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公開番号2021034124
公報種別公開特許公報(A)
公開日20210301
出願番号2019148693
出願日20190813
発明の名称直流電流開閉装置
出願人個人
代理人個人
主分類H01H 33/59 20060101AFI20210201BHJP(基本的電気素子)
要約【課題】 直流電流を無アークで遮断して、開状態では高い絶縁抵抗と高い耐電圧と耐サージ特性のある、長寿命な直流電流開閉装置を提供する。
【解決手段】直流電源3と負荷4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1と、金属接点1と直列に接続され、金属接点1の電流を導通・遮断する半導体スイッチ2と、半導体スイッチ2のオン/オフを制御するゲート制御部5を備えるともに、ゲート制御部5が、金属接点1の閉極時に半導体スイッチ2をオン状態にし、開極時に半導体スイッチ2をオフ状態にすることを特徴とする。
【選択図】 図1

特許請求の範囲【請求項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、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直流電流開閉装置。
続きを表示(約 780 文字)【請求項2】
前記ゲート制御部は前記金属接点の開極時に発生するアークによる電圧変化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請求項1に記載の直流電流開閉装置。
【請求項3】
前記半導体スイッチを、逆直列された二つの半導体スイッチで置き換えるとともに、前記ゲート制御部への入力電圧を交直変換するダイオードブリッジをさらに備え、双方向の直流電流の開閉を可能にしたことを特徴とする請求項1又は2に記載の直流電流開閉装置。
【請求項4】
前記金属接点と連動する補助接点を備え、該補助接点は、前記金属接点が開極するときよりも早くオフするように連動機構が設けられるとともに、前記金属接点が開極された時に、
前記ゲート制御部が、前記金属接点の開極に先立って前記補助接点からの信号で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請求項1又は2に記載の直流電流開閉装置。
【請求項5】
前記金属接点と連動する補助接点を備え、該補助接点は、前記補助接点がオンすると前記半導体スイッチをオフ状態にするように構成され、さらに、
前記補助接点は、前記金属接点が開極するときよりも早くオンするように連動機構が設けられるとともに、前記金属接点が開極された時に、前記金属接点の開極に先立って前記補助接点からの信号で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請求項3に記載の直流電流開閉装置。
【請求項6】
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請求項2に記載の直流電流開閉装置。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
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。
続きを表示(約 8,300 文字)【背景技術】
【0002】
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。
【0003】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
特開平8−106839号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
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。
【0006】
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。
【0007】
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(Ga
2
O
3
)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。
【0008】
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。
【0009】
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。
【課題を解決するための手段】
【0010】
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。
【発明の効果】
【0011】
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。
【図面の簡単な説明】
【0012】
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。
【発明を実施するための形態】
【0013】
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。
【0014】
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がオン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。
【0015】
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がオンすると、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がオンなった後、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。
【0016】
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。
【0017】
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。
【0018】
〔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がオンになると、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、オン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。
【0019】
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。
【0020】
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。
【0021】
〔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、双方向の直流電流に対応可能なものである。
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、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で交直変換を行う必要がある。この方法は交流回路にも適用可能である
【0022】
〔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がオフ(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がオンするときよりも遅くオンして、接点1がオフするときよりも早くオフするように、連動機構を設けるとよい。
【0023】
これにより、接点1がオフ(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がオフするため、接点1にはアークが発生しない。また、接点1がオン(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がオンした時には回路に電流が流れず、安全に接点1をオンすることができる。
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、多少遅れてオフしても、その短時間、接点1がアークに耐える交流用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。
【0024】
〔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の役目は、第3実施形態の場合とは異なり、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がオフするとき、それに先立ってオン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がオフ(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がオフするため、接点1にはアークが発生しない。
【0025】
〔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。
【0026】
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。
【0027】
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。
【産業上の利用可能性】
【0028】
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。
【0029】
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。
【0030】
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。
(【0031】以降は省略されています)

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