特許 7465997 固体絶縁スイッチ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-04-03

(45)【発行日】2024-04-11

(54)【発明の名称】固体絶縁スイッチ

(51)【国際特許分類】

   H02H 3/16 20060101AFI20240404BHJP

   H01H 33/59 20060101ALI20240404BHJP

   H03K 17/08 20060101ALI20240404BHJP

   H03K 17/16 20060101ALI20240404BHJP

   H03K 17/687 20060101ALI20240404BHJP

   H03K 17/04 20060101ALN20240404BHJP

   H03K 17/081 20060101ALN20240404BHJP

【ＦＩ】

H02H3/16 A

H01H33/59 C

H01H33/59 H

H03K17/08 C

H03K17/16 M

H03K17/687 A

H03K17/04 E

H03K17/081

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2022562323

(86)(22)【出願日】2021-03-30

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2023-05-23

(86)【国際出願番号】 KR2021003887

(87)【国際公開番号】W WO2021241871

(87)【国際公開日】2021-12-02

【審査請求日】2022-10-12

(31)【優先権主張番号】10-2020-0065318

(32)【優先日】2020-05-29

(33)【優先権主張国・地域又は機関】KR

(73)【特許権者】

【識別番号】593121379

【氏名又は名称】エルエス、エレクトリック、カンパニー、リミテッド

【氏名又は名称原語表記】ＬＳ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＣＯ．， ＬＴＤ．

【住所又は居所原語表記】１２７，ＬＳ－ｒｏ，Ｄｏｎｇａｎ－ｇｕ，Ａｎｙａｎｇ－ｓｉ，Ｇｙｅｏｎｇｇｉ－ｄｏ，Ｒｅｐｕｂｌｉｃ ｏｆ Ｋｏｒｅａ

(74)【復代理人】

【識別番号】100143823

【弁理士】

【氏名又は名称】市川 英彦

(74)【代理人】

【識別番号】100232275

【弁理士】

【氏名又は名称】和田 宣喜

(72)【発明者】

【氏名】シム，ジョンウク

(72)【発明者】

【氏名】イ，ジェホ

(72)【発明者】

【氏名】ソン，ウォンヒョブ

(72)【発明者】

【氏名】カン，ソンヒ

【審査官】下林 義明

(56)【参考文献】

【文献】特開昭６１－０９５６１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１０－１２６９６１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｈ ３／０８ － ３／２５３

Ｈ０１Ｈ ３３／２８ － ３３／５９

Ｈ０３Ｋ １７／００ － １７／７０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１半導体スイッチと第２半導体スイッチが直列に配置される主回路部と、
一端は前記第１半導体スイッチの前段に接続され、他端は前記第２半導体スイッチの後段に並列接続されるスナバ回路と、
一端は前記第１半導体スイッチと前記第２半導体スイッチ間の共通接点に接続され、他端は接地に接続されるフリーホイーリング回路とを含み、
前記スナバ回路のコンデンサは、前記第１半導体スイッチの前段に接続され、
前記スナバ回路の抵抗の一端は、前記コンデンサと直列に接続され、他端は、第２半導体スイッチの後段に接続されるように構成されることを特徴とする、
固体絶縁スイッチ。

【請求項2】

前記固体絶縁スイッチは、Ａ系統とＢ系統間に接続され、
遮断完了後の電源からの物理的絶縁を確保するように、電源側の前段と後段に並列に接続される第１機械式スイッチをさらに含み、
前記第１半導体スイッチ及び前記第２半導体スイッチの遮断動作後に、別途の信号又は時間遅延により前記第１機械式スイッチを開放して前記固体絶縁スイッチの物理的絶縁を維持することを特徴とする、
請求項１に記載の固体絶縁スイッチ。

【請求項3】

前記第１半導体スイッチは、第１ＭＯＳＦＥＴ素子と第１逆方向ダイオードが並列に接続され、前記第２半導体スイッチは、第２ＭＯＳＦＥＴ素子と第２逆方向ダイオードが並列に接続され、
前記第１ＭＯＳＦＥＴ素子と前記第２ＭＯＳＦＥＴ素子は、Ｎ－ｃｈａｎｎｅｌ ＭＯＳＦＥＴ素子であり、
前記第１半導体スイッチと前記第２半導体スイッチは、対向する逆方向に直列接続され、双方向に流れる事故電流を遮断するように構成され、
前記第１逆方向ダイオードのカソードとアノードは、それぞれ前記第１ＭＯＳＦＥＴ素子のドレイン（drain）とソース（source）に接続され、
前記第２逆方向ダイオードのカソードとアノードは、それぞれ前記第２ＭＯＳＦＥＴ素子のドレインとソースに接続されることを特徴とする、
請求項１に記載の固体絶縁スイッチ。

【請求項4】

第１半導体スイッチと第２半導体スイッチが直列に配置される主回路部と、
一端は前記第１半導体スイッチの前段に接続され、他端は前記第２半導体スイッチの後段に並列接続されるスナバ回路と、
一端は前記第１半導体スイッチと前記第２半導体スイッチ間の共通接点に接続され、他端は接地に接続されるフリーホイーリング回路とを含み、
前記フリーホイーリング回路は、
前記接地に接続されるように構成される抵抗と、
アノードが前記抵抗に接続され、カソードが前記第１半導体スイッチと前記第２半導体スイッチ間の共通接点に接続されるように構成される順方向ダイオードとを含むことを特徴とする、
固体絶縁スイッチ。

【請求項5】

前記Ａ系統における事故発生時に、
前記Ａ系統のインダクタンス成分により発生するエネルギーは、前記フリーホイーリング回路と前記第１半導体スイッチの第１ダイオードにより消去され、
前記Ｂ系統のインダクタンス成分により発生するエネルギーは、前記スナバ回路により消去されることを特徴とする、
請求項２に記載の固体絶縁スイッチ。

【請求項6】

前記Ｂ系統における事故発生時に、
前記Ｂ系統のインダクタンス成分により発生するエネルギーは、前記フリーホイーリング回路と前記第２半導体スイッチの第２ダイオードにより消去され、
前記Ａ系統のインダクタンス成分により発生するエネルギーは、前記スナバ回路により消去されることを特徴とする、
請求項２に記載の固体絶縁スイッチ。

【請求項7】

遮断完了後の前記Ａ系統及びＢ系統からの物理的絶縁を確保するように、前記Ｂ系統の前段と後段に並列に接続される第２機械式スイッチをさらに含み、
前記第１半導体スイッチ及び前記第２半導体スイッチの遮断動作後に、別途の信号又は時間遅延により前記第２機械式スイッチをさらに開放して前記固体絶縁スイッチの物理的絶縁を維持することを特徴とする、
請求項２に記載の固体絶縁スイッチ。

【請求項8】

前記固体絶縁スイッチと並列に接続されるアレスタをさらに含み、
前記Ａ系統における事故発生時に、前記Ｂ系統のインダクタンス成分により発生するエネルギーは、前記スナバ回路と前記アレスタにより消去され、
前記Ｂ系統における事故発生時に、前記Ａ系統のインダクタンス成分により発生するエネルギーは、前記スナバ回路と前記アレスタにより消去されることを特徴とする、
請求項２に記載の固体絶縁スイッチ。

【請求項9】

前記スナバ回路は、
前記スナバ回路のコンデンサ及び前記抵抗と並列に接続される第２コンデンサ及び第２抵抗をさらに含み、
前記第２コンデンサの一端は、前記第１半導体スイッチの前段に接続され、
前記第２抵抗の一端は、前記第２半導体スイッチの後段に接続されることを特徴とする、
請求項１に記載の固体絶縁スイッチ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、固体絶縁スイッチに関し、より具体的には、半導体を用いた固体絶縁スイッチに関する。

【背景技術】

【0002】

従来から銅ベースの発電機、変圧器、遮断器などの電力機器を用いていた電力系統において、電力用半導体を用いた新たな概念の電力システムの導入により、従来とは異なる方式の保護機器の必要性が高まっている。

【0003】

従来の機械式遮断器においては、系統に故障が発生した場合に、故障判断、遮断器接点ラッチ動作、遮断器接点開放及び接点間アーク消滅から完全に遮断されるまで数十mｓｅｃ以上かかり、その間故障電流が系統に流れる。よって、従来の系統の電力機器は、このような故障電流による熱的、機械的衝撃に耐えれるように設計されることが求められていた。しかし、電力用半導体で構成されている電力変換器を用いた系統においては、銅ベースの電力機器に比べて電流通電容量が非常に少ないので、故障の際に故障電流の高速遮断が一層求められる。

【0004】

また、直流においては、交流とは異なり、電流零点がないので、従来の接点を開放して遮断する方式は、接点開放後に発生するアーク電流を消滅させることが困難である。

【0005】

そこで、半導体を用いた固体絶縁スイッチは、高速電流遮断が可能であるので、上記問題を解決する好ましい方法として提案されている。

【0006】

一般に、半導体素子を用いた固体絶縁スイッチは、電力用半導体素子と、遮断の瞬間に系統のインダクタンスにより蓄積されたエネルギーを消去するためのアレスタとから構成される。

【0007】

図１は従来の固体絶縁スイッチ１００を示す回路図である。以下、図１を参照して、従来の固体絶縁スイッチ１００の動作過程について説明する。電源側又は負荷側線路の任意の地点で故障が検出されると、ゲート回路により半導体スイッチ素子１０１、１０２がｏｆｆ状態になる。ここで、両側の系統のインダクタンスＬ１、Ｌ２に蓄積されたエネルギーにより固体絶縁スイッチ１００の両端で電圧が上昇し、アレスタ１０３の動作電圧以上になると、アレスタ１０３が導通して電圧上昇を抑制し、アレスタ１０３からエネルギーが発散される。

【0008】

しかし、この場合、アレスタ１０３のみで系統全体から発生するエネルギーを消去するには限界があり、十分にエネルギーを消去するためには、エネルギー容量が増大するように、アレスタを並列に構成しなければならない。ここで、アレスタ毎に偏差があるので、その不均一により損傷が発生することがあり、また、好ましい電圧のアレスタを選定することも困難である。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

本発明は、上記問題及び他の問題を解決するためになされたものであり、直流回路において双方向の事故電流を高速で遮断するために、半導体素子を用いた双方向固体絶縁スイッチを提供することを目的とする。

【0010】

また、本発明は、事故電流遮断時に系統のインダクタンス成分により発生するエネルギーから半導体素子を保護するために、スナバ回路と、フリーホイーリング回路とを含む固体絶縁スイッチを提供することを目的とする。

【0011】

さらに、本発明は、事故電流遮断後の物理的な絶縁のために、エアギャップスイッチ（機械式スイッチ）を含む固体絶縁スイッチ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】

【0012】

上記目的又は他の目的を達成するために、本発明の一態様によれば、本発明の実施形態による固体絶縁スイッチは、第１半導体スイッチと第２半導体スイッチが直列に配置される主回路部と、一端は前記第１半導体スイッチの前段に接続され、他端は前記第２半導体スイッチの後段に並列接続されるスナバ回路と、一端は前記第１半導体スイッチと前記第２半導体スイッチ間の共通接点に接続され、他端は接地に接続されるフリーホイーリング回路とを含むことを特徴とする。

【0013】

一実施形態において、前記固体絶縁スイッチは、Ａ系統とＢ系統間に接続され、遮断完了後の電源からの物理的絶縁を確保するように、電源側の前段と後段に並列に接続される第１機械式スイッチをさらに含み、前記第１半導体スイッチ及び前記第２半導体スイッチの遮断動作後に、別途の信号又は時間遅延により前記第１機械式スイッチを開放して前記固体絶縁スイッチの物理的絶縁を維持することを特徴とする。

【0014】

一実施形態において、前記第１半導体スイッチは、第１ＭＯＳＦＥＴ素子と第１逆方向ダイオードが並列に接続され、前記第２半導体スイッチは、第２ＭＯＳＦＥＴ素子と第２逆方向ダイオードが並列に接続され、前記第１ＭＯＳＦＥＴ素子と前記第２ＭＯＳＦＥＴ素子は、Ｎ－ｃｈａｎｎｅｌ ＭＯＳＦＥＴ素子であり、前記第１半導体スイッチと前記第２半導体スイッチは、対向する逆方向に直列接続され、双方向に流れる事故電流を遮断するように構成され、前記第１逆方向ダイオードのカソードとアノードは、それぞれ前記第１ＭＯＳＦＥＴ素子のドレイン（drain）とソース（source）に接続され、前記第２逆方向ダイオードのカソードとアノードは、それぞれ前記第２ＭＯＳＦＥＴ素子のドレインとソースに接続されることを特徴とする。

【0015】

一実施形態において、前記スナバ回路のコンデンサは、前記第１半導体スイッチの前段に接続され、前記スナバ回路の抵抗の一端は、前記コンデンサと直列に接続され、他端は、第２半導体スイッチの後段に接続されるように構成されることを特徴とする。

【0016】

一実施形態において、前記フリーホイーリング回路は、前記接地に接続されるように構成される抵抗と、アノードが前記抵抗に接続され、カソードが前記第１半導体スイッチと前記第２半導体スイッチ間の共通接点に接続されるように構成される順方向ダイオードとを含むことを特徴とする。

【0017】

一実施形態において、前記Ａ系統における事故発生時に、前記Ａ系統のインダクタンス成分により発生するエネルギーは、前記フリーホイーリング回路と前記第１半導体スイッチの第１ダイオードにより消去され、前記Ｂ系統のインダクタンス成分により発生するエネルギーは、前記スナバ回路により消去されることを特徴とする。

【0018】

一実施形態において、前記Ｂ系統における事故発生時に、前記Ｂ系統のインダクタンス成分により発生するエネルギーは、前記フリーホイーリング回路と前記第２半導体スイッチの第２ダイオードにより消去され、前記Ａ系統のインダクタンス成分により発生するエネルギーは、前記スナバ回路により消去されることを特徴とする。

【0019】

一実施形態において、遮断完了後の前記Ａ系統及びＢ系統からの物理的絶縁を確保するように、前記Ｂ系統の前段と後段に並列に接続される第２機械式スイッチをさらに含み、前記第１半導体スイッチ及び前記第２半導体スイッチの遮断動作後に、別途の信号又は時間遅延により前記第２機械式スイッチをさらに開放して前記固体絶縁スイッチの物理的絶縁を維持することを特徴とする。

【0020】

一実施形態において、前記固体絶縁スイッチと並列に接続されるアレスタをさらに含み、前記Ａ系統における事故発生時に、前記Ｂ系統のインダクタンス成分により発生するエネルギーは、前記スナバ回路と前記アレスタにより消去され、前記Ｂ系統における事故発生時に、前記Ａ系統のインダクタンス成分により発生するエネルギーは、前記スナバ回路と前記アレスタにより消去されることを特徴とする。

【0021】

一実施形態において、前記スナバ回路は、前記スナバ回路のコンデンサ及び前記抵抗と並列に接続される第２コンデンサ及び第２抵抗をさらに含み、前記第２コンデンサの一端は、前記第１半導体スイッチの前段に接続され、前記第２抵抗の一端は、前記第２半導体スイッチの後段に接続されることを特徴とする。

【発明の効果】

【0022】

本発明の実施形態の少なくとも１つによれば、本発明は、直流回路において双方向の事故電流を高速で遮断するために、半導体素子を用いた双方向固体絶縁スイッチを提供することができる。

【0023】

本発明の実施形態の少なくとも１つによれば、本発明は、事故電流遮断時に系統のインダクタンス成分により発生するエネルギーから半導体素子を保護するために、スナバ回路と、フリーホイーリング回路とを含む固体絶縁スイッチを提供することができる。

【0024】

本発明の実施形態の少なくとも１つによれば、本発明は、事故電流遮断後の物理的な絶縁のために、エアギャップスイッチ（機械式スイッチ）を含む固体絶縁スイッチを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0025】

【図1】従来の固体絶縁スイッチ１００を示す回路図である。

【図2】本発明の実施形態による固体絶縁スイッチ２００の回路を示す回路図である。

【図3】本発明の実施形態による固体絶縁スイッチ２００回路における正常状態の電流の流れの一例を示す図である。

【図4a】両側の系統における短絡事故発生時の固体絶縁スイッチ２００回路の具体的な動作の一例を示す図である。

【図4b】両側の系統における短絡事故発生時の固体絶縁スイッチ２００回路の具体的な動作の一例を示す図である。

【図4c】両側の系統における短絡事故発生時の固体絶縁スイッチ２００回路の具体的な動作の一例を示す図である。

【図5a】両側の系統における短絡事故発生時の固体絶縁スイッチ２００回路の具体的な動作の一例を示す図である。

【図5b】両側の系統における短絡事故発生時の固体絶縁スイッチ２００回路の具体的な動作の一例を示す図である。

【図5c】両側の系統における短絡事故発生時の固体絶縁スイッチ２００回路の具体的な動作の一例を示す図である。

【図6】本発明の実施形態による回路の両端にエアギャップスイッチを備える例を示す図である。

【図7】本発明の実施形態によるアレスタをさらに備える例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0026】

前述した本発明の目的、それを達成する本発明の構成及びその作用効果は、添付図面を参照して本発明の好ましい実施形態について説明することにより、さらに明確に理解されるであろう。

【0027】

添付図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明するが、図面番号に関係なく、同一又は類似の構成要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。また、本発明の実施形態について説明するにあたり、関連する公知技術についての具体的な説明が本発明の実施形態の要旨を不明にすると判断される場合、その詳細な説明を省略する。さらに、添付図面は本発明の実施形態を容易に理解できるようにするためのものにすぎず、添付図面により本明細書に開示される技術的思想が限定されるものではなく、本発明の思想及び技術範囲におけるあらゆる変更、均等物又は代替物が含まれるものと理解すべきである。

【0028】

第一、第二などの序数を含む用語は様々な構成要素の説明に用いられるが、前記構成要素は前記用語により限定されるものではない。前記用語は、一構成要素を他の構成要素から区別する目的でのみ用いられる。

【0029】

また、本明細書における構成要素の「前段」及び「後段」とは、正常状態で電流の流れる方向を基準としたものである。例えば、電源の正極と負極間にスイッチが設置される場合、正常状態においては「電源の正極－スイッチの前段－スイッチ－スイッチの後段－電源の負極」の順に流れる。

【0030】

図１は従来の固体絶縁スイッチ１００を示す回路図である。

【0031】

一般に、双方向直流系統において半導体素子を用いた固体絶縁スイッチ１００は、事故電流遮断のための電力用半導体モジュール１０１、１０２と、事故電流遮断の瞬間に系統のインダクタンス成分Ｌ１、Ｌ２により発生するエネルギーを消去するためのアレスタ（ＳＡ）１０３とから構成される。

【0032】

ここで、電力用半導体モジュール１０１、１０２は、双方向の事故電流を遮断するために対向する逆方向に配置される。また、アレスタ（ＳＡ）１０３は、系統のインダクタンス成分Ｌ１、Ｌ２により発生するエネルギーが半導体モジュールに流入して半導体素子に損傷を与えることを防止するために、電力用半導体モジュール１０１、１０２と並列に接続されるように構成される。

【0033】

以下、図１を参照して、従来の固体絶縁スイッチ１００の動作過程について説明する。電源側又は負荷側線路の任意の地点で故障が検出されると、ゲート回路により半導体スイッチ素子１０１、１０２がｏｆｆ状態になる。ここで、両側の系統のインダクタンス成分Ｌ１、Ｌ２に蓄積されたエネルギーにより電力用半導体スイッチ１０１、１０２の両端で電圧が上昇する。

【0034】

ここで、アレスタ１０３の動作電圧以上になると、アレスタ１０３が導通して電圧上昇を抑制し、アレスタ１０３からエネルギーが発散される。

【0035】

しかし、前述したアレスタ１０３のみで系統全体から発生するエネルギーを消去するには限界があり、十分にエネルギーを消去するためには、エネルギー容量が増大するように、アレスタを並列に構成しなければならない。ここで、アレスタ毎に偏差があるので、その不均一により損傷が発生することがあり、また、好ましい電圧のアレスタを選定することも困難である。

【0036】

よって、本発明においては、電力用半導体モジュールを用いて双方向直流系統において発生する事故電流を高速で遮断することにより系統の電力機器を保護すると共に、事故電流遮断時に両側の系統のインダクタンス成分によるエネルギーを効果的に消去し、迅速かつ安全に事故電流を遮断することのできる固体絶縁スイッチの回路を提案する。

【0037】

図２は本発明の実施形態による固体絶縁スイッチ２００の回路を示す回路図である。

【0038】

図２に示すように、固体絶縁スイッチ２００は、Ａ系統１とＢ系統２間に、第１半導体スイッチ２１１と第２半導体スイッチ２１２が直列に配置される主回路部２１０を含む。

【0039】

ここで、第１インダクタ（Ｌ１）１１がＡ系統１のインダクタンス成分を示し、第２インダクタ（Ｌ２）２１がＢ系統２のインダクタンス成分を示す。

【0040】

本発明の実施形態による、図２の固体絶縁スイッチ２００回路において、Ａ系統１を電源側と仮定し、Ｂ系統２を負荷側と仮定すると、正常状態における電流は、電源の正極から流出し、負荷を経て電源の負極に流入する流れを形成する。

【0041】

なお、本発明の実施形態によれば、第１半導体スイッチ２１１と第２半導体スイッチ２１２は、それぞれターンオン／ターンオフが可能なＮ－ｃｈａｎｎｅｌ ＭＯＳＦＥＴ素子と逆方向ダイオードが並列に接続されるように構成される。

【0042】

ここで、前述した半導体スイッチの素子は、Ｎ－ｃｈａｎｎｅｌ ＭＯＳＦＥＴ素子に限定されるものではなく、ゲート電圧によりターンオン／ターンオフが可能なものであれば、例えばＩＧＢＴ、ＧＴＯ、ＩＧＣＴなどのいかなる素子であってもよいことは言うまでもない。

【0043】

ここで、Ｎ－ｃｈａｎｎｅｌ ＭＯＳＦＥＴ素子と並列に接続されるダイオードは、事故電流遮断時の逆電圧によりＭＯＳＦＥＴ素子が損傷することを防止するために、逆方向に配置される。また、第１半導体スイッチ２１１と第２半導体スイッチ２１２は、対向する逆方向に直列接続され、双方向に流れる事故電流を全て遮断できるように構成されることを特徴とする。

【0044】

さらに、本発明の実施形態による固体絶縁スイッチ２００回路は、コンデンサ（Ｃｓ）２２１と抵抗（Ｒｓ）２２２が直列に配置されるスナバ回路２２０が主回路部２１０と並列に接続されるように構成される。ここで、コンデンサ（Ｃｓ）２２１の前段は第１半導体スイッチ２１１の前段に接続され、コンデンサ（Ｃｓ）２２１に直列接続される抵抗（Ｒｓ）２２２は第２半導体スイッチ２１２の後段に接続される。

【0045】

このように構成されるスナバ回路２２０は、Ｂ系統２における事故発生時にはＡ系統１のインダクタンス成分１１により発生するエネルギーを消去することができ、Ａ系統１における事故発生時にはＢ系統２のインダクタンス成分２１により発生するエネルギーを消去することができる。

【0046】

例えば、Ｂ系統２の任意の線路において事故が発生して事故電流が検出されると、第１半導体スイッチ２１１のゲート回路により第１半導体スイッチがｏｆｆ状態になる。ここで、Ａ系統１のインダクタンス成分（Ｌ１）１１により発生するエネルギーが第１半導体スイッチ２１１を損傷させるという問題が生じ得る。

【0047】

よって、本発明の実施形態による固体絶縁スイッチ２００においては、コンデンサ（Ｃｓ）２２１と、抵抗（Ｒｓ）２２２とから構成されるスナバ回路２２０を第１半導体スイッチ２１１及び第２半導体スイッチ２１２と並列に備え、前述したエネルギーにより発生する電流が前記スナバ回路２２０に流れるようにする。こうすることにより、前記エネルギーは、コンデンサ（Ｃｓ）２２１の内部抵抗と抵抗（Ｒｓ）２２２において消費されるので、半導体スイッチの損傷を防ぐことができる。

【0048】

また、本発明の実施形態による固体絶縁スイッチ２００は、順方向ダイオード（Ｄｆｗ）２３１と抵抗（Ｒｆｗ）２３２が直列に接続されるフリーホイーリング回路２３０をさらに含むように構成される。

【0049】

ここで、抵抗（Ｒｆｗ）２３２の一端は回路の接点に接続され、前記順方向ダイオード（Ｄｆｗ）２３１のカソードは抵抗（Ｒｆｗ）２３２の他端に接続され、アノードは第１半導体スイッチ２１１と第２半導体スイッチ２１２間の共通接点に接続される。

【0050】

このように構成されるフリーホイーリング回路２３０は、Ｂ系統２における事故発生時にはＢ系統２のインダクタンス成分２１により発生するエネルギーを消去することができ、Ａ系統１における事故発生時にはＡ系統１のインダクタンス成分１１により発生するエネルギーを消去することができる。

【0051】

例えば、Ｂ系統２の任意の線路において事故が発生して事故電流が検出されると、第１半導体スイッチ２１１のゲート回路により第１半導体スイッチがｏｆｆ状態になり、Ｂ系統２のインダクタンス成分２１によりエネルギーが蓄積される。

【0052】

ここで、本発明の実施形態による固体絶縁スイッチ２００回路においては、前記エネルギーにより発生する電圧により流れる電流が前述したフリーホイーリング回路２３０に流れ、フリーホイーリング回路２３０の抵抗（Ｒｆｗ）２３２及びダイオード（Ｄｆｗ）２３１、並びに第２半導体スイッチ２１２の第２ダイオードにおいてエネルギーが消費される。

【0053】

また、本発明の実施形態による固体絶縁スイッチ２００は、事故電流遮断完了後の電源からの物理的絶縁を確保するために、電源側の前段と後段に並列に接続される第１エアギャップスイッチ（第１機械式スイッチ）２４０をさらに含むように構成される。

【0054】

第１半導体スイッチ２１１及び第２半導体スイッチ２１２の遮断動作後に、別途の信号又は時間遅延により第１エアギャップスイッチ２４０を開放して固体絶縁スイッチ２００の物理的絶縁を維持する。

【0055】

図３～図５は本発明の実施形態による固体絶縁スイッチ２００回路における正常状態と故障発生による具体的な動作の一例を示す図である。

【0056】

まず、図３は本発明の実施形態による固体絶縁スイッチ２００回路における正常状態の電流の流れの一例を示す図である。

【0057】

図３の回路において、Ａ系統１を電源側と仮定し、Ｂ系統２を負荷側と仮定すると、回路の電源の正極から流出した電流は、電源側のインダクタンス成分を示す第１インダクタ（Ｌ１）１１を経て、双方向通電が可能な第１半導体スイッチ２１１及び第２半導体スイッチ２１２を介して、負荷側のインダクタンス成分を示す第２インダクタ（Ｌ２）２１を経て、電源の負極に流入する正常な電流の流れを形成する。

【0058】

図４ａに示すように、Ｂ系統２の任意の地点において事故が発生すると、事故電流を検知した半導体スイッチがｔｕｒｎ－ｏｆｆし、事故電流が直ちに遮断される。

【0059】

ここで、図４ｂに示すように、第１半導体スイッチ２１１が瞬間的にｔｕｒｎ－ｏｆｆすると、Ａ系統１のインダクタ１１により正常電流の流れと同一方向のエネルギーが発生して第１半導体スイッチ２１１に流入し、半導体素子に損傷を与える。

【0060】

しかし、本発明の実施形態による固体絶縁スイッチ２００の回路においては、第１半導体スイッチ２１１に備えられる逆方向ダイオードにより、前記エネルギーによる電流は、第１半導体スイッチ２１１に向かうのではなく、第１半導体スイッチ２１１と並列に接続されるスナバ回路２２０に流れる。すなわち、前記電流は、スナバ回路２２０のコンデンサ（Ｃｓ）２２１と抵抗（Ｒｓ）２２２に流れるので、前記エネルギーは、コンデンサ（Ｃｓ）２２１の内部抵抗と抵抗（Ｒｓ）２２２により完全に消失する。

【0061】

一方、Ｂ系統２のインダクタ２１に蓄積されたエネルギーにより発生する電流は、一端は第１半導体スイッチ２１１と第２半導体スイッチ２１２間の共通接点に接続され、他端は接地に接続されるフリーホイーリング回路２３０に流れる。すなわち、前記電流は、フリーホイーリング回路２３０の抵抗（Ｒｆｗ）２３２とダイオード（Ｄｆｗ）２３１を経て、第２半導体回路２１２のダイオードに流れる。こうすることにより、前記エネルギーは、フリーホイーリング回路２３０の抵抗（Ｒｆｗ）２３２、ダイオード（Ｄｆｗ）２３１、及び第２半導体回路２１２のダイオードにおいて消失する。

【0062】

最後に、図４ｃに示す第１エアギャップスイッチ（第１機械式スイッチ）２４０を開放し、電源からの完全な物理的絶縁を行う。

【0063】

一方、図５ａ～図５ｃはＡ系統１における短絡事故発生時の固体絶縁スイッチ２２０回路における電流の流れを示す図である。この場合は、Ａ系統１が負荷側であり、Ｂ系統２が電源側である。

【0064】

図５ａに示すように、Ａ系統１の任意の地点において事故が発生すると、事故電流を検知した半導体スイッチがｔｕｒｎ－ｏｆｆし、事故電流が直ちに遮断される。

【0065】

ここで、図５ｂを参照して、電流の流れについて説明する。第２半導体スイッチ２１２が瞬間的にｔｕｒｎ－ｏｆｆすると、Ｂ系統２のインダクタンス成分（Ｌ２）２１により蓄積されたエネルギーが第２半導体スイッチ２１２に流入し、半導体素子に損傷を与える。

【0066】

しかし、第２半導体スイッチ２１２に備えられる逆方向ダイオードにより、前記エネルギーによる電流は、第２半導体スイッチ２１２に向かうのではなく、第２半導体スイッチ２１２と並列に接続されるスナバ回路２２０に流れる。すなわち、前記電流は、スナバ回路２２０の抵抗（Ｒｓ）２２２とコンデンサ（Ｃｓ）２２１に流れ、前記エネルギーは、抵抗（Ｒｓ）２２２とコンデンサ（Ｃｓ）２２１の内部抵抗により完全に消失する。

【0067】

一方、Ａ系統１のインダクタ１１に蓄積されたエネルギーにより発生する電流は、一端は第１半導体スイッチ２１１と第２半導体スイッチ２１２間の共通接点に接続され、他端は接地に接続されるフリーホイーリング回路２３０に流れる。すなわち、前記電流は、フリーホイーリング回路２３０の抵抗（Ｒｆｗ）２３２とダイオード（Ｄｆｗ）２３１を介して、第１半導体回路２１１のダイオードに流れる。

【0068】

こうすることにより、前記エネルギーは、フリーホイーリング回路２３０の抵抗（Ｒｆｗ）２３２、ダイオード（Ｄｆｗ）２３１、及び第１半導体回路２１１のダイオードを経て消失する。

【0069】

最後に、図５ｃに示す第１エアギャップスイッチ２４０を開放し、電源からの物理的絶縁を行う。

【0070】

前述したように、本発明の実施形態による固体絶縁スイッチ２００に備えられるスナバ回路２２０は、Ｂ系統２における短絡事故発生時にはＡ系統１のインダクタンス成分によるエネルギーを消去することができ、Ａ系統１における短絡事故発生時にはＢ系統２のインダクタンスによるエネルギーを消去することができる。

【0071】

また、固体絶縁スイッチ２００に備えられるフリーホイーリング回路２３０は、Ｂ系統２における短絡事故発生時にはＢ系統２のインダクタンス成分によるエネルギーを消去することができ、Ａ系統１における短絡事故発生時にはＡ系統１のインダクタンスによるエネルギーを消去することができる。

【0072】

すなわち、本発明の実施形態による固体絶縁スイッチ２００の回路構造によれば、Ａ系統１又はＢ系統２における短絡事故発生時に両側の系統のインダクタンス成分によるエネルギーを消去するために、両側にそれぞれスナバ回路とフリーホイーリング回路を別途に備えなくても、両側の系統のインダクタンス成分によるエネルギーが同時に安定して消去されるという効果がある。

【0073】

一方、図６は本発明の実施形態による固体絶縁スイッチ２００回路の両端にエアギャップスイッチ（機械式スイッチ）を備える例を示す図である。

【0074】

新再生のように電源が両方に存在する場合は、事故電流遮断後に両側の電源からの物理的絶縁を確保するために、第１エアギャップスイッチ（第１機械式スイッチ）２４０及び第２エアギャップスイッチ（第２機械式スイッチ）２４１がＡ系統１及びＢ系統２の前段及び後段にそれぞれ並列に接続されるように構成する。

【0075】

よって、第１半導体スイッチ２１１及び第２半導体スイッチ２１２の遮断動作後に、別途の信号又は時間遅延により第１エアギャップスイッチ２４０及び第２エアギャップスイッチ２４１を同時に開放して双方向の物理的絶縁を維持する。

【0076】

図７は本発明の実施形態によるアレスタをさらに備える例を示す図である。

【0077】

図７に示すように、本発明の実施形態による固体絶縁スイッチ２００は、前段はスナバ回路２２０の前段に、後段はスナバ回路２２０の後段に並列に接続されるアレスタ２５０をさらに含む。

【0078】

よって、Ｂ系統２における事故電流発生時に、Ａ系統１のインダクタンス成分により発生するエネルギーの電流がスナバ回路２２０とアレスタ２５０に分かれて流れるので、スナバ回路２２０の負担が低減される。

【0079】

また、前記アレスタ２５０は、Ａ系統１における事故電流発生時には、Ｂ系統２のインダクタンス成分により発生するエネルギーをスナバ回路２２０と共に消去する機能を果たす。

【0080】

一方、図示していないが、本発明の実施形態による固体絶縁スイッチ２００のスナバ回路２２０は、コンデンサ（Ｃｓ）２２１及び抵抗（Ｒｓ）２２２と並列に接続される第２コンデンサ及び第２抵抗をさらに含むように構成されてもよい。ここで、第２コンデンサの一端は第１半導体スイッチ２１１の前段に接続され、第２抵抗の一端は第２半導体スイッチ２１２の後段に接続される。

【0081】

こうすることにより、Ｂ系統２における事故発生時に、Ａ系統１のインダクタンス成分により発生するエネルギーによる電流がスナバ回路２２０内の２つのコンデンサと２つの抵抗にそれぞれ分けて流れる。このような回路構造により、時定数を調節して事故電流発生時のエネルギーを迅速に消去できるという利点がある。

【0082】

前述したように、本発明による固体絶縁スイッチは、半導体スイッチ素子を用いて双方向の事故電流を遮断すると共に、遮断時に両側の系統のインダクタンスによるエネルギーを同時に安定して消去して半導体スイッチを保護するためのスナバ回路及びフリーホイーリング回路を含むように構成される。

【0083】

また、前述したスナバ回路及びフリーホイーリング回路は、モジュールの形態で構成され、固体絶縁スイッチの付属装置として構成される。すなわち、系統のインダクタンスの状況に応じて、固体絶縁スイッチ回路にモジュールの形態で追加装着又は組み合わせが可能であることは当業者にとって明らかである。

【0084】

前述した実施形態は本発明を実現する実施形態であり、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者であれば、本発明の本質的な特性から逸脱しない範囲で様々な変更及び変形を行うことができるであろう。よって、本発明に開示される実施形態は、本発明の技術思想を説明するためのものであり、これらの実施形態に本発明が限定されるものではない。すなわち、本発明の保護範囲は請求の範囲により解釈されるべきであり、それと均等の範囲内のあらゆる技術思想が本発明に含まれるものと解釈されるべきである。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4a】

【図4b】

【図4c】

【図5a】

【図5b】

【図5c】

【図6】

【図7】