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公開番号2024027980
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-03-01
出願番号2022131243
出願日2022-08-19
発明の名称遮断器
出願人学校法人大阪産業大学
代理人個人,個人
主分類H01H 33/59 20060101AFI20240222BHJP(基本的電気素子)
要約【課題】軽量化しつつ、故障率を低くできる遮断器を提供する。
【解決手段】遮断器1は、第1双方向半導体スイッチS1を含む第1回路C1と、第2双方向半導体スイッチS2を含む第2回路C2と、を備える。第1回路C1において、第1双方向半導体スイッチS1に直列に接続される第1機械式スイッチM1が設けられる。正常動作時は、第1双方向半導体スイッチS1及び第1機械式スイッチM1をオンして、第1回路C1に常時電流を流す。負荷2が故障した場合は、第1双方向半導体スイッチS1をオフにして過電流を遮断する。第1双方向半導体スイッチS1が故障した場合は、第1機械式スイッチM1を開放動作して、負荷2の常時電流を第2回路C2に流す。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項1】
負荷に接続される遮断器であって、
第1双方向半導体スイッチを含む第1回路と、
前記第1回路に並列に接続され、第2双方向半導体スイッチを含む第2回路と、を備え、
前記第1回路又は前記第2回路のうち少なくとも前記第1回路において、前記第1双方向半導体スイッチに直列に接続される第1機械式スイッチが設けられ、
正常動作時は、前記第1双方向半導体スイッチ及び前記第1機械式スイッチをオンして、前記第1回路に常時電流を流し、
前記負荷が故障した場合は、前記第1双方向半導体スイッチをオフにして過電流を遮断し、
前記第1双方向半導体スイッチが故障した場合は、前記第1機械式スイッチを開放動作して、前記負荷の常時電流を前記第2回路に流す、遮断器。
続きを表示(約 2,400 文字)【請求項2】
請求項1に記載の遮断器であって、
前記第2回路は、前記第2双方向半導体スイッチに直列に接続される機械式スイッチを含まない、
正常動作時は、前記第1双方向半導体スイッチ及び前記第1機械式スイッチをオンし、且つ、前記第2双方向半導体スイッチをオフして、前記第1回路に常時電流を流し、
前記負荷が故障した場合は、前記第1双方向半導体スイッチをオフにして過電流をオフし、
前記第1双方向半導体スイッチが故障した場合は、前記第1機械式スイッチを開放動作して、前記負荷の常時電流を前記第2回路へ流し、前記第1機械式スイッチの絶縁が回復した後に、当該第2双方向半導体スイッチをオフにする、遮断器。
【請求項3】
請求項1に記載の遮断器であって、
前記第1回路は、前記第1双方向半導体スイッチに直列に接続された前記第1機械式スイッチを含み、
前記第2回路は、前記第2双方向半導体スイッチに直列に接続された第2機械式スイッチを含む、遮断器。
【請求項4】
請求項3に記載の遮断器であって、
正常動作時は、前記第1機械式スイッチ及び前記第2機械式スイッチをオンし、且つ、前記第1双方向半導体スイッチ及び前記第2双方向半導体スイッチをオンして、常時電流を前記第1回路及び前記第2回路に流し、
前記負荷が故障した場合は、前記第1双方向半導体スイッチ及び前記第2双方向半導体スイッチをオフにして過電流をオフし、
前記第1双方向半導体スイッチが故障した場合は、前記第1機械式スイッチを開放動作して、前記負荷の常時電流を前記第2回路に流し、その後、正常動作を継続するか、又は、前記第1機械式スイッチの絶縁が回復した後に、前記第2双方向半導体スイッチをオフにし、
前記第2双方向半導体スイッチが故障した場合は、前記第2機械式スイッチを開放動作して、前記負荷の常時電流を前記第1回路に流し、その後、正常動作を継続するか又は、前記第2機械式スイッチの絶縁が回復した後に、前記第1双方向半導体スイッチをオフにする、遮断器。
【請求項5】
請求項1に記載の遮断器であって、
前記第1回路は、前記第1双方向半導体スイッチに直列に接続された前記第1機械式スイッチを含み、
前記第2回路は、前記第2双方向半導体スイッチに直列に接続された第3双方向半導体スイッチを含み、
正常動作時は、前記第1機械式スイッチ及び前記第1双方向半導体スイッチをオンし、且つ、前記第2双方向半導体スイッチ及び前記第3双方向半導体スイッチをオンして、常時電流を前記第1回路及び前記第2回路に流し、
前記負荷が故障した場合は、前記第1双方向半導体スイッチ、前記第2双方向半導体スイッチ及び前記第3双方向半導体スイッチをオフにし、
前記第1双方向半導体スイッチが故障した場合は、前記第1機械式スイッチを開放動作して、前記負荷の常時電流を前記第2回路に流し、その後、正常動作を継続するか又は、前記第1機械式スイッチの絶縁が回復した後に、前記第2双方向半導体スイッチ及び前記第3双方向半導体スイッチの少なくとも1つをオフにし、
前記第2双方向半導体スイッチが故障した場合は、前記第3双方向半導体スイッチをオフして、前記負荷の常時電流を前記第1回路に流し正常動作を継続するか、又は、前記第3双方向半導体スイッチ及び前記第1双方向半導体スイッチをオフにし、
前記第3双方向半導体スイッチが故障した場合は、前記第2双方向半導体スイッチをオフして、前記負荷の常時電流を前記第1回路に流して正常動作を継続するか、又は、前記第2双方向半導体スイッチ及び前記第1双方向半導体スイッチをオフにする、遮断器。
【請求項6】
請求項1~5のいずれか1項に記載の遮断器であって、
前記負荷の故障率と前記第1双方向半導体スイッチの故障率の積が、10^-9/hour未満であり、
前記負荷の故障率と前記第2双方向半導体スイッチの故障率の積が、10^-9/hour未満となるよう設計された、遮断器。
【請求項7】
請求項6に記載の遮断器であって、
前記第1双方向半導体スイッチ及び前記第2双方向半導体スイッチの故障診断処理を定期的に実行する故障診断部を、さらに備える、遮断器。
【請求項8】
請求項7に記載の遮断器であって、
前記負荷の故障率と前記第1双方向半導体スイッチの故障率の公称値と1/K1の積が、10^-9/hour未満であり、
前記負荷の故障率と前記第2双方向半導体スイッチの故障率の公称値と1/K2の積が、10^-9/hour未満であり、
前記K1は、前記第1双方向半導体スイッチの1時間当たりの前記故障診断処理の回数であり、
前記K2は、前記第2双方向半導体スイッチの1時間当たりの前記故障診断処理の回数である、遮断器。
【請求項9】
請求項5に記載の遮断器であって、
前記第1双方向半導体スイッチ、前記第2双方向半導体スイッチ、及び、前記第3双方向半導体スイッチの故障診断処理を定期的に実行する故障診断部を、さらに備える、遮断器。
【請求項10】
請求項7に記載の遮断器であって、
前記故障診断部は、正常動作時に、前記第1双方向半導体スイッチをオン、前記第2双方向半導体スイッチをオフにして、前記常時電流を前記第1回路に流す動作と、前記第1双方向半導体スイッチをオフ、前記第2双方向半導体スイッチをオンにして、前記常時電流を前記第2回路に流す動作とを順次実行して、前記動作時の前記第1回路の電流又は前記第2回路の電流の少なくとも一方に基づいて、前記故障診断処理を実行する、遮断器。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、半導体素子で構成されたスイッチを含む遮断器に関するものである。
続きを表示(約 2,700 文字)【背景技術】
【0002】
電源グリッドに関する研究開発の代表的なものとしては、例えば、NASAのN3-Xがある(非特許文献1)。N3-Xのような電動航空機のグリッドシステムは一部の機器が故障した場合でも、残った健全な機器で運航継続ができるよう、事故点を速やかに切り離し、接続切替えができるように構成されている。このような切替え構成を有するグリッドシステムでは、故障電流を抑制して切り離す限流・遮断器がキーパーツとなる。例えば、電動航空機のグリッドシステムでは、DC(直流)配電が検討されているから、DCの遮断器であるDC回路ブレーカは重要なパーツと位置付けられる。DC電流の波形は、ACと異なり、ゼロ点を通らないため、DC電流の遮断は、ACに比べて、困難を伴うことが多い。
【0003】
DCの限流・遮断器の研究は、主に再生可能エネルギーを活用したマイクログリッドの分野が先行している(非特許文献2)。非特許文献2では、DC回路ブレーカの7つの方式が紹介されている。そのうちの1つとして、Fig.4には、機械式スイッチと、半導体ブランチと、バリスタとを並列に接続した従来型ハイブリッド回路ブレーカが記載されている。この回路ブレーカでは、正常動作時には、機械式スイッチに電流が流れる。故障が検出されると、機械式スイッチが開放動作して、そのアーク電圧により、電流が機械式スイッチから半導体ブランチへ転流する。半導体は、機械式スイッチが、全システム電圧をブロックするまで電流を導通する。その後、半導体がオフになり、バリスタが導通して、回路ブレーカで生じる電圧を一定レベルに保持する。この方式では、切り替え速度は、機械式スイッチに強く依存する。
【0004】
また、非特許文献2のFig.6には、プロアクティブハイブリッドDC回路ブレーカが記載されている。このDC回路ブレーカは並列に接続された2つのブランチを備える。1つ目のブランチは、正常動作時の電流パスである機械式スイッチとLCS(Load Commutation Switch)である半導体スイッチ群とが直列に接続されたブランチである。2つ目のブランチは、メインブレーカである半導体スイッチ群が直列に接続されたブランチである。正常動作時は、機械式スイッチとLCSがオンとなり、メインブレーカの半導体スイッチ群はオフとなる。故障が検出されると、LCSがオフされ、メインブレーカの半導体スイッチ群はオンとなる。LCSの電圧抑制回路が、機械式スイッチからメインブレーカへ電流を流すための電圧を充電し生成する。全ての電流がメインブレーカに流れると、機械式スイッチが開放される。機械式スイッチは、電流がほぼゼロなので高速に開放される。その後、メインブレーカの半導体スイッチ群がオフになる。この方式では、LCSにより、メインブレーカの半導体スイッチ群への転流(commutation)が先取りして(すなわちプロアクティブに)行われるため、機械式スイッチの遅延が補われる。なお、同様の構成の回路ブレーカが、国際公開第2011/057675号(特許文献1)にも記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
国際公開第2011/057675号
【非特許文献】
【0006】
“Stability, Transient Response, Control, and Safety of a High-Power Electric Grid for Turboelectric Propulsion of Aircraft”, NASA/CR-2013-217865
X. Pei, et al, “A review of technologies for MVDC circuit breakers”, IECON 2016 - 42nd Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
遮断器の故障は、システムに壊滅的な影響を及ぼす場合がある。例えば、電動航空機では、遮断器は、推進系のように運航に関わる重要な部分に用いられる。そのため、遮断器は、故障発生時の航空機への影響度が「Catastrophic」となり、設計保証レベル(Design Assurance Level:DAL)として、レベルAが要求される可能性がある。この場合、遮断器による遮断機能の故障率が10^-9/hour未満であることが求められる。すなわち、遮断器が、1時間当たりの負荷の短絡電流を遮断できない確率が、10^-9/hour未満であることが求められる。上記の文献では、限流・遮断器の故障についてはほとんど触れられていない。
【0008】
例えば、上記従来型ハイブリッド回路ブレーカにおいて、遮断機能の故障率を10^-9/hour未満にするためには、機械式スイッチの故障率と負荷の故障率との積、及び、半導体の故障率と負荷の故障率との積を、いずれも、10^-9/hour未満とする必要がある。負荷では、半導体が多数使用されるため、負荷の故障率は、10^-4/hour未満程度となることが多い。この場合、機械式スイッチ及び半導体の故障率を、10^-5/hour未満に設定する必要がある。機械式スイッチの故障率を10^-5/hour未満にするためには、可動部を堅牢する、及び、接点部の消耗を抑制する等の構成が必要になる。この場合、機械式スイッチは、大型で重量の大きなものになってしまう。
【0009】
また、上記従来型ハイブリッド回路ブレーカでは、負荷の故障を検出してから半導体をオフにするまでの遮断時間は、機械式スイッチの動作時間と絶縁までの回復時間の合計によって決まる。文献等から、遮断時間は、500μ秒程度である。遮断時間が、500μ秒程度である場合、上昇する負荷短絡電流を抑えるため、遮断器の上流又は下流に大きな限流インダクタが必要となる。その結果、システム全体の重量が大きくなってしまう。
【0010】
そこで、本開示は、軽量化しつつ、遮断機能の故障率を低くできる遮断器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】
(【0011】以降は省略されています)

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