JP7017758B2 - リードリレーを利用した直流電流開閉装置 - Google Patents

Description

本発明は、小型のリードリレーを利用した直流電流開閉装置に関し、特に、高速で、長寿命、高い信頼性を持つリードリレーが、小型であるため多くの電子回路で使われているが、接点の通電能力は数Ａあるのに、電力容量は数１０ワットから最大１００ワットであったが、これを開閉できる電流を増やすために半導体スイッチ回路を並列に接続して、オン時オフ時は半導体スイッチが通電遮断する、小型高速な直流ハイブリッド開閉装置にする。

本発明は、リードリレーを利用した直流電流の開閉装置に関し、リードスイッチの長所を生かし、欠点である通電電流の遮断が出来ない点を解消しようとするものである。リードスイッチの電流遮断能力は極めて小さく、接点の消耗を考えると、直流電力の制御は限定的である。

リードリレーの特徴は、ガラス管に封じ込まれた電極を外部からの磁界によって駆動することにあって、絶縁抵抗が非常に高く、１０の１２乗Ω以上であること、これをハイブリッド化することで無くさない工夫が必要である。

従来のハイブリッド開閉器は、絶縁ゲートを持ったパワー用ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴなどで、直流電流のオン・オフが可能ではあるが、半導体デバイスではリードスイッチに較べれば、リーク電流が大きい。リードスイッチの特徴を失わないために、半導体スイッチにもリードスイッチを直列に接続して絶縁抵抗を確保しなければならない。

本発明は下記特許文献１に開示された金属接点と半導体スイッチの並列接続による無アーク開閉器の原理を、高速で多頻度、高絶縁抵抗なリードリレー開閉器へ応用しようとするものである。

特許５８６４００６号 特開２０１７－０５９５１３ 特開２０１７－１２６５４４

上記特許文献１に示された機械接点と半導体スイッチの並列による直流電流の開閉回路は、双投接点のｂ接点を使って半導体スイッチを制御しているので、半導体の通電はａ接点からｂ接点までのトランスファー時間のみである。また、ａ接点は開極して最大の距離になってから後に遮断して再起電圧が発生するという理想の手順になっている。
しかし、遮断状態ではｂ接点から高抵抗ではあるがプルアップ抵抗（１００ｋΩ以上）を介してわずかな電流が流れる。その電流はリーク電流となって、遮断時に連続してあるのでリードスイッチの特徴である高抵抗の遮断特性が無くなる問題があった。

また、リードスイッチは駆動構造からノルマル・オープンのａ接点のみの構成が基本であり、ｂ接点が無いので、半導体スイッチのゲートを駆動する回路は、別に用意する必要がある。また、リーク電流をなくする目的で半導体スイッチに直列にリーク電流遮断用のリードスイッチＳ１を設けるが、その駆動電源もまた別に用意する必要がある。さらにリーク電流遮断用のリードスイッチＳ１がオンする時の電圧で半導体スイッチにパルス的電流が流れるのを阻止する必要もあるために、ゲートを完全な遮断状態にしてからリードスイッチＳ１をオンする必要もある。

本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、その目的はリードスイッチを直流ハイブリッド開閉装置に適用する場合に必要な、制御シーケンス、ゲート駆動電源、タイマー回路など高信頼の絶縁電源を用意して、さらに信頼性を上げる手段を提供することにある。

本発明は、直流電源と負荷との間に挿入されて使用される、リードリレーを利用した直流電流の開閉装置に関し、本発明の上記目的は、該開閉装置が、第１のリードリレー(1)と、
前記第１のリードリレー(1)と直列に接続され、前記第１のリードリレー(1)の電流を導通・遮断するＭＯＳＦＥＴ(5)と、前記第１のリードリレー(1)と前記ＭＯＳＦＥＴ(5)との直列接続回路に並列に接続される第２のリードリレー(3)とを備え、さらに、外部からの指令により前記ＭＯＳＦＥＴ(5)に対してオン／オフを指令する信号を与えるゲート制御回路(4)を備えるとともに、前記ゲート制御回路(4)は、前記直流電源が前記負荷に前記直流電流を供給するときは、前記第１のリードリレー(1)がオンされた後に前記ＭＯＳＦＥＴ(5)をオンし、最後に第２のリードリレー(3)がオンするように制御され、前記直流電流を遮断するときは、前記第２のリードリレー(3)がオフされた後に前記ＭＯＳＦＥＴ(5)をオフして電流を遮断した後に、電流無しの状態で第１のリードリレー(1)をオフするように制御されることを特徴とする開閉装置によって達成される。

第１のリードリレーＳ１を半導体スイッチ回路に直列に入れて、半導体スイッチで電流の遮断完了後は速やかに第１のリードリレーＳ１を開放して高い絶縁抵抗を確保する。第１のリードリレーＳ１は通電される時間が短く、かつ半導体スイッチのプルアップ抵抗のリーク電流や洩れ電流などのほとんど電流の無い状態なので無アークで遮断できる。
負荷の開閉では、インダクタンスの大きな負荷の場合、遮断時過電圧が発生する、またコンデンサの負荷の場合、投入時ラッシュ電流が発生するが、半導体スイッチ回路Ｓ２のゲート制御回路４では様々な電流・電圧制御することができる。ゲート制御回路４は例えば過電流、過電圧保護も兼ねた制御を行う、さらに電流パターン制御、再起電圧のパターン制御、過電力保護、半導体スイッチ自身の温度高保護の機能を行うこともできる。ここでは、部品数が少なく、単にドレイン－ゲート間にコンデンサＣ１を接続してミラー積分回路を構成して半導体スイッチのオン・オフをＲ１とＣ１で遅く制御する機能を持ったゲート制御回路を説明する。
これらの動作を一括管理するために、図には書いていないがシーケンス制御回路があって、従来の単独のリードリレーのように外部からの単独のオン・オフ信号によって、内部で決められたシーケンスが動作するプログラム化されたシーケンサーによって、順次動作することで、従来の最大のリードリレーが、耐圧１ｋＶ、通電電流２Ａ程度、遮断電流０．１Ａだったのが、電流遮断容量が上がることで、電力容量を従来の１００Ｗ程度から１ｋＷ以上と大幅に増やし、直流電力を高速に開閉できる無アーク遮断のリードリレー開閉装置を実現する。

リードリレーは小型で、長寿命で、不活性のガス中でガラス管に封じ切られているために、金属接点でありながら外部環境によらずに、水、海水などの汚染の問題がないため接点の接触不良も少ない。さらにリードリレーの駆動機構は単純なので、高速で故障が少ない。
リードリレーをハイブリッド開閉装置に用いれば、電流遮断能力のほとんど期待できないリードリレーが、半導体スイッチとのハイブリッド遮断で、通電能力電流の遮断能力を得ることができ、電力のオン・オフが高速に可能になる。

リードリレーに本発明のハイブリッド化を適用すれば、リードリレーの利用分野が広がる。通電容量は接点部の発熱による温度上昇で決まるので、通電容量を増すには接点部の接触圧力、即ち磁界を増し、さらに冷却を行えばよい。ガラス管で不活性ガス中に封じ切られているリードスイッチを絶縁油で満たし冷却と絶縁能力を増やすことなど、さらにリードリレーの発展が考えられる。

本発明に係る２つのリードリレーを用い、半導体スイッチとゲート制御回路を持つハイブリッド開閉装置回路と各スイッチのオン・オフのシーケンスを示す図である。 本発明に係るリードリレーを利用した直流電流開閉装置の実施形態として、半導体スイッチのゲートに光結合スイッチなどを付加した回路図である。 本発明に係るリードリレーを利用した直流電流開閉装置の各スイッチのタイムシーケンスの詳細を示す図である。 本発明に係るリードリレーを利用した直流電流開閉装置の電流可逆の実施形態を示す回路図である。 本発明に係るリードリレーを利用した直流電流開閉装置の半導体スイッチ回路Ｓ２の詳細を示し、再起電圧の上昇を電圧非線形コンデンサで、始めは遅く、その後急速に上昇する実施形態を示す回路図である。 本発明に係るリードリレーを利用した直流電流開閉装置の半導体スイッチ回路Ｓ２の詳細を示し、ゲート駆動を絶縁ゲート駆動電源でＭＯＳＦＥＴ５を飽和領域でオン、負電圧でオフする実施形態を示す回路図である。 本発明に係るゲート制御回路の機能をブロック図で示すものである。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。
〔第１実施形態： 図１〕図１は、本発明に係るリードリレーを利用した直流電流開閉装置（以下単に「開閉装置」という。）の実施形態を示す回路図である。（請求項１）
図１は、直流電力回路において、本開閉装置は端子１，２を２線間に結合して開閉装置とする。電流は端子１から端子２へと流すことが出来る。電流を流すには、第１のリードリレーＳ１をオンし、その後、ゲート制御回路４により半導体スイッチ（ＭＯＳＦＥＴ。以下「ＭＯＳＦＥＴ」という。）５をオンする。そこで電流は端子１から端子２へと流れる。最後に第２のリードリレーＳ３をオンすると、第２のリードリレーＳ３の電流路の方が電気抵抗は小さい、又はＭＯＳＦＥＴ５のオン電圧があるためほとんどの電流は第２のリードリレーＳ３を流れる。大掛かりな半導体の除熱対策は不要である。

端子１から端子２へ流れる電流を遮断するには、その逆のシーケンスで、まず第２のリードリレーＳ３をオフする。リードスイッチの接点が開くと接点間にアーク電圧Ｖａｒｃが発生、その電圧は流が数Ａから１００Ａ程度では１０Ｖから２０Ｖ程度で金属の種類や条件によって異なる。

この電圧Ｖａｒｃによって、第２のリードリレーＳ３の電流は、第１のリードリレーＳ１と半導体スイッチ回路Ｓ２の直列接続回路に転流する。なお、図１に示すように、ここではＭＯＳＦＥＴ５とゲート制御回路４を合わせたものを「半導体スイッチ回路Ｓ２」と呼んでいる。
その転流に要する時間Ｔｎは第１のリードリレーＳ１と半導体スイッチ回路Ｓ２、第２のリードリレーＳ３のループ回路のインダクタンスＬｎは数１０ｎＨ程度と電流Ｉａｒｃは数Ａであるので、転流時間Ｔｎ＝Ｌｎ＊ Ｉａｒｃ／Ｖａｒｃで数１０ナノ秒以下と短時間である。この時間ではアークは発生しないか、アークが発生しても、電極の温度は上がらないので電極は消耗しない。

電流の転流、遮断の後、第２のリードリレーＳ３の開極が進み、第２のリードリレーＳ３は耐電圧を回復する。その間、第１のリードリレーＳ１と半導体スイッチ回路Ｓ２で通電している。第１のリードリレーＳ１が十分開極した後、半導体スイッチ回路Ｓ２のゲート制御回路４によって、電流を遮断する。
再起電圧はＭＯＳＦＥＴ５に発生するが、近年のシリコンカーバイド半導体のＭＯＳＦＥＴは１ｋＶを超える高い電圧に耐える。また電流遮断時間はＭＯＳＦＥＴの高速スイッチング特性によって数十ナノ秒であるので、誘導性の負荷の場合は、Ｌ＊ｄＩ／ｄｔの再起電圧が高くなるがバリスタなどで過電圧を吸収するのが簡単だ。

しかし、急峻な電流遮断による電子回路へのサージ対策やノイズ対策が必要である。サージ過電圧はバリスタやアレスタでカットできるが、ゲート制御回路４は高機能な過渡時の電圧、電流を制御する開閉装置とすることが可能である。ゲート制御回路４は、ここに電圧電流をＰＴ、ＣＴで検出して、アナログ制御回路でフイードバックするＦＢ回路とオペアンプで制御する。また過電流を保護することも、異常な電圧を検出して、多彩な保護機能を持つことは従来の技術で可能である、図７にブロック線図で示すが、ここでは別な電源無しで部品数が少なく効果の大きな方法を実施形態の（請求項３）を説明する。

半導体スイッチ回路Ｓ２で電流遮断後、第１のリードリレーＳ１をオフするが、電流がないので無アークで開極する。電流遮断後は、２つのリードリレー（Ｓ１，Ｓ３）が開極しているので、ＭＯＳＦＥＴ５やゲート制御回路４のリーク電流は完全に遮断されている。

〔第２実施形態：図２〕図２は、本発明に係る開閉装置の第１実施形態のゲート制御回路の詳細を示す回路図である。制御のタイムシーケンスを図３に示すが、請求項２に係るタイミングを示す。リードリレーは接点のオン時／オフ時に機械的振動によるチャタリングを起こす時間帯があるが、その時間帯を避けるだけの時間的余裕「Ｔｄ」を持たせたシーケンスで制御される。チャタリングは接点のオン時にバウンスすることで多く発生するが、オフ時も可能性があるので必要十分な時間余裕Ｔｄを設定する。

半導体スイッチ回路Ｓ２のゲート制御回路４は、光結合スイッチＳ２１とＳ２２の２つがＭＯＳＦＥＴ５のゲートを制御する。ゲート抵抗Ｒｇは数１００Ωのゲート抵抗で、ＭＯＳＦＥＴ５の寄生振動を抑制する。コンデンサＣ１と抵抗Ｒ１がＭＯＳＦＥＴ５のオン・オフの時間を遅らせるミラー積分回路を構成する。本実施例ではＣ１は０．０２μＦ、Ｒ１は１００Ω、Ｒ２は数１００ｋΩである。Ｒ２は高抵抗であってＣ１の放電抵抗でもある。

光結合スイッチＳ２２は、第１のリードリレーＳ１がオンするときの電圧上昇でコンデンサＣ１を介してゲート電位が上昇して、その瞬間だけ、ＭＯＳＦＥＴ５に電流が流れるのを防ぐ。Ｓ２２のオンのタイミングは第１のリードリレーＳ１のオンの直前で、コンデンサＣ１が充電されれば、速やかにオフされる。
図３に時間の流れと開閉装置の開状態から、閉状態、その後、開状態に至る各スイッチ状態を示す。

請求項３に係るオン・オフの速度を制御するにかかる説明は、
直流電流をＭＯＳＦＥＴ５のゲート電圧で単純に方形波によって制御すると、開閉装置の電圧の上昇と降下のスピードが数１０ナノ秒と速すぎるため、これを従来のアーク電流遮断の数１０マイクロ秒と遅くするゲート制御回路を付加する。光結合スイッチＳ２１はそのオフでＭＯＳＦＥＴ５をオンし、Ｓ２１がオンでＭＯＳＦＥＴ５をオフにと制御するが、Ｓ２１がオンで、Ｒ１を介してゲートはソースにつながれる。ＭＯＳＦＥＴ５の活性領域の高い電圧電流制御特性、トランスコンダクタンスがあるので、スレッショルド電圧Ｖｔｈでのミラー積分効果で（Ｒ１×Ｃ１）の逆数で決まる再起電圧上昇スピードにすることが出来る。再起電圧Ｖｒは、
Ｖｒ＝Ｖｔｈ＋Ｖｔｈ＊（Ｒ１×Ｃ１）－１＊Ｔｉｍｅ
これは、上記特許文献２で、すでに開示されている。

請求項４に係る説明を図４で示すが、本開閉装置には、直流回路であっても、電流が双方向に流れる場合もある。さらに商用周波数の交流電流にも本開閉装置を適用可能にするために、第１のリードリレーＳ１の後に、ダイオードブリッジ６を介して半導体スイッチ回路Ｓ２を接続する。この場合、ダイオードブリッジ６には短時間のみ電流が流れるので発熱や熱除去の心配はない。

請求項５に係る説明を図５に示すが、半導体スイッチ回路Ｓ２のＭＯＳＦＥＴ５を飽和駆動するために、ゲートにスレッショルド電圧Ｖｔｈより高いゲート電圧を与えて、ＭＯＳＦＥＴ５のオン電圧を低くする。損失が減り、より大きな電流を流せる。ＭＯＳＦＥＴ５をオフするには、ゲート電圧として負電圧を与えることで安定したゲート遮断状態にする。光結合スイッチＳ２１を絶縁されたゲート電圧発生装置にパルス電圧、例えばプラス１５ＶでＭＯＳＦＥＴ５をオンし、マイナス７ＶでＭＯＳＦＥＴ５をオフするが、その時、Ｃ１，Ｒ１によって電圧変化スピードを遅くすることも可能になって、サージ電圧の発生を回避することができる。しかし、遮断時間が掛かる分、ＭＯＳＦＥＴ５でのジュール損が増えるので温度上昇に注意する必要がある。ＭＯＳＦＥＴ５のジュール損を下げる方策として、Ｃ１として電圧非線形コンデンサを使う。セラミックコンデンサでは、静電容量が１０分の１なるものがあるが、電圧非線形コンデンサは再起電圧の低い間、静電容量が大きく、高くなるにしたがってＪカーブで再起電圧が高くなるので遮断時間が短くなってＭＯＳＦＥＴ５のジュール損を下げることができる。

リードリレーや水銀リレーは、小電流では長寿命で、小形で高速オン・オフが可能であるが、遮断電流はほとんど期待できなかった。本発明によれば、電流の開閉に関して、ＭＯＳＦＥＴなどの半導体スイッチを使って、機械接点を開閉極時、無アークで開閉することが可能であるため、リードリレーによって従来の１０倍以上の電力の高速オン・オフが可能になる。

また、動作状態によって電流方向の変わる直流や交流電流でも適用可能な方法、さらに電子回路において重要な電源開閉時のノイズ発生に考慮して、ラッシュ電流制御機能、再起電圧の上昇制御をゲート制御回路により行う開閉装置を示した。このように半導体スイッチと機械接点のハイブリッド開閉装置は、アークによる接点の溶融、欠損がないので開閉装置の開閉寿命を延ばし、電気的にもノイズのない開閉装置として使うことができる。

１：第１のリードリレーＳ１
２：半導体スイッチ回路Ｓ２
３：第２のリードリレーＳ３
４：ゲート制御回路
５：半導体スイッチ（ＭＯＳＦＥＴ）
６：ダイオードブリッジ
７：光結合スイッチ（Ｓ２１，Ｓ２２）
８：絶縁ゲート駆動電源

Claims (5)

1. 直流電源と負荷との間に挿入されて使用される、リードリレーを利用した直流電流の開閉装置（以下単に「開閉装置」という。）であって、該開閉装置は、
   第１のリードリレーと、
   前記第１のリードリレーと直列に接続され、前記第１のリードリレーの電流を導通・遮断するＭＯＳＦＥＴと、
   前記第１のリードリレーと前記ＭＯＳＦＥＴとの直列接続回路に並列に接続される第２のリードリレーとを備え、さらに、
   外部からの指令により前記ＭＯＳＦＥＴに対してオン／オフを指令する信号を与えるゲート制御回路を備えるとともに、
   前記ゲート制御回路は、
   前記直流電源が前記負荷に前記直流電流を供給するときは、前記第１のリードリレーがオンされた後に前記ＭＯＳＦＥＴをオンし、最後に第２のリードリレーがオンするように制御され、
   前記直流電流を遮断するときは、前記第２のリードリレーがオフされた後に前記ＭＯＳＦＥＴをオフして電流を遮断した後に、電流無しの状態で第１のリードリレーをオフするように制御されることを特徴とする開閉装置。
2. 前記第１のリードリレーのオン後に前記ＭＯＳＦＥＴをオンさせるまでの時間及び前記ＭＯＳＦＥＴのオフ後に前記第１のリードリレーをオフさせるまでの時間が、前記第１のリードリレーのオン／オフ時の機械的振動によるチャタリングを起こす時間帯よりも長くなるように設定されていることを特徴とする請求項１に記載の開閉装置。
3. 前記ＭＯＳＦＥＴのドレイン－ゲート間にコンデンサ、ゲート－ソース間に抵抗をそれ接続してミラー積分回路とすることにより、ゲート電圧の変化スピードを緩やかにするとともに、前記コンデンサを電圧非線形のコンデンサにすることにより、再起電圧の上昇カーブを制御して前記ＭＯＳＦＥＴのジュール損を削減することを特徴とする請求項１又は２に記載の開閉装置。
4. 前記第１のリードリレーの後に、ダイオード整流ブリッジを介して前記ＭＯＳＦＥＴを接続することを特徴とする請求項１から３までのいずれかに記載の開閉装置。
5. 前記ＭＯＳＦＥＴの通電損失による発熱を低減するために、前記ＭＯＳＦＥＴのゲートにスレッショルド電圧より大きな電圧を与えて低オン電圧の飽和駆動とし、さらに、前記ＭＯＳＦＥＴのオフの際には前記ゲートに負の電圧を与えて完全なゲート遮断状態にすることを特徴とする請求項１から４までのいずれかに記載の開閉装置。
   

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