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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022151734
(43)【公開日】2022-10-07
(54)【発明の名称】半導体遮断回路
(51)【国際特許分類】
H01H 33/59 20060101AFI20220929BHJP
H01H 9/54 20060101ALI20220929BHJP
H03K 17/687 20060101ALI20220929BHJP
H02H 3/087 20060101ALI20220929BHJP
【ＦＩ】
H01H33/59 D
H01H9/54 E
H03K17/687 A
H02H3/087
【審査請求】未請求
【請求項の数】11
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022041195
(22)【出願日】2022-03-16
(31)【優先権主張番号】P 2021052655
(32)【優先日】2021-03-26
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）２０２０年度国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構，航空機用先進システム実用化プロジェクト／次世代電動推進システム研究開発の委託研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願
(71)【出願人】
【識別番号】591141784
【氏名又は名称】学校法人大阪産業大学
(74)【代理人】
【識別番号】100104444
【弁理士】
【氏名又は名称】上羽 秀敏
(74)【代理人】
【識別番号】100132506
【弁理士】
【氏名又は名称】山内 哲文
(72)【発明者】
【氏名】岩田 明彦
【テーマコード（参考）】
5G004
5G028
5G034
5J055
【Ｆターム（参考）】
5G004AA04
5G004AB03
5G004BA04
5G004CA01
5G004DA03
5G004DA04
5G004EA01
5G028AA24
5G028FB02
5G028FC02
5G034AA04
5J055BX16
5J055CX07
5J055DX13
5J055DX22
5J055DX42
5J055DX72
5J055DX83
5J055EY01
5J055EY05
5J055EY10
5J055EY12
5J055EY21
5J055GX01
(57)【要約】
【課題】軽量性に優れる半導体遮断回路を提供する。
【解決手段】半導体遮断回路１は、直流電源に接続される共通バスｋｐ、ｋｎから分配された直流電流を複数の負荷へそれぞれ伝送する複数の配電経路ｋｐ１～ｋｐ３、ｋｎ１～ｋｎ３と、複数の配電経路ｋｐ１～ｋｐ３、ｋｎ１～ｋｎ３のそれぞれに設けられ、半導体素子で構成された複数のスイッチ部Ｓｐ１～Ｓｐ３、Ｓｎ１～Ｓｎ３と、コンデンサＣａｐ、Ｃａｎと、第１ダイオードブリッジＤｐ１、Ｄｎ１と、第２ダイオードブリッジＤｐ２１～Ｄｐ２３、Ｄｎ２１～Ｄｎ２３とを有するエネルギー吸収部１０ｐ、１０ｎと、を備える。
【選択図】図１
【解決手段】半導体遮断回路１は、直流電源に接続される共通バスｋｐ、ｋｎから分配された直流電流を複数の負荷へそれぞれ伝送する複数の配電経路ｋｐ１～ｋｐ３、ｋｎ１～ｋｎ３と、複数の配電経路ｋｐ１～ｋｐ３、ｋｎ１～ｋｎ３のそれぞれに設けられ、半導体素子で構成された複数のスイッチ部Ｓｐ１～Ｓｐ３、Ｓｎ１～Ｓｎ３と、コンデンサＣａｐ、Ｃａｎと、第１ダイオードブリッジＤｐ１、Ｄｎ１と、第２ダイオードブリッジＤｐ２１～Ｄｐ２３、Ｄｎ２１～Ｄｎ２３とを有するエネルギー吸収部１０ｐ、１０ｎと、を備える。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
直流電源に接続される共通バスから分配された直流電流を複数の負荷へそれぞれ伝送する複数の配電経路と、
前記複数の配電経路のそれぞれに設けられ、半導体素子で構成された複数のスイッチ部と、
前記共通バスと、前記複数のスイッチ部のそれぞれの負荷側の配電経路との間に接続されたコンデンサと、前記共通バスと前記コンデンサとの間に設けられた第１ダイオードブリッジと、前記コンデンサと前記複数のスイッチ部それぞれの負荷側の配電経路との間に設けられた複数の第２ダイオードブリッジとを有するエネルギー吸収部と、を備えた半導体遮断回路。
前記複数の配電経路のそれぞれに設けられ、半導体素子で構成された複数のスイッチ部と、
前記共通バスと、前記複数のスイッチ部のそれぞれの負荷側の配電経路との間に接続されたコンデンサと、前記共通バスと前記コンデンサとの間に設けられた第１ダイオードブリッジと、前記コンデンサと前記複数のスイッチ部それぞれの負荷側の配電経路との間に設けられた複数の第２ダイオードブリッジとを有するエネルギー吸収部と、を備えた半導体遮断回路。
【請求項2】
請求項１に記載の半導体遮断回路であって、
前記共通バスは、バイポーラ直流電源に接続され、グランドに対してプラス側の直流電圧が印加されるプラス側バスと、グランドに対してマイナス側の直流電圧が印加されるマイナス側バスを含み、
前記複数の配電経路は、前記プラス側バスから分配される複数のプラス側配電経路と、前記マイナス側バスから分配される複数のマイナス側配電経路を含み、
前記スイッチ部は、前記複数のプラス側配電経路のそれぞれに設けられた複数のプラス側スイッチ部と、前記複数のマイナス側配電経路のそれぞれに設けられた複数のマイナス側スイッチ部とを含み、
前記エネルギー吸収部は、前記プラス側バスと前記複数のプラス側スイッチ部の負荷側の配電経路との間に接続されたプラス側エネルギー吸収部と、前記マイナス側バスと前記複数のマイナス側スイッチ部の負荷側の配電経路との間に接続されたマイナス側エネルギー吸収部とを含み、
前記プラス側エネルギー吸収部のコンデンサの電圧は、前記プラス側バスと前記マイナス側バスの間の電圧の第１分圧で構成され、
前記マイナス側エネルギー吸収部のコンデンサの電圧は、前記プラス側バスと前記マイナス側バスの間の電圧の第２分圧で構成される、半導体遮断回路。
前記共通バスは、バイポーラ直流電源に接続され、グランドに対してプラス側の直流電圧が印加されるプラス側バスと、グランドに対してマイナス側の直流電圧が印加されるマイナス側バスを含み、
前記複数の配電経路は、前記プラス側バスから分配される複数のプラス側配電経路と、前記マイナス側バスから分配される複数のマイナス側配電経路を含み、
前記スイッチ部は、前記複数のプラス側配電経路のそれぞれに設けられた複数のプラス側スイッチ部と、前記複数のマイナス側配電経路のそれぞれに設けられた複数のマイナス側スイッチ部とを含み、
前記エネルギー吸収部は、前記プラス側バスと前記複数のプラス側スイッチ部の負荷側の配電経路との間に接続されたプラス側エネルギー吸収部と、前記マイナス側バスと前記複数のマイナス側スイッチ部の負荷側の配電経路との間に接続されたマイナス側エネルギー吸収部とを含み、
前記プラス側エネルギー吸収部のコンデンサの電圧は、前記プラス側バスと前記マイナス側バスの間の電圧の第１分圧で構成され、
前記マイナス側エネルギー吸収部のコンデンサの電圧は、前記プラス側バスと前記マイナス側バスの間の電圧の第２分圧で構成される、半導体遮断回路。
【請求項3】
請求項１又は２に記載の半導体遮断回路であって、
前記スイッチ部に流れる電流に応じて、前記スイッチ部を遮断する遮断制御部をさらに備えた、半導体遮断回路。
前記スイッチ部に流れる電流に応じて、前記スイッチ部を遮断する遮断制御部をさらに備えた、半導体遮断回路。
【請求項4】
請求項１～３のいずれか１項に記載の半導体遮断回路であって、
前記負荷に流れる電流に応じて、前記スイッチ部の導通及び遮断を切り替えることで、前記負荷の電流を制御する負荷電流制御部をさらに備えた、半導体遮断回路。
前記負荷に流れる電流に応じて、前記スイッチ部の導通及び遮断を切り替えることで、前記負荷の電流を制御する負荷電流制御部をさらに備えた、半導体遮断回路。
【請求項5】
請求項４に記載の半導体遮断回路であって、
前記負荷電流制御部は、前記負荷の電流の制御中に前記エネルギー吸収部の前記コンデンサの電圧が所定値以上になった場合に、制御を停止し、前記スイッチ部を遮断する、半導体遮断回路。
前記負荷電流制御部は、前記負荷の電流の制御中に前記エネルギー吸収部の前記コンデンサの電圧が所定値以上になった場合に、制御を停止し、前記スイッチ部を遮断する、半導体遮断回路。
【請求項6】
請求項２に記載の半導体遮断回路であって、
前記プラス側エネルギー吸収部のコンデンサの電圧を構成する前記第１分圧は可変であり、
前記マイナス側エネルギー吸収部のコンデンサの電圧を構成する前記第２分圧は可変である、半導体遮断回路。
前記プラス側エネルギー吸収部のコンデンサの電圧を構成する前記第１分圧は可変であり、
前記マイナス側エネルギー吸収部のコンデンサの電圧を構成する前記第２分圧は可変である、半導体遮断回路。
【請求項7】
請求項１～６のいずれか１項に記載の半導体遮断回路を備えるＤＣグリッドシステムであって、
第１直流電源及び第２直流電源と、
前記第１直流電源に接続される第１共通バス及び前記第２直流電源に接続される第２共通バスと、
前記第１共通バスに接続される第１半導体遮断回路、及び前記第２共通バスに接続される第２半導体遮断回路と、
前記第１半導体遮断回路が有する複数の配電経路にそれぞれ接続される複数の第１負荷、及び前記第２半導体遮断回路が有する複数の配電経路にそれぞれ接続される複数の第２負荷と、
前記第１共通バスと前記第２共通バスの間に設けられた冗長用切替器と、を備え、
前記第１半導体遮断回路及び前記第２半導体遮断回路は、請求項１～６のいずれか１項に記載の半導体遮断回路である、ＤＣグリッドシステム。
第１直流電源及び第２直流電源と、
前記第１直流電源に接続される第１共通バス及び前記第２直流電源に接続される第２共通バスと、
前記第１共通バスに接続される第１半導体遮断回路、及び前記第２共通バスに接続される第２半導体遮断回路と、
前記第１半導体遮断回路が有する複数の配電経路にそれぞれ接続される複数の第１負荷、及び前記第２半導体遮断回路が有する複数の配電経路にそれぞれ接続される複数の第２負荷と、
前記第１共通バスと前記第２共通バスの間に設けられた冗長用切替器と、を備え、
前記第１半導体遮断回路及び前記第２半導体遮断回路は、請求項１～６のいずれか１項に記載の半導体遮断回路である、ＤＣグリッドシステム。
【請求項8】
直流電源に接続される共通バスから分配された直流電流を複数の負荷へそれぞれ伝送する複数の配電経路と、
前記複数の配電経路のそれぞれに設けられたリアクトル群と、
前記複数の配電経路のそれぞれに設けられ、半導体素子で構成された複数のスイッチ部と、
前記複数のスイッチ部に並列に接続され、前記複数のスイッチ部の少なくとも１つが遮断した場合の短絡エネルギーを吸収するエネルギー吸収部と、を備え、
前記複数の配電経路のうち少なくとも１つに設けられたリアクトルは、他の配電経路に設けられたリアクトルとコアを共有している、半導体遮断回路。
前記複数の配電経路のそれぞれに設けられたリアクトル群と、
前記複数の配電経路のそれぞれに設けられ、半導体素子で構成された複数のスイッチ部と、
前記複数のスイッチ部に並列に接続され、前記複数のスイッチ部の少なくとも１つが遮断した場合の短絡エネルギーを吸収するエネルギー吸収部と、を備え、
前記複数の配電経路のうち少なくとも１つに設けられたリアクトルは、他の配電経路に設けられたリアクトルとコアを共有している、半導体遮断回路。
【請求項9】
請求項８に記載の半導体遮断回路であって、
前記複数の配電経路の各々に設けられたリアクトルは、直列方向に分割されており、各配電経路の分割された複数の分割リアクトルのうち少なくとも２つは、それぞれにおいて、他の配電経路の分割リアクトルとコアを共有し、
前記複数の配電経路の各々における複数の分割リアクトルは、他の配電経路で短絡が生じた場合に前記複数の分割リアクトルの少なくとも２つにおいて誘導される起電力の極性が異なるよう巻線方向が施された、半導体遮断回路。
前記複数の配電経路の各々に設けられたリアクトルは、直列方向に分割されており、各配電経路の分割された複数の分割リアクトルのうち少なくとも２つは、それぞれにおいて、他の配電経路の分割リアクトルとコアを共有し、
前記複数の配電経路の各々における複数の分割リアクトルは、他の配電経路で短絡が生じた場合に前記複数の分割リアクトルの少なくとも２つにおいて誘導される起電力の極性が異なるよう巻線方向が施された、半導体遮断回路。
【請求項10】
請求項９に記載の半導体遮断回路であって、
前記共通バスに接続される前記複数の配電経路の数がｎ（ｎは、２～８のうちいずれかの整数）であり、
前記複数の配電経路の各々における複数の分割リアクトルの数ｍは、
ｎ＝２の場合は、ｍ＝２、
ｎ＝３又は４の場合は、ｍ＝４、
ｎ＝５～８の場合は、ｍ＝８であり、
ｎ＝２の場合は、前記複数の配電経路の各々における複数の分割リアクトルは、他の配電経路で短絡が生じた場合にｍ＝２の分割リアクトルに生じる起電力が互いに打ち消し合うように巻線方向が施され、
ｎ＝３又は４の場合は、４本の配電経路それぞれに４つの分割リアクトルが接続された構成であって、他の配電経路で短絡が生じた場合にｍ＝４の分割リアクトルに生じる起電力が互いに打ち消し合うように巻線方向が施された構成における３又は４本の配電経路の分割リアクトルで、前記複数の配電経路の分割リアクトルが構成され、
ｎ＝５～８の場合は、８本の配電経路それぞれに８つの分割リアクトルが接続された構成であって、他の配電経路で短絡が生じた場合にｍ＝８の分割リアクトルに生じる起電力が互いに打ち消し合うように巻線方向が施された構成における、５～８本のいずれかの本数の配電経路の分割リアクトルで、前記複数の配電経路の分割リアクトルが構成される、半導体遮断回路。
前記共通バスに接続される前記複数の配電経路の数がｎ（ｎは、２～８のうちいずれかの整数）であり、
前記複数の配電経路の各々における複数の分割リアクトルの数ｍは、
ｎ＝２の場合は、ｍ＝２、
ｎ＝３又は４の場合は、ｍ＝４、
ｎ＝５～８の場合は、ｍ＝８であり、
ｎ＝２の場合は、前記複数の配電経路の各々における複数の分割リアクトルは、他の配電経路で短絡が生じた場合にｍ＝２の分割リアクトルに生じる起電力が互いに打ち消し合うように巻線方向が施され、
ｎ＝３又は４の場合は、４本の配電経路それぞれに４つの分割リアクトルが接続された構成であって、他の配電経路で短絡が生じた場合にｍ＝４の分割リアクトルに生じる起電力が互いに打ち消し合うように巻線方向が施された構成における３又は４本の配電経路の分割リアクトルで、前記複数の配電経路の分割リアクトルが構成され、
ｎ＝５～８の場合は、８本の配電経路それぞれに８つの分割リアクトルが接続された構成であって、他の配電経路で短絡が生じた場合にｍ＝８の分割リアクトルに生じる起電力が互いに打ち消し合うように巻線方向が施された構成における、５～８本のいずれかの本数の配電経路の分割リアクトルで、前記複数の配電経路の分割リアクトルが構成される、半導体遮断回路。
【請求項11】
請求項１０に記載の半導体遮断回路であって、
ｎ本の前記配電経路のうち少なくとも２本の配電経路の各々におけるｍ個の分割リアクトルのうち最も前記共通バスに近い位置の分割リアクトルが、他の配電経路の分割リアクトルと共通化されるか、又は、省略される、半導体遮断回路。
ｎ本の前記配電経路のうち少なくとも２本の配電経路の各々におけるｍ個の分割リアクトルのうち最も前記共通バスに近い位置の分割リアクトルが、他の配電経路の分割リアクトルと共通化されるか、又は、省略される、半導体遮断回路。
【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半導体遮断回路に関するものである。
【背景技術】
【0002】
電動航空機のＤＣグリッド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、接続切替ができるように構成されている。そのため、電動航空機においては、事故電流を限流しつつ素早く切り離すＤＣ回路ブレーカは重要なパーツと位置付けられる。例えば、下記非特許文献１の図８６には、冗長切替システムの構成が記載されている。この構成では、７２個のＤＣ回路ブレーカが用いられている。
【0003】
下記非特許文献２の図１では、マルチターミナルな配電構成として、複数のＳＳＰＣ (Solid State Power Controller)を経由して各負荷にＤＣ電力を供給する配電構成が提案されている。ＳＳＰＣは、負荷電流が所定の値を超えると半導体素子を遮断し、配線のインダクタのエネルギーを処理しつつ電流をゼロに導く動作となる。下記非特許文献３の図２には、ＳｉＣパワー半導体デバイスを用いたＳＳＣＢ（Solid-state circuit breaker）の構成が記載されている。このＳＳＣＢは、双方向に直列接続された半導体素子に、エネルギー吸収用のアバランシェダイオードが並列に接続された構成となっている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0004】
【非特許文献1】Michael Armstrong, “Stability, Transient ReＳｐonse, Control, and Safety of a High-Power Electric Grid for Turboelectric Propulsion of Aircraft”, （米） NASA/CR-2013-217865, January 1, 2013, Figure 76.
【非特許文献2】A. Barrado, et al. “Behavioural Modeling of Solid State Power Controllers (SSPC) for Distributed Power Systems”, （米） 10.1109/APEC.2009.4802897, IEEE, 21 March, 2009, Figure 1.
【非特許文献3】J.Hayes. et al. “Bidirectional, SiC module-based solid-state circuit breakers for 270 Vdc MEA/AEA systems”, 2016 IEEE 4th Workshop on Wide Bandgap Power Devices and Applications, （米） 10.1109/WiPDA.2016.7799912, IEEE, 29 December, 2016, Figure 2.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
発明者は、上記のＳＳＰＣの構成でマルチターミナルな配電系を構成する場合、以下の課題があることを見出している。まず、配電系の冗長構成のためＳＳＣＢの数が多くなる。全てのＳＳＣＢに独立のアバランシェダイオードおよびその他のエネルギー吸収部を備える必要がある。そのため、装置容量が増加し、重量が大きくなる。次に、上記のＳＳＣＢの構成では、遮断時のエネルギーを吸収する時間はアバランシェダイオードの電圧の大きさで決まる。そのため、状況に応じて遮断の速度を変えることができない。例えば、負荷が軽いときに、遮断の速度を遅くして、遮断よりも限流に重きをおくといった調整はできない。さらに、上記のＳＳＣＢの技術思想は、あくまでも電流の遮断であるため、限流器を外部に備える必要がある。又は、限流用のリアクトルを外部に接続する必要がある。その結果、重量が大きくなる。
【0006】
そこで、本発明は、軽量性に優れる半導体遮断回路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】
【0007】
本発明の実施形態における半導体遮断回路は、直流電源に接続される共通バスから分配された直流電流を複数の負荷へそれぞれ伝送する複数の配電経路と、前記複数の配電経路のそれぞれに設けられ、半導体素子で構成された複数のスイッチ部と、前記共通バスと、前記複数のスイッチ部のそれぞれの負荷側の配電経路との間に接続されたコンデンサと、前記共通バスと前記コンデンサとの間に設けられた第１ダイオードブリッジと、前記コンデンサと前記複数のスイッチ部それぞれの負荷側の配電経路との間に設けられた複数の第２ダイオードブリッジとを有するエネルギー吸収部と、を備える。
【発明の効果】
【0008】
本発明によれば、軽量性に優れる半導体遮断回路を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【図1】本発明の実施形態における半導体遮断回路の構成例を示す図。
【図2】事故時の負荷電流と、スイッチ部両端電圧の変化の一例を示す図。
【図3】遮断速度と初期充電電圧との関係を説明するための図。
【図5】制御される負荷電流及びスイッチ部両端電圧の例を示す図。
【図6】制御される負荷電流及びスイッチ部両端電圧の他の例を示す図。
【図7】スイッチ部の構成の変形例を示す図。
【図8】本実施形態におけるＤＣグリッドシステムの構成例を示す図。
【図9】本実施形態における半導体遮断回路の構成の変形例を示す図。
【図10】配電経路が２本（ｎ＝２）の場合のリアクトル群の構成例を示す図。
【図12】配電経路が４本（ｎ＝４）の場合のリアクトル群の構成例を示す図。
【図13】配電経路が８本（ｎ＝８）の場合のリアクトル群の構成例を示す図。
【図17】本実施形態における半導体遮断回路の構成の他の変形例を示す図。
【図18】本実施形態における半導体遮断回路の構成の他の変形例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【0010】
本発明の実施形態における半導体遮断回路は、直流電源に接続される共通バスから分配された直流電流を複数の負荷へそれぞれ伝送する複数の配電経路と、前記複数の配電経路のそれぞれに設けられ、半導体素子で構成された複数のスイッチ部と、前記共通バスと、前記複数のスイッチ部のそれぞれの負荷側の配電経路との間に接続されたコンデンサと、前記共通バスと前記コンデンサとの間に設けられた第１ダイオードブリッジと、前記コンデンサと前記複数のスイッチ部それぞれの負荷側の配電経路との間に設けられた複数の第２ダイオードブリッジとを有するエネルギー吸収部と、を備える。
【0011】
上記構成では、複数のスイッチ部の共通バス側（上流側）は、共通の第１ダイオードブリッジを介してコンデンサへ接続される。複数のスイッチ部の負荷側（下流側）は、それぞれ、別々の第２ダイオードブリッジを介してコンデンサに接続される。複数の配電経路のうち１つで事故電流が検出された場合、その配電経路のスイッチ部を遮断することにより、事故電流を、第１ダイオードブリッジに通してコンデンサに迂回させることができる。事故電流は、コンデンサを充電しながら複数の第２ダイオードブリッジのうちの遮断されたスイッチに接続される第２ダイオードブリッジを通り負荷に流れる。この充電によりエネルギーがコンデンサに吸収されるため、事故電流は減衰する。これにより、限流及び遮断が可能になる。この構成によれば、複数の配電経路のうち１つの負荷で事故が起きても、他の配電経路とは独立して、コンデンサでエネルギーが吸収される。すなわち、複数のスイッチ部は、１つのエネルギー吸収回路を共有する。この構成は、複数のスイッチ部の各々にエネルギー吸収回路を設ける構成に比べて軽量になる。また、エネルギー吸収回路はコンデンサにより構成される。そのため、コンデンサの電圧を調整することで、事故電流の減衰の速度を調整できる。すなわち、遮断速度が調整できる。このように、上記構成によれば、軽量性に優れ、且つ、遮断速度の調整ができる半導体遮断回路が得られる。
【0012】
スイッチ部は、例えば、半導体スイッチ素子により構成される双方向スイッチとすることができる。半導体スイッチ素子には、例えば、IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）、IGCT（Integrated gate-commutated thyristor）、又は、MOSFET（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）等を用いることができる。例えば、２つの半導体トランジスタのソース同士を接続したものをスイッチ部とすることができる。
【0013】
スイッチ部は、半導体スイッチ素子及び前記半導体スイッチ素子に並列に接続された機械式スイッチを有してもよい。これにより、スイッチ部の導通時の導通損失を抑えることができる。この構成において、スイッチ部を遮断する時には、機械式スイッチを遮断した後に半導体スイッチ素子を遮断してもよい。すなわち、まず機械式スイッチを遮断し半導体スイッチ素子を導通した状態にして電流を半導体スイッチに転流した後に、半導体スイッチ素子を遮断することができる。これにより、機械式スイッチのアーク発生を抑えることができる。
【0014】
コンデンサは、例えば、ＤＣバスが接続される直流電源、又はその他の直流電源により予め所定電圧に充電することができる。例えば、直流電源の分圧又は、直流電源の電圧を変換した電圧によりコンデンサが予め充電されるよう構成されてもよい。
【0015】
前記共通バスは、バイポーラ直流電源に接続され、グランドに対してプラス側の直流電圧が印加されるプラス側バスと、グランドに対してマイナス側の直流電圧が印加されるマイナス側バスを含んでもよい。前記複数の配電経路は、前記プラス側バスから分配される複数のプラス側配電経路と、前記マイナス側バスから分配される複数のマイナス側配電経路を含んでもよい。前記スイッチ部は、前記複数のプラス側配電経路のそれぞれに設けられた複数のプラス側スイッチ部と、前記複数のマイナス側配電経路のそれぞれに設けられた複数のマイナス側スイッチ部とを含んでもよい。前記エネルギー吸収部は、前記プラス側バスと前記複数のプラス側スイッチ部の負荷側の配電経路との間に接続されたプラス側エネルギー吸収部と、前記マイナス側バスと前記複数のマイナス側スイッチ部の負荷側の配電経路との間に接続されたマイナス側エネルギー吸収部とを含んでもよい。前記プラス側エネルギー吸収部のコンデンサの電圧は、前記プラス側バスと前記マイナス側バスの間の電圧の第１分圧で構成されてもよい。前記マイナス側エネルギー吸収部のコンデンサの電圧は、前記プラス側バスと前記マイナス側バスの間の電圧の第２分圧で構成されてもよい。
【0016】
上記構成によれば、バイポーラ構成において、複数のプラス側配電経路が１つのプラス側エネルギー吸回路を共有し、複数のマイナス側配電経路が１つのマイナス側エネルギー吸収回路を共有する。これにより、エネルギー吸収部を小さくできるので、軽量化が可能になる。さらに、プラス側エネルギー吸収部のコンデンサの電圧は、バイポーラ電源のプラス側電圧とマイナス側電圧の間の電圧の分圧となる。これにより、プラス側エネルギー吸収部のコンデンサの電圧の調整範囲が広くなる。同様に、マイナス側エネルギー吸収部のコンデンサの電圧の調整範囲も広くなる。そのため、遮断速度の調整可能域が広くなる。
【0017】
上記半導体遮断回路は、前記スイッチ部に流れる電流に応じて、前記スイッチ部を遮断する遮断制御部をさらに備えてもよい。これにより、例えば、負荷の短絡等により、スイッチ部の電流が所定範囲を越えた場合に、電流を遮断することができる。
【0018】
上記半導体遮断回路は、前記負荷に流れる電流に応じて、前記スイッチ部の導通及び遮断を切り替えることで、前記負荷の電流を制御する負荷電流制御部をさらに備えてもよい。これにより、例えば、負荷の電流が所定範囲になるよう制御できる。例えば、事故により電流が上昇しようとする場合に、限流して電流が所定範囲を超えないよう制御することができる。
【0019】
前記負荷電流制御部は、前記負荷の電流の制御中に前記エネルギー吸収部の前記コンデンサの電圧が所定値以上になった場合に、制御を停止し、前記スイッチ部を遮断してもよい。コンデンサが所定値以上になった場合に、コンデンサのエネルギー吸収による電流の制御を停止し、遮断することで、コンデンサの過充電を防ぐことができる。
【0020】
前記プラス側エネルギー吸収部のコンデンサの電圧を構成する前記第１分圧は可変であってもよい。前記マイナス側エネルギー吸収部のコンデンサの電圧を構成する前記第２分圧は可変であってもよい。これにより、プラス側エネルギー吸収部及びマイナス側エネルギー吸収部による遮断速度を変えることができる。例えば、前記プラス側エネルギー吸収部のコンデンサの両端に並列に接続される分圧抵抗を可変とすることで、第１分圧を可変にできる。同様に、前記マイナス側エネルギー吸収部のコンデンサの両端に並列に接続される分圧抵抗を可変とすることで、第２分圧を可変にできる。
【0021】
上記の半導体遮断回路を備えるＤＣ配電システムも、本発明の実施形態に含まれる。ＤＣ配電システムは、直流電源と、前記直流電源に接続される共通バスと、前記共通バスに接続される前記半導体遮断回路と、を備える。
【0022】
上記の半導体遮断回路を備えるＤＣグリッドシステムも、本発明の実施形態に含まれる。本実施形態におけるＤＣグリッドシステムは、第１直流電源及び第２直流電源と、前記第１直流電源に接続される第１共通バス及び前記第２直流電源に接続される第２共通バスと、前記第１共通バスに接続される第１半導体遮断回路、及び前記第２共通バスに接続される第２半導体遮断回路と、前記第１半導体遮断回路が有する複数の配電経路にそれぞれ接続される複数の第１負荷、及び前記第２半導体遮断回路が有する複数の配電経路にそれぞれ接続される複数の第２負荷と、前記第１共通バスと前記第２共通バスの間に設けられた冗長用切替器と、を備える。前記第１半導体遮断回路及び前記第２半導体遮断回路は、上記の半導体遮断回路である。
【0023】
本発明の実施形態における半導体遮断回路は、直流電源に接続される共通バスから分配された直流電流を複数の負荷へそれぞれ伝送する複数の配電経路と、前記複数の配電経路のそれぞれに設けられたリアクトル群と、前記複数の配電経路のそれぞれに設けられ、半導体素子で構成された複数のスイッチ部と、前記複数のスイッチ部に並列に接続され、前記複数のスイッチ部の少なくとも１つが遮断した場合の短絡エネルギーを吸収するエネルギー吸収部と、を備える。前記複数の配電経路のうち少なくとも１つに設けられたリアクトルは、他の配電経路に設けられたリアクトルとコアを共有している。
【0024】
上記構成では、複数のスイッチ部の少なくとも１つが遮断した場合、エネルギー吸収部が、遮断された配電経路のリアクトルのエネルギーを吸収する。そのため、限流及び遮断が可能になる。複数の配電経路に設けられたリアクトル群は、コアを互いに共有する。これにより、コアの量を減らし、リアクトルを軽量化できる。結果として、軽量性に優れた半導体遮断回路が得られる。
【0025】
前記エネルギー吸収部は、前記複数のスイッチ部に並列に接続されたコンデンサ又は電圧クランプ素子と、前記コンデンサ又は電圧クランプ素子と前記共通バスの間に設けられた第１ダイオードブリッジと、前記コンデンサ又は電圧クランプ素子と前記複数のスイッチ部のそれぞれの負荷側の配電経路との間に設けられた第２ダイオードブリッジとを含んでもよい。
【0026】
この構成によれば、複数の配電経路のうち１つの負荷で事故が起きても、他の配電経路とは独立して、コンデンサ又は電圧クランプ素子でエネルギーが吸収される。すなわち、複数のスイッチ部は、１つのエネルギー吸収回路を共有する。この構成は、複数のスイッチ部の各々にエネルギー吸収回路を設ける構成に比べて軽量になる。
【0027】
前記複数の配電経路の各々に設けられたリアクトルは、直列方向に分割されており、各配電経路の分割された複数の分割リアクトルのうち少なくとも２つは、それぞれにおいて、他の配電経路の分割リアクトルとコアを共有してもよい。前記複数の配電経路の各々における複数の分割リアクトルは、他の配電経路で短絡が生じた場合に前記複数の分割リアクトルの少なくとも２つにおいて誘導される起電力の極性が異なるよう巻線方向が施されてもよい。
【0028】
この構成において、各配電経路における少なくとも２つの分割リアクトルは、それぞれ、異なるコアを他の配電経路の分割リアクトルと共有する。複数の配電経路の１つにおいてスイッチ部が切断されて短絡が生じると、短絡した配電経路の分割リアクトルと、その分割リアクトルとコアを共有する他の配電経路の分割リアクトルに起電力が誘導される。この起電力の極性は、分割リアクトルの巻線方向によって決まる。上記構成では、複数の配電経路のいずれか１つで短絡が生じた場合に、他の全ての配電経路において、短絡配電経路の複数の分割リアクトルとそれぞれコアを共有する複数の分割リアクトルのうち少なくとも２つの極性が異なるよう各分割リアクトルの巻線方向が施される。そのため、複数の配電経路のそれぞれにおいては、少なくとも２つの分割リアクトルで、短絡により互いに逆向きの起電力が誘導される。これにより、短絡が生じていない他の配電経路において、他の配電経路の短絡による電圧の変動が抑えられる。そのため、他の配電経路における負荷電流及び負荷電圧の変動も抑えられる。すなわち、複数の配電経路のリアクトル群がコアを共有することによる短絡配電経路が他の配電経路へ与える影響度合いを低減することができる。
【0029】
リアクトルの巻線方向は、リアクトルすなわちインダクタの巻線をコアに巻く向きである。巻線方向は、コアの軸方向から見て右巻き方向、及び左巻き方向の２つの方向のうちいずれかとなる。巻線方向が逆になると、リアクトルの自己誘導起電力の極性が逆になる（すなわち逆相になる）。例えば、巻き数及びコアが同じで、巻線方向が互いに逆の２つのリアクトルが直列に接続された線路に電流が流れると、２つのリアクトルの誘導される起電力は互いに打ち消し合う。この場合、誘導される起電力の総和は実質的に０となる。
【0030】
前記半導体遮断回路において、前記共通バスに接続される前記複数の配電経路の数がｎ（ｎは、２～８のうちいずれかの整数）であってもよい。
前記複数の配電経路の各々における複数の分割リアクトルの数ｍは、
ｎ＝２の場合は、ｍ＝２、
ｎ＝３又は４の場合は、ｍ＝４、
ｎ＝５～８の場合は、ｍ＝８としてもよい。
ｎ＝２の場合、前記複数の配電経路の各々における複数の分割リアクトルは、他の配電経路で短絡が生じた場合にｍ＝２の分割リアクトルに生じる起電力が互いに打ち消し合うように巻線方向が施されてもよい。
ｎ＝３又は４の場合は、４本の配電経路それぞれに４つの分割リアクトルが接続された構成であって、他の配電経路で短絡が生じた場合にｍ＝４の分割リアクトルに生じる起電力が互いに打ち消し合うように巻線方向が施された構成における３又は４本の配電経路の分割リアクトルで、前記複数の配電経路の分割リアクトルが構成されてもよい。
ｎ＝５～８の場合は、８本の配電経路それぞれに８つの分割リアクトルが接続された構成であって、他の配電経路で短絡が生じた場合にｍ＝８の分割リアクトルに生じる起電力が互いに打ち消し合うように巻線方向が施された構成における、５～８本のいずれかの本数の配電経路の分割リアクトルで、前記複数の配電経路の分割リアクトルが構成されてもよい。
前記複数の配電経路の各々における複数の分割リアクトルの数ｍは、
ｎ＝２の場合は、ｍ＝２、
ｎ＝３又は４の場合は、ｍ＝４、
ｎ＝５～８の場合は、ｍ＝８としてもよい。
ｎ＝２の場合、前記複数の配電経路の各々における複数の分割リアクトルは、他の配電経路で短絡が生じた場合にｍ＝２の分割リアクトルに生じる起電力が互いに打ち消し合うように巻線方向が施されてもよい。
ｎ＝３又は４の場合は、４本の配電経路それぞれに４つの分割リアクトルが接続された構成であって、他の配電経路で短絡が生じた場合にｍ＝４の分割リアクトルに生じる起電力が互いに打ち消し合うように巻線方向が施された構成における３又は４本の配電経路の分割リアクトルで、前記複数の配電経路の分割リアクトルが構成されてもよい。
ｎ＝５～８の場合は、８本の配電経路それぞれに８つの分割リアクトルが接続された構成であって、他の配電経路で短絡が生じた場合にｍ＝８の分割リアクトルに生じる起電力が互いに打ち消し合うように巻線方向が施された構成における、５～８本のいずれかの本数の配電経路の分割リアクトルで、前記複数の配電経路の分割リアクトルが構成されてもよい。
【0031】
上記構成により、複数の配電経路の１つにおいてスイッチ部が切断されて短絡が生じた場合、他の配電経路のそれぞれにおける複数の分割リアクトルに誘導される起電力が互いに打ち消し合う。そのため、複数の配電経路のリアクトル群がコアを共有することによる短絡配電経路が他の配電経路へ与える影響度合いをより低減することができる。
【0032】
上記構成において、ｎ＝２の場合に、他の配電経路で短絡が生じた場合にｍ＝２の分割リアクトルに生じる起電力の総和が実質的にゼロになるよう巻線方向が施されてもよい。ここで、起電力の総和が実質的にゼロとは、遮断回路の機能として無視できる程度に微小な起電力が生じている場合も含むものとする。
【0033】
複数の配電経路における分割リアクトルの巻線方向の配置は、巻線方向を１又は－１でとして、配電経路の数ｎ×各配電経路の分割リアクトルの数ｍの行列で表すことができる。この行列は、各行は各配電経路に相当し、各列は、１つのコアを共有する分割リアクトルに相当する。
【0034】
ｎ＝２の場合の巻線方向の行列（２×２行列）をアマダ―ル行列の定義に従い４×４の行列に拡大した行列は、ｎ＝４本の配電経路のいずれかにおいて、他の配電経路で短絡が生じた場合にｍ＝４の分割リアクトルに生じる起電力が互いに打ち消し合うように巻線方向が施された構成を示す。ｎ＝３又は４の場合は、この４×４の構成のうち、３又は４本の配電経路における分割リアクトルの巻線方向の配置（すなわち、３×４又は４×４の構成）を採用することができる。
【0035】
ｎ＝４の場合の巻線方向の行列（４×４行列）をアマダ―ル行列の定義に従い８×８の行列に拡大した行列は、ｎ＝８本の配電経路のいずれかにおいて、他の配電経路で短絡が生じた場合にｍ＝８の分割リアクトルに生じる起電力が互いに打ち消し合うように巻線方向が施された構成を示す。ｎ＝５～８のいずれかの場合は、この８×８の構成のうち、５～８本のいずれかの配電経路における分割リアクトルの巻線方向の配置（すなわち、５×８、６×８、７×８又は８×８のいずれかの構成）を採用することができる。
【0036】
ｎ本の前記配電経路のうち少なくとも本の配電経路の各々におけるｍ個の分割リアクトルのうち最も前記共通バスに近い位置の分割リアクトルが、他の配電経路の分割リアクトルと共通化されるか、又は、省略されてもよい。これにより、リアクトル群をより軽量化できる。
【0037】
（構成例）
図１は、本発明の実施形態における半導体遮断回路の構成例を示す図である。図１に示す半導体遮断回路１は、バイポーラ構成の直流電源と、複数の負荷との間に設けられる。直流電源は、グランドに対してプラスの電圧＋ＶＤＣと、グランドに対してマイナス側の電圧－ＶＤＣをそれぞれ独立した配線から供給する。半導体遮断回路１は、直流電源のプラス側配線及びマイナス側配線のそれぞれから分岐した複数の配電経路の各々について互いに独立して、限流及び遮断をするように構成される。例えば、複数の配電経路の１つに接続される負荷における短絡等の事故により過電流、すなわち事故電流が発生した場合に、半導体遮断回路は、事故電流が発生した配電経路のみを限流又は遮断する。
図１は、本発明の実施形態における半導体遮断回路の構成例を示す図である。図１に示す半導体遮断回路１は、バイポーラ構成の直流電源と、複数の負荷との間に設けられる。直流電源は、グランドに対してプラスの電圧＋ＶＤＣと、グランドに対してマイナス側の電圧－ＶＤＣをそれぞれ独立した配線から供給する。半導体遮断回路１は、直流電源のプラス側配線及びマイナス側配線のそれぞれから分岐した複数の配電経路の各々について互いに独立して、限流及び遮断をするように構成される。例えば、複数の配電経路の１つに接続される負荷における短絡等の事故により過電流、すなわち事故電流が発生した場合に、半導体遮断回路は、事故電流が発生した配電経路のみを限流又は遮断する。
【0038】
図１に示す例では、半導体遮断回路１は、直流電源のプラス側電圧の配線であるプラス側共通バスｋｐ（以下、単に共通バスｋｐと称する）に接続された複数のプラス側配電経路ｋｐ１～ｋｐ３（以下単に、配電経路ｋｐ１～ｋｐ３と称する）を備える。複数の配電経路ｋｐ１～ｋｐ３のそれぞれに負荷が接続される。複数の配電経路ｋｐ１～ｋｐ３のそれぞれにおいて、共通バスｋｐと負荷との間に、プラス側スイッチ部Ｓｐ１～Ｓｐ３（以下、単にスイッチ部Ｓｐ１～Ｓｐ３と称する）が設けられる。スイッチ部Ｓｐ１～Ｓｐ３は、半導体スイッチ素子により構成される双方向スイッチである。複数のスイッチ部Ｓｐ１～Ｓｐ３のそれぞれは、各配電経路ｋｐ１～ｋｐ３に設けられたセンサｂｐ１～ｂｐ３（電流センサ）で検出された電流に応じてオン／オフすなわち導通／遮断が制御される。
【0039】
半導体遮断回路１は、直流電源のマイナス側電圧の配線であるマイナス側共通バスｋｎに接続された複数のマイナス側配電経路ｋｎ１～ｋｎ３（以下、単に配電経路ｋｎ１～ｋｎ３と称する）を備える。複数の配電経路ｋｎ１～ｋｎ３のそれぞれに負荷が接続される。複数の配電経路ｋｎ１～ｋｎ３のそれぞれにおいて、共通バスｋｎと負荷との間に、マイナス側スイッチ部Ｓｎ１～Ｓｎ３（以下、単にスイッチ部Ｓｎ１～Ｓｎ３と称する）が設けられる。スイッチ部Ｓｎ１～Ｓｎ３は、半導体スイッチ素子により構成される双方向スイッチである。複数のスイッチ部Ｓｎ１～Ｓｐ３のそれぞれ図９は、各配電経路ｋｎ１～ｋｎ３に設けられたセンサｂｎ１～ｂｎ３で検出された電流に応じてオン／オフすなわち導通／遮断が制御される。
【0040】
共通バスｋｐと、スイッチ部Ｓｐ１～Ｓｐ３の負荷側の配電経路ｋｐ１～ｋｐ３との間に、プラス側エネルギー吸収部１０ｐ（以下、単にエネルギー吸収部１０ｐと称する。）が接続される。エネルギー吸収部１０ｐは、エネルギー吸収回路として１つのコンデンサＣａｐを有する。コンデンサＣａｐは、スイッチ部Ｓｐ１～Ｓｐ３に対して並列に接続される。共通バスｋｐとコンデンサＣａｐの間に第１ダイオードブリッジＤｐ１が設けられる。第１ダイオードブリッジＤｐ１は、直列に接続された２つのダイオードを含むアームで構成される。第１ダイオードブリッジＤｐ１のアームのカソードがコンデンサＣａｐの一方電極に、アノードがコンデンサＣａｐの他方電極に接続される。第１ダイオードブリッジＤｐ１のアームを構成する２つのダイオードの間のノードが、共通バスｋｐに接続される。コンデンサＣａｐと複数の配電経路ｋｐ１～ｋｐ３の夫々との間には、第２ダイオードブリッジＤｐ２１～Ｄｐ２３が接続される。第２ダイオードブリッジＤｐ２１～Ｄｐ２３は、直列に接続された２つのダイオードを含むアームで構成される。第２ダイオードブリッジＤｐ２１～Ｄｐ２３のそれぞれのアームのカソードがコンデンサＣａｐの一方電極に、アノードがコンデンサＣａｐの他方電極に接続される。第２ダイオードブリッジＤｐ２１～Ｄｐ２３のそれぞれのアームを構成する２つのダイオードの間のノードが、スイッチ部Ｓｐ１～Ｓｐ３の負荷側の配電経路ｋｐ１～ｋｐ３にそれぞれ接続される。なお、図１に示す例では、第１ダイオードブリッジＤｐ１及び第２ダイオードブリッジＤｐ２１～Ｄｐ２３はいずれもハーフブリッジ回路で構成される。
【0041】
エネルギー吸収部１０ｐは、スイッチ部Ｓｐ１～Ｓｐ３の迂回経路を形成する。エネルギー吸収部１０ｐは、迂回経路を、共通バスｋｐから第１ダイオードブリッジを経由してエネルギー吸収回路である入り口（すなわち、コンデンサＣａｐの一方電極）に導き、エネルギー吸収回路の出口（すなわちコンデンサＣａｐの他方電極）から各第２ダイオードブリッジを経由して各配電径路ｋｐ１～ｋｐ３のスイッチ部Ｓｐ１～Ｓｐ３の下流側に接続する。この構成により、複数の配電経路ｋｐ１～ｋｐ３のうちいずれの負荷で事故が起きても、コンデンサＣａｐでエネルギーを独立に吸収することができる。エネルギー吸収部１０ｐは、複数の配電経路ｋｐ１～ｋｐ３の共通吸収回路である。
【0042】
図１に示す例では、コンデンサＣａｐには、バイポーラ電源のプラス電圧＋ＶＤＣとマイナス電圧－ＶＤＣの間の電圧の分圧が印加されるよう構成されている。この分圧は、コンデンサＣａｐと並列に接続される分圧抵抗である第１抵抗Ｒｐ１と、第１抵抗Ｒｐ１とマイナス側共通バスｋｎとの間に接続された分圧抵抗である第２抵抗Ｒｐ２の抵抗比により決まる。この構成により、コンデンサＣａｐの電圧Ｖｃａｐ０を、共通バスｋｐの電圧＋ＶＤＣ以上の電圧に充電可能である。
【0043】
マイナス側共通バスｋｎと、マイナス側スイッチ部Ｓｎ１～Ｓｎ３の負荷側の配電経路ｋｎ１～ｋｎ３との間に、マイナス側エネルギー吸収部１０ｎが接続される。マイナス側エネルギー吸収部１０ｎは、プラス側エネルギー吸収部１０ｐと同様に構成することができる。すなわち、マイナス側エネルギー吸収部１０ｎは、第１ダイオードブリッジＤｎ１、コンデンサＣａｎ、及び第２ダイオードブリッジＤｎ２１～Ｄｎ２３を有する。
【0044】
複数のスイッチ部Ｓｐ１～Ｓｐ３のうちいずれかの配電経路ｋｐ１～ｋｐ３において、負荷電流、すなわちセンサｂｐ１～ｂｐ３で検出される電流が所定の値を超えると、その配電経路のスイッチ部が遮断される。スイッチ部が遮断された配電経路の電流は、エネルギー吸収部１０ｐに流れる。これにより、スイッチ部が遮断された配電経路における配線のインダクタのエネルギーは、コンデンサＣａｐで吸収され、配電経路の電流が減衰しゼロに導かれる。図１では、配電経路ｋｐ１～ｋｐ３の配線のインダクタ（リアクトル）Ｌｐ１～Ｌｐ３を図示している。すなわち、エネルギー吸収部１０ｐは、スイッチ部Ｓｐ１～Ｓｐ３のいずれかをオフした場合の、スイッチ部で遮断された配電経路のインダクタンスのエネルギーを吸収する。マイナス側エネルギー吸収部１０ｎも同様である。このように、半導体遮断回路１は、複数の配電経路で、エネルギー吸収部を共通化できるため、軽量性に優れている。なお、マイナス側のスイッチ部Ｓｎ１～Ｓｎ３及びエネルギー吸収部１０ｎの構成及び動作も同様である。
【0045】
例えば、配電経路ｋｐ１の負荷で事故が起きた場合、センサｂｐ１が事故電流を検出し、スイッチ部Ｓｐ１がオフとなる。これにより、事故電流がエネルギー吸収部１０ｐに迂回する。エネルギー吸収部１０ｐでは、事故電流が、共通バスｋｐから入り、予め所定電圧ＶＣａｐ０が充電されたコンデンサＣａｐをさらに充電しながら出力側の第２ダイオードブリッジＤｐ２１を経由して負荷に戻される（図１の矢印Ｙ１参照）。その結果、コンデンサＣａｐにエネルギーが充電されるこことなる。事故電流は、減衰を開始し、所定の時間後にはゼロとなる。事故電流がゼロになった後、例えば、事故電流が検出された配電経路ｋｐ１のコンタクタがオフすなわち遮断されてもよい。これにより、事故が起きた負荷が、電力供給系統から切り離される。
【0046】
図２は、負荷で事故が発生した時の配電経路の負荷電流と、その配電経路のスイッチ部の両端の電圧の変化の一例を示す図である。図２に示すように、スイッチ部が遮断されるとエネルギー吸収部により、エネルギーの吸収が開始され、その後、電流が減衰してゼロになる。スイッチ部が遮断されると、エネルギー吸収部に電流が流れ、スイッチ部の両端の電圧は、主にコンデンサＣａｐの電圧となる。エネルギー吸収部でエネルギーが吸収されて電流がゼロになると、スイッチ部の両端の電圧は、電源の電圧であるＶＤＣとなる。
【0047】
図３に示すように、エネルギー吸収部１０ｐのコンデンサＣａｐの初期充電電圧Ｖｃａｐ０が大きければ、エネルギーの吸収速度が早くなる。このように、事故電流の遮断に要する時間、すなわち遮断速度は、コンデンサＣａｐの初期充電電圧Ｖｃａｐ０によって変化する。図１に示す例では、コンデンサＣａｐの初期充電電圧Ｖｃａｐ０は、バイポーラ電源のプラス側電圧＋ＶＤＣとマイナス側電圧－ＶＤＣの間の電圧の分圧によって構成される。分圧を決める第１抵抗Ｒｐ１及び第２抵抗Ｒｐ２を可変とすることで、コンデンサＣａｐの初期充電電圧Ｖｃａｐ０を可変にできる。図１に示す例では、プラス側のエネルギー吸収部１０ｐのコンデンサＣａｐの充電回路の一方端は、マイナス側共通バスｋｎ（－ＶＤＣ）に接続され、他方端は、プラス側共通バスｋｐ（＋ＶＤＣ）に接続されている。そのため、コンデンサＣａｐは、バス電圧以上の電圧で初期充電が可能である。
【0048】
図１に示す例では、第１抵抗の第２抵抗に対する比率、すなわちＲｐ１／Ｒｐ２の値を小さくすると、エネルギー吸収部１０ｐのエネルギーの吸収速度が遅くなる。Ｒｐ１／Ｒｐ２の値を大きくすると、エネルギーの吸収速度が速くなる。マイナス側でも同様に、Ｒｎ１／Ｒｎ２の値を小さくすると、エネルギー吸収部１０ｎのエネルギーの吸収速度が遅くなり、Ｒｐ１／Ｒｐ２の値を大きくすると、エネルギーの吸収速度が速くなる。
【0049】
マイナス側エネルギー吸収部１０ｎのコンデンサＣａｎも、同様に、バイポーラ電源のプラス側電圧＋ＶＤＣとマイナス側電圧－ＶＤＣの間の電圧の分圧によって構成される。分圧を決める第１抵抗Ｒｎ１及び第２抵抗Ｒｎ２を可変とすることで、コンデンサＣａｎの初期充電電圧Ｖｃａｎ０を可変にできる。
【0050】
図４は、図１に示すスイッチ部Ｓｐ１～Ｓｐ３とエネルギー吸収部１０ｐの部分の詳細な構成例を示す図である。図４に示す例では、スイッチ部Ｓｐ１～Ｓｐ３の各々は、半導体スイッチ素子を有する。半導体スイッチ素子は、直列に接続された２つの半導体トランジスタを有する。２つの半導体トランジスタのソース同士が接続される。２つの半導体トランジスタの各々には、逆流防止のためのダイオードが並列に接続される。２つの半導体トランジスタのゲートの電圧を制御することにより、スイッチ部Ｓｐ１～Ｓｐ３のオン／オフが制御される。半導体トランジスタは、例えば、ＩＧＢＴ、ＩＧＣＴ、又は、ＭＯＳ－ＦＥＴ等であってもよい。また、半導体トランジスタの半導体として、例えば、Ｓｉ又はＳｉＣ等が用いられてもよい。
【0051】
スイッチ部Ｓｐ１～Ｓｐ３の各々のオン／オフは、コントローラＣｐ１～Ｃｐ３によって制御される。コントローラＣｐ１～Ｃｐ３は、センサｂｐ１～ｂｐ３で検出される電流に応じてスイッチ部Ｓｐ１～Ｓｐ３のオン／オフを制御する。センサｂｐ１～ｂｐ３で検出される電流は、負荷電流であり、スイッチ部Ｓｐ１～Ｓｐ３を流れる電流でもある。
【0052】
図４の例では、コントローラＣｐ１～Ｃｐ３の各々は、遮断制御部及び負荷電流制御部を含む。各遮断制御部は、各スイッチ部に流れる電流に応じて、各スイッチ部を遮断する。遮断制御部は、例えば、各センサで検出される電流が所定の値を超えるとそのセンサが接続された配電経路のスイッチ部をオンからオフに切り替えることができる。これにより、各配電経路の事故電流の限流及び／又は遮断ができる。
【0053】
各負荷電流制御部は、各配電経路の負荷に流れる電流に応じて、各スイッチ部の導通及び遮断を切り替えることで、各負荷の電流を制御する。例えば、負荷電流制御部は、各負荷の電流が０以上の目標値となるように、負荷の電流に応じてスイッチ部の切り替え動作を繰り返す。ここで、スイッチ部Ｓｐ１の負荷電流制御部の構成例を説明するが、他のスイッチ部Ｓｐ２、Ｓｐ３の負荷電流制御部も同様に構成できる。負荷電流制御部は、例えば、スイッチ部Ｓｐ１をオン及びオフすることで、負荷電流が目標値となるよう制御する。制御においては、センサｂｐ１の検出値と目標値とを比較し、比較結果に基づいてスイッチ部Ｓｐ１のオン又はオフに制御する。
【0054】
図５は、負荷電流制御部により制御される負荷電流及びスイッチ部の両端の電圧の例を示す図である。図５に示す例では、負荷電流の目標値として上限Ｔｕと下限Ｔｄが設定される。スイッチ部Ｓｐ１がオンの時に負荷電流が上限Ｔｕに達し、負荷電流≧Ｔｕとなった場合、負荷電流制御部は、スイッチ部Ｓｐ１をオンからオフに切り替える。スイッチ部Ｓｐ１がオフの時に負荷電流が下限Ｔｄに達し、負荷電流≦Ｔｄとなった場合、負荷電流制御部は、スイッチ部Ｓｐ１を、オフからオンに切り替える。負荷電流制御部が、この制御を繰り返すことで、負荷電流は、上限Ｔｕと下限Ｔｄの間に維持される。これにより、例えば、事故電流を限流することが可能になる。すなわち、負荷電流制御部は、限流制御が可能である。
【0055】
このように、本実施形態の半導体遮断回路１は、スイッチ部Ｓｐ１～Ｓｐ３のオン／オフの制御により、限流が可能に構成される。そのため、例えば、限流のためのリアクトル等の限流器をさらに備える必要がない。その結果、軽量化がより容易になる。
【0056】
図６は、負荷電流制御部により制御される負荷電流及びスイッチ部の両端の電圧の他の例を示す図である。負荷電流制御部により、スイッチ部Ｓｐ１がオフに制御される期間では、コンデンサＣａｐが充電される。そのため、負荷電流制御部がスイッチ部Ｓｐ１のオン／オフを繰り返すと、コンデンサＣａｐの電圧が徐々に増加していく。そこで、図６に示すように、負荷電流制御部は、負荷電流の制御中にコンデンサＣａｐの電圧が所定値（図６の例では、閾値Ｔｈ２）以上になった場合に、制御を停止し、スイッチ部Ｓｐ１を遮断してもよい。これにより、コンデンサＣａｐの電圧Ｖｃａｐが徐々に増加して所定値を超えたら、継続不可能と判断し、負荷電流制御を停止し、遮断に導くことができる。閾値Ｔｈ２は、コンデンサＣａｐの充電上限より低い値とすることができる。
【0057】
スイッチ部Ｓｐ１～Ｓｐ３の制御は、遮断制御部による遮断制御か、又は、負荷電流制御部による電流制御（例えば、限流）のいずれかとすることができる。コントローラＣｐ１～Ｃｐ３は、遮断制御及び電流制御（限流）を切り替える制御をしてもよい。例えば、負荷の状況に応じて、スイッチ部Ｓｐ１～Ｓｐ３の制御を、遮断制御とするか、又は、電流制御（例えば限流）とするかを切り替えることができる。
【0058】
例えば、負荷電流が大きい傾向にあるシステム稼働状況では、事故電流を速やかに遮断することが好ましい。このような状況では、事故電流発生時のスイッチ部Ｓｐ１～Ｓｐ３の制御を遮断制御とすることができる。この場合、事故電流発生時に遮断制御部によりスイッチ部が遮断される。これに対して、負荷電流が小さい傾向にあるシステム稼働状況では、遮断するより限流して動作を継続することが好ましい場合がある。このような状況では、事故電流発生時のスイッチ部Ｓｐ１～Ｓｐ３の制御を電流制御（例えば限流）とすることができる。この場合、事故電流発生時に、負荷電流制御部のスイッチ部の制御による負荷電流制御（例えば、限流）が行われる。
【0059】
スイッチ部Ｓｐ１～Ｓｐ３の制御の遮断／電流制御（限流）の切り替えは、例えば、コントローラＣｐ１～Ｃｐ３がシステムからの指令に従って行うことができる。すなわち、システムにおける負荷の稼働条件に応じて、事故電流発生時のスイッチ部Ｓｐ１～Ｓｐ３の動作を、遮断とするか、負荷電流制御（例えば限流）とするかが切り替えられてもよい。
【0060】
半導体遮断回路１は、事故電流発生時に遮断制御部がスイッチ部を遮断する場合と、事故電流発生時に負荷電流制御部が負荷電流を制御する場合とで、コンデンサＣａｐの初期充電電圧Ｖｃａｐ０が異なるように調整することができる。例えば、初期充電電圧Ｖｃａｐ０が、遮断制御時より負荷電流制御時の方が小さくなるように、調整されてもよい。例えば、限流したい条件では、予めＲｐ１／Ｒｐ２の値を小さく設定しておくことで、エネルギー吸収部１０ｐにおけるエネルギーの吸収速度が遅くなる。そのため、限流制御がやりやすくなる。
【0061】
上記の図４に示すスイッチ部Ｓｐ１～Ｓｐ３の構成及びその制御は、マイナス側のスイッチ部Ｓｎ１～Ｓｎ３にも同様に適用することができる。なお、本実施形態の半導体遮断回路は、バイポーラ構成でない直流電源にも適用できる。例えば、図４において、エネルギー吸収部１０ｐのコンデンサＣａｐの初期充電のための電圧は、バイポーラ電源の電圧に限られず、バイポーラ構成でない直流電源の電圧を用いてもよい。この場合、コンデンサＣａｐの初期充電電圧Ｖｃａｐ０は、例えば、共通バスの直流電源の電圧の分圧としてもよい。又は、直流電源とは別に、コンデンサＣａｐの初期充電のための電源が設けられてもよい。
【0062】
図７は、スイッチ部Ｓｐ１の変形例を示す図である。図７に示す例では、スイッチ部Ｓｐ１は、半導体スイッチ素子Ｓｐ１１と、機械式スイッチＳｐ１２が並列に接続された構成を有する。半導体スイッチ素子Ｓｐ１１は、図４に示す構成と同様に、ソース同士を接続した半導体トランジスタで構成される双方スイッチである。機械式スイッチＳｐ１２は、物理的に線の接続と非接続（離間）を切り替えるスイッチである。なお、スイッチ部Ｓｐ１以外のスイッチ部Ｓｐ２、Ｓｐ３、Ｓｎ１～Ｓｎ３も、変形例として図７に示す構成とすることができる。
【0063】
機械式スイッチＳｐ１２は、例えば、コントローラＣｐ１からの制御信号に従ってオン／オフが切り替わる。半導体スイッチ素子Ｓｐ１１と機械式スイッチＳｐ１２は連動してオン／オフが切り替えられる。スイッチ部Ｓｐ１が導通（オン）状態のときは、半導体スイッチ素子Ｓｐ１１及び機械式スイッチＳｐ１２の両方が導通（オン）状態となり、スイッチ部Ｓｐ１が遮断（オフ）状態のときは、半導体スイッチ素子Ｓｐ１１及び機械式スイッチＳｐ１２の両方が遮断（オフ）状態となる。通常時において、スイッチ部Ｓｐ１が導通のときは、機械式スイッチＳｐ１２がオン（導通）状態なので、半導体スイッチ素子Ｓｐ１１のみの場合に比べて、導通損失が低減できる。
【0064】
スイッチ部Ｓｐ１をオンからオフに切り替える際には、機械式スイッチＳｐ１２を半導体スイッチ素子Ｓｐ１１よりも早くオフにすることができる。すなわち、半導体スイッチ素子Ｓｐ１１をオフに切り替えるタイミングを、機械式スイッチＳｐ１２をオフに切り替えるタイミングより遅らせることができる。この場合、まず機械式スイッチＳｐ１２をオフにして、電流を半導体スイッチ素子Ｓｐ１１に転流した後、半導体スイッチ素子Ｓｐ１１をオフにすることができる。これにより、機械式スイッチのアーク発生を抑えることができる。
【0065】
上記構成において、スイッチ部Ｓｐ１～Ｓｐ３、Ｓｎ１～Ｓｎ３の切断後の動作については、特に限定されないが、例えば、負荷における事故が復旧した後に、遮断していたスイッチ部をオフからオンに切り替えることができる。この際に、上記の負荷電流制御部が。スイッチ部のオン及びオフにより負荷電流を制御してもよい。これにより、初期の限流が可能になる。例えば、スイッチ部をオンにした直後の過電流を抑えることができる。
【0066】
（システム構成例）
図８は、本実施形態におけるＤＣグリッドシステムの構成例を示す図である。図８に示すＤＣグリッドシステムは、第１電力供給部Ｐ１と第２電力供給部Ｐ２を有する。第１電力供給部Ｐ１と第２電力供給部Ｐ２は、それぞれ独立して直流電力を供給する。第１電力供給部Ｐ１は、第１共通バスｋａ１を介して複数の負荷Ｆ１に接続される。第２電力供給部Ｐ２は、第２共通バスｋａ２を介して複数の負荷Ｆ２に接続される。すなわち、図８に示すＤＣグリッドシステムは、マルチターミナルの構成を有する。第１電力供給部Ｐ１から複数の負荷Ｆ１へそれぞれ直流電力を供給する複数の配電経路に第１半導体遮断回路１－１が設けられる。第２電力供給部Ｐ２から複数の負荷Ｆ２へそれぞれ直流電力を供給する複数の配電経路に第２半導体遮断回路１－２が設けられる。第１半導体遮断回路１－１及び第２半導体遮断回路１－２の各々の構成は、例えば、図４に示す構成とすることができる。
図８は、本実施形態におけるＤＣグリッドシステムの構成例を示す図である。図８に示すＤＣグリッドシステムは、第１電力供給部Ｐ１と第２電力供給部Ｐ２を有する。第１電力供給部Ｐ１と第２電力供給部Ｐ２は、それぞれ独立して直流電力を供給する。第１電力供給部Ｐ１は、第１共通バスｋａ１を介して複数の負荷Ｆ１に接続される。第２電力供給部Ｐ２は、第２共通バスｋａ２を介して複数の負荷Ｆ２に接続される。すなわち、図８に示すＤＣグリッドシステムは、マルチターミナルの構成を有する。第１電力供給部Ｐ１から複数の負荷Ｆ１へそれぞれ直流電力を供給する複数の配電経路に第１半導体遮断回路１－１が設けられる。第２電力供給部Ｐ２から複数の負荷Ｆ２へそれぞれ直流電力を供給する複数の配電経路に第２半導体遮断回路１－２が設けられる。第１半導体遮断回路１－１及び第２半導体遮断回路１－２の各々の構成は、例えば、図４に示す構成とすることができる。
【0067】
第１共通バスｋａ１と第２共通バスｋａ２の間には、冗長用切替器３が接続される。冗長用切替器３は、第１共通バスｋａ１と第２共通バスｋａ２の間の導通／遮断を切り替える。冗長用切替器３が導通した場合、第１電力供給部Ｐ１が、複数の負荷Ｆ１と複数の負荷Ｆ２の両方に接続され、且つ、第２電力供給部Ｐ２が、複数の負荷Ｆ２と、複数の負荷Ｆ１の両方に電力を接続される。これにより、第１電力供給部Ｐ１又は第２電力供給部Ｐ２のいずれか一方が故障しても、残った他方により、複数の負荷Ｆ１と複数の負荷Ｆ２の両方に電力供給が可能になる。
【0068】
第１半導体遮断回路１－１、及び第２半導体遮断回路１－２（以下、特に区別しない場合は、半導体遮断回路１－１、１－２を称する）は、複数の負荷Ｆ１、Ｆ２のうちいずれか１つで事故（例えば、短絡）が発生した場合に、事故電流を遮断又は限流し、残った他の負荷への正常な電力供給を維持することができる。半導体遮断回路１－１、１－２が事故電流を遮断するか、又は、事故電流を限流しつつも電流を維持するかは、ＤＣグリッドシステムの稼働状況に応じて制御されてもよい。
【0069】
第１電力供給部Ｐ１及び第２電力供給部Ｐ２は、バイポーラ構成であり、プラス側電圧＋Ｅとマイナス側電圧－Ｅをそれぞれ別の経路で供給する。第１共通バスｋａ１及び第２共通バスｋａ２は、いずれも、プラス側電圧の線、マイナス側電圧の線、及びグランドの線を有する。複数の負荷Ｆ１、Ｆ２のそれぞれには、プラス側電圧及びマイナス側電圧の両方が供給される。複数の負荷Ｆ１、Ｆ２のそれぞれには、プラス側電圧の線、マイナス側電圧の線、及びグランドの線が接続される。半導体遮断回路１－１、１－２は、上記のように、複数のプラス側配電経路に共通のエネルギー吸収部１０ｐと、複数のマイナス側配電経路に供給のエネルギー吸収部１０ｎを備える。このように、エネルギー吸収部を複数の配線で共通化することで、軽量化が可能になる。
【0070】
図８に示す例では、第１電力供給部Ｐ１は、一例として、第１エンジンｅ１と、第１エンジンｅ１の駆動力により発電する第１発電機ｇ１と、第１発電機ｇ１で発電された電力を直流に変換する第１変換器ｔ１と、第１変換器ｔ１で変換された電力による充電並びに放電による直流電力の供給をする第１電池ｂ１と、第１電池ｂ１と第１共通バスｋａ１の間に設けられ、事故電流の限流又は遮断を行う第１限流／遮断器ｒ１とを有する。第２電力供給部Ｐ２も、同様に、第２エンジンｅ２、第２発電機ｇ２、第２変換器ｔ２、第２電池ｂ２、及び、第２限流／遮断器ｒ２を有する。複数の負荷Ｆ１、Ｆ２のそれぞれは、例えば、配電経路を介して供給される直流電圧を交流に変換するインバータと、インバータにより制御されるモータとを有する。
【0071】
図８に示すＤＣグリッドシステムは、一例として、電動航空機に適用することができる。電動航空機に適用されたＤＣグリッドシステムは、負荷又は電力供給部で事故が発生した場合でも、第１及び第２限流／遮断器ｒ１、ｒ２、冗長用切替器３、及び、半導体遮断回路１－１、１－２、により、事故点を速やかに切り離す、及び／又は接続切替えが可能である。これにより、残った健全な機器で運航継続が可能になる。半導体遮断回路１－１、１－２は、事故電流を限流しつつ素早く切り離すＤＣ回路ブレーカとして機能する。半導体遮断回路１－１、１－２は、冗長構成のため、多数設けられる。上記のとおり複数の半導体遮断回路１－１、１－２は、軽量性に優れているため、システム全体の軽量化への寄与度が高い。
【0072】
また、半導体遮断回路１－１、１－２は、上記のように、エネルギー吸収部１０ｐ、１０ｎにおけるコンデンサＣａｐ、Ｃａｎの初期充電電圧Ｖｃａｐ０、Ｖｃａｎ０を、抵抗分圧で可変にできる。これにより、ＤＣグリッドシステムの状況に応じて事故電流のエネルギー吸収の速度を調整できる。例えば、離陸の時のように負荷電流が大きい際には、初期充電電圧Ｖｃａｐ０、Ｖｃａｐ０を大きくしておくことができる。これにより、電流の上限に余裕がない状況において、事故電流を速やかに遮断できる。一方、巡航のように負荷電流が小さい場合は、初期充電電圧Ｖｃａｐ０、Ｖｃａｐ０を小さくし、限流しやすいように設定する。これにより、事故電流を限流しつつ、電流を遮断せず、動作を継続することが容易になる。
【0073】
（構成の変形例）
図９は、本実施形態における半導体遮断回路の構成の変形例を示す図である。図９に示す半導体遮断回路１は、図１の例と同様に、バイポーラ構成の直流電源と、複数の負荷との間に設けられる。また、半導体遮断回路１は、直流電源のプラス側配線及びマイナス側配線のそれぞれから分岐した複数の配電経路ｋｐ１～ｋｐ４、ｋｎ１～ｋｎ４の各々について互いに独立して、限流及び遮断をするように構成される。プラス側スイッチ部Ｓｐ１～Ｓｐ３（以下、単にスイッチ部Ｓｐ１～Ｓｐ３と称する）、マイナス側スイッチ部Ｓｎ１～Ｓｎ３（以下、単にスイッチ部Ｓｎ１～Ｓｎ３と称する）、及び、センサｂｐ１～ｂｐ４、ｂｎ１～ｂｎ４は、図１と同様に構成することができる。また、スイッチ部Ｓｐ１～Ｓｐ４、Ｓｎ１～Ｓｎ４の構成及び動作は、図１に示す例と同様にすることができる。
図９は、本実施形態における半導体遮断回路の構成の変形例を示す図である。図９に示す半導体遮断回路１は、図１の例と同様に、バイポーラ構成の直流電源と、複数の負荷との間に設けられる。また、半導体遮断回路１は、直流電源のプラス側配線及びマイナス側配線のそれぞれから分岐した複数の配電経路ｋｐ１～ｋｐ４、ｋｎ１～ｋｎ４の各々について互いに独立して、限流及び遮断をするように構成される。プラス側スイッチ部Ｓｐ１～Ｓｐ３（以下、単にスイッチ部Ｓｐ１～Ｓｐ３と称する）、マイナス側スイッチ部Ｓｎ１～Ｓｎ３（以下、単にスイッチ部Ｓｎ１～Ｓｎ３と称する）、及び、センサｂｐ１～ｂｐ４、ｂｎ１～ｂｎ４は、図１と同様に構成することができる。また、スイッチ部Ｓｐ１～Ｓｐ４、Ｓｎ１～Ｓｎ４の構成及び動作は、図１に示す例と同様にすることができる。
【0074】
図９の例では、配電経路ｋｐ１～ｋｐ４のそれぞれにプラス側リアクトルＬｐ１～Ｌｐ４（以下、単に、リアクトルＬｐ１～Ｌｐ４と称する）が設けられる。配電経路ｋｎ１～ｋｎ４のそれぞれにマイナス側リアクトルＬｎ１～Ｌｎ４（以下、単に、リアクトルＬｎ１～Ｌｎ４と称する）が設けられる。リアクトルＬｐ１～Ｌｐ４のうち少なくとも１つは、他のプラス側配電経路に設けられたプラス側リアクトルとコアを共有している。リアクトルＬｎ１～Ｌｎ４のうち少なくとも１つは、他のマイナス側配電経路に設けられたマイナス側リアクトルとコアを共有している。リアクトルＬｐ１～Ｌｐ４、Ｌｎ１～Ｌｎ４の構成の詳細は後述する。
【0075】
配電経路ｋｐ１～ｋｐ４のそれぞれのスイッチ部Ｓｐ１～Ｓｐ４には、共通のエネルギー吸収回路であるコンデンサＣａｐが並列に接続される。配電経路ｋｐ１～ｋｐ４のそれぞれの上流側とコンデンサＣａｐの間に、第１ダイオードブリッジＤｐ１１～Ｄｐ１４がそれぞれ設けられる。配電経路ｋｐ１～ｋｐ４のそれぞれの下流側とコンデンサＣａｐの間に、第２ダイオードブリッジＤｐ２１～Ｄｐ２４がそれぞれ設けられる。第１ダイオードブリッジＤｐ１１～Ｄｐ１４のそれぞれは、図１に示す第１ダイオードブリッジＤｐ１と同様に構成することができる。
【0076】
エネルギー吸収部１０ｐは、スイッチ部Ｓｐ１～Ｓｐ４それぞれの迂回経路を形成する。迂回経路は、第１ダイオードブリッジＤｐ１１～Ｄｐ１２、コンデンサＣａｐ、及び第２ダイオードブリッジＤｐ２１～Ｄｐ２４を通る経路となる。この構成により、複数の配電経路ｋｐ１～ｋｐ４のうちいずれの負荷で事故が起きても、コンデンサＣａｐでエネルギーを独立に吸収することができる。
【0077】
また、図１の例と同様に、コンデンサＣａｐには、バイポーラ電源のプラス電圧＋ＶＤＣとマイナス電圧－ＶＤＣの間の電圧の分圧が印加されるよう構成されている。この分圧を決めるため分圧抵抗として、第１抵抗Ｒｐ１がコンデンサＣａｐと並列に接続され、第１抵抗Ｒｐ１とマイナス側共通バスｋｎとの間に接続された第２抵抗Ｒｐ２が接続される。
【0078】
マイナス側エネルギー吸収部１０ｎは、プラス側エネルギー吸収部１０ｐと同様に構成することができる。すなわち、マイナス側エネルギー吸収部１０ｎは、第１ダイオードブリッジＤｎ１１～Ｄｎ１４、コンデンサＣａｎ、及び第２ダイオードブリッジＤｎ２１～Ｄｎ２３を有する。
【0079】
（リアクトル群の構成例）
次に、リアクトル群の構成例を説明する。図９の例では、プラス側及びマイナス側のそれぞれにおいて、共通バスに接続される配電経路の数は、一例として４本であるが、これに限定されず、２本以上の任意の本数であってもよい。ここでは、配電経路の数が２～８本の場合の例を説明する。配電経路のリアクトル群の構成は、プラス側とマイナス側とで同様にできるため、以下の説明では、配電経路を、プラス側、マイナス側を区別せず、配電経路ｋ１、ｋ２、ｋ３・・・ｋｎとする。
次に、リアクトル群の構成例を説明する。図９の例では、プラス側及びマイナス側のそれぞれにおいて、共通バスに接続される配電経路の数は、一例として４本であるが、これに限定されず、２本以上の任意の本数であってもよい。ここでは、配電経路の数が２～８本の場合の例を説明する。配電経路のリアクトル群の構成は、プラス側とマイナス側とで同様にできるため、以下の説明では、配電経路を、プラス側、マイナス側を区別せず、配電経路ｋ１、ｋ２、ｋ３・・・ｋｎとする。
【0080】
図１０は、配電経路が２本（ｎ＝２）の場合のリアクトル群の構成例を示す図である。図１０の例では、２本の配電経路ｋ１、ｋ２のそれぞれにおいて、リアクトルが直列方向に複数に分割される。すなわち、複数の分割リアクトルが直列に接続される。配電経路ｋ１、ｋ２のそれぞれにおいて、複数の分割リアクトルの励磁インダクタンスは同じである。複数の分割リアクトルは、それぞれ、互いに別々のコアを有する。各分割リアクトルは、他の配電経路の分割リアクトルとコアを共有する。コアは磁性体である。各配電経路における複数の分割リアクトルにおいて、コアの材料及びサイズ、並びに巻数は同じとすることとが好ましい。図１０では、配電経路ｋ１の分割リアクトルＬ１１と配電経路ｋ２の分割リアクトルＬ２１がコアＪ１を共有し、配電経路ｋ１の分割リアクトルＬ１２と配電経路ｋ２の分割リアクトルＬ２２がコアＪ２を共有する。４つの分割リアクトルＬ１１、Ｌ１２、Ｌ２１、Ｌ２２の励磁インダクタンスは同じであることが好ましい。
【0081】
図１０の例では、配電経路ｋ１の分割リアクトルＬ１１の巻線方向Ｒ１１と分割リアクトルＬ１２の巻線方向Ｒ１２は、同じである。配電経路ｋ２の分割リアクトルＬ２１の巻線方向Ｒ２１と分割リアクトルＬ２２の巻線方向Ｒ２２は、逆である。すなわち、分割リアクトルＬ２１とＬ２２は、互いに逆相になるように接続される。これにより、配電経路ｋ１、ｋ２のうち１本の配電経路で短絡が生じた場合に、他の配電経路の複数の分割リアクトルに生じる起電力が互いに打ち消し合うように巻線方向を施すことができる。図１０では、巻線方向を黒丸の位置で示している。黒丸が右に付されたリアクトルと左に付されたリアクトルは、巻線方向が互いに逆である。
【0082】
例えば、図１０の構成において、配電経路ｋ１の負荷側で短絡故障が生じると、配電経路ｋ１の分割リアクトルＬ１１、Ｌ１２の両端に、直流電源の電圧Ｅが印加される。この時、Ｌ１１、Ｌ１２とそれぞれコアを共有しているＬ２１、Ｌ２２にも誘導起電力が発生する。この場合、Ｌ２１、Ｌ２２の両端に印加されるＶ２は、下記式のようにＶ２＝０となる。
Ｖ２＝（Ｅ／２）・（Ｒ１１・Ｒ２１）＋（Ｅ／２）・（Ｒ１２・Ｒ２２）
＝（Ｅ／２）・｛１・１＋１・（－１）｝
＝０
ここで、コアを共有する分割リアクトル間の結合係数Ｍ＝１とし、巻線方向Ｒの値は、左巻きを１、その逆の右巻きを（－１）とする。図１０の行列Ｒ２は、図１０に示す各分割リアクトルＬ１１、Ｌ１２、Ｌ２１、Ｌ２２の巻線方向Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ２１、Ｒ２２の配置を行列で表したものである。
Ｖ２＝（Ｅ／２）・（Ｒ１１・Ｒ２１）＋（Ｅ／２）・（Ｒ１２・Ｒ２２）
＝（Ｅ／２）・｛１・１＋１・（－１）｝
＝０
ここで、コアを共有する分割リアクトル間の結合係数Ｍ＝１とし、巻線方向Ｒの値は、左巻きを１、その逆の右巻きを（－１）とする。図１０の行列Ｒ２は、図１０に示す各分割リアクトルＬ１１、Ｌ１２、Ｌ２１、Ｌ２２の巻線方向Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ２１、Ｒ２２の配置を行列で表したものである。
【0083】
図１０の例では、配電経路ｋ１の短絡により、配電経路ｋ２の分割リアクトルＬ２１、Ｌ２２に誘導される起電力は、互いに打ち消し合って、総和の実質的に０になる。また、配電経路ｋ２が短絡した場合も、配電経路ｋ１の分割リアクトルＬ１１、Ｌ１２に誘導される起電力は、互いに打ち消し合う。このように、配電経路の数ｎ＝２、分割リアクトルの数ｍ＝２の場合、Ｌ１１とＬ２１でコアＪ１を共有し、Ｌ１２とＬ２２でコアを共有し、Ｌ１１とＬ１２の巻線方向を同じとし、Ｌ２１とＬ２２の巻線方向を逆にすることで、いずれかの配電経路で短絡が生じても、他の配電経路に影響を及ぼさないようにすることができる。また、コアを共有することでコア量を低減できる。
【0084】
図１１は、図１０に示すリアクトル群の構成において、配電経路ｋ１の負荷側で短絡故障が生じた場合の故障箇所の負荷電流と、健全箇所の負荷電流のシミュレーション結果を示すグラフである。図１１に示す結果では、故障箇所の負荷電流は、直流電源による電流の５倍以内に抑えられており、限流リアクトルの電流抑制効果が確認できる。また、健全箇所の負荷電流の変動はほとんど見られない。
【0085】
図１２は、配電経路が４本（ｎ＝４）の場合のリアクトル群の構成例を示す図である。図１２の例では、４本の配電経路ｋ１～ｋ４のそれぞれにおいて、リアクトルが直列方向に複数（ｍ＝４）に分割される。すなわち、複数（ｍ＝４）の分割リアクトルが直列に接続される。配電経路ｋ１～ｋ４のそれぞれにおいて、複数の分割リアクトルの励磁インダクタンスは同じである。１つの配電経路の複数の分割リアクトルは、それぞれ、互いに別々のコアを有する。各分割リアクトルは、他の配電経路の分割リアクトルとコアを共有する。図１２では、配電経路ｋ１～ｋ４の分割リアクトルＬ１１～Ｌ４１がコアＪ１を共有し、Ｌ１２～Ｌ４２がコアＪ２を、Ｌ１３～Ｌ４３がコアＪ３を、Ｌ１４～Ｌ４４がコアＪ４を、それぞれ共有する。１６個の分割リアクトルＬ１１～Ｌ４４の励磁インダクタンスは同じとすることが好ましい。
【0086】
図１２の例では、図の下段に示す行列Ｒ４で示される分割リアクトルの巻線方向となるように、４×４の分割リアクトルの巻線方向が施される。これにより、配電経路ｋ１～ｋ４のうち１本の配電経路で短絡が生じた場合に、他の配電経路のそれぞれにおける４つの分割リアクトルに生じる起電力が互いに打ち消し合うように巻線方向を施すことができる。例えば、配電経路ｋ１の負荷側で短絡が生じてＬ１１～Ｌ１４の両端に電圧Ｅが印加された場合、配電経路ｋ４のＬ４１、Ｌ４２、Ｌ４３、Ｌ４４に印加される電圧の総和Ｖ４は、下記式のようにＶ４＝０となる。
Ｖ４＝（Ｅ／４）・（Ｒ１１・Ｒ４１）＋（Ｅ／４）・（Ｒ１２・Ｒ４２）＋（Ｅ／４）・（Ｒ１３・Ｒ４３）＋（Ｅ／４）・（Ｒ１４・Ｒ４４）
＝（Ｅ／４）・｛１・１＋１・（－１）＋１・（－１）＋１・１｝
＝０
Ｖ４＝（Ｅ／４）・（Ｒ１１・Ｒ４１）＋（Ｅ／４）・（Ｒ１２・Ｒ４２）＋（Ｅ／４）・（Ｒ１３・Ｒ４３）＋（Ｅ／４）・（Ｒ１４・Ｒ４４）
＝（Ｅ／４）・｛１・１＋１・（－１）＋１・（－１）＋１・１｝
＝０
【0087】
発明者は、ｎ＝２、ｍ＝２の場合の巻線方向の配置を示す行列Ｒ２（図１０参照）がアダマール行列であることに着目し、アダマール行列の下記の性質を用いて、２×２の行列Ｒ２を、４×４のアダマール行列に拡張した行列Ｒ４を、ｎ＝４、ｍ＝４の場合の巻線方向の配置に採用することに想到した。この行列Ｒ４を採用することで、４本の配電経路ｋ１～ｋ４うち１本の配電経路で短絡が生じた場合に、他の配電経路のそれぞれにおける４つの分割リアクトルに生じる起電力が互いに打ち消し合うように巻線方向を施すことができる。
【0088】
アダマール行列をＨとすれば、下記式が成り立つ。
Ｈ・Ｈｔ＝ｋＩ
上記式において、ｋは正方行列のサイズであり、Ｉは単位行列である。
Ｈがアダマール行列である場合、下記の行列もアダマール行列となる。
Ｈ・Ｈｔ＝ｋＩ
上記式において、ｋは正方行列のサイズであり、Ｉは単位行列である。
Ｈがアダマール行列である場合、下記の行列もアダマール行列となる。
【0089】
【数1】
【0090】
このアダマール行列の定義に従って、２×２の行列Ｒ２を、４×４のアダマール行列に拡大したものが、図１２の行列Ｒ４である。
【0091】
図１２は、ｍ＝４の場合の分割リアクトルの構成例である。ｍ＝３の場合は、図１２に示す４×４のうち３本の配電経路の分割リアクトルの巻線配置とすることができる。例えば、破線Ｂ３で示す範囲の３本の配電経路ｋ１～ｋ３の分割リアクトルの巻線配置をｍ＝３本の配電経路のリアクトル群に施すことができる。この場合も、３本のうち１本の配電経路で短絡が生じた場合に、他の配電経路のそれぞれにおいて分割リアクトルの誘導起電力が打ち消し合うように構成できる。すなわち、ｍ＝３の場合は、ｎ＝４、ｍ＝４の４×４の分割リアクトルの巻線方向の配置であって、１つの配電経路で短絡が生じた場合に他の配電経路のそれぞれの分割リアクトルに生じる起電力が互いに打ち消し合う配置のうち、任意の３本の配電経路の分割リアクトルの配置を、３本の配電経路の分割リアクトルの配置とすることができる。
【0092】
図１３は、配電経路が８本（ｎ＝８）の場合のリアクトル群の構成例を示す図である。図１３の例では、８本の配電経路ｋ１～ｋ８のそれぞれにおいて、リアクトルが直列方向に複数（ｍ＝８）に分割される。配電経路ｋ１～ｋ８のそれぞれにおいて、複数の分割リアクトルの励磁インダクタンスは同じである。１つの配電経路の複数の分割リアクトルは、それぞれ、互いに別々のコアを有する。各分割リアクトルは、他の配電経路の分割リアクトルとコアを共有する。８×８＝６４個の分割リアクトルＬ１１～Ｌ８８の励磁インダクタンスは同じとすることが好ましい。
【0093】
図１３の例では、図の下段に示す行列Ｒ８で示される分割リアクトルの巻線方向となるように、８×８の分割リアクトルの巻線方向が施される。これにより、配電経路ｋ１～ｋ８のうち１本の配電経路で短絡が生じた場合に、他の配電経路のそれぞれにおける８つの分割リアクトルに生じる起電力が互いに打ち消し合うように巻線方向を施すことができる。上記のアダマール行列の定義に従って、４×４の行列Ｒ４を、８×８のアダマール行列に拡大したものが、図１３の行列Ｒ８である。
【0094】
図１３は、ｍ＝８の場合の分割リアクトルの構成例である。ｍ＝７の場合は、図１３に示す８×８のうち７本の配電経路の分割リアクトルの巻線配置とすることができる。例えば、破線Ｂ７で示す範囲の７本の配電経路ｋ１～ｋ７の分割リアクトルの巻線配置をｍ＝７本の配電経路のリアクトル群に施すことができる。同様に、ｍ＝６の場合は、図１３の８×８の構成のうち、任意の６本の配電経路の分割リアクトルの巻線配置（例えば、破線Ｂ６の範囲の構成）を、ｍ＝５は、８×８の構成のうち、任意の５本の配電経路の分割リアクトルの巻線配置（例えば、破線Ｂ５の範囲の構成）を、分割リアクトルの巻線方向の配置として採用することができる。これらの場合も、複数本のうち１本の配電経路で短絡が生じた場合に、他の配電経路のそれぞれにおいて分割リアクトルの誘導起電力が打ち消し合うように構成できる。
【0095】
すなわち、ｍ＝５、６又は７の場合は、ｎ＝８、ｍ＝８の８×８の分割リアクトルの巻線方向の配置であって、１つの配電経路で短絡が生じた場合に他の配電経路のそれぞれの分割リアクトルに生じる起電力が互いに打ち消し合う配置のうち、任意の５、６又は７本の配電経路の分割リアクトルの配置を、これら配電経路の分割リアクトルの配置とすることができる。
【0096】
図１４は、図１３に示す分割リアクトルの構成の変形例を示す図である。図１４の例では、ｎ＝８本の配電経路ｋ１～ｋ８の各々における８個の分割リアクトルのうち１列目の分割リアクトルが、他の配電経路の分割リアクトルと共通化される。すなわち、複数の配電経路１ｋ～１８は、１列目の分割リアクトルＬ１１Ｃを共有している。具体的には、配電経路ｋ１～ｋ８の各々におけるｍ－１個の分割リアクトルは、共通バスに接続される１つの分割リアクトルＬ１１Ｃに直列に接続されている。
【0097】
図１３に示す８×８の構成において、１列目の分割リアクトル（Ｌ１１、Ｌ２１、Ｌ３１、Ｌ４１、Ｌ５１、Ｌ６１、Ｌ７１、Ｌ８１）の磁束結合インダクタは、常時の起磁力が配電経路数ｎ×定常電流Ｉとなる。一方で、２列目以降の列（２～８列目）の分割リアクトルは、磁束結合インダクタは、常時の起磁力は、互いに打ち消されて実質的にゼロになる。そのため、故障短絡が発生した場合、１列目の分割リアクトルの磁束結合インダクタは、常時電流の磁束ｋＩに、故障短絡電流の磁束が重畳されることになる。そのため、１列目の分割リアクトルが共有するコアＪ１は、大型であることが好ましい。発明者は、この状況を鑑みて、図１４に示すように、複数の配電経路１ｋ～８ｋの１列目の分割リアクトルを共通単巻化することに想到した。図１３に示すように、１列目の分割リアクトルＬ１１～Ｌ８１は、巻線方向及び巻き数は同じであるため、配電経路１ｋ～８ｋの１列目の分割リアクトルＬ１１～Ｌ８１の両端の電位は実質同一となる。そのため、これらをまとめて１つの共通の単巻の分割リアクトルで構成することができる。単巻化することにより、各巻線の結合係数のアンバランスを考慮する必要がなく、分割リアクトル間のギャップ部から漏れる磁束分の窓面積の増加を抑えることができる。その結果、リアクトルのさらなる小型化及び軽量化が可能になる。
【0098】
なお、配電経路の数が、ｎ＝８本以外の場合であっても、１列目の分割リアクトルを共通化することができる。例えば、図１０に示す１列目の分割リアクトルＬ１１、Ｌ２１、又は図１２に示す一例目の分割リアクトルＬ１１～Ｌ４１を共通単巻化して、１つの分割リアクトルで構成してもよい。また、１列目の分割リアクトルの一部を共通単巻化してもよい。
【0099】
図１５は、図１３に示す分割リアクトルの構成の他の変形例を示す図である。図１５の例では、ｎ＝８本の配電経路ｋ１～ｋ８の各々における８個の分割リアクトルのうち１列目の分割リアクトルが、省略されている。これにより、さらなる軽量化が可能になる。この場合、配電経路ｋ１～ｋ８のうち１本で短絡故障が生じた場合、他の配電経路のそれぞれにおいて、７個の分割リアクトルに誘導させる起電力が打ち消し合うが、１／７分の誘導起電力が残留することになる。この残留起電力による健全箇所の電圧を揺れが許容範囲になるシステムに、この１列目の分割リアクトルを省略した構成のリアクトル群を適用できる。
【0100】
図１６は、図１５に示す分割リアクトルの構成における負荷電流のシミュレーション結果を示すグラフである。図１６に示す結果では、故障箇所の負荷電流の変動と同じ期間に、健全箇所の電流に１０％程度の変動が見られる。これは、１列目の分割リアクトルを省略したことになる誘導起電力の残留によるものと考えられる。特に限定されないが、例えば、故障短絡発生時の健全箇所の負荷電流又は負荷電圧の変動として、２０％以内が許容されるシステムに、この１列目の分割リアクトルを省略した構成のリアクトル群を適用できる。
【0101】
図１６は、ｍ＝８の場合に、１列目の分割リアクトルを省略する例である。ｍ＝８以外の場合、例えば、ｍ＝４の場合でも、１列目の分割リアクトルを省略してもよい。ｍ個の分割リアクトルのうち１列目を省略すると、（１／ｍ）分の誘導起電力が残留することになる。そのため、ｍが小さい場合は、１列目を省略し、インダクタンス値を低減した共通単巻化した分割リアクトルを１列目に追加してもよい。これにより、残留する誘導起電力を小さくすることができる。
【0102】
以上、ｍ＝２～８の場合の分割リアクトルの構成例を説明したが、ｍ＝９以上の場合も、上記例と同様に、アダマール行列の定義に従って、８×８の行列Ｒ８を拡大した行列で示される巻線方向の配置を採用することで、分割リアクトルを構成することができる。
【0103】
図１７は、本実施形態における半導体遮断回路の構成の他の変形例を示す図である。図１７に示す構成は、図９に示す構成においてエネルギー吸収部１０ｐ、１０ｎのコンデンサを、電圧クランプ素子Ｃｒｐ、Ｃｒｎに置き換えた構成である。また、図１７の構成では、コンデンサの電圧を調整する分割抵抗はない。このように、エネルギー吸収部１０ｐ、１０ｎにおけるエネルギー吸収回路として、コンデンサの代わりに電圧クランプ素子を用いてもよい。電圧クランプ素子は、一例として、バリスタ、ツェナーダイオード、又は、その他半導体を用いた電圧クランプ回路によって構成される。この場合であっても、コアを共有するリアクトル群とエネルギー吸収部１０ｐ、１０ｎとの組み合わせによる、軽量化が可能である。なお、図１７の例において、スイッチ部Ｓｐ１～Ｓｐ４、Ｓｎ１～Ｓｎ４の構成及び動作は、図１又は図９と同様にすることができる。
【0104】
図９及び図１７の構成例では、第１ダイオードブリッジＤｐ１１～Ｄｐ１４、Ｄｎ１１～Ｄｎ１４は、配電経路ごとに設けられる。この変形例として、例えば、図１に示すように、複数の配電経路で１つの第１ダイオードブリッジを共有してもよい。この場合、配電経路と第１ダイオードブリッジとの接続点とスイッチ部との間に、リアクトル群が接続されてもよい。また、リアクトル群が接続される位置は、図９、図１７に示すように、共通バスとスイッチ部との間の各配電経路に限られない。例えば、図１に示すように、コンタクタと負荷の間に、リアクトル群が接続されてもよい。
【0105】
また、エネルギー吸収部１０ｐ、１０ｎの構成は、上記例に限られない。エネルギー吸収部は、ダイオードブリッジを用いない構成であってもよい。図１８は、エネルギー吸収部の変形例を示す図である。図１８に示す例では、複数の配電経路のスイッチ部Ｓｐ１～Ｓｐ４、Ｓｎ１～Ｓｎ４のそれぞれに対して、エネルギー吸収回路Ｖｐ１１～Ｖｐ１４、Ｖｎ１１～Ｖｎ１４が並列に接続される。エネルギー吸収回路は、例えば、電圧クランプ素子とすることができる。
【0106】
上記の図９、図１７又は図１８に例示されるリアクトル群を備える半導体遮断回路は、図８に示すＤＣグリッドシステムの半導体遮断回路に用いることができる。図８における第１半導体遮断回路１－１及び第２半導体遮断回路１－２の各々の構成は、例えば、図９、図１７又は図１８に示す構成とすることができる。
【0107】
上記構成のリアクトル群自体も、本発明の実施形態の１つである。例えば、上記のコアを共有する構成のリアクトル群は、半導体遮断回路の他にも、複数の配電経路のそれぞれにリアクトルを接続する構成を含む回路又はシステムに適用することができる。
【0108】
（他の変形例）
本発明は、上記の実施形態に限られない。例えば、図１に示す例では、各スイッチ部Ｓｐ１～Ｓｐ３、Ｓｎ１～Ｓｎ３と、負荷との間に、コンタクタが設けられるが、このコンタクタは省略してもよい。
本発明は、上記の実施形態に限られない。例えば、図１に示す例では、各スイッチ部Ｓｐ１～Ｓｐ３、Ｓｎ１～Ｓｎ３と、負荷との間に、コンタクタが設けられるが、このコンタクタは省略してもよい。
【符号の説明】
【0109】
１：半導体遮断回路、ｋａ１、ｋａ２、ｋｐ、ｋｎ：共通バス、Ｓｐ１～Ｓｐ３：スイッチ部、１０ｐ、１０ｎ：エネルギー吸収部、Ｄｐ１：第１ダイオードブリッジ、Ｄｐ２１～Ｄｐ２３：第２ダイオードブリッジ、Ｃａｐ：コンデンサ
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】