特許 7165317 直流電流開閉装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-10-26

(45)【発行日】2022-11-04

(54)【発明の名称】直流電流開閉装置

(51)【国際特許分類】

   H01H 9/54 20060101AFI20221027BHJP

   H01H 33/59 20060101ALI20221027BHJP

【ＦＩ】

H01H9/54 A

H01H33/59 D

H01H33/59 H

【請求項の数】 2

(21)【出願番号】P 2022095064

(22)【出願日】2022-06-13

【審査請求日】2022-09-07

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】714003922

【氏名又は名称】嶋田 隆一

(73)【特許権者】

【識別番号】520032099

【氏名又は名称】株式会社シグマエナジー

(74)【代理人】

【識別番号】100114269

【弁理士】

【氏名又は名称】五十嵐 貞喜

(72)【発明者】

【氏名】嶋田 隆一

【審査官】片岡 弘之

(56)【参考文献】

【文献】特開昭５７－１６２２２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開昭６２－００７７３８（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特許第６７１３６６０（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】特開２０１８－０３２６１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－１１５０３０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｈ ３３／５９

Ｈ０１Ｈ ９／５４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

直流電源と負荷との間に挿入される直流電流開閉装置であって、前記直流電流開閉装置は、
前記直流電源側に接続される第一の端子と前記負荷側に接続される第二の端子とを備え、
前記第一の端子と前記第二の端子の間には、ａ接点とｂ接点の両方を持つ双投の金属接点が接続され、
前記第一の端子と前記第二の端子の間には、サイリスタブランチ回路と、該サイリスタブランチ回路と並列接続された半導体スイッチが接続されるとともに、
前記サイリスタブランチ回路は、一又は複数のダイオードが直列に接続された直列接続ダイオードのカソードとサイリスタのアノードが接続され、さらに、前記直列接続ダイオードの両端に並列にコンデンサが接続されて構成されており、さらに、
前記サイリスタのゲートにオン信号を与え、また、前記半導体スイッチのゲートにオン／オフ信号を与えるゲート制御回路を備え、
前記ゲート制御回路は、
前記金属接点のｂ接点が開極されると、そのタイミングで前記サイリスタのゲートをオンして前記サイリスタブランチ回路に電流を流し、
前記金属接点のｂ接点が閉極されると、そのタイミングで前記半導体スイッチのゲートをオンして前記サイリスタブランチ回路に流れている電流を前記半導体スイッチに転流させ、その後前記半導体スイッチのゲートをオフして前記負荷に供給される電流を遮断することを特徴とする直流電流開閉装置。

【請求項2】

前記半導体スイッチに、さらに複数の半導体スイッチをそれぞれ並列に接続し、前記ゲート制御回路が、すべての半導体スイッチのオン／オフを同時に行うように制御することを特徴とする請求項１に記載の直流電流開閉装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、直流電流開閉装置に関し、金属接点と半導体スイッチを並列に接続したハイブリッドスイッチ構成において、過電流耐量の大きな半導体スイッチであるサイリスタを用いた直流電流開閉装置に関する。

【背景技術】

【0002】

本発明は、金属接点スイッチの通電損失の少ない長所と、欠点である直流では開極時アークが発生して導通して電流の遮断が出来ない短所を、遮断は半導体スイッチのゲート制御で遮断することで解消しようとする所謂ハイブリッド型の直流電流開閉装置に関する。

【0003】

一方、半導体スイッチである大電流を通電可能なサイリスタは、例えばSANREX社製のSMG16CFは２５Ａ連続通電能力で、短時間（１０ｍｓ）の間、２４０Ａも通電可能である。しかし、サイリスタは一旦オンしてしまうと、ゲート制御で電流を遮断する能力は無いので、これをハイブリッドスイッチに使うには工夫が必要である。

【0004】

従来のハイブリッド直流電流開閉装置は、絶縁ゲートを持ったパワー用MOSFETやIGBTで構成して、ゲート電圧の制御でオン・オフが可能であったが、サイリスタは、構造上、ゲート制御で遮断する能力は無く、遮断するには電流ゼロにして、さらに逆電圧を短時間与え、半導体内部のキャリアを消滅させる必要がある。

【0005】

本発明は、金属接点とMOSFETなどの半導体スイッチの並列接続によるアーク無しのハイブリッドスイッチを、さらに大電流の直流に適用するために、短時間大電流通電可能だが自己消弧能力の無いサイリスタを直流電流開閉装置に応用しようとするものである。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】特許６７１３６６０号公報

【文献】特開２０１８－３２６１１号公報

【文献】特開２０１９－１１５０３０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

上記特許文献１に開示された金属接点と半導体スイッチの並列接続による直流電流の開閉装置は、双投のａ接点が接触する前に半導体スイッチが通電し、連続通電は金属ａ接点で行い、遮断はａ接点が開極すると、半導体スイッチがオン状態ではアークは発生せずに再び半導体スイッチに転流して通電しているが、ｂ接点のオンを開極完了のタイミングとして電流を半導体スイッチで遮断する。これらはMOSFET、IGBTなどの半導体スイッチにゲート制御で直流電流を遮断する自己消弧能力が必要である。

【0008】

直流の電源回路には大容量のコンデンサが有って、電源オン時にそのコンデンサに充電する突入電流（ラッシュ電流）があるため、オン時、短時間であるが大電流が流れて、接点が溶着し損耗することがある。所謂、大電流のラッシュ電流問題であるが、そのために短時間大電流通電可能なサイリスタを用いて、通電接点と並列にしてハイブリッド開閉器としたいが、閉極の直前にゲートへのトリガーで導通して、オン電圧は1.5Ｖと低く損失も少ないが、サイリスタはゲート制御で遮断する能力がないので、直流遮断では使えないという問題がある。

【0009】

本発明は、上記の点に鑑みなされたものであり、その目的は、金属接点と半導体スイッチを並列に接続して構成される所謂ハイブリッド型の直流電流開閉装置において、金属接点の閉極の際に一時的に流れる大電流の突入電流による金属接点の損耗を防止することが可能な直流電流開閉装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本発明は、金属接点と半導体スイッチを並列に接続したハイブリッド型の直流電流開閉装置に関し、本発明の上記目的は、直流電源と負荷との間に挿入される直流電流開閉装置であって、前記直流電流開閉装置は、前記直流電源側に接続される第一の端子と前記負荷側に接続される第二の端子とを備え、前記第一の端子と前記第二の端子の間には、ａ接点とｂ接点の両方を持つ双投の金属接点が接続され、前記第一の端子と前記第二の端子の間には、サイリスタブランチ回路と、該サイリスタブランチ回路と並列接続された半導体スイッチが接続されるとともに、前記サイリスタブランチ回路は、一又は複数のダイオードが直列に接続された直列接続ダイオードのカソードとサイリスタのアノードが接続され、さらに、前記直列接続ダイオードの両端に並列にコンデンサが接続されて構成されており、さらに、前記サイリスタのゲートにオン信号を与え、また、前記半導体スイッチのゲートにオン／オフ信号を与えるゲート制御回路を備え、
前記ゲート制御回路は、前記金属接点のｂ接点が開極されると、そのタイミングで前記サイリスタのゲートをオンして前記サイリスタブランチ回路に電流を流し、前記金属接点のｂ接点が閉極されると、そのタイミングで前記半導体スイッチのゲートをオンして前記サイリスタブランチ回路に流れている電流を前記半導体スイッチに転流させ、その後前記半導体スイッチのゲートをオフして前記負荷に供給される電流を遮断することを特徴とする直流電流開閉装置によって達成される。

【発明の効果】

【0011】

金属接点と半導体スイッチを用いたハイブリッドスイッチに、短時間ではあるが通電耐量が大きいサイリスタを用いて、金属接点の閉極に先立ってサイリスタに通電を開始して、アークの発生無しに金属接点を閉極して損耗を防ぎ、サイリスタは自己消弧能力が無いので、並列接続した半導体スイッチを用いてサイリスタの電流を短時間、数十μｓの間、電流ゼロにして消弧して、最終的に直流電流を半導体スイッチが遮断することで大電流のアーク無しの直流電流開閉装置が実現可能になる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明のサイリスタを用いた直流電流開閉装置の構成図である。

【図2】本発明の直流電流開閉装置の通電と遮断のタイムシーケンスを示す図である。

【図3】本発明の直流電流開閉装置の投入と遮断のフローチャートである。

【図4】本発明の直流電流開閉装置の半導体スイッチを複数個並列接続した実施例である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。

【0014】

図１は、本発明に係る直流電流開閉装置（以下「開閉装置」という。）の構成を示す図である。
本開閉装置は、直流電源（不図示）側に接続される第一の端子（正端子）と負荷（不図示）側に接続される第二の端子（負端子）とを備え、正端子と負端子の間には、ａ接点（ノルマルオープン）とｂ接点（ノルマルクローズ）の両方を持つ双投の金属接点１が接続され、正端子と負端子の間には、一又は複数のダイオード２が直列に接続された直列接続ダイオードのカソードとサイリスタ４のアノードが接続され、さらに、直列接続ダイオードの両端に逆電圧印加コンデンサ（以下単に「コンデンサ」という。）３が並列に接続されて構成されたサイリスタブランチ回路と、サイリスタブランチ回路と並列に半導体スイッチ５が接続されている。
さらに、サイリスタ４のゲートにオン信号７を与え、また、半導体スイッチ５のゲートにオン／オフ信号８を与えるゲート制御回路６を備えている。

【0015】

ゲート制御回路６は、金属接点１のｂ接点が外部からの信号（ｂ接点信号）で開極されると、そのタイミングでサイリスタ４のゲートをオンしてサイリスタブランチ回路に電流を流し、金属接点１のｂ接点が閉極されると、そのタイミングで半導体スイッチ５のゲートをオンしてサイリスタブランチ回路に流れている電流を半導体スイッチ５に転流させ、その後、半導体スイッチ５のゲートをオフして負荷に供給される電流を遮断する。

【0016】

図２は、本発明の開閉装置の通電と遮断のタイムシーケンスを示す図である。
図２を参照しつつ、開閉装置の動作について詳細に説明する。
金属接点１のａ接点の閉極に先立ち、連動するｂ接点が開極になると、ｂ接点信号がゲート制御回路６に送られ、ゲート制御回路６はそのタイミングでサイリスタ４のゲートにオン信号７を送り、サイリスタ４をオンする。すると、正端子から流入した電流はサイリスタブランチ回路に流れる（大電流のラッシュ電流はこの時に流れる）。
その後に（約１０ｍｓ後）、ａ接点が閉極すると、金属接点１に電流が流れる。このとき、サイリスタブランチ回路には、サイリスタのオン電圧と直列のダイオードのオン電圧が５Ｖ程度あるので電流が流れなくなる。サイリスタ４のゲート電流はこの期間は無くてもよいが、有ったとしてもサイリスタ４のゲートのオン状態を維持するだけで、サイリスタ４に電流は流れず通電発熱は無い。

【0017】

電流遮断時は、ａ接点を開極すると、金属接点１に流れていた全電流はサイリスタブランチ回路に転流する。その後、約１０ｍｓ経ってｂ接点が閉極すると、ｂ接点信号がゲート制御回路６に送られ、ゲート制御回路６はそのタイミングで半導体スイッチ５のゲートにオン信号８を送り、半導体スイッチ５をオンする。
半導体スイッチ５がオンすると、サイリスタブランチ回路に流れる電流は半導体スイッチ５に転流する。サイリスタ電流がゼロになると、通電時の直列のダイオード２の電圧がコンデンサ３に蓄積されていて、自動的に逆電圧を印加することになってサイリスタ４は消弧（オフ）する。その後、サイリスタの消弧時間である数十μｓ後に半導体スイッチ５をゲート制御回路６でオフすれば遮断が完了する。半導体スイッチ５の通電時間はサイリスタ４の消弧時間以上で有ればよいので、短時間通電耐量の電流（定格電流の数倍）が流せるので良い。

【0018】

図３は、本発明の開閉装置の電源投入と電源遮断のフローチャートの一例である。
通電は、まず、ｂ接点の開極信号（S1）でサイリスタ４のゲートをオンする（S2）。電流は直ちにサイリスタブランチ回路に流れる。約１０ｍｓ後に金属接点１のａ接点が閉極すると（S3）通電完了し、サイリスタ４の電流はダイオード２とサイリスタ４のオン電圧によって、オン抵抗の低いａ接点に電流が移って、サイリスタ４は自然にオフされるが、ゲートはｂ接点が閉極されるまでの間、オン状態である。サイリスタには、外部からの信号によってオンからオフへ切り替える能力（自己消弧能力）がないからである。

【0019】

遮断の場合は、すでにサイリスタ４のゲートがオンになっているが（S11）、ａ接点の開極後（S12）、開極ギャップ長が得られるまでの遷移時間（約１０ｍｓ）後、ｂ接点が閉極する（S13）まで、サイリスタ４のゲートがオンになっているので、サイリスタブランチ回路は、オン電圧が1.2Ｖのダイオード２が２つ程度、直列に有ってもアークを維持する電圧より低いので、接点電流によるアークは発生せずに、サイリスタブランチ回路に転流して、ｂ接点が閉極（S13）するまでの、約１０ｍｓ程度の間、サイリスタ４は全電流を通電する。転流は瞬時0.1μｓ以下に行われるのでアーク発生は無いか、有っても金属接点１の損耗がない。

【0020】

最終的に電流遮断するには、サイリスタブランチ回路に並列接続されたオン電圧の低いMOSFETやIGBTなどの半導体スイッチ５に電流を移すが、MOSFETなど半導体スイッチ５をサイリスタブランチ回路に並列に接続してオンすると、サイリスタの電流は半導体スイッチ５に転流する。サイリスタ４のブランチの全オン電圧がMOSFETのオン電圧より高ければ電流は転流してゼロになって、サイリスタ４のゲートはオフ（消弧）となる（S14）。
半導体スイッチ５のオンで（S15）、サイリスタ電流は直列ダイオード２のオン電圧もあり短時間で転流してゼロになり、さらに直列ダイオード２のオン電圧を蓄積維持するコンデンサ３の逆電圧印加で消弧を助けて、サイリスタ４が消弧して、絶縁回復する時間を勘案して、数十μｓ（30～100μｓ）の後に半導体スイッチ５をゲート制御回路６でオフすれば（S16）、遮断シーケンスは完了する。
図１には、サイリスタ４の消弧を助けるために、サイリスタ４と直列にダイオード２と逆電圧印加のためのコンデンサ３の並列回路がある。これは、ダイオード２はサイリスタ４と同じように過電流耐量があり、電流に依らず１直列で1.2Ｖの順電圧降下があって、その電圧がコンデンサ３に蓄積されてサイリスタ４を消弧するのに必要な逆電圧を印加する。

【0021】

まとめると、本発明に係る開閉装置が電流を遮断するには、最初に、金属接点１のａ接点が開極するが、すでにサイリスタ４のゲートがオン状態であり、直列ダイオード２とサイリスタ４のオン電圧は、ａ接点の開極によって発生するとしてもアーク電圧より小さい。気中の直流アーク電圧は、上記特許文献１にあるが、ギャップ長によらず１０Ｖから２０Ｖでアーク電流が１０Ａから数ｋＡでも変わらない。アーク電流は発生と当時にサイリスタブランチ回路へと短時間（数μｓ）以内に転流するので、金属接点１のアークはアーク維持電流以下となって自然に消滅して、その後、アーク無しに開極する。開極動作に１０ｍｓ程度かかり、ｂ接点に接触するとゲート制御回路６はその信号を受けてサイリスタのゲートを停止し、同時にMOSFETのゲートへと電圧が数１０μｓのパルス的ゲートのオン電圧がゲート制御回路６から発信される。MOSFETがオンすると、サイリスタの電流はMOSFETへと転流する。このときMOSFETのオン電圧はサイリスタの電流ブランチより小さい必要があるがそのためにダイオードが直列にあるので、サイリスタの電流はMOSFETへ転流する。直列接続ダイオードの両端には数μＦのコンデンサ３が並列に接続されており、ダイオードの順電圧（1.2Ｖ×個数）を蓄積して、これがサイリスタの消弧を助けるための逆電圧源となる。サイリスタは半導体内キャリアの消滅で、短時間、数十μｓで絶縁を回復する。最終的にMOSFET７のゲートオフで電流が遮断される。

【0022】

特許文献３では、このダイオード２に代わって低耐圧で低オン抵抗のMOSFETを使ってゲートでオフすることでサイリスタに逆電圧を与えて並列のIGBTに転流し、サイリスタを消弧して、最終的にIGBTで電流を遮断する複合半導体スイッチできることが開示されている。半導体スイッチが３つ必要である。
本発明では、金属接点１と半導体スイッチ５を用いたハイブリッドスイッチなので、半導体には電流が短時間のみ流れるので、半導体スイッチ５の電力損が大きくても問題ではないので、直列のMOSFETは不要で、代わりにダイオードを直列に接続して、そのオン電圧が逆電圧となって自動的にサイリスタの消弧を助けるのが特徴である。
通電時間が、サイリスタは２０ｍｓ程度、MOSFETの場合は、数十μｓ以下で、ともにヒートシンクなどの熱除去対策は不要であるのが特徴である。

【0023】

図４は、図１に示す本発明の開閉装置の半導体スイッチ５を複数個並列接続した実施例であり、大電流の通電を可能とする開閉装置の実施例である。
図４では、３個の半導体スイッチ５（MOSFET）が並列接続されているが、過電流耐量は定格電流の２倍程度と小さいので、多数並列接続して電流を増やすことができる。一般に半導体の並列動作は困難であるが、MOSFETは温度特性が正特性であるので可能であるとされている。また、ゲートの静電容量がIGBTなどより小さく、数千ｐＦであるのでゲートの駆動が容易である。この100μｓ以下の通電時間ではMOSFETは熱対策が不要であるので、MOSFETモジュールを積層してパッケージ化してMOSFET群とすることも小型化するのによい。ゲート制御回路６は、３個の半導体スイッチ５のオン／オフを同時に行うように制御する。これにより、電流を３分岐できるので、大電流を流すことができる。

【符号の説明】

【0024】

１： 金属接点
２：直列接続ダイオード
３：逆電圧印加コンデンサ
４：サイリスタ
５：半導体スイッチ（MOSFET、IGBT）
６：ゲート制御回路
７：ゲート信号１
８：ゲート信号２

【要約】

【課題】直流電流のハイブリッドスイッチにおいて、電源投入時の大電流の突入電流による金属接点の損耗を防止すること。
【解決手段】金属接点１と半導体スイッチを並列に用いたハイブリッドスイッチに半導体スイッチとしてサイリスタ４を用いて、金属接点１のオン／オフに先立ってゲートオン／オフするが、サイリスタ４はゲートで電流を遮断することが出来ないので、さらにサイリスタに並列にMOSFET等のゲート遮断可能な半導体スイッチ５でサイリスタの電流を短時間バイパスし、サイリスタ４の電流をゼロにしてから、直列ダイオード２で逆電圧を与えて消弧した後に、最終的に半導体スイッチ５のゲートオフで直流電流を遮断する。
【選択図】図１

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】