特開 2024-5021 制御装置、半導体遮断システム、半導体スイッチの制御方法、制御プログラム、および記録媒体

(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】P2024005021

(43)【公開日】2024-01-17

(54)【発明の名称】制御装置、半導体遮断システム、半導体スイッチの制御方法、制御プログラム、および記録媒体

(51)【国際特許分類】

   H02H 3/093 20060101AFI20240110BHJP

   H02H 3/087 20060101ALI20240110BHJP

【ＦＩ】

H02H3/093

H02H3/087

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022104988

(22)【出願日】2022-06-29

(71)【出願人】

【識別番号】000003942

【氏名又は名称】日新電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000338

【氏名又は名称】弁理士法人 ＨＡＲＡＫＥＮＺＯ ＷＯＲＬＤ ＰＡＴＥＮＴ ＆ ＴＲＡＤＥＭＡＲＫ

(72)【発明者】

【氏名】豊田 玄紀

【テーマコード（参考）】

5G004

【Ｆターム（参考）】

5G004AA04

5G004BA04

5G004DA01

5G004DC01

5G004EA01

(57)【要約】

【課題】過電流の判定処理において誤判定が発生する可能性を低減することができる制御装置等を提供する。
【解決手段】制御装置（３）は、半導体スイッチ（２）の動作特性に関する特性情報を少なくとも含んだ、所定の動作特性情報と、電流センサ（４）の検出結果から得られる電流値とに基づいて、当該電流値を有する電流を半導体スイッチ（２）に連続通電したときに通電可能な時間である通電可能時間を算出する算出部（３１）と、算出部（３１）が算出した通電可能時間を基に、半導体スイッチ（２）の開閉制御を行う開閉制御部（３２）とを備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

一端が電源に接続され、他端が負荷に接続され、前記電源から前記負荷への電流を遮断する半導体スイッチと、
前記電源から前記半導体スイッチに流れる電流を検出する電流センサと、を備える半導体システムにおいて、前記半導体スイッチを制御する制御装置であって、
前記半導体スイッチの動作特性に関する特性情報を少なくとも含んだ、所定の動作特性情報と、前記電流センサの検出結果から得られる電流値とに基づいて、当該電流値を有する電流を前記半導体スイッチに連続通電したときに通電可能な時間である通電可能時間を算出する算出部と、
前記算出部が算出した通電可能時間を基に、前記半導体スイッチの開閉制御を行う開閉制御部と、を備える、制御装置。

【請求項2】

前記半導体遮断システムは、前記半導体スイッチを冷却する冷却器をさらに備え、
前記動作特性情報には、前記冷却器の所定の物理定数と、当該冷却器を使用した場合における前記半導体スイッチの許容可能な温度とが含まれており、
前記算出部は、前記所定の物理定数および前記許容可能な温度を用いて前記通電可能時間を算出するとともに、
前記動作特性情報には、前記半導体スイッチを即座に開けることが求められる電流範囲の下限値が含まれており、
前記開閉制御部は、前記下限値以上の電流が前記半導体スイッチに流れた場合には、前記半導体スイッチを開ける、請求項１に記載の制御装置。

【請求項3】

前記半導体遮断システムは、前記半導体スイッチを冷却する冷却器をさらに備え、
前記動作特性情報には、
（ｉ）前記半導体スイッチのコレクタ・エミッタ間飽和電圧特性と、
（ｉｉ）前記半導体スイッチに流れる電流の電流値と、当該電流値で前記半導体スイッチを連続通電することが可能な時間との関係を示す情報と、
（ｉｉｉ）前記冷却器の所定の物理定数と、
（ｉＶ）前記冷却器を使用した場合における前記半導体スイッチの許容可能な温度と、が含まれており、
前記算出部は、前記コレクタ・エミッタ間飽和電圧特性、前記関係を示す情報、前記所定の物理定数、および前記許容可能な温度を用いて前記通電可能時間を算出する、請求項１に記載の制御装置。

【請求項4】

一端が電源に接続され、他端が負荷に接続され、前記電源から前記負荷への電流を遮断する半導体スイッチと、
前記電源から前記半導体スイッチに流れる電流を検出する電流センサと、
請求項１から３のいずれか１項に記載の制御装置と、を含む半導体遮断システム。

【請求項5】

前記半導体スイッチには、バイポーラトランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ、またはＩＧＢＴが用いられてもよい、請求項４に記載の半導体遮断システム。

【請求項6】

一端が電源に接続され、他端が負荷に接続され、前記電源から前記負荷への電流を遮断する半導体スイッチと、前記電源から前記半導体スイッチに流れる電流を検出する電流センサと、を備える半導体システムにおいて、前記半導体スイッチを制御する制御方法であって、
前記電流センサにより、前記半導体スイッチを流れる電流を検出する電流検出ステップと、
前記半導体スイッチの動作特性に関する特性情報を少なくとも含んだ、所定の動作特性情報と、前記電流検出ステップの検出結果から得られる電流値とに基づいて、当該電流値を有する電流を前記半導体スイッチに連続通電したときに通電可能な時間である通電可能時間を算出する算出ステップと、
前記算出ステップで算出した通電可能時間を基に、前記半導体スイッチの開閉制御を行う開閉制御ステップと、を含む半導体スイッチの制御方法。

【請求項7】

請求項１から３のいずれか１項に記載の制御装置としてコンピュータを機能させるための制御プログラムであって、前記算出部および前記開閉制御部としてコンピュータを機能させるための制御プログラム。

【請求項8】

請求項７に記載の制御プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、遮断動作を行う半導体スイッチの制御装置等に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、電源からの電力を負荷に供給する電力系統には、半導体スイッチを備えた半導体遮断システムが用いられている。このような半導体遮断システムは、負荷側での短絡事故の発生時などにおいて、過電流が半導体スイッチに流れたときに、半導体スイッチを動作させることによって高速に遮断する。

【0003】

従来の半導体スイッチの制御装置では、ユーザが電力系統の電源及び負荷に基づいて、半導体スイッチに遮断動作を行わせるための閾値として、負荷の定格電流に基づいて定められる定常過電流閾値と、当該定常過電流閾値よりも大きい短時間過電流閾値とを予め設定する。更に、この従来の半導体スイッチの制御装置には、半導体スイッチに流れる電流を取得するとともに、当該半導体スイッチがジュール熱によって熱破壊が発生しない電流の範囲で、閾値を定常過電流閾値から短時間過電流閾値に変更することが開示されている（例えば、下記特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１３-１７２６０３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、上記のような従来の半導体スイッチの制御装置では、ユーザは供給能力などの電源の電気特性及び使用電力などの負荷の電気特性に基づき、半導体スイッチに流れる電流のピーク値を予測して短時間過電流閾値を予め設定していた。このため、従来の半導体スイッチの制御装置では、短時間過電流閾値を適切に設定することができずに、過電流の判定処理において誤判定が発生するという問題が生じることがあった。

【0006】

本開示は上記の問題点を鑑みてなされたものであり、過電流の判定処理において誤判定が発生する可能性を低減することができる制御装置等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】

上記の課題を解決するために、本開示の一側面に係る制御装置は、一端が電源に接続され、他端が負荷に接続され、前記電源から前記負荷への電流を遮断する半導体スイッチと、前記電源から前記半導体スイッチに流れる電流を検出する電流センサと、を備える半導体遮断システムにおいて、前記半導体スイッチを制御する制御装置であって、前記半導体スイッチの動作特性に関する特性情報を少なくとも含んだ、所定の動作特性情報と、前記電流センサの検出結果から得られる電流値とに基づいて、当該電流値を有する電流を前記半導体スイッチに連続通電したときに通電可能な時間である通電可能時間を算出する算出部と、前記算出部が算出した通電可能時間を基に、前記半導体スイッチの開閉制御を行う開閉制御部と、を備える。

【0008】

また、本開示の一側面に係る半導体遮断システムは、一端が電源に接続され、他端が負荷に接続され、前記電源から前記負荷への電流を遮断する半導体スイッチと、前記電源から前記半導体スイッチに流れる電流を検出する電流センサと、上記制御装置と、を含む。

【0009】

また、本開示の一側面に係る半導体スイッチの制御方法は、一端が電源に接続され、他端が負荷に接続され、前記電源から前記負荷への電流を遮断する半導体スイッチと、前記電源から前記半導体スイッチに流れる電流を検出する電流センサと、を備える半導体システムにおいて、前記半導体スイッチを制御する制御方法であって、前記電流センサにより、前記半導体スイッチを流れる電流を検出する電流検出ステップと、前記半導体スイッチの動作特性に関する特性情報と、前記電流検出ステップの検出結果から得られる電流値とに基づいて、当該電流値を有する電流を前記半導体スイッチに連続通電したときに通電可能な時間である通電可能時間を算出する算出ステップと、前記算出ステップで算出した通電可能時間を基に、前記半導体スイッチの開閉制御を行う開閉制御ステップと、を含む。

【0010】

また、本開示の一側面に係る制御装置は、コンピュータによって実現してもよく、この場合には、コンピュータを前記制御装置が備える各部（ソフトウェア要素）として動作させることにより前記制御装置をコンピュータにて実現させる制御装置の制御プログラム、およびそれを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体も、本開示の範疇に入る。

【発明の効果】

【0011】

本開示の一態様によれば、過電流の判定処理において誤判定が発生する可能性を低減することができる制御装置等を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本開示の一実施形態に係る制御装置およびこれを備えた半導体遮断システムを示す概略構成図である。

【図2】図１に示した半導体スイッチとこれを冷却する冷却器とを示す斜視図である。

【図3】上記半導体スイッチのコレクタ・エミッタ間飽和電圧特性の具体的な波形の一例を示すグラフである。

【図4】上記制御装置における動作特性曲線の具体例を示すグラフである。

【図5】上記制御装置の動作例を示すフローチャートである。

【図6】上記制御装置の動作例を説明する波形図である。

【図7】上記制御装置の別の動作例を説明する波形図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

〔実施形態〕
以下、本開示の一実施形態について、詳細に説明する。

【0014】

（半導体遮断システム１が適用される電力系統の構成）
図１は、本開示の一実施形態に係る制御装置３およびこれを備えた半導体遮断システム１を示す概略構成図である。図１に示すように、本実施形態の半導体遮断システム１は、その入力側に電源５１が電気的に接続されるとともに、その出力側に負荷５２が電気的に接続されている。なお、以下の説明では、本実施形態の半導体遮断システム１が直流電力系統Ｋに適用された場合を例示して説明する。

【0015】

本実施形態の半導体遮断システム１は、電源５１側からの直流電力を適宜遮断するシステムであり、半導体遮断システム１は、電源５１から負荷５２への電流を遮断する半導体遮断器である。なお、電源５１は、直流電源に限定されるものではなく、交流電源であってもよい。但し、電源５１が交流電源である場合には、半導体遮断システム１との間にＡＣ－ＤＣ変換器が設置されて、電源５１からの交流電力がＡＣ－ＤＣ変換器により直流電力に変換されて半導体遮断システム１に供給される。

【0016】

負荷５２は、直流電力によって動作する装置である。負荷５２は、その入力側にコンデンサおよびコイルからなるＬＣフィルタを備えており、入力電力の安定化やノイズ対策等を行うようになっている。また、負荷５２は、その入力側にコンデンサ等の蓄電装置が設けられており、前記蓄電装置は、直流電力の供給が瞬断した場合に動作用電圧を補償するように構成されている。なお、上記の説明以外に、交流電力で動作する負荷５２を用いことができる。この場合には、例えば、負荷５２の内部に半導体遮断システム１からの直流電力を交流電力に変換するＤＣ－ＡＣ変換器が設置される。

【0017】

（半導体遮断システム１の構成）
図１に示すように、本実施形態の半導体遮断システム１は、第１線Ｌ１、第２線Ｌ２、半導体スイッチ２、制御装置３、および電流センサ４を備えている。第１線Ｌ１は、電源５１の正極（不図示）と負荷５２とをつなぐ。第２線Ｌ２は、電源５１の負極（不図示）と負荷５２とをつなぐ。第１線Ｌ１および第２線Ｌ２は、直流電力系統Ｋの本線および帰線のそれぞれ一部を構成している。

【0018】

半導体スイッチ２は、第１線１１において電源５１と負荷５２との間に位置しており、一端側が電源５１に接続され、他端側が負荷５２に接続されている。半導体スイッチ２は、半導体スイッチ本体２１と、当該半導体スイッチ本体２１に形成された寄生ダイオード２２とを備えている。制御装置３は、電流センサ４の検出結果と、当該制御装置３に予め設定されている所定の動作特性情報とを用いて、半導体スイッチ２の制御を行う（詳細は後述。）。

【0019】

また、半導体スイッチ２は、他端側が負荷５２に接続されているので、当該半導体スイッチ２を介して電源５１から負荷５２に直流電力が供給される場合、当該負荷５２に突入電流が流れることがある。すなわち、負荷５２には、上記のように、蓄電装置が設けられているため、負荷５２は、電源５１からみると容量成分を有している。このため、直流電力が供給される場合、電源５１から半導体遮断システム１を介して負荷５２の蓄電装置への過大な充電電流である、突入電流が流れることがある。

【0020】

ここで、図２も用いて、半導体スイッチ２について具体的に説明する。図２は、図１に示した半導体スイッチ２とこれを冷却する冷却器５とを示す斜視図である。半導体スイッチ２には、例えば、バイポーラトランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）、またはＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）が用いられている。

【0021】

図２に示すように、半導体スイッチ２は、半導体スイッチ本体２１および寄生ダイオード２２を覆うジェル・モールド２０と、４つの端子２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄとを備えている。半導体スイッチ本体２１が、例えば、ＮＰＮ型の２ｉｎ１タイプのバイポーラトランジスタである場合には、例えば、端子２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、および２０Ｄは、バイポーラトランジスタ（半導体スイッチ本体２１）のコレクタ、第１エミッタ、ベース、および第２エミッタにそれぞれ電気的に接続されている。また、端子２０Ａ、および２０Ｃは、それぞれ電源５１、および制御装置３に電気的に接続され、端子２０Ｂ、および２０Ｄは、負荷５２に電気的に接続されている。

【0022】

半導体スイッチ２には、当該半導体スイッチ２を冷却する冷却器５が取り付けられている。冷却器５は、冷却板５ａと、複数の冷却フィン５ｂとを備えている。冷却板５ａおよび複数の各冷却フィン５ｂは、例えば、熱伝導性の高い金属材料を用いて構成されており、矩形状の平板部材である。また、図２に示すように、冷却板５ａの上面には、半導体スイッチ２のジェル・モールド２０が一体的に固定されている。一方、冷却板５ａの下面には、複数の冷却フィン５ｂが所定の間隔をおいて取り付けられている。そして、冷却器５では、半導体スイッチ２で生じた熱が、冷却板５ａを介して複数の冷却フィン５ｂに伝達されることにより、半導体スイッチ２は冷却される。

【0023】

また、本実施形態の半導体遮断システム１では、後に詳述するように、冷却器５の所定の物理定数と、当該冷却器５を使用した場合における半導体スイッチ２の許容可能な温度とが上記所定の動作特性情報に含められて予め設定されている。

【0024】

図１に示すように、電流センサ４は、電源５１と半導体スイッチ２との間に設けられている。電流センサ４は、公知の変流器などの電流計を用いて構成されており、電源５１から半導体スイッチ２に流れる電流を検出する。電流センサ４は、その検出結果を制御装置３に出力する。

【0025】

（制御装置３の構成）
制御装置３は、算出部３１と、開閉制御部３２と、ドライバ３３と、記憶部３４とを備えている。制御装置３は、上記半導体スイッチ本体２１に指示信号を出力することにより、半導体スイッチ２を制御する。具体的には、制御装置３は、半導体スイッチ２の動作特性に関する特性情報を少なくとも含んだ、所定の動作特性情報と、電流センサ４の検出結果から得られる電流値とを用いて、半導体スイッチ２の上記ベースに出力される指示信号を生成する。そして、制御装置３は、生成した指示信号をドライバ３３からベースに出力することにより、半導体スイッチ２を制御する。

【0026】

記憶部３４は、例えば、書き換え可能な不揮発性メモリを用いて構成されており、上記所定の動作特性情報が予め記憶される。この動作特性情報には、半導体スイッチ２の動作特性に関する特性情報として、半導体スイッチ２を即座に開けることが求められる電流範囲の下限値Ｉ％setが含まれている。また、動作特性情報には、（ｉ）半導体スイッチ２のコレクタ・エミッタ間飽和電圧特性と、（ｉｉ）半導体スイッチ２に流れる電流の電流値と、当該電流値で半導体スイッチ２を連続通電することが可能な時間との関係を示す情報と、（ｉｉｉ）冷却器５の所定の物理定数と、（ｉＶ）冷却器５を使用した場合における半導体スイッチ２の許容可能な温度と、が含まれている。

【0027】

開閉制御部３２は、半導体スイッチ２の遮断特性（静特性）を表す、上記下限値Ｉ％setに基づき、半導体スイッチ２の開閉制御を行う。つまり、開閉制御部３２は、下限値Ｉ％set以上の電流が半導体スイッチ２に流れた場合には、当該半導体スイッチ２を開ける。

【0028】

算出部３１は、記憶部３４に記憶されている上記動作特性情報と、電流センサ４の検出結果から得られる電流値とに基づいて、当該電流値を有する電流を半導体スイッチ２に連続通電したときに通電可能な時間である通電可能時間を算出する（詳細は後述）。

【0029】

開閉制御部３２は、算出部３１が算出した通電可能時間を基に、過電流の判定処理を行う。更に、開閉制御部３２は、上記判定処理の判定結果を基に、半導体スイッチ２の開閉制御を行う。すなわち、開閉制御部３２は、判定処理の判定結果が半導体スイッチ２を流れる電流が過電流ではないことを示す場合には、半導体スイッチ２を開く必要がないと判断する。そして、開閉制御部３２は、半導体スイッチ２をオン状態（閉じた状態）で維持する。

【0030】

一方、開閉制御部３２は、判定処理の判定結果が半導体スイッチ２を流れる電流が過電流であることを示す場合には、半導体スイッチ２を即座に開く必要があると判断する。そして、開閉制御部３２は、半導体スイッチ２をオフ状態とする指示信号を生成して、ドライバ３３を介して当該指示信号をベースに出力する。

【0031】

（制御装置３の動作）
次に、図３～図５も参照して、本実施形態の制御装置３の動作例について具体的に説明する。図３は、上記半導体スイッチ２のコレクタ・エミッタ間飽和電圧特性の具体的な波形の一例を示すグラフである。図４は、上記制御装置３における動作特性曲線の具体例を示すグラフである。図５は、上記制御装置３の動作例を示すフローチャートである。

【0032】

（コレクタ・エミッタ間飽和電圧特性）
まず図３を参照して、半導体スイッチ２のコレクタ・エミッタ間飽和電圧特性について具体的に説明する。コレクタ・エミッタ間飽和電圧Ｖは、半導体スイッチ２がオン状態のときの半導体スイッチ本体２１のコレクタおよびエミッタ間の電圧であり、図３の曲線６０にて示すように、半導体スイッチ２を流れる電流Ｉに応じて変化する。すなわち、曲線６０は、Ｖ＝ｆ（Ｉ）の関数で表される。また、このコレクタ・エミッタ間飽和電圧Ｖは、曲線６０に示すように、電流Ｉが０（Ａ）のときも完全に０Ｖにはならずに、半導体スイッチ本体２１の製品ごとに異なる微小な値となる。

【0033】

本実施形態の制御装置３では、半導体スイッチ２の半導体スイッチ本体２１が定められると、当該半導体スイッチ２のコレクタ・エミッタ間飽和電圧特性のデータシートが、動作特性情報として、記憶部３４に予め記憶される。また、本実施形態の制御装置３では、算出部３１が、後に詳述するように、コレクタ・エミッタ間飽和電圧特性のデータシートを参照することにより、半導体スイッチ２の耐性（静特性）に応じて、上記判定処理での閾値としての通電可能時間を算出するようになっている。

【0034】

次に図４も参照して、本実施形態の制御装置３での基本的な動作例を説明する。図４に“Ｂ”にて示す領域は、上記下限値Ｉ％setで規定される瞬時遮断領域である。また、算出部３１は、電流センサ４で検出された電流値が図４に直線７１で示す下限値Ｉ％setを超える電流値であることを検出すると、開閉制御部３２は、即座に半導体スイッチ２をオフ状態とする。

【0035】

また、図４に“Ａ”にて示す領域は、電流センサ４で検出された電流値で半導体スイッチ２を連続通電可能な連続通電可能領域である。この連続通電可能領域は、電流センサ４で検出された電流値（Ｉ）に対して、その電流値（Ｉ）で連続通電することが可能な時間を考慮した遮断動作の閾値となる遮断電流値Ｉ％contで規定されている。すなわち、遮断電流値Ｉ％contは、上記電流値（Ｉ）が異なると、当該電流値（Ｉ）で半導体スイッチ２に生じるジュール熱の大きさも異なり、このため半導体スイッチ２の耐性に応じた、連続通電することが可能な上記時間も異なる。具体的には、遮断電流値Ｉ％contは、図４に曲線７２にて示すように、電流値（Ｉ）の値が大きくなるにしたがって、半導体スイッチ２で許容される動作時間も小さくなる。

【0036】

また、本実施形態の制御装置３では、半導体スイッチ２に流れる電流の電流値（Ｉ）と、当該電流値（Ｉ）で半導体スイッチ２を連続通電することが可能な時間との関係を示す情報、例えば、電流値（Ｉ）と、当該電流値（Ｉ）に対応した時間から定まる遮断電流値Ｉ％contとの関係を示すテーブルが記憶部３４に予め記憶されている。

【0037】

次に図５も参照して、本実施形態の制御装置３の動作例を説明する。尚、以下の説明では、開閉制御部３２がドライバ３３を介して半導体スイッチ２をオン状態とする指示信号を出力して、当該半導体スイッチ２を閉じて電源５１から負荷５２への電力供給を許容している場合について主に説明する。

【0038】

図５のステップＳ１に示すように、制御装置３は、電流センサ４からの検出結果を入力して、半導体スイッチ２を流れる電流を計測する。すなわち、制御装置３では、電流センサ４により、半導体スイッチ２を流れる電流を検出する電流検出ステップが行われる。そして、制御装置３では、算出部３１が計測した結果の電流値Ｉ１を取得する。

【0039】

続いて、制御装置３では、算出部３１が電流値Ｉ１を取得すると、その電流値Ｉ１が流れる時間をカウントするタイマ（図示せず）をリセット、つまりタイマカウント値を０秒とする（ステップＳ２）。次に、算出部３１は、記憶部３４を参照することにより、取得した電流値Ｉ１がその電流値Ｉ１に応じた遮断電流値Ｉ％cont以下であるか否かについて判別する（ステップＳ３）。算出部３１は、取得した電流値Ｉ１が遮断電流値Ｉ％cont以下であることを判別すると（ステップＳ３でＹＥＳ）、算出部３１は、ステップＳ２に進む。

【0040】

尚、上記タイマは、例えば、制御装置３の内部に設けたハードウェアを用いて構成してもよいし、算出部３１に入力されるクロック信号の数をカウントすることにより、当該算出部３１がタイマの機能を実行してもよい。

【0041】

一方、算出部３１は、取得した電流値Ｉ１が遮断電流値Ｉ％cont以下でないことを判別すると（ステップＳ３でＮＯ）、算出部３１は、取得した電流値Ｉ１が下限値Ｉ％set以上であるか否かについて判別する（ステップＳ４）。算出部３１は、取得した電流値Ｉ１が下限値Ｉ％set以上であることを判別すると（ステップＳ４でＹＥＳ）、開閉制御部３２は、ドライバ３３を介して指示信号を半導体スイッチ２に出力することにより、当該半導体スイッチ２に即座に遮断動作を行わせる（ステップＳ９）。

【0042】

一方、算出部３１は、取得した電流値Ｉ１が下限値Ｉ％set以上でないことを判別すると（ステップＳ４でＮＯ）、算出部３１は、上記タイマを動作させてタイマカウントを開始させる（ステップＳ５）。すなわち、算出部３１は、半導体スイッチ２において、取得した電流値Ｉ１が流れる通電時間のカウントを開始する。

【0043】

次に、算出部３１は、半導体スイッチ２のコレクタ・エミッタ間電圧Ｖ１を算出する（ステップＳ６）。具体的にいえば、算出部３１は、図３に曲線６０にて示した、コレクタ・エミッタ間飽和電圧特性を表すＶ＝ｆ（Ｉ）の式に対して、ステップＳ１で取得した電流値Ｉ１を代入することにより、コレクタ・エミッタ間電圧Ｖ１を求める。

【0044】

続いて、算出部３１は、取得した電流値Ｉ１を半導体スイッチ２に連続通電したときに通電可能な時間である通電可能時間ｔ１を算出する（ステップＳ７）。具体的には、算出部３１は、下記の（１）式を用いて、通電可能時間ｔ１を算出する。

【0045】

【数1】

【0046】

但し、（１）式において、ｃおよびｍは、それぞれ冷却器５の所定の物理定数としての冷却板５ａの比熱および質量である。また、ΔＴは、冷却器５を使用した場合における半導体スイッチ２の許容可能な温度である。

【0047】

詳細にいえば、算出部３１は、半導体スイッチ２に電流値Ｉ１を通電したときに当該半導体スイッチ２に生じる損失Ｐ１は、Ｉ１×Ｖ１＝Ｉ１×ｆ（Ｉ１）で表される。このため、電流値Ｉ１を通電可能時間ｔ１で連続通電したときでの半導体スイッチ２に発生するジュール熱Ｑ１は、Ｐ１×ｔ１＝Ｉ１×ｆ（Ｉ１）×ｔ１で表される。このジュール熱Ｑ１による半導体スイッチ２の熱破損を冷却器５によって防ぐためには、（１）式の分子で表される当該冷却器５の冷却性能がジュール熱Ｑ１と等しければよい。すなわち、Ｉ１×ｆ（Ｉ１）×ｔ１＝ｍ×ｃ×ΔＴが成立する。従って、算出部３１は、上記（１）式を用いて、電流値Ｉ１を連続通電したときの通電可能時間ｔ１を求めることができる。

【0048】

以上のステップＳ５～Ｓ７により、制御装置３では、半導体スイッチ２の動作特性に関する特性情報を少なくとも含んだ、所定の動作特性情報と、上記電流検出ステップの検出結果から得られる電流値とに基づいて、当該電流値を有する電流を半導体スイッチ２に連続通電したときに通電可能な時間である通電可能時間を算出する算出ステップが実行される。

【0049】

次に、算出部３１は、ステップＳ５でカウントを開始した時間のカウント時間がステップＳ７で算出した通電可能時間ｔ１を経過したか否かについて判別する（ステップＳ８）。算出部３１は、カウント時間が通電可能時間ｔ１を経過していることを判別すると（ステップＳ８でＹＥＳ）、ステップＳ９に進む。これにより、開閉制御部３２は、ドライバ３３を介して半導体スイッチ２をオフ状態とする指示信号を出力して、当該半導体スイッチ２に遮断動作を行わせる。

【0050】

一方、算出部３１は、カウント時間が通電可能時間ｔ１を経過していないことを判別すると（ステップＳ８でＮＯ）、ステップＳ８の前に戻る。すなわち、開閉制御部３２は、半導体スイッチ２をオフ状態とすることなく、オン状態で維持して電源５１から負荷５２への電力供給を許容する。また、算出部３１は、タイマカウントを継続して実行する。すなわち、算出部３１は、電流値Ｉ１が半導体スイッチ２に流れた累積の通電時間をカウントする。

【0051】

更に、制御装置３では、算出部３１によって上記累積の通電時間をカウントしている間に、電流センサ４からの検出結果が遮断電流値Ｉ％cont以下になったことを検出すると、当該累積の通電時間のカウントを停止して、ステップＳ１に戻る。また、制御装置３では、上記累積の通電時間をカウントしている間に、電流センサ４からの検出結果が下限値Ｉ％set以上になったことを検出すると、開閉制御部３２は、半導体スイッチ２に遮断動作を即座に行わせる。

【0052】

以上のステップＳ８～Ｓ９により、制御装置３では、算出ステップで算出した通電可能時間を基に、半導体スイッチ２の開閉制御を行う開閉制御ステップが実行される。

【0053】

以上のように構成された本実施形態の制御装置３では、半導体スイッチ２の動作特性に関する特性情報を少なくとも含んだ、所定の動作特性情報と、電流センサ４の検出結果から得られる電流値とに基づいて、当該電流値を有する電流を半導体スイッチ２に連続通電したときに通電可能な時間である通電可能時間を算出する算出部３１を備えている。また、本実施形態の制御装置３は、算出部３１が算出した通電可能時間を基に、半導体スイッチ２の開閉制御を行う開閉制御部３２を備えている。これにより、本実施形態の制御装置３では、開閉制御部３２は算出部３１が算出した通電可能時間を閾値として過電流の判定処理を行って半導体スイッチ２の開閉制御を行うことができる。この結果、本実施形態の制御装置３では、通電時間及び半導体スイッチの動作特性に応じて、当該判定処理での閾値を適宜変更することが可能となり、誤判定が発生する可能性を低減することができる。

【0054】

さらに、本実施形態の制御装置３は、半導体スイッチ２の動作特性情報を用いて、判定処理を行うことから、当該半導体スイッチ２に応じて閾値（通電可能時間）を標準化することが可能となる。この結果、本実施形態の制御装置３では、半導体スイッチ２に電気的に接続される電源５１の電気特性および負荷５２の電気特性に関わらず、閾値を適切に設定して、上記判定処理において誤判定が発生する可能性を低減することができる。

【0055】

また、本実施形態の制御装置３では、算出部３１が冷却器５の冷却性能を用いて、通電可能時間を算出するので、開閉制御部３２は、高精度な判定処理をより確実に行うことができる。つまり、開閉制御部３２は、半導体スイッチ２の熱破損を抑制しつつ、当該半導体スイッチ２に遮断動作を適切に行わせることができる。

【0056】

また、本実施形態の制御装置３では、算出部３１は図３の曲線６０にて示したコレクタ・エミッタ間飽和電圧特性を用いて、閾値としての通電可能時間を算出しているので、算出部３１は電流値とその通電時間との関係性を鑑みて閾値を求めることができる。この結果、本実施形態の制御装置３では、当該閾値を、半導体スイッチ２のジュール熱による熱破損を防ぐ設定値としても用いることができ、当該熱破損の発生を確実に抑えることができる。

【0057】

ここで、図６および図７も参照して、本実施形態の制御装置３の効果について具体的に説明する。図６は、上記制御装置３の動作例を説明する波形図である。図７は、上記制御装置３の別の動作例を説明する波形図である。尚、図６および図７では、開閉制御部３２が即座に遮断動作させる、下限値Ｉ％setの図示は省略している。

【0058】

半導体スイッチ２に流れる電流が、例えば、図６の実線８１に示すように、時点Ｔ１から急峻に立ち上がって、時点Ｔ２で遮断電流値Ｉ％cont以上となる。さらに、当該電流が時点Ｔ３で遮断電流値Ｉ％cont以下となると、算出部３１が時点Ｔ１から時点Ｔ３までのタイマカウントの値が当該電流で定まる通電可能時間を超えていないことを判別する。この結果、本実施形態の制御装置３では、開閉制御部３２は半導体スイッチ２に遮断動作を行わせることなく、時点Ｔ３以降も当該半導体スイッチ２を通じた通電を継続させる。

【0059】

一方、半導体スイッチ２に流れる電流が、例えば、図７の実線８２に示すように、時点Ｔ１１から急峻に立ち上がって、時点Ｔ１２で遮断電流値Ｉ％contを超える。さらに、算出部３１が時点Ｔ１１からの累積のタイムカウントの値が時点Ｔ１３で通電可能時間を経過したことを判別すると、開閉制御部３２は即座に半導体スイッチ２に遮断動作を行わせて、時点Ｔ１３で当該半導体スイッチ２を通じた通電を停止させる。

【0060】

また、本実施形態の制御装置３では、図６の実線８１から明らかなように、電力系統の起電時での突入電流、および電流センサ４へのノイズの混入による過電流などが短時間、半導体スイッチ２に流れる場合、不要な過電流検出による半導体スイッチ２の開放動作を行わなくなることができる。また、本実施形態の制御装置３では、通電可能時間を上記閾値として用いているので、上記のような短時間の過電流などの発生だけでなく、急峻なピークのない過電流が流れるときでも、上記判定処理での誤判定を抑えることができるとともに、半導体スイッチ２の熱破損の発生を抑制することができる。

【0061】

尚、上記の説明では、所定の動作特性情報を記憶部３４に設定して予め記憶させる構成について説明した。しかしながら、本開示はこれに限定されるものではなく、半導体遮断システム１に設けた通信インターフェース等を介在させてサーバ等の外部装置から動作特性情報を適宜設定する構成でもよい。

【0062】

〔ソフトウェアによる実現例〕
制御装置３（以下、「装置」と呼ぶ）の機能は、当該装置としてコンピュータを機能させるためのプログラムであって、当該装置の制御ブロック（特に、算出部３１および開閉制御部３２）としてコンピュータを機能させるための制御プログラムにより実現することができる。

【0063】

この場合、上記装置は、上記制御プログラムを実行するためのハードウェアとして、少なくとも１つの制御装置（例えばプロセッサ）と少なくとも１つの記憶装置（例えばメモリ）を有するコンピュータを備えている。この制御装置と記憶装置により上記制御プログラムを実行することにより、上記各実施形態で説明した各機能が実現される。

【0064】

上記制御プログラムは、一時的ではなく、コンピュータ読み取り可能な、１または複数の記録媒体に記録されていてもよい。この記録媒体は、上記装置が備えていてもよいし、備えていなくてもよい。後者の場合、上記プログラムは、有線または無線の任意の伝送媒体を介して上記装置に供給されてもよい。

【0065】

また、上記各制御ブロックの機能の一部または全部は、論理回路により実現することも可能である。例えば、上記各制御ブロックとして機能する論理回路が形成された集積回路も本発明の範疇に含まれる。この他にも、例えば量子コンピュータにより上記各制御ブロックの機能を実現することも可能である。

【0066】

上記記録媒体としては、「一時的でない有形の媒体」、例えば、ＲＯＭ（Read Only Memory）等の他、テープ、ディスク、カード、半導体メモリ、プログラマブルな論理回路などを用いることができる。また、上記プログラムを展開するＲＡＭ（Random Access Memory）などをさらに備えていてもよい。また、上記プログラムは、該プログラムを伝送可能な任意の伝送媒体（通信ネットワークや放送波等）を介して上記コンピュータに供給されてもよい。なお、本発明の一態様は、上記プログラムが電子的な伝送によって具現化された、搬送波に埋め込まれたデータ信号の形態でも実現され得る。

【0067】

また、上記実施形態で説明した各処理は、ＡＩ（Artificial Intelligence：人工知能）に実行させてもよい。この場合、ＡＩは上記制御装置で動作するものであってもよいし、他の装置（例えばエッジコンピュータまたはクラウドサーバ等）で動作するものであってもよい。

【0068】

〔まとめ〕
上記の課題を解決するために、本開示の態様１に係る制御装置は、一端が電源に接続され、他端が負荷に接続され、前記電源から前記負荷への電流を遮断する半導体スイッチと、前記電源から前記半導体スイッチに流れる電流を検出する電流センサと、を備える半導体システムにおいて、前記半導体スイッチを制御する制御装置であって、前記半導体スイッチの動作特性に関する特性情報を少なくとも含んだ、所定の動作特性情報と、前記電流センサの検出結果から得られる電流値とに基づいて、当該電流値を有する電流を前記半導体スイッチに連続通電したときに通電可能な時間である通電可能時間を算出する算出部と、前記算出部が算出した通電可能時間を基に、前記半導体スイッチの開閉制御を行う開閉制御部と、を備える。

【0069】

上記構成によれば、開閉制御部は、算出部が算出した通電可能時間を閾値として過電流の判定処理を行って半導体スイッチの開閉制御を行うことができる。この結果、制御装置では、通電時間及び半導体スイッチの動作特性に応じて、当該判定処理での閾値を適宜変更することが可能となり、誤判定が発生する可能性を低減することができる。さらに、制御装置は、半導体スイッチの動作特性情報を用いて、判定処理を行うことから、当該半導体スイッチに応じて閾値を標準化することが可能となり、半導体スイッチに電気的に接続される電源の電気特性および負荷の電気特性に関わらず、閾値を適切に設定して、上記判定処理において誤判定が発生する可能性を低減することができる。

【0070】

また、本開示の態様２に係る制御装置は、態様１において、前記半導体システムは、前記半導体スイッチを冷却する冷却器をさらに備え、前記動作特性情報には、前記冷却器の所定の物理定数と、当該冷却器を使用した場合における前記半導体スイッチの許容可能な温度とが含まれており、前記算出部は、前記所定の物理定数および前記許容可能な温度を用いて前記通電可能時間を算出するとともに、前記動作特性情報には、前記半導体スイッチを即座に開けることが求められる電流範囲の下限値が含まれており、前記開閉制御部は、前記下限値以上の電流が前記半導体スイッチに流れた場合には、前記半導体スイッチを開けてもよい。

【0071】

上記構成によれば、算出部が、冷却器の冷却性能を用いて、通電可能時間を算出するので、開閉制御部は、高精度な判定処理をより確実に行うことができる。また、動作特性情報には、半導体スイッチを即座に開けることが求められる電流範囲の下限値で示される、半導体スイッチの遮断特性（静特性）が含まれている。このため、開閉制御部は、半導体スイッチに電気的に接続される電源の電気特性および負荷の電気特性に関わらず、閾値をより適切に設定することができ、高精度な判定処理を容易に行うことができる。

【0072】

また、本開示の態様３に係る制御装置は、態様１または態様２において、前記半導体システムは、前記半導体スイッチを冷却する冷却器をさらに備え、前記動作特性情報には、（ｉ）前記半導体スイッチのコレクタ・エミッタ間飽和電圧特性と、（ｉｉ）前記半導体スイッチに流れる電流の電流値と、当該電流値で前記半導体スイッチを連続通電することが可能な時間との関係を示す情報と、（ｉｉｉ）前記冷却器の所定の物理定数と、（ｉＶ）前記冷却器を使用した場合における前記半導体スイッチの許容可能な温度と、が含まれており、前記算出部は、前記コレクタ・エミッタ間飽和電圧特性、前記関係を示す情報、前記所定の物理定数、および前記許容可能な温度を用いて前記通電可能時間を算出してもよい。

【0073】

上記構成によれば、算出部が、冷却器の冷却性能を鑑みて、通電可能時間を算出するので、開閉制御部は、高精度な判定処理をより確実に行うことができる。また、動作特性情報には、導体スイッチのコレクタ・エミッタ間飽和電圧特性と、半導体スイッチに流れる電流の電流値と、当該電流値で半導体スイッチを連続通電することが可能な時間との関係を示す情報とが含まれている。これにより、算出部は、半導体スイッチの耐性（静特性）に応じて、上記判定処理での閾値としての通電可能時間を算出することができる。このため、開閉制御部は、半導体スイッチに電気的に接続される電源の電気特性および負荷の電気特性に関わらず、閾値をより適切に設定することができ、高精度な判定処理を容易に行うことができる。

【0074】

また、本開示の態様４に係る半導体遮断システムは、一端が電源に接続され、他端が負荷に接続され、前記電源から前記負荷への電流を遮断する半導体スイッチと、前記電源から前記半導体スイッチに流れる電流を検出する電流センサと、態様１から態様３のいずれかの制御装置と、を含む。

【0075】

また、本開示の態様５に係る半導体遮断システムは、態様４において、前記半導体スイッチには、バイポーラトランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ、またはＩＧＢＴが用いられてもよい。

【0076】

また、本開示の態様６に係る半導体スイッチの制御方法は、一端が電源に接続され、他端が負荷に接続され、前記電源から前記負荷への電流を遮断する半導体スイッチと、前記電源から前記半導体スイッチに流れる電流を検出する電流センサと、を備える半導体システムにおいて、前記半導体スイッチを制御する制御方法であって、前記電流センサにより、前記半導体スイッチを流れる電流を検出する電流検出ステップと、前記半導体スイッチの動作特性に関する特性情報を少なくとも含んだ、所定の動作特性情報と、前記電流検出ステップの検出結果から得られる電流値とに基づいて、当該電流値を有する電流を前記半導体スイッチに連続通電したときに通電可能な時間である通電可能時間を算出する算出ステップと、前記算出ステップで算出した通電可能時間を基に、前記半導体スイッチの開閉制御を行う開閉制御ステップと、を含む。

【0077】

また、本開示の態様７に係る制御プログラムは、態様１から態様３のいずれかの制御装置としてコンピュータを機能させるための制御プログラムであって、前記算出部および前記開閉制御部としてコンピュータを機能させる。

【0078】

また、本開示の態様８に係る記録媒体は、態様７の制御プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。

【0079】

態様４～８の構成によれば、態様１と同様の効果を奏する。

【0080】

本開示は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、実施形態に開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本開示の技術的範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0081】

１ 半導体遮断システム
２ 半導体スイッチ
３ 制御装置
３１ 算出部
３２ 開閉制御部
４ 電流センサ
５ 冷却器
５１ 電源
５２ 負荷

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】