的に延ばすことができる。そして、タイミング（パワー半導体デバイスの遅延制御）、Ａ／Ｄ収集、電圧比較、ロジック処理などを行うことができ、回路の簡素化に有利である。共通しているコンデンサ、制御ユニット、及び放電用スイッチによりマルチチャンネルの機械式スイッチ（各機械式スイッチと各負荷で構成された各直列接続回路は並列接続の関係にある）に対する消弧制御、負荷に対するプリチャージ（または、機械式スイッチが閉じられる時にアークを消弧する）および検出（閉極状態、開極状態、発弧状態）を行い、発弧状況および動作回数に基づいて機械式スイッチの電気的寿命を計算し、関連情報（故障コードなど）を転送する。これによって、電気制御システムの全体的な安全性の向上に有利であり、より高いコストパフォーマンスを有し、アーク管理および消弧機能を有する直流消弧装置（直流アーク管理システム）として、新エネルギー車、軌道交通、艦船、航空、自動化制御などの分野で広く使用できる。

実際の状況に応じて、コンデンサＣ１と第４半導体スイッチを複数設置してもよく、これによって、応答速度を上げることができる。そして、マルチパルス消弧の方法を採用することができる（２つまたは２つ以上のコンデンサの場合、２つまたは２つ以上のパルスに分けて機械式スイッチに対してアークを消弧する）。放電ユニットＢは、スイッチング電源を採用してもよい。

実施例３、４において、制御ユニットＣは、トランスによりパワー半導体デバイスをトリガすることが推奨される。制御ユニットＣは、適応制御プログラムを記憶し、機械式スイッチでの遮断中、機械式スイッチと負荷との接続端の電圧信号の電圧変化レートに応じてパワー半導体デバイスのオンと機械式スイッチの接点の開極との時間差を調整する。変化レートが小いとは、遮断電流が大きいことを意味する。この場合、時間差を大きくすることにより、機械式スイッチの接点間の開離距離を大きくして機械式スイッチのアーク消弧能力を強くする。さらに、コンデンサの充電による消弧と組み合わせることにより、アークを安定して確実に消弧するという目的を達成する。

上記実施例において、電圧検出スイッチの電気パラメータとして、以下の要件を参考にして選択できる。

１、機械式スイッチの動作電圧が２００Ｖ以下の場合、またはコンデンサの容量が大きい場合、パワー半導体デバイスは、機械式スイッチの両端の電位差が５Ｖを超えかつ２０Ｖ以下の区間においてオンになる（コンデンサ容量が十分に大きい場合、電圧値を適宜小さくしてもよい）ように設計されてもよい。

２、機械式スイッチの動作電圧が２００Ｖを超える場合、またはコンデンサの容量が小さい場合、または充電回路の内部抵抗が大きい場合、パワー半導体デバイスは、機械式スイッチでの遮断中、機械式スイッチの両端の電圧が２０Ｖを超えかつ機械式スイッチの動作電圧未満の区間においてオンになるように設計されてもよい。機械式スイッチでの遮断の期間において、機械式スイッチの両端の電圧が０〜２０Ｖの区間において電圧上昇レートが高いからである。そして、機械式スイッチの動作電圧の１／２未満であるほうが好ましい。これによって、機械式スイッチの大きい開離距離および大きい充電電流を取得し、消弧の信頼性を高める。

３、パワー半導体デバイスは機械式スイッチの発弧後にオンになるようにする。理由は以下のとおりである。機械式スイッチでの遮断中、機械式スイッチの発弧前に、機械式スイッチの両端の電圧変化レートが大きく、機械式スイッチの接点間の開離距離が非常に小さいので、アークを安定して消弧し、すなわち、アークなしに遮断するために、大きい容量のコンデンサが必要となる。パワー半導体デバイスがオンになった後、１００μｓ以内にアークを消弧するようにする。時間が長すぎると、非常に大きい容量のコンデンサが必要となり、消弧の安定性が低下する。

４、機械式スイッチでの遮断中、パワー半導体デバイスは、機械式スイッチの接点間の開離距離に対する破壊電圧が機械式スイッチの動作電圧よりも大きい場合、オンになるようにする。パワー半導体デバイスのオンを遅延させることによって目的を達成することができる。機械式スイッチの接点が開極されたことを検出した場合に遅延回路（例えば、制御ユニットのマイクロコントローラ、または抵抗コンデンサの遅延回路）によりパワー半導体デバイスに対する遅延制御を行うか、または電圧検出スイッチが機械式スイッチの両端に高い電圧があることを検出した場合にパワー半導体デバイスをオンにさせる（すなわち、高オン電圧の電圧検出スイッチを採用する）ことにより、遅延を実現することができ、消弧後の再発弧を効果的に防止し、必要なコンデンサの容量が非常に小さいという利点がある。パラメータについて、機械式スイッチの遮断速度、コンデンサの容量、機械式スイッチの動作電圧、負荷の特性に応じて調整可能である。

上記実施例において、パワー半導体デバイスの電流上昇レートの許容範囲内で、充電回路のインダクタンスをできるだけ低減させ、コンデンサの充電電流の上昇レートを上げることにより、必要なコンデンサの容量を減らすことができる。パワー半導体デバイスとして、１８０Ａ／μｓを超える単方向サイリスタ（複数を並列で使用可能）を採用することができる。放電回路の内部抵抗により、パワー半導体デバイスを安全的な範囲内で動作させ、消弧の速度および消弧の信頼性を向上させる。

上記実施例において、機械式スイッチは接触器（リレー）であり、本発明において、消弧対象となるいかなる機械的な遮断点、例えば、ヒューズ、コネクタなどを機械式スイッチと定義してもよい。

以上より、本発明は以下の利点がある。

１、機械式スイッチの両端に電位差が大きい場合、パワー半導体デバイスがオンになる。これによって、コンデンサの充電回路の内部抵抗の影響を解消し、コンデンサの瞬時充電電流を増加させ、必要なコンデンサ容量を減らすのに有利である。コンデンサの容量が小さいので、第１電流制限素子に必要なパワーが小さく、応答速度が速く（すなわち、充放電速度が速い。この点は、マルチチャンネルの機械式スイッチに対するアーク消弧の応答速度の向上にとって非常に重要である。コンデンサを３０μＦに設計し、第１電流制限素子を３３Ωに設計して、数十Ａから数百Ａの負荷の機械式スイッチに対してアークを消弧する場合、１０ｍｓ以内にコンデンサの充放電による消弧の全過程を完成させることができる。図９に示すような技術の手段によれば、１ｓ以内に数十個乃至１００個以上の機械式スイッチに対してアークを消弧することができる）、コストが低く、体積が小さく、信頼性が高いという利点がある。８００Ｖ・５００Ａの負荷に対して、数十μＦのコンデンサであれば、数μｓから数十μｓの期間内（１００μｓ以内）にアークを急速に消弧できる。

２、非自己消弧型デバイス（スイッチ）は自己消弧型デバイスに比べて、過負荷耐量が大きく、オンの時間が短く、コストが低く、電流がゼロクロスでオフになり、遮断過電圧が発生しないという利点があり、数百Ａ以上の負荷に対する消弧の問題を経済的に解決している（定格動作電流２５Ａの単方向サイリスタを用いて数百Ａ以上の電流に対してアークを消弧することができる）。

３、機械式スイッチと並列接続されてアークを消弧する方法であり、機械式スイッチとともに全体的なものとして使用しやすい。コンデンサ充電の方法でアークを消弧するので、負荷の遮断による過電圧を効果的に解消できる。

４、動作電圧変動の場合、電圧検出スイッチがオンにならず、電圧検出スイッチの温度の上昇がなく、コンデンサの電気的寿命が長くなる。

５、制御コイルなしの手動制御スイッチ、ストロークスイッチなどの機械式スイッチに対してアークを消弧することができ、適用範囲が広い。

６、機械式スイッチの遮断電圧（アーク遮断電圧）を小さくし、機械式スイッチの電気的寿命を大幅に延ばすことができる（図１に示すように、機械式スイッチの両端の動作電圧を６００Ｖとし、３００Ａの負荷電流を遮断する場合、電気的寿命は約１５０回である。一方では、機械式スイッチを本発明の直流消弧装置とともに使用することにより、機械式スイッチでの遮断動作中、機械式スイッチの両端の電圧が９０Ｖになると、パワー半導体デバイスをオンにさせる場合（すなわち、電圧検出スイッチのオン値を９０Ｖに設計する）、機械式スイッチで９０Ｖ／３００Ａの直流を遮断することに相当し、この場合、機械式スイッチの電気的寿命は２万回以上に達することができる）。

Claims

消弧される機械式スイッチと負荷とが直列接続されている直流消弧回路であって、
パワー半導体デバイスとコンデンサを含み、前記パワー半導体デバイスと前記コンデンサとが接続され、前記機械式スイッチでの遮断中、前記パワー半導体デバイスはオンになり、前記コンデンサからの電流が前記パワー半導体デバイス及び前記負荷を流れて、前記機械式スイッチの遮断時のアークを消弧し、
前記機械式スイッチの数は、第１機械式スイッチ及び第２機械式スイッチを含む少なくとも２つであり、
前記負荷の数は、第１負荷及び第２負荷を含む少なくとも２つであり、
前記パワー半導体デバイスの数は、第１パワー半導体デバイス及び第２パワー半導体デバイスを含む少なくとも２つであることを特徴とする直流消弧回路。
消弧される機械式スイッチと負荷とが直列接続されている直流消弧装置であって、
パワー半導体デバイスとコンデンサを含み、前記パワー半導体デバイスと前記コンデンサとが接続され、前記機械式スイッチでの遮断中、前記機械式スイッチの両端の電位差が５Ｖよりも大きくなると前記パワー半導体デバイスはオンになり、
電流が前記パワー半導体デバイス及び前記負荷を流れて、前記機械式スイッチの遮断時のアークを消弧し、前記電流は、前記コンデンサの充電電流であり、
電圧検出スイッチとコンデンサを含み、前記電圧検出スイッチは、少なくともパワー半導体デバイスを含み、前記パワー半導体デバイスと前記コンデンサとは第１直列接続回路を構成し、前記第１直列接続回路と前記機械式スイッチとが並列接続され、
前記電圧検出スイッチは、前記コンデンサによって前記機械式スイッチの両端から動作エネルギーと電圧信号が与えられる直流消弧装置。
前記パワー半導体デバイスは、非自己消弧型デバイスであり、前記非自己消弧型デバイスのトリガ極が前記非自己消弧型デバイスのアノードまたは第２アノードに接続されて前記電圧検出スイッチを形成することを特徴とする請求項２に記載の直流消弧装置。
第１半導体デバイスをさらに含み、前記第１半導体デバイスのオン電圧が３Ｖよりも大きく、前記非自己消弧型デバイスのトリガ極は前記第１半導体デバイスを介して前記アノードまたは前記第２アノードに接続されていることを特徴とする請求項３に記載の直流消弧装置。
前記第１半導体デバイスはツェナーダイオード、TVSダイオード、トリガダイオード、または感圧抵抗であることを特徴とする請求項４に記載の直流消弧装置。
第２ダイオードをさらに含み、前記第２ダイオードと、前記第１半導体デバイスと、前記非自己消弧型デバイスのトリガ極とが直列接続されていることを特徴とする請求項５に記載の直流消弧装置。
前記電圧検出スイッチの検出端と前記電圧検出スイッチの出力端とが絶縁分離されないことを特徴とする請求項２に記載の直流消弧装置。
消弧される機械式スイッチと負荷とが直列接続されている直流消弧装置であって、
パワー半導体デバイスとコンデンサを含み、前記パワー半導体デバイスと前記コンデンサとが接続され、前記機械式スイッチでの遮断中、前記パワー半導体デバイスはオンになり、
電流が前記パワー半導体デバイス及び前記負荷を流れて、前記機械式スイッチの遮断時のアークを消弧し、前記電流は、前記コンデンサの充電電流であり、
電圧検出スイッチとコンデンサを含み、前記電圧検出スイッチは、少なくともパワー半導体デバイスを含み、前記パワー半導体デバイスと前記コンデンサとは第１直列接続回路を構成し、前記第１直列接続回路と前記機械式スイッチとが並列接続され、
前記電圧検出スイッチは、前記機械式スイッチの両端から動作エネルギーと電圧信号が与えられ、
前記電圧検出スイッチは遅延半導体スイッチであることを特徴とする直流消弧装置。
前記電圧検出スイッチは２端子回路であることを特徴とする請求項２に記載の直流消弧装置。
前記コンデンサから放電される放電ユニットをさらに含み、前記放電ユニットと前記パワー半導体デバイスとが並列接続されていることを特徴とする請求項２に記載の直流消弧装置。
前記放電ユニットは、第１ダイオードまたは第１電流制限素子で構成されるか、または第１ダイオードと第１電流制限素子とが直列接続されて構成されることを特徴とする請求項１０に記載の直流消弧装置。
絶縁材料でデバイスとしてパッケージされることを特徴とする請求項２に記載の直流消弧装置。
前記コンデンサから放電される放電ユニットとともに、絶縁材料でデバイスとしてパッケージされることを特徴とする請求項２に記載の直流消弧装置。
消弧される機械式スイッチと負荷とが直列接続されている直流消弧装置であって、
パワー半導体デバイスとコンデンサを含み、前記パワー半導体デバイスと前記コンデンサとが接続され、前記機械式スイッチでの遮断中、前記パワー半導体デバイスはオンになり、電流が前記パワー半導体デバイス及び前記負荷を流れて、前記機械式スイッチの遮断時のアークを消弧し、前記電流は、前記コンデンサの充電電流であり、
前記パワー半導体デバイスに接続された制御ユニットをさらに含み、
前記制御ユニット及び前記パワー半導体デバイスで電圧検出スイッチを構成し、前記機械式スイッチと前記負荷との接続端の電圧信号が前記制御ユニットに伝達され、前記コンデンサと前記パワー半導体デバイスは第１直列接続回路を構成し、前記第１直列接続回路と前記機械式スイッチとが並列接続されていることを特徴とする直流消弧装置。
前記機械式スイッチでの遮断中、前記制御ユニットは、前記機械式スイッチの接点が開極されたことを検出した場合、遅延の時間が１００μｓを超えるように前記パワー半導体デバイスのオンを遅延制御することを特徴とする請求項１４に記載の直流消弧装置。
前記制御ユニットは前記電圧信号のＡ／Ｄ収集を行うことを特徴とする請求項１４に記載の直流消弧装置。
前記コンデンサから放電される放電ユニットをさらに含み、前記放電ユニットと前記パワー半導体デバイスとが並列接続され、前記コンデンサから前記機械式スイッチ及び前記放電ユニットを介して放電し、前記電圧信号は前記負荷の電圧であることを特徴とする請求項１６に記載の直流消弧装置。
前記電圧信号は、前記負荷の電圧、または前記パワー半導体デバイスに対する他端の電圧、または前記機械式スイッチに対する電源入力端の電圧であることを特徴とする請求項１４に記載の直流消弧装置。
前記機械式スイッチの制御信号が前記制御ユニットに伝達されるか、または前記制御ユニットの制御信号が前記機械式スイッチに伝達されることを特徴とする請求項１４に記載の直流消弧装置。
前記制御ユニットは、適応制御プログラムを記憶し、前記電圧信号または前記パワー半導体デバイスの前記負荷との接続端に対する他端の電圧信号の変化に応じて、消弧制御パラメータを最適化することを特徴とする請求項１４に記載の直流消弧装置。
前記コンデンサから放電される放電ユニットをさらに含み、前記放電ユニットは少なくとも放電用スイッチを含み、前記制御ユニットの制御信号が前記放電用スイッチに伝達されることを特徴とする請求項１４に記載の直流消弧装置。
前記放電用スイッチと前記コンデンサとが並列接続され、前記機械式スイッチの閉動作中、前記制御ユニットは前記放電用スイッチ及び前記パワー半導体デバイスがオンになるように制御して前記負荷に給電し、その後、前記機械式スイッチが閉じられ、前記機械式スイッチでの遮断動作中、前記放電用スイッチがオフ状態にあることを特徴とする請求項２１に記載の直流消弧装置。
第４半導体スイッチをさらに含み、前記第４半導体スイッチの制御端は前記制御ユニットに接続され、前記コンデンサと前記第４半導体スイッチは第２直列接続回路を構成し、前記機械式スイッチの入力電源端から前記第４半導体スイッチ、前記パワー半導体デバイス、及び前記負荷を介して前記コンデンサを充電することを特徴とする請求項２１に記載の直流消弧装置。
第３ダイオードをさらに含み、前記コンデンサから前記放電用スイッチ及び前記第３ダイオードを介して放電することを特徴とする請求項２３に記載の直流消弧装置。
前記第２直列接続回路と、前記放電用スイッチと、前記パワー半導体デバイスとが接続された共通端の電圧信号は、前記制御ユニットに接続されることを特徴とする請求項２３に記載の直流消弧装置。
前記機械式スイッチの制御信号が前記制御ユニットに伝達されるか、または前記制御ユニットの制御信号が前記機械式スイッチに伝達されることを特徴とする請求項２１に記載の直流消弧装置。
前記機械式スイッチの数は、第１機械式スイッチ及び第２機械式スイッチを含む少なくとも２つであり、
前記負荷の数は、第１負荷及び第２負荷を含む少なくとも２つであり、
前記パワー半導体デバイスの数は、第１パワー半導体デバイス及び第２パワー半導体デバイスを含む少なくとも２つであることを特徴とする請求項２１に記載の直流消弧装置。
前記機械式スイッチでの遮断中、前記制御ユニットは、前記機械式スイッチの接点が開極されたことを検出した場合、遅延の時間が１００μｓを超えるように前記パワー半導体デバイスのオンを遅延制御し、前記制御ユニットは、前記負荷の電流に関するパラメータを記憶するか、または前記負荷の電流に関するパラメータが入力され、前記機械式スイッチでの遮断動作中、前記負荷の電流が大きいほど前記遅延の時間を長くすることを特徴とする請求項２７に記載の直流消弧装置。