JP7226551B2 - DC power supply - Google Patents
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Description
この発明は、直流電源装置に関し、特に、高圧電流を高速遮断する電流遮断部を備える直流電源装置に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a direct current power supply, and more particularly to a direct current power supply having a current interrupting section that interrupts high voltage current at high speed.
直流電源装置の出力における事故電流の保護としては、ヒューズや機械式の直流遮断器による保護が一般的である。しかし、従来の機械式の直流遮断器は直流電源装置に使用されるIGBT等の電力用半導体の電流耐量に対し遮断に必要な時間が長く、半導体素子の保護が間に合わないため、事故の影響が拡大する懸念がある。そこで従来の解決手段として、高圧電流を高速遮断する電流遮断部を備える電源装置が知られている。このような直流電源装置は、たとえば、特開2019-36405号公報に記載されている。 A fuse or a mechanical DC circuit breaker is generally used to protect against fault currents at the output of a DC power supply. However, conventional mechanical DC circuit breakers take a long time to break compared to the current withstand capability of power semiconductors such as IGBTs used in DC power supply devices, and the semiconductor elements cannot be protected in time. There is concern that it will spread. As a conventional means for solving this problem, there is known a power supply device including a current interrupting section that rapidly interrupts a high-voltage current. Such a DC power supply device is described, for example, in JP-A-2019-36405.
上記特開2019-36405号公報には、電源と負荷との間に設けられる主回路スイッチ(サイリスタまたは機械式のスイッチ)と、主回路スイッチに並列に接続されるコンデンサと、を備える電源装置が開示されている。上記電源装置では、主回路スイッチに事故電流が流れた場合に、上記コンデンサから主回路スイッチに重畳電流が流れるように構成されている。上記重畳電流は、上記事故電流とは反対方向に主回路スイッチを流れる。これにより、上記事故電流が上記重畳電流により打ち消されるので、主回路スイッチを高速に遮断することが可能である。また、主回路スイッチとして機械式のスイッチを使用する場合も同様に、オフする際に、主回路接点にアークが発生するのが抑制されるため、主回路スイッチを高速に遮断するのを可能にし、さらに導通損失が大きくなるのを抑制することが可能である。 The above Japanese Patent Application Laid-Open No. 2019-36405 discloses a power supply device including a main circuit switch (thyristor or mechanical switch) provided between a power supply and a load, and a capacitor connected in parallel to the main circuit switch. disclosed. In the power supply device, when an accident current flows to the main circuit switch, a superimposed current flows from the capacitor to the main circuit switch. The superimposed current flows through the main circuit switch in the opposite direction to the fault current. As a result, the accident current is canceled by the superimposed current, so that the main circuit switch can be cut off at high speed. Similarly, when a mechanical switch is used as the main circuit switch, arcing at the main circuit contact is suppressed when the switch is turned off, making it possible to turn off the main circuit switch at high speed. Furthermore, it is possible to suppress the conduction loss from increasing.
しかしながら、上記特開2019-36405号公報においては、主回路スイッチに重畳電流を流すため、転流コンデンサを設ける必要がある。ここで、転流用コンデンサは比較的大型な素子であるため、電源装置が大型化する場合がある。したがって、事故電流を高速に遮断することが可能であるとともに、小型化を図ることが可能な直流電源装置が望まれている。 However, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2019-36405, it is necessary to provide a commutation capacitor in order to allow a superimposed current to flow through the main circuit switch. Here, since the commutation capacitor is a relatively large element, the size of the power supply device may increase. Therefore, there is a demand for a DC power supply device that can cut off the fault current at high speed and that can be downsized.
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の1つの目的は、導通損失が増加するのを抑制しながら事故電流を高速に遮断することが可能であるとともに、直流電源装置を小型化することが可能な直流電源装置を提供することである。 SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and one object of the present invention is to be able to cut off fault current at high speed while suppressing an increase in conduction loss. Another object of the present invention is to provide a direct-current power supply capable of being miniaturized.
上記目的を達成するために、この発明の一の局面による直流電源装置は、交流電圧源から供給される交流入力電圧を直流電圧に変換する整流器と、整流器と負荷との間の電気的な接続および遮断を行う電流遮断部と、整流器および電流遮断部の制御を行う制御部と、を備え、電流遮断部は、直流電圧の定格電圧よりも耐圧が大きい直列用スイッチング素子と、直列用スイッチング素子に対して負荷側に直列に接続され、定格電圧よりも耐圧が小さい自己消弧式の導通切り替え素子とを有する直列回路と、直列回路に対して並列に接続され、定格電圧よりも耐圧が大きい自己消弧式の半導体スイッチング素子と、を含み、直列用スイッチング素子および導通切り替え素子の各々は、半導体スイッチング素子よりも導通損失が小さく、制御部は、直列用スイッチング素子および導通切り替え素子をオフする制御を同時に行った後に半導体スイッチング素子をオフする制御を行うか、または、直列用スイッチング素子、導通切り替え素子、半導体スイッチング素子の順でオフする制御を行うことにより、電流遮断部を遮断する制御を行うように構成されており、電流遮断部は、直列回路に並列に接続され、半導体スイッチング素子と直列に接続されるダイオード素子を含み、ダイオード素子のオン電圧と半導体スイッチング素子のオン電圧との合計値は、直列用スイッチング素子のオン電圧と導通切り替え素子のオン電圧との合計値よりも大きいことにより、ダイオード素子および半導体スイッチング素子に流れる電流値が直列用スイッチング素子および導通切り替え素子に流れる電流値よりも小さくされており、整流器により変換された直流電力を蓄積する蓄電部をさらに備え、制御部は、蓄電部の直流電力が負荷に供給されている場合に、直列用スイッチング素子および導通切り替え素子をオフする制御を同時に行った後に半導体スイッチング素子をオフする制御を行うか、または、直列用スイッチング素子、導通切り替え素子、半導体スイッチング素子の順でオフする制御を行うことにより、蓄電部から負荷に流れる電流を電流遮断部により遮断する制御を行うように構成されている。なお、直列用スイッチング素子は、半導体素子のみならず、機械式のスイッチを含む。 To achieve the above object, a DC power supply device according to one aspect of the present invention includes a rectifier that converts an AC input voltage supplied from an AC voltage source into a DC voltage, and an electrical connection between the rectifier and a load. and a control unit that controls the rectifier and the current interrupter, and the current interrupter includes a series switching element having a withstand voltage higher than the rated voltage of the DC voltage, and a series switching element. A series circuit connected in series to the load side and having a self-arc-extinguishing conduction switching element whose withstand voltage is lower than the rated voltage, and a series circuit connected in parallel to the series circuit and having a withstand voltage higher than the rated voltage a self-arc-extinguishing semiconductor switching element, wherein each of the series switching element and the conduction switching element has a smaller conduction loss than the semiconductor switching element, and the controller turns off the series switching element and the conduction switching element. Control is performed to turn off the semiconductor switching elements after the control is performed at the same time, or control is performed to turn off the series switching element, the conduction switching element, and the semiconductor switching element in that order, thereby cutting off the current interrupting part. The current interrupting unit includes a diode element connected in parallel to the series circuit and connected in series with the semiconductor switching element, and the sum of the on-voltage of the diode element and the on-voltage of the semiconductor switching element The value is greater than the total value of the ON voltage of the series switching element and the ON voltage of the conduction switching element, so that the current value flowing through the diode element and the semiconductor switching element is equal to the current value flowing through the series switching element and conduction switching element. and further comprising a power storage unit that stores the DC power converted by the rectifier. are turned off at the same time, and then the semiconductor switching elements are turned off. It is configured to perform control to cut off the flowing current by the current cutoff unit . Note that the serial switching element includes not only a semiconductor element but also a mechanical switch.
この発明の一の局面による直流電源装置では、上記のように、直列用スイッチング素子および導通切り替え素子をオフする制御を同時に行った後に半導体スイッチング素子がオフされるか、または、直列用スイッチング素子、導通切り替え素子、半導体スイッチング素子の順でオフされる。これにより、直列用スイッチング素子および導通切り替え素子に流れている電流が半導体スイッチング素子に転流されるので、全ての電流が半導体スイッチング素子に流れている状態で半導体スイッチング素子をオフすることができる。ここで、半導体スイッチング素子にはオフ時にアークが発生しないので、高速に半導体スイッチング素子をオフ状態にするためにコンデンサの充電エネルギーを用いて半導体スイッチング素子に重畳電流を流す必要がない。したがって、上記のように制御することによって、コンデンサを用いずに半導体スイッチング素子により高速に事故電流を遮断することができる。これにより、事故電流を高速に遮断しながら直流電源装置を小型化することができる。
また、電流遮断部は、直列回路に並列に接続され、半導体スイッチング素子と直列に接続されるダイオード素子を含み、ダイオード素子のオン電圧と半導体スイッチング素子のオン電圧との合計値は、直列用スイッチング素子のオン電圧と導通切り替え素子のオン電圧との合計値よりも大きい。このように構成すれば、オン電圧の合計値が比較的大きいダイオード素子と半導体スイッチング素子との直列回路に流れる電流を比較的小さくすることができる。その結果、ダイオード素子および半導体スイッチング素子の発熱量を比較的小さくすることができる。
In the DC power supply device according to one aspect of the present invention, as described above, the semiconductor switching element is turned off after simultaneously performing control to turn off the series switching element and the conduction switching element, or the series switching element, The conduction switching element and the semiconductor switching element are turned off in this order. As a result, the current flowing through the series switching element and the conduction switching element is commutated to the semiconductor switching element, so that the semiconductor switching element can be turned off while all the current is flowing through the semiconductor switching element. Here, since no arc is generated in the semiconductor switching element when it is turned off, there is no need to apply a superimposed current to the semiconductor switching element using the charging energy of the capacitor in order to turn off the semiconductor switching element at high speed. Therefore, by controlling as described above, the accident current can be interrupted at high speed by the semiconductor switching element without using a capacitor. As a result, it is possible to reduce the size of the DC power supply while interrupting the fault current at high speed.
Further, the current interrupting section includes a diode element connected in parallel to the series circuit and connected in series with the semiconductor switching element, and the total value of the on-voltage of the diode element and the on-voltage of the semiconductor switching element is equal to the series switching It is greater than the sum of the on-voltage of the element and the on-voltage of the conduction switching element. With this configuration, the current flowing through the series circuit of the diode element and the semiconductor switching element, which have a relatively large total ON voltage, can be made relatively small. As a result, the amount of heat generated by the diode element and the semiconductor switching element can be made relatively small.
また、半導体スイッチング素子に比べて導通損失が比較的小さい直列用スイッチング素子および導通切り替え素子の直列回路が、半導体スイッチング素子と並列に接続されていることによって、半導体スイッチング素子のみが設けられている場合と異なり導通損失が比較的小さい上記直列回路側にも少なくとも一部の電流を流すことができる。その結果、半導体スイッチング素子のみが設けられている場合に比べて、導通損失(消費電力)を抑制することができる。これらの結果、導通損失が増加するのを抑制しながら事故電流を高速に遮断することができるとともに、直流電源装置を小型化することができる。 Further, when only the semiconductor switching element is provided by connecting the series circuit of the series switching element and the conduction switching element in parallel with the semiconductor switching element, the conduction loss of which is relatively small compared to that of the semiconductor switching element. At least part of the current can also flow through the series circuit side, which has a relatively small conduction loss. As a result, conduction loss (power consumption) can be suppressed as compared with the case where only semiconductor switching elements are provided. As a result, the fault current can be interrupted at high speed while suppressing an increase in conduction loss, and the size of the DC power supply can be reduced.
また、直列用スイッチング素子および導通切り替え素子に流れている電流が半導体スイッチング素子に転流されることにより、直列用スイッチング素子および導通切り替え素子に電流が流れていない状態で半導体スイッチング素子をオフすることができる。これにより、半導体スイッチング素子がオフ状態にされた際、半導体スイッチング素子および直列用スイッチング素子に直流電源装置の定格電圧がかかる一方で、導通切り替え素子の前段に設けられる直列用スイッチング素子がオフ状態なので導通切り替え素子にかかる電圧が略ゼロになる。その結果、導通切り替え素子に耐圧以上の電圧(定格電圧)がかかるのを抑制することができるので、導通切り替え素子が破壊されるのを抑制することができる。なお、直列用スイッチング素子および導通切り替え素子の各々の耐圧は定格電圧以上であるので、直列用スイッチング素子および導通切り替え素子の各々は破壊されない。これにより、電流遮断部の素子(導通切り替え素子)が破壊されるのを抑制することができる。 Further, by commutating the current flowing through the series switching element and the conduction switching element to the semiconductor switching element, the semiconductor switching element can be turned off in a state where no current flows through the series switching element and the conduction switching element. can. As a result, when the semiconductor switching element is turned off, the rated voltage of the DC power supply is applied to the semiconductor switching element and the series switching element, while the series switching element provided in the preceding stage of the conduction switching element is in the off state. The voltage applied to the conduction switching element becomes substantially zero. As a result, it is possible to prevent a voltage (rated voltage) higher than the withstand voltage from being applied to the conduction switching element, so that it is possible to prevent the conduction switching element from being destroyed. Since the breakdown voltage of each of the series switching element and the conduction switching element is equal to or higher than the rated voltage, each of the series switching element and the conduction switching element is not destroyed. Thereby, it is possible to suppress breakage of the element (conduction switching element) of the current interrupting portion.
上記一の局面による直流電源装置において、好ましくは、制御部は、直列用スイッチング素子および導通切り替え素子をオフする制御を同時に行った後に、半導体スイッチング素子をオフする制御を行うことにより、電流遮断部を遮断する制御を行うように構成されている。ここで、直列用スイッチング素子をオフする制御と、導通切り替え素子をオフする制御との間に時間差がある場合、上記時間差の分だけ半導体スイッチング素子をオフする制御が遅延するため、半導体スイッチング素子に電流が流れる時間が増大する。直列用スイッチング素子および導通切り替え素子をオフする制御を同時に行うことにより、半導体スイッチング素子をオフする制御が遅延するのを抑制することができるとともに、半導体スイッチング素子に電流が流れる時間が増大するのを抑制することができる。ここで、半導体スイッチング素子の大きさは通電可能時間に依存する。したがって、半導体スイッチング素子に電流が流れる時間が増大するのを抑制することにより、半導体スイッチング素子として通電可能時間が比較的短い素子を用いることができる。その結果、半導体スイッチング素子が大型化するのを抑制することができる。 In the DC power supply device according to the above aspect, preferably, the control unit simultaneously performs control to turn off the series switching element and the conduction switching element, and then performs control to turn off the semiconductor switching element, so that the current interrupting unit is configured to perform control to cut off the Here, if there is a time difference between the control for turning off the series switching element and the control for turning off the conduction switching element, the control for turning off the semiconductor switching element is delayed by the time difference. The time during which the current flows increases. By simultaneously performing control to turn off the series switching element and the conduction switching element, it is possible to suppress a delay in the control to turn off the semiconductor switching element and to prevent an increase in the time during which the current flows through the semiconductor switching element. can be suppressed. Here, the size of the semiconductor switching element depends on the energization time. Therefore, by suppressing an increase in the time during which the current flows through the semiconductor switching element, it is possible to use an element having a relatively short energization time as the semiconductor switching element. As a result, it is possible to suppress an increase in the size of the semiconductor switching element.
上記一の局面による直流電源装置において、好ましくは、制御部は、導通切り替え素子をオフする制御が行われることにより、直列用スイッチング素子および導通切り替え素子の直列回路に流れる電流が半導体スイッチング素子側に転流されることによって直列用スイッチング素子に電流が流れなくなった後に、半導体スイッチング素子をオフする制御を行うことにより、電流遮断部を遮断する制御を行うように構成されている。このように構成すれば、直列用スイッチング素子および導通切り替え素子の直列回路にまだ電流が流れている間に半導体スイッチング素子がオフされるのを抑制することができる。その結果、半導体スイッチング素子がオフされる際には、直列用スイッチング素子を確実にオフ状態にすることができる。その結果、導通切り替え素子に高電圧(定格電圧)がかかるのをより確実に抑制することができる。 In the DC power supply device according to the above aspect, preferably, the control unit performs control to turn off the conduction switching element so that the current flowing through the series circuit of the series switching element and the conduction switching element is directed to the semiconductor switching element. After the current stops flowing through the series switching element due to the commutation, the semiconductor switching element is controlled to turn off, thereby controlling the current interrupting section to cut off. With this configuration, it is possible to prevent the semiconductor switching element from being turned off while current is still flowing through the series circuit of the series switching element and the conduction switching element. As a result, when the semiconductor switching element is turned off, the series switching element can be reliably turned off. As a result, application of a high voltage (rated voltage) to the conduction switching element can be more reliably suppressed.
この場合、導通切り替え素子は、直列用スイッチング素子よりも高速にスイッチング可能に構成されており、制御部は、導通切り替え素子をオフする制御が行われてから、直列用スイッチング素子のターンオフ時間以上の所定時間後に、半導体スイッチング素子をオフする制御を行うことにより、電流遮断部を遮断する制御を行うように構成されている。このように構成すれば、半導体スイッチング素子をオフする制御を、より一層確実に、直列用スイッチング素子に電流が流れなくなった後に行うことができる。 In this case, the conduction switching element is configured to be capable of switching at a higher speed than the series switching element, and the control unit controls the conduction switching element to be turned off for a period equal to or longer than the turn-off time of the series switching element. After a predetermined period of time, the semiconductor switching element is controlled to be turned off, thereby controlling the current cut-off section to be cut off. With this configuration, the control to turn off the semiconductor switching element can be more reliably performed after the current stops flowing through the series switching element.
上記一の局面による直流電源装置において、好ましくは、制御部は、半導体スイッチング素子をオンする制御を行った後に、直列用スイッチング素子および導通切り替え素子をオンする制御を行うことにより、電流遮断部を導通させる制御を行うように構成されている。このように構成すれば、半導体スイッチング素子がオフされている間に直列用スイッチング素子および導通切り替え素子がオンされるのを抑制することができるので、導通切り替え素子に高電圧(直流電源装置の定格電圧)が印加されるのを抑制することができる。 In the DC power supply device according to the above aspect, preferably, the control unit performs control to turn on the series switching element and the conduction switching element after performing control to turn on the semiconductor switching element, thereby turning on the current interrupting unit. It is configured to control to conduct. With this configuration, it is possible to prevent the series switching element and the conduction switching element from being turned on while the semiconductor switching element is turned off. voltage) can be suppressed.
この場合、制御部は、半導体スイッチング素子がオンされることにより電流遮断部の出力電圧が増加するとともに出力電圧の増加が停止した後に、直列用スイッチング素子および導通切り替え素子をオンする制御を行うことにより、電流遮断部を導通させる制御を行うように構成されている。ここで、電流遮断部の出力電圧の増加に合わせて半導体スイッチング素子にかかる電圧は減少する。したがって、電流遮断部の出力電圧の増加が停止した後に直列用スイッチング素子および導通切り替え素子をオンする制御を行うことにより、半導体スイッチング素子にかかる電圧が最小になってから直列用スイッチング素子および導通切り替え素子をオンすることができる。その結果、半導体スイッチング素子に並列に接続されている導通切り替え素子にも半導体スイッチング素子にかかる電圧と同じ大きさの電圧がかかるので、導通切り替え素子に高電圧が印加されるのを抑制することができる。 In this case, the control unit performs control to turn on the series switching element and the conduction switching element after the output voltage of the current interrupting unit is increased by turning on the semiconductor switching element and the output voltage stops increasing. is configured to perform control to turn on the current interrupter. Here, the voltage applied to the semiconductor switching element decreases as the output voltage of the current interrupter increases. Therefore, by performing control to turn on the series switching element and the conduction switching element after the output voltage of the current interrupter stops increasing, the series switching element and the conduction switching element are turned on after the voltage applied to the semiconductor switching element becomes minimum. The device can be turned on. As a result, the conduction switching element connected in parallel to the semiconductor switching element is also applied with the same voltage as the voltage applied to the semiconductor switching element, so that application of a high voltage to the conduction switching element can be suppressed. can.
また、直列用スイッチング素子および導通切り替え素子の各々の導通損失は半導体スイッチング素子の導通損失よりも小さいので、直列用スイッチング素子および導通切り替え素子の各々のオン抵抗は、半導体スイッチング素子のオン抵抗に比べて比較的小さい。したがって、オン抵抗が比較的小さい直列用スイッチング素子および導通切り替え素子に、ダイオード素子と半導体スイッチング素子との直列回路に流れる電流よりも比較的大きい電流を流すことによって、直列用スイッチング素子および導通切り替え素子の発熱量が増大するのを極力抑制することができる。これらにより、電流遮断部全体としての発熱量が増大するのを抑制することができる。 In addition, since the conduction loss of each of the series switching element and the conduction switching element is smaller than the conduction loss of the semiconductor switching element, the on-resistance of each of the series switching element and the conduction switching element is lower than the on-resistance of the semiconductor switching element. relatively small. Therefore, the series switching element and the conduction switching element having a relatively small on-resistance are supplied with a relatively larger current than the current flowing through the series circuit of the diode element and the semiconductor switching element. It is possible to suppress the increase in the amount of heat generated by the heat treatment. As a result, it is possible to suppress an increase in the amount of heat generated by the current interrupting portion as a whole.
上記一の局面による直流電源装置において、好ましくは、整流器により変換された直流電力を蓄積する蓄電部をさらに備え、制御部は、蓄電部の直流電力が負荷に供給されている場合に、直列用スイッチング素子および導通切り替え素子をオフする制御を同時に行った後に半導体スイッチング素子をオフする制御を行うか、または、直列用スイッチング素子、導通切り替え素子、半導体スイッチング素子の順でオフする制御を行うことにより、蓄電部から負荷に流れる電流を電流遮断部により遮断する制御を行うように構成されている。このように構成すれば、電流の導通時に導通損失が増加するのを抑制しながら電流遮断部の素子が破壊されるのを抑制することができる。 The DC power supply device according to the above aspect preferably further includes a power storage unit that stores the DC power converted by the rectifier, and the control unit controls, when the DC power in the power storage unit is supplied to the load, By controlling to turn off the switching element and the conduction switching element at the same time and then turning off the semiconductor switching element, or by turning off the series switching element, the conduction switching element, and the semiconductor switching element in this order. , the current interrupting unit is configured to perform control for interrupting the current flowing from the power storage unit to the load. According to this configuration, it is possible to suppress the breakage of the element of the current interrupting portion while suppressing an increase in conduction loss during current conduction.
上記一の局面による直流電源装置において、好ましくは、直列用スイッチング素子、導通切り替え素子、および、半導体スイッチング素子は、それぞれ、サイリスタ、MOSFET、および、IGBTを含む。このように構成すれば、サイリスタは比較的オン電圧が低いので、直列用スイッチング素子としてサイリスタを用いることにより、電流導通時(直流電源装置の通常運転時)に導通損失が大きくなるのを効果的に抑制することができる。また、IGBTは比較的高速にスイッチングするとともに耐圧が高いので、半導体スイッチング素子としてIGBTを用いることにより、高速に電流遮断を行うことができるとともに、半導体スイッチング素子に高電圧(定格電圧)がかかった場合でも半導体スイッチング素子が破壊されるのを抑制することができる。また、MOSFETは比較的導通損失が低いので、導通切り替え素子としてMOSFETを用いることにより、電流導通時(直流電源装置の通常運転時)に導通損失が大きくなるのをより効果的に抑制することができる。また、MOSFETは比較的高速にスイッチングするので、電流遮断時において比較的速やかに、直列用スイッチング素子および導通切り替え素子の直流回路に流れる電流を半導体スイッチング素子側に転流させることができる。その結果、電流遮断部が電流遮断に要する時間を短くすることができる。 In the DC power supply device according to the above aspect, the series switching element, conduction switching element, and semiconductor switching element preferably include a thyristor, MOSFET, and IGBT, respectively. With this configuration, since the thyristor has a relatively low on-state voltage, the use of the thyristor as the series switching element effectively suppresses an increase in conduction loss during current conduction (during normal operation of the DC power supply). can be suppressed to In addition, since the IGBT switches at a relatively high speed and has a high withstand voltage, by using the IGBT as the semiconductor switching element, the current can be interrupted at high speed, and a high voltage (rated voltage) is applied to the semiconductor switching element. Even in such a case, destruction of the semiconductor switching element can be suppressed. In addition, since MOSFETs have relatively low conduction loss, by using MOSFETs as conduction switching elements, it is possible to more effectively suppress an increase in conduction loss during current conduction (during normal operation of the DC power supply). can. In addition, since the MOSFET switches at a relatively high speed, it is possible to relatively quickly commutate the current flowing through the DC circuit of the series switching element and the conduction switching element to the semiconductor switching element when the current is cut off. As a result, the time required for the current interrupter to interrupt the current can be shortened.
本発明によれば、上記のように、導通損失が増加するのを抑制しながら事故電流を高速に遮断することができるとともに、直流電源装置を小型化することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, as mentioned above, while suppressing that conduction loss increases, a fault current can be cut off at high speed, and a direct-current power supply device can be reduced in size.
以下、本発明を具体化した実施形態を図面に基づいて説明する。 Embodiments embodying the present invention will be described below with reference to the drawings.
[本実施形態]
図1~図6を参照して、本実施形態による直流電源装置100の構成について説明する。[This embodiment]
The configuration of a DC
(直流電源装置の構成)
図1に示すように、直流電源装置100は、整流器1と、蓄電部2と、電流センサ3と、電流遮断部4と、制御部5と、駆動部6と、電圧センサ7と、を備える。直流電源装置100は、たとえば太陽光発電システムに用いられる。(Configuration of DC power supply)
As shown in FIG. 1, the DC
整流器1は、外部の系統101から入力される交流入力電圧を直流電圧に変換するように構成されている。直流電源装置100の外部には、系統101と直流電源装置100との間の電流の導通および遮断を切り替える交流遮断器102が設けられている。なお、系統101は、請求の範囲の「交流電圧源」の一例である。
The
蓄電部2は、整流器1により変換された直流電力を蓄積するように構成されている。蓄電部2は、系統101から電力が供給されない場合(停電時等)に、電源として負荷103に電力を供給する。
電流センサ3は、整流器1(蓄電部2)と電流遮断部4との間に流れる電流値を検出するように構成されている。
電流遮断部4は、整流器1(蓄電部2)と負荷103との間の電気的な接続および遮断を行うように構成されている。具体的には、電流遮断部4は、サイリスタ40と、サイリスタ40と直列に接続される自己消弧式のMOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)41とを含む。MOSFET41は、サイリスタ40に対して負荷103側においてサイリスタ40と直列に接続されている。なお、サイリスタ40およびMOSFET41は、それぞれ、請求の範囲の「直列用スイッチング素子」および「導通切り替え素子」の一例である。
Current interrupter 4 is configured to electrically connect and disconnect between rectifier 1 (power storage unit 2 ) and
また、電流遮断部4は、ダイオード素子42と、自己消弧式のIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)43とを含む。IGBT43は、ダイオード素子42に対して負荷103側においてダイオード素子42と直列に接続されている。IGBT43として、RB(Reverse Blocking)-IGBTおよびRC(Reverse Conducting)-IGBTを用いてもよい。なお、IGBT43は、請求の範囲の「半導体スイッチング素子」の一例である。
Further, the current interrupting portion 4 includes a
また、サイリスタ40とMOSFET41との直列回路は、ダイオード素子42とIGBT43との直列回路と並列に接続されている。
A series circuit of the
また、サイリスタ40の耐圧(たとえば1600V)は、直流電源装置100において用いられる直流電圧の定格電圧(たとえば750V)よりも大きい。また、MOSFET41の耐圧(たとえば10~20V)は、上記定格電圧よりも小さい。また、IGBT43の耐圧(たとえば1600V)は、上記定格電圧よりも大きい。
Also, the withstand voltage (for example, 1600 V) of
また、サイリスタ40およびMOSFET41の各々の導通損失は、(サイリスタ40およびMOSFET41と同じ大きさの電流が流れている場合の)IGBT43の導通損失よりも小さい。また、MOSFET41およびIGBT43の各々は、サイリスタ40よりも高速にスイッチング可能に構成されている。なお、MOSFET41は、IGBT43よりも高速にスイッチング可能に構成されている。
Also, the conduction loss of each of
なお、電流遮断部4は、比較的少量の素子(サイリスタ40、MOSFET41、ダイオード素子42、およびIGBT43の4つの素子)によって電流遮断を行っている。これに対し、たとえばコンデンサからの放電電流によりスイッチに打ち消し電流を流すような構成では、スイッチおよびコンデンサに加え、抵抗素子、リアクトル、サイリスタ、および、ダイオード等の比較的多くの素子(部品)が必要である。したがって、電流遮断部4が比較的少量の素子により構成されていることにより、電流遮断部4の故障率が高くなるのを抑制(信頼性が低下するのを抑制)することが可能である。
In addition, the current interrupting section 4 interrupts the current using a relatively small number of elements (four elements of the
また、制御部5は、整流器1および電流遮断部4の制御を行うように構成されている。具体的には、制御部5は、整流器1に設けられる図示しないスイッチング素子にゲート信号を送信することにより整流器1の動作を制御している。また、制御部5は、駆動部6に、電流遮断部4を制御するための指令信号を送信するように構成されている。
Also, the
詳細には、駆動部6は、制御部5からの指令信号に基づき、電流遮断部4のサイリスタ40、MOSFET41、および、IGBT43をオンまたはオフするゲート信号を送信するように構成されている。
Specifically, the
また、電圧センサ7は、電流遮断部4の出力電圧(電流遮断部4と負荷103との間の電圧)を検出するように構成されている。
Also, the
(直流電源装置の動作)
次に、図2~図6を参照して、直流電源装置100の動作について説明する。(Operation of DC power supply)
Next, the operation of the
まず、直流電源装置100の起動時において、整流器1を始動させて負荷103に給電を行う場合について説明する。
First, a case in which the
図2の(a)に示すように、IGBT43にゲート信号が送信されることによりIGBT43がオン(ターンオン)する。そして、図3に示すように、IGBT43にゲート信号が送信されてからMOSFET41およびサイリスタ40にゲート信号が送信されるまでの期間I(図2参照)において、整流器1からの電流(図3の破線参照)が、ダイオード素子42およびIGBT43を通って負荷103側に流れる。図2の(d)および(f)に示すように、IGBT43がターンオンされることにより、電流遮断部4の出力電流値(図2の(d)参照)、および、IGBT43に流れる電流値(図2の(f)参照)の各々が所定の大きさに増加している。
As shown in (a) of FIG. 2, the
本実施形態では、図2の(b)および(c)に示すように、制御部5は、IGBT43をオンする制御を行った後に、サイリスタ40およびMOSFET41をオンする制御を行うことにより、電流遮断部4を導通させる制御を行うように構成されている。
In the present embodiment, as shown in FIGS. 2B and 2C, the
ここで、電流遮断部4の出力電圧は、IGBT43がオンされることにより増加する。本実施形態では、制御部5は、電流遮断部4の出力電圧の増加が停止した後に、サイリスタ40およびMOSFET41をオンする制御を行うことにより、電流遮断部4を導通させる制御を行うように構成されている。
Here, the output voltage of the current cutoff unit 4 is increased by turning on the
具体的には、電圧センサ7により検出された電圧値が所定の最大電圧まで上昇した場合、電圧センサ7から制御部5に信号が送信される。制御部5は、電圧センサ7から上記信号を受信した場合、サイリスタ40およびMOSFET41をターンオンさせるためのゲート信号を送信するよう駆動部6に指令信号を与える。これにより、図2の期間Bが開始される。
Specifically, when the voltage value detected by the
詳細には、サイリスタ40およびMOSFET41にゲート信号が送信されることにより、サイリスタ40およびMOSFET41がターンオンする。そして、図4に示すように、期間B(図2参照)において、整流器1からの電流(図4の破線参照)が、ダイオード素子42およびIGBT43の直列回路と、サイリスタ40およびMOSFET41の直列回路とに分岐して負荷103側に流れる。
Specifically, the
図2の(e)に示すように、サイリスタ40がターンオンされることにより、サイリスタ40に流れる電流値が所定の大きさに増加している。なお、期間Iにおいてダイオード素子42およびIGBT43の直列回路側にのみ流れていた電流が、期間Bにおいてサイリスタ40およびMOSFET41の直列回路側にも流れるので、期間BにおいてIGBT43に流れる電流値は期間Iにおける電流値よりも減少する。
As shown in (e) of FIG. 2, by turning on the
ここで、本実施形態では、ダイオード素子42のオン電圧(順電圧)VFとIGBT43のオン電圧(コレクタ-エミッタ飽和電圧)Vceとの合計値は、サイリスタ40のオン電圧(順電圧)VthとMOSFET41のオン電圧(ドレイン-ソース間電圧)VDSとの合計値よりも大きい。具体的には、(VF+Vce)>>(Vth+VDS)という関係になる。サイリスタ40およびMOSFET41の直列回路に流れる電流値と、ダイオード素子42およびIGBT43の直列回路に流れる電流値との比は、上記4つの素子のオン電圧によって決定される。オン電圧の合計値が上記のような関係になることによって、サイリスタ40およびMOSFET41の直列回路に流れる電流値は、ダイオード素子42およびIGBT43の直列回路に流れる電流値よりも大きくなる。サイリスタ40およびMOSFET41の直列回路に流れる電流値は、ダイオード素子42およびIGBT43の直列回路に流れる電流値のたとえば20倍程度である。Here, in the present embodiment, the total value of the ON voltage (forward voltage) VF of the
これにより、ダイオード素子42およびIGBT43には比較的小さい電流が流れるので、ダイオード素子42およびIGBT43の発熱量を比較的小さくすることが可能である。また、MOSFET41として、ドレイン-ソース間抵抗を低い素子を配置することにより、MOSFET41の発熱量を小さくすることが可能である。これにより、サイリスタ40以外の発熱量を小さくすることが可能である。その結果、電流遮断部4を放熱するための図示しない放熱器を、サイリスタ40の発熱量のみを考慮して(MOSFET41、IGBT43、および、ダイオード素子42の発熱量を考慮せずに)設計することが可能となり、上記放熱器を小型化することが可能となる。
As a result, a relatively small current flows through
次に、負荷103への給電を停止する場合の直流電源装置100の動作について説明する。
Next, the operation of the DC
まず、電流センサ3が検知した電流値が予め設定した範囲を超えた場合に、電流センサ3から制御部5に信号が送信される。そして、信号が通知された制御部5は、駆動部6に対して電流遮断部4を遮断するための指令信号を送信する。以下に、具体的に説明する。
First, when the current value detected by the
本実施形態では、図2の(a)~(c)に示すように、制御部5は、サイリスタ40およびMOSFET41をオフ(ターンオフ)する制御を同時に行った後にIGBT43をオフする制御を行うように構成されている。具体的には、サイリスタ40およびMOSFET41をターンオフするためのゲート信号がサイリスタ40およびMOSFET41に同時に送信される。これにより、期間Cが開始される。その後、IGBT43をターンオフするためのゲート信号がIGBT43に送信され、期間Cが終了する。
In the present embodiment, as shown in (a) to (c) of FIG. 2, the
これにより、図2の(d)~(f)に示すように、期間Cにおいてサイリスタ40に流れる電流値は、期間Bにおいてサイリスタ40に流れる電流値よりも減少(図2の(e)参照)している。また、期間CにおいてIGBT43に流れる電流値は、期間BにおいてIGBT43に流れる電流値よりも増加(図2の(f)参照)している。これは、図5に示すように、MOSFET41がオフされることによりサイリスタ40およびMOSFET41の直列回路に電流が流れなくなることによって、期間Bにおいてサイリスタ40およびMOSFET41に流れていた電流(図4参照)が期間CにおいてIGBT43側に転流されることに起因している。なお、MOSFET41がオフされた際にIGBT43は通電状態であるので、MOSFET41に高電圧(定格電圧)がかかることはない。
As a result, as shown in (d) to (f) of FIG. 2, the value of the current flowing through the
また、サイリスタ40はゲートがオフされても電流(保持電流)が流れていればオン状態を継続するという特性を有するが、MOSFET41がオフされることによりサイリスタ40に流れる電流がIGBT43側に転流されることによって、サイリスタ40に流れる電流がゼロになるとともにサイリスタ40がオフ状態になる。これにより、たとえばサイリスタ40に打ち消し電流を流すことにより強制的にサイリスタ40をターンオフさせる回路を設けなくてもサイリスタ40をターンオフさせることが可能である。
Further, the
また、本実施形態では、制御部5は、MOSFET41をオフする制御が行われることにより、サイリスタ40およびMOSFET41の直列回路に流れる電流がIGBT43側に転流されることによってサイリスタ40に電流が流れなくなった後に、IGBT43をオフする制御を行うことにより、電流遮断部4を遮断する制御を行うように構成されている。具体的には、制御部5は、サイリスタ40に流れる電流値がゼロになった後に、IGBT43をオフする制御を行うように構成されている。
Further, in the present embodiment, the
詳細には、図2に示すように、制御部5は、MOSFET41をオフする制御が行われてから、サイリスタ40のターンオフ時間以上の時間t後に、IGBT43をオフする制御を行うことにより、電流遮断部4を遮断する制御を行うように構成されている。具体的には、MOSFET41およびサイリスタ40の各々にゲートオフ信号が送信されてから時間t後にIGBT43にゲートオフ信号が送信される。なお、サイリスタ40のターンオフ時間がたとえば0、5~1msである場合、時間tを、サイリスタ40のターンオフ時間の2倍程度である1~2ms程度にするのが好ましい。
Specifically, as shown in FIG. 2 , the
そして、図6に示すように、IGBT43がオフされた後の期間Dにおいて、IGBT43に電流が流れなくなる。図2の(d)~(f)に示すように、期間Dにおいては、電流遮断部4の出力電流(図2の(d)参照)、サイリスタ40に流れる電流(図2の(e)参照)、および、IGBT43(図2の(f)参照)に流れる電流の各々がゼロになる。これにより、電流遮断部4による電流遮断の制御が完了する。なお、IGBT43がターンオフされた際、IGBT43およびサイリスタ40の各々に定格電圧がかかる一方、MOSFET41にはほとんど電圧がかからない。
Then, as shown in FIG. 6, no current flows through the
また、停電時などにおいて系統101から電力が供給されない場合、蓄電部2の直流電力が負荷103に供給される。この場合、制御部5は、蓄電部2から流れる電流を電流遮断部4により導通させるとともに遮断する制御を行うように構成されている。蓄電部2からの電流を導通させるとともに遮断する場合の制御方法は、整流器1からの電流を導通させるとともに遮断する上記の方法(図2参照)と同様であるので、詳細な説明は省略する。
Further, when power is not supplied from
なお、半導体スイッチング素子であるIGBT43をオフさせることにより電流遮断部4に流れる電流が遮断されるので、機械スイッチのみにより電流を遮断する場合と異なり、アークが発生することがない。したがって、アークを強制的に消滅させるための構成を別途設けることなく、高速に電流遮断を行うことが可能である。
By turning off the
また、機械スイッチを用いた場合、直流のアーク消弧は一般的に交流のアーク消弧よりも難しいため選択できるスイッチが限定される。そこで、半導体スイッチング素子であるIGBT43により電流を遮断することにより、素子(スイッチ)の選択肢が限定されるという不都合を解消することが可能である。
In addition, when a mechanical switch is used, it is generally more difficult to extinguish a direct current arc than it is to extinguish an alternating current arc, so the switches that can be selected are limited. Therefore, by interrupting the current with the
また、機械スイッチにアークが発生することにより導通状態が一定時間継続される場合と異なり、ヒューズエレメント等を設けて過電流保護を行う必要がない。これにより、ヒューズエレメント等が経年劣化した場合等に行われる交換作業等を行う手間を省略することが可能である。 In addition, unlike the case where a mechanical switch continues to be conductive for a certain period of time due to arcing, there is no need to provide a fuse element or the like to provide overcurrent protection. As a result, it is possible to omit the trouble of replacing the fuse element or the like, which is performed when the fuse element or the like deteriorates over time.
[本実施形態の効果]
本実施形態では、以下のような効果を得ることができる。[Effect of this embodiment]
The following effects can be obtained in this embodiment.
本実施形態では、上記のように、電流遮断部4は、直流電圧の定格電圧よりも耐圧が大きいサイリスタ40と、サイリスタ40に対して負荷103側に直列に接続され、定格電圧よりも耐圧が小さい自己消弧式のMOSFET41とを有する直列回路と、上記直列回路に対して並列に接続され、定格電圧よりも耐圧が大きい自己消弧式のIGBT43と、を含む。また、サイリスタ40およびMOSFET41の各々は、IGBT43よりも導通損失が小さい。そして、制御部5が、サイリスタ40およびMOSFET41をオフする制御を同時に行った後にIGBT43をオフする制御を行うように、直流電源装置100を構成する。
In the present embodiment, as described above, the current interrupting unit 4 is connected in series with the
これにより、サイリスタ40およびMOSFET41に流れている電流がIGBT43に転流されるので、全ての電流がIGBT43に流れている状態でIGBT43をオフすることができる。ここで、IGBT43にはオフ時にアークが発生しないので、高速にIGBT43をオフ状態にするためにコンデンサの充電エネルギーを用いてIGBT43に重畳電流を流す必要がない。したがって、上記のように制御することによって、コンデンサを用いずにIGBT43により高速に事故電流を遮断することができる。これにより、事故電流を高速に遮断しながら直流電源装置100を小型化することができる。
As a result, the current flowing through the
また、IGBT43に比べて導通損失が比較的小さいサイリスタ40およびMOSFET41の直列回路が、IGBT43と並列に接続されていることによって、IGBT43のみが設けられている場合と異なり導通損失が比較的小さい上記直列回路側にも少なくとも一部の電流を流すことができる。その結果、IGBT43のみが設けられている場合に比べて、導通損失(消費電力)を抑制することができる。これらの結果、導通損失が増加するのを抑制しながら事故電流を高速に遮断することができるとともに、直流電源装置100を小型化することができる。
In addition, the series circuit of the
また、サイリスタ40およびMOSFET41に流れている電流がIGBT43に転流されることにより、サイリスタ40およびMOSFET41に電流が流れていない状態でIGBT43をオフすることができる。これにより、IGBT43がオフ状態にされた際、IGBT43およびサイリスタ40に直流電源装置100の定格電圧がかかる一方で、MOSFET41の前段に設けられるサイリスタ40がオフ状態なのでMOSFET41にかかる電圧が略ゼロになる。その結果、MOSFET41に耐圧以上の電圧(定格電圧)がかかるのを抑制することができるので、MOSFET41が破壊されるのを抑制することができる。なお、サイリスタ40およびMOSFET41の各々の耐圧は定格電圧以上であるので、サイリスタ40およびMOSFET41の各々は破壊されない。これにより、電流遮断部4(MOSFET41)の素子が破壊されるのを抑制することができる。
Further, by commutating the current flowing through the
ここで、サイリスタ40をオフする制御と、MOSFET41をオフする制御との間に時間差がある場合、上記時間差の分だけIGBT43をオフする制御が遅延するため、IGBT43に電流が流れる時間が増大する。サイリスタ40およびMOSFET41をオフする制御を同時に行うことにより、IGBT43をオフする制御が遅延するのを抑制することができるとともに、IGBT43に電流が流れる時間が増大するのを抑制することができる。ここで、IGBT43の大きさは通電可能時間に依存する。したがって、IGBT43に電流が流れる時間が増大するのを抑制することにより、IGBT43が大型化するのを抑制することができる。
Here, if there is a time difference between the control to turn off the
また、本実施形態では、上記のように、制御部5が、MOSFET41をオフする制御が行われることにより、サイリスタ40およびMOSFET41の直列回路に流れる電流がIGBT43側に転流されることによってサイリスタ40に電流が流れなくなった後に、IGBT43をオフする制御を行うことにより、電流遮断部4を遮断する制御を行うように、直流電源装置100を構成する。これにより、サイリスタ40およびMOSFET41の直列回路にまだ電流が流れている間にIGBT43がオフされるのを抑制することができる。その結果、IGBT43がオフされる際には、サイリスタ40を確実にオフ状態にすることができる。その結果、MOSFET41に高電圧(定格電圧)がかかるのをより確実に抑制することができる。
Further, in the present embodiment, as described above, the
また、本実施形態では、上記のように、制御部5が、MOSFET41をオフする制御が行われてから、サイリスタ40のターンオフ時間以上の時間t後に、IGBT43をオフする制御を行うことにより、電流遮断部4を遮断する制御を行うように、直流電源装置100を構成する。これにより、IGBT43をオフする制御を、より一層確実に、サイリスタ40に電流が流れなくなった後に行うことができる。
Further, in the present embodiment, as described above, the
また、本実施形態では、上記のように、制御部5が、IGBT43をオンする制御を行った後に、サイリスタ40およびMOSFET41をオンする制御を行うことにより、電流遮断部4を導通させる制御を行うように、直流電源装置100を構成する。これにより、IGBT43がオフされている間にサイリスタ40およびMOSFET41がオンされるのを抑制することができるので、MOSFET41に高電圧(直流電源装置100の定格電圧)が印加されるのを抑制することができる。
Further, in the present embodiment, as described above, the
また、本実施形態では、上記のように、制御部5が、IGBT43がオンされることにより電流遮断部4の出力電圧が増加するとともに上記出力電圧の増加が停止した後に、サイリスタ40およびMOSFET41をオンする制御を行うことにより、電流遮断部4を導通させる制御を行うように構成されている。ここで、電流遮断部4の出力電圧の増加に合わせてIGBT43にかかる電圧は減少する。したがって、電流遮断部4の出力電圧の増加が停止した後にサイリスタ40およびMOSFET41をオンする制御を行うことにより、IGBT43にかかる電圧が最小になってからサイリスタ40およびMOSFET41をオンすることができる。その結果、IGBT43に並列に接続されているMOSFET41にもIGBT43にかかる電圧と同じ大きさの電圧がかかるので、MOSFET41に高電圧が印加されるのを抑制することができる。
Further, in the present embodiment, as described above, the
また、本実施形態では、上記のように、ダイオード素子42のオン電圧VFとIGBT43のオン電圧Vceとの合計値が、サイリスタ40のオン電圧VthとMOSFET41のオン電圧VDSとの合計値よりも大きくなるように、直流電源装置100を構成する。これにより、オン電圧の合計値が比較的大きいダイオード素子42とIGBT43との直列回路に流れる電流を比較的小さくすることができる。その結果、ダイオード素子42およびIGBT43の発熱量を比較的小さくすることができる。Further, in the present embodiment, as described above, the total value of the on-voltage VF of the
また、サイリスタ40およびMOSFET41の各々の導通損失はIGBT43の導通損失よりも小さいので、サイリスタ40およびMOSFET41の各々のオン抵抗は、IGBT43のオン抵抗に比べて比較的小さい。したがって、オン抵抗が比較的小さいサイリスタ40およびMOSFET41に、ダイオード素子42とIGBT43との直列回路に流れる電流よりも比較的大きい電流を流すことによって、サイリスタ40およびMOSFET41の発熱量が増大するのを極力抑制することができる。これらにより、電流遮断部4全体としての発熱量が増大するのを抑制することができる。
Also, since the conduction loss of each of
また、本実施形態では、上記のように、制御部5が、蓄電部2の直流電力が負荷103に供給されている場合に、サイリスタ40およびMOSFET41をオフする制御を同時に行った後にIGBT43をオフする制御を行うように、直流電源装置100を構成する。これにより、電流の導通時に導通損失が増加するのを抑制しながら電流遮断部4の素子が破壊されるのを抑制することができる。
Further, in the present embodiment, as described above, when the DC power of the
また、本実施形態では、上記のように、電流遮断部4の素子が、サイリスタ40、MOSFET41、および、IGBT43を含むように、直流電源装置100を構成する。これにより、サイリスタは比較的オン電圧が低いので、サイリスタ40としてサイリスタ40を用いることにより、電流導通時(直流電源装置100の通常運転時)に導通損失が大きくなるのを効果的に抑制することができる。また、IGBTは比較的高速にスイッチングするとともに耐圧が高いので、IGBT43としてIGBT43を用いることにより、高速に電流遮断を行うことができるとともに、IGBT43に高電圧(定格電圧)がかかった場合でもIGBT43が破壊されるのを抑制することができる。また、MOSFETは比較的導通損失が低いので、MOSFET41としてMOSFET41を用いることにより、電流導通時(直流電源装置の通常運転時)に導通損失が大きくなるのをより効果的に抑制することができる。また、MOSFETは比較的高速にスイッチングするので、電流遮断時において比較的速やかに、サイリスタ40およびMOSFET41の直流回路に流れる電流をIGBT43側に転流させることができる。その結果、電流遮断部4が電流遮断に要する時間を短くすることができる。
Moreover, in this embodiment, as described above, the DC
[変形例]
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく請求の範囲によって示され、さらに請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更(変形例)が含まれる。[Modification]
It should be noted that the embodiments disclosed this time should be considered as examples and not restrictive in all respects. The scope of the present invention is indicated by the scope of the claims rather than the above description of the embodiments, and includes all modifications (modifications) within the scope and meaning equivalent to the scope of the claims.
たとえば、上記実施形態では、サイリスタ40(直列用スイッチング素子)およびMOSFET41(導通切り替え素子)をオフする制御を同時に行った後にIGBT43(半導体スイッチング素子)をオフする制御が行われる例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、制御部5は、サイリスタ40、MOSFET41、IGBT43の順でオフする制御を行うことにより、電流遮断部4を遮断する制御を行ってもよい。なお、蓄電部2の電力により負荷103に給電を行う場合にも、サイリスタ40、MOSFET41、IGBT43の順でオフする制御を行ってもよい。
For example, in the above-described embodiment, an example is shown in which control is performed to turn off the IGBT 43 (semiconductor switching element) after simultaneously turning off the thyristor 40 (series switching element) and the MOSFET 41 (conduction switching element). The present invention is not limited to this. For example, the
また、上記実施形態では、スイッチング素子としてサイリスタ40が設けられる例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、サイリスタ40の代わりに機械スイッチが設けられてもよい。この場合、MOSFET41をオフすることにより電流を転流させることによって、機械スイッチに流れる電流を容易にゼロにすることが可能であるので、機械スイッチをオフする際に機械スイッチにアークが発生するのを抑制することが可能である。その結果、機械スイッチを用いる場合でも、電流遮断に要する時間が長くなるのを抑制することが可能である。また、サイリスタ40の代わりにバイポーラトランジスタが設けられていてもよい。なお、サイリスタ40の代わりに機械スイッチにした場合の方が、消費電力をさらに低減することが可能である。
Moreover, in the above embodiment, an example in which the
また、上記実施形態では、制御部5は、電流遮断部4の出力電圧の増加が停止した後に、サイリスタ40(直列用スイッチング素子)およびMOSFET41(導通切り替え素子)をオンする制御を行う例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、制御部5は、上記出力電圧が増加している途中でも、上記出力電圧が所定の閾値よりも大きくなった場合にサイリスタ40およびMOSFET41をオンする制御を行ってもよい。
In the above embodiment, the
また、上記実施形態では、導通切り替え素子としてMOSFET41を設けている例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、MOSFET41の代わりに機械スイッチを設けてもよい。
Moreover, in the above embodiment, an example in which the
また、上記実施形態では、スイッチング素子としてIGBT43を設けている例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、IGBT43の代わりにSiC-MOSFETを設けてもよい。 Moreover, although the example which provided IGBT43 as a switching element was shown in the said embodiment, this invention is not limited to this. For example, SiC-MOSFET may be provided instead of IGBT43.
1 整流器
2 蓄電部
4 電流遮断部
5 制御部
40 サイリスタ(直列用スイッチング素子)
41 MOSFET(導通切り替え素子)
42 ダイオード素子
43 IGBT(半導体スイッチング素子)
100 直流電源装置
101 系統(交流電圧源)
103 負荷
t 時間(所定時間)
Vce オン電圧(半導体スイッチング素子のオン電圧)
VDS オン電圧(導通切り替え素子のオン電圧)
VF オン電圧(ダイオード素子のオン電圧)
Vth オン電圧(スイッチング素子のオン電圧)REFERENCE SIGNS
41 MOSFET (conduction switching element)
42
100
103 load t time (predetermined time)
Vce ON voltage (ON voltage of semiconductor switching element)
V DS on-voltage (on-voltage of conduction switching element)
VF on-voltage (on-voltage of diode element)
Vth ON voltage (ON voltage of switching element)
Claims (7)
前記整流器と負荷との間の電気的な接続および遮断を行う電流遮断部と、
前記整流器および前記電流遮断部の制御を行う制御部と、を備え、
前記電流遮断部は、
前記直流電圧の定格電圧よりも耐圧が大きい直列用スイッチング素子と、前記直列用スイッチング素子に対して前記負荷側に直列に接続され、前記定格電圧よりも耐圧が小さい自己消弧式の導通切り替え素子とを有する直列回路と、
前記直列回路に対して並列に接続され、前記定格電圧よりも耐圧が大きい自己消弧式の半導体スイッチング素子と、を含み、
前記直列用スイッチング素子および前記導通切り替え素子の各々は、前記半導体スイッチング素子よりも導通損失が小さく、
前記制御部は、前記直列用スイッチング素子および前記導通切り替え素子をオフする制御を同時に行った後に前記半導体スイッチング素子をオフする制御を行うか、または、前記直列用スイッチング素子、前記導通切り替え素子、前記半導体スイッチング素子の順でオフする制御を行うことにより、前記電流遮断部を遮断する制御を行うように構成されており、
前記電流遮断部は、前記直列回路に並列に接続され、前記半導体スイッチング素子と直列に接続されるダイオード素子を含み、
前記ダイオード素子のオン電圧と前記半導体スイッチング素子のオン電圧との合計値は、前記直列用スイッチング素子のオン電圧と前記導通切り替え素子のオン電圧との合計値よりも大きいことにより、前記ダイオード素子および前記半導体スイッチング素子に流れる電流値が前記直列用スイッチング素子および前記導通切り替え素子に流れる電流値よりも小さくされており、
前記整流器により変換された直流電力を蓄積する蓄電部をさらに備え、
前記制御部は、前記蓄電部の直流電力が前記負荷に供給されている場合に、前記直列用スイッチング素子および前記導通切り替え素子をオフする制御を同時に行った後に前記半導体スイッチング素子をオフする制御を行うか、または、前記直列用スイッチング素子、前記導通切り替え素子、前記半導体スイッチング素子の順でオフする制御を行うことにより、前記蓄電部から前記負荷に流れる電流を前記電流遮断部により遮断する制御を行うように構成されている、直流電源装置。 a rectifier for converting an AC input voltage supplied from an AC voltage source to a DC voltage;
a current interrupter for electrically connecting and disconnecting between the rectifier and the load;
A control unit that controls the rectifier and the current interrupter,
The current interrupter is
a series switching element having a withstand voltage higher than the rated voltage of the DC voltage; and a self-arc-extinguishing conduction switching element connected in series to the series switching element on the load side and having a withstand voltage lower than the rated voltage. and a series circuit having
a self arc-extinguishing semiconductor switching element connected in parallel to the series circuit and having a withstand voltage higher than the rated voltage;
Each of the series switching element and the conduction switching element has a conduction loss smaller than that of the semiconductor switching element,
The control unit turns off the series switching element and the conduction switching element at the same time, and then turns off the semiconductor switching element. By performing control to turn off the semiconductor switching elements in order, it is configured to perform control to cut off the current cutoff part,
The current interrupting unit includes a diode element connected in parallel to the series circuit and connected in series with the semiconductor switching element,
The total value of the on-voltage of the diode element and the on-voltage of the semiconductor switching element is greater than the total value of the on-voltage of the series switching element and the on-voltage of the conduction switching element. a current value flowing through the semiconductor switching element is smaller than a current value flowing through the series switching element and the conduction switching element;
Further comprising a power storage unit that stores the DC power converted by the rectifier,
The control unit controls to turn off the semiconductor switching element after simultaneously performing control to turn off the series switching element and the conduction switching element when the DC power of the power storage unit is supplied to the load. Alternatively, by performing control to turn off the series switching element, the conduction switching element, and the semiconductor switching element in this order, the current interrupting unit interrupts the current flowing from the power storage unit to the load. A DC power supply configured to :
前記制御部は、前記導通切り替え素子をオフする制御が行われてから、前記直列用スイッチング素子のターンオフ時間以上の所定時間後に、前記半導体スイッチング素子をオフする制御を行うことにより、前記電流遮断部を遮断する制御を行うように構成されている、請求項3に記載の直流電源装置。 The conduction switching element is configured to be capable of switching at a higher speed than the series switching element,
The control unit performs control to turn off the semiconductor switching element after a predetermined time equal to or longer than the turn-off time of the series switching element after the control to turn off the conduction switching element is performed, whereby the current interrupting unit 4. The DC power supply device according to claim 3, configured to perform control to cut off the .
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