KR102609928B1 - 직류 전원 장치 - Google Patents

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요시노리 나가미츠
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후지 덴키 가부시키가이샤
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Abstract

이 직류 전원 장치의 제어부는, 직렬용 스위칭 소자 및 도통(導通) 전환 소자를 오프하는 제어를 동시에 행한 후에 반도체 스위칭 소자를 오프하는 제어를 행하거나, 또는, 직렬용 스위칭 소자, 도통 전환 소자, 반도체 스위칭 소자의 순서로 오프하는 제어를 행하도록 구성되어 있다.

Description

직류 전원 장치
본 발명은 직류 전원 장치에 관한 것으로, 특히, 고압 전류를 고속 차단하는 전류 차단부를 구비하는 직류 전원 장치에 관한 것이다.
직류 전원 장치의 출력에 있어서의 사고 전류의 보호로서는, 퓨즈나 기계식의 직류 차단기에 의한 보호가 일반적이다. 그러나, 종래의 기계식의 직류 차단기는 직류 전원 장치에 사용되는 IGBT 등의 전력용 반도체의 전류내량에 대해 차단에 필요한 시간이 길어, 반도체 소자의 보호가 늦어지기 때문에, 사고의 영향이 확대될 우려가 있다. 그래서 종래의 해결 수단으로서, 고압 전류를 고속 차단하는 전류 차단부를 구비하는 전원 장치가 알려져 있다. 이러한 직류 전원 장치는, 예컨대, 일본 특허 공개 제2019-36405호 공보에 기재되어 있다.
상기 일본 특허 공개 제2019-36405호 공보에는, 전원과 부하 사이에 설치되는 주회로 스위치(사이리스터 또는 기계식의 스위치)와, 주회로 스위치에 병렬로 접속되는 콘덴서를 구비하는 전원 장치가 개시되어 있다. 상기 전원 장치에서는, 주회로 스위치에 사고 전류가 흐른 경우에, 상기 콘덴서로부터 주회로 스위치에 중첩 전류가 흐르도록 구성되어 있다. 상기 중첩 전류는, 상기 사고 전류와는 반대 방향으로 주회로 스위치를 흐른다. 이에 의해, 상기 사고 전류가 상기 중첩 전류에 의해 상쇄되기 때문에, 주회로 스위치를 고속으로 차단하는 것이 가능하다. 또한, 주회로 스위치로서 기계식의 스위치를 사용하는 경우도 마찬가지로, 오프할 때에, 주회로 접점에 아크가 발생하는 것이 억제되기 때문에, 주회로 스위치를 고속으로 차단하는 것을 가능하게 하고, 또한 도통(導通) 손실이 커지는 것을 억제하는 것이 가능하다.
특허문헌 1: 일본 특허 공개 제2019-36405호 공보
그러나, 상기 일본 특허 공개 제2019-36405호 공보에서는, 주회로 스위치에 중첩 전류를 흘리기 위해서, 전류(轉流) 콘덴서를 설치할 필요가 있다. 여기서, 전류용 콘덴서는 비교적 대형의 소자이기 때문에, 전원 장치가 대형화되는 경우가 있다. 따라서, 사고 전류를 고속으로 차단하는 것이 가능하고, 소형화를 도모하는 것이 가능한 직류 전원 장치가 요망되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 과제를 해결하기 위해서 이루어진 것으로, 본 발명의 하나의 목적은, 도통 손실이 증가하는 것을 억제하면서 사고 전류를 고속으로 차단하는 것이 가능하고, 직류 전원 장치를 소형화하는 것이 가능한 직류 전원 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 일 국면에 따른 직류 전원 장치는, 교류 전압원으로부터 공급되는 교류 입력 전압을 직류 전압으로 변환하는 정류기와, 정류기와 부하 사이의 전기적인 접속 및 차단을 행하는 전류 차단부와, 정류기 및 전류 차단부의 제어를 행하는 제어부를 구비하고, 전류 차단부는, 직류 전압의 정격 전압보다 내압이 큰 직렬용 스위칭 소자와, 직렬용 스위칭 소자에 대해 부하 측에 직렬로 접속되고, 정격 전압보다 내압이 작은 자기 소호식의 도통 전환 소자를 갖는 직렬 회로와, 직렬 회로에 대해 병렬로 접속되고, 정격 전압보다 내압이 큰 자기 소호식의 반도체 스위칭 소자를 포함하며, 직렬용 스위칭 소자 및 도통 전환 소자의 각각은, 반도체 스위칭 소자보다 도통 손실이 작고, 제어부는, 직렬용 스위칭 소자 및 도통 전환 소자를 오프하는 제어를 동시에 행한 후에 반도체 스위칭 소자를 오프하는 제어를 행하거나, 또는, 직렬용 스위칭 소자, 도통 전환 소자, 반도체 스위칭 소자의 순서로 오프하는 제어를 행함으로써, 전류 차단부를 차단하는 제어를 행하도록 구성되어 있다. 또한, 직렬용 스위칭 소자는, 반도체 소자뿐만이 아니라, 기계식의 스위치를 포함한다.
본 발명의 일 국면에 따른 직류 전원 장치에서는, 상기한 바와 같이, 직렬용 스위칭 소자 및 도통 전환 소자를 오프하는 제어를 동시에 행한 후에 반도체 스위칭 소자가 오프되거나, 또는, 직렬용 스위칭 소자, 도통 전환 소자, 반도체 스위칭 소자의 순서로 오프된다. 이에 의해, 직렬용 스위칭 소자 및 도통 전환 소자에 흐르고 있는 전류가 반도체 스위칭 소자로 전류되기 때문에, 모든 전류가 반도체 스위칭 소자에 흐르고 있는 상태에서 반도체 스위칭 소자를 오프할 수 있다. 여기서, 반도체 스위칭 소자에는 오프 시에 아크가 발생하지 않기 때문에, 고속으로 반도체 스위칭 소자를 오프 상태로 하기 위해서 콘덴서의 충전 에너지를 이용하여 반도체 스위칭 소자에 중첩 전류를 흘릴 필요가 없다. 따라서, 상기한 바와 같이 제어함으로써, 콘덴서를 이용하지 않고 반도체 스위칭 소자에 의해 고속으로 사고 전류를 차단할 수 있다. 이에 의해, 사고 전류를 고속으로 차단하면서 직류 전원 장치를 소형화할 수 있다.
또한, 반도체 스위칭 소자에 비해 도통 손실이 비교적 작은 직렬용 스위칭 소자 및 도통 전환 소자의 직렬 회로가, 반도체 스위칭 소자와 병렬로 접속되어 있음으로써, 반도체 스위칭 소자만이 설치되어 있는 경우와 달리 도통 손실이 비교적 작은 상기 직렬 회로측으로도 적어도 일부의 전류를 흘릴 수 있다. 그 결과, 반도체 스위칭 소자만이 설치되어 있는 경우에 비해, 도통 손실(소비 전력)을 억제할 수 있다. 이들의 결과, 도통 손실이 증가하는 것을 억제하면서 사고 전류를 고속으로 차단할 수 있고, 직류 전원 장치를 소형화할 수 있다.
또한, 직렬용 스위칭 소자 및 도통 전환 소자에 흐르고 있는 전류가 반도체 스위칭 소자로 전류됨으로써, 직렬용 스위칭 소자 및 도통 전환 소자에 전류가 흐르고 있지 않은 상태에서 반도체 스위칭 소자를 오프할 수 있다. 이에 의해, 반도체 스위칭 소자가 오프 상태로 되었을 때, 반도체 스위칭 소자 및 직렬용 스위칭 소자에 직류 전원 장치의 정격 전압이 가해지는 한편, 도통 전환 소자의 전단에 설치되는 직렬용 스위칭 소자가 오프 상태이기 때문에 도통 전환 소자에 가해지는 전압이 대략 제로가 된다. 그 결과, 도통 전환 소자에 내압 이상의 전압(정격 전압)이 가해지는 것을 억제할 수 있기 때문에, 도통 전환 소자가 파괴되는 것을 억제할 수 있다. 또한, 직렬용 스위칭 소자 및 도통 전환 소자의 각각의 내압은 정격 전압 이상이기 때문에, 직렬용 스위칭 소자 및 도통 전환 소자의 각각은 파괴되지 않는다. 이에 의해, 전류 차단부의 소자(도통 전환 소자)가 파괴되는 것을 억제할 수 있다.
상기 일 국면에 따른 직류 전원 장치에 있어서, 바람직하게는, 제어부는, 직렬용 스위칭 소자 및 도통 전환 소자를 오프하는 제어를 동시에 행한 후에, 반도체 스위칭 소자를 오프하는 제어를 행함으로써, 전류 차단부를 차단하는 제어를 행하도록 구성되어 있다. 여기서, 직렬용 스위칭 소자를 오프하는 제어와, 도통 전환 소자를 오프하는 제어 사이에 시간차가 있는 경우, 상기 시간차의 분만큼 반도체 스위칭 소자를 오프하는 제어가 지연되기 때문에, 반도체 스위칭 소자에 전류가 흐르는 시간이 증대된다. 직렬용 스위칭 소자 및 도통 전환 소자를 오프하는 제어를 동시에 행함으로써, 반도체 스위칭 소자를 오프하는 제어가 지연되는 것을 억제할 수 있고, 반도체 스위칭 소자에 전류가 흐르는 시간이 증대되는 것을 억제할 수 있다. 여기서, 반도체 스위칭 소자의 크기는 통전 가능 시간에 의존한다. 따라서, 반도체 스위칭 소자에 전류가 흐르는 시간이 증대되는 것을 억제함으로써, 반도체 스위칭 소자로서 통전 가능 시간이 비교적 짧은 소자를 이용할 수 있다. 그 결과, 반도체 스위칭 소자가 대형화되는 것을 억제할 수 있다.
상기 일 국면에 따른 직류 전원 장치에 있어서, 바람직하게는, 제어부는, 도통 전환 소자를 오프하는 제어가 행해짐으로써, 직렬용 스위칭 소자 및 도통 전환 소자의 직렬 회로에 흐르는 전류가 반도체 스위칭 소자측으로 전류됨으로써 직렬용 스위칭 소자에 전류가 흐르지 않게 된 후에, 반도체 스위칭 소자를 오프하는 제어를 행함으로써, 전류 차단부를 차단하는 제어를 행하도록 구성되어 있다. 이와 같이 구성하면, 직렬용 스위칭 소자 및 도통 전환 소자의 직렬 회로에 아직 전류가 흐르고 있는 동안에 반도체 스위칭 소자가 오프되는 것을 억제할 수 있다. 그 결과, 반도체 스위칭 소자가 오프될 때에는, 직렬용 스위칭 소자를 확실히 오프 상태로 할 수 있다. 그 결과, 도통 전환 소자에 고전압(정격 전압)이 가해지는 것을 보다 확실히 억제할 수 있다.
이 경우, 도통 전환 소자는, 직렬용 스위칭 소자보다 고속으로 스위칭 가능하게 구성되어 있고, 제어부는, 도통 전환 소자를 오프하는 제어가 행해지고 나서, 직렬용 스위칭 소자의 턴 오프 시간 이상의 미리 정해진 시간 후에, 반도체 스위칭 소자를 오프하는 제어를 행함으로써, 전류 차단부를 차단하는 제어를 행하도록 구성되어 있다. 이와 같이 구성하면, 반도체 스위칭 소자를 오프하는 제어를, 보다 한층 확실히, 직렬용 스위칭 소자에 전류가 흐르지 않게 된 후에 행할 수 있다.
상기 일 국면에 따른 직류 전원 장치에 있어서, 바람직하게는, 제어부는, 반도체 스위칭 소자를 온하는 제어를 행한 후에, 직렬용 스위칭 소자 및 도통 전환 소자를 온하는 제어를 행함으로써, 전류 차단부를 도통시키는 제어를 행하도록 구성되어 있다. 이와 같이 구성하면, 반도체 스위칭 소자가 오프되어 있는 동안에 직렬용 스위칭 소자 및 도통 전환 소자가 온되는 것을 억제할 수 있기 때문에, 도통 전환 소자에 고전압(직류 전원 장치의 정격 전압)이 인가되는 것을 억제할 수 있다.
이 경우, 제어부는, 반도체 스위칭 소자가 온됨으로써 전류 차단부의 출력 전압이 증가함과 아울러 출력 전압의 증가가 정지한 후에, 직렬용 스위칭 소자 및 도통 전환 소자를 온하는 제어를 행함으로써, 전류 차단부를 도통시키는 제어를 행하도록 구성되어 있다. 여기서, 전류 차단부의 출력 전압의 증가에 맞춰 반도체 스위칭 소자에 가해지는 전압은 감소한다. 따라서, 전류 차단부의 출력 전압의 증가가 정지한 후에 직렬용 스위칭 소자 및 도통 전환 소자를 온하는 제어를 행함으로써, 반도체 스위칭 소자에 가해지는 전압이 최소가 되고 나서 직렬용 스위칭 소자 및 도통 전환 소자를 온할 수 있다. 그 결과, 반도체 스위칭 소자에 병렬로 접속되어 있는 도통 전환 소자에도 반도체 스위칭 소자에 가해지는 전압과 동일한 크기의 전압이 가해지기 때문에, 도통 전환 소자에 고전압이 인가되는 것을 억제할 수 있다.
상기 일 국면에 따른 직류 전원 장치에 있어서, 바람직하게는, 전류 차단부는, 직렬 회로에 병렬로 접속되고, 반도체 스위칭 소자와 직렬로 접속되는 다이오드 소자를 포함하고, 다이오드 소자의 온 전압과 반도체 스위칭 소자의 온 전압의 합계값은, 직렬용 스위칭 소자의 온 전압과 도통 전환 소자의 온 전압의 합계값보다 크다. 이와 같이 구성하면, 온 전압의 합계값이 비교적 큰 다이오드 소자와 반도체 스위칭 소자의 직렬 회로에 흐르는 전류를 비교적 작게 할 수 있다. 그 결과, 다이오드 소자 및 반도체 스위칭 소자의 발열량을 비교적 작게 할 수 있다.
또한, 직렬용 스위칭 소자 및 도통 전환 소자의 각각의 도통 손실은 반도체 스위칭 소자의 도통 손실보다 작기 때문에, 직렬용 스위칭 소자 및 도통 전환 소자의 각각의 온 저항은, 반도체 스위칭 소자의 온 저항에 비해 비교적 작다. 따라서, 온 저항이 비교적 작은 직렬용 스위칭 소자 및 도통 전환 소자에, 다이오드 소자와 반도체 스위칭 소자의 직렬 회로에 흐르는 전류보다 비교적 큰 전류를 흘림으로써, 직렬용 스위칭 소자 및 도통 전환 소자의 발열량이 증대되는 것을 최대한 억제할 수 있다. 이들에 의해, 전류 차단부 전체로서의 발열량이 증대되는 것을 억제할 수 있다.
상기 일 국면에 따른 직류 전원 장치에 있어서, 바람직하게는, 정류기에 의해 변환된 직류 전력을 축적하는 축전부를 더 구비하고, 제어부는, 축전부의 직류 전력이 부하에 공급되고 있는 경우에, 직렬용 스위칭 소자 및 도통 전환 소자를 오프하는 제어를 동시에 행한 후에 반도체 스위칭 소자를 오프하는 제어를 행하거나, 또는, 직렬용 스위칭 소자, 도통 전환 소자, 반도체 스위칭 소자의 순서로 오프하는 제어를 행함으로써, 축전부로부터 부하에 흐르는 전류를 전류 차단부에 의해 차단하는 제어를 행하도록 구성되어 있다. 이와 같이 구성하면, 전류의 도통 시에 도통 손실이 증가하는 것을 억제하면서 전류 차단부의 소자가 파괴되는 것을 억제할 수 있다.
상기 일 국면에 따른 직류 전원 장치에 있어서, 바람직하게는, 직렬용 스위칭 소자, 도통 전환 소자, 및 반도체 스위칭 소자는, 각각, 사이리스터, MOSFET, 및 IGBT를 포함한다. 이와 같이 구성하면, 사이리스터는 비교적 온 전압이 낮기 때문에, 직렬용 스위칭 소자로서 사이리스터를 이용함으로써, 전류 도통 시(직류 전원 장치의 통상 운전 시)에 도통 손실이 커지는 것을 효과적으로 억제할 수 있다. 또한, IGBT는 비교적 고속으로 스위칭하고 내압이 높기 때문에, 반도체 스위칭 소자로서 IGBT를 이용함으로써, 고속으로 전류 차단을 행할 수 있고, 반도체 스위칭 소자에 고전압(정격 전압)이 가해진 경우에도 반도체 스위칭 소자가 파괴되는 것을 억제할 수 있다. 또한, MOSFET은 비교적 도통 손실이 낮기 때문에, 도통 전환 소자로서 MOSFET을 이용함으로써, 전류 도통 시(직류 전원 장치의 통상 운전 시)에 도통 손실이 커지는 것을 보다 효과적으로 억제할 수 있다. 또한, MOSFET은 비교적 고속으로 스위칭하기 때문에, 전류 차단 시에 있어서 비교적 신속하게, 직렬용 스위칭 소자 및 도통 전환 소자의 직류 회로에 흐르는 전류를 반도체 스위칭 소자측으로 전류시킬 수 있다. 그 결과, 전류 차단부가 전류 차단에 요하는 시간을 짧게 할 수 있다.
본 발명에 의하면, 상기한 바와 같이, 도통 손실이 증가하는 것을 억제하면서 사고 전류를 고속으로 차단할 수 있고, 직류 전원 장치를 소형화할 수 있다.
도 1은 일 실시형태에 따른 직류 전원 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 일 실시형태에 따른 전류 차단부의 각 소자의 게이트 신호 및 전류값을 도시한 도면이다.
도 3은 일 실시형태에 따른 전류 차단부에 있어서 IGBT가 온되어 도통의 제어가 개시되었을 때(기간 A)의 전류의 흐름을 도시한 도면이다.
도 4는 일 실시형태에 따른 전류 차단부에 있어서 도통 시에 사이리스터 및 MOSFET이 온되었을 때(기간 B)의 전류의 흐름을 도시한 도면이다.
도 5는 일 실시형태에 따른 전류 차단부에 있어서 사이리스터 및 MOSFET이 오프되어 전류 차단의 제어가 개시되었을 때(기간 C)의 전류의 흐름을 도시한 도면이다.
도 6은 일 실시형태에 따른 IGBT가 오프되어 전류 차단의 제어가 완료되었을 때(기간 D)의 전류 차단부의 상태를 도시한 도면이다.
이하, 본 발명을 구체화한 실시형태를 도면에 기초하여 설명한다.
[본 실시형태]
도 1 내지 도 6을 참조하여, 본 실시형태에 따른 직류 전원 장치(100)의 구성에 대해 설명한다.
(직류 전원 장치의 구성)
도 1에 도시된 바와 같이, 직류 전원 장치(100)는, 정류기(1)와, 축전부(2)와, 전류 센서(3)와, 전류 차단부(4)와, 제어부(5)와, 구동부(6)와, 전압 센서(7)를 구비한다. 직류 전원 장치(100)는, 예컨대 태양광 발전 시스템에 이용된다.
정류기(1)는, 외부의 계통(101)으로부터 입력되는 교류 입력 전압을 직류 전압으로 변환하도록 구성되어 있다. 직류 전원 장치(100)의 외부에는, 계통(101)과 직류 전원 장치(100) 사이의 전류의 도통 및 차단을 전환하는 교류 차단기(102)가 설치되어 있다. 또한, 계통(101)은, 청구의 범위의 「교류 전압원」의 일례이다.
축전부(2)는, 정류기(1)에 의해 변환된 직류 전력을 축적하도록 구성되어 있다. 축전부(2)는, 계통(101)으로부터 전력이 공급되지 않는 경우(정전 시 등)에, 전원으로서 부하(103)에 전력을 공급한다.
전류 센서(3)는, 정류기(1)[축전부(2)]와 전류 차단부(4) 사이에 흐르는 전류값을 검출하도록 구성되어 있다.
전류 차단부(4)는, 정류기(1)[축전부(2)]와 부하(103) 사이의 전기적인 접속 및 차단을 행하도록 구성되어 있다. 구체적으로는, 전류 차단부(4)는, 사이리스터(40)와, 사이리스터(40)와 직렬로 접속되는 자기 소호식의 MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)(41)을 포함한다. MOSFET(41)은, 사이리스터(40)에 대해 부하(103)측에 있어서 사이리스터(40)와 직렬로 접속되어 있다. 또한, 사이리스터(40) 및 MOSFET(41)은, 각각, 청구의 범위의 「직렬용 스위칭 소자」 및 「도통 전환 소자」의 일례이다.
또한, 전류 차단부(4)는, 다이오드 소자(42)와, 자기 소호식의 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)(43)를 포함한다. IGBT(43)는, 다이오드 소자(42)에 대해 부하(103)측에 있어서 다이오드 소자(42)와 직렬로 접속되어 있다. IGBT(43)로서, RB(Reverse Blocking)-IGBT 및 RC(Reverse Conducting)-IGBT를 이용해도 좋다. 또한, IGBT(43)는, 청구의 범위의 「반도체 스위칭 소자」의 일례이다.
또한, 사이리스터(40)와 MOSFET(41)의 직렬 회로는, 다이오드 소자(42)와 IGBT(43)의 직렬 회로와 병렬로 접속되어 있다.
또한, 사이리스터(40)의 내압(예컨대 1600 V)은, 직류 전원 장치(100)에 있어서 이용되는 직류 전압의 정격 전압(예컨대 750 V)보다 크다. 또한, MOSFET(41)의 내압(예컨대 10 V∼20 V)은, 상기 정격 전압보다 작다. 또한, IGBT(43)의 내압(예컨대 1600 V)은, 상기 정격 전압보다 크다.
또한, 사이리스터(40) 및 MOSFET(41)의 각각의 도통 손실은, [사이리스터(40) 및 MOSFET(41)과 동일한 크기의 전류가 흐르고 있는 경우의] IGBT(43)의 도통 손실보다 작다. 또한, MOSFET(41) 및 IGBT(43)의 각각은, 사이리스터(40)보다 고속으로 스위칭 가능하게 구성되어 있다. 또한, MOSFET(41)은, IGBT(43)보다 고속으로 스위칭 가능하게 구성되어 있다.
또한, 전류 차단부(4)는, 비교적 소량의 소자[사이리스터(40), MOSFET(41), 다이오드 소자(42), 및 IGBT(43)의 4개의 소자]에 의해 전류 차단을 행하고 있다. 이에 대해, 예컨대 콘덴서로부터의 방전 전류에 의해 스위치에 상쇄 전류를 흘리는 것과 같은 구성에서는, 스위치 및 콘덴서에 더하여, 저항 소자, 리액터, 사이리스터, 및 다이오드 등의 비교적 많은 소자(부품)가 필요하다. 따라서, 전류 차단부(4)가 비교적 소량의 소자에 의해 구성되어 있음으로써, 전류 차단부(4)의 고장률이 높아지는 것을 억제(신뢰성이 저하되는 것을 억제)하는 것이 가능하다.
또한, 제어부(5)는, 정류기(1) 및 전류 차단부(4)의 제어를 행하도록 구성되어 있다. 구체적으로는, 제어부(5)는, 정류기(1)에 설치되는 도시하지 않은 스위칭 소자에 게이트 신호를 송신함으로써 정류기(1)의 동작을 제어하고 있다. 또한, 제어부(5)는, 구동부(6)에, 전류 차단부(4)를 제어하기 위한 지령 신호를 송신하도록 구성되어 있다.
상세하게는, 구동부(6)는, 제어부(5)로부터의 지령 신호에 기초하여, 전류 차단부(4)의 사이리스터(40), MOSFET(41), 및 IGBT(43)를 온 또는 오프하는 게이트 신호를 송신하도록 구성되어 있다.
또한, 전압 센서(7)는, 전류 차단부(4)의 출력 전압[전류 차단부(4)와 부하(103) 사이의 전압]을 검출하도록 구성되어 있다.
(직류 전원 장치의 동작)
다음으로, 도 2 내지 도 6을 참조하여, 직류 전원 장치(100)의 동작에 대해 설명한다.
먼저, 직류 전원 장치(100)의 기동 시에 있어서, 정류기(1)를 시동시켜 부하(103)에 급전을 행하는 경우에 대해 설명한다.
도 2의 (a)에 도시된 바와 같이, IGBT(43)에 게이트 신호가 송신됨으로써 IGBT(43)가 온(턴 온)된다. 그리고, 도 3에 도시된 바와 같이, IGBT(43)에 게이트 신호가 송신되고 나서 MOSFET(41) 및 사이리스터(40)에 게이트 신호가 송신되기까지의 기간 I(도 2 참조)에 있어서, 정류기(1)로부터의 전류(도 3의 파선 참조)가, 다이오드 소자(42) 및 IGBT(43)를 통해 부하(103)측으로 흐른다. 도 2의 (d) 및 (f)에 도시된 바와 같이, IGBT(43)가 턴 온됨으로써, 전류 차단부(4)의 출력 전류값[도 2의 (d) 참조], 및 IGBT(43)에 흐르는 전류값[도 2의 (f) 참조]의 각각이 미리 정해진 크기로 증가하고 있다.
본 실시형태에서는, 도 2의 (b) 및 (c)에 도시된 바와 같이, 제어부(5)는, IGBT(43)를 온하는 제어를 행한 후에, 사이리스터(40) 및 MOSFET(41)을 온하는 제어를 행함으로써, 전류 차단부(4)를 도통시키는 제어를 행하도록 구성되어 있다.
여기서, 전류 차단부(4)의 출력 전압은, IGBT(43)가 온됨으로써 증가한다. 본 실시형태에서는, 제어부(5)는, 전류 차단부(4)의 출력 전압의 증가가 정지한 후에, 사이리스터(40) 및 MOSFET(41)을 온하는 제어를 행함으로써, 전류 차단부(4)를 도통시키는 제어를 행하도록 구성되어 있다.
구체적으로는, 전압 센서(7)에 의해 검출된 전압값이 미리 정해진 최대 전압까지 상승한 경우, 전압 센서(7)로부터 제어부(5)에 신호가 송신된다. 제어부(5)는, 전압 센서(7)로부터 상기 신호를 수신한 경우, 사이리스터(40) 및 MOSFET(41)을 턴 온시키기 위한 게이트 신호를 송신하도록 구동부(6)에 지령 신호를 부여한다. 이에 의해, 도 2의 기간 B가 개시된다.
상세하게는, 사이리스터(40) 및 MOSFET(41)에 게이트 신호가 송신됨으로써, 사이리스터(40) 및 MOSFET(41)이 턴 온된다. 그리고, 도 4에 도시된 바와 같이, 기간 B(도 2 참조)에 있어서, 정류기(1)로부터의 전류(도 4의 파선 참조)가, 다이오드 소자(42) 및 IGBT(43)의 직렬 회로와, 사이리스터(40) 및 MOSFET(41)의 직렬 회로로 분기되어 부하(103)측으로 흐른다.
도 2의 (e)에 도시된 바와 같이, 사이리스터(40)가 턴 온됨으로써, 사이리스터(40)에 흐르는 전류값이 미리 정해진 크기로 증가하고 있다. 또한, 기간 I에 있어서 다이오드 소자(42) 및 IGBT(43)의 직렬 회로측으로만 흐르고 있던 전류가, 기간 B에 있어서 사이리스터(40) 및 MOSFET(41)의 직렬 회로측으로도 흐르기 때문에, 기간 B에 있어서 IGBT(43)에 흐르는 전류값은 기간 I에 있어서의 전류값보다 감소한다.
여기서, 본 실시형태에서는, 다이오드 소자(42)의 온 전압(순전압)(VF)과 IGBT(43)의 온 전압(콜렉터-이미터 포화 전압)(Vce)의 합계값은, 사이리스터(40)의 온 전압(순전압)(Vth)과 MOSFET(41)의 온 전압(드레인-소스 간 전압)(VDS)의 합계값보다 크다. 구체적으로는, (VF+Vce)>>(Vth+VDS)라고 하는 관계가 된다. 사이리스터(40) 및 MOSFET(41)의 직렬 회로에 흐르는 전류값과, 다이오드 소자(42) 및 IGBT(43)의 직렬 회로에 흐르는 전류값의 비는, 상기 4개의 소자의 온 전압에 의해 결정된다. 온 전압의 합계값이 상기와 같은 관계가 됨으로써, 사이리스터(40) 및 MOSFET(41)의 직렬 회로에 흐르는 전류값은, 다이오드 소자(42) 및 IGBT(43)의 직렬 회로에 흐르는 전류값보다 커진다. 사이리스터(40) 및 MOSFET(41)의 직렬 회로에 흐르는 전류값은, 다이오드 소자(42) 및 IGBT(43)의 직렬 회로에 흐르는 전류값의 예컨대 20배 정도이다.
이에 의해, 다이오드 소자(42) 및 IGBT(43)에는 비교적 작은 전류가 흐르기 때문에, 다이오드 소자(42) 및 IGBT(43)의 발열량을 비교적 작게 하는 것이 가능하다. 또한, MOSFET(41)으로서, 드레인-소스 간 저항이 낮은 소자를 배치함으로써, MOSFET(41)의 발열량을 작게 하는 것이 가능하다. 이에 의해, 사이리스터(40) 이외의 발열량을 작게 하는 것이 가능하다. 그 결과, 전류 차단부(4)를 방열하기 위한 도시하지 않은 방열기를, 사이리스터(40)의 발열량만을 고려하여[MOSFET(41), IGBT(43), 및 다이오드 소자(42)의 발열량을 고려하지 않고] 설계하는 것이 가능해지고, 상기 방열기를 소형화하는 것이 가능해진다.
다음으로, 부하(103)에의 급전을 정지하는 경우의 직류 전원 장치(100)의 동작에 대해 설명한다.
먼저, 전류 센서(3)가 검지한 전류값이 미리 설정한 범위를 초과한 경우에, 전류 센서(3)로부터 제어부(5)에 신호가 송신된다. 그리고, 신호가 통지된 제어부(5)는, 구동부(6)에 대해 전류 차단부(4)를 차단하기 위한 지령 신호를 송신한다. 이하에, 구체적으로 설명한다.
본 실시형태에서는, 도 2의 (a) 내지 (c)에 도시된 바와 같이, 제어부(5)는, 사이리스터(40) 및 MOSFET(41)을 오프(턴 오프)하는 제어를 동시에 행한 후에 IGBT(43)를 오프하는 제어를 행하도록 구성되어 있다. 구체적으로는, 사이리스터(40) 및 MOSFET(41)을 턴 오프하기 위한 게이트 신호가 사이리스터(40) 및 MOSFET(41)에 동시에 송신된다. 이에 의해, 기간 C가 개시된다. 그 후, IGBT(43)를 턴 오프하기 위한 게이트 신호가 IGBT(43)에 송신되고, 기간 C가 종료된다.
이에 의해, 도 2의 (d) 내지 (f)에 도시된 바와 같이, 기간 C에 있어서 사이리스터(40)에 흐르는 전류값은, 기간 B에 있어서 사이리스터(40)에 흐르는 전류값보다 감소[도 2의 (e) 참조]하고 있다. 또한, 기간 C에 있어서 IGBT(43)에 흐르는 전류값은, 기간 B에 있어서 IGBT(43)에 흐르는 전류값보다 증가[도 2의 (f) 참조]하고 있다. 이것은, 도 5에 도시된 바와 같이, MOSFET(41)이 오프됨으로써 사이리스터(40) 및 MOSFET(41)의 직렬 회로에 전류가 흐르지 않게 됨으로써, 기간 B에 있어서 사이리스터(40) 및 MOSFET(41)에 흐르고 있던 전류(도 4 참조)가 기간 C에 있어서 IGBT(43)측으로 전류되는 것에 기인하고 있다. 또한, MOSFET(41)이 오프되었을 때에 IGBT(43)는 통전 상태이기 때문에, MOSFET(41)에 고전압(정격 전압)이 가해지는 일은 없다.
또한, 사이리스터(40)는 게이트가 오프되어도 전류(유지 전류)가 흐르고 있으면 온 상태를 계속한다고 하는 특성을 갖지만, MOSFET(41)이 오프됨으로써 사이리스터(40)에 흐르는 전류가 IGBT(43)측으로 전류됨으로써, 사이리스터(40)에 흐르는 전류가 제로가 되고 사이리스터(40)가 오프 상태가 된다. 이에 의해, 예컨대 사이리스터(40)에 상쇄 전류를 흘림으로써 강제적으로 사이리스터(40)를 턴 오프시키는 회로를 설치하지 않아도 사이리스터(40)를 턴 오프시키는 것이 가능하다.
또한, 본 실시형태에서는, 제어부(5)는, MOSFET(41)을 오프하는 제어가 행해짐으로써, 사이리스터(40) 및 MOSFET(41)의 직렬 회로에 흐르는 전류가 IGBT(43)측으로 전류됨으로써 사이리스터(40)에 전류가 흐르지 않게 된 후에, IGBT(43)를 오프하는 제어를 행함으로써, 전류 차단부(4)를 차단하는 제어를 행하도록 구성되어 있다. 구체적으로는, 제어부(5)는, 사이리스터(40)에 흐르는 전류값이 제로가 된 후에, IGBT(43)를 오프하는 제어를 행하도록 구성되어 있다.
상세하게는, 도 2에 도시된 바와 같이, 제어부(5)는, MOSFET(41)을 오프하는 제어가 행해지고 나서, 사이리스터(40)의 턴 오프 시간 이상의 시간(t) 후에, IGBT(43)를 오프하는 제어를 행함으로써, 전류 차단부(4)를 차단하는 제어를 행하도록 구성되어 있다. 구체적으로는, MOSFET(41) 및 사이리스터(40)의 각각에 게이트 오프 신호가 송신되고 나서 시간(t) 후에 IGBT(43)에 게이트 오프 신호가 송신된다. 또한, 사이리스터(40)의 턴 오프 시간이 예컨대 0.5 ㎳∼1 ㎳인 경우, 시간(t)을, 사이리스터(40)의 턴 오프 시간의 2배 정도인 1 ㎳∼2 ㎳ 정도로 하는 것이 바람직하다.
그리고, 도 6에 도시된 바와 같이, IGBT(43)가 오프된 후의 기간 D에 있어서, IGBT(43)에 전류가 흐르지 않게 된다. 도 2의 (d) 내지 (f)에 도시된 바와 같이, 기간 D에 있어서는, 전류 차단부(4)의 출력 전류[도 2의 (d) 참조], 사이리스터(40)에 흐르는 전류[도 2의 (e) 참조], 및 IGBT(43)[도 2의 (f) 참조]에 흐르는 전류의 각각이 제로가 된다. 이에 의해, 전류 차단부(4)에 의한 전류 차단의 제어가 완료된다. 또한, IGBT(43)가 턴 오프되었을 때, IGBT(43) 및 사이리스터(40)의 각각에 정격 전압이 가해지는 한편, MOSFET(41)에는 거의 전압이 가해지지 않는다.
또한, 정전 시 등에 있어서 계통(101)으로부터 전력이 공급되지 않는 경우, 축전부(2)의 직류 전력이 부하(103)에 공급된다. 이 경우, 제어부(5)는, 축전부(2)로부터 흐르는 전류를 전류 차단부(4)에 의해 도통시키고 차단하는 제어를 행하도록 구성되어 있다. 축전부(2)로부터의 전류를 도통시키고 차단하는 경우의 제어 방법은, 정류기(1)로부터의 전류를 도통시키고 차단하는 상기한 방법(도 2 참조)과 동일하기 때문에, 상세한 설명은 생략한다.
또한, 반도체 스위칭 소자인 IGBT(43)를 오프시킴으로써 전류 차단부(4)에 흐르는 전류가 차단되기 때문에, 기계 스위치에 의해서만 전류를 차단하는 경우와 달리, 아크가 발생하는 일이 없다. 따라서, 아크를 강제적으로 소멸시키기 위한 구성을 별도로 설치하지 않고, 고속으로 전류 차단을 행하는 것이 가능하다.
또한, 기계 스위치를 이용한 경우, 직류의 아크 소호는 일반적으로 교류의 아크 소호보다 어렵기 때문에 선택할 수 있는 스위치가 한정된다. 그래서, 반도체 스위칭 소자인 IGBT(43)에 의해 전류를 차단함으로써, 소자(스위치)의 선택지가 한정된다고 하는 문제를 해소하는 것이 가능하다.
또한, 기계 스위치에 아크가 발생함으로써 도통 상태가 일정 시간 계속되는 경우와 달리, 퓨즈 엘리먼트 등을 설치하여 과전류 보호를 행할 필요가 없다. 이에 의해, 퓨즈 엘리먼트 등이 경년 열화한 경우 등에 행해지는 교환 작업 등을 행하는 수고를 생략하는 것이 가능하다.
[본 실시형태의 효과]
본 실시형태에서는, 이하와 같은 효과를 얻을 수 있다.
본 실시형태에서는, 상기한 바와 같이, 전류 차단부(4)는, 직류 전압의 정격 전압보다 내압이 큰 사이리스터(40)와, 사이리스터(40)에 대해 부하(103)측에 직렬로 접속되고, 정격 전압보다 내압이 작은 자기 소호식의 MOSFET(41)을 갖는 직렬 회로와, 상기 직렬 회로에 대해 병렬로 접속되고, 정격 전압보다 내압이 큰 자기 소호식의 IGBT(43)를 포함한다. 또한, 사이리스터(40) 및 MOSFET(41)의 각각은, IGBT(43)보다 도통 손실이 작다. 그리고, 제어부(5)가, 사이리스터(40) 및 MOSFET(41)을 오프하는 제어를 동시에 행한 후에 IGBT(43)를 오프하는 제어를 행하도록, 직류 전원 장치(100)를 구성한다.
이에 의해, 사이리스터(40) 및 MOSFET(41)에 흐르고 있는 전류가 IGBT(43)로 전류되기 때문에, 모든 전류가 IGBT(43)에 흐르고 있는 상태에서 IGBT(43)를 오프할 수 있다. 여기서, IGBT(43)에는 오프 시에 아크가 발생하지 않기 때문에, 고속으로 IGBT(43)를 오프 상태로 하기 위해서 콘덴서의 충전 에너지를 이용하여 IGBT(43)에 중첩 전류를 흘릴 필요가 없다. 따라서, 상기한 바와 같이 제어함으로써, 콘덴서를 이용하지 않고 IGBT(43)에 의해 고속으로 사고 전류를 차단할 수 있다. 이에 의해, 사고 전류를 고속으로 차단하면서 직류 전원 장치(100)를 소형화할 수 있다.
또한, IGBT(43)에 비해 도통 손실이 비교적 작은 사이리스터(40) 및 MOSFET(41)의 직렬 회로가, IGBT(43)와 병렬로 접속되어 있음으로써, IGBT(43)만이 설치되어 있는 경우와 달리 도통 손실이 비교적 작은 상기 직렬 회로측으로도 적어도 일부의 전류를 흘릴 수 있다. 그 결과, IGBT(43)만이 설치되어 있는 경우에 비해, 도통 손실(소비 전력)을 억제할 수 있다. 이들의 결과, 도통 손실이 증가하는 것을 억제하면서 사고 전류를 고속으로 차단할 수 있고, 직류 전원 장치(100)를 소형화할 수 있다.
또한, 사이리스터(40) 및 MOSFET(41)에 흐르고 있는 전류가 IGBT(43)로 전류됨으로써, 사이리스터(40) 및 MOSFET(41)에 전류가 흐르고 있지 않은 상태에서 IGBT(43)를 오프할 수 있다. 이에 의해, IGBT(43)가 오프 상태로 되었을 때, IGBT(43) 및 사이리스터(40)에 직류 전원 장치(100)의 정격 전압이 가해지는 한편, MOSFET(41)의 전단에 설치되는 사이리스터(40)가 오프 상태이기 때문에 MOSFET(41)에 가해지는 전압이 대략 제로가 된다. 그 결과, MOSFET(41)에 내압 이상의 전압(정격 전압)이 가해지는 것을 억제할 수 있기 때문에, MOSFET(41)이 파괴되는 것을 억제할 수 있다. 또한, 사이리스터(40) 및 MOSFET(41)의 각각의 내압은 정격 전압 이상이기 때문에, 사이리스터(40) 및 MOSFET(41)의 각각은 파괴되지 않는다. 이에 의해, 전류 차단부(4)[MOSFET(41)]의 소자가 파괴되는 것을 억제할 수 있다.
여기서, 사이리스터(40)를 오프하는 제어와, MOSFET(41)을 오프하는 제어 사이에 시간차가 있는 경우, 상기 시간차의 분만큼 IGBT(43)를 오프하는 제어가 지연되기 때문에, IGBT(43)에 전류가 흐르는 시간이 증대된다. 사이리스터(40) 및 MOSFET(41)을 오프하는 제어를 동시에 행함으로써, IGBT(43)를 오프하는 제어가 지연되는 것을 억제할 수 있고, IGBT(43)에 전류가 흐르는 시간이 증대되는 것을 억제할 수 있다. 여기서, IGBT(43)의 크기는 통전 가능 시간에 의존한다. 따라서, IGBT(43)에 전류가 흐르는 시간이 증대되는 것을 억제함으로써, IGBT(43)가 대형화되는 것을 억제할 수 있다.
또한, 본 실시형태에서는, 상기한 바와 같이, 제어부(5)가, MOSFET(41)을 오프하는 제어가 행해짐으로써, 사이리스터(40) 및 MOSFET(41)의 직렬 회로에 흐르는 전류가 IGBT(43)측으로 전류됨으로써 사이리스터(40)에 전류가 흐르지 않게 된 후에, IGBT(43)를 오프하는 제어를 행함으로써, 전류 차단부(4)를 차단하는 제어를 행하도록, 직류 전원 장치(100)를 구성한다. 이에 의해, 사이리스터(40) 및 MOSFET(41)의 직렬 회로에 아직 전류가 흐르고 있는 동안에 IGBT(43)가 오프되는 것을 억제할 수 있다. 그 결과, IGBT(43)가 오프될 때에는, 사이리스터(40)를 확실히 오프 상태로 할 수 있다. 그 결과, MOSFET(41)에 고전압(정격 전압)이 가해지는 것을 보다 확실히 억제할 수 있다.
또한, 본 실시형태에서는, 상기한 바와 같이, 제어부(5)가, MOSFET(41)을 오프하는 제어가 행해지고 나서, 사이리스터(40)의 턴 오프 시간 이상의 시간(t) 후에, IGBT(43)를 오프하는 제어를 행함으로써, 전류 차단부(4)를 차단하는 제어를 행하도록, 직류 전원 장치(100)를 구성한다. 이에 의해, IGBT(43)를 오프하는 제어를, 보다 한층 확실히, 사이리스터(40)에 전류가 흐르지 않게 된 후에 행할 수 있다.
또한, 본 실시형태에서는, 상기한 바와 같이, 제어부(5)가, IGBT(43)를 온하는 제어를 행한 후에, 사이리스터(40) 및 MOSFET(41)을 온하는 제어를 행함으로써, 전류 차단부(4)를 도통시키는 제어를 행하도록, 직류 전원 장치(100)를 구성한다. 이에 의해, IGBT(43)가 오프되어 있는 동안에 사이리스터(40) 및 MOSFET(41)이 온되는 것을 억제할 수 있기 때문에, MOSFET(41)에 고전압[직류 전원 장치(100)의 정격 전압]이 인가되는 것을 억제할 수 있다.
또한, 본 실시형태에서는, 상기한 바와 같이, 제어부(5)가, IGBT(43)가 온됨으로써 전류 차단부(4)의 출력 전압이 증가함과 아울러 상기 출력 전압의 증가가 정지한 후에, 사이리스터(40) 및 MOSFET(41)을 온하는 제어를 행함으로써, 전류 차단부(4)를 도통시키는 제어를 행하도록 구성되어 있다. 여기서, 전류 차단부(4)의 출력 전압의 증가에 맞춰 IGBT(43)에 가해지는 전압은 감소한다. 따라서, 전류 차단부(4)의 출력 전압의 증가가 정지한 후에 사이리스터(40) 및 MOSFET(41)을 온하는 제어를 행함으로써, IGBT(43)에 가해지는 전압이 최소가 되고 나서 사이리스터(40) 및 MOSFET(41)을 온할 수 있다. 그 결과, IGBT(43)에 병렬로 접속되어 있는 MOSFET(41)에도 IGBT(43)에 가해지는 전압과 동일한 크기의 전압이 가해지기 때문에, MOSFET(41)에 고전압이 인가되는 것을 억제할 수 있다.
또한, 본 실시형태에서는, 상기한 바와 같이, 다이오드 소자(42)의 온 전압(VF)과 IGBT(43)의 온 전압(Vce)의 합계값이, 사이리스터(40)의 온 전압(Vth)과 MOSFET(41)의 온 전압(VDS)의 합계값보다 커지도록, 직류 전원 장치(100)를 구성한다. 이에 의해, 온 전압의 합계값이 비교적 큰 다이오드 소자(42)와 IGBT(43)의 직렬 회로에 흐르는 전류를 비교적 작게 할 수 있다. 그 결과, 다이오드 소자(42) 및 IGBT(43)의 발열량을 비교적 작게 할 수 있다.
또한, 사이리스터(40) 및 MOSFET(41)의 각각의 도통 손실은 IGBT(43)의 도통 손실보다 작기 때문에, 사이리스터(40) 및 MOSFET(41)의 각각의 온 저항은, IGBT(43)의 온 저항에 비해 비교적 작다. 따라서, 온 저항이 비교적 작은 사이리스터(40) 및 MOSFET(41)에, 다이오드 소자(42)와 IGBT(43)의 직렬 회로에 흐르는 전류보다 비교적 큰 전류를 흘림으로써, 사이리스터(40) 및 MOSFET(41)의 발열량이 증대되는 것을 최대한 억제할 수 있다. 이들에 의해, 전류 차단부(4) 전체로서의 발열량이 증대되는 것을 억제할 수 있다.
또한, 본 실시형태에서는, 상기한 바와 같이, 제어부(5)가, 축전부(2)의 직류 전력이 부하(103)에 공급되고 있는 경우에, 사이리스터(40) 및 MOSFET(41)을 오프하는 제어를 동시에 행한 후에 IGBT(43)를 오프하는 제어를 행하도록, 직류 전원 장치(100)를 구성한다. 이에 의해, 전류의 도통 시에 도통 손실이 증가하는 것을 억제하면서 전류 차단부(4)의 소자가 파괴되는 것을 억제할 수 있다.
또한, 본 실시형태에서는, 상기한 바와 같이, 전류 차단부(4)의 소자가, 사이리스터(40), MOSFET(41), 및 IGBT(43)를 포함하도록, 직류 전원 장치(100)를 구성한다. 이에 의해, 사이리스터는 비교적 온 전압이 낮기 때문에, 사이리스터(40)로서 사이리스터(40)를 이용함으로써, 전류 도통 시[직류 전원 장치(100)의 통상 운전 시]에 도통 손실이 커지는 것을 효과적으로 억제할 수 있다. 또한, IGBT는 비교적 고속으로 스위칭하고 내압이 높기 때문에, IGBT(43)로서 IGBT(43)를 이용함으로써, 고속으로 전류 차단을 행할 수 있고, IGBT(43)에 고전압(정격 전압)이 가해진 경우에도 IGBT(43)가 파괴되는 것을 억제할 수 있다. 또한, MOSFET은 비교적 도통 손실이 낮기 때문에, MOSFET(41)으로서 MOSFET(41)을 이용함으로써, 전류 도통 시(직류 전원 장치의 통상 운전 시)에 도통 손실이 커지는 것을 보다 효과적으로 억제할 수 있다. 또한, MOSFET은 비교적 고속으로 스위칭하기 때문에, 전류 차단 시에 있어서 비교적 신속하게, 사이리스터(40) 및 MOSFET(41)의 직류 회로에 흐르는 전류를 IGBT(43)측으로 전류시킬 수 있다. 그 결과, 전류 차단부(4)가 전류 차단에 요하는 시간을 짧게 할 수 있다.
[변형예]
또한, 이번에 개시된 실시형태는, 모든 점에서 예시이며 제한적인 것이 아니라고 생각되어야 한다. 본 발명의 범위는, 상기한 실시형태의 설명이 아니라 청구의 범위에 의해 나타나고, 또한 청구의 범위와 균등의 의미 및 범위 내에서의 모든 변경(변형예)이 포함된다.
예컨대, 상기 실시형태에서는, 사이리스터(40)(직렬용 스위칭 소자) 및 MOSFET(41)(도통 전환 소자)을 오프하는 제어를 동시에 행한 후에 IGBT(43)(반도체 스위칭 소자)를 오프하는 제어가 행해지는 예를 나타내었으나, 본 발명은 이것에 한정되지 않는다. 예컨대, 제어부(5)는, 사이리스터(40), MOSFET(41), IGBT(43)의 순서로 오프하는 제어를 행함으로써, 전류 차단부(4)를 차단하는 제어를 행해도 좋다. 또한, 축전부(2)의 전력에 의해 부하(103)에 급전을 행하는 경우에도, 사이리스터(40), MOSFET(41), IGBT(43)의 순서로 오프하는 제어를 행해도 좋다.
또한, 상기 실시형태에서는, 스위칭 소자로서 사이리스터(40)가 설치되는 예를 나타내었으나, 본 발명은 이것에 한정되지 않는다. 예컨대, 사이리스터(40) 대신에 기계 스위치가 설치되어도 좋다. 이 경우, MOSFET(41)을 오프함으로써 전류를 전류시킴으로써, 기계 스위치에 흐르는 전류를 용이하게 제로로 하는 것이 가능하기 때문에, 기계 스위치를 오프할 때에 기계 스위치에 아크가 발생하는 것을 억제하는 것이 가능하다. 그 결과, 기계 스위치를 이용하는 경우에도, 전류 차단에 요하는 시간이 길어지는 것을 억제하는 것이 가능하다. 또한, 사이리스터(40) 대신에 바이폴러 트랜지스터가 설치되어 있어도 좋다. 또한, 사이리스터(40) 대신에 기계 스위치로 한 경우 쪽이, 소비 전력을 더욱 저감하는 것이 가능하다.
또한, 상기 실시형태에서는, 제어부(5)는, 전류 차단부(4)의 출력 전압의 증가가 정지한 후에, 사이리스터(40)(직렬용 스위칭 소자) 및 MOSFET(41)(도통 전환 소자)을 온하는 제어를 행하는 예를 나타내었으나, 본 발명은 이것에 한정되지 않는다. 예컨대, 제어부(5)는, 상기 출력 전압이 증가하고 있는 도중에도, 상기 출력 전압이 미리 정해진 임계값보다 커진 경우에 사이리스터(40) 및 MOSFET(41)을 온하는 제어를 행해도 좋다.
또한, 상기 실시형태에서는, 도통 전환 소자로서 MOSFET(41)을 설치하고 있는 예를 나타내었으나, 본 발명은 이것에 한정되지 않는다. 예컨대, MOSFET(41) 대신에 기계 스위치를 설치해도 좋다.
또한, 상기 실시형태에서는, 스위칭 소자로서 IGBT(43)를 설치하고 있는 예를 나타내었으나, 본 발명은 이것에 한정되지 않는다. 예컨대, IGBT(43) 대신에 SiC-MOSFET을 설치해도 좋다.
1: 정류기 2: 축전부
4: 전류 차단부 5: 제어부
40: 사이리스터(직렬용 스위칭 소자) 41: MOSFET(도통 전환 소자)
42: 다이오드 소자 43: IGBT(반도체 스위칭 소자)
100: 직류 전원 장치 101: 계통(교류 전압원)
103: 부하 t: 시간(미리 정해진 시간)
Vce: 온 전압(반도체 스위칭 소자의 온 전압)
VDS: 온 전압(도통 전환 소자의 온 전압)
VF: 온 전압(다이오드 소자의 온 전압)
Vth: 온 전압(스위칭 소자의 온 전압)

Claims (9)

  1. 교류 전압원으로부터 공급되는 교류 입력 전압을 직류 전압으로 변환하는 정류기와,
    상기 정류기와 부하 사이의 전기적인 접속 및 차단을 행하는 전류 차단부와,
    상기 정류기 및 상기 전류 차단부의 제어를 행하는 제어부와,
    상기 정류기에 의해 변환된 직류 전력을 축적하는 축전부
    를 구비하고,
    상기 전류 차단부는,
    상기 직류 전압의 정격 전압보다 내압이 큰 직렬용 스위칭 소자와, 상기 직렬용 스위칭 소자에 대해 상기 부하 측에 직렬로 접속되고, 상기 정격 전압보다 내압이 작은 자기 소호식의 도통(導通) 전환 소자를 갖는 직렬 회로와,
    상기 직렬 회로에 대해 병렬로 접속되고, 상기 정격 전압보다 내압이 큰 자기 소호식의 반도체 스위칭 소자를 포함하며,
    상기 직렬용 스위칭 소자 및 상기 도통 전환 소자의 각각은, 상기 반도체 스위칭 소자보다 도통 손실이 작고,
    상기 제어부는, 상기 직렬용 스위칭 소자 및 상기 도통 전환 소자를 오프하는 제어를 동시에 행한 후에 상기 반도체 스위칭 소자를 오프하는 제어를 행하거나, 또는, 상기 직렬용 스위칭 소자, 상기 도통 전환 소자, 상기 반도체 스위칭 소자의 순서로 오프하는 제어를 행함으로써, 상기 전류 차단부를 차단하는 제어를 행하도록 구성되고,
    상기 제어부는, 상기 축전부의 직류 전력이 상기 부하에 공급되고 있는 경우에, 상기 직렬용 스위칭 소자 및 상기 도통 전환 소자를 오프하는 제어를 동시에 행한 후에 상기 반도체 스위칭 소자를 오프하는 제어를 행하거나, 또는, 상기 직렬용 스위칭 소자, 상기 도통 전환 소자, 상기 반도체 스위칭 소자의 순서로 오프하는 제어를 행함으로써, 상기 축전부로부터 상기 부하에 흐르는 전류를 상기 전류 차단부에 의해 차단하는 제어를 행하도록 구성되는 것인 직류 전원 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제어부는, 상기 직렬용 스위칭 소자 및 상기 도통 전환 소자를 오프하는 제어를 동시에 행한 후에, 상기 반도체 스위칭 소자를 오프하는 제어를 행함으로써, 상기 전류 차단부를 차단하는 제어를 행하도록 구성되는 것인 직류 전원 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제어부는, 상기 도통 전환 소자를 오프하는 제어가 행해짐으로써, 상기 직렬용 스위칭 소자 및 상기 도통 전환 소자의 상기 직렬 회로에 흐르는 전류가 상기 반도체 스위칭 소자측으로 전류(轉流)됨으로써 상기 직렬용 스위칭 소자에 전류가 흐르지 않게 된 후에, 상기 반도체 스위칭 소자를 오프하는 제어를 행함으로써, 상기 전류 차단부를 차단하는 제어를 행하도록 구성되는 것인 직류 전원 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 도통 전환 소자는, 상기 직렬용 스위칭 소자보다 고속으로 스위칭 가능하게 구성되어 있고,
    상기 제어부는, 상기 도통 전환 소자를 오프하는 제어가 행해지고 나서, 상기 직렬용 스위칭 소자의 턴 오프 시간 이상의 미리 정해진 시간 후에, 상기 반도체 스위칭 소자를 오프하는 제어를 행함으로써, 상기 전류 차단부를 차단하는 제어를 행하도록 구성되는 것인 직류 전원 장치.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제어부는, 상기 반도체 스위칭 소자를 온하는 제어를 행한 후에, 상기 직렬용 스위칭 소자 및 상기 도통 전환 소자를 온하는 제어를 행함으로써, 상기 전류 차단부를 도통시키는 제어를 행하도록 구성되는 것인 직류 전원 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제어부는, 상기 반도체 스위칭 소자가 온됨으로써 상기 전류 차단부의 출력 전압이 증가함과 아울러 상기 출력 전압의 증가가 정지한 후에, 상기 직렬용 스위칭 소자 및 상기 도통 전환 소자를 온하는 제어를 행함으로써, 상기 전류 차단부를 도통시키는 제어를 행하도록 구성되는 것인 직류 전원 장치.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 전류 차단부는, 상기 직렬 회로에 병렬로 접속되고, 상기 반도체 스위칭 소자와 직렬로 접속되는 다이오드 소자를 포함하고,
    상기 다이오드 소자의 온 전압과 상기 반도체 스위칭 소자의 온 전압의 합계값은, 상기 직렬용 스위칭 소자의 온 전압과 상기 도통 전환 소자의 온 전압의 합계값보다 큰 것인 직류 전원 장치.
  8. 삭제
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 직렬용 스위칭 소자, 상기 도통 전환 소자, 및 상기 반도체 스위칭 소자는, 각각, 사이리스터, MOSFET, 및 IGBT를 포함하는 것인 직류 전원 장치.
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