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(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】2023-08-01
(45)【発行日】2023-08-09
(54)【発明の名称】電流開閉装置
(51)【国際特許分類】
H01H 33/59 20060101AFI20230802BHJP
H01H 9/54 20060101ALI20230802BHJP
【ＦＩ】
H01H33/59 B
H01H33/59 G
H01H9/54 A
【請求項の数】
4
(21)【出願番号】P 2022187004
(22)【出願日】2022-11-24
【審査請求日】2022-12-14
【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
(72)【発明者】
【氏名】川口 卓志
【審査官】内田 勝久
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１５－１１５１７３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０２１－０３４１２４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１４－０３８７７５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０３－２９３８１６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０２０－０２４８３０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１８－１２５２７０（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｈ ９／５４ － ９／５６
Ｈ０１Ｈ ３３／２８ － ３３／５９
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
双方向直流電源又は交流電源と負荷との間に挿入されて使用される電流開閉装置であって、該電流開閉装置は、駆動コイルと、該駆動コイルへの制御電源の投入により電磁石の力により開閉動作を行う金属接点を備えた電磁接触器と、
前記金属接点と並列に接続される逆直列接続した２個の半導体スイッチング素子から成る双方向半導体スイッチと、
前記各半導体スイッチング素子の制御端子にオン／オフのための制御電圧を供給する絶縁ゲート駆動回路と、
前記絶縁ゲート駆動回路への入力電圧を制御して前記絶縁ゲート駆動回路の出力電圧を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、前記制御電源によって駆動されるとともに、前記制御電源のオン／オフを制御することにより前記金属接点の開閉を制御する別に設けられた制御スイッチがオンされると、前記絶縁ゲート駆動回路の入力端子に所定の電圧を供給して前記絶縁ゲート駆動回路の出力電圧により前記双方向半導体スイッチをオンして、前記金属接点が閉極するまでの間オン状態を維持して前記負荷への通電を維持するとともに、
前記制御スイッチがオフされて前記駆動コイルへの電源供給が遮断されて前記金属接点が開極された後も、所定の時間、前記絶縁ゲート駆動回路への入力電圧を維持して前記双方向半導体スイッチのオンを持続させるように制御する遮断遅延手段を備え、
前記遮断遅延手段は、前記制御電源から供給される電力を蓄積するコンデンサと、前記制御電源の電圧を入力し所定の電圧を出力する遅延タイマー回路を備え、該遅延タイマー回路が前記制御電源が遮断された後においても所定の時間だけ前記所定の電圧を出力し、前記所定の時間経過後に出力を停止することを特徴とする電流開閉装置。
【請求項2】
直流電源と負荷との間に挿入されて使用される電流開閉装置であって、該電流開閉装置は、駆動コイルと、該駆動コイルへの制御電源の投入により電磁石の力により開閉動作を行う金属接点を備えた電磁接触器と、
前記金属接点と並列に接続される半導体スイッチとダイオードとの直列接続回路と、
前記半導体スイッチの制御端子にオン／オフのための制御電圧を供給する絶縁ゲート駆動回路と、
前記絶縁ゲート駆動回路への入力電圧を制御して前記絶縁ゲート駆動回路の出力電圧を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、前記制御電源によって駆動されるとともに、前記制御電源のオン／オフを制御することにより前記金属接点の開閉を制御する別に設けられた制御スイッチがオンされると、前記絶縁ゲート駆動回路の入力端子に所定の電圧を供給して前記絶縁ゲート駆動回路の出力電圧により前記半導体スイッチをオンして、前記金属接点が閉極するまでの間オン状態を維持して前記負荷への通電を維持するとともに、
前記制御スイッチがオフされて前記駆動コイルへの電源供給が遮断されて前記金属接点が開極された後も、所定の時間、前記絶縁ゲート駆動回路への入力電圧を維持して前記半導体スイッチのオンを持続させるように制御する遮断遅延手段を備え、
前記遮断遅延手段は、前記制御電源から供給される電力を蓄積するコンデンサと、前記制御電源の電圧を入力し所定の電圧を出力する遅延タイマー回路を備え、該遅延タイマー回路が前記制御電源が遮断された後においても所定の時間だけ前記所定の電圧を出力し、前記所定の時間経過後に出力を停止することを特徴とする電流開閉装置。
【請求項3】
双方向直流電源又は交流電源と負荷との間に挿入されて使用される電流開閉装置であって、該電流開閉装置は、駆動コイルと、該駆動コイルへの制御電源の投入により電磁石の力により開閉動作を行う金属接点を備えた電磁接触器と、
前記金属接点と並列に接続される逆直列接続した２個の半導体スイッチング素子から成る双方向半導体スイッチと、
前記各半導体スイッチング素子の制御端子にオン／オフのための制御電圧を供給する絶縁ゲート駆動回路と、
前記絶縁ゲート駆動回路への入力電圧を制御して前記絶縁ゲート駆動回路の出力電圧を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、前記制御電源によって駆動されるとともに、前記制御電源のオン／オフを制御することにより前記金属接点の開閉を制御する別に設けられた制御スイッチがオンされると、前記絶縁ゲート駆動回路の入力端子に所定の電圧を供給して前記絶縁ゲート駆動回路の出力電圧により前記双方向半導体スイッチをオンして、前記金属接点が閉極するまでの間オン状態を維持して前記負荷への通電を維持するとともに、
前記制御スイッチがオフされて前記駆動コイルへの電源供給が遮断されて前記金属接点が開極された後も、所定の時間、前記絶縁ゲート駆動回路への入力電圧を維持して前記双方向半導体スイッチのオンを持続させるように制御する遮断遅延手段を備え、
さらに、前記逆直列接続した２個の半導体スイッチング素子から成る双方向半導体スイッチを、ダイオードブリッジと一又は複数の半導体スイッチング素子から成る双方向半導体スイッチで置き換えたものであって、
前記ダイオードブリッジの交流入力端子を前記金属接点に並列に接続するとともに、
前記半導体スイッチング素子を前記ダイオードブリッジの直流出力端子に並列接続したことを特徴とする電流開閉装置。
【請求項4】
請求項１に記載の電流開閉装置の前記電磁接触器の前記金属接点に並列に接続して使用されるハイブリッド化ユニットであって、該ハイブリッド化ユニットは、前記金属接点と並列に接続される逆直列接続した２個の半導体スイッチング素子から成る双方向半導体スイッチと、
前記各半導体スイッチング素子の制御端子にオン／オフのための制御電圧を供給する絶縁ゲート駆動回路と、
前記絶縁ゲート駆動回路への入力電圧を制御して前記絶縁ゲート駆動回路の出力電圧を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、前記制御電源によって駆動されるとともに、前記制御スイッチがオンされると、前記絶縁ゲート駆動回路の入力端子に所定の電圧を供給して前記絶縁ゲート駆動回路の出力電圧により前記双方向半導体スイッチをオンして、前記金属接点が閉極するまでの間オン状態を維持して前記負荷への通電を維持するとともに、
前記制御スイッチがオフされて前記駆動コイルへの電源供給が遮断されて前記金属接点が開極された後も、所定の時間、前記絶縁ゲート駆動回路への入力電圧を維持して前記双方向半導体スイッチのオンを持続させるように制御する遮断遅延手段を備え、
前記遮断遅延手段は、前記制御電源から供給される電力を蓄積するコンデンサと、前記制御電源の電圧を入力し所定の電圧を出力する遅延タイマー回路を備え、該遅延タイマー回路が前記制御電源が遮断された後においても所定の時間だけ前記所定の電圧を出力し、前記所定の時間経過後に出力を停止することを特徴とするハイブリッド化ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、電流開閉装置に関し、特に、制御電源でコイルを励磁して金属接点を機械駆動してオン／オフする電磁接触器と、これと並列に接続された半導体スイッチ回路とを備えて、制御電源の投入から金属接点での通電までの時間遅れを補償し、かつ、金属接点におけるチャタリングの発生による金属接点の溶着を防止することを可能にした電流開閉装置に関する。
【背景技術】
【0002】
電磁接触器（マグネットコンタクタ）は、プランジャ形リレーと呼ばれる制御機器である。プランジャ形リレーは、電気的に接点の開閉容量が大きく、絶縁耐力も優れている。電磁接触器は、モータなどの大電流をオン／オフさせることができるので、モータ等の制御に利用される。コイル端子に制御電流を流せば、主接点と補助接点が同時に動作する構造になっている。本発明においては、主接点を「金属接点」といい、付属の補助接点（後述の「補助接点２’」とは異なるものであるので注意されたい。）については本発明の対象ではない。
なお、プランジャ形リレーには電磁開閉器（マグネットスイッチ）もあるが、電磁開閉器は、電磁接触器にサーマルリレーを付加したものであり、金属接点の動作に関しては電磁接触器と同じであるから、特に断らない限り、この明細書においては、電磁接触器には電磁開閉器も含まれるものとする。
なお、プランジャ形リレーには電磁開閉器（マグネットスイッチ）もあるが、電磁開閉器は、電磁接触器にサーマルリレーを付加したものであり、金属接点の動作に関しては電磁接触器と同じであるから、特に断らない限り、この明細書においては、電磁接触器には電磁開閉器も含まれるものとする。
【0003】
かかる電磁接触器には、一般的に、次に述べる２つの問題点が指摘されている。
第一に、電磁コイルを制御電源で励磁して金属接点を磁気力で機械式に駆動して電流のオン／オフを行うものであるので、制御電源の投入から金属接点がオンするまでの間に必ずタイムラグ（１０ｍｓ以上）が生じる。特に、直流回路のシーケンス回路では大きな制御遅れとなり、ｍｓ単位で進む高速な制御システムには向かないという問題がある。
第一に、電磁コイルを制御電源で励磁して金属接点を磁気力で機械式に駆動して電流のオン／オフを行うものであるので、制御電源の投入から金属接点がオンするまでの間に必ずタイムラグ（１０ｍｓ以上）が生じる。特に、直流回路のシーケンス回路では大きな制御遅れとなり、ｍｓ単位で進む高速な制御システムには向かないという問題がある。
【0004】
第二に、チャタリングによる金属接点の損耗の問題である。すなわち、理想的なスイッチであれば、オン又はオフ時に金属接点が一度でピタッと接続、または一度で金属接点が離れれば、チャタリングは発生しない。しかし、実際のスイッチは金属接点の「バウンド」または「擦れ（すれ）」が発生し、これによりチャタリングが発生することがある。
チャタリングが発生すると、始動電流を１秒間に１０～２０回程度の高頻度で開閉を繰り返すため金属接点間に発生するアークにより金属接点が異常発熱や消耗、溶着等が発生する。接点溶着を起こした場合は、モータが制御不能になり、システムに甚大な被害を与えることになる。これはモータに限らず、大電流回路あるいはインダクタンスを含む電気回路に組み込まれた電磁接触器一般に起こる問題でもある。
かかるチャタリングの発生による問題を回避するためのチャタリング防止装置が提案されている（下記特許文献１参照）。
チャタリングが発生すると、始動電流を１秒間に１０～２０回程度の高頻度で開閉を繰り返すため金属接点間に発生するアークにより金属接点が異常発熱や消耗、溶着等が発生する。接点溶着を起こした場合は、モータが制御不能になり、システムに甚大な被害を与えることになる。これはモータに限らず、大電流回路あるいはインダクタンスを含む電気回路に組み込まれた電磁接触器一般に起こる問題でもある。
かかるチャタリングの発生による問題を回避するためのチャタリング防止装置が提案されている（下記特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【文献】特開平９－２４５５５４号公報
【文献】特開平４－３５４３７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
特許文献１に開示されているチャタリング防止装置は、マグネットスイッチの主接点の開状態又は閉状態の維持時間に基づいて、前記接点のチャタリングの発生を検出するチャタリング検出手段を設け、チャタリングが発生したと判定した場合は、電磁コイルへの励磁電流を遮断するものである。しかし、これはチャタリング検出手段を別に設ける必要があり、その分回路が複雑になる。
また、チャタリング防止又は制御遅れの問題を解決することを目的とするものではないが、電磁接触器の主接点と並列に半導体スイッチを接続したハイブリッドスイッチが提案されている（上記特許文献２参照）。
また、チャタリング防止又は制御遅れの問題を解決することを目的とするものではないが、電磁接触器の主接点と並列に半導体スイッチを接続したハイブリッドスイッチが提案されている（上記特許文献２参照）。
【0007】
これは、電磁接触器の主接点と並列に半導体スイッチ（サイリスタ又はトライアック）を接続し、この電磁接触器に元々内蔵されている補助接点（ｂ接点）を用いて、主接点のオンよりも先にｂ接点をオフ（開極）して半導体スイッチをオンし、主接点をオフした後に電流を半導体スイッチに転流させた後にｂ接点をオン（閉極）して半導体スイッチをオフするものである。
【0008】
しかし、これは、電磁接触器の主接点がオンする前に補助ｂ接点がオフするという性質があることを経験的に知得して、その性質を利用したものであり、確実にそのような順序で主接点と補助接点が動作することを保証するものではない。また、（マグネットの励磁電流が遮断されて）主接点がオフした後に補助ｂ接点がオン（閉極）するという順序が保証されているわけでもないから、この発明がそもそも確実に動作するかどうかも疑わしい。
さらに、直流１０Ａ以上、数十Ｖ以上の電流遮断時は、高温アークが発生して持続するのでアークを消弧させる工夫も必要である。また、交流電流においても、電流ゼロ点までアーク電流が持続して電極が消耗するなど機械的接点の問題は依然として残っている。
さらに、直流１０Ａ以上、数十Ｖ以上の電流遮断時は、高温アークが発生して持続するのでアークを消弧させる工夫も必要である。また、交流電流においても、電流ゼロ点までアーク電流が持続して電極が消耗するなど機械的接点の問題は依然として残っている。
【0009】
本発明は上述のような問題に鑑みなされたものであり、電磁接触器を用いた電流開閉装置における制御遅れ（タイムラグの発生）と接点のチャタリングによる溶着の問題を解決し、さらには、交流さらに直流の電流遮断時のアーク発生の問題を解決することを可能にする電流開閉装置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】
【0010】
本発明は、双方向直流電源又は交流電源と負荷との間に挿入されて使用される電流開閉装置に関し、本発明の上記目的は、駆動コイルと該駆動コイルへの制御電源の投入により電磁石の力により開閉動作を行う金属接点を備えた電磁接触器と、上記金属接点と並列に接続される逆直列接続した２個の半導体スイッチング素子から成る双方向半導体スイッチと、上記各半導体スイッチング素子の制御端子にオン／オフのための制御電圧を供給する絶縁ゲート駆動回路と、上記絶縁ゲート駆動回路への入力電圧を制御して上記絶縁ゲート駆動回路の出力電圧を制御する制御部とを備え、
上記制御部は、上記制御電源によって駆動されるとともに、上記制御電源のオン／オフを制御することにより上記金属接点の開閉を制御する別に設けられた制御スイッチがオンされると、上記絶縁ゲート駆動回路の入力端子に所定の電圧を供給して上記絶縁ゲート駆動回路の出力電圧により上記双方向半導体スイッチをオンして、上記金属接点が閉極するまでの間オン状態を維持して上記負荷への通電を維持するとともに、上記制御スイッチがオフされて上記駆動コイルへの電源供給が遮断されて上記金属接点が開極された後も、所定の時間、上記絶縁ゲート駆動回路への入力電圧を維持して上記双方向半導体スイッチのオンを持続させるように制御する遮断遅延手段を備えたことを特徴とする電流開閉装置によって達成される。
上記制御部は、上記制御電源によって駆動されるとともに、上記制御電源のオン／オフを制御することにより上記金属接点の開閉を制御する別に設けられた制御スイッチがオンされると、上記絶縁ゲート駆動回路の入力端子に所定の電圧を供給して上記絶縁ゲート駆動回路の出力電圧により上記双方向半導体スイッチをオンして、上記金属接点が閉極するまでの間オン状態を維持して上記負荷への通電を維持するとともに、上記制御スイッチがオフされて上記駆動コイルへの電源供給が遮断されて上記金属接点が開極された後も、所定の時間、上記絶縁ゲート駆動回路への入力電圧を維持して上記双方向半導体スイッチのオンを持続させるように制御する遮断遅延手段を備えたことを特徴とする電流開閉装置によって達成される。
【発明の効果】
【0011】
本発明に係る電流開閉装置によれば、電流投入時は、金属接点の閉極よりも先に双方向半導体スイッチがオンするので、負荷に対する電流投入遅れの問題は解消され、また、金属接点の閉極時に「バウンド」又は「擦れ（すれ）」が発生したとしても、電流はほとんど半導体スイッチの方に流れており、また、アーク発生に必要な電圧（１０Ｖ以上）がないので、アークも発生せず、金属接点の溶着もない。この結果、金属接点のチャタリングの問題は解消される。
【0012】
また、負荷電流の遮断時においては、金属接点に並列接続された双方向半導体スイッチがオンの状態のまま金属接点が開極を開始するので、電流によるアークが発生しても、アーク電圧（約１０Ｖ） によって、電流は並列の双方向半導体スイッチに短時間、数μｓで転流してアークは消滅する。その後、金属接点の開極が完了し、ギャップ長の耐電圧が十分になった後に双方向半導体スイッチを瞬時にオフするように、双方向半導体スイッチのオフまでの時間を遅延させることができる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【図1】本発明に係る電流開閉装置の第一の実施形態を示すブロック図である。
【図2】本発明に係る電流開閉装置の制御部の回路構成の実施例を示す図である。
【図4】制御部における制御シーケンスの概略を示す図である。
【図5】本発明に係る電流開閉装置の第二の実施形態を示すブロック図である。
【図6】本発明に係る電流開閉装置の第三の実施形態を示すブロック図である。
【図7】本発明に係る電流開閉装置の第四の実施形態を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【0014】
以下図面を参照しつつ、本発明の実施形態について詳細に説明する。
図１は、本発明に係る電流開閉装置の第一の実施形態を示すブロック図である。本発明に係る電流開閉装置は、双方向直流電源又は交流電源１と負荷４との間に挿入されて使用されるものであり、駆動コイル３と、駆動コイル３への制御電源（図中の１２Ｖ）の投入により電磁石の力により開閉動作を行う金属接点２を備えた電磁接触器と、金属接点２と並列に接続される逆直列接続した２個の半導体スイッチング素子から成る双方向半導体スイッチ７と、各半導体スイッチング素子の制御端子（ゲート）にオン／オフのための制御電圧を供給する絶縁ゲート駆動回路８と、絶縁ゲート駆動回路８への入力電圧を制御して絶縁ゲート駆動回路８の出力電圧を制御する制御部９とを備えており、制御電源のオン／オフを制御することにより金属接点２の開閉を制御する制御スイッチ１０は電流開閉装置とは別に備えられている。なお、制御スイッチ１０は電流開閉装置の構成部品として内蔵してもよいことは言うまでもない。
図１は、本発明に係る電流開閉装置の第一の実施形態を示すブロック図である。本発明に係る電流開閉装置は、双方向直流電源又は交流電源１と負荷４との間に挿入されて使用されるものであり、駆動コイル３と、駆動コイル３への制御電源（図中の１２Ｖ）の投入により電磁石の力により開閉動作を行う金属接点２を備えた電磁接触器と、金属接点２と並列に接続される逆直列接続した２個の半導体スイッチング素子から成る双方向半導体スイッチ７と、各半導体スイッチング素子の制御端子（ゲート）にオン／オフのための制御電圧を供給する絶縁ゲート駆動回路８と、絶縁ゲート駆動回路８への入力電圧を制御して絶縁ゲート駆動回路８の出力電圧を制御する制御部９とを備えており、制御電源のオン／オフを制御することにより金属接点２の開閉を制御する制御スイッチ１０は電流開閉装置とは別に備えられている。なお、制御スイッチ１０は電流開閉装置の構成部品として内蔵してもよいことは言うまでもない。
【0015】
電磁接触器とは、電磁石の吸引力により金属接点を開閉できるもので、負荷の自動開閉用として使用されるものである。非通電時はバネの力で接触子が切断状態となっているが、駆動コイルに電源を投入すると電磁石によりバネの力に勝る吸引力が発生し、接触子が回路を接続し、負荷へ電源を供給する。駆動コイル電源の切断により、バネの力で回路が切断され、負荷への電源供給を停止することができる。
半導体スイッチング素子としては、ＭＯＳＦＥＴや逆導通型ＩＧＢＴなど制御端子（ゲート）の制御でオン／オフする能力を持つ自己消弧形半導体素子が利用可能である。
また、絶縁ゲート駆動回路８としては、フォトボル出力フォトカプラ（以下「フォトボル」という。）が利用できる。
フォトボルは、赤外ＬＥＤとフォトダイオードアレイを備え、入力側に約１０ｍＡの電流で内部の赤外ＬＥＤを発光させて、出力部のフォトダイオードアレイに絶縁された出力最大７Ｖ程度の開放電圧を発生させるもので、東芝デバイス＆ストレージ株式会社製のＴＬＰ３９０６などがある。
半導体スイッチング素子としては、ＭＯＳＦＥＴや逆導通型ＩＧＢＴなど制御端子（ゲート）の制御でオン／オフする能力を持つ自己消弧形半導体素子が利用可能である。
また、絶縁ゲート駆動回路８としては、フォトボル出力フォトカプラ（以下「フォトボル」という。）が利用できる。
フォトボルは、赤外ＬＥＤとフォトダイオードアレイを備え、入力側に約１０ｍＡの電流で内部の赤外ＬＥＤを発光させて、出力部のフォトダイオードアレイに絶縁された出力最大７Ｖ程度の開放電圧を発生させるもので、東芝デバイス＆ストレージ株式会社製のＴＬＰ３９０６などがある。
【0016】
なお、本発明に係る電流開閉装置から、電磁接触器（金属接点２と駆動コイル３を合わせたものを指す。）を外した部分を、ここでは「ハイブリッド化ユニット」と呼ぶこととする。すなわち、既存の電磁接触器に後付けでハイブリッド化ユニットを付加しても本発明に係る電流開閉装置を構成できるので、ハイブリッド化ユニットとしても発明の対象となり得るからである。
【0017】
制御部９は、制御電源（駆動コイル端子５から印加する。）によって駆動されるとともに、制御スイッチ１０がオンされると、絶縁ゲート駆動回路８の入力端子に所定の電圧（約５Ｖ）を供給して絶縁ゲート駆動回路８の出力電圧（約７Ｖ）により双方向半導体スイッチ７をオンして、金属接点２が閉極するまでの間オン状態を維持して負荷４への通電を維持する。そして、制御スイッチ１０がオフされて駆動コイル３への制御電源供給が遮断されて金属接点２が開極された後も、所定の時間、絶縁ゲート駆動回路８への入力電圧を維持して双方向半導体スイッチ７のオンを持続させるように制御する遮断遅延手段を備えている。なお、遮断遅延手段の具体的な構成については後述する。
【0018】
図２は、本発明に係る電流開閉装置の制御部の構成例を示す図である。制御部９以外は図１と同じであるので説明は省略する。
制御部９は、制御電源（１２Ｖ）からの電力を蓄積し、制御スイッチ１０がオフされた後も所定の時間、絶縁ゲート駆動回路８に電力を供給するための大容量（１５０μＦ）の電解コンデンサＣと、制御電源の電圧を入力して所定の電圧を出力する遅延タイマー回路を備えている。なお、定電圧制御回路は、制御電源から定電圧（５Ｖ）を作り出すために置かれている。
制御部９は、制御電源（１２Ｖ）からの電力を蓄積し、制御スイッチ１０がオフされた後も所定の時間、絶縁ゲート駆動回路８に電力を供給するための大容量（１５０μＦ）の電解コンデンサＣと、制御電源の電圧を入力して所定の電圧を出力する遅延タイマー回路を備えている。なお、定電圧制御回路は、制御電源から定電圧（５Ｖ）を作り出すために置かれている。
【0019】
遅延タイマー回路は、制御電源が遮断された後においても、すぐに絶縁ゲート駆動回路８の入力電圧がゼロにならないように、所定の時間だけ所定の電圧を出力し、トランジスタスイッチをオンし続け、フォトボル８の赤外ＬＥＤに電流を流し続ける作用をする。なお、所定の時間とは、少なくとも金属接点２の開極が完了するまでの時間をいい、約２０～３０ｍｓである。
【0020】
そして、所定の時間が経過すると、遅延タイマー回路の出力はゼロになり、トランジスタスイッチがオフになり、瞬時にフォトボル８の入力電流はゼロになるので、双方向半導体スイッチ７がオフになり、負荷４への電流が遮断される。その場合、遮断後の再起電圧が現れるが、その時、金属接点２はすでに開極しており、絶縁距離が確保されている。誘導性負荷の遮断などで過電圧が発生する場合は、並列のＣＲサージアブソーバとバリスタ（不図示）で過電圧から保護される。
なお、遅延タイマー回路によって双方向半導体スイッチ７のオフを遅延させるのは、金属接点２の開極に必要な時間を確保し、金属接点２の開極後に双方向半導体スイッチ７のオフによって負荷電流を遮断することで金属接点２アーク放電を防止するためである。
なお、遅延タイマー回路によって双方向半導体スイッチ７のオフを遅延させるのは、金属接点２の開極に必要な時間を確保し、金属接点２の開極後に双方向半導体スイッチ７のオフによって負荷電流を遮断することで金属接点２アーク放電を防止するためである。
【0021】
ここで、遅延タイマー回路としては、入力がゼロになっても所定の時間（約３０ｍｓ）出力を出し続けることのできるものであれば何でもよいので、市販のＣＲタイマー等が利用可能である。図３は、オペアンプを利用したＣＲタイマー回路の例である。オペアンプの反転入力端子（－）には、１５０μＦの大容量電解コンデンサＣ１の充電電圧を抵抗Ｒ１及びＲ２で分圧したものが入力され、一方、非反転入力端子（＋）には、コンデンサＣ２（0.1μＦ）に充電された電圧が入力される。
【0022】
制御電圧（１２Ｖ）が遮断されると、コンデンサＣ１及びＣ２からの放電が始まり、－端子及び＋端子共に電圧が下がり始める。したがって、＋端子側の抵抗Ｒ３を調整することにより、＋端子側の電圧降下の速度を－端子側の電圧降下の速度よりも速くなるようにしておけば、＋端子側の入力電圧が－側に入力電圧よりも下がった時点でオペアンプの出力をゼロにすることができる。電圧降下の速度は、例えば、制御電圧（１２Ｖ）の遮断から約３０ｍｓ後にオペアンプの出力がゼロになるように設定すればよい。
【0023】
図４は、制御部における制御シーケンスの概略を示す図である。
制御スイッチ１０がオンになると、駆動コイル３に制御電源（１２Ｖ）からの電圧が印加され、電磁石の作用により金属接点２が閉極動作を開始するが、金属接点２は機械的に動くため、金属接点２が閉極するまでは１０ｍｓ程度のタイムラグ（接点閉極遅れ）が生ずる。
一方、制御電源は制御部９にも供給され、フォトボル８の出力から半導体スイッチ７のゲートに約７Ｖの電圧が印加されて半導体スイッチがオンして、負荷への電流が通電する。この時、まだ金属接点２は閉極していないが、約１０ｍｓ後に金属接点２が無アークで閉極すると、金属接点２を通して負荷４に電流が流れ、半導体スイッチにはほとんど電流は流れなくなる。半導体スイッチには短時間しか電流が流れないので、発熱は無視できる。
結果として、制御スイッチ１０のオンとほぼ同時に負荷４へ電流を流すことができるため、制御遅れの問題は解消される。また、金属接点２の閉極はほとんど無電流の状態でされるため、完全に閉極するまでの間に接点のバウンドや擦れが生じても接点が溶着したりアークが発生したりすることもなくなる。
なお、金属接点２の通電中は半導体スイッチ７に対するフォトボル８の出力を停止してもよいが、継続しても金属接点２がオンの間は半導体スイッチ７には電流が流れないし、もし、動作中、金属接点２が衝撃Ｇでチャタリングしても並列の半導体スイッチ７があれば通電は持続する利点がある。
制御スイッチ１０がオンになると、駆動コイル３に制御電源（１２Ｖ）からの電圧が印加され、電磁石の作用により金属接点２が閉極動作を開始するが、金属接点２は機械的に動くため、金属接点２が閉極するまでは１０ｍｓ程度のタイムラグ（接点閉極遅れ）が生ずる。
一方、制御電源は制御部９にも供給され、フォトボル８の出力から半導体スイッチ７のゲートに約７Ｖの電圧が印加されて半導体スイッチがオンして、負荷への電流が通電する。この時、まだ金属接点２は閉極していないが、約１０ｍｓ後に金属接点２が無アークで閉極すると、金属接点２を通して負荷４に電流が流れ、半導体スイッチにはほとんど電流は流れなくなる。半導体スイッチには短時間しか電流が流れないので、発熱は無視できる。
結果として、制御スイッチ１０のオンとほぼ同時に負荷４へ電流を流すことができるため、制御遅れの問題は解消される。また、金属接点２の閉極はほとんど無電流の状態でされるため、完全に閉極するまでの間に接点のバウンドや擦れが生じても接点が溶着したりアークが発生したりすることもなくなる。
なお、金属接点２の通電中は半導体スイッチ７に対するフォトボル８の出力を停止してもよいが、継続しても金属接点２がオンの間は半導体スイッチ７には電流が流れないし、もし、動作中、金属接点２が衝撃Ｇでチャタリングしても並列の半導体スイッチ７があれば通電は持続する利点がある。
【0024】
次に、制御スイッチ１０をオフすると、駆動コイル３に電流が流れなくなるので、金属接点２はバネの力で元に戻ろうとして開極動作を開始するが、金属接点２の開極時に発生するアークが問題となる。すなわち、金属接点２が開極して十分な電極間の絶縁距離が確保されるまでの間（約１５ｍｓ）は、半導体スイッチ７のオン状態を持続させ、金属接点２に流れていた電流を半導体スイッチ７に転流させ、無電流で開極させる必要がある。
半導体スイッチ７を駆動するフォトボル８は、約１０ｍＡ程度で駆動することができるが、制御スイッチ１０がオフになると制御部９に供給されている制御電源１２Ｖはなくなるが、制御部９にある電解コンデンサ（１５０μＦ）に蓄電されている電流が放電してフォトボル８に供給され、半導体スイッチ７のオン状態が維持されるので、金属接点２に流れている電流は半導体スイッチ７に転流する。
半導体スイッチ７を駆動するフォトボル８は、約１０ｍＡ程度で駆動することができるが、制御スイッチ１０がオフになると制御部９に供給されている制御電源１２Ｖはなくなるが、制御部９にある電解コンデンサ（１５０μＦ）に蓄電されている電流が放電してフォトボル８に供給され、半導体スイッチ７のオン状態が維持されるので、金属接点２に流れている電流は半導体スイッチ７に転流する。
【0025】
しかしながら、この電解コンデンサ（１５０μＦ）に蓄電されている電荷の自然放電は、１００ｍｓ以上かかるため、金属接点２の開極が完了した後に速やかに半導体スイッチ７をオフする必要がある。このため、制御部９の中に「遅延タイマー回路」が設けられており、制御スイッチ１０のオフ後、２０～３０ｍｓ後にフォトボル８への入力電圧がゼロになるように設定し、自然放電を待たずにフォトボル８への入力電圧がゼロになるようにすることができる。
このように、本発明による電磁接触器の制御は、双方向半導体スイッチ７の制御が主となって、金属接点２の開閉は双方向半導体スイッチ７の導通損失を無くする役目になる。金属接点２の連続通電により双方向半導体スイッチ７の導通損がなくなるので、半導体スイッチ７の冷却システムが不要になるので、本発明は軽量化が実現される。
このように、本発明による電磁接触器の制御は、双方向半導体スイッチ７の制御が主となって、金属接点２の開閉は双方向半導体スイッチ７の導通損失を無くする役目になる。金属接点２の連続通電により双方向半導体スイッチ７の導通損がなくなるので、半導体スイッチ７の冷却システムが不要になるので、本発明は軽量化が実現される。
【0026】
図５は、本発明に係る電流開閉装置の第二の実施形態を示すブロック図である。
図１に示す逆直列接続した２個のＭＯＳＦＥＴから成る双方向半導体スイッチを、ダイオードブリッジ１１と複数（図６では便宜上２個にしているが、３個以上でも構わない。）のＭＯＳＦＥＴから成る双方向半導体スイッチで置き換えたものであって、ダイオードブリッジ１１の交流入力端子を金属接点２に並列に接続するとともに、複数のＭＯＳＦＥＴを図のようにダイオードブリッジ１１の直流出力端子に並列接続したものである。なお、ＭＯＳＦＥＴを複数個並列にしているのは、大電流を扱う場合に、１個あたりの分担を減らして発熱を抑えるためであり、扱う電流量によっては１個でも構わないことは言うまでもない。
これは、制御スイッチ１０のオン時、絶縁ゲート駆動回路８からゲート電圧パルスで双方向半導体スイッチ７がオンされるが、その後、遅れて金属接点２がオンされると金属接点２のオン電圧からの双方向半導体スイッチ７への回り込み電流が発生することがある。このダイオードブリッジ１１の順方向電圧は２Ｖから３Ｖ程度が有るため、この回り込み電流を完全に阻止することができる。
負荷電流の遮断時は絶縁ゲート駆動回路８が第一実施例と同じく金属接点２の開極を待ってから双方向半導体スイッチ７のゲートをオフする。
図１に示す逆直列接続した２個のＭＯＳＦＥＴから成る双方向半導体スイッチを、ダイオードブリッジ１１と複数（図６では便宜上２個にしているが、３個以上でも構わない。）のＭＯＳＦＥＴから成る双方向半導体スイッチで置き換えたものであって、ダイオードブリッジ１１の交流入力端子を金属接点２に並列に接続するとともに、複数のＭＯＳＦＥＴを図のようにダイオードブリッジ１１の直流出力端子に並列接続したものである。なお、ＭＯＳＦＥＴを複数個並列にしているのは、大電流を扱う場合に、１個あたりの分担を減らして発熱を抑えるためであり、扱う電流量によっては１個でも構わないことは言うまでもない。
これは、制御スイッチ１０のオン時、絶縁ゲート駆動回路８からゲート電圧パルスで双方向半導体スイッチ７がオンされるが、その後、遅れて金属接点２がオンされると金属接点２のオン電圧からの双方向半導体スイッチ７への回り込み電流が発生することがある。このダイオードブリッジ１１の順方向電圧は２Ｖから３Ｖ程度が有るため、この回り込み電流を完全に阻止することができる。
負荷電流の遮断時は絶縁ゲート駆動回路８が第一実施例と同じく金属接点２の開極を待ってから双方向半導体スイッチ７のゲートをオフする。
【0027】
図６は、本発明に係る電流開閉装置の第三の実施形態を示すブロック図である。これは、ハイブリッド化ユニット６を並列接続した電磁接触器の金属接点２に、さらに補助の電磁接触器の金属接点（以下「補助接点」という。）２’を直列に接続して、ハイブリッド化ユニットにおける双方向半導体スイッチ７のオフ時のサージ電圧耐量が金属接点より少ないことを補うための構成である。
【0028】
図６の構成では、金属接点２の持つ開極時の耐サージ電圧は、一般に半導体スイッチング素子では耐えるのが困難な数ｋＶもあるので、また半導体スイッチング素子の数十μＡのリーク電流の問題も有り、直列に補助接点２’を入れることで解決する。
この場合、２つの金属接点と双方向半導体スイッチ７の動作順は、負荷４に通電する時は、補助接点２’、双方向半導体スイッチ７、金属接点２の順にオンし、負荷４への電流を遮断する時は、金属接点２、双方向半導体スイッチ７、補助接点２’の順にオフするように制御される。したがって、補助接点２’のオン／オフは、いずれも無電流で行われることになる。小型、軽量、動作は遅いが、大電流用に設計して機器の運転に先立って補助接点２’をオンにして、運転停止後に補助接点２’をオフすることで、運転休止中に外部からのサージ電圧から直列の負荷を保護する効果もある。
この場合、２つの金属接点と双方向半導体スイッチ７の動作順は、負荷４に通電する時は、補助接点２’、双方向半導体スイッチ７、金属接点２の順にオンし、負荷４への電流を遮断する時は、金属接点２、双方向半導体スイッチ７、補助接点２’の順にオフするように制御される。したがって、補助接点２’のオン／オフは、いずれも無電流で行われることになる。小型、軽量、動作は遅いが、大電流用に設計して機器の運転に先立って補助接点２’をオンにして、運転停止後に補助接点２’をオフすることで、運転休止中に外部からのサージ電圧から直列の負荷を保護する効果もある。
【0029】
図７は、本発明に係る電流開閉装置の第四の実施形態を示すブロック図である。
これは、電流が一方向の直流電源の場合の基本的構成で、ハイブリッド化ユニット６を金属接点２に並列接続した電流開閉装置の場合で、直流であっても電流方向は逆の場合もあり、半導体スイッチ７は、逆圧がかかると電流が流れてしまうので、これを阻止するための直列ダイオード１２が必要となる。これは、逆阻止ばかりではなく、順方向でも金属接点２が閉じている場合の僅かな接点電圧でも、純抵抗である低オン抵抗の半導体スイッチ７に分流するのを直列ダイオード１２の順方向電圧（約１．２Ｖ）で防ぎ、半導体スイッチ７に電流を流さないようにして連続した発熱をさせないためである。半導体スイッチ７と直列ダイオード１２の直列接続回路以外は、図１の場合と同じであるので、その他の説明は省略する。
これは、電流が一方向の直流電源の場合の基本的構成で、ハイブリッド化ユニット６を金属接点２に並列接続した電流開閉装置の場合で、直流であっても電流方向は逆の場合もあり、半導体スイッチ７は、逆圧がかかると電流が流れてしまうので、これを阻止するための直列ダイオード１２が必要となる。これは、逆阻止ばかりではなく、順方向でも金属接点２が閉じている場合の僅かな接点電圧でも、純抵抗である低オン抵抗の半導体スイッチ７に分流するのを直列ダイオード１２の順方向電圧（約１．２Ｖ）で防ぎ、半導体スイッチ７に電流を流さないようにして連続した発熱をさせないためである。半導体スイッチ７と直列ダイオード１２の直列接続回路以外は、図１の場合と同じであるので、その他の説明は省略する。
【符号の説明】
【0030】
１（双方向）直流電源又は交流電源
２ 金属接点（主接点）
２’補助接点
３ 駆動コイル
４ 負荷
５ 駆動コイル端子
６ ハイブリッド化ユニット
７ 双方向半導体スイッチ（ＭＯＳＦＥＴ）
８ 絶縁ゲート駆動回路（フォトボル）
９ 制御部
１０ 制御スイッチ
１１ ダイオードブリッジ
１２ 直列ダイオード
２ 金属接点（主接点）
２’補助接点
３ 駆動コイル
４ 負荷
５ 駆動コイル端子
６ ハイブリッド化ユニット
７ 双方向半導体スイッチ（ＭＯＳＦＥＴ）
８ 絶縁ゲート駆動回路（フォトボル）
９ 制御部
１０ 制御スイッチ
１１ ダイオードブリッジ
１２ 直列ダイオード
【要約】
【課題】電磁接触器を用いた電流開閉装置における制御遅れ（タイムラグの発生）とチャタリングの問題を解決する。
【解決手段】電磁接触器の金属接点２に、２個の半導体スイッチング素子を逆直列接続した双方向半導体スイッチ７を並列に接続して、その制御端子（ゲート）を絶縁ゲート駆動回路（フォトボル）８で絶縁駆動するが、導通開始は、金属接点２の駆動コイル３の電圧によりゲートをオンにして金属接点２の閉極より先に通電を開始して、金属接点２のチャタリングによる溶着を防ぎ、連続通電は金属接点２にて行うが、回路遮断時は、双方向半導体スイッチ７のゲートをオンした状態で金属接点２を開極して、金属接点間の電圧をアーク発生電圧より低くして電流を双方向半導体スイッチ７に転流した後に、双方向半導体スイッチ７のゲートをオフにして遮断する。
【選択図】 図１
【解決手段】電磁接触器の金属接点２に、２個の半導体スイッチング素子を逆直列接続した双方向半導体スイッチ７を並列に接続して、その制御端子（ゲート）を絶縁ゲート駆動回路（フォトボル）８で絶縁駆動するが、導通開始は、金属接点２の駆動コイル３の電圧によりゲートをオンにして金属接点２の閉極より先に通電を開始して、金属接点２のチャタリングによる溶着を防ぎ、連続通電は金属接点２にて行うが、回路遮断時は、双方向半導体スイッチ７のゲートをオンした状態で金属接点２を開極して、金属接点間の電圧をアーク発生電圧より低くして電流を双方向半導体スイッチ７に転流した後に、双方向半導体スイッチ７のゲートをオフにして遮断する。
【選択図】 図１
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
