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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】P2024042789
(43)【公開日】2024-03-29
(54)【発明の名称】直流電流遮断装置
(51)【国際特許分類】
H01H 33/59 20060101AFI20240322BHJP
H01H 9/54 20060101ALI20240322BHJP
【ＦＩ】
H01H33/59 D
H01H9/54 A
【審査請求】未請求
【請求項の数】4
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022147623
(22)【出願日】2022-09-16
(71)【出願人】
【識別番号】504171134
【氏名又は名称】国立大学法人 筑波大学
(74)【代理人】
【識別番号】100165179
【弁理士】
【氏名又は名称】田▲崎▼ 聡
(74)【代理人】
【識別番号】100188558
【弁理士】
【氏名又は名称】飯田 雅人
(74)【代理人】
【識別番号】100175824
【弁理士】
【氏名又は名称】小林 淳一
(74)【代理人】
【識別番号】100152272
【弁理士】
【氏名又は名称】川越 雄一郎
(74)【代理人】
【識別番号】100181722
【弁理士】
【氏名又は名称】春田 洋孝
(72)【発明者】
【氏名】萬年 智介
(72)【発明者】
【氏名】藤▲崎▼ 祥弘
(72)【発明者】
【氏名】磯部 高範
【テーマコード（参考）】
5G028
5G034
【Ｆターム（参考）】
5G028AA06
5G028AA22
5G028FB06
5G028FC01
5G034AA01
5G034AA07
5G034AA09
(57)【要約】
【課題】半導体スイッチに流れる電流による損失を低減する。
【解決手段】直流電流遮断装置は、直流電流を遮断する接点を有する機械スイッチと、ドレイン端子とソース端子とゲート端子とを有し、機械スイッチに並列に接続されて、接点に流れるべき直流電流をバイパスさせた第２電流の少なくとも一部の電流である第３電流が、接点が解放された状態においてドレイン端子とソース端子との間に流れる半導体スイッチと、接点が解放されてから半導体スイッチが第３電流を遮断するまでの時間である遮断遅延時間のうち、第１期間においてゲート端子に供給するゲート電圧を減少させながら半導体スイッチを駆動する第１状態と、第１期間よりも後の第２期間において第１状態よりもゲート電圧の減少速度を早くして半導体スイッチを駆動することにより半導体スイッチを遮断する第２状態とによって、半導体スイッチの動作状態を制御するスイッチ制御回路と、を備える。
【選択図】図１
【解決手段】直流電流遮断装置は、直流電流を遮断する接点を有する機械スイッチと、ドレイン端子とソース端子とゲート端子とを有し、機械スイッチに並列に接続されて、接点に流れるべき直流電流をバイパスさせた第２電流の少なくとも一部の電流である第３電流が、接点が解放された状態においてドレイン端子とソース端子との間に流れる半導体スイッチと、接点が解放されてから半導体スイッチが第３電流を遮断するまでの時間である遮断遅延時間のうち、第１期間においてゲート端子に供給するゲート電圧を減少させながら半導体スイッチを駆動する第１状態と、第１期間よりも後の第２期間において第１状態よりもゲート電圧の減少速度を早くして半導体スイッチを駆動することにより半導体スイッチを遮断する第２状態とによって、半導体スイッチの動作状態を制御するスイッチ制御回路と、を備える。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
直流電流を遮断する接点を有する機械スイッチと、
ドレイン端子とソース端子とゲート端子とを有し、前記機械スイッチに並列に接続されて、前記接点に流れるべき前記直流電流をバイパスさせた第２電流の少なくとも一部の電流である第３電流が、前記接点が解放された状態において前記ドレイン端子と前記ソース端子との間に流れる半導体スイッチと、
前記接点が解放されてから前記半導体スイッチが前記第３電流を遮断するまでの時間である遮断遅延時間のうち、第１期間において前記ゲート端子に供給するゲート電圧を減少させながら前記半導体スイッチを駆動する第１状態と、前記第１期間よりも後の第２期間において前記第１状態よりも前記ゲート電圧の減少速度を早くして前記半導体スイッチを駆動することにより前記半導体スイッチを遮断する第２状態とによって、前記半導体スイッチの動作状態を制御するスイッチ制御回路と、
を備える直流電流遮断装置。
ドレイン端子とソース端子とゲート端子とを有し、前記機械スイッチに並列に接続されて、前記接点に流れるべき前記直流電流をバイパスさせた第２電流の少なくとも一部の電流である第３電流が、前記接点が解放された状態において前記ドレイン端子と前記ソース端子との間に流れる半導体スイッチと、
前記接点が解放されてから前記半導体スイッチが前記第３電流を遮断するまでの時間である遮断遅延時間のうち、第１期間において前記ゲート端子に供給するゲート電圧を減少させながら前記半導体スイッチを駆動する第１状態と、前記第１期間よりも後の第２期間において前記第１状態よりも前記ゲート電圧の減少速度を早くして前記半導体スイッチを駆動することにより前記半導体スイッチを遮断する第２状態とによって、前記半導体スイッチの動作状態を制御するスイッチ制御回路と、
を備える直流電流遮断装置。
【請求項2】
前記スイッチ制御回路は、
前記遮断遅延時間よりも大きい時定数を有する容量素子と抵抗素子との組によるＣＲ回路と、前記ＣＲ回路への電流の流れ込みを制御するノーマリーオン型のスイッチ素子を備え、
前記第１状態において、前記第２電流の一部が前記ＣＲ回路に流れ込むことによる充電曲線に基づく電圧を前記ゲート端子に印加することにより前記半導体スイッチを駆動し、
前記第２状態において、前記スイッチ素子をオフ状態にして前記ＣＲ回路への電流の流れ込みを停止することにより、前記半導体スイッチを遮断させる
請求項１に記載の直流電流遮断装置。
前記遮断遅延時間よりも大きい時定数を有する容量素子と抵抗素子との組によるＣＲ回路と、前記ＣＲ回路への電流の流れ込みを制御するノーマリーオン型のスイッチ素子を備え、
前記第１状態において、前記第２電流の一部が前記ＣＲ回路に流れ込むことによる充電曲線に基づく電圧を前記ゲート端子に印加することにより前記半導体スイッチを駆動し、
前記第２状態において、前記スイッチ素子をオフ状態にして前記ＣＲ回路への電流の流れ込みを停止することにより、前記半導体スイッチを遮断させる
請求項１に記載の直流電流遮断装置。
【請求項3】
前記スイッチ素子は、
前記第１状態において、前記充電曲線に基づく電圧が所定のしきい値電圧を超える場合に、オフ状態にされて前記ＣＲ回路への電流の流れ込みを停止する
請求項２に記載の直流電流遮断装置。
前記第１状態において、前記充電曲線に基づく電圧が所定のしきい値電圧を超える場合に、オフ状態にされて前記ＣＲ回路への電流の流れ込みを停止する
請求項２に記載の直流電流遮断装置。
【請求項4】
前記スイッチ制御回路は、
充電された電圧に応じて第１時定数と前記第１時定数よりも時定数が小さい第２時定数とに時定数が変化する容量素子と抵抗素子との組によるＣＲ回路を備え、
前記第１状態において、前記第１時定数による前記ＣＲ回路に前記第３電流が流れることによる第１充電曲線に基づく電圧を前記ゲート端子に印加することにより前記半導体スイッチを駆動し、
前記第２状態において、前記第２時定数による前記ＣＲ回路に前記第３電流が流れることによる第２充電曲線に基づく電圧を前記ゲート端子に印加することにより前記半導体スイッチを駆動する
請求項１に記載の直流電流遮断装置。
充電された電圧に応じて第１時定数と前記第１時定数よりも時定数が小さい第２時定数とに時定数が変化する容量素子と抵抗素子との組によるＣＲ回路を備え、
前記第１状態において、前記第１時定数による前記ＣＲ回路に前記第３電流が流れることによる第１充電曲線に基づく電圧を前記ゲート端子に印加することにより前記半導体スイッチを駆動し、
前記第２状態において、前記第２時定数による前記ＣＲ回路に前記第３電流が流れることによる第２充電曲線に基づく電圧を前記ゲート端子に印加することにより前記半導体スイッチを駆動する
請求項１に記載の直流電流遮断装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、直流電流遮断装置に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、機械接点に流れる電流を半導体スイッチに転流させることにより、機械接点が解放される際のアークの発生を抑制しつつ、直流電流を遮断する直流電流遮断装置が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開２０１８－１９５５４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかしながら、上記のような従来技術においては、半導体スイッチのゲート端子に十分大きなゲート電圧をかけない場合には、半導体スイッチに流れる電流による損失が比較的大きいという問題があった。
【0005】
本発明は、上記問題を解決すべくなされたもので、その目的は、半導体スイッチに流れる電流による損失を低減しつつ、機械接点におけるアークの発生を抑制することができる直流電流遮断装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明の一実施形態は、直流電流を遮断する接点を有する機械スイッチと、ドレイン端子とソース端子とゲート端子とを有し、前記機械スイッチに並列に接続されて、前記接点に流れるべき前記直流電流をバイパスさせた第２電流の少なくとも一部の電流である第３電流が、前記接点が解放された状態において前記ドレイン端子と前記ソース端子との間に流れる半導体スイッチと、前記接点が解放されてから前記半導体スイッチが前記第３電流を遮断するまでの時間である遮断遅延時間のうち、第１期間において前記ゲート端子に供給するゲート電圧を減少させながら前記半導体スイッチを駆動する第１状態と、前記第１期間よりも後の第２期間において前記第１状態よりも前記ゲート電圧の減少速度を早くして前記半導体スイッチを駆動することにより前記半導体スイッチを遮断する第２状態とによって、前記半導体スイッチの動作状態を制御するスイッチ制御回路と、を備える直流電流遮断装置である。
【0007】
また、本発明の一実施形態は、上述の直流電流遮断装置において、前記スイッチ制御回路は、前記遮断遅延時間よりも大きい時定数を有する容量素子と抵抗素子との組によるＣＲ回路と、前記ＣＲ回路への電流の流れ込みを制御するノーマリーオン型のスイッチ素子を備え、前記第１状態において、前記第２電流の一部が前記ＣＲ回路に流れ込むことによる充電曲線に基づく電圧を前記ゲート端子に印加することにより前記半導体スイッチを駆動し、前記第２状態において、前記スイッチ素子をオフ状態にして前記ＣＲ回路への電流の流れ込みを停止することにより、前記半導体スイッチを遮断させる。
【0008】
また、本発明の一実施形態は、上述の直流電流遮断装置において、前記スイッチ素子は、前記第１状態において、前記充電曲線に基づく電圧が所定のしきい値電圧を超える場合に、オフ状態にされて前記ＣＲ回路への電流の流れ込みを停止する。
【0009】
また、本発明の一実施形態は、上述の直流電流遮断装置において、前記スイッチ制御回路は、充電された電圧に応じて第１時定数と前記第１時定数よりも時定数が小さい第２時定数とに時定数が変化する容量素子と抵抗素子との組によるＣＲ回路を備え、前記第１状態において、前記第１時定数による前記ＣＲ回路に前記第３電流が流れることによる第１充電曲線に基づく電圧を前記ゲート端子に印加することにより前記半導体スイッチを駆動し、前記第２状態において、前記第２時定数による前記ＣＲ回路に前記第３電流が流れることによる第２充電曲線に基づく電圧を前記ゲート端子に印加することにより前記半導体スイッチを駆動する。
【発明の効果】
【0010】
この発明によれば、半導体スイッチに流れる電流による損失を低減しつつ、機械接点におけるアークの発生を抑制できる直流電流遮断装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【図1】本実施形態の直流電源システムの構成の一例を示す図である。
【図2】直流電流遮断装置の回路構成の一例を示す図である。
【図3】直流電流遮断装置の動作の一例を示す図である。
【図4】直流電流遮断装置の遮断開始前における等価回路の一例を示す図である。
【図5】直流電流遮断装置の遮断開始時における等価回路の一例を示す図である。
【図6】直流電流遮断装置の半導体スイッチの導通期間における等価回路の一例を示す図である。
【図7】直流電流遮断装置のスイッチ素子の遮断期間における等価回路の一例を示す図である。
【図8】本実施形態の半導体スイッチのＩＶ特性の一例を示す図である。
【図9】３種類の半導体スイッチのＩＶ特性の一例を示す図である。
【図10】従来の直流電流遮断装置の構成の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
［技術の背景］
パワーデバイスや電力変換器の進歩により、直流配電が注目されている。例えば、データセンタやマイクログリッドにおける低電圧直流配電は、従来の交流配電と比較して、高効率化、機器の小型化・低コスト化、信頼性の向上を実現できる。
直流電流は自然な電流零点を持たないため、機械式遮断器では直流電流遮断によるアークを自然消弧することが困難である。そのため、直流遮断器には電流の電流零点を発生させるアーク消弧設備（アーク消弧システム）が必要になる。例えば、低電圧システム用の一般的な気中直流遮断器では、接点間で発生したアークを電磁作用で動かし、消弧板にぶつけることでアーク電圧をシステム電圧より高い電圧にし、電流を遮断する。このような方式であると、直流遮断器は大型化され、使用回路が限定される傾向にある。これらの問題を解決しつつ、直流電流のアークレス遮断を実現するために、遮断器の電流遮断に半導体スイッチを採用する研究が多く行われている。これらの研究には、大きく分けて半導体遮断器（SSCB；Solid-State Circuit Breaker）と、ハイブリッド遮断器（HCB；Hybrid Circuit Breaker）の２つの方式がある。
パワーデバイスや電力変換器の進歩により、直流配電が注目されている。例えば、データセンタやマイクログリッドにおける低電圧直流配電は、従来の交流配電と比較して、高効率化、機器の小型化・低コスト化、信頼性の向上を実現できる。
直流電流は自然な電流零点を持たないため、機械式遮断器では直流電流遮断によるアークを自然消弧することが困難である。そのため、直流遮断器には電流の電流零点を発生させるアーク消弧設備（アーク消弧システム）が必要になる。例えば、低電圧システム用の一般的な気中直流遮断器では、接点間で発生したアークを電磁作用で動かし、消弧板にぶつけることでアーク電圧をシステム電圧より高い電圧にし、電流を遮断する。このような方式であると、直流遮断器は大型化され、使用回路が限定される傾向にある。これらの問題を解決しつつ、直流電流のアークレス遮断を実現するために、遮断器の電流遮断に半導体スイッチを採用する研究が多く行われている。これらの研究には、大きく分けて半導体遮断器（SSCB；Solid-State Circuit Breaker）と、ハイブリッド遮断器（HCB；Hybrid Circuit Breaker）の２つの方式がある。
【0013】
動作電流が常に半導体スイッチに流れるSSCBは、超高速電流遮断が可能である。しかし、一般に半導体スイッチは、機械式スイッチに比べてオン抵抗が大きい。このため、SSCBは、通常の通電時の電流が半導体スイッチに流れるため、電力損失が大きいという問題がある。一方、HCBは、通常の通電には機械式スイッチを用い、電流遮断には半導体スイッチを用いているため、SSCBに比べて電力損失が非常に小さい。HCBの遮断動作は、機械式スイッチから半導体スイッチに電流を転流（バイパス）させ、機械式スイッチの絶縁を確保した後に半導体スイッチをオフにして遮断を完了する。しかし，HCBは機械式スイッチと半導体スイッチとの協調制御などの構成が複雑であり、信頼性低下やコストアップにつながるため、低電圧直流系統への適用は実用上の課題があった。
【0014】
そこで、半導体スイッチの制御を必要としないゲート制御レスHCBが提案されている。ゲート制御レスHCBは、半導体スイッチのゲート端子を受動部品を介して主回路に接続する構造により、ゲート電圧を自動生成して動作させることができる。この方式は、複雑な協調制御を必要とせず、低電圧システム用HCBを実現できる。しかし、このゲート制御レスHCBでは、電流の転流と遮断が同時に生じる。この動作は、半導体損失が大きく、また、遮断時にアーク放電が再起する確率が高くなるため、実用化には至っていない。
【0015】
［実施形態］
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。
図１は、本実施形態の直流電源システム１の構成の一例を示す図である。直流電源システム１は、直流電流遮断装置１０と、直流電源２０と、負荷３０とを備える。
直流電源２０は、所定の電圧を供給する直流電圧源である。負荷３０は、直流電力が供給される任意の負荷デバイスである。
直流電流遮断装置１０は、直流電源２０から負荷３０に供給される直流電流を遮断する。
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。
図１は、本実施形態の直流電源システム１の構成の一例を示す図である。直流電源システム１は、直流電流遮断装置１０と、直流電源２０と、負荷３０とを備える。
直流電源２０は、所定の電圧を供給する直流電圧源である。負荷３０は、直流電力が供給される任意の負荷デバイスである。
直流電流遮断装置１０は、直流電源２０から負荷３０に供給される直流電流を遮断する。
【0016】
直流電流遮断装置１０は、入力端子１０１と、出力端子１０２とを備える。
入力端子１０１は、直流電源２０に接続され、直流電源２０から供給される直流電流が入力される。以下の説明において、入力端子１０１を介して直流電流遮断装置１０に入力される直流電流のことを、入力電流Ｉinとも称する。
出力端子１０２は、負荷３０に接続される。出力端子１０２は、直流電流遮断装置１０が非遮断状態（つまり、導通状態）の場合に、負荷３０に対して直流電流を出力する。
入力端子１０１は、直流電源２０に接続され、直流電源２０から供給される直流電流が入力される。以下の説明において、入力端子１０１を介して直流電流遮断装置１０に入力される直流電流のことを、入力電流Ｉinとも称する。
出力端子１０２は、負荷３０に接続される。出力端子１０２は、直流電流遮断装置１０が非遮断状態（つまり、導通状態）の場合に、負荷３０に対して直流電流を出力する。
【0017】
直流電流遮断装置１０は、機械スイッチ１１０と、半導体スイッチ１２０と、スイッチ制御回路１３０とを備える。
【0018】
機械スイッチ１１０は、一端が第１接続点１０３を介して入力端子１０１に接続され、他端が第２接続点１０４を介して出力端子１０２に接続される。機械スイッチ１１０は、入力電流Ｉinを遮断する機械式の接点を有する。機械スイッチ１１０は、接点の接続・解放によって、非遮断状態と遮断状態とを切り替える。機械スイッチ１１０は、非遮断状態において、直流電源２０から供給された入力電流Ｉinを、出力端子１０２から出力させる。
機械スイッチ１１０の接点は、不図示の外部装置によって接続・解放が制御される。一例として、機械スイッチ１１０の接点は、人間が操作する機械式レバーによって接続・解放されてもよいし、遠隔制御されたアクチュエータによって接続・解放されてもよい。
機械スイッチ１１０の接点は、不図示の外部装置によって接続・解放が制御される。一例として、機械スイッチ１１０の接点は、人間が操作する機械式レバーによって接続・解放されてもよいし、遠隔制御されたアクチュエータによって接続・解放されてもよい。
【0019】
半導体スイッチ１２０は、ドレイン端子１２１と、ソース端子１２２と、ゲート端子１２３とを有する。ドレイン端子１２１は、第３接続点１０５および第１接続点１０３を介して入力端子１０１に接続される。ソース端子１２２は、第４接続点１０６および第２接続点１０４を介して出力端子１０２に接続される。ゲート端子１２３は、スイッチ制御回路１３０の第３端子１３３に接続される。ゲート端子１２３は、半導体スイッチ１２０の導通状態を制御する。
すなわち、半導体スイッチ１２０は、入力端子１０１と出力端子１０２との間に、機械スイッチ１１０に並列に接続される。
すなわち、半導体スイッチ１２０は、入力端子１０１と出力端子１０２との間に、機械スイッチ１１０に並列に接続される。
【0020】
半導体スイッチ１２０は、機械スイッチ１１０の接点に流れるべき入力電流Ｉin（直流電流）をバイパスさせた電流が、ドレイン端子１２１とソース端子１２２との間に流れる。
以下の説明において、機械スイッチ１１０の接点が解放された状態（つまり、遮断状態）である場合に、機械スイッチ１１０に並列接続された半導体スイッチ１２０に入力電流Ｉinを流すことを「入力電流Ｉinをバイパスさせる」ともいう。入力電流Ｉinをバイパスさせた電流のことを、バイパス電流ｉBともいう。
より詳細には、バイパス電流ｉBは、第３接続点１０５において、半導体スイッチ１２０に流れる半導体スイッチ電流ｉsemと、スイッチ制御回路１３０に流れる充電電流ｉcrとに分流される。半導体スイッチ１２０には、バイパス電流ｉBのうちの半導体スイッチ電流ｉsemが流れる。つまり、半導体スイッチ電流ｉsemは、バイパス電流ｉBの少なくとも一部の電流である。
以下の説明において、機械スイッチ１１０の接点が解放された状態（つまり、遮断状態）である場合に、機械スイッチ１１０に並列接続された半導体スイッチ１２０に入力電流Ｉinを流すことを「入力電流Ｉinをバイパスさせる」ともいう。入力電流Ｉinをバイパスさせた電流のことを、バイパス電流ｉBともいう。
より詳細には、バイパス電流ｉBは、第３接続点１０５において、半導体スイッチ１２０に流れる半導体スイッチ電流ｉsemと、スイッチ制御回路１３０に流れる充電電流ｉcrとに分流される。半導体スイッチ１２０には、バイパス電流ｉBのうちの半導体スイッチ電流ｉsemが流れる。つまり、半導体スイッチ電流ｉsemは、バイパス電流ｉBの少なくとも一部の電流である。
【0021】
すなわち、半導体スイッチ１２０は、機械スイッチ１１０の接点に流れるべき入力電流Ｉinをバイパスさせたバイパス電流ｉB（第２電流）の少なくとも一部の電流である半導体スイッチ電流ｉsem（第３電流）が、機械スイッチ１１０の接点が解放された状態においてドレイン端子１２１とソース端子１２２との間に流れる。
【0022】
スイッチ制御回路１３０は、第１端子１３１と、第２端子１３２と、第３端子１３３とを備える。第１端子１３１は、第３接続点１０５に接続される。第２端子１３２は、第４接続点１０６に接続される。第３端子１３３は、半導体スイッチ１２０のゲート端子１２３に接続される。
【0023】
スイッチ制御回路１３０は、第３端子１３３からの出力電圧によって半導体スイッチ１２０のゲート端子１２３を制御することにより、半導体スイッチ１２０のドレイン端子１２１とソース端子１２２との間の導通状態を制御する。
機械スイッチ１１０の接点が解放されると、スイッチ制御回路１３０は、半導体スイッチ１２０のドレイン端子１２１とソース端子１２２との間を導通状態にする。この結果、ドレイン端子１２１とソース端子１２２との間に半導体スイッチ電流ｉsemが流れる。
これと並行して、スイッチ制御回路１３０は、第３接続点１０５から供給される充電電流ｉcrに基づいて所定の遮断遅延時間の経過を判定する。ここで、遮断遅延時間とは、機械スイッチ１１０の接点が解放されてから半導体スイッチ１２０が半導体スイッチ電流ｉsemの遮断を開始するまでの時間である。遮断遅延時間が経過すると、スイッチ制御回路１３０は、半導体スイッチ１２０のドレイン端子１２１とソース端子１２２との間を非導通状態にする。この結果、半導体スイッチ電流ｉsemが流れなくなり、直流電流遮断装置１０は入力電流Ｉinの遮断を完了する。
機械スイッチ１１０の接点が解放されると、スイッチ制御回路１３０は、半導体スイッチ１２０のドレイン端子１２１とソース端子１２２との間を導通状態にする。この結果、ドレイン端子１２１とソース端子１２２との間に半導体スイッチ電流ｉsemが流れる。
これと並行して、スイッチ制御回路１３０は、第３接続点１０５から供給される充電電流ｉcrに基づいて所定の遮断遅延時間の経過を判定する。ここで、遮断遅延時間とは、機械スイッチ１１０の接点が解放されてから半導体スイッチ１２０が半導体スイッチ電流ｉsemの遮断を開始するまでの時間である。遮断遅延時間が経過すると、スイッチ制御回路１３０は、半導体スイッチ１２０のドレイン端子１２１とソース端子１２２との間を非導通状態にする。この結果、半導体スイッチ電流ｉsemが流れなくなり、直流電流遮断装置１０は入力電流Ｉinの遮断を完了する。
【0024】
より具体的には、スイッチ制御回路１３０は、第１状態と、第２状態とによって、半導体スイッチ１２０の遮断を完了させる。第１状態とは、ゲート端子１２３に供給するゲート電圧を減少させながら半導体スイッチ１２０を駆動する状態である。第２状態とは、第１状態よりもゲート電圧の減少速度を早くして半導体スイッチ１２０を駆動することにより半導体スイッチ１２０を遮断する状態である。遮断遅延時間のうち、第１状態の期間を第１期間ＴＭ１ともいい、第２状態の期間を第２期間ＴＭ２ともいう。
【0025】
なお、以下の説明において、第１期間ＴＭ１のことを、半導体スイッチ１２０の導通時間ＴＯＮともいう。また、第２期間ＴＭ２のことを、半導体スイッチ１２０のターンオフ時間ＴＴＯともいう。
【0026】
すなわち、スイッチ制御回路１３０は、機械スイッチ１１０の接点が解放されてから半導体スイッチ１２０が半導体スイッチ電流ｉsemを遮断するまでの時間である遮断遅延時間のうち、第１期間ＴＭ１においてゲート端子１２３に供給するゲート電圧を減少させながら半導体スイッチ１２０を駆動する第１状態と、第１期間ＴＭ１よりも後の第２期間ＴＭ２において第１状態よりもゲート電圧の減少速度を早くして半導体スイッチ１２０を駆動することにより半導体スイッチ１２０を遮断する第２状態とによって、半導体スイッチ１２０の動作状態を制御する。
このように構成されたスイッチ制御回路１３０によれば、第１期間ＴＭ１と第２期間ＴＭ２との切り替えを、例えばコンピュータ装置などによる制御によらず、受動的な回路素子のみで自律的に行うことができる。
このように構成されたスイッチ制御回路１３０によれば、第１期間ＴＭ１と第２期間ＴＭ２との切り替えを、例えばコンピュータ装置などによる制御によらず、受動的な回路素子のみで自律的に行うことができる。
【0027】
［回路構成の具体例］
次に、図２を参照して、本実施形態のスイッチ制御回路１３０の回路構成の具体例について説明する。なお、この具体例における直流電流遮断装置１０－１のことを、単に直流電流遮断装置１０とも記載する。
次に、図２を参照して、本実施形態のスイッチ制御回路１３０の回路構成の具体例について説明する。なお、この具体例における直流電流遮断装置１０－１のことを、単に直流電流遮断装置１０とも記載する。
【0028】
図２は、本実施形態の直流電流遮断装置１０の回路構成の一例を示す図である。直流電流遮断装置１０のスイッチ制御回路１３０は、スイッチ素子１３４と、容量素子１３５と、抵抗素子１３６とを備える。さらに、スイッチ制御回路１３０は、ダンピング抵抗素子１３７と、整流素子１３８とを備えていてもよい。
【0029】
スイッチ素子１３４は、例えば、Ｎチャネル型のＪＦＥＴ（Junction-gate Field-Effect Transistor；接合型電界効果トランジスタ）である。スイッチ素子１３４は、ドレイン端子と、ソース端子と、ゲート端子とを備える。スイッチ素子１３４のドレイン端子は、第１端子１３１を介して第３接続点１０５に接続される。スイッチ素子１３４のソース端子は、容量素子１３５の一端に接続される。スイッチ素子１３４のゲート端子は、第５接続点ＴＡに接続される。
容量素子１３５は、一端がスイッチ素子１３４のソース端子に接続され、他端が第５接続点ＴＡに接続される。すなわち、容量素子１３５は、スイッチ素子１３４のソース端子と、ゲート端子との間に接続される。
抵抗素子１３６は、一端が第５接続点ＴＡに接続され、他端が第７接続点ＴＣおよび第２端子１３２を介して第４接続点１０６に接続される。
容量素子１３５は、一端がスイッチ素子１３４のソース端子に接続され、他端が第５接続点ＴＡに接続される。すなわち、容量素子１３５は、スイッチ素子１３４のソース端子と、ゲート端子との間に接続される。
抵抗素子１３６は、一端が第５接続点ＴＡに接続され、他端が第７接続点ＴＣおよび第２端子１３２を介して第４接続点１０６に接続される。
【0030】
ダンピング抵抗素子１３７は、一端が第５接続点ＴＡに接続され、他端が第６接続点ＴＢおよび第３端子１３３を介して、半導体スイッチ１２０のゲート端子１２３に接続される。
整流素子１３８は、カソード端子が第６接続点ＴＢに接続され、アノード端子が第７接続点ＴＣに接続される。
なお、スイッチ制御回路１３０は、ダンピング抵抗素子１３７や整流素子１３８を備えていなくてもよい。ダンピング抵抗素子１３７を備えない場合には、第５接続点ＴＡと第６接続点ＴＢとは直接接続される。整流素子１３８を備えない場合には、第６接続点ＴＢと第７接続点ＴＣとは接続されない。
整流素子１３８は、カソード端子が第６接続点ＴＢに接続され、アノード端子が第７接続点ＴＣに接続される。
なお、スイッチ制御回路１３０は、ダンピング抵抗素子１３７や整流素子１３８を備えていなくてもよい。ダンピング抵抗素子１３７を備えない場合には、第５接続点ＴＡと第６接続点ＴＢとは直接接続される。整流素子１３８を備えない場合には、第６接続点ＴＢと第７接続点ＴＣとは接続されない。
【0031】
容量素子１３５と、抵抗素子１３６とは、ＣＲ回路を構成する。ＣＲ回路は、上述した遮断遅延時間よりも大きい時定数を有する。
スイッチ素子１３４は、ノーマリーオン型の素子であって、ＣＲ回路への電流の流れ込みを制御する。ここで、ノーマリーオン型の素子とは、ゲート端子にバイアス電圧が印加されていない場合に、ドレイン端子とソース端子との間が導通状態になる素子のことをいう。
すなわち、スイッチ制御回路１３０は、遮断遅延時間よりも大きい時定数を有する容量素子１３５と抵抗素子１３６との組によるＣＲ回路と、ＣＲ回路への電流の流れ込みを制御するノーマリーオン型のスイッチ素子１３４を備える。
スイッチ素子１３４は、ノーマリーオン型の素子であって、ＣＲ回路への電流の流れ込みを制御する。ここで、ノーマリーオン型の素子とは、ゲート端子にバイアス電圧が印加されていない場合に、ドレイン端子とソース端子との間が導通状態になる素子のことをいう。
すなわち、スイッチ制御回路１３０は、遮断遅延時間よりも大きい時定数を有する容量素子１３５と抵抗素子１３６との組によるＣＲ回路と、ＣＲ回路への電流の流れ込みを制御するノーマリーオン型のスイッチ素子１３４を備える。
【0032】
半導体スイッチ１２０のゲート端子１２３－ソース端子１２２間には、スイッチ制御回路１３０の第３端子１３３－第２端子１３２間の電位差が印加される。第３端子１３３－第２端子１３２間の電位差は、抵抗素子１３６の両端電位差に基づいて生じる。なお、本実施形態において、ダンピング抵抗素子１３７の両端電位差がほぼゼロであるとして説明している。以下の説明において、抵抗素子１３６の両端電位差を抵抗端子間電圧ｖgsともいう。
ここで、図３を参照して、直流電流遮断装置１０の各部の動作について説明する。
ここで、図３を参照して、直流電流遮断装置１０の各部の動作について説明する。
【0033】
図３は、本実施形態の直流電流遮断装置１０の動作の一例を示す図である。
期間ＴＭ０は、機械スイッチ１１０の接点が閉じており、負荷３０に電流を供給している期間である。
第１期間ＴＭ１は、機械スイッチ１１０が解放されてから、所定の時刻が経過するまでの期間である。上述したように、第１期間ＴＭ１は、導通時間ＴＯＮともいう。
第２期間ＴＭ２は、半導体スイッチ１２０が導通状態から非導通状態に切り替わる期間である。上述したように、第２期間ＴＭ２は、ターンオフ時間ＴＴＯともいう。
第３期間ＴＭ３は、機械スイッチ１１０および半導体スイッチ１２０がいずれも非導通状態であり、負荷３０への直流電流の供給が遮断されている期間である。
これら各期間ＴＭにおける動作について、図２および図３を参照して説明する。
期間ＴＭ０は、機械スイッチ１１０の接点が閉じており、負荷３０に電流を供給している期間である。
第１期間ＴＭ１は、機械スイッチ１１０が解放されてから、所定の時刻が経過するまでの期間である。上述したように、第１期間ＴＭ１は、導通時間ＴＯＮともいう。
第２期間ＴＭ２は、半導体スイッチ１２０が導通状態から非導通状態に切り替わる期間である。上述したように、第２期間ＴＭ２は、ターンオフ時間ＴＴＯともいう。
第３期間ＴＭ３は、機械スイッチ１１０および半導体スイッチ１２０がいずれも非導通状態であり、負荷３０への直流電流の供給が遮断されている期間である。
これら各期間ＴＭにおける動作について、図２および図３を参照して説明する。
【0034】
［期間ＴＭ０の動作］
機械スイッチ１１０の接点が閉じている状態である。
入力端子１０１から流れ込んだ入力電流Ｉinは、機械スイッチ電流ｉMCとして機械スイッチ１１０を流れて負荷３０に供給される。機械スイッチ１１０の接点のオン抵抗は、ほぼゼロであるため、機械スイッチ１１０の接点間電位差（機械スイッチ電圧ｖsw）は、ゼロである。スイッチ制御回路１３０の第１端子１３１と第２端子１３２との間に電位差は生じておらず、充電電流ｉcrは流れない。抵抗素子１３６に充電電流ｉcrは流れず、抵抗素子１３６の両端電位差（抵抗端子間電圧ｖgs）はゼロである。抵抗端子間電圧ｖgsがゼロであるため、半導体スイッチ１２０のゲート端子１２３－ソース端子１２２間には電位差が生じない。したがって、半導体スイッチ１２０は、非導通状態となり、半導体スイッチ電流ｉsemは流れない。すなわち、バイパス電流ｉBは流れない。
機械スイッチ１１０の接点が閉じている状態である。
入力端子１０１から流れ込んだ入力電流Ｉinは、機械スイッチ電流ｉMCとして機械スイッチ１１０を流れて負荷３０に供給される。機械スイッチ１１０の接点のオン抵抗は、ほぼゼロであるため、機械スイッチ１１０の接点間電位差（機械スイッチ電圧ｖsw）は、ゼロである。スイッチ制御回路１３０の第１端子１３１と第２端子１３２との間に電位差は生じておらず、充電電流ｉcrは流れない。抵抗素子１３６に充電電流ｉcrは流れず、抵抗素子１３６の両端電位差（抵抗端子間電圧ｖgs）はゼロである。抵抗端子間電圧ｖgsがゼロであるため、半導体スイッチ１２０のゲート端子１２３－ソース端子１２２間には電位差が生じない。したがって、半導体スイッチ１２０は、非導通状態となり、半導体スイッチ電流ｉsemは流れない。すなわち、バイパス電流ｉBは流れない。
【0035】
［第１期間ＴＭ１の動作］
時刻ｔ１において、機械スイッチ１１０の接点が解放される。
機械スイッチ１１０の接点間電位差（機械スイッチ電圧ｖsw）が上昇する。スイッチ制御回路１３０の第１端子１３１と第２端子１３２との間に電位差が生じる。
時刻ｔ１では、スイッチ素子１３４のゲート端子にはバイアス電圧が印加されていない。スイッチ素子１３４はノーマリーオン型のスイッチであるため、ゲート端子にバイアス電圧が印加されていない状態（すなわち時刻ｔ１）において、導通状態となっている。このため、第１端子１３１と第２端子１３２との間の電位差によって、充電電流ｉcrが流れる。
充電電流ｉcrは、容量素子１３５、抵抗素子１３６を介して第２端子１３２に向けて流れる。充電電流ｉcrは、容量素子１３５を充電するとともに、抵抗素子１３６に初期電圧Ｖiniの抵抗端子間電圧ｖgsを生じさせる。抵抗端子間電圧ｖgsは、半導体スイッチ１２０のゲート端子１２３－ソース端子１２２間電圧として、半導体スイッチ１２０に印加される。初期電圧Ｖiniは、半導体スイッチ１２０のドレイン端子１２１とソース端子１２２との間を導通させる閾値電圧を上回るように設定されている。半導体スイッチ１２０のゲート端子１２３に初期電圧Ｖiniが印加されると、半導体スイッチ１２０が導通状態となり、ドレイン端子１２１とソース端子１２２との間に半導体スイッチ電流ｉsemが流れる。
すなわち、機械スイッチ１１０の接点が解放されると、スイッチ制御回路１３０は、外部から制御されることなく、半導体スイッチ１２０を非導通状態から導通状態に切り替える。
時刻ｔ１において、機械スイッチ１１０の接点が解放される。
機械スイッチ１１０の接点間電位差（機械スイッチ電圧ｖsw）が上昇する。スイッチ制御回路１３０の第１端子１３１と第２端子１３２との間に電位差が生じる。
時刻ｔ１では、スイッチ素子１３４のゲート端子にはバイアス電圧が印加されていない。スイッチ素子１３４はノーマリーオン型のスイッチであるため、ゲート端子にバイアス電圧が印加されていない状態（すなわち時刻ｔ１）において、導通状態となっている。このため、第１端子１３１と第２端子１３２との間の電位差によって、充電電流ｉcrが流れる。
充電電流ｉcrは、容量素子１３５、抵抗素子１３６を介して第２端子１３２に向けて流れる。充電電流ｉcrは、容量素子１３５を充電するとともに、抵抗素子１３６に初期電圧Ｖiniの抵抗端子間電圧ｖgsを生じさせる。抵抗端子間電圧ｖgsは、半導体スイッチ１２０のゲート端子１２３－ソース端子１２２間電圧として、半導体スイッチ１２０に印加される。初期電圧Ｖiniは、半導体スイッチ１２０のドレイン端子１２１とソース端子１２２との間を導通させる閾値電圧を上回るように設定されている。半導体スイッチ１２０のゲート端子１２３に初期電圧Ｖiniが印加されると、半導体スイッチ１２０が導通状態となり、ドレイン端子１２１とソース端子１２２との間に半導体スイッチ電流ｉsemが流れる。
すなわち、機械スイッチ１１０の接点が解放されると、スイッチ制御回路１３０は、外部から制御されることなく、半導体スイッチ１２０を非導通状態から導通状態に切り替える。
【0036】
同図の一例において、半導体スイッチ１２０の遮断遅延時間は、時刻ｔ１から時刻ｔ３まで、つまり第１期間ＴＭ１と第２期間ＴＭ２とを合計した時間である。上述したように、容量素子１３５と抵抗素子１３６とによるＣＲ回路の時定数は、半導体スイッチ１２０の遮断遅延時間よりも大きい時定数が設定されている。このため、第１期間ＴＭ１において、抵抗素子１３６には充電電流ｉcrが安定的に流れ続け、半導体スイッチ１２０の導通状態を維持する。充電電流ｉcrによって、容量素子１３５が充電され、容量素子１３５の両端電位差（容量端子間電圧ｖcadj）は、徐々に上昇する。
容量素子１３５の充電が進み、容量端子間電圧ｖcadjが上昇すると、スイッチ素子１３４のゲート端子－ソース端子間に負バイアスが生じる。スイッチ素子１３４は、ゲート端子－ソース端子間の負バイアスが所定の閾値電圧Ｖjthに達すると、ドレイン端子－ソース端子間が非導通状態（オフ）になる。
容量素子１３５の充電が進み、容量端子間電圧ｖcadjが上昇すると、スイッチ素子１３４のゲート端子－ソース端子間に負バイアスが生じる。スイッチ素子１３４は、ゲート端子－ソース端子間の負バイアスが所定の閾値電圧Ｖjthに達すると、ドレイン端子－ソース端子間が非導通状態（オフ）になる。
【0037】
すなわち、直流電流遮断装置１０は、第１期間ＴＭ１（第１状態）において、バイパス電流ｉB（第２電流）の一部の電流である充電電流ｉcrが、ＣＲ回路に流れ込むことによる充電曲線に基づく電圧をゲート端子１２３に印加することにより半導体スイッチ１２０を駆動する。
【0038】
換言すれば、スイッチ素子１３４は、第１期間ＴＭ１（第１状態）において、充電曲線に基づく電圧が所定のしきい値電圧を超える場合に、オフ状態にされてＣＲ回路への充電電流ｉcrの流れ込みを停止する。
【0039】
［第２期間ＴＭ２の動作］
時刻ｔ２において、スイッチ素子１３４のゲート端子－ソース端子間の負バイアスが所定の閾値電圧Ｖjthに達して、スイッチ素子１３４のドレイン端子－ソース端子間が非導通状態になる。
スイッチ素子１３４のドレイン端子－ソース端子間が非導通状態になると、充電電流ｉcrがゼロになる。充電電流ｉcrがゼロになると、抵抗素子１３６の両端電位差（抵抗端子間電圧ｖgs）が低下する。抵抗端子間電圧ｖgsが低下すると、半導体スイッチ１２０のゲート端子１２３－ソース端子１２２間電圧が低下し、半導体スイッチ１２０のドレイン端子１２１とソース端子１２２との間が非導通状態になる。
なお、同図の一例においては、半導体スイッチ１２０の寄生容量などの影響があることにより、時刻ｔ２においてスイッチ素子１３４が非導通状態になってから、時刻ｔ３において半導体スイッチ電流ｉsemがゼロになるまで、ある程度の時間がかかっていることを示している。この半導体スイッチ電流ｉsemがゼロになるまでの時間は、半導体スイッチ１２０の寄生容量からの放電時間によって決まる長さであり、抵抗素子１３６の抵抗値やダンピング抵抗素子１３７の抵抗値によって律速される。
時刻ｔ２において、スイッチ素子１３４のゲート端子－ソース端子間の負バイアスが所定の閾値電圧Ｖjthに達して、スイッチ素子１３４のドレイン端子－ソース端子間が非導通状態になる。
スイッチ素子１３４のドレイン端子－ソース端子間が非導通状態になると、充電電流ｉcrがゼロになる。充電電流ｉcrがゼロになると、抵抗素子１３６の両端電位差（抵抗端子間電圧ｖgs）が低下する。抵抗端子間電圧ｖgsが低下すると、半導体スイッチ１２０のゲート端子１２３－ソース端子１２２間電圧が低下し、半導体スイッチ１２０のドレイン端子１２１とソース端子１２２との間が非導通状態になる。
なお、同図の一例においては、半導体スイッチ１２０の寄生容量などの影響があることにより、時刻ｔ２においてスイッチ素子１３４が非導通状態になってから、時刻ｔ３において半導体スイッチ電流ｉsemがゼロになるまで、ある程度の時間がかかっていることを示している。この半導体スイッチ電流ｉsemがゼロになるまでの時間は、半導体スイッチ１２０の寄生容量からの放電時間によって決まる長さであり、抵抗素子１３６の抵抗値やダンピング抵抗素子１３７の抵抗値によって律速される。
【0040】
すなわち、直流電流遮断装置１０は、第２期間ＴＭ２（第２状態）において、スイッチ素子１３４をオフ状態にしてＣＲ回路への充電電流ｉcrの流れ込みを停止することにより、半導体スイッチ１２０を遮断させる。
【0041】
［第３期間ＴＭ３の動作］
時刻ｔ３において、半導体スイッチ電流ｉsemがゼロになる。機械スイッチ電流ｉMCは、時刻ｔ１において既にゼロになっているため、直流電流遮断装置１０が出力端子１０２から負荷３０に対して出力する電流は、時刻ｔ３においてゼロになる。すなわち、時刻ｔ３において、負荷３０に対する出力電流の遮断が完了する。
時刻ｔ３において、半導体スイッチ電流ｉsemがゼロになる。機械スイッチ電流ｉMCは、時刻ｔ１において既にゼロになっているため、直流電流遮断装置１０が出力端子１０２から負荷３０に対して出力する電流は、時刻ｔ３においてゼロになる。すなわち、時刻ｔ３において、負荷３０に対する出力電流の遮断が完了する。
【0042】
【0043】
図４は、直流電流遮断装置１０の遮断開始前における等価回路の一例を示す図である。同図には、半導体スイッチ１２０の寄生容量（ＣＭ
ｄｓ、ＣＭ
ｇｄ、ＣＭ
ｇｓ）およびスイッチ素子１３４の寄生容量（ＣJ
ｄｓ、ＣJ
ｇｄ、ＣJ
ｇｓ）を示す。図３に示した第０期間ＴＭ０において、ノーマリーオンデバイスであるスイッチ素子１３４は、完全な導通状態（オン状態）である。このため、スイッチ素子１３４の寄生容量は無視できる程度である。また、第０期間ＴＭ０において、容量素子１３５および半導体スイッチ１２０の寄生容量（ＣＭ
ｄｓ、ＣＭ
ｇｄ、ＣＭ
ｇｓ）の電圧はいずれもゼロであるため、これらの容量は無視できる。
【0044】
図５は、直流電流遮断装置１０の遮断開始時における等価回路の一例を示す図である。図３に示した時刻ｔ１（つまり、第０期間ＴＭ０から第１期間ＴＭ１に遷移するタイミング）において、機械スイッチ１１０の接点の解放により、機械スイッチ１１０から半導体スイッチ１２０への転流が行われる。
時刻ｔ１において機械スイッチ１１０の接点が解放され、接点間にアーク電圧が生じる。機械スイッチ１１０の接点間のアーク電圧が上昇すると、寄生容量ＣＭ ｄｓと寄生容量ＣＭ ｇｓが充電される。寄生容量ＣＭ ｇｓの電圧が閾値電圧に達すると、半導体スイッチ１２０がオン状態になる。
半導体スイッチ１２０がオン状態になると、機械スイッチ電流ｉMCが半導体スイッチ電流ｉsemおよび充電電流ｉcrに転流され、機械スイッチ１１０の接点間のアークは消弧される。半導体スイッチ電流ｉsem >> 充電電流ｉcrとすると、入力電流Ｉinの大部分は、半導体スイッチ電流ｉsemとして流れる。また、半導体スイッチ１２０のドレイン－ソース間電圧ｖdsは、半導体スイッチ１２０のゲート－ソース間電圧と等しい。
なお、半導体スイッチ１２０のゲート－ソース間電圧は、抵抗素子１３６の両端電位差である抵抗端子間電圧ｖgsと等しい。このため、半導体スイッチ１２０のゲート－ソース間電圧のことをゲート－ソース間電圧ｖgsともいう。
ドレイン－ソース間電圧ｖds＝ゲート－ソース間電圧ｖgsの条件下で入力電流Ｉinを流すことができる状態が、半導体スイッチ１２０の動作点となる。このときのドレイン－ソース間電圧ｖdsとゲート－ソース間電圧ｖgsを、初期電圧Ｖiniと定義する。
時刻ｔ１において機械スイッチ１１０の接点が解放され、接点間にアーク電圧が生じる。機械スイッチ１１０の接点間のアーク電圧が上昇すると、寄生容量ＣＭ ｄｓと寄生容量ＣＭ ｇｓが充電される。寄生容量ＣＭ ｇｓの電圧が閾値電圧に達すると、半導体スイッチ１２０がオン状態になる。
半導体スイッチ１２０がオン状態になると、機械スイッチ電流ｉMCが半導体スイッチ電流ｉsemおよび充電電流ｉcrに転流され、機械スイッチ１１０の接点間のアークは消弧される。半導体スイッチ電流ｉsem >> 充電電流ｉcrとすると、入力電流Ｉinの大部分は、半導体スイッチ電流ｉsemとして流れる。また、半導体スイッチ１２０のドレイン－ソース間電圧ｖdsは、半導体スイッチ１２０のゲート－ソース間電圧と等しい。
なお、半導体スイッチ１２０のゲート－ソース間電圧は、抵抗素子１３６の両端電位差である抵抗端子間電圧ｖgsと等しい。このため、半導体スイッチ１２０のゲート－ソース間電圧のことをゲート－ソース間電圧ｖgsともいう。
ドレイン－ソース間電圧ｖds＝ゲート－ソース間電圧ｖgsの条件下で入力電流Ｉinを流すことができる状態が、半導体スイッチ１２０の動作点となる。このときのドレイン－ソース間電圧ｖdsとゲート－ソース間電圧ｖgsを、初期電圧Ｖiniと定義する。
【0045】
図６は、直流電流遮断装置１０の半導体スイッチ１２０の導通期間（第１期間ＴＭ１）における等価回路の一例を示す図である。
容量素子１３５の容量Ｃadjの電圧が閾値より低い間は、スイッチ素子１３４がオンしているため、寄生容量（ＣJ ｄｓ、ＣJ ｇｄ）は無視できる。この期間、抵抗素子１３６には抵抗端子間電圧ｖgsが生じる。抵抗端子間電圧ｖgsに対応する充電電流ｉcrが抵抗素子１３６に流れる。この抵抗端子間電圧ｖgsは半導体スイッチ１２０の動作点の移動に伴い変化するが、その変化は無視できるほど小さい。したがって、抵抗端子間電圧ｖgsを初期電圧Ｖiniの一定値とすると、充電電流ｉcrは、式（１）で表すことができる。
容量素子１３５の容量Ｃadjの電圧が閾値より低い間は、スイッチ素子１３４がオンしているため、寄生容量（ＣJ ｄｓ、ＣJ ｇｄ）は無視できる。この期間、抵抗素子１３６には抵抗端子間電圧ｖgsが生じる。抵抗端子間電圧ｖgsに対応する充電電流ｉcrが抵抗素子１３６に流れる。この抵抗端子間電圧ｖgsは半導体スイッチ１２０の動作点の移動に伴い変化するが、その変化は無視できるほど小さい。したがって、抵抗端子間電圧ｖgsを初期電圧Ｖiniの一定値とすると、充電電流ｉcrは、式（１）で表すことができる。
【0046】
【数1】
【0047】
充電電流ｉcrは、並列接続された寄生容量ＣＭ
ｇｄ、容量Ｃadjおよび寄生容量ＣJ
ｇｓの合成容量Ｃ１にも流れ、この合成容量Ｃ１が徐々に充電される。このとき、合成容量Ｃ１の充電電圧vcは、式（２）で示される。
【0048】
【数2】
【0049】
ここで、容量Ｃadj >> 寄生容量ＣＭ
ｇｄ、寄生容量ＣJ
ｇｓとすると、合成容量Ｃ１は、式（３）で表され、容量Ｃadjに近似できる。
【0050】
【数3】
【0051】
したがって、合成容量Ｃ１の充電電圧vcは、式（１）～式（３）から、式（４）であらわされる。
【0052】
【数4】
【0053】
充電電圧vcは、ゲート端子－ソース端子間に負バイアスを与える。半導体スイッチ１２０は、充電電圧vcによる負バイアスがスイッチ素子１３４の閾値電圧Ｖjthに達するまで導通しつづける。従って、半導体スイッチ１２０の導通時間ＴＯＮは、式（５）で与えられる。
【0054】
【数5】
【0055】
導通時間ＴＯＮにおいて半導体スイッチ１２０に電流が流れると、半導体スイッチ１２０に損失が発生する。この損失は、機械スイッチ電圧ｖswと、半導体スイッチ電流ｉsemの積の時間積分から計算することができる。導通時間ＴＯＮ中の機械スイッチ電圧ｖswは、初期電圧Ｖiniから増加する。この機械スイッチ電圧ｖswの時間変化は、式（６）で与えられる。
【0056】
【数6】
【0057】
説明を簡単にするため、入力電流Ｉinを半導体スイッチ電流ｉsemとすると、導通時間ＴＯＮ中の半導体スイッチ１２０の損失ＱＯＮは、式（７）から求められ、導通時間ＴＯＮに比例して増加する。
【0058】
【数7】
【0059】
容量Ｃadjの充電電圧vcによる負バイアスがスイッチ素子１３４の閾値電圧Ｖjthに達すると、スイッチ素子１３４は、オフ状態になり充電電流ｉcrを遮断する。
【0060】
図７は、直流電流遮断装置１０のスイッチ素子１３４の遮断期間（第２期間ＴＭ２）における等価回路の一例を示す図である。寄生容量ＣＭ
ｇｄ、寄生容量ＣJ
ｄｓ、寄生容量ＣJ
ｇｄ、容量Ｃadj、寄生容量ＣJ
ｇｓは直並列に接続され、それらの合成容量Ｃ２は、式（８）で表される。
【0061】
【数8】
【0062】
また、合成容量Ｃ２は、式（９）に示すように近似できる。
【0063】
【数9】
【0064】
合成容量Ｃ２が電源電圧Vinまで充電されると同時に、寄生容量ＣＭ
ｇｓが半導体スイッチ１２０の閾値電圧まで放電すると、半導体スイッチ１２０はターンオフを完了する。合成容量Ｃ２の充放電速度は、抵抗素子１３６に流れる電流（充電電流ｉcr）に依存し、抵抗素子１３６の抵抗値によって変化する。半導体スイッチ１２０をオフにするのに必要なターンオフ時間ＴＴＯは、抵抗素子１３６の抵抗値Rgsによって変化させることができる。半導体スイッチ１２０の損失ＱＯＮと同様にして、ターンオフ時間ＴＴＯ中の半導体スイッチの損失ＱＴＯを計算することができる。機械スイッチ電圧ｖswが（初期電圧Ｖini－閾値電圧Ｖjth）から電源電圧Vinへ、半導体スイッチ電流ｉsemが入力電流Ｉinから０（ゼロ）へ、それぞれ線形に変化するとすれば、損失ＱＴＯは、式（１０）で表される。この損失ＱＴＯは、ターンオフ時間ＴＴＯに比例して増加することがわかる。
【0065】
【数10】
【0066】
図８は、本実施形態の半導体スイッチ１２０のＩＶ特性の一例を示す図である。同図には、半導体スイッチ１２０が、定格１２００Ｖ／５５ＡのSiC-MOSFETを一例にして、ゲート端子１２３－ソース端子１２２間電圧ｖｇｓが一定であり、ドレイン－ソース間電圧ｖｄｓ＝ゲート端子１２３－ソース端子１２２間電圧ｖｇｓが成立する条件での、Ｉｄ－Ｖｄｓ特性の測定値を示している。
初期状態ではすべてのバイパス電流ｉＢが半導体スイッチ１２０に流れるはずである。したがって、初期電圧Ｖiniは、ドレイン－ソース間電圧ｖｄｓ＝ゲート端子１２３－ソース端子１２２間電圧ｖｇｓの場合のＩｄ－Ｖｄｓ特性から求めることができる。例えば、同図では、入力電流Ｉinが５Ａ（アンペア）である場合の電流遮断時の初期電圧Ｖiniは８．３Ｖ（ボルト）であると特定される。
初期状態ではすべてのバイパス電流ｉＢが半導体スイッチ１２０に流れるはずである。したがって、初期電圧Ｖiniは、ドレイン－ソース間電圧ｖｄｓ＝ゲート端子１２３－ソース端子１２２間電圧ｖｇｓの場合のＩｄ－Ｖｄｓ特性から求めることができる。例えば、同図では、入力電流Ｉinが５Ａ（アンペア）である場合の電流遮断時の初期電圧Ｖiniは８．３Ｖ（ボルト）であると特定される。
【0067】
図９は、３種類の半導体スイッチのＩＶ特性の一例を示す図である。この一例では、SiC-MOSFET、Si-IGBT、カスコードSiC-JFETの３種類の半導体スイッチ１２０Ｉｄ－Ｖｄｓ特性を示している。同図は、ドレイン－ソース間電圧ｖｄｓ＝ゲート端子１２３－ソース端子１２２間電圧ｖｇｓが成立する条件で測定しており、全ての半導体スイッチ１２０の定格電圧は１２００Ｖと等しく、定格電流も近いものを選定した。同図から、互いに同じカットオフ電流での初期電圧Viniは、SiC-MOSFETが最も大きく、カスコード素子で最も小さいことがわかる。カスコード素子は、ゲート端子１２３－ソース端子１２２間電圧ｖｇｓに対して低いしきい値電圧と高い飽和電流を持ち、他の素子より小さい初期電圧Ｖiniで大きな電流を流すことができる。したがって、初期電圧Ｖiniの観点からもカスコード素子の特性は半導体スイッチとして最も適している。
【0068】
容量素子１３５の容量Ｃadjと、抵抗素子１３６の抵抗値Ｒgsの設計について説明する。半導体スイッチ１２０の総損失は、損失ＱＯＮと損失ＱＴＯの和で与えられる。この総損失が非常に大きくなると、半導体スイッチ１２０の熱耐性を超えてしまい、素子破壊に至る可能性がある。したがって、本実施形態の直流電流遮断装置１０では、上述した式（７）および式（１０）に基づき、半導体スイッチ１２０の熱耐性を超えないように導通時間ＴＯＮ、ターンオフ時間ＴＴＯを設計する必要がある。
一方、導通時間ＴＯＮは、機械スイッチ１１０の接点間の絶縁が十分に確保されるまで継続しなければ、接点間の絶縁を破壊し、アーク再点弧が発生する。
本実施形態の直流電流遮断装置１０は、機械スイッチ１１０の絶縁性能に応じて導通時間ＴＯＮを設定する必要があり、不用意に導通時間ＴＯＮを下げることはできない。式（５）などで示したように、導通時間ＴＯＮとターンオフ時間ＴＴＯとは、それぞれ容量Ｃadjと抵抗値Ｒgsに基づいて変化する。したがって、機械スイッチ１１０の絶縁性能と半導体スイッチ１２０の熱能力とを考慮して、容量Ｃadjと抵抗値Ｒgsを適切な導通時間ＴＯＮとターンオフ時間ＴＴＯを設定することが重要である。
一方、導通時間ＴＯＮは、機械スイッチ１１０の接点間の絶縁が十分に確保されるまで継続しなければ、接点間の絶縁を破壊し、アーク再点弧が発生する。
本実施形態の直流電流遮断装置１０は、機械スイッチ１１０の絶縁性能に応じて導通時間ＴＯＮを設定する必要があり、不用意に導通時間ＴＯＮを下げることはできない。式（５）などで示したように、導通時間ＴＯＮとターンオフ時間ＴＴＯとは、それぞれ容量Ｃadjと抵抗値Ｒgsに基づいて変化する。したがって、機械スイッチ１１０の絶縁性能と半導体スイッチ１２０の熱能力とを考慮して、容量Ｃadjと抵抗値Ｒgsを適切な導通時間ＴＯＮとターンオフ時間ＴＴＯを設定することが重要である。
【0069】
［変形例１］
なお、上述したように、直流電流遮断装置１０は、ダンピング抵抗素子１３７を備えていてもよい。半導体スイッチ１２０の内部ゲート抵抗が小さい場合、カットオフ動作時に機械スイッチ電圧ｖswと半導体スイッチ電流ｉsemとが大きく発振することがある。
本実施形態の直流電流遮断装置１０は、半導体スイッチ１２０のＩｄ－Ｖｄｓ特性上の飽和領域を動作点としている。半導体スイッチ１２０の飽和領域では、ゲート-ソース間電圧がわずかに変化すると、半導体スイッチ１２０の増幅により、ドレイン-ソース間電圧が大きく変化する。また、半導体スイッチ１２０のゲート-ソース間の寄生容量ＣＭ ｇｓと回路の寄生インダクタンスとの共振により、抵抗端子間電圧ｖgsの振動が誘発される。そこで、本実施形態の直流電流遮断装置１０は、半導体スイッチ１２０のゲート端子１２３にダンピング抵抗素子１３７を導入し、共振を緩和して、ドレイン-ソース間電圧の大きな振動を防止している。
一方、ダンピング抵抗素子１３７の抵抗値が大きすぎると、動作開始時に問題が発生する場合がある。例えば、ダンピング抵抗素子１３７を有する直流電流遮断装置１０の場合、機械スイッチ１１０のアーク電圧は、寄生容量ＣＭ ｄｓ、寄生容量ＣＭ ｇｓとともに寄生容量ＣＭ ｇｄを充電する。この場合、寄生容量ＣＭ ｇｓが閾値電圧に達する前に寄生容量ＣＭ ｇｄの電圧分だけ機械スイッチ電圧ｖswが増加する。したがって、半導体スイッチ１２０をオンにするにはより大きなアーク電圧が必要となる。また、ダンピング抵抗素子１３７は、電流が機械スイッチ１１０から半導体スイッチ１２０に転流されるまでのアーク時間を長くする。寄生容量ＣＭ ｇｄの電圧はダンピング抵抗素子１３７の抵抗値によって増加する。したがって、ダンピング抵抗素子１３７の抵抗値は、十分なダンピングが可能な範囲でできるだけ小さくするとよい。
なお、上述したように、直流電流遮断装置１０は、ダンピング抵抗素子１３７を備えていてもよい。半導体スイッチ１２０の内部ゲート抵抗が小さい場合、カットオフ動作時に機械スイッチ電圧ｖswと半導体スイッチ電流ｉsemとが大きく発振することがある。
本実施形態の直流電流遮断装置１０は、半導体スイッチ１２０のＩｄ－Ｖｄｓ特性上の飽和領域を動作点としている。半導体スイッチ１２０の飽和領域では、ゲート-ソース間電圧がわずかに変化すると、半導体スイッチ１２０の増幅により、ドレイン-ソース間電圧が大きく変化する。また、半導体スイッチ１２０のゲート-ソース間の寄生容量ＣＭ ｇｓと回路の寄生インダクタンスとの共振により、抵抗端子間電圧ｖgsの振動が誘発される。そこで、本実施形態の直流電流遮断装置１０は、半導体スイッチ１２０のゲート端子１２３にダンピング抵抗素子１３７を導入し、共振を緩和して、ドレイン-ソース間電圧の大きな振動を防止している。
一方、ダンピング抵抗素子１３７の抵抗値が大きすぎると、動作開始時に問題が発生する場合がある。例えば、ダンピング抵抗素子１３７を有する直流電流遮断装置１０の場合、機械スイッチ１１０のアーク電圧は、寄生容量ＣＭ ｄｓ、寄生容量ＣＭ ｇｓとともに寄生容量ＣＭ ｇｄを充電する。この場合、寄生容量ＣＭ ｇｓが閾値電圧に達する前に寄生容量ＣＭ ｇｄの電圧分だけ機械スイッチ電圧ｖswが増加する。したがって、半導体スイッチ１２０をオンにするにはより大きなアーク電圧が必要となる。また、ダンピング抵抗素子１３７は、電流が機械スイッチ１１０から半導体スイッチ１２０に転流されるまでのアーク時間を長くする。寄生容量ＣＭ ｇｄの電圧はダンピング抵抗素子１３７の抵抗値によって増加する。したがって、ダンピング抵抗素子１３７の抵抗値は、十分なダンピングが可能な範囲でできるだけ小さくするとよい。
【0070】
［変形例２］
上述したように、直流電流遮断装置１０は、整流素子１３８を備えていてもよい。機械スイッチ１１０の電流遮断の際にアークが再点弧すると、機械スイッチ１１０の接点は導通状態となり、接点間の電位差が低下する。このとき、容量Ｃadj、寄生容量ＣJ ｇｓ、寄生容量ＣJ ｇｄ、寄生容量ＣＭ ｇｄに蓄えられた電荷は抵抗素子１３６に負電圧を発生させる。一般的な半導体スイッチは、ゲート・ソース端子間の負電圧耐量が低いため、この負電圧によりデバイスが破壊される可能性がある。そこで、ゲート-ソース端子間に整流素子１３８を接続し、半導体スイッチ１２０の破壊を防止する。ゲート-ソース端子間の放電ループによりゲート-ソース端子間に負電圧耐量を超えるような負電圧がかからず、アーク再点弧による半導体スイッチ１２０の破壊を防止することができる。
上述したように、直流電流遮断装置１０は、整流素子１３８を備えていてもよい。機械スイッチ１１０の電流遮断の際にアークが再点弧すると、機械スイッチ１１０の接点は導通状態となり、接点間の電位差が低下する。このとき、容量Ｃadj、寄生容量ＣJ ｇｓ、寄生容量ＣJ ｇｄ、寄生容量ＣＭ ｇｄに蓄えられた電荷は抵抗素子１３６に負電圧を発生させる。一般的な半導体スイッチは、ゲート・ソース端子間の負電圧耐量が低いため、この負電圧によりデバイスが破壊される可能性がある。そこで、ゲート-ソース端子間に整流素子１３８を接続し、半導体スイッチ１２０の破壊を防止する。ゲート-ソース端子間の放電ループによりゲート-ソース端子間に負電圧耐量を超えるような負電圧がかからず、アーク再点弧による半導体スイッチ１２０の破壊を防止することができる。
【0071】
［変形例３］
上述した一例では、スイッチ制御回路１３０は、容量素子１３５への充電電流ｉcrを、スイッチ素子１３４によって制御することで、第１期間ＴＭ１と、第２期間ＴＭ２とを切り替える構成であった。
ここでスイッチ制御回路１３０は、スイッチ素子１３４に代えて、充電された電圧によって容量が変化する可変容量素子を用いることで、第１期間ＴＭ１と、第２期間ＴＭ２とを切り替えてもよい。
上述した一例では、スイッチ制御回路１３０は、容量素子１３５への充電電流ｉcrを、スイッチ素子１３４によって制御することで、第１期間ＴＭ１と、第２期間ＴＭ２とを切り替える構成であった。
ここでスイッチ制御回路１３０は、スイッチ素子１３４に代えて、充電された電圧によって容量が変化する可変容量素子を用いることで、第１期間ＴＭ１と、第２期間ＴＭ２とを切り替えてもよい。
【0072】
すなわち、スイッチ制御回路１３０は、充電された電圧に応じて第１時定数と第１時定数よりも時定数が小さい第２時定数とに時定数が変化する容量素子１３５と抵抗素子１３６との組によるＣＲ回路を備えていてもよい。この場合、スイッチ制御回路１３０は、第１状態において、第１時定数によるＣＲ回路に充電電流ｉcrが流れることによる第１充電曲線に基づく電圧をゲート端子１２３に印加することにより半導体スイッチ１２０を駆動する。またこの場合、スイッチ制御回路１３０は、第２状態において、第２時定数によるＣＲ回路に充電電流ｉcrが流れることによる第２充電曲線に基づく電圧をゲート端子１２３に印加することにより半導体スイッチ１２０を駆動する。
このように構成されたスイッチ制御回路１３０によっても、第１期間ＴＭ１と、第２期間ＴＭ２とを自律的に切り替えることができる。
このように構成されたスイッチ制御回路１３０によっても、第１期間ＴＭ１と、第２期間ＴＭ２とを自律的に切り替えることができる。
【0073】
［従来技術との比較］
図１０は、従来の直流電流遮断装置９０の構成の一例を示す図である。従来の直流電源システム９における直流電流遮断装置９０は、直流電流遮断装置１０が備えるスイッチ素子１３４を備えていない。直流電流遮断装置９０は、スイッチ素子１３４を備えていないため、図３に示した第１期間ＴＭ１と第２期間ＴＭ２との切り替わりがない。このため、充電電圧vcが電源電圧Ｖinに達するまで、半導体スイッチ１２０のオン状態が継続する。その結果、半導体スイッチ１２０に流れる半導体スイッチ電流ｉsemの電圧×電流による積（つまり、損失）が、本実施形態の直流電流遮断装置１０に比べて大きくなる。すなわち、従来の直流電流遮断装置９０では、半導体スイッチ電流ｉsemによる損失が、直流電流遮断装置１０に比べて大きくなる。
一方、本実施形態の直流電流遮断装置１０は、半導体スイッチ１２０を導通させる第１期間ＴＭ１と、半導体スイッチ１２０をターンオフする第２期間ＴＭ２とを有する。このため、直流電流遮断装置１０によれば、半導体スイッチ電流ｉsemの電圧×電流による面積が、従来の直流電流遮断装置９０よりも小さくなり、半導体スイッチ電流ｉsemによる損失を低減することができる。
さらに、本実施形態の直流電流遮断装置１０によれば、半導体スイッチ１２０を導通させる第１期間ＴＭ１において、機械スイッチ１１０の機械スイッチ電圧ｖswが低く保たれるため、機械スイッチ１１０の接点間にアークが発生しにくい。
したがって、本実施形態の直流電流遮断装置１０によれば、半導体スイッチ１２０の損失の低減と、機械スイッチ１１０におけるアーク抑制とを図ることができる。
図１０は、従来の直流電流遮断装置９０の構成の一例を示す図である。従来の直流電源システム９における直流電流遮断装置９０は、直流電流遮断装置１０が備えるスイッチ素子１３４を備えていない。直流電流遮断装置９０は、スイッチ素子１３４を備えていないため、図３に示した第１期間ＴＭ１と第２期間ＴＭ２との切り替わりがない。このため、充電電圧vcが電源電圧Ｖinに達するまで、半導体スイッチ１２０のオン状態が継続する。その結果、半導体スイッチ１２０に流れる半導体スイッチ電流ｉsemの電圧×電流による積（つまり、損失）が、本実施形態の直流電流遮断装置１０に比べて大きくなる。すなわち、従来の直流電流遮断装置９０では、半導体スイッチ電流ｉsemによる損失が、直流電流遮断装置１０に比べて大きくなる。
一方、本実施形態の直流電流遮断装置１０は、半導体スイッチ１２０を導通させる第１期間ＴＭ１と、半導体スイッチ１２０をターンオフする第２期間ＴＭ２とを有する。このため、直流電流遮断装置１０によれば、半導体スイッチ電流ｉsemの電圧×電流による面積が、従来の直流電流遮断装置９０よりも小さくなり、半導体スイッチ電流ｉsemによる損失を低減することができる。
さらに、本実施形態の直流電流遮断装置１０によれば、半導体スイッチ１２０を導通させる第１期間ＴＭ１において、機械スイッチ１１０の機械スイッチ電圧ｖswが低く保たれるため、機械スイッチ１１０の接点間にアークが発生しにくい。
したがって、本実施形態の直流電流遮断装置１０によれば、半導体スイッチ１２０の損失の低減と、機械スイッチ１１０におけるアーク抑制とを図ることができる。
【0074】
以上、本発明の実施形態を図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更を加えることができる。上述した各実施形態に記載の構成を組合せてもよい。
【符号の説明】
【0075】
１…直流電源システム、１０…直流電流遮断装置、１１０…機械スイッチ、１２０…半導体スイッチ、１３０…スイッチ制御回路、１３４…スイッチ素子、１３５…容量素子、１３６…抵抗素子、１３７…ダンピング抵抗素子、１３８…整流素子、Ｉin…入力電流、ｉMC…機械スイッチ電流、ｉB…バイパス電流、ｉsem…半導体スイッチ電流、ｉcr…充電電流、ｖsw…機械スイッチ電圧、ｖcadj…容量端子間電圧、ｖgs…抵抗端子間電圧
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】