JP7476818B2 - 半導体接触器、半導体接触器用状態監視装置及び半導体接触器の状態監視方法 - Google Patents

Description

本開示は、半導体接触器、半導体接触器用状態監視装置及び半導体接触器の状態監視方法に関する。

従来、サイリスタを主回路の開閉素子として採用した通称ソリッドステートコンタクタと呼ばれる半導体接触器が知られている（例えば、特許文献１参照）。また、サイリスタなどのスイッチング素子からなる主開閉回路と、主開閉回路の点弧回路と、点弧回路に操作入力を出力する操作回路とを備える無接点接触器の異常を検出する異常検出装置が知られている（例えば、特許文献２参照）。この異常検出装置は、点弧回路への操作入力が有り、且つ、スイッチング素子の入出力電極間の電圧が有るとき、主開閉回路の開放異常と判別する。

特開平１０－１２５８９８号公報 特開平５－７６１２３号公報

しかしながら、従来の異常検出技術は、スイッチング素子の入出力電極間の電圧の有無を検知することによって、半導体接触器に実際に発生した開放異常等の故障を検出する方式のため、半導体接触器の故障の発生を未然に防止することが難しかった。

本開示は、故障発生の未然防止に有益な半導体接触器、半導体接触器用状態監視装置及び半導体接触器の状態監視方法を提供する。

本開示の一態様では、
第１端子と、
第２端子と、
前記第１端子と前記第２端子との間の電流経路に直列に挿入され、相互に逆並列に接続された複数のサイリスタと、
前記複数のサイリスタをオン又はオフさせる制御回路と、
前記第１端子と前記第２端子との間の電圧を測定する電圧測定回路と、
前記電圧測定回路により前記複数のサイリスタのオン状態で測定された前記電圧が所定の電圧範囲の上限値を超えた場合、前記複数のサイリスタの劣化と判定する処理部と、を備える、半導体接触器が提供される。

本開示の一態様によれば、半導体接触器の故障発生の未然防止に貢献できる。

第１実施形態の半導体接触器の構成例を示す図である。 第２実施形態の半導体接触器の構成例を示す図である。 第３実施形態の半導体接触器及び半導体接触器用状態監視装置の構成例を示す図である。 第４実施形態の半導体接触器及び半導体接触器用状態監視装置の構成例を示す図である。 半導体スイッチング素子の両端に発生する電圧とその半導体スイッチング素子に流れる電流との関係の一例を示す図である。

以下、各実施形態の半導体接触器及び半導体接触器用状態監視装置について図面を参照して説明する。

各実施形態の半導体接触器は、交流が流れる配線に直列に挿入され、当該配線を開閉する開閉器である。半導体接触器は、サイリスタやトライアックなどの半導体スイッチング素子を主回路の開閉素子として備え、ソリッドステートコンタクタとも称される。各実施形態の半導体接触器用状態監視装置は、半導体接触器の状態を監視する装置であり、その具体例として、半導体接触器の異常を検出する機能を有する異常検出ユニットが挙げられる。

図１は、第１実施形態の半導体接触器の構成例を示す図である。図１に示す半導体接触器１０１は、サイリスタ２１，２２を主回路２０の開閉素子として備える開閉器である。半導体接触器１０１は、例えば、主端子１１、主端子１２、制御端子１３、制御端子１４、主回路２０、制御回路３０、電圧測定回路４０、処理部５０及びメモリ６０を備える。

主端子１１は、第１端子の一例であり、配線８１の一端に接続される。配線８１の他端は、例えば、電源側に接続される。主端子１２は、第２端子の一例であり、配線８２の一端に接続される。配線８２の他端は、例えば、負荷側に接続される。

主回路２０は、主端子１１と主端子１２との間の電流経路２３に直列に挿入され、相互に逆並列に接続された複数のサイリスタ２１，２２を有する。サイリスタ２１，２２は、それぞれ、ゲート、カソード及びアノードの三端子を有する半導体スイッチング素子である。

なお、主回路２０の半導体スイッチング素子は、サイリスタに限られず、トライアック、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）などの他のスイッチング素子でもよい。

制御回路３０は、主回路２０のサイリスタ２１，２２をオン又はオフさせる回路である。制御回路３０は、例えば、不図示の外部電源から一対の制御端子１３，１４を介して入力される制御電圧Ｖｃの有無に従って、サイリスタ２１，２２のオン又はオフを制御する。

制御回路３０は、例えば、制御電圧Ｖｃが入力されると、サイリスタ２１，２２をオン状態にする。これにより、配線８１，８２及び電流経路２３が導通し、交流が配線８１，８２及び電流経路２３に流れる。一方、制御回路３０は、例えば、制御電圧Ｖｃの入力が停止すると、サイリスタ２１，２２をオフ状態にする。これにより、配線８１，８２及び電流経路２３の導通が遮断され、交流が配線８１，８２及び電流経路２３に流れなくなる。制御回路３０によるサイリスタ２１，２２の点弧方式は、ゼロクロス点弧方式でも非ゼロクロス点弧方式でもよい。

例えば、制御電圧Ｖｃが制御回路３０に入力されると、制御電圧がサイリスタ２１，２２の制御電極（具体的には、ゲート）に制御回路３０により印加される。ゼロクロス点弧方式の場合、制御電圧がサイリスタ２１，２２の制御電極に印加されと、サイリスタ２１，２２の主電極間（具体的には、アノードとカソードとの間）の電圧（極間電圧）がゼロ電圧近傍になってから、サイリスタ２１，２２はオンする。これにより、サイリスタ２１，２２のオン時の電流立ち上がり速度が遅いため、ノイズの発生を抑制できる。これに対し、非ゼロクロス点弧方式の場合、制御電圧がサイリスタ２１，２２の制御電極に印加されたタイミングで、サイリスタ２１，２２はオンする。これにより、配線８１，８２に電流を速やかに流し始めることができる。

一方、例えば、制御回路３０への制御電圧Ｖｃの入力が停止すると、サイリスタ２１，２２の制御電極への制御電圧の印加が制御回路３０により遮断される。上記のいずれの点弧方式でも、サイリスタ２１，２２の制御電極への制御電圧の印加が遮断されると、サイリスタ２１，２２に流れる電流がゼロ近傍になってから、サイリスタ２１，２２はオフする。

電圧測定回路４０は、主端子１１と主端子１２との間の電圧（以下、"電圧Ｖ"とも称する）を測定する回路である。電圧Ｖは、主回路２０の両端電圧（サイリスタ２１，２２の主電極間の電圧）に相当する。電圧測定回路４０は、電圧Ｖの測定結果を処理部５０に出力する。電圧測定回路４０は、例えば、測定された電圧Ｖの大きさを表すアナログの電圧測定信号を処理部５０に出力する。

処理部５０は、電圧測定回路４０によりサイリスタ２１，２２のオン状態で測定された電圧Ｖの変化を監視する回路であり、その具体例として、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等のプロセッサが挙げられる。処理部５０の機能は、メモリに記憶されたプログラムによって、プロセッサが動作することにより実現される。処理部５０は、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）によって形成されてもよい。

処理部５０は、電圧測定回路４０によりサイリスタ２１，２２のオン状態で測定された電圧Ｖの変化を監視し、その変化が漸増か否かを判定する。サイリスタ２１，２２の劣化が進行すると、サイリスタ２１，２２のオン状態で測定された電圧Ｖが漸増する現象が現れる。つまり、サイリスタ２１，２２のオン状態で測定された電圧Ｖの漸増は、サイリスタ２１，２２の開放異常等の故障の兆候とみなすことができる。処理部５０は、電圧Ｖが故障前に漸増する現象を利用して、電圧測定回路４０によりサイリスタ２１，２２のオン状態で測定された電圧Ｖの変化が漸増の場合、サイリスタ２１，２２の劣化と判定する。これにより、サイリスタ２１，２２が開放異常等の故障が実際に発生する前段階でサイリスタ２１，２２の劣化を把握可能となるので、半導体接触器１０１のサイリスタ２１，２２の故障発生の未然防止に貢献できる。

処理部５０は、電圧測定回路４０によりサイリスタ２１，２２のオン状態で測定された電圧Ｖの変化が漸増の場合、サイリスタ２１，２２の劣化を出力部５１から通知してもよい。このような劣化通知を受けることで、ユーザ又は外部装置は、サイリスタ２１，２２の劣化を認知でき、例えば、半導体接触器１０１の交換を促すことができる。処理部５０は、電気信号、音、光、表示又はそれらのいずれかの組み合わせによって、サイリスタ２１，２２の劣化を通知してもよい。

処理部５０は、サイリスタ２１，２２の劣化判定の結果をメモリ６０に保存してもよい。これにより、サイリスタ２１，２２の劣化判定の結果を、メモリ６０を参照することで把握することができる。処理部５０は、サイリスタ２１，２２の劣化判定の結果を時系列にメモリ６０に保存してもよい。これにより、サイリスタ２１，２２の劣化判定の経緯を、メモリ６０を参照することで把握することができる。

処理部５０は、サイリスタ２１，２２がオン状態かオフ状態かのオンオフ情報を、サイリスタ２１，２２をオン又はオフさせる制御回路３０から入手してもよい。例えば、処理部５０は、サイリスタ２１，２２がオン状態であることを表す情報が制御回路３０から入力されている期間に電圧測定回路４０から入力される電圧Ｖの測定結果を、サイリスタ２１，２２の劣化判定に利用する。

処理部５０は、電圧Ｖが電圧測定回路４０によりサイリスタ２１，２２のオン状態で測定されるごとに増加する場合、電圧測定回路４０によりサイリスタ２１，２２のオン状態で測定された電圧Ｖの変化が漸増と判断できる。よって、処理部５０は、電圧Ｖが電圧測定回路４０によりサイリスタ２１，２２のオン状態で測定されるごとに増加する場合、サイリスタ２１，２２の劣化と判定してもよい。

処理部５０は、電圧測定回路４０によりサイリスタ２１，２２のオン状態で前回測定された電圧Ｖに比べて、電圧測定回路４０によりサイリスタ２１，２２のオン状態で今回測定された電圧Ｖが大きい場合、電圧Ｖの変化が漸増と判断できる。よって、処理部５０は、このような場合、サイリスタ２１，２２の劣化と判定してもよい。処理部５０は、電圧測定回路４０によりサイリスタ２１，２２のオン状態で測定された電圧Ｖを、メモリ６０に蓄積することで、過去に測定された電圧Ｖをメモリ６０から参照できる。

処理部５０は、電圧Ｖの一周期を超える測定周期（例えば、電圧Ｖの一周期の整数倍の周期）で電圧測定回路４０によりサイリスタ２１，２２のオン状態で測定された電圧Ｖの変化が漸増の場合、サイリスタ２１，２２を劣化と判定してもよい。これにより、処理部５０は、電圧Ｖが漸増か否かを高精度に判断できる。

処理部５０は、電圧測定回路４０によりサイリスタ２１，２２のオン状態で測定された電圧Ｖが漸増し所定の電圧範囲（以下、"電圧範囲Ａ"とも称する）から外れた場合、サイリスタ２１，２２の劣化と判定してもよい。電圧範囲Ａがサイリスタ２１，２２の劣化特性に応じて適切に設定されることで、サイリスタ２１，２２の劣化の判定精度が向上する。

処理部５０は、電圧測定回路４０によりサイリスタ２１，２２のオン状態で測定された電圧Ｖの変化が減少の場合、サイリスタ２１，２２の短絡故障又は温度の異常上昇と判定してもよい。電圧測定回路４０によりサイリスタ２１，２２のオン状態で測定された電圧Ｖの減少は、サイリスタ２１，２２の短絡故障又は温度の異常上昇とみなすことができるからである。例えば、処理部５０は、電圧測定回路４０によりサイリスタ２１，２２のオン状態で測定された電圧Ｖが漸減し電圧範囲Ａから外れた場合、サイリスタ２１，２２の短絡故障又は温度の異常上昇と判定してもよい。

処理部５０は、電圧測定回路４０によりサイリスタ２１，２２のオン状態で測定された電圧Ｖの実効値又は平均値を算出してもよい。処理部５０は、算出された実効値又は平均値が漸増し電圧範囲Ａの上限値から外れた場合、サイリスタ２１，２２の劣化と判定してもよい。電圧Ｖの大きさを表す数値として好適な実効値又は平均値を電圧Ｖの漸増か否かの判定に利用することで、サイリスタ２１，２２の劣化の判定精度が向上する。同様に、処理部５０は、算出された実効値又は平均値が漸減し電圧範囲Ａの下限値から外れた場合、サイリスタ２１，２２の短絡故障又は温度の異常上昇と判定してもよい。電圧Ｖの大きさを表す数値として好適な実効値又は平均値を電圧Ｖの漸減か否かの判定に利用することで、サイリスタ２１，２２の短絡故障又は温度の異常上昇の判定精度が向上する。

第１実施形態は、負荷電流が大きく変動しない場合に特に有効である。

図２は、第２実施形態の半導体接触器の構成例を示す図である。第２実施形態において、上述の実施形態と同様の構成及び効果についての説明は、上述の説明を援用することで省略又は簡略する。図２に示す第２実施形態の半導体接触器１０２は、電流測定回路７０を更に備える点で、図１に示す第１実施形態の半導体接触器１０１と異なる。

図２において、電流測定回路７０は、電流経路２３に流れる電流（以下、"電流Ｉ"とも称する）を測定する回路である。電流Ｉは、サイリスタ２１，２２に流れる電流に相当する。電流測定回路７０は、電流Ｉの測定結果を処理部５０に出力する。電流測定回路７０は、例えば、測定された電流Ｉの大きさを表すアナログの電流測定信号を処理部５０に出力する。

処理部５０は、電流測定回路７０によりサイリスタ２１，２２のオン状態で測定された電流Ｉが所定の電流範囲にあり、且つ、電圧測定回路４０によりサイリスタ２１，２２のオン状態で測定された電圧Ｖの変化が漸増の場合、サイリスタ２１，２２の劣化と判定してもよい。これにより、定常時の電流Ｉが所定の電流範囲（以下、"電流範囲Ｂ"とも称する）内で変化するシステムであれば、処理部５０は、電流Ｉが変化しても、サイリスタ２１，２２の劣化を高精度に判定できる。

処理部５０は、電流測定回路７０によりサイリスタ２１，２２のオン状態で測定された電流Ｉが電流範囲Ｂを超え、且つ、電圧測定回路４０によりサイリスタ２１，２２のオン状態で測定された電圧Ｖが電圧範囲Ａを超えた場合、サイリスタ２１，２２の過電流異常と判定してもよい。電流Ｉの上昇に伴って、サイリスタ２１，２２の電圧降下は大きくなるので、電圧Ｖも上昇する。したがって、処理部５０は、電流Ｉが電流範囲Ｂを超え且つ電圧Ｖが電圧範囲Ａを超える上記の条件が成立した場合、サイリスタ２１，２２に過電流が流れたと判定できる（過電流異常と判定できる）。

第２実施形態は、負荷電流が大きく変動する場合に特に有効である。

図３は、第３実施形態の半導体接触器及び半導体接触器用状態監視装置の構成例を示す図である。第３実施形態において、上述の実施形態と同様の構成及び効果についての説明は、上述の説明を援用することで省略又は簡略する。図３に示す第３実施形態は、状態監視装置２０１が処理部５０及びメモリ６０を備える点で、図１に示す第１実施形態と異なる。

図３に示す状態監視装置２０１は、半導体接触器用状態監視装置の一例であり、半導体接触器１０３の状態を監視する装置である。半導体接触器１０３は、主端子１１、主端子１２、制御端子１３、制御端子１４、主回路２０、制御回路３０及び電圧測定回路４０を備える。状態監視装置２０１は、処理部５０及びメモリ６０を備える。

電圧測定回路４０は、電圧Ｖの測定結果を、半導体接触器１０３とは別体の状態監視装置２０１に内蔵される処理部５０に、外部配線を介して出力する。

電圧測定回路４０は、半導体接触器１０３ではなく、状態監視装置２０１に備えてもよい。この場合、電圧測定回路４０は、主回路２０の両端（サイリスタ２１，２２の両端）を図示のようにモニタすることで電圧Ｖを測定してもよいし、配線８１，８２に接続された一対のモニタ線（不図示）を介して、電圧Ｖを測定してもよい。

図４は、第４実施形態の半導体接触器及び半導体接触器用状態監視装置の構成例を示す図である。第４実施形態において、上述の実施形態と同様の構成及び効果についての説明は、上述の説明を援用することで省略又は簡略する。図４に示す第４実施形態は、状態監視装置２０１が処理部５０及びメモリ６０を備える点で、図２に示す第２実施形態と異なる。

図４に示す状態監視装置２０１は、半導体接触器用状態監視装置の一例であり、半導体接触器１０４の状態を監視する装置である。半導体接触器１０４は、主端子１１、主端子１２、制御端子１３、制御端子１４、主回路２０、制御回路３０、電圧測定回路４０及び電流測定回路７０を備える。状態監視装置２０１は、処理部５０及びメモリ６０を備える。

電圧測定回路４０は、電圧Ｖの測定結果を、半導体接触器１０４とは別体の状態監視装置２０１に内蔵される処理部５０に、外部配線を介して出力する。電流測定回路７０は、電流Ｉの測定結果を、半導体接触器１０４とは別体の状態監視装置２０１に内蔵される処理部５０に、外部配線を介して出力する。

図５は、サイリスタ２１，２２等の半導体スイッチング素子の両端に発生する電圧Ｖとその半導体スイッチング素子に流れる電流Ｉとの関係の一例を示す図である。半導体スイッチング素子が過電流や熱ストレスによって劣化すると、半導体スイッチング素子のチップの剥離や損傷などによって、電圧Ｖは、増加し、電圧Ｖ－電流Ｉの特性カーブは、右側にシフトする（例えば、カーブＣ１参照）。また、半導体スイッチング素子に過電流が流れると、電流Ｉの増加による電圧Ｖの増加によって、半導体スイッチング素子の動作点は、特性カーブに沿って上方に移動する（例えば、動作点Ｐ１参照）。また、半導体スイッチング素子の短絡故障又は温度（例えば、半導体スイッチング素子のジャンクション温度）の異常上昇が生じると、電圧Ｖは、減少し、電圧Ｖ－電流Ｉの特性カーブは、左側にシフトする（例えば、カーブＣ２参照）。

したがって、処理部５０は、電圧測定回路４０によりサイリスタ２１，２２のオン状態で測定された電圧Ｖが漸増し電圧範囲Ａの上限値（例えば、１Ｖ）を超えた場合、サイリスタ２１，２２の劣化と判定してもよい。これにより、電流測定回路７０を利用しなくても、サイリスタ２１，２２の劣化を簡易に判定できる。また、処理部５０は、電圧測定回路４０によりサイリスタ２１，２２のオン状態で測定された電圧Ｖが漸減し電圧範囲Ａの下限値（例えば、０．５Ｖ）よりも低下した場合、サイリスタ２１，２２の短絡故障又は温度の異常上昇と判定してもよい。これにより、電流測定回路７０を利用しなくても、サイリスタ２１，２２の短絡故障又は温度の異常上昇を簡易に判定できる。

また、処理部５０は、電流測定回路７０によりサイリスタ２１，２２のオン状態で測定された電流Ｉが電流範囲Ｂにあり、且つ、電圧測定回路４０によりサイリスタ２１，２２のオン状態で測定された電圧Ｖの変化が漸増し電圧範囲Ａの上限値（例えば、１Ｖ）を超えた場合、サイリスタ２１，２２の劣化と判定してもよい。これにより、サイリスタ２１，２２の劣化を高精度に判定できる。例えば、電流範囲Ｂは、１Ａ以上１０Ａ以下の範囲である。

また、処理部５０は、電流測定回路７０によりサイリスタ２１，２２のオン状態で測定された電流Ｉが電流範囲Ｂの上限値を超え、且つ、電圧測定回路４０によりサイリスタ２１，２２のオン状態で測定された電圧Ｖが電圧範囲Ａの上限値を超えた場合、サイリスタ２１，２２の過電流異常と判定してもよい。これにより、サイリスタ２１，２２の過電流異常を高精度に判定できる。例えば、電流範囲Ｂの上限値は、１０Ａであり、電圧範囲Ａの上限値は、１Ｖである。

以上、実施形態を説明したが、本開示の技術は上記実施形態に限定されない。他の実施形態の一部又は全部との組み合わせや置換などの種々の変形及び改良が可能である。

１１，１２ 主端子
１３，１４ 制御端子
２０ 主回路
２１，２２ サイリスタ
２３ 電流経路
３０ 制御回路
４０ 電圧測定回路
５０ 処理部
６０ メモリ
７０ 電流測定回路
８１，８２ 配線
１０１，１０２，１０３，１０４ 半導体接触器
２０１ 状態監視装置

Claims (6)

1. 第１端子と、
   第２端子と、
   前記第１端子と前記第２端子との間の電流経路に直列に挿入され、相互に逆並列に接続された複数のサイリスタと、
   前記複数のサイリスタをオン又はオフさせる制御回路と、
   前記第１端子と前記第２端子との間の電圧を測定する電圧測定回路と、
   前記電圧測定回路により前記複数のサイリスタのオン状態で測定された前記電圧が所定の電圧範囲の上限値を超えた場合、前記複数のサイリスタの劣化と判定する処理部と、を備える、半導体接触器。
2. 前記処理部は、前記電圧測定回路により前記複数のサイリスタのオン状態で測定された前記電圧が前記電圧範囲の下限値よりも低下した場合、前記複数のサイリスタの短絡故障又は温度の異常上昇と判定する、請求項１に記載の半導体接触器。
3. 前記電流経路に流れる電流を測定する電流測定回路を更に備え、
   前記処理部は、前記電流測定回路により前記複数のサイリスタのオン状態で測定された前記電流が所定の電流範囲にあり、且つ、前記電圧測定回路により前記複数のサイリスタのオン状態で測定された前記電圧が前記電圧範囲の上限値を超えた場合、前記複数のサイリスタの劣化と判定する、請求項１又は２に記載の半導体接触器。
4. 前記処理部は、前記電流測定回路により前記複数のサイリスタのオン状態で測定された前記電流が前記電流範囲の上限値を超え、且つ、前記電圧測定回路により前記複数のサイリスタのオン状態で測定された前記電圧が前記電圧範囲の上限値を超えた場合、前記複数のサイリスタの過電流異常と判定する、請求項３に記載の半導体接触器。
5. 第１端子と第２端子との間の電流経路に直列に挿入され、相互に逆並列に接続された複数のサイリスタと、前記複数のサイリスタをオン又はオフさせる制御回路とを有する半導体接触器の状態を監視する半導体接触器用状態監視装置であって、
   前記第１端子と前記第２端子との間の電圧を測定する電圧測定回路により前記複数のサイリスタのオン状態で測定された前記電圧が所定の電圧範囲の上限値を超えた場合、前記複数のサイリスタの劣化と判定する処理部を備える、半導体接触器用状態監視装置。
6. 第１端子と第２端子との間の電流経路に直列に挿入され、相互に逆並列に接続された複数のサイリスタと、前記複数のサイリスタをオン又はオフさせる制御回路とを有する半導体接触器の状態を監視する方法であって、
   電圧測定回路は、前記第１端子と前記第２端子との間の電圧を測定し、
   処理部は、前記電圧測定回路により前記複数のサイリスタのオン状態で測定された前記電圧が所定の電圧範囲の上限値を超えた場合、前記複数のサイリスタの劣化と判定する、半導体接触器の状態監視方法。

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