(57)【要約】【課題】バリスタ等の非線形素子やスイッチの選定範囲を拡大することで、スイッチの過剰仕様等を防ぐことができる過電圧抑制回路を提供する。【解決手段】電源と負荷とを接続する主回路の主スイッチの過電圧を抑制する過電圧抑制回路であって、前記主スイッチに並列接続された非線形素子と、前記非線形素子に直列接続された補助スイッチとを備え、前記補助スイッチが、前記主スイッチのターンオフに連動してターンオフし、前記主スイッチのターンオンに連動してターンオンするように構成された過電圧抑制回路である。【選択図】図１
2020030967.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源と負荷とを接続する主回路の主スイッチの過電圧を抑制する過電圧抑制回路であって、
前記主スイッチに並列接続された非線形素子と、
前記非線形素子に直列接続された補助スイッチとを備え、
前記補助スイッチが、前記主スイッチのターンオフに連動してターンオフし、前記主スイッチのターンオンに連動してターンオンするように構成された過電圧抑制回路。
【請求項２】
前記補助スイッチが、前記主スイッチのターンオフから遅れたタイミングでターンオフするように構成された請求項１記載の過電圧抑制回路。
【請求項３】
前記主スイッチをターンオフした後、前記非線形素子に流れる電流又は前記非線形素子に発生した電圧が所定値以下になったタイミングで前記スイッチがターンオフするように構成された請求項２記載の過電圧抑制回路。
【請求項４】
前記補助スイッチが、前記主スイッチのターンオンと同時のタイミング又は前記主スイッチのターンオンから遅れたタイミングでターンオンするように構成された請求項１〜３のいずれか記載の過電圧抑制回路。
【請求項５】
前記主スイッチに並列接続され、かつ前記非線形素子の正側に直列接続され、その順方向が前記非線形素子を向くダイオードと、該ダイオードに並列接続された抵抗器とをさらに備える、請求項１〜４のいずれか記載の過電圧抑制回路。
【請求項６】
電源と負荷とを接続する主回路の主スイッチと、
前記主スイッチの過電圧を抑制する過電圧抑制回路であって、
前記過電圧抑制回路が、
前記主スイッチに並列接続された非線形素子と、
前記非線形素子に直列接続された補助スイッチとを備え、
前記補助スイッチが、前記主スイッチのターンオフに連動してターンオフし、前記主スイッチのターンオンに連動してターンオンするように構成された直流遮断装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、過電圧抑制回路及びこの過電圧抑制回路を用いた直流遮断装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の過電圧抑制回路としては、特許文献１に示すように、電源と負荷とを接続する主回路に設けられたスイッチを過電圧から保護するものがある。具体的にこの過電圧抑制回路は、スイッチに並列接続されたサージアブソーバたるバリスタを備えており、スイッチをオフすることにより生じる過電圧をバリスタが吸収するように構成されている。
【０００３】
ところで、一般にバリスタ等の非線形素子の特性として、長時間連続的に印加（使用）できる最大の電圧である最大許容回路電圧Ｖ１と、サージ電圧を吸収して、ある程度低い電圧までサージ電圧を下げることができる最大の電圧である最大制限電圧Ｖ２との間に、Ｖ１×２＜Ｖ２といった関係があることが知られている。
【０００４】
このことから、例えば、主回路の回路電圧が７００Ｖであったとすると、この主回路に設けられたスイッチを過電圧から保護しようとする場合、バリスタとしては、まず最大許容回路電圧Ｖ１が７００Ｖより高いものを選定する必要がある。これにより、バリスタの最大制限電圧Ｖ２は１４００Ｖよりも高くなるので、スイッチとしては定格電圧が最大制限電圧Ｖ２よりも高い、例えば定格電圧が１７００Ｖ程度のものを選定する必要がある。その結果、スイッチの定格電圧は、主回路の回路電圧７００Ｖよりも過大となり、スイッチが過剰仕様となる。
【０００５】
一方、スイッチとして定格電圧が低いものを用いると、バリスタとして最大制限電圧Ｖ２が低いものを選定することとなり、バリスタの最大許容回路電圧Ｖ１が低くなる。その結果、バリスタの最大許容回路電圧Ｖ１が主回路の回路電圧を下回る場合には、バリスタが過熱等により破壊されてしまう。
【０００６】
このように、スイッチの定格電圧を下げようとすることと、回路電圧に対するバリスタの使用を担保しようとすることとは相反する関係にある。従って、スイッチやバリスタの選定範囲は制約されてしまい、スイッチの過剰仕様などによるコストの増大を招来する恐れがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１０−２３８３９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
そこで本発明は、上記問題点を解決すべくなされたものであり、バリスタ等の非線形素子やスイッチの選定範囲を拡大することで、スイッチの過剰仕様等を防ぐことをその主たる課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
すなわち本発明に係る過電圧抑制回路は、電源と負荷とを接続する主回路の主スイッチの過電圧を抑制する過電圧抑制回路であって、前記主スイッチに並列接続された非線形素子と、前記非線形素子に直列接続された補助スイッチとを備え、前記補助スイッチが、前記主スイッチのターンオフに連動してターンオフし、前記主スイッチのターンオンに連動してターンオンするように構成されていることを特徴とする。
【００１０】
このように構成された過電圧抑制回路によれば、主スイッチのターンオフに連動して補助スイッチもターンオフするので、主スイッチのオフ時において主回路の回路電圧が非線形素子に連続的に印加され続けることがない。
一方で主スイッチのターンオンに連動して補助スイッチがターンオンするので、補助スイッチのオン時には主スイッチが導通しており、これに並列接続された非線形素子に主回路の回路電圧が連続的に印加され続けることがない。
【００１１】
このように本発明の過電圧抑制回路によれば、主スイッチのオン時及びオフ時のいずれにおいても、主回路の回路電圧が非線形素子に連続的に印加され続けることがないので、非線形素子の最大許容回路電圧を主回路の回路電圧よりも大きくする必要がない。これにより、非線形素子の選定において、最大許容回路電圧の制約が緩和されるので、非線形素子の選定範囲を拡大することができる。そのため、非線形素子として最大制限電圧が低いものを用いることで、主スイッチとしても定格電圧が低いものを選定することができ、主スイッチの過剰仕様を防ぐことができる。
【００１２】
主スイッチをターンオフすることにより生じる過電圧を非線形素子によって確実に吸収するためには、前記補助スイッチが前記主スイッチのターンオフから遅れたタイミングでターンオフするように構成すればよい。
【００１３】
補助スイッチをターンオフすることにより生じる過電圧を小さくするには、前記主スイッチをターンオフした後、前記非線形素子に流れる電流又は前記非線形素子に発生した電圧が所定値以下になったタイミングで前記スイッチがターンオフするように構成されることが好ましい。
【００１４】
主スイッチのターンオン動作時において非線形素子に主回路の回路電圧が常に印加されないようにするには、前記補助スイッチが、前記主スイッチのターンオンと同時のタイミング又は前記主スイッチのターンオンから遅れたタイミングでターンオンするように構成されていればよい。
【００１５】
ところで、オフ状態にある補助スイッチをオンすると、非線形素子の静電容量に蓄積された静電エネルギが放電され、主スイッチの定格を上回る突入電流が発生する恐れがある。
そこで、前記主スイッチに並列接続され、かつ前記非線形素子の正側に直列接続され、その順方向が前記非線形素子を向くダイオードと、該ダイオードに並列接続された抵抗器とをさらに備えることが好ましい。
このような構成であれば、補助スイッチをオンすることにより生じる放電電流にとってダイオードは逆バイアスとなるため、当該放電電流は抵抗器に流れて消費される。これにより、補助スイッチをオンする際に主スイッチに定格を上回る突入電流が流れ込むことを防ぐことができる。
【００１６】
また本発明に係る直流遮断装置は、電源と負荷とを接続する主回路の主スイッチと、前記主スイッチの過電圧を抑制する過電圧抑制回路であって、前記過電圧抑制回路が、前記主スイッチに並列接続された非線形素子と、前記非線形素子に直列接続された補助スイッチとを備え、前記補助スイッチが、前記主スイッチのターンオフに連動してターンオフし、前記主スイッチのターンオンに連動してターンオンするように構成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
このように構成した本発明によれば、バリスタ等の非線形素子やスイッチの選定範囲を拡大することで、スイッチの過剰仕様等を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本実施形態の直流遮断装置の回路構成を模式的に示す図。
【図２】同実施形態の直流遮断装置の動作を説明するためのフローチャート。
【図３】同実施形態の直流遮断装置の遮断時の電圧及び電流の時間変化を概略的に示すグラフ。
【図４】同実施形態の直流遮断装置の閉路時の電圧及び電流の時間変化を概略的に示すグラフ。
【図５】他の実施形態の直流遮断装置の回路構成を模式的に示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下に、本発明に係る過電圧抑制回路を有する直流遮断装置の一実施形態について、図面を参照して説明する。
【００２０】
＜直流遮断装置の構成＞
本実施形態の直流遮断装置１００は、図１に示すように、直流電源等の電源２００と負荷（不図示）とを接続する主回路３００に設けられ、負荷への直流電力の供給及び遮断を切り替えるものである。
【００２１】
具体的にこの直流遮断装置１００は、直流電力の供給及び遮断を切り替える主スイッチ１０１と、主スイッチ１０１に対して並列に設けられた過電圧抑制回路１０２とを具備している。
【００２２】
主スイッチ１０１は、電源２００と負荷とを接続する主回路３００に設けられた例えば半導体スイッチ素子等の遮断器であり、図示しない制御装置により制御されるゲート駆動回路によって開閉駆動される。主回路３００における主スイッチ１０１の両側（正側及び負側）には、ラインスイッチＳＷ等の開閉スイッチが設けられている。
【００２３】
過電圧抑制回路１０２は、主スイッチ１０１の遮断時に生じる過電圧を抑制するものである。具体的には、転流回路部１０及び過電流抑制回路部２０を備えている。
【００２４】
転流回路部１０は、主スイッチ１０１に対して並列接続され、且つ互いに直列接続された補助スイッチ１１と、非線形素子１２を有している。補助スイッチ１１は、例えば半導体スイッチである。非線形素子１２は、印加された電圧と当該素子に流れる電流とが比例しない素子であり、例えばＺｎＯなどのセラミックスを用いて構成されたバリスタである。以下、説明の便宜上、非線形素子１２をバリスタ１２ともいう。
なお、補助スイッチ１１及びバリスタ１２は、上述したラインスイッチＳＷに対しては直列接続されており、ここでは補助スイッチ１１がバリスタ１２の正側に配置されている。補助スイッチ１１がバリスタ１２の負側に配置されていてもよい。
【００２５】
過電流抑制回路部２０は、再閉路時に生じる過電流を抑制するものである。
具体的にこの過電流抑制回路部２０は、主スイッチ１０１に並列接続され、且つ、バリスタ１２に直列接続され、その順方向がバリスタ１２を向くダイオード２１と、ダイオード２１に並列接続された抵抗器２２とを有している。
なお、この過電流抑制回路部２０は受動素子のみから構成されている。
【００２６】
しかして本実施形態の過電圧抑制回路１０２は、補助スイッチ１１が、主スイッチ１０１のターンオフに連動してターンオフし、主スイッチ１０１のターンオンに連動してターンオンするように構成されている。
【００２７】
主スイッチ１０１のターンオフ時において、補助スイッチ１１は、主スイッチ１０１のターンオフから遅れたタイミングでターンオフするように構成されている。より具体的には、主スイッチ１０１をターンオフした後、転流回路部１０に転流された電流の値が所定値以下（例えば零電流又は零電流付近）になったタイミングで補助スイッチ１１がターンオフするように構成されている。
なお、主スイッチ１０１をターンオフした後、バリスタ１２に流れる電流の値が所定値以下になったタイミング、あるいは主スイッチ１０１をターンオフした後、所定時間経過後に補助スイッチ１１がターンオフするように構成してもよい。
【００２８】
主スイッチ１０１のターンオン時において、補助スイッチ１１は、主スイッチ１０１のターンオンから遅れたタイミングでターンオンするように構成されている。より具体的には、主スイッチ１０１をターンオンした後、所定時間経過後に補助スイッチ１１がターンオンするように構成されている。
なお、補助スイッチ１１は、主スイッチ１０１のターンオンと同時のタイミングでターンオンするように構成されていてもよい。また、主スイッチ１０１をターンオンした後、主スイッチ１０１の両端電圧が所定値以下になったタイミングで、補助スイッチ１１をターンオンするように構成してもよい。
【００２９】
＜直流遮断装置１００の動作＞
続いて、本実施形態の直流遮断装置１００の動作について、図２〜図４を参照して説明する。
【００３０】
まず、主スイッチ１０１及び補助スイッチ１１がオンしており、電源２００からの電力を負荷に供給している状態において、電流検出器（不図示）によって例えば負荷の短絡等により生じる過電流を検出する（ステップＳ１）。
【００３１】
過電流が検出された場合、制御装置（不図示）が主スイッチ１０１をターンオフ（遮断）する（ステップＳ２）。これにより、主スイッチ１０１の遮断時において主回路３００を構成する配電線のインピーダンスＬ（図１参照）に起因した過電圧が生じ、遮断電流Ｉｓがバリスタ１２に流れ込む（転流する）。つまり、主スイッチ１０１のターンオフ時において生じる過電圧はバリスタ１２によって吸収される。
【００３２】
ここで、バリスタ１２の選定において、主スイッチ１０１の遮断により生じる遮断電流Ｉｓが流れることにより発生する電圧Ｖが主スイッチ１０１の定格電圧Ｖｘよりも低くなるように、バリスタ１２を選定している。
逆に言えば、主スイッチ１０１の選定においては、選定したバリスタ１２に遮断電流Ｉｓが流れることにより発生する電圧Ｖａよりも定格電圧Ｖｘが高くなるように、主スイッチ１０１を選定すればよい。
【００３３】
主スイッチ１０１のターンオフにより生じる過電圧がバリスタ１２によって吸収された後は、バリスタ１２には主回路３００の電源２００からの印加電圧Ｖｙ（以下、回路電圧Ｖｙという）による電流が流れることになる。ここでは図３に示すように、この電流が零電流又は零電流付近になるような電圧特性を有するバリスタ１２を選定している。
【００３４】
その後、バリスタ１２に流れる電流が零電流又は零電流付近になった状態において、補助スイッチ１１をターンオフすることで（ステップＳ３）、過電圧を発生させることなく、主回路３００の遮断動作が完了する。ここでは、主スイッチ１０１のターンオフから所定時間経過後、補助スイッチ１１をターンオフするようにしている。
なお、保守などによる主スイッチ１０１の切り離しを行うべく、補助スイッチ１１をオフした後にラインスイッチＳＷをオフにしてもよい。
【００３５】
一方、主回路３００が遮断されている状態において、制御装置（不図示）が電力供給の開始を示す供給開始信号を取得すると（ステップＳ４）、当該制御装置は、主スイッチ１０１をターンオン（閉路）し（ステップＳ５）、それから所定時間経過後に補助スイッチ１１をターンオンする（ステップＳ６）。なお、このときラインスイッチＳＷは予めオンされている状態である。
【００３６】
上記ステップＳ６において補助スイッチ１１をターンオンする際、バリスタ１２を構成する図示しない静電容量に蓄積された静電エネルギが放電される。そこで本実施形態では、過電流抑制回路部２０によって補助スイッチ１１をオンする際に生じる過電流が主スイッチ１０１に流れ込むことを抑制するようにしてある。
具体的には、過電流抑制回路を構成するダイオード２１が、補助スイッチ１１をオンすることにより生じる放電電流にとって逆バイアスとなるため、当該放電電流は、過電流抑制回路の抵抗器２２に流れて消費される。
【００３７】
＜本実施形態の効果＞
このように構成された直流遮断装置１００によれば、補助スイッチ１１が、主スイッチ１０１のターンオフに連動してターンオフし、主スイッチ１０１のターンオンに連動してターンオンするように構成されているので、主スイッチ１０１のオン時及びオフ時のいずれにおいても、主回路３００の回路電圧がバリスタ１２に長時間印加され続けることがない。従って、バリスタ１２の最大許容回路電圧を回路電圧よりも大きくする必要がなく、バリスタ１２の選定において最大許容回路電圧の制約が緩和されるので、これらのバリスタ１２の選定範囲を拡大することができる。
【００３８】
また、主スイッチ１０１を遮断することにより生じる過電圧を、バリスタ１２を用いて吸収しているので、主スイッチ１０１としてはバリスタ１２の最大制限電圧よりも定格電圧が高いものであればよく、主スイッチ１０１の過剰仕様を避けることができる。
【００３９】
さらに、過電流抑制回路部２０を構成する抵抗器２２によって、補助スイッチ１１をオンすることにより生じる放電電流が消費されるので、補助スイッチ１１をオンする際において、主スイッチ１０１に定格を上回る突入電流が流れ込むことを防ぐことができる。
【００４０】
＜他の実施形態＞
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。
【００４１】
例えば、前記実施形態の過電圧抑制回路１０２は、主スイッチ１０１に並列接続されたものであって、補助スイッチ１１がバリスタ１２に直列接続されるものであったがこれに限らない。他の実施形態の過電圧抑制回路１０２は、図５に示すように、補助スイッチ１１が主スイッチ１０１及びバリスタ１２の両方に直列接続されるように設けられてもよい。
【００４２】
非線形素子１２としては、酸化亜鉛バリスタに限らず、例えば一対のツェナーダイオードを向かい合わせたものや、その他の構成のものを用いてもよい。
【００４３】
主スイッチ１０１及び補助スイッチ１１は、半導体スイッチに限らず、機械式のスイッチでもよい。
【００４４】
また、過電圧抑制回路１０２としては、必ずしも過電流抑制回路部２０を備えていなくてもよい。
【００４５】
その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。
【符号の説明】
【００４６】
１００・・・直流遮断装置
２００・・・電源
３００・・・主回路
１０１・・・主スイッチ
１０２・・・過電圧抑制回路
ＳＷ  ・・・ラインスイッチ
１０  ・・・転流回路部
１１  ・・・補助スイッチ
１２  ・・・バリスタ（非線形素子）
２０  ・・・過電流抑制回路部
２１  ・・・ダイオード
２２  ・・・抵抗器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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