(57)【要約】【課題】電流が双方向に流れる直流回路に適用して電流を安全，確実に遮断できる双方向の電流遮断機能を備えた直流回路用の回路遮断スイッチを提供する。【解決手段】直流配線路５に接続した機械式スイッチ7に半導体スイッチを並列接続して回路電流を遮断する回路遮断スイッチにおいて、前記半導体スイッチを、逆直列接続した半導体スイッチング素子ＩＧＢＴ-1，ＩＧＢＴ-2と、各個のＩＧＢＴ-1，ＩＧＢＴ-2に逆並列したダイオードD1，D2とからなる双方向のスイッチ回路９で構成し、機械式スイッチ７の開極動作時に回路電流を前記スイッチ回路９に転流した上で、ＩＧＢＴ-1，ＩＧＢＴ-2をＯＦＦ制御することにより、直流配線路５の通電方向に制約されることなく双方向の回路電流を遮断できるようにする。【選択図】図１
2014038775.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流回路に接続した機械式スイッチに半導体スイッチを並列接続し、直流回路の断路時に回路電流を機械式スイッチから半導体スイッチに転流して遮断するようにした直流回路用の回路遮断スイッチにおいて、
前記半導体スイッチを、逆直列接続した２個の半導体スイッチング素子と、各半導体スイッチング素子に逆並列接続したダイオードとからなる双方向のスイッチ回路で構成したことを特徴とする直流回路用の回路遮断スイッチ。
【請求項２】
請求項１に記載の回路遮断スイッチにおいて、半導体スイッチング素子がＩＧＢＴ，ＭＯＳ−ＦＥＴ，ＧＴＯサイリスタなどの自己消弧能力のあるパワー半導体スイッチング素子であることを特徴とする直流回路用の回路遮断スイッチ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直流無停電給電システムなどの直流回路に適用する回路遮断スイッチに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年になり、直流電源から需要負荷に直流電力を供給する直流給電システムが展開されるようになってきているが、この直流給電システムに適用する回路遮断スイッチには、その開閉動作に伴って接点間に発生するアークの消弧対策が課題となっている。
【０００３】
すなわち、直流回路に通常の接点を備えた機械式スイッチを適用した場合、スイッチの開閉動作に伴ってその接点間に発生した直流アークが消弧しにくいことから、従来から様々なアーク消去方式が提案されており、その一つに機械式スイッチの接点間に半導体スイッチを並列接続し、機械式スイッチの開閉動作時に電流を半導体スイッチに転流させて機械式スイッチの接点間に生じたアークを素早く消滅させた上で、この半導体スイッチをＯＦＦ制御して電流を遮断するようにした「機械式スイッチの接点間アークの消去装置」（特許文献１参照）が知られており、次にその回路遮断スイッチの構成を図３に示す。
【０００４】
この回路遮断スイッチは、図示のように直流電源と負荷との間に接続された機械式スイッチ（機械接点）と、この機械式スイッチの接点間に発生するアークを消去するために並列接続された半導体スイッチ（ＩＧＢＴなどの半導体スイッチング素子）と、この半導体スイッチをＯＮ、ＯＦＦする制御回路，電源回路などで構成されている。
【０００５】
そして、直流電源から負荷に給電している通電状態では、機械式スイッチの接点を閉極し、半導体スイッチはＯＦＦ状態とする。これにより、回路電流は機械式スイッチの接点を通じて負荷に通流する。一方、回路の断路時には、まず半導体スイッチをON制御し、続いて機械式スイッチの接点を開極させる。これにより、機械式スイッチの接点にいままで流れていた電流は、接点の開極動作開始と同時に半導体スイッチ側へ転流して機械式スイッチの接点間に生じたアークが即時に消滅する。その後、半導体スイッチをOFF制御することにより、半導体スイッチに流れていた電流も遮断されて回路電流が遮断される。
【０００６】
上記の回路遮断スイッチによれば、機械式スイッチにアーク消滅のための付加的な消弧装置を設けることが不要となる。さらに、半導体スイッチにおいても常時は通電ＯＦＦで、電流遮断時のごく短時間のみ電流を通電させるため、過渡な温度上昇の問題もなく、これにより直流の回路電流を安全，確実に遮断することが可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平８−１０６８３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、先記した特許文献１の回路遮断スイッチにおいては、半導体スイッチで遮断する電流の通流方向は一方向に決まっているため、双方向に流れる回路電流を遮断することは不可能である。
【０００９】
一方、図４で示すように、直流電源１と負荷２との間の給電線路３から分岐して二次電池などの蓄電装置４に通じる直流配線路５を接続し、平時は直流電源１から負荷２に給電しながら蓄電装置４を浮動充電し、直流電源１が停止した非常時には蓄電装置４から負荷２への給電を継続して行うようにした直流無停電給電システムにおいては、蓄電装置４の浮動充電時に直流配線路５に流れる電流（実線矢印）と放電時に流れる電流（点線矢印）とが逆向きになる。したがって、蓄電装置４に通じる直流配線路５に接続した回路遮断スイッチ６には双方向の電流遮断機能が必要となる。そのほか、太陽光発電などの分散型直流電源の系統連係で電力の逆潮流を行う直流回路に適用する回路遮断スイッチについても、前記と同様な双方向の電流遮断機能が必要である。
【００１０】
しかしながら、先記した特許文献１の回路遮断スイッチ（図３参照）は双方向の電流遮断が不可能であるため、このままでは図４に示した直流無停電給電システムのように回路電流の通流方向が反転するような直流回路には適用できないといった問題がある。
【００１１】
本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、その目的は機械式スイッチに半導体スイッチを組み合わせた直流回路用の回路遮断スイッチについて、機械式スイッチに簡易な半導体スイッチ回路を組み合わせて双方向の電流遮断機能を持たせるようにした回路遮断スイッチを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明によれば、直流回路に接続した機械式スイッチに半導体スイッチを並列接続し、回路の断路時に回路電流を機械式スイッチから半導体スイッチに転流して遮断するようにした直流回路用の回路遮断スイッチにおいて、
前記半導体スイッチを、逆直列接続した２個の半導体スイッチング素子と、各半導体スイッチング素子に逆並列接続したダイオードとからなる双方向のスイッチ回路で構成する（請求項１）。
【００１３】
ここで、前記半導体スイッチの半導体スイッチング素子は、ＩＧＢＴ，ＭＯＳ−ＦＥＴ，ＧＴＯサイリスタなどの自己消弧能力のあるパワー半導体スイッチング素子である（請求項２）。
【発明の効果】
【００１４】
前記構成の回路遮断スイッチによれば、機械式スイッチの開閉時に回路電流を機械式スイッチから半導体スイッチ回路に転流してそのパワー半導体スイッチング素子をＯＦＦ制御することにより、回路電流の通流方向に制約されることなく双方向の電流を遮断することができる。
【００１５】
したがって、この回路遮断スイッチを、直流電源と負荷との間に二次電池などの蓄電装置を分岐接続して負荷への給電を行う直流無停電給電システム、あるいは分散型直流電源の間で電力の逆潮流を行う直流回路などに適用することで、機械式スイッチの開閉動作時にその接点間に発生した直流アークを素早く消去して双方向の電流を安全，確実に遮断することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施例による回路遮断スイッチの回路図である。
【図２】本発明の応用実施例を示す回路遮断スイッチの回路図である。
【図３】従来技術として特許文献１に開示されている回路遮断スイッチの構成図である。
【図４】本発明の回路遮断スイッチを適用する直流無停電給電システムの略示回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態を図１，図２に示す実施例に基づいて説明する。なお、図示実施例の回路遮断スイッチは、例えば図４の直流無停電給電システムにおいて蓄電装置４に通じる直流配線路５に接続した回路遮断スイッチ６として適用するものである。
【実施例１】
【００１８】
図１において、回路遮断スイッチ６は、前記直流無停電システムの直流配線路５に接続した機械式スイッチ７と、該機械式スイッチ７に補助接点８を介して並列接続した半導体スイッチ回路９とから構成されている。
【００１９】
ここで、図示の機械式スイッチ７は、例えば橋絡形の可動接点７ａと固定接点７ｂからなる両切り式スイッチ（２接点）であるが、片切り式スイッチ（１接点）を用いてもよい。また、該機械式スイッチ７は、リレーのような電気的な指令を受けて開閉動作する方式のほか、手動あるいは回路の故障電流を検知して開閉動作する方式のものであってもよい。
【００２０】
一方、半導体スイッチ回路９は、ＩＧＢＴ，ＭＯＳ−ＦＥＴ，ＧＴＯサイリスタなどの自己消弧能力があるパワー半導体スイッチング素子ＩＧＢＴ-1とＩＧＢＴ-2（図示実施例はＩＧＢＴを採用しており、以下「パワー半導体スイッチング素子」を「ＩＧＢＴ」と呼称する）を逆直列に接続し、さらに各ＩＧＢＴ-1，ＩＧＢＴ-2にはダイオードD1，D2をそれぞれ逆並列接続した双方向スイッチ回路で構成されている。
【００２１】
なお、この実施例の双方向スイッチ回路では、ＩＧＢＴ-1とＩＧＢＴ-2のエミッタ同士を接続するとともに、ＩＧＢＴ-1のコレクタは機械式スイッチ７の一方の接点に接続し、ＩＧＢＴ-2のコレクタは補助接点８を介して機械式スイッチ７の他方の接点に接続し、ダイオードD1，D2はアノード，カソードをそれぞれＩＧＢＴ-1，ＩＧＢＴ-2に逆並列接続している。また、ＩＧＢＴ-1，ＩＧＢＴ-2のゲートに共通な制御回路１０を接続してＯＮ，ＯＦＦ制御するようにしている。
【００２２】
上記の構成になる回路遮断スイッチにおいて、機械式スイッチ７の開極動作時に回路電流を前記の双方向スイッチ回路で構成した半導体スイッチ回路９に転流させた状態では、図中の実線矢印，点線矢印で表すように、機械式スイッチ７に通流していた電流の方向に制約されることなく、電流はＧＢＴ-1，ＩＧＢＴ-2，およびダイオードD1，D2の順方向経路を通流するので、この転流状態で制御回路１０からＩＧＢＴ-1，ＩＧＢＴ-2に制御信号を与えてＩＧＢＴをＯＦＦ制御することで、直流配線路５に通電している双方向の電流遮断が可能である。
【００２３】
次に前記構成による回路遮断スイッチ６の動作を詳細に説明する。まず、回路遮断スイッチ６を投入（ＯＮ）した通常の通電状態では機械式スイッチ７の可動接点７ａが閉極している。この場合に、ＩＧＢＴはＯＮ，ＯＦＦいずれの動作状態であってもよく、補助接点８が閉極していてもＩＧＢＴ-1，ＩＧＢＴ-2およびダイオードD1，D2のオン電圧（約２Ｖ×２＝４Ｖ）により半導体スイッチ回路に電流が通流することはない。
【００２４】
また、回路遮断スイッチ６を投入して回路に通電する際の操作手順として、機械式スイッチ７を先に閉極するか、あるいは半導体スイッチ回路９のＩＧＢＴを先にＯＮ制御して機械式スイッチ７の接点を後から閉極してもよい。但し、ＩＧＢＴを先にＯＮとする場合には、通電によるＩＧＢＴの素子温度の上昇を考慮して、ＩＧＢＴのＯＮ動作から機械式スイッチ７の投入動作までの時間を出来るだけ短くすることが望ましい。
【００２５】
一方、回路遮断スイッチ６を遮断して直流線路５に流れている回路電流を遮断する場合には、機械式スイッチ７の開極に先立って、半導体スイッチ回路９におけるＩＧＢＴをＯＮ制御しておくことが好ましい。すなわち、機械式スイッチ７の可動接点７ａを先に開極し、ＩＧＢＴを後からＯＮ制御すると、機械式スイッチ７の可動接点７ａが開極してからＩＧＢＴがＯＮ動作するまでの間、機械式スイッチ７の接点間（固定接点と可動接点の間）にアークａｒｃが発生し続けて接点の消耗が早く進行する。なお、この場合に、接点間のアーク電圧は接点材料と電極ギャップにより決まり、開極動作開始の初期では１接点当り約１５Ｖ程度のアーク電圧が発生し、図示実施例の両切り接点（２接点）の場合は約１５Ｖ×２＝３０Ｖのアーク電圧が発生する。その後、可動接点７ａの開極距離増加とともにアーク電圧が上昇し、このアーク電圧がＩＧＢＴ-1，ＩＧＢＴ-2およびダイオードD1，D2のオン電圧を超えると、回路電流が機械式スイッチ７から半導体スイッチ回路９に転流して機械式スイッチ７の接点間にいままで生じていたアークａｒｃは消滅する。そして、電流が半導体スイッチ回路９に転流した後、ＩＧＢＴ-1，ＩＧＢＴ-2をＯＦＦ制御すると、直流配線路５に流れていた電流が遮断される。なお、図示実施例のように、半導体スイッチ回路を経由する転流回路側に補助接点８を設け、ＩＧＢＴ-1，ＩＧＢＴ-2のＯＦＦ制御後に補助接点８を開極すれば、ＯＦＦ状態のＩＧＢＴを経由して流れる漏れ電流を遮断することが可能となる。
【実施例２】
【００２６】
次に、先記実施例１の応用実施例の回路図を図２に示す。すなわち、半導体スイッチ回路９において、この実施例では逆直列接続したＩＧＢＴ-1，ＩＧＢＴ-2の極性を逆にして各ＩＧＢＴにダイオードD1，D2を逆並列接続している。
【００２７】
この回路構成でも、図中の実線矢印，点線矢印で表すように、直流配線路５に流れる双方向の電流を機械式スイッチ７から半導体スイッチ回路９に転流させて遮断することが可能である。
【００２８】
但し、半導体スイッチ回路９のＩＧＢＴがＯＦＦ状態では、ＩＧＢＴ-1のエミッタ端子とＩＧＢＴ-2のエミッタ端子の間に直流電源，もしくは蓄電池（図４参照）の電圧が印加されることになるため、各ＩＧＢＴ-1，ＩＧＢＴ-2をＯＮ，ＯＦＦ制御する制御回路については、図示のように制御回路１０-1，１０-2に分けてその相互間を電気的に絶縁するようにする必要がある。
【００２９】
なお、実施例１，実施例２における双方向の半導体スイッチ回路９を構成するに際して、パッケージにＩＧＢＴ，ＭＯＳＦＥＴなどのパワー半導体スイッチング素子とフリーホィールダイオード（ＦＷＤ）を内蔵した市販のパワー半導体モジュールを用い、そのモジュールの相互間を配線することで簡単に双方向のスイッチ回路を構築することができる。
【符号の説明】
【００３０】
１    直流電源
２    負荷
４    蓄電装置
５    直流配線路
６    回路遮断スイッチ
７    機械式スイッチ
８    補助接点
９    双方向の半導体スイッチ回路
ＩＧＢＴ-1，ＩＧＢＴ-2  パワー半導体スイッチング素子（ＩＧＢＴ）
D1，D2  ダイオード
【図１】
2014038775.tif 000003
【図２】
2014038775.tif 000004
【図３】
2014038775.tif 000005
【図４】
2014038775.tif 000006