JP7115127B2

JP7115127B2 - スイッチ装置

Info

Publication number: JP7115127B2
Application number: JP2018147990A
Authority: JP
Inventors: 悟藤田; 隆二山田
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2018-08-06
Filing date: 2018-08-06
Publication date: 2022-08-09
Anticipated expiration: 2038-08-06
Also published as: CN110808572A; US20200044650A1; JP2020024830A

Description

本発明は、スイッチ装置に関する。

互いに並列に接続された機械スイッチと半導体スイッチとを備えるスイッチにおいて、通常は機械式スイッチおよび半導体スイッチをオンにして電流を機械スイッチ側に流し、電流遮断時には、機械スイッチをＯＦＦにした後に半導体スイッチをＯＦＦにする技術が知られている（例えば、特許文献１、２を参照）。また、ガス断路器および真空遮断器を含む機械式開閉器と、真空遮断器に並列に接続された強制転流回路と、機械式開閉器に並列に接続された半導体スイッチ、例えばＩＧＢＴとを備える直流遮断器において、通常は電流を機械式開閉器に流し、電流遮断時には、真空遮断器に流れる直流電流の向きと逆方向の電流を強制転流回路から流すことで、真空遮断器に電流零点を生成して非導通状態とし、これによって機械式開閉器からＩＧＢＴに電流を転流させ、ガス断路器に流れる電流を無くしてから、ガス断路器を開極してＩＧＢＴを非導通状態とする技術が知られている（例えば、特許文献３を参照）。
［先行技術文献］
［特許文献］
［特許文献１］国際公開ＷＯ２０１１／０３４１４０号
［特許文献２］特開２０１７－１９１７６４号公報
［特許文献３］国際公開ＷＯ２０１６／０４７２０９号

上記の直流遮断器によれば、過電流時にガス断路器でのアーク発生を概ね回避できるが、真空遮断器およびガス断路器を機械的にオフにしてからＩＧＢＴをオフにする。真空遮断器およびガス断路器を機械的にオフにするまでの期間を含む直流遮断器のオフ期間では、真空遮断器およびガス断路器を機械的にオフするまでの期間が長いため、ＩＧＢＴに流れる電流は増加する。ＩＧＢＴは、定格電流の５倍以下でコレクタ電流が飽和し、順方向電圧降下が最大で電源電圧相当まで上昇してしまう。よって、上記の直流遮断器においてＩＧＢＴが過電流に対する遮断能力を有するようにするためには、ＩＧＢＴの電流容量を、過電流時にも飽和に至らないレベルまで大きくしておく必要があり、コストアップおよび装置の大型化につながっていた。

入力端子と出力端子との間を接続または切断するスイッチ装置は、機械式スイッチ部および第１半導体スイッチ部と、第２半導体スイッチ部と、スイッチ制御部とを備えてもよい。機械式スイッチ部および第１半導体スイッチ部は、入力端子と出力端子との間に直列に接続されてもよい。第２半導体スイッチ部は、入力端子と出力端子との間に、機械式スイッチ部および第１半導体スイッチ部と並列に接続されてもよい。スイッチ制御部は、第１半導体スイッチ部および第２半導体スイッチ部のそれぞれのオンオフのタイミングと、機械式スイッチ部を開閉するタイミングとを個別に制御してもよい。

スイッチ装置は、入力端子と出力端子との間に設けられる電流検出部を更に備えてもよい。スイッチ制御部は、保護回路と、パルス分配回路と、駆動回路とを有してもよい。保護回路は、電流検出部からの信号に応じて過電流を検出した場合にオフ指令を出力してもよい。パルス分配回路は、外部からの信号に基づき、機械式スイッチ部を開閉し、第１半導体スイッチ部および第２半導体スイッチ部をそれぞれオンオフするために予め定められたパルス信号を出力し、保護回路からオフ指令が入力された場合は、外部からの信号に関わらず、機械式スイッチ部を閉じ、第１半導体スイッチ部および第２半導体スイッチ部をそれぞれオフするために予め定められたパルス信号を出力してもよい。駆動回路は、パルス分配回路から入力されるパルス信号に基づき、機械式スイッチ部を開閉する信号と、第１半導体スイッチ部および第２半導体スイッチ部をそれぞれオンオフするためのゲート電圧とを出力してもよい。

第１半導体スイッチ部の耐電圧は、第２半導体スイッチ部のオン電圧よりも高くてもよい。

第１半導体スイッチ部は入力端子および出力端子の間に並列に接続された複数の第１半導体スイッチを含んでもよい。第２半導体スイッチ部は入力端子および出力端子の間に直列に接続された複数の第２半導体スイッチを含んでもよい。複数の第１半導体スイッチのそれぞれの耐電圧は、複数の第２半導体スイッチのオン電圧の和よりも高くてもよい。

スイッチ制御部は、第１半導体スイッチ部、機械式スイッチ部および第２半導体スイッチ部がいずれもオンの状態で、入力端子と出力端子との間を接続状態から切断状態に切替える場合に、第１半導体スイッチ部、機械式スイッチ部、第２半導体スイッチ部の順にオフとしてもよい。

スイッチ制御部は、入力端子と出力端子との間を接続状態から切断状態に切替える場合に、第１半導体スイッチ部をオフとした後に、第１半導体スイッチ部の電流が予め定められた値以下となったことに応じて、機械式スイッチ部をオフとしてもよい。

スイッチ制御部は、第１半導体スイッチ部、機械式スイッチ部および第２半導体スイッチ部がいずれもオフの状態で、入力端子および出力端子の間を切断状態から接続状態に切替える場合に、第２半導体スイッチ部、機械式スイッチ部、第１半導体スイッチ部の順にオンとしてもよい。

スイッチ制御部は、第２半導体スイッチ部をオンとした後に、入力端子と出力端子との間の電位差が基準以下となったことに応じて、機械式スイッチ部をオンとしてもよい。

スイッチ装置は、機械式切替スイッチと、第１半導体スイッチ部と、第２半導体スイッチ部と、第３半導体スイッチ部と、スイッチ制御部とを備えてもよい。機械式切替スイッチは、第１の入力端子と出力端子との間の接続状態と、第２の入力端子と出力端子との間の接続状態とを切り替えてもよい。第１半導体スイッチ部は、第１の入力端子と出力端子との間および第２の入力端子と出力端子との間に機械式切替スイッチとともに直列に接続されてもよい。第２半導体スイッチ部は、第１の入力端子と出力端子との間に、機械式切替スイッチおよび第１半導体スイッチ部と並列に接続されてもよい。第３半導体スイッチ部は、第２の入力端子と出力端子との間に、機械式切替スイッチおよび第１半導体スイッチ部と並列に接続されてもよい。スイッチ制御部は、第１半導体スイッチ部、第２半導体スイッチ部および第３半導体スイッチ部のそれぞれのオンオフのタイミングと、機械式切替スイッチを開閉するタイミングとを個別に制御してもよい。

スイッチ制御部は、第１半導体スイッチ部および第２半導体スイッチ部がオンの状態、且つ、機械式切替スイッチが第１端子と第１半導体スイッチ部との間を接続している状態で、第１の入力端子と出力端子との間を接続状態から切断状態に切り替え、且つ、第２の入力端子と出力端子との間を切断状態から接続状態に切り替える場合に、第１半導体スイッチ部をオフとし、次に機械式切替スイッチを第２の入力端子と第１半導体スイッチ部との間を接続している状態に切り替え、次に第２半導体スイッチ部をオフとすると共に第３半導体スイッチ部をオンとし、次に第１半導体スイッチ部をオンとしてもよい。

スイッチ制御部は、第１半導体スイッチ部および第２半導体スイッチ部がオンの状態、且つ、機械式切替スイッチが第１の入力端子と第１半導体スイッチ部との間を接続している状態で、第１の入力端子と出力端子との間を接続状態から切断状態に切り替え、且つ、第２の入力端子と出力端子との間を切断状態から接続状態に切り替える場合に、第１半導体スイッチ部をオフとし、次に機械式切替スイッチを、第１の入力端子と第１半導体スイッチ部との間、および第２の入力端子と第１半導体スイッチ部との間の何れも接続していない状態に切り替え、次に第２半導体スイッチ部をオフとすると共に第３半導体スイッチ部をオンとし、次に機械式切替スイッチを第２の入力端子と第１半導体スイッチ部との間を接続している状態に切り替え、次に第１半導体スイッチ部をオンとしてもよい。

スイッチ制御部は、第３半導体スイッチ部をオンとした後に、第２の入力端子と出力端子との間の電位差が基準以下となったことに応じて、機械式切替スイッチを第２の入力端子と第１半導体スイッチ部との間を接続している状態に切り替えてもよい。

第１半導体スイッチ部は、複数の第１半導体スイッチを有してもよい。複数の第１半導体スイッチは、入力端子および出力端子の間に逆直列に接続され、それぞれが入力端子および出力端子の間に逆並列に接続された半導体スイッチ素子およびダイオードの組を有してもよい。スイッチ装置は、ダイオードブリッジを更に備えてもよい。ダイオードブリッジは、入力端子および出力端子の間に、第２半導体スイッチ部と並列に接続されてもよい。

第１半導体スイッチ部は、複数の第１半導体スイッチを有してもよい。複数の第１半導体スイッチは、第１の入力端子および出力端子の間に逆直列に接続され、それぞれが第１の入力端子および出力端子の間に逆並列に接続された半導体スイッチ素子およびダイオードの組を有してもよい。スイッチ装置は、第１ダイオードブリッジと第２ダイオードブリッジとを更に備えてもよい。第１ダイオードブリッジは、第１の入力端子および出力端子の間に、第２半導体スイッチ部と並列に接続されてもよい。第２ダイオードブリッジは、第２の入力端子および出力端子の間に、第３半導体スイッチ部と並列に接続されてもよい。

第１半導体スイッチ部はＭＯＳＦＥＴを含み、第２半導体スイッチ部はＩＧＢＴ、ＧＴＯサイリスタおよびＷＢＧ半導体の少なくとも何れかを含んでもよい。

第１半導体スイッチ部はＭＯＳＦＥＴを含み、第２半導体スイッチ部および第３半導体スイッチ部の少なくとも何れかはＩＧＢＴ、ＧＴＯサイリスタおよびＷＢＧ半導体の少なくとも何れかを含んでもよい。

なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。

第１実施形態によるスイッチ装置１０の模式的な回路図である。第１実施形態によるスイッチ部１００の動作を示すタイミングチャートである。第２実施形態によるスイッチ部２００の模式的な回路図である。第３実施形態によるスイッチ部３００の模式的な回路図である。第３実施形態によるスイッチ部３００の動作を示すタイミングチャートである。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。なお、図面において、同一または類似の部分には同一の参照番号を付して、重複する説明を省く場合がある。

図１は、第１実施形態によるスイッチ装置１０の模式的な回路図である。図中、先端が黒塗りの矢印は制御信号の入出力方向を示し、先端が白抜きの矢印は電力の流れ方向を示す。以降の図においても、同様とする。

スイッチ装置１０は、第１端子２１、第２端子２２、制御端子２５、スイッチ部１００、電流検出部３０および制御回路４０を備える。第１端子２１は入力端子の一例であって、第２端子２２は出力端子の一例である。スイッチ装置１０は、第１端子２１と第２端子２２との間を接続または切断することによって、第１端子２１から第２端子２２へと流れようとする直流電流を導通させたり遮断したりする。スイッチ装置１０は、直流電流を扱う配電盤などに適用されてもよく、制御端子２５を介して、外部の制御装置５により動作を制御される。スイッチ装置１０には、商用の場合に、一例として４００Ｖまたは８００Ｖというような高い直流電圧が印加される。

スイッチ部１００は、機械式スイッチ部１１０と、第１半導体スイッチ部１２０と、第２半導体スイッチ部１３０とを有する。

機械式スイッチ部１１０は、第１端子２１と第２端子２２との間に接続されている。機械式スイッチ部１１０は、一例として機械式リレーを含み、金属接点を有する。機械式スイッチ部１１０は、アーク除去の構造は有さなくてもよい。機械式スイッチ部１１０は、金属導体同士を接触または切り離すことから、第１半導体スイッチ部１２０および第２半導体スイッチ部１３０の両方に比べて導通抵抗が大幅に低く、大電流が導通する場合であっても電流導通損失は殆ど無い。そのため、機械式スイッチ部１１０は、電力損失によって発生する熱を冷却するための冷却フィンなどが不要である。以降の説明において、機械式スイッチ部１１０が開閉することを、機械式スイッチ部１１０がオンオフすると呼ぶ場合がある。

第１半導体スイッチ部１２０は、第１端子２１と第２端子２２との間において、機械式スイッチ部１１０に直列に接続されている。機械式スイッチ部１１０および第２半導体スイッチ部１３０に比べて、スイッチング速度が速い。第１半導体スイッチ部１２０は、一例として、スイッチング速度が数１０ｎｓであって耐電圧が数十Ｖクラスの場合にオン抵抗が数ミリΩ程度と非常に低い、低耐圧ＭＯＳＦＥＴを含む。低耐圧ＭＯＳＦＥＴは、内蔵のボディダイオードまたは逆並列に接続されたダイオードを含む。第１半導体スイッチ部１２０の低耐圧ＭＯＳＦＥＴは、ドレインが機械式スイッチ部１１０に接続され、ソースが第２端子２２に接続され、ゲートが制御回路４０に接続される。

第２半導体スイッチ部１３０は、第１端子２１と第２端子２２との間に、機械式スイッチ部１１０および第１半導体スイッチ部１２０と並列に接続されている。第２半導体スイッチ部１３０は、機械式スイッチ部１１０に比べて、高速で電流を遮断可能である。

上述した第１半導体スイッチ部１２０の耐電圧は、第２半導体スイッチ部１３０の耐電圧よりも低く、第２半導体スイッチ部１３０のオン電圧よりも高い。ここで言う第２半導体スイッチ部１３０のオン電圧は、第２半導体スイッチ部１３０がオン状態で通電することによって、第２半導体スイッチ部１３０の主端子間に生じる電圧である。

また、第２半導体スイッチ部１３０のオン電圧は、機械式スイッチ部１１０および第１半導体スイッチ部１２０のオン電圧の和に比べて高い。第２半導体スイッチ部１３０は、一例としてＩＧＢＴを含む。第２半導体スイッチ部１３０は、ＧＴＯサイリスタ、ＷＢＧ半導体などを含んでもよい。第２半導体スイッチ部１３０のＩＧＢＴは、コレクタが第１端子２１に接続され、エミッタが第２端子２２に接続され、ゲートが制御回路４０に接続される。

電流検出部３０は、第１端子２１と第２端子２２との間に設けられ、一例として、第１端子２１側、すなわち直流電流の入力側に設けられ、第１端子２１と第２端子２２との間を流れる電流を検出し、電流値を示す信号を制御回路４０に出力する。電流検出部３０は、第１端子２１と第２端子２２との間において、スイッチ部１００に直列に接続された電流計であってもよい。また、電流検出部３０は、第１端子２１と第２端子２２との間を流れる電流を非接触で検出する、カレントトランス方式電流センサであってもよい。

制御回路４０は、保護回路４１と、パルス分配回路４２と、駆動回路４３とを有する。制御回路４０は、制御装置５から送られる制御信号に基づいて、スイッチ部１００における第１半導体スイッチ部１２０および第２半導体スイッチ部１３０のそれぞれのオンオフのタイミングと、機械式スイッチ部１１０を開閉するタイミングとを個別に制御する。制御回路４０は、スイッチ制御部の一例である。制御回路４０は、マイクロコントローラ等のＣＰＵを含む制御コンピュータであって、スイッチングプログラムを実行することにより以下に示す各部として機能してもよい。これに代えて、制御回路４０は、専用回路またはプログラマブル回路によって実現されてもよい。

機械式スイッチ部１１０に関して、制御回路４０は、スイッチ部１００において直流電流を導通させる場合、すなわち通常の場合は、機械式スイッチ部１１０を閉じて直流電流を導通させるように制御する。また、制御回路４０は、スイッチ部１００において直流電流を遮断する場合は、機械式スイッチ部１１０を導通していた直流電流が第２半導体スイッチ部１３０に転流した後に、機械式スイッチ部１１０を開くように制御する。制御回路４０が機械式スイッチ部１１０をこのように制御することによって、機械式スイッチ部１１０ではアークが発生しない。但し、機械式スイッチ部１１０が閉じた状態で、第１半導体スイッチ部１２０および第２半導体スイッチ部１３０がオン状態である間は第１端子２１および第２端子２２の間の電圧が数Ｖから数十Ｖ程度なので、制御回路４０は、上記の制御に代えて、上記の転流を行わずに機械式スイッチ部１１０を開くことによって、機械式スイッチ部１１０で電流を遮断してもよい。この場合、スイッチ部１００は追加的に、機械式スイッチ部１１０で発生するアークから機械式スイッチ部１１０を保護するための構成を有してもよい。

第１半導体スイッチ部１２０に関して、制御回路４０は、通常の場合は第１半導体スイッチ部１２０をオン状態として直流電流を導通させるように制御する。また、制御回路４０は、スイッチ部１００において直流電流を遮断する場合は、第１半導体スイッチ部１２０を機械式スイッチ部１１０および第２半導体スイッチ部１３０よりも先にオフとし、これにより、第１半導体スイッチ部１２０側に流れていた直流電流を第２半導体スイッチ部１３０側に転流させるように制御する。

第２半導体スイッチ部１３０に関して、制御回路４０は、通常の場合は第２半導体スイッチ部１３０をオン状態としておくように制御する。但し、第２半導体スイッチ部１３０のオン電圧は機械式スイッチ部１１０および第１半導体スイッチ部１２０のオン電圧の和に比べて高いので、第２半導体スイッチ部１３０に直流電流は殆ど流れない。また、制御回路４０は、スイッチ部１００において直流電流を遮断する場合は、第１半導体スイッチ部１２０側に流れていた直流電流が第２半導体スイッチ部１３０側に転流して第２半導体スイッチ部１３０を流れた後に、第２半導体スイッチ部１３０をオフとするように制御する。なお、制御回路４０は、通常の場合において、第１半導体スイッチ部１２０側に直流電流が流れている間は第２半導体スイッチ部１３０をオフ状態にしておき、スイッチ部１００において直流電流を遮断する場合には、第２半導体スイッチ部１３０をオンとした後に第１半導体スイッチ部１２０がオフとして、上記と同様に直流電流の転流および遮断を行うように制御してもよい。

保護回路４１は、制御端子２５を介して、外部の制御装置５から、スイッチ部１００において通常の直流電流を導通させるための制御信号が与えられ、当該制御信号をパルス分配回路４２に出力する。保護回路４１は、電流検出部３０から随時に信号を入力され、電流検出部３０からの信号に応じて過電流を検出する。保護回路４１は、一例として、電流検出部３０からの信号に示される電流値が予め定められた過電流用の設定値ｌｉｍ以上であるか否かを判断することによって、過電流を検出する。保護回路４１は、過電流を検出した場合にはパルス分配回路４２にオフ指令を出力する。なお、スイッチ装置１０が電流検出部３０を備えない場合には、保護回路４１は、スイッチ装置１０の第１端子２１側、すなわち直流電流の入力側の電流値を検出してもよく、この場合に保護回路４１は、当該電流値を検出すべく、一例として磁気センサを含んでもよい。なお、保護回路４１は、上記のオフ信号を出力することに代えて、パルス分配回路４２に対する、上記の制御信号の供給を停止してもよい。

パルス分配回路４２は、保護回路４１を介して入力される、外部の制御装置５からの制御信号に基づき、機械式スイッチ部１１０を開閉し、第１半導体スイッチ部１２０および第２半導体スイッチ部１３０をそれぞれオンオフするために予め定められたパルス信号を駆動回路４３に出力する。パルス分配回路４２は、保護回路４１からオフ指令が入力された場合は、外部の制御装置５からの制御信号に関わらず、機械式スイッチ部１１０を閉じ、第１半導体スイッチ部１２０および第２半導体スイッチ部１３０をそれぞれオフするために予め定められたパルス信号を駆動回路４３に出力する。パルス分配回路４２は、保護回路４１を介して入力される、外部の制御装置５からの制御信号に、予め定められた遅延時間や時間差を与えたパルス信号を駆動回路４３に出力する。これにより、機械式スイッチ部１１０の開閉動作と、第１半導体スイッチ部１２０および第２半導体スイッチ部１３０のそれぞれのオンオフ動作とのタイミングが相互にシフトされる。

駆動回路４３は、パルス分配回路４２から入力されるパルス信号に基づき、すなわち上記の制御信号に与えられた遅延時間等に応じたタイミングで、機械式スイッチ部１１０を開閉する信号と、第１半導体スイッチ部１２０および第２半導体スイッチ部１３０をそれぞれオンオフするためのゲート電圧とを出力する。

図２は、第１実施形態によるスイッチ部１００の動作を示すタイミングチャートである。図２は、横方向に時間の経過をとり、縦方向には上から順に、全電流、第２半導体スイッチ部１３０側の電流、第１半導体スイッチ部１２０側の電流、第２半導体スイッチ部１３０のオンオフ状態、機械式スイッチ部１１０のオンオフ状態および第１半導体スイッチ部１２０のオンオフ状態の時間の遷移を示す。また、図２は、時間の経過を主な３つの期間に分けた、期間（I）、（II）および（III）を左から順に示す。

期間（I）は、スイッチ部１００において直流電流を遮断している状態から導通させる状態へと移行する期間である。期間（II）は、スイッチ部１００において直流電流を定常的に導通させている期間である。期間（III）は、スイッチ部１００において直流電流を導通させている状態から遮断する状態へと移行する期間である。なお、図２では、単に説明を明確にする目的で、期間（II）が短く示されている。また、図２に示されている時系列においては、期間（I）より前および期間（III）より後は、スイッチ部１００において直流電流を遮断している期間であり、図示していない期間において任意に期間（I）、（II）および（III）を含んでもよい。

期間（I）の最初のタイミングｔ１では、何れもオフ状態である機械式スイッチ部１１０、第１半導体スイッチ部１２０および第２半導体スイッチ部１３０に対して、制御回路４０から第２半導体スイッチ部１３０のＩＧＢＴのゲート電圧を制御し、第２半導体スイッチ部１３０のみをオンとする。ＩＧＢＴは、比較的に高速でスイッチング動作可能な半導体スイッチング素子なので、速やかにオン状態になることができ、スイッチ装置１０全体でのオン動作を高速化することが可能である。第２半導体スイッチ部１３０のみがオン状態になると、第２半導体スイッチ部１３０側のみに直流電流が流れ始める。

期間（I）の次のタイミングｔ２は、タイミングｔ１に対して時間差Δｔ１を有する。時間差Δｔ１は、第２半導体スイッチ部１３０のＩＧＢＴがターンオンに要する時間、すなわち、ターンオン動作が完了して定常状態の直流電流がＩＧＢＴに通電するまでの時間が確保されていればよい。時間差Δｔ１は、一例として、１μ秒から２μ秒程度である。タイミングｔ２では、制御回路４０から機械式スイッチ部１１０をオンとする。このとき、機械式スイッチ部１１０と直列に接続されている第１半導体スイッチ部１２０は未だオフ状態であるので、機械式スイッチ部１１０をオンとしても、依然として第１半導体スイッチ部１２０側には直流電流が流れず、第２半導体スイッチ部１３０側のみに直流電流が流れる。そのため、機械式スイッチ部１１０においては、アークが発生しない。また、時間差Δｔ１を設けることによって、機械式スイッチ部１１０をオンとしても、第１半導体スイッチ部１２０に印加される直流電圧は第２半導体スイッチ部１３０のＩＧＢＴのオン電圧である数十Ｖ程度なので、第１半導体スイッチ部１２０に低耐圧ＭＯＳＦＥＴを用いることができる。

期間（II）の最初のタイミングｔ３は、タイミングｔ１に対して遅延時間ｔｄ_ｏｎを有する。タイミングｔ３では、制御回路４０から第１半導体スイッチ部１２０の低耐圧ＭＯＳＦＥＴのゲート電圧を制御し、第１半導体スイッチ部１２０をオンとする。機械式スイッチ部１１０および第１半導体スイッチ部１２０のオン電圧の和は、第２半導体スイッチ部１３０のオン電圧に比べて低いので、タイミングｔ３で、第２半導体スイッチ部１３０側に流れていた直流電流が第１半導体スイッチ部１２０側に転流し、第２半導体スイッチ部１３０側に直流電流は殆ど流れなくなる。遅延時間ｔｄ_ｏｎと時間差Δｔ１との差分は、機械式スイッチ部１１０が閉じるのに要する時間が確保されていればよい。機械式スイッチ部１１０が閉じる前に第１半導体スイッチ部１２０がオンとされると機械式スイッチ部１１０が閉じるときにアークが発生してしまうが、上記の制御によって機械式スイッチ部１１０にアークが発生することを確実に回避できる。

期間（II）において、第１半導体スイッチ部１２０側に流れる直流電流と第２半導体スイッチ部１３０側に流れる直流電流との比は、機械式スイッチ部１１０および第１半導体スイッチ部１２０のオン電圧の和と第２半導体スイッチ部１３０のオン電圧との比に対応する。よって、例えば半導体スイッチ素子の並列数を変更することにより、上記の直流電流の比を調整してもよい。例えば、第１半導体スイッチ部１２０において複数の低耐圧ＭＯＳＦＥＴを並列接続することにより第１半導体スイッチ部１２０のオン抵抗を小さくし、これによって第２半導体スイッチ部１３０側に流れる直流電流を少なくしてもよい。また、第２半導体スイッチ部１３０において、スイッチング速度とオン抵抗とのトレードオフの関係を利用して、スイッチング速度を優先した半導体スイッチ素子を選択し、意図的にオン抵抗を高くし、これによって第２半導体スイッチ部１３０側に流れる直流電流を少なくしてもよい。

期間（III）の最初のタイミングｔ４では、何れもオン状態である機械式スイッチ部１１０、第１半導体スイッチ部１２０および第２半導体スイッチ部１３０に対して、制御回路４０から第１半導体スイッチ部１２０の低耐圧ＭＯＳＦＥＴのゲート電圧を制御して、第１半導体スイッチ部１２０のみをオフとする。低耐圧ＭＯＳＦＥＴは、スイッチング速度が数１０ｎｓなので、速やかにオフ状態になることができる。第１半導体スイッチ部１２０がオフ状態になることで、第１半導体スイッチ部１２０側は完全に遮断され、第１半導体スイッチ部１２０側に流れていた直流電流は第２半導体スイッチ部１３０側に転流する。機械式スイッチ部１１０および第２半導体スイッチ部１３０をオン状態のままにして第１半導体スイッチ部１２０をオフとすることによって、第１半導体スイッチ部１２０に印加される直流電圧は第２半導体スイッチ部１３０のＩＧＢＴのオン電圧である数十Ｖ程度なので、やはり第１半導体スイッチ部１２０に低耐圧ＭＯＳＦＥＴを用いることができる。

期間（III）の次のタイミングｔ５は、タイミングｔ４に対して時間差Δｔ２を有する。時間差Δｔ２は、第１半導体スイッチ部１２０の低耐圧ＭＯＳＦＥＴがターンオフに要する時間、すなわち、ターンオフ動作が完了して第１半導体スイッチ部１２０側に流れていた直流電流が第２半導体スイッチ部１３０側に転流するまでの時間が確保されていればよい。時間差Δｔ２は、一例として、１μ秒から２μ秒程度である。タイミングｔ５では、制御回路４０から機械式スイッチ部１１０をオフとする。このとき、第１半導体スイッチ部１２０側にはもはや直流電流が流れていないので、やはり機械式スイッチ部１１０においてはアークが発生しない。

期間（III）の次のタイミングｔ６は、タイミングｔ４に対して遅延時間ｔｄ_ｏｆｆを有する。タイミングｔ６では、制御回路４０から第２半導体スイッチ部１３０のＩＧＢＴのゲート電圧を制御して、第２半導体スイッチ部１３０をオフとし、これによって、スイッチ部１００を流れる直流電流を完全に遮断する。ＩＧＢＴは、比較的に高速でスイッチング動作可能な半導体スイッチング素子なので、速やかにオフ状態になることができ、過電流時にスイッチ装置１０全体でのオフ動作を高速化することが可能である。

遅延時間ｔｄ_ｏｆｆと時間差Δｔ２との差分は、機械式スイッチ部１１０が開くのに要する時間が確保されていればよい。機械式スイッチ部１１０が開く前に第２半導体スイッチ部１３０がオフとされると、第１端子２１を介して第１半導体スイッチ部１２０の低耐圧ＭＯＳＦＥＴに系統の高電圧が印加されて過電圧破壊が生じてしまうが、上記の制御によって低耐圧ＭＯＳＦＥＴに過電圧破壊が生じることを確実に回避できる。

以上の第１実施形態におけるスイッチ装置１０によれば、第１半導体スイッチ部１２０、機械式スイッチ部１１０および第２半導体スイッチ部１３０がオフの状態で、第１端子２１と第２端子２２との間を切断状態から接続状態に切替える場合に、第２半導体スイッチ部１３０、機械式スイッチ部１１０、第１半導体スイッチ部１２０の順にオンとする。また、当該スイッチ装置１０によれば、第１半導体スイッチ部１２０、機械式スイッチ部１１０および第２半導体スイッチ部１３０がオンの状態で、第１端子２１と第２端子２２との間を接続状態から切断状態に切替える場合に、第１半導体スイッチ部１２０、機械式スイッチ部１１０、第２半導体スイッチ部１３０の順にオフとする。

これにより、当該スイッチ装置１０は、第１半導体スイッチ部１２０にスイッチング速度が速くオン抵抗が極めて小さい低耐圧ＭＯＳＦＥＴを用いることができ、通常では、直流電流が機械式スイッチ部１１０および第１半導体スイッチ部１２０の側に流れるので、電流導通損失を抑えることが可能である。また、機械式スイッチ部１１０には、アーク除去の構造が不要になるので、小型化および低コスト化が可能になる。また、機械式スイッチ部１１０では、アークによる金属接点での消耗がないので、長寿命化が可能になる。また、機械式スイッチ部１１０にアークが発生しないように構成することで、例えば機械式リレーにおいて水素ガスによる冷却効果と磁場によるアーク引き延ばし効果とを利用して直流電流を遮断する場合に比べて、遮断時間を短縮できる。これにより、スイッチ装置１０において大電流を遮断する場合に、第１半導体スイッチ部１２０をオフとしてから機械式スイッチ部１１０をオフとした後に第２半導体スイッチ部１３０をオフとするまでの期間が短縮され、第２半導体スイッチ部１３０での電流上昇が抑えられる。従って、スイッチ装置１０は、第２半導体スイッチ部１３０の電流容量を小さくすることが可能になり、小型化および低コスト化が可能になる。

以上の第１実施形態において、スイッチ装置１０は、外部の制御装置５によって動作を制御される構成として説明した。これに代えて、スイッチ装置１０は、内部に制御装置５を備えるようにパッケージ化されてもよい。以降の実施形態においても同様である。

以上の第１実施形態において、スイッチ装置１０の第１半導体スイッチ部１２０および第２半導体スイッチ部１３０はそれぞれ、単一の半導体スイッチ素子を含むものとして説明した。これに代えて、第１半導体スイッチ部１２０は、第１端子２１と第２端子２２との間に並列に接続された複数の第１半導体スイッチを含んでもよい。これにより、第１半導体スイッチ部１２０として、定格電流が小さな第１半導体スイッチを用いることができ、小型化および低コスト化が可能になり、また冗長性が向上する。また、第２半導体スイッチ部１３０は、第１端子２１と第２端子２２との間に直列に接続された複数の第２半導体スイッチを含んでもよい。これにより、第２半導体スイッチ部１３０として、耐電圧が小さな第２半導体スイッチを用いることができ、小型化および低コスト化が可能になる。また、この場合において、複数の第１半導体スイッチのそれぞれの耐電圧は、複数の第２半導体スイッチのそれぞれの耐電圧よりも低く、複数の第２半導体スイッチのオン電圧の和よりも高くてもよい。また、これらの対比される電圧間にはマージンが設けられてもよい。これにより、第１実施形態におけるスイッチ装置１０と同様にオンオフ動作を制御することができる。以降の実施形態においても同様である。

以上の第１実施形態において、スイッチ装置１０は、第１端子２１および第２端子２２の間を切断状態から接続状態に切替える場合に、第２半導体スイッチ部１３０をオンとした後、時間差Δｔ１だけタイミングをシフトさせて、制御回路４０から機械式スイッチ部１１０をオンとするものとして説明した。これに代えて又はこれに加えて、スイッチ装置１０は、第２半導体スイッチ部１３０の入力側である第１端子２１と出力側である第２端子２２との間の電位差を検出する電圧計を備え、第１端子２１と第２端子２２との間を切断状態から接続状態に切替える場合に、第２半導体スイッチ部１３０をオンとした後に、電圧計によって検出される第１端子２１と第２端子２２との間の電位差が基準以下となったことに応じて、機械式スイッチ部１１０をオンとしてもよい。これにより、例えば基準を第２半導体スイッチ部１３０のＩＧＢＴのオン電圧とすることで、機械式スイッチ部１１０をオンとしたときに、第１半導体スイッチ部１２０に印加される直流電圧が当該オン電圧以下になることを確実にすることができ、第１半導体スイッチ部１２０において過電圧破壊が生じることを確実に防止できる。以降の実施形態においても同様である。

以上の第１実施形態において、スイッチ装置１０は、第１端子２１および第２端子２２の間を接続状態から切断状態に切替える場合に、第１半導体スイッチ部１２０をオフとした後、時間差Δｔ２だけタイミングをシフトさせて、制御回路４０から機械式スイッチ部１１０をオフとするものとして説明した。これに代えて又はこれに加えて、スイッチ装置１０は、第１半導体スイッチ部１２０に流れる電流を検出する電流計を備え、第１端子２１と第２端子２２との間を接続状態から切断状態に切替える場合に、第１半導体スイッチ部１２０をオフとした後に、電流計によって検出される第１半導体スイッチ部１２０の電流が予め定められた値以下となったことに応じて、機械式スイッチ部１１０をオフとしてもよい。

図３は、第２実施形態によるスイッチ部２００の模式的な回路図である。本実施形態によるスイッチ装置１０は、交流電流を扱う配電盤などに適用されてもよく、例えば、商用の場合には１００Ｖまたは２００Ｖの交流電圧が加わり、高圧線に接続される場合には３．３ｋＶまたは６．６ｋＶの交流電圧が加わる。本実施形態によるスイッチ装置１０は、第１端子２１および第２端子２２の間を接続または切断することによって、第１端子２１から第２端子２２へと流れようとする交流電流を導通または遮断する。

本実施形態によるスイッチ装置１０が第１実施形態によるスイッチ装置１０と異なる点は、スイッチ部１００に代えてスイッチ部２００を備える点であり、その他は同じ構成要素を備える。本実施形態において、第１実施形態によるスイッチ装置１０と同じ構成要素については、同様の参照番号を付し、重複する説明を省略する。以降の実施形態においても、同様とする。

スイッチ部２００は、機械式スイッチ部１１０と、第１半導体スイッチ部２２０と、ダイオードブリッジ２４０と、第２半導体スイッチ部２３０とを有する。

第１半導体スイッチ部２２０は、第１端子２１と第２端子２２との間において、機械式スイッチ部１１０に直列に接続されている。第１半導体スイッチ部２２０は、第１端子２１と第２端子２２との間に逆直列に接続された第１半導体スイッチ２２１および第１半導体スイッチ２２２を含む。第１半導体スイッチ２２１および第１半導体スイッチ２２２はそれぞれ、第１端子２１と第２端子２２との間に逆並列に接続された半導体スイッチ素子およびダイオードの組を有する。この半導体スイッチ素子およびダイオードの組は、一例として、第１実施形態の第１半導体スイッチ部１２０と同様に、低耐圧ＭＯＳＦＥＴと、低耐圧ＭＯＳＦＥＴに内蔵されたボディダイオードまたは低耐圧ＭＯＳＦＥＴに逆並列に接続されたダイオードとの組を含む。第１半導体スイッチ２２１の低耐圧ＭＯＳＦＥＴは、ドレインが機械式スイッチ部１１０に接続され、ソースが、第１半導体スイッチ２２２の低耐圧ＭＯＳＦＥＴのソースに接続され、第１半導体スイッチ２２２の低耐圧ＭＯＳＦＥＴのドレインは第２端子２２に接続される。また、第１半導体スイッチ２２１および第１半導体スイッチ２２２の何れのゲートも制御回路４０に接続される。

ダイオードブリッジ２４０は、第１端子２１と第２端子２２との間に、機械式スイッチ部１１０および第１半導体スイッチ部２２０と並列に接続されている。ダイオードブリッジ２４０は、ダイオード２４１、ダイオード２４２、ダイオード２４３およびダイオード２４４を含み、これら４つのダイオード２４１等を用いて全波整流を行うことで交流電流を一方向のみに流す整流回路を形成する。

第２半導体スイッチ部２３０は、第１端子２１と第２端子２２との間において、ダイオードブリッジ２４０の整流側に、ダイオードブリッジ２４０と並列に接続されている。第２半導体スイッチ部２３０は、第１端子２１および第２端子２２の間に並列に接続された第２半導体スイッチ２３１およびキャパシタ２３２を含む。キャパシタ２３２は、ソフトスイッチング用コンデンサであって、いわゆるスナバ回路を形成する。第２半導体スイッチ２３１は、第１端子２１および第２端子２２の間に逆並列に接続された半導体スイッチ素子およびダイオードの組を有する。この半導体スイッチ素子およびダイオードの組は、一例として、ＩＧＢＴと、ＩＧＢＴに逆並列に接続されたダイオードとの組を含む。第２半導体スイッチ部２３０のＩＧＢＴは、コレクタが第２端子２２に接続され、エミッタが第１端子２１に接続され、ゲートが制御回路４０に接続される。

ＩＧＢＴは、ダイオードブリッジ２４０を介して接続されるので、正負の電流の何れにも適用可能であり、すなわち１つのＩＧＢＴのみで交流電流をスイッチングすることが可能である。これにより、比較的高価なＩＧＢＴの数が増えることを回避でき、小型化および低コスト化することができる。また、スイッチ装置１０が遮断器等であって比較的に大電流が通電される場合、スイッチ部２００を、ダイオードブリッジ２４０を介さずに構成すると、ＩＧＢＴが２つ必要となる。これにより、大電流に合った飽和特性を持つＩＧＢＴが２つ必要となるため、コストが増大してしまう。これに対して、本実施形態によれば、図３に示すように、スイッチ部２００を、ダイオードブリッジ２４０を介する構成とすることで、大幅なコストダウンが可能となる。

第１半導体スイッチ部２２０に関して、制御回路４０は、第１半導体スイッチ２２１および第１半導体スイッチ２２２に共通の制御信号を出力する、すなわち、第１半導体スイッチ２２１および第１半導体スイッチ２２２のオンオフ動作を連動させるように制御する。より具体的には、制御回路４０は、通常の場合は第１半導体スイッチ２２１および第１半導体スイッチ２２２の何れもオン状態としておくように制御し、これにより、交流電流がドレインからソースの方向に流れるときだけでなくソースからドレインの方向に流れるときにも、いわゆる同期整流により、それぞれの低耐圧ＭＯＳＦＥＴ側を電流が流れる。そのため、第１半導体スイッチ部２２０における電流導通損失は依然として小さい。制御回路４０は、スイッチ部２００において交流電流を遮断する場合は、第１半導体スイッチ２２１および第１半導体スイッチ２２２を共に機械式スイッチ部１１０および第２半導体スイッチ部２３０よりも先にオフとするように制御し、これにより、第１半導体スイッチ部２２０側に流れていた交流電流が第２半導体スイッチ部２３０側に転流する。

第２半導体スイッチ部２３０に関して、制御回路４０は、通常の場合は第２半導体スイッチ部２３０をオン状態としておくように制御する。但し、第２半導体スイッチ部２３０のオン電圧は機械式スイッチ部１１０および第１半導体スイッチ部２２０のオン電圧の和に比べて高いので、第２半導体スイッチ部２３０に交流電流は殆ど流れない。また、制御回路４０は、スイッチ部２００において交流電流を遮断する場合は、第１半導体スイッチ部２２０側に流れていた交流電流が第２半導体スイッチ部２３０側に転流して第２半導体スイッチ部２３０を流れた後に、第２半導体スイッチ部２３０をオフとするように制御する。なお、制御回路４０は、通常の場合において、第１半導体スイッチ部２２０側に交流電流が流れている間は第２半導体スイッチ部２３０をオフ状態にしておき、スイッチ部２００において交流電流を遮断する場合には、第２半導体スイッチ部２３０をオンとした後に第１半導体スイッチ部２２０がオフとして、上記と同様に直流電流の転流および遮断を行うように制御してもよい。

以上の第２実施形態におけるスイッチ装置１０によれば、第１実施形態におけるスイッチ装置１０と同様に、第１半導体スイッチ部２２０、機械式スイッチ部１１０および第２半導体スイッチ部２３０がオフの状態で、第１端子２１と第２端子２２との間を切断状態から接続状態に切替える場合に、第２半導体スイッチ部２３０、機械式スイッチ部１１０、第１半導体スイッチ部２２０の順にオンとする。また、当該スイッチ装置１０によれば、第１半導体スイッチ部２２０、機械式スイッチ部１１０および第２半導体スイッチ部２３０がオンの状態で、第１端子２１と第２端子２２との間を接続状態から切断状態に切替える場合に、第１半導体スイッチ部２２０、機械式スイッチ部１１０、第２半導体スイッチ部２３０の順にオフとする。これにより、当該スイッチ装置１０は、第１実施形態におけるスイッチ装置１０と同様の効果を奏する。また、当該スイッチ装置１０は、第２半導体スイッチ部２３０に並列に接続されたダイオードブリッジ２４０を備えるので、交流用双方向スイッチとしての機能を実現する一方で、比較的高価なＩＧＢＴの数が増えることを回避でき、小型化および低コスト化することができる。

以上の第２実施形態において、スイッチ装置１０の第１半導体スイッチ部２２０は逆直列に接続された２つの第１半導体スイッチ２２１および第１半導体スイッチ２２２を含み、第２半導体スイッチ部２３０は単一の半導体スイッチ素子を含むものとして説明した。これに代えて、第１半導体スイッチ部２２０は、第１端子２１と第２端子２２との間に並列に接続された複数の第１半導体スイッチを含んでもよい。また、第２半導体スイッチ部２３０は、第１端子２１と第２端子２２との間に直列に接続された複数の第２半導体スイッチを含んでもよい。また、この場合において、複数の第１半導体スイッチのそれぞれの耐電圧は、複数の第２半導体スイッチのそれぞれの耐電圧よりも低く、複数の第２半導体スイッチのそれぞれのオン電圧の和よりも高くてもよい。また、これらの対比される電圧間にはマージンが設けられてもよい。これにより、当該スイッチ装置１０は、第１実施形態におけるスイッチ装置１０と同様の効果を奏する。

図４は、第３実施形態によるスイッチ部３００の模式的な回路図である。本実施形態におけるスイッチ装置１０は、第２実施形態と同様に、交流電流を扱う配電盤などに適用されてもよく、主電力および予備電力の間の切り替え等に用いられてもよい。本実施形態によるスイッチ装置１０が第２実施形態によるスイッチ装置１０と異なる点は、第１端子２１および第２端子２２に追加して第３端子２３を備える点、および、スイッチ部２００に代えてスイッチ部３００を備える点であり、その他は同じ構成要素を備える。なお、第３端子２３は、第２の入力端子の一例である。

本実施形態によるスイッチ装置１０は、第１端子２１と第２端子２２との間、並びに、第３端子２３と第２端子２２との間を接続または切断することによって、第１端子２１と第２端子２２との間を接続状態から切断状態に切り替え、且つ、第３端子２３と第２端子２２との間を切断状態から接続状態に切り替え、またはその逆に、第３端子２３と第２端子２２との間を接続状態から切断状態に切り替え、且つ、第１端子２１と第２端子２２との間を切断状態から接続状態に切り替える。これにより、当該スイッチ装置１０は、第１端子２１から第２端子２２へと流れようとする交流電流と、第３端子２３から第２端子２２へと流れようとする交流電流とをスイッチングする。

スイッチ部３００は、機械式スイッチ部３１０と、第１半導体スイッチ部２２０と、第２半導体スイッチ部２３０と、ダイオードブリッジ２４０と、ダイオードブリッジ３４０と、第３半導体スイッチ部３３０とを有する。機械式スイッチ部３１０の配置と、第１半導体スイッチ部２２０、第２半導体スイッチ部２３０およびダイオードブリッジ２４０の配置および構成とは、第２実施形態における対応する各構成要素と同じである。

機械式スイッチ部３１０は、第１端子２１および第３端子２３と第２端子２２との間に接続されている。機械式スイッチ部３１０は、第１実施形態等における機械式スイッチ部１１０と異なる点として、例えば双頭式の機械スイッチのように、第１端子２１と第１半導体スイッチ部２２０との間を接続している状態と第３端子２３と第１半導体スイッチ部２２０との間を接続している状態とを切り替える。

第１半導体スイッチ部２２０は、第１端子２１および第３端子２３と第２端子２２との間において、機械式スイッチ部３１０に直列に接続されている。また、第２半導体スイッチ部２３０は、第１端子２１と第２端子２２との間に、機械式スイッチ部３１０および第１半導体スイッチ部２２０と並列に接続されている。

ダイオードブリッジ３４０は、ダイオードブリッジ２４０と同じ構成であってもよく、第３端子２３と第２端子２２との間に、機械式スイッチ部３１０および第１半導体スイッチ部２２０と並列に接続される。ダイオードブリッジ３４０は、ダイオード３４１、ダイオード３４２、ダイオード３４３およびダイオード３４４を含み、これら４つのダイオード３４１等を用いて全波整流を行うことで交流電流を一方向のみに流す整流回路を形成する。

第３半導体スイッチ部３３０は、第２半導体スイッチ部２３０と同じ構成であってもよく、第３端子２３と第２端子２２との間において、機械式スイッチ部３１０および第１半導体スイッチ部２２０と並列に接続され、ダイオードブリッジ３４０の整流側に、ダイオードブリッジ３４０と並列に接続されている。第３半導体スイッチ部３３０は、第３端子２３および第２端子２２の間に並列に接続された第３半導体スイッチ３３１およびキャパシタ３３２を含む。第３半導体スイッチ３３１は、第３端子２３および第２端子２２の間に逆並列に接続された半導体スイッチ素子およびダイオードの組を有する。この半導体スイッチ素子およびダイオードの組は、一例として、ＩＧＢＴと、ＩＧＢＴに逆並列に接続されたダイオードとの組を含む。第３半導体スイッチ部３３０のＩＧＢＴは、コレクタが第２端子２２に接続され、エミッタが第３端子２３に接続され、ゲートが制御回路４０に接続される。第３半導体スイッチ部３３０は、ＧＴＯサイリスタ、ＷＢＧ半導体などを含んでもよい。

機械式スイッチ部３１０に関して、制御回路４０は、第１端子２１および第２端子２２の間を接続状態として第３端子２３および第２端子２２の間を切断状態とする場合は、機械式スイッチ部３１０を、第１端子２１および第１半導体スイッチ部２２０の間を接続している状態とするように制御し、これにより、第１端子２１および第２端子２２の間に交流電流が流れる。制御回路４０は、第１端子２１および第２端子２２の間を切断状態として第３端子２３および第２端子２２の間を接続状態とする場合は、機械式スイッチ部３１０を、第３端子２３および第１半導体スイッチ部２２０の間を接続している状態とするように制御し、これにより、第３端子２３および第２端子２２の間に交流電流が流れる。機械式スイッチ部３１０は、これら２つの状態が切り替わるときに、制御回路４０による制御によって、交流電流が第１半導体スイッチ部２２０側から第２半導体スイッチ部２３０側および第３半導体スイッチ部３３０側の何れかに転流された後に、スイッチングされる。このように制御される場合、機械式スイッチ部３１０ではアークが発生しない。但し、第２半導体スイッチ部２３０および第３半導体スイッチ部３３０の何れかがオン状態である間は、対応する第１端子２１または第３端子２３と第２端子２２との間の電圧は数十Ｖ程度なので、上記の制御に代えて、上記の転流の前に機械式スイッチ部３１０をスイッチングすることによって、機械式スイッチ部３１０で電流を遮断してもよい。この場合、スイッチ部３００は追加的に、機械式スイッチ部３１０で発生するアークから機械式スイッチ部３１０を保護するための構成を有してもよい。

図５は、第３実施形態によるスイッチ部３００の動作を示すタイミングチャートである。図５は、横方向に時間の経過をとり、縦方向には上から順に、第２半導体スイッチ部２３０側の電流、第３半導体スイッチ部３３０側の電流、第１半導体スイッチ部２２０側の電流、第２半導体スイッチ部２３０のオンオフ状態、第３半導体スイッチ部３３０のオンオフ状態、機械式スイッチ部３１０のスイッチング状態および第１半導体スイッチ部２２０のオンオフ状態の時間の遷移を示す。また、図５は、時間の経過を主な３つの期間に分けた、期間（I）、（II）および（III）が左から順に示す。

期間（I）は、スイッチ部３００において機械式スイッチ部３１０が第１端子２１および第１半導体スイッチ部２２０の間を接続している状態から第３端子２３および第１半導体スイッチ部２２０の間を接続している状態へとスイッチすることにより、第１端子２１と第２端子２２との間を接続状態から切断状態に切り替え、且つ、第３端子２３と第２端子２２との間を切断状態から接続状態に切り替える期間である。期間（II）は、スイッチ部３００において第３端子２３および第２端子２２の間に交流電流を定常的に導通させている期間である。期間（III）は、スイッチ部３００において機械式スイッチ部３１０が第３端子２３および第１半導体スイッチ部２２０の間を接続している状態から第１端子２１および第１半導体スイッチ部２２０の間を接続している状態へとスイッチすることにより、第１端子２１および第２端子２２の間を切断状態から接続状態に切り替え、且つ、第３端子２３および第２端子２２の間を接続状態から切断状態に切り替える期間である。

なお、図５に示されている時系列においては、期間（I）より前および期間（III）より後は、スイッチ部３００において第１端子２１および第２端子２２の間に交流電流を定常的に導通させている期間であり、図示していない期間において任意に期間（I）、（II）および（III）を含んでもよい。

期間（I）に入る前段階では、第１半導体スイッチ部２２０および第２半導体スイッチ部２３０がオンの状態、且つ、機械式スイッチ部３１０が第１端子２１と第１半導体スイッチ部２２０との間を接続している状態である。期間（I）の最初のタイミングｔ１では、制御回路４０から第１半導体スイッチ部２２０の低耐圧ＭＯＳＦＥＴのゲート電圧を制御して、第１半導体スイッチ部２２０をオフとする。低耐圧ＭＯＳＦＥＴは、スイッチング速度が数１０ｎｓなので、速やかにオフ状態になることができる。第１半導体スイッチ部２２０がオフ状態になることで、第１半導体スイッチ部２２０側は完全に遮断され、第１半導体スイッチ部２２０側に流れていた交流電流は第２半導体スイッチ部２３０側に転流する。機械式スイッチ部３１０および第２半導体スイッチ部２３０をオン状態のままにして第１半導体スイッチ部２２０をオフとすることによって、第１半導体スイッチ部２２０に印加される交流電圧は第２半導体スイッチ部２３０のＩＧＢＴのオン電圧である数Vから数十Ｖ程度なので、やはり第１半導体スイッチ部２２０に低耐圧ＭＯＳＦＥＴを用いることができる。

期間（I）の次のタイミングｔ２は、タイミングｔ１に対して時間差Δｔ１を有する。時間差Δｔ１は、第１半導体スイッチ部２２０の低耐圧ＭＯＳＦＥＴがターンオフに要する時間、すなわち、ターンオフ動作が完了して第１半導体スイッチ部２２０側に流れていた交流電流が第２半導体スイッチ部２３０側に転流するまでの時間が確保されていればよい。時間差Δｔ１は、一例として、１μ秒から２μ秒程度である。タイミングｔ２では、制御回路４０から機械式スイッチ部３１０をスイッチングすることにより、機械式スイッチ部３１０を第３端子２３と第１半導体スイッチ部２２０との間を接続している状態に切り替える。このとき、第１半導体スイッチ部２２０側にはもはや交流電流が流れていないので、やはり機械式スイッチ部３１０においてはアークが発生しない。

期間（I）の次のタイミングｔ３では、制御回路４０から第２半導体スイッチ部２３０のＩＧＢＴおよび第３半導体スイッチ部３３０のＩＧＢＴのそれぞれのゲート電圧を制御することにより、第２半導体スイッチ部２３０をオフとすると共に第３半導体スイッチ部３３０をオンとし、これによって、第１端子２１および第２端子２２の間を流れる交流電流を完全に遮断すると共に、第３端子２３および第２端子２２の間に交流電流を導通させる。第２半導体スイッチ部２３０および第３半導体スイッチ部３３０のそれぞれのＩＧＢＴは、比較的に高速でスイッチング動作可能な半導体スイッチング素子なので、速やかにオン状態またはオフ状態になることができ、一方の系統での過電流時にスイッチ装置１０全体でのオフ動作と他方の系統のオン動作とを高速化することが可能である。すなわち、異常発生した系統から他方の正常な系統へ高速に切り替えることが可能である。また、第１端子２１を介する系統に事故点があった場合に第２半導体スイッチ部２３０および第３半導体スイッチ部３３０の両方がオン状態である時間帯が存在すると、第２半導体スイッチ部２３０および第３半導体スイッチ部３３０を介して第１端子２１から事故電流が流れてしまうが、スイッチ装置１０は上記の制御によって、このように事故電流が横流れすることを防ぐことができる。

期間（II）の最初のタイミングｔ４は、期間（I）のタイミングｔ３に対して遅延時間ｔｄ_ｏｎを有する。遅延時間ｔｄ_ｏｎは、第３半導体スイッチ部３３０のＩＧＢＴがターンオンに要する時間、すなわち、ターンオン動作が完了して定常状態の直流電流が第３半導体スイッチ部３３０のＩＧＢＴに通電するまでの時間が確保されていればよい。遅延時間ｔｄ_ｏｎは、一例として、１μ秒から２μ秒程度である。タイミングｔ４では、制御回路４０から第１半導体スイッチ部２２０の低耐圧ＭＯＳＦＥＴのゲート電圧を制御し、第１半導体スイッチ部２２０をオンとする。機械式スイッチ部３１０および第１半導体スイッチ部２２０のオン電圧の和は、第３半導体スイッチ部３３０のオン電圧に比べて低いので、タイミングｔ４で、第３半導体スイッチ部３３０側に流れていた交流電流が第１半導体スイッチ部２２０側に転流し、第３半導体スイッチ部３３０側に交流電流は殆ど流れなくなる。なお、少なくともタイミングｔ２からタイミングｔ３までの間は、第３端子２３を介して系統の高電圧が第１半導体スイッチ部２２０の第１半導体スイッチ２２１に印加されるので、第１半導体スイッチ２２１は高耐圧で高速スイッチングが可能な半導体スイッチ素子とすることが好ましい。

スイッチ装置１０は、期間（III）において、期間（I）で行う上記の制御と反対の制御を行う。期間（III）に入る前段階では、第１半導体スイッチ部２２０および第３半導体スイッチ部３３０がオンの状態、且つ、機械式スイッチ部３１０が第３端子２３および第１半導体スイッチ部２２０の間を接続している状態である。期間（III）の最初のタイミングｔ５では、制御回路４０から第１半導体スイッチ部２２０の低耐圧ＭＯＳＦＥＴのゲート電圧を制御して、第１半導体スイッチ部２２０をオフとする。第１半導体スイッチ部２２０がオフ状態になることで、第１半導体スイッチ部２２０側は完全に遮断され、第１半導体スイッチ部２２０側に流れていた交流電流は第３半導体スイッチ部３３０側に転流する。機械式スイッチ部３１０および第３半導体スイッチ部３３０をオン状態のままにして第１半導体スイッチ部２２０をオフとすることによって、第１半導体スイッチ部２２０に印加される交流電圧は第３半導体スイッチ部３３０のＩＧＢＴのオン電圧である数十Ｖ程度なので、やはり第１半導体スイッチ部２２０に低耐圧ＭＯＳＦＥＴを用いることができる。

期間（III）の次のタイミングｔ６は、タイミングｔ１に対して時間差Δｔ１を有する。時間差Δｔ１は、第１半導体スイッチ部２２０の低耐圧ＭＯＳＦＥＴがターンオフに要する時間、すなわち、ターンオフ動作が完了して第１半導体スイッチ部２２０側に流れていた交流電流が第３半導体スイッチ部３３０側に転流するまでの時間が確保されていればよい。タイミングｔ６では、制御回路４０から機械式スイッチ部３１０をスイッチングすることにより、機械式スイッチ部３１０を第１端子２１および第１半導体スイッチ部２２０の間を接続している状態に切り替える。このとき、第１半導体スイッチ部２２０側にはもはや交流電流が流れていないので、やはり機械式スイッチ部３１０においてはアークが発生しない。

期間（III）の次のタイミングｔ７では、制御回路４０から第３半導体スイッチ部３３０のＩＧＢＴおよび第２半導体スイッチ部２３０のＩＧＢＴのそれぞれのゲート電圧を制御することにより、第３半導体スイッチ部３３０をオフとすると共に第２半導体スイッチ部２３０をオンとし、これによって、第３端子２３および第２端子２２の間を流れる交流電流を完全に遮断すると共に、第１端子２１および第２端子２２の間に交流電流を導通させる。

期間（III）の次のタイミングｔ８は、タイミングｔ７に対して遅延時間ｔｄ_ｏｆｆを有する。遅延時間ｔｄ_ｏｆｆは、第２半導体スイッチ部２３０のＩＧＢＴがターンオンに要する時間、すなわち、ターンオン動作が完了して定常状態の直流電流が第２半導体スイッチ部２３０のＩＧＢＴに通電するまでの時間が確保されていればよい。遅延時間ｔｄ_ｏｆｆは、一例として、１μ秒から２μ秒程度である。タイミングｔ８では、制御回路４０から第１半導体スイッチ部２２０の低耐圧ＭＯＳＦＥＴのゲート電圧を制御し、第１半導体スイッチ部２２０をオンとする。機械式スイッチ部３１０および第１半導体スイッチ部２２０のオン電圧の和は、第２半導体スイッチ部２３０のオン電圧に比べて低いので、タイミングｔ８で、第２半導体スイッチ部２３０側に流れていた交流電流が第１半導体スイッチ部２２０側に転流し、第２半導体スイッチ部２３０側に交流電流は殆ど流れなくなる。

以上の第３実施形態におけるスイッチ装置１０によれば、第１実施形態および第２実施形態のそれぞれにおけるスイッチ装置１０と同様の効果を奏する。また、当該スイッチ装置１０によれば、直列に接続された機械式スイッチ部３１０および第１半導体スイッチ部２２０を、第１端子２１側と第３端子２３側とで共有することができ、小型化および低コスト化が可能になる。また、当該スイッチ装置１０によれば、異なる複数の系統に接続され、一方の系統での過電流時にスイッチ装置１０全体でのオフ動作と他方の系統のオン動作とを高速化することが可能であるだけでなく、一方の系統から他方の系統に事故電流が横流れすることを防ぐこともできる。

以上の第３実施形態において、タイミングｔ２とタイミングｔ３との差分は、無くてもよく、または、タイミングｔ２とタイミングｔ３とを逆にしてもよい。また、タイミングｔ２からタイミングｔ３およびタイミングｔ４の間までの期間に、機械式スイッチ部３１０を、第１端子２１および第３端子２３と第１半導体スイッチ部２２０との間の何れも接続していない状態にしてもよい。より具体的には、制御回路４０を介した制御装置５による制御によって、第１半導体スイッチ部２２０および第２半導体スイッチ部２３０がオンの状態、且つ、機械式スイッチ部３１０が第１端子２１および第１半導体スイッチ部２２０の間を接続している状態で、第１端子２１と第２端子２２との間を接続状態から切断状態に切り替え、且つ、第３端子２３と第２端子２２との間を切断状態から接続状態に切り替える場合に、第１半導体スイッチ部２２０をオフとし、次に機械式スイッチ部３１０を、第１端子２１および第３端子２３と第１半導体スイッチ部２２０との間の何れも接続していない状態に切り替え、次に第２半導体スイッチ部２３０をオフとすると共に第３半導体スイッチ部３３０をオンとし、次に機械式スイッチ部３１０を第３端子２３および第１半導体スイッチ部２２０の間を接続している状態に切り替え、次に第１半導体スイッチ部２２０をオンとしてもよい。

上記の場合において更に、スイッチ装置１０は、第３半導体スイッチ部３３０が接続されている第３端子２３と第２端子２２との間の電位差を検出する電圧計を備え、制御回路４０を介した制御装置５による制御によって、第３半導体スイッチ部３３０をオンとした後に、第３端子２３と第２端子２２との間の電位差が基準以下となったことに応じて、機械式スイッチ部３１０を第３端子２３および第１半導体スイッチ部２２０の間を接続している状態に切り替えてもよい。

以上の複数の実施形態において、第２半導体スイッチ部２３０または第３半導体スイッチ部３３０がＩＧＢＴを含むものとして説明したが、例えばＩＧＢＴを用いる場合に比べてイッチング速度が速いものが求められる一方で耐電圧が低くても構わない用途においては、ＩＧＢＴの代わりにパワーＭＯＳＦＥＴを用いてもよい。この場合、パワーＭＯＳＦＥＴのソースからドレインに向かって電流が流れるように接続することで、いわゆる同期整流によって電流導通損失を減らしてもよい。

以上の第２実施形態および第３実施形態において、第２半導体スイッチ部２３０または第３半導体スイッチ部３３０が、ダイオードが逆並列に接続されたＩＧＢＴを含むものとして説明したが、これに代えて、逆阻止ＩＧＢＴ（ＲＢ－ＩＧＢＴ）を用いてもよい。

５制御装置、１０スイッチ装置、２１第１端子、２２第２端子、２３第３端子、２５制御端子、３０電流検出部、４０制御回路、４１保護回路、４２パルス分配回路、４３駆動回路、１００、２００、３００スイッチ部、１１０、３１０機械式スイッチ部、１２０、２２０第１半導体スイッチ部、１３０、２３０第２半導体スイッチ部、２２１、２２２第１半導体スイッチ、２３１第２半導体スイッチ、２３２キャパシタ、２４０、３４０ダイオードブリッジ、２４１、２４２、２４３、２４４、３４１、３４２、３４３、３４４ダイオード、３３０第３半導体スイッチ部、３３１第３半導体スイッチ、３３２キャパシタ

Claims

入力端子と出力端子との間を接続または切断するスイッチ装置であって、
前記入力端子と前記出力端子との間に直列に接続された機械式スイッチ部および第１半導体スイッチ部と、
前記入力端子と前記出力端子との間に、前記機械式スイッチ部および前記第１半導体スイッチ部と並列に接続された第２半導体スイッチ部と、
前記第１半導体スイッチ部および前記第２半導体スイッチ部のそれぞれのオンオフのタイミングと、前記機械式スイッチ部を開閉するタイミングとを個別に制御するスイッチ制御部と、
前記入力端子と前記出力端子との間に設けられる電流検出部と
を備え、
前記スイッチ制御部は、
前記電流検出部からの信号に応じて過電流を検出した場合にオフ指令を出力する保護回路と、
外部からの信号に基づき、前記機械式スイッチ部を開閉し、前記第１半導体スイッチ部および前記第２半導体スイッチ部をそれぞれオンオフするために予め定められたパルス信号を出力し、前記保護回路から前記オフ指令が入力された場合は、前記外部からの信号に関わらず、前記機械式スイッチ部を閉じ、前記第１半導体スイッチ部および前記第２半導体スイッチ部をそれぞれオフするために予め定められたパルス信号を出力するパルス分配回路と、
前記パルス分配回路から入力される前記パルス信号に基づき、前記機械式スイッチ部を開閉する信号と、前記第１半導体スイッチ部および前記第２半導体スイッチ部をそれぞれオンオフするためのゲート電圧とを出力する駆動回路と、
を有する、スイッチ装置。
前記第１半導体スイッチ部の耐電圧は、前記第２半導体スイッチ部のオン電圧よりも高い、
請求項１に記載のスイッチ装置。
前記第１半導体スイッチ部は前記入力端子と前記出力端子との間に並列に接続された複数の第１半導体スイッチを含み、前記第２半導体スイッチ部は前記入力端子と前記出力端子との間に直列に接続された複数の第２半導体スイッチを含み、
前記複数の第１半導体スイッチのそれぞれの耐電圧は、前記複数の第２半導体スイッチのオン電圧の和よりも高い、
請求項２に記載のスイッチ装置。
前記スイッチ制御部は、前記第１半導体スイッチ部、前記機械式スイッチ部および前記第２半導体スイッチ部がいずれもオンの状態で、前記入力端子と前記出力端子との間を接続状態から切断状態に切り替える場合に、前記第１半導体スイッチ部、前記機械式スイッチ部、前記第２半導体スイッチ部の順にオフとする、
請求項１から３の何れか一項に記載のスイッチ装置。
前記スイッチ制御部は、前記入力端子と前記出力端子との間を接続状態から切断状態に切替える場合に、前記第１半導体スイッチ部をオフとした後に、前記第１半導体スイッチ部の電流が予め定められた値以下となったことに応じて、前記機械式スイッチ部をオフとする、
請求項４に記載のスイッチ装置。
前記スイッチ制御部は、前記第１半導体スイッチ部、前記機械式スイッチ部および前記第２半導体スイッチ部がいずれもオフの状態で、前記入力端子と前記出力端子との間を切断状態から接続状態に切り替える場合に、前記第２半導体スイッチ部、前記機械式スイッチ部、前記第１半導体スイッチ部の順にオンとする、
請求項１から５のいずれか一項に記載のスイッチ装置。
前記スイッチ制御部は、前記第２半導体スイッチ部をオンとした後に、前記入力端子と前記出力端子との間の電位差が基準以下となったことに応じて、前記機械式スイッチ部をオンとする、
請求項６に記載のスイッチ装置。
第１の入力端子と出力端子との間の接続状態と、第２の入力端子と前記出力端子との間の接続状態とを切り替える機械式切替スイッチと、
前記第１の入力端子と前記出力端子との間および前記第２の入力端子と前記出力端子との間に前記機械式切替スイッチとともに直列に接続された第１半導体スイッチ部と、
前記第１の入力端子と前記出力端子との間に、前記機械式切替スイッチおよび前記第１半導体スイッチ部と並列に接続された第２半導体スイッチ部と、
前記第２の入力端子と前記出力端子との間に、前記機械式切替スイッチおよび前記第１半導体スイッチ部と並列に接続された第３半導体スイッチ部と、
前記第１半導体スイッチ部、前記第２半導体スイッチ部および前記第３半導体スイッチ部のそれぞれのオンオフのタイミングと、前記機械式切替スイッチを開閉するタイミングとを個別に制御するスイッチ制御部と、
を備えるスイッチ装置。
前記スイッチ制御部は、前記第１半導体スイッチ部および前記第２半導体スイッチ部がオンの状態、且つ、前記機械式切替スイッチが前記第１の入力端子と前記第１半導体スイッチ部との間を接続している状態で、前記第１の入力端子と前記出力端子との間を接続状態から切断状態に切り替え、且つ、前記第２の入力端子と前記出力端子との間を切断状態から接続状態に切り替える場合に、前記第１半導体スイッチ部をオフとし、次に前記機械式切替スイッチを前記第２の入力端子と前記第１半導体スイッチ部との間を接続している状態に切り替え、次に前記第２半導体スイッチ部をオフとすると共に前記第３半導体スイッチ部をオンとし、次に前記第１半導体スイッチ部をオンとする、
請求項８に記載のスイッチ装置。
前記スイッチ制御部は、前記第１半導体スイッチ部および前記第２半導体スイッチ部がオンの状態、且つ、前記機械式切替スイッチが前記第１の入力端子と前記第１半導体スイッチ部との間を接続している状態で、前記第１の入力端子と前記出力端子との間を接続状態から切断状態に切り替え、且つ、前記第２の入力端子と前記出力端子との間を切断状態から接続状態に切り替える場合に、前記第１半導体スイッチ部をオフとし、次に前記機械式切替スイッチを、前記第１の入力端子と前記第１半導体スイッチ部との間、および前記第２の入力端子と前記第１半導体スイッチ部との間の何れも接続していない状態に切り替え、次に前記第２半導体スイッチ部をオフとすると共に前記第３半導体スイッチ部をオンとし、次に前記機械式切替スイッチを前記第２の入力端子と前記第１半導体スイッチ部との間を接続している状態に切り替え、次に前記第１半導体スイッチ部をオンとする、
請求項８に記載のスイッチ装置。
前記スイッチ制御部は、前記第３半導体スイッチ部をオンとした後に、前記第２の入力端子と前記出力端子との間の電位差が基準以下となったことに応じて、前記機械式切替スイッチを前記第２の入力端子と前記第１半導体スイッチ部との間を接続している状態に切り替える、
請求項１０に記載のスイッチ装置。
前記第１半導体スイッチ部は、前記入力端子と前記出力端子との間に逆直列に接続された複数の第１半導体スイッチであって、それぞれが前記入力端子と前記出力端子との間に逆並列に接続された半導体スイッチ素子およびダイオードの組を含む、複数の第１半導体スイッチを有し、
前記入力端子と前記出力端子との間に、前記第２半導体スイッチ部と並列に接続されたダイオードブリッジを更に備える、
請求項１から７の何れか一項に記載のスイッチ装置。
前記第１半導体スイッチ部は、前記第１の入力端子と前記出力端子との間に逆直列に接続された複数の第１半導体スイッチであって、それぞれが前記第１の入力端子と前記出力端子との間に逆並列に接続された半導体スイッチ素子およびダイオードの組を有する、複数の第１半導体スイッチを有し、
前記第１の入力端子と前記出力端子との間に、前記第２半導体スイッチ部と並列に接続された第１ダイオードブリッジと、
前記第２の入力端子および前記出力端子との間に、前記第３半導体スイッチ部と並列に接続された第２ダイオードブリッジと
を更に備える請求項８から１１の何れか一項に記載のスイッチ装置。
前記第１半導体スイッチ部はＭＯＳＦＥＴを含み、前記第２半導体スイッチ部はＩＧＢＴ、ＧＴＯサイリスタおよびＷＢＧ半導体の少なくとも何れかを含む、
請求項１から７および１２のいずれか一項に記載のスイッチ装置。
前記第１半導体スイッチ部はＭＯＳＦＥＴを含み、前記第２半導体スイッチ部および前記第３半導体スイッチ部の少なくとも何れかはＩＧＢＴ、ＧＴＯサイリスタおよびＷＢＧ半導体の少なくとも何れかを含む、
請求項８から１１および１３のいずれか一項に記載のスイッチ装置。