JP7143984B2 - 直流電流開閉装置 - Google Patents

Description

本発明は、直流電力系の開閉装置に関し、特に、金属接点と半導体スイッチとを直列に接続したハイブリッド構成にすることにより、金属接点の高抵抗な絶縁特性、高い耐電圧及びサージ耐電圧と、半導体スイッチのゲート制御による高速な直流遮断能力特性の両方の特長を有する直流電流開閉装置に関する。

直流電源から負荷に直流電力を供給する場合においては、これに使用する回路遮断スイッチの開閉動作に伴って接点間に発生するアークの消弧対策が問題となる。
すなわち、直流回路に通常の金属接点を備えた機械式スイッチを適用した場合、スイッチの開閉動作に伴ってその接点間に発生した直流アークが消弧しにくいことから、従来から様々なアーク消弧方式が提案されている。
その一つに、機械式スイッチの接点間に半導体スイッチを並列接続し、機械式スイッチの開極時に電流を半導体スイッチに転流させて機械式接点間にアークを発生させない、又は生じたアークを素早く消滅させ、その後にこの半導体スイッチをオフして電流を遮断するようにした接点間のアーク消去装置（例えば、特許文献１の図２参照）が知られている。

このアーク消去装置は、特許文献１の図２に示すように、直流電源２０と負荷２６との間に接続された機械式スイッチ２１と、この機械式スイッチ２１に並列接続された半導体スイッチ２２と、この半導体スイッチをオン／オフする制御回路２４、電源回路２３などで構成されている。
そして、機械式スイッチ２１をオンした状態では、半導体スイッチはオフとなっており、これにより、電流は機械式スイッチ２１の接点を通じて負荷２６に供給される。
一方、電流を遮断する時には、まず半導体スイッチ２２をオンした上で、続いて機械式スイッチ２１の接点を開極させる。すると、機械式スイッチ２１の接点に今まで流れていた電流は、接点の開極と同時に半導体スイッチ２２へ転流して、機械式スイッチ２１の接点間に生じていたアークが消滅する。その後、半導体スイッチ２１をオフすることにより、半導体スイッチ２１に流れていた電流も遮断されて回路の電流が完全に遮断される。

特開平８－１０６８３９号公報

上述のように、半導体スイッチを金属接点と組み合わせてハイブリッドスイッチとして直流電流を無アークで開閉することができる。
しかし、かかるハイブリッドスイッチは、もっぱら半導体スイッチの欠点である電流導通損を無くすために、通常時の導通は金属接点を有する機械式スイッチとする方式であり、開状態では半導体の耐電圧がスイッチの耐電圧であった。半導体スイッチにおいては、一般に高耐電圧と低オン電圧は相反する性能である。また、半導体スイッチにも欠点があり、遮断状態でのリーク電流が無視できず、ゲート制御の誤動作も考慮すると、絶縁の面においては、金属接点の信頼性は半導体スイッチよりも高い状態がまだまだ続いている。

すなわち、上記特許文献１に示された機械式スイッチと半導体スイッチの並列による直流電流の開閉装置は、開状態では、半導体スイッチで遮断されている状態なので機械式スイッチと比べてリーク電流、耐電圧、耐サージの点で問題がある。常に並列接続される半導体スイッチはオフ時でも絶縁抵抗が低く、リーク電流が無視できず人体の感電の心配があり、また外部よりの電気的サージに対する絶縁耐圧が並列に接続される半導体の耐電圧で決まるからである。

近年、半導体スイッチの進歩により、絶縁ゲートを持ったパワー用ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴなど各種の半導体スイッチが、高電圧・大電流のオン・オフが可能になり、さらにシリコンカーバイド（SiC）、ガリウムヒ素（GaAs）、酸化ガリウム（Ga₂O₃）など新しい半導体デバイスでは、金属接点には及ばないが、通電中のオン抵抗が数ｍΩと十分小さくなって、大型の冷却装置なしで連続通電も可能になっている。

シリコンカーバイド、ガリウム系（ガリウムヒ素、酸化ガリウム等）などの近年の半導体スイッチはオン抵抗が低くなって、かつ連続通電による半導体接合面が高温に耐えるので、これまでのハイブリッドスイッチでは採用されなかった、機械式スイッチ(金属接点)と直列に半導体スイッチを接続し、通電も金属接点と半導体スイッチの直列で行い、電流のオフ時は金属接点と半導体スイッチの両方をオフとすれば、耐電圧は金属接点の方で負担するので問題とならず、また、金属接点が直列に接続されているため、オフ時は回路に電流が流れず、半導体スイッチのリーク電流も問題とならないことに本発明の発明者は着目した。

本発明は、上述のような従来のハイブリッドスイッチにおける耐電圧、耐サージやリーク電流の問題点に鑑み為されたものであり、高抵抗な絶縁特性、高い耐電圧及びサージ耐電圧、並びに半導体スイッチのリーク電流が問題とならない直流電流開閉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、本発明に係る直流電流開閉装置は、直流電源と負荷との間に挿入される直流電流開閉装置であって、金属接点と、前記金属接点と直列に接続され、前記金属接点の電流を導通・遮断する半導体スイッチと、前記半導体スイッチのオン／オフを制御するゲート制御部を備えるともに、前記ゲート制御部が、前記金属接点の閉極時に前記半導体スイッチをオン状態にし、前記金属接点の開極時に前記半導体スイッチをオフ状態にすることを特徴とする。
なお、「開極時」とは、ここでは、開極と同時の他、開極の直後（１０ｍｓ以内）又は開極の直前の一連の動作も含む概念である。

本発明に係る直流電流開閉装置によれば、高抵抗な絶縁特性、高い耐電圧及びサージ耐電圧、並びに半導体スイッチのリーク電流が問題とならない直流電流開閉装置を提供することができる。

本発明に係る直流電流開閉装置の構成を示す回路ブロック図である。 接点アーク電圧とアーク電流（一番上）の時間変化の実測値を示す図である。 本発明に係る直流電流開閉装置の第１実施形態を示す回路図である。 本発明に係る直流電流開閉装置の第２実施形態を示す回路図である。 本発明に係る直流電流開閉装置の第３実施形態を示す回路図である。 本発明に係る直流電流開閉装置の第４実施形態を示す回路図である。 本発明に係る直流電流開閉装置の第５実施形態を示す回路図である。

本発明は、直流電流の開閉装置に関し、空気絶縁の金属接点の高抵抗な絶縁特性と高い耐電圧、サージ耐電圧を持つ特性を生かし、半導体スイッチにはゲート制御による高速な直流遮断能力があるが、しかし、オフ状態でもリーク電流があって過電圧に弱い。それらを直列に接続して、半導体スイッチによって、金属接点の不得手である直流電流を遮断し、さらに半導体スイッチにゲート制御で電流を制御し、かつ、開状態では、金属接点による高抵抗な絶縁と高い耐電圧を持つ直流電流開閉装置に関するものである。なお、本発明の説明においては、「金属接点」とは金属接点を有する機械式スイッチのことを指している。
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。

図１は、本発明に係る直流電流開閉装置の構成の例を示す回路ブロック図である。
図１において、参照符号３で示すものは直流電源であり、直流負荷４との間に、金属接点（以下、単に「接点」という。）１と半導体スイッチ２が接続されている。接点１の負荷側には、ゲート制御部５が設けられ、主として半導体スイッチ２のゲート（Ｇ）を駆動する電力を、接点１が閉極した後に得るための機能と、接点１が離れてアーク電圧を生じると発生するアーク電圧ドロップを検出する２つの機能がある。このゲート制御部５は、後述のような専用の回路でもいいし、プログラム可能なマイクロコンピュータ等を利用してもよい。

半導体スイッチ２としては、絶縁ゲートを有するトランジスタであるＭＯＳＦＥＴ又はＩＧＢＴ等が利用可能である。
接点１が閉極すると、直流電源３からの電力でゲート制御部５が半導体スイッチ２をオン状態にする。そのため、接点１が閉極した後、半導体スイッチ２のゲートがオンになるまでの間、接点１には大きな負荷電流が流れることは無い。導通時、半導体スイッチ２には連続通電の発熱に耐え得るだけの冷却設備が備えられている。

次に、遮断時に接点１が開極すると、負荷電流によるアークが発生してアーク電圧分の電圧がステップ的に減少する。このステップ電圧を検出して、半導体スイッチ２のゲートを遮断する。ゲート制御によって半導体スイッチ２は急速に電流を遮断する。接点１には開極の検出から半導体スイッチ２での遮断完了までのゲートの動作時間である短時間、アークが発生する。

図２は、接点アーク電圧を実測したグラフである。接点アーク電圧は、電磁開閉器の直列２接点の開極時の接点間電圧である。波形より、接点アーク電圧は電流値によらず１接点につき１０Ｖから１６Ｖ程度で、電圧の発生は瞬時（１マイクロ秒以下）であることがわかる。この急峻な電圧を検出してアークの発生を検出し、それで接点１の開極の瞬間を正確に知ることができる。

〔第１実施形態：図３〕
図３は、本発明の第１実施形態の直流電流開閉装置の回路図である。第１実施形態では、接点１の負荷側に抵抗とコンデンサを介してそれぞれ絶縁してＭＯＳＦＥＴなど絶縁ゲートを駆動するゲート制御部５の実施例を示す。参照符号６で示すのは、フォトカプラの一種でフォトボル出力フォトカプラと呼ばれる光結合の電圧発生装置であり、入力側に約１０ｍＡの電流で、内部のＬＥＤ（赤外発光ダイオード）を発光させて、出力部の太陽電池、フォトダイオードアレイに、絶縁された出力最大７Ｖ程度の開放電圧を発生させるもので、東芝デバイス＆ストレージ株式会社製のＴＬＰ３９０５などがある。
接点１が閉極すると、直流電源３の電圧がフォトボル出力フォトカプラ６のＬＥＤを発光させて、その起電力で半導体スイッチ２のＭＯＳＦＥＴをオン状態にする。
すなわち、接点１は、閉極する瞬間はフォトボル出力フォトカプラ６の電流を通電するのみで、負荷電流は、フォトダイオードアレイの電圧が発生してから、この場合約１ｍｓ以下遅れて導通する。

第１実施形態では、通電中に接点１を開極すると、接点間の電圧が接点１のオン抵抗のみのほぼゼロ電圧から図２に示すようにステップ的に１０Ｖ程度の電圧変化が発生する。この電圧は、接点１の負荷側ではステップ的な電圧減少になるので、その電圧をコンデンサとダイオードで弁別してトランジスタ出力フォトカプラ（以下、単に「フォトカプラ」という。）７の入力にすることで、光絶縁されたトランジスタによって半導体スイッチ２のゲート－ソース間が短絡される。半導体スイッチ２のゲート－ソース間が短時間短絡されて、半導体スイッチ２は負荷電流を遮断する。
なお、フォトカプラ７は、一般的に発光素子には発光ダイオード、受光素子にはフォトトランジスタが用いられることが多い。例えば、東芝デバイス＆ストレージ株式会社製のＴＬＰ３８５などがある。

負荷電流が遮断されると、接点１のアークも消滅し、急速に絶縁が回復する。これにより接点１の負荷側は電位が下がって、その間フォトカプラ７は短絡を継続する。接点１による電流遮断は、半導体スイッチ２が遮断動作をするまでの短時間である。ＭＯＳＦＥＴより動作の遅いＩＧＢＴではこのアーク時間が若干長くなるので、接点１が数マイクロ秒の短時間のアーク発生に耐え得る必要がある。

〔第２実施形態：図４〕
図４は、本発明に係る直流電流開閉装置の第２実施形態を示す回路図であり、直流電源３が双方向の直流電流を出力可能な直流の電力源の場合であっても対応可能なものである。
この第２実施形態では、ＭＯＳＦＥＴ２を逆直列接続して、双方向の直流電流をオン／オフできるようにし、ゲート制御部５では、フォトカプラ７とフォトボル出力フォトカプラ６の前にダイオードブリッジ８をそれぞれ挿入して、フォトカプラ７とフォトボル出力フォトカプラ６に入力される双方向の電圧を一方向の電圧に変換する必要がある。この方法は交流電源の場合にも適用可能である。

〔第３実施形態：図５〕
図５は、本発明の第３実施形態の直流電流開閉装置の回路図である。図５は、第１実施形態の回路構成において、半導体スイッチ２のオフのタイミングを接点１の補助接点９により得る方法である。電気的に独立している補助接点９は、ゲートへの電力を発生するフォトボル出力フォトカプラ６への入力電流を制御して半導体スイッチ２をオン／オフにすることが出来る。そのタイミングは、接点１が開極する前に半導体スイッチ２がオフするとよい。すなわち、補助接点９は、接点１が閉極するときよりも遅く閉極して、接点１が開極するときよりも早く開極するように、連動機構を設けるとよい。

これにより、接点１が開極する前に半導体スイッチ２がオフするので、回路の電流が遮断された状態で接点１が開極するため、接点１にはアークが発生しない。また、接点１が閉極するよりも後に半導体スイッチがオンするため、接点１が閉極した時には回路に電流が流れず、安全に接点１を閉極することができる。
なお、図５では、連動する２回路の単投接点を想定しているが、機械的な動作上の問題で補助接点９が多少遅れて開極しても、その短時間、接点１がアークに耐え得る交流用２回路の単投接点であれば、アーク通電に耐えるのでそのまま流用可能である。この場合、フォトボル出力フォトカプラ６がゲート電圧を停止するまでの間、アーク通電が持続するので、フォトボル出力フォトカプラ６が東芝デバイス＆ストレージ株式会社製の高速型ＴＬＰ３９０６であればオフも１ｍｓ以下なので好ましい。

〔第４実施形態：図６〕
図６は、本発明に係る直流電流開閉装置の第４実施形態を示す回路図であり、双方向の直流電流に対応可能なものである。第３実施形態を双方向の直流電流の場合に拡張したものである。
また、補助接点９の役割は、第３実施形態の場合とは異なり、電気的に独立した補助接点９でＭＯＳＦＥＴ２のゲート－ソース間を短絡してゲート電圧をゼロにすることである。このとき、補助接点９は、接点１が開極するとき、それに先立って閉極するような連動機構にする必要がある。
これにより、接点１が開極する前に半導体スイッチ２がオフするので、回路の電流が遮断された状態で接点１が開極するため、接点１にはアークが発生しない。

〔第５実施形態：図７〕
図７は本発明の第５実施形態の直流電流開閉装置の回路図である。ここでは接点１の前後（直流電源３と接点１の間、あるいは接点１と半導体スイッチ２の間）に、過電流で溶断するヒューズ１０を設置したものである。
過電流によって、または経年変化などでヒューズ１０が溶断、破断した場合でも、接点１の開極時と同様にアークが発生するが、その急峻なアーク電圧分の電圧低下によってゲート制御部５が半導体スイッチ２をオフ状態にする。
アーク電圧によってフォトカプラ７を駆動して、ゲート電圧を短絡することにより半導体スイッチ２をオフにして電流を遮断する。ヒューズ１０は、直列の半導体スイッチ２で電流を遮断させれば、溶断したヒューズは急速に絶縁回復し、遮断状態を維持する。

本発明に係る直流電流開閉装置にヒューズ１０を追加すれば、しかも通常の交流電流用のヒューズでも、過負荷による過電流によるヒューズの溶断は接点１の開極と同様であるので、直列の半導体スイッチ２が電流を遮断する。負荷側の短絡などの異常な過電流でなくても、ヒューズ１０が溶断すれば、接点１の開極とおなじで本発明のゲート制御部５を介して半導体スイッチ２が電流を遮断し、直流電流を停止する。ヒューズ１０はアークによって溶断すれば、急速に絶縁耐力を回復して、事故の波及を阻止することが期待できる。

また、直流回路では、通電中に電源からの配電線が破断・断線すると、直流アークで電流は持続して、負荷側の電圧変化も１０Ｖ程度であるから動作に問題なく検出できず、電流を遮断しないとアークの熱で火災に発展する。火災が発生するまで電線の破断が発見できない。そのため、アークの発光する紫外線で検出する保護遮断装置が太陽光発電設備で提案されている等、その対策に苦慮している。その場合も前述のヒューズ溶断の場合と同様に、直列に接続された半導体スイッチ２で自動的に電流を遮断することができる。
また、直流配線のターミナル部、コネクタの接触不良も同様で、アークで導通持続するので、アークの熱でターミナル部が溶断して地絡警報が出るまで検出することができない。ターミナル部でアークが発生すれば、その電圧変化で本発明の直流電流開閉装置の働きにより、自動で遮断する、断線と接触不良の保護装置とすることが出来る。

本発明は、直流電流開閉装置に関し、比較的小電力の電子回路、数１０Ａ程度の直流電力設備、太陽光発電、屋内配線等において必要な電源開閉器、接続装置、過電流保護遮断装置として利用でき、直流電流を遮断するのに、アークを持続的に発生すること無く遮断が可能になるように、直列接続された低損失な半導体スイッチで電流をオン／オフするように構成される直流電流開閉装置である。
このように半導体スイッチと（機械式）接点のハイブリッド開閉器は、開状態時に高い絶縁抵抗と耐電圧を持ち、遮断時アークによる溶融、欠損がないので開閉器の開閉寿命を延ばし電源開閉装置の信頼性を上げることができる。

本発明に係る直流電流開閉装置を用いれば、耐電圧やサージ電圧耐量はあるが、直流電流の遮断能力が無い接点の開閉器が、直列の半導体スイッチで直流電流の遮断能力を持つことができる。
電子回路の電源スイッチは、単に電源のオン・オフばかりでなく、開極時、外来サージ電圧を阻止する効果も期待されている。半導体スイッチのみの停止状態では、瞬間の外来サージ（落雷や誘導雷、高空、宇宙からの電磁現象などが予想されている）によって破壊される可能性がある。接点は、直流電流の遮断能力はほとんど無いが開極時の耐電圧は接点の開極距離１ｍｍでＤＣ３ｋＶを期待することができる。そこで半導体スイッチを直列に接続したハイブリッドスイッチで電流のオン・オフを行なえば、接点スイッチを使って直流電流を開閉することができる耐サージ電圧数ｋＶに耐えるハイブリッドスイッチとなる。

小電流用の接点は、開極状態では、どれも遮断可能電圧より高耐圧である。接点スイッチが、交流電流でもアークが発生する遮断時の電極消耗で通電電流が制限されている。一般の交流電流の接点でも、アーク通電は半サイクル、電流零点までの最大１０ｍｓの短時間ではあるがアーク通電が必要なので、通電容量はアーク遮断容量で制限されている。本発明による直列ハイブリッド化で、交流接点でも開極状態での耐電圧と閉極状態での通電容量があれば、アーク遮断が不要になるので、接点容量がさらに大容量になり、さらに接点寿命はアークによる消耗で決まるのではなく機械的限界の長寿命になる。

遮断電圧も同様で、アーク無しで開極すれば、その後の絶縁の回復力が増すと考えられる。絶縁回復が困難なために、気中のアークの磁気吹き消し消弧である減流遮断は１ｋＶ以上では困難であるが、直列ハイブリッドに高耐圧SiC半導体スイッチを採用すれば、アーク遮断では困難な高電圧数ｋＶを無アークで遮断することができるので、従来の気中接点の数１００Ｖの開閉器で数ｋＶの電圧、数１０Ａの電流を開閉できることになる。
本発明による半導体スイッチと接点との直列接続によるハイブリッドスイッチは、直流電流開閉装置の種々な問題を解決して、耐久性、信頼性が上がるので、直流電力の応用がさらに進展すると考えられる。

１：金属接点
２：半導体スイッチ
３：直流電源
４：負荷
５：ゲート制御部
６：フォトボル出力フォトカプラ
７：トランジスタ出力フォトカプラ
８：ダイオードブリッジ
９：補助接点
１０：過電流ヒューズ

Claims (4)

1. 直流電源と負荷との間に挿入される直流電流開閉装置であって、前記直流電流開閉装置は、
   金属接点と、
   前記金属接点と直列に接続され、前記金属接点の電流を導通・遮断するＭＯＳＦＥＴと、
   前記ＭＯＳＦＥＴのオン／オフを制御するゲート制御部を備えるともに、
   前記ゲート制御部は、
   フォトボル出力フォトカプラとトランジスタ出力フォトカプラ（以下単に「フォトカプラ」という。）を備え、
   前記金属接点が閉極されると、前記直流電源から供給される電圧により前記フォトボル出力フォトカプラの出力側に発生する電圧によって前記ＭＯＳＦＥＴのゲート－ソース間電圧を上昇させて前記ＭＯＳＦＥＴをオン状態にし、
   前記金属接点が開極されると、前記金属接点に発生するアーク電圧による電圧降下によって前記フォトカプラの出力側をオンさせて前記ＭＯＳＦＥＴのゲート－ソース間を短絡することにより前記ＭＯＳＦＥＴをオフ状態にするように制御することを特徴とする直流電流開閉装置。
2. 前記直流電源が双方向の直流電流を出力可能な直流の電力源であって、
   前記ＭＯＳＦＥＴを、逆直列接続された二つのＭＯＳＦＥＴで置き換えるとともに、
   前記ゲート制御部への双方向の入力電圧を一方向の電圧に変換するダイオードブリッジをさらに備え、前記ダイオードブリッジの出力電圧によって前記フォトボル出力フォトカプラとフォトカプラを駆動することを特徴とする請求項１に記載の直流電流開閉装置。
3. 前記フォトカプラを補助接点で置き換えるとともに、
   前記補助接点は、前記金属接点が開極する時は、それに先立って閉極するように連動機構が設けられるとともに、
   前記補助接点は、前記補助接点が閉極すると前記ＭＯＳＦＥＴがオフするように前記ＭＯＳＦＥＴのゲート－ソース間に設置され、
   前記金属接点が開極される時に、それに先立って前記補助接点が閉極されることにより、前記ＭＯＳＦＥＴをオフ状態にすることを特徴とする請求項２に記載の直流電流開閉装置。
4. 直流電源と負荷との間に挿入される直流電流開閉装置であって、前記直流電流開閉装置は、
   金属接点と、
   前記金属接点と直列に接続され、前記金属接点の電流を導通・遮断する半導体スイッチと、
   前記半導体スイッチのオン／オフを制御するゲート制御部を備えるともに、
   前記ゲート制御部が、前記金属接点の閉極後に前記半導体スイッチをオン状態にし、開極後に前記半導体スイッチをオフ状態にするものであり、さらに、
   前記直流電源と前記金属接点の間、又は前記金属接点と前記半導体スイッチの間にヒューズを配設し、前記金属接点が閉極中に過電流等によって前記ヒューズが溶断した際に発生するアーク電圧によって前記半導体スイッチをオフ状態にすることを特徴とする直流電流開閉装置。

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