(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの電力系統に各々接続される２つの交流端子、
ダイオードと、事故電流が流れると放射光を生じるワイドギャップ半導体制御素子とを逆並列に接続した単位逆並列接続体、
前記単位逆並列接続体を２個逆直列に連結して前記２つの交流端子間に接続した直列接続体、
前記２つの交流端子間に、前記直列接続体に並列に接続された限流インピーダンス、
前記ワイドギャップ半導体制御素子に事故電流が流れたときに前記ワイドギャップ半導体制御素子が生ずる発光を検出し事故電流検出出力を出力する、受光素子内蔵の検出回路、及び
前記検出回路の事故電流検出出力に基づいて前記ワイドギャップ半導体制御素子をオン・オフ動作させる駆動回路
を具備する限流装置。
【請求項２】
２つの電力系統に各々接続される２つの交流端子、
ワイドギャップ半導体ダイオードと、事故電流が流れると放射光を生じるワイドギャップ半導体制御素子とを逆並列に接続した単位逆並列接続体、
前記単位逆並列接続体を２個逆直列に連結して前記２つの交流端子間に接続した直列接続体、
前記２つの交流端子間に、前記直列接続体に並列に接続された限流インピーダンス、
前記ワイドギャップ半導体制御素子に事故電流が流れたときに前記ワイドギャップ半導体制御素子が生ずる発光を検出し事故電流検出出力を出力する、受光素子内蔵の検出回路、及び
前記検出回路の事故電流検出出力に基づいて前記ワイドギャップ半導体制御素子をオン・オフ動作させる駆動回路
を具備する限流装置。
【請求項３】
前記ワイドギャップ半導体制御素子がシリコンカーバイド半導体を用いた発光性の制御素子であることを特徴とする請求項１又は２に記載の限流装置。
【請求項４】
前記ワイドギャップ半導体ダイオードがシリコンカーバイドダイオードであることを特徴とする請求項２に記載の限流装置。
【請求項５】
前記受光素子が半導体受光素子であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の限流装置。
【請求項６】
前記限流インピーダンスが抵抗器であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の限流装置。
【請求項７】
前記ワイドギャップ半導体制御素子がアノードゲート駆動型のＳｉＣ半導体を用いた制御素子であることを特徴とする、請求項１から３までのいずれかに記載の限流装置。
【請求項８】
前記ワイドキャップ半導体制御素子がＧａＮ半導体を用いた制御素子であることを特徴とする請求項１から３までのいずれかに記載の限流装置。
【請求項９】
前記ダイオード及びワイドギャップ半導体制御素子がそれぞれ多数個直列接続されていることを特徴とする請求項１から８までのいずれかに記載の限流装置。
【請求項１０】
前記ワイドキャップ半導体制御素子がＧａＮ半導体を用いたＧＴＯサイリスタであることを特徴とする請求項１から９までのいずれかに記載の限流装置。
【請求項１１】
前記ワイドギャップ半導体制御素子がｐ型ＳｉＣ半導体を用いたＩＧＢＴであることを特徴とする請求項１から９までのいずれかに記載の限流装置。
【請求項１２】
前記ワイドギャップ半導体制御素子がノーマリーオンＳｉＣ静電誘導型サイリスタであることを特徴とする請求項１から９までのいずれかに記載の限流装置。
【請求項１３】
前記のダイオードと前記のワイドギャップ半導体制御素子がモノリシックな単位逆並列接続体として構成されていることを特徴とする請求項１から１２までのいずれかに記載の限流装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、限流装置に関する。本発明は特に低圧、高圧、特別高圧系統から基幹系統、に至る全ての電力系統において、系統事故による過電流、変圧器やコンデンサ設備投入時のインラッシュ電流、低圧系統での負荷投入時のインラッシュ電流等を抑制する限流装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在一般に全ての電力系統において、系統事故による過電流、変圧器やコンデンサ設備投入時のインラッシュ電流、低圧系統での負荷投入時のインラッシュ電流等を抑制しするために高性能、高速、小容量、軽量な限流装置が要望されている。
従来、この種の目的のための限流装置の代表的なものとして高速機械式真空バルブとＳｉ−ＧＴＯサイリスタとの組合せで構成される複合型限流装置が開発され、文献「電気学会論文誌Ｂ、１１７巻１０号１３６０頁〜１３６７頁、１９９７年」等に開示されている。図１２の（ａ）はその主要回路構成を示す。同図に示すようにその先行例では、高速機械式真空バルブ１０３、逆並列に接続された２個のＳｉ−ＧＴＯサイリスタ１０４、１０５、スナバ回路１０６、と限流インピーダンス１０７が第１及び第２の２つの電力系統１０１と１０２間に互に並列に接続されている。
【０００３】
この先行例の複合型限流装置では、正常時は高速機械式真空バルブ１０３をオンして使用するのでインピーダンスは実用上無視できるレベルである。たとえば第２の電力系統１０２側に短絡事故１１２が発生した場合は変流器すなわち電磁式検出装置１０８ａを設けた事故検出回路１０８で事故電流を検出して制御回路１０９を作動させ、この制御回路１０９からの出力でＳｉ−ＧＴＯサイリスタ１０４、１０５をターンオンさせる。一方、高速機械式真空バルブ１０３をオフさせる指令も出させる。前記指令が出ると、高速機械式真空バルブ１０３は電磁反発力により接点を高速に開極する。その結果、高速機械式真空バルブ１０３に流れていた事故電流はＳｉ−ＧＴＯサイリスタに転流する。その後Ｓｉ−ＧＴＯサイリスタ１０４、１０５をターンオフさせると、短絡電流は限流インピーダンス１０７によって規定値に限流されて流れる。先行例の複合型限流装置はこのようにして限流動作を行うものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記の先行例の複合型限流装置は以下の問題点を有する。
【０００５】
１．機械式真空バルブ（ＶＣＢ）１０３を使用しているので装置が大きく重くなる。
【０００６】
２．開極時に高速機械式真空バルブ内でアークが発生しこのアークにより接点が焼損する。したがって繰り返し使用回数が著しく制限され寿命が短い。
【０００７】
３．高速の機械式真空バルブでも開極速度が約２５０マイクロ秒と遅いため、短絡事故発生後開極するまでに、短絡電流が図１２の（ｂ）のハッチングで示すように大きな値になって流れてしまう。したがって大電流容量にしなければならず、高速機械式真空バルブが大型大重量化し、価格も高価になる。
【０００８】
４．事故検出装置としては電磁式検出装置１０８ａが使用されるが、それは形状が大きく且つ検出時間も約１００マイクロ秒と遅く、事故を検出するまでに大きな短絡電流が流れる。
【０００９】
５．シリコン（Ｓｉ）で構成される従来のＧＴＯサイリスタは電流遮断耐量が小さい。そこで上記３、４項の原因で増大してしまう所定の大きな短絡電流を遮断するために素子を大面積にしたり、複数個並列接続したりする必要がある。このため、装置が大型大重量化する一方、大電流による発熱を防ぐために冷却設備も大型大重量化する。また、従来のＳｉ−ＧＴＯはターンオフ時間が２０マイクロ秒以上と遅く、ターンオフするまでに大きな短絡電流が流れてしまうので、それに耐える構造とするために装置が大型で重量化してしまう。
【００１０】
６．実際の電流遮断の時間には上記３、４、５項で説明した所用時間の上に、更に事故電流が高速機械式真空バルブからＳｉ−ＧＴＯサイリスタに転流する転流時間が加わる。したがって従来装置では事故電流を検出してから限流するまでに約６００マイクロ秒もの時間を要し、限流の開始が遅くなり、この間に短絡電流が大きな値になって流れてしまう。例えば、電圧６ｋＶ・電流容量４００Ａの配電系統にこの複合型限流装置を設置した場合、事故時の短絡電流は約３５００Ａに及ぶ。それゆえ正常状態では４００Ａでしか使わないのに、限流装置を構成するＳｉ−ＧＴＯサイリスタやダイオード、高速機械式真空バルブや限流インピーダンスを、事故時の短絡電流に対応できるようにするため３５００Ａの大電流容量のものにする必要があり、このため限流装置が大型且つ大重量化し価格も高価になる。
【００１１】
以上のように、従来技術には装置が大きく重く、且つ開極時の接点焼損により短寿命であるという問題に加えて、事故電流を検出してから限流するまでに要する時間（以下これを限流開始時間と呼ぶ）が長く、その結果大きな短絡電流が流れてしまうという問題がある。この結果、限流装置が大電力容量化する一方、その他の各種の系統機器（区分開閉器、柱上変圧器、碍子、電圧電流変成器）も大電流（例えば３５００Ａ）に耐えれるように大電力容量のものにせざるをえず、大型大重量化し価格も高価になってしまう。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明は機械式真空バルブ装置や電磁式事故検出装置を用いず、半導体素子を主にして構成することにより、限流装置を小型・軽量・長寿命化するとともに、事故電流が大きくなる前に遮断を完了することで全体の構成を小電力容量にすることを目的とする。
この目的を達成するために本発明の限流装置では、基本的にはダイオードと発光性のワイドギャップ半導体制御素子とを逆並列に接続した単位逆並列接続体を２つ逆直列に接続し、これに限流インピーダンスを並列接続した。そして、事故電流を検出する受光素子内蔵の検出回路とその検出出力により作動する、発光性のワイドギャップ半導体制御素子のオン・オフ用駆動回路とを具備した。このような構成により限流装置を小型軽量長寿命化した。また限流開始時間を短くして短絡電流を小さくしたことにより小電力容量にして上記の目的を達成する。
【００１３】
発光性のワイドギャップ半導体制御素子について簡単に説明する。
従来のＧＴＯなどのバイポーラ半導体素子では、オン電圧を低くして低損失にするために、接合を形成しているｐ型またはｎ型の半導体層内においてキャリアの再結合が出来るだけ生じないように構成している。すなわち各半導体層に再結合センターを出来るだけ含まないようにしている。これに対して、本発明で用いる発光性ワイドギャップ半導体制御素子では、前記従来のバイポーラ半導体素子とは異なり、半導体制御素子を形成する複数の半導体層内の少なくとも一層にある程度の再結合センターが存在するように構成している。なお、以下の説明では、簡単のため「発光性の」と言う語を省略して説明する。再結合センターは、例えばＳｉＣを用いる場合は、少なくとも１つの半導体層にアルミニュウムと窒素の原子をドープすることにより得られる。このようにすると、アルミニュウム原子が作る不純物レベルにキャリア（正孔または電子）と、窒素原子が作る不純物レベルにキャリア（正孔または電子）が再結合することにより放射光が発生する。半導体層に多数のアルミニュウム原子と窒素原子をドープして多数の再結合センターを形成すると放射光の強さは大きくなる。ただ再結合により、キャリア（正孔または電子）の流れが阻害されるのでバイポーラ素子のオン抵抗が高くなりしたがってオン電圧も高くなる。その結果バイポーラ素子の電力損失が大きくなる。そこで、放射光の強さとオン抵抗の大きさを、実用性を考慮しつつ望ましい値に設定する必要があるので、アルミニュウム原子及び窒素原子の数をそれぞれ１×１０１５〜１×１０１９ａｔｏｍ／ｃｍ３の範囲にするのが望ましいことを実験的に見出した。ＳｉＣの場合は、アルミニュウムはｐ型不純物として働き、窒素はｎ型不純物として働く。そこで、再結合センターを有する半導体層がｐ型の場合は、アルミニュウムを窒素より多くドープする必要がある。例えばアルミニュウムを１×１０２１ａｔｏｍ／ｃｍ３程度まで増加させてもよい。また再結合センターを有する半導体層がｎ型の場合は、窒素をアルミニュウムより多くドープする必要がある。例えば窒素を１×１０２１ａｔｏｍ／ｃｍ３程度まで増加させてもよい。また、再結合センターの形成は、半導層の一部分のみに極在して形成させ必要とする放射光のみを得てもよい。これにより電子や正孔の再結合を必要な放射光に相当する強度に抑えてオン抵抗の増加を防ぐことができる。
【００１４】
上記の構成の本発明の限流装置は、第１及び第２の２つの電力系統の間に直列に接続して使用される。通常時には正の半波では、第１の電力系統側と第２の電力系統側との２個のワイドギャップ半導体素子をオンさせて交流電流を、第１の電力系統側の交流端子からその側のダイオードを経て、第２系統側のワイドギャップ半導体素子から第２の電力系統側の交流端子へと流す。反対の極性の電流に対しては、第２の電力系統側の交流端子からその側のダイオードと、第１の電力系統の側のワイドギャップ半導体素子を経て第１系統側の交流端子１のルートへ流す。このため、本発明の素子は、順方向耐圧のみ有すればよく、逆方向耐圧はダイオードが担当する。したがって図１２（ａ）に示した先行例などの順逆両方向の耐圧を有する素子に比べて大幅に低損失な素子にでき、それにより交流端子１、２間にダイオードと制御素子の２素子が介在することによる損失の増大を大幅に緩和できる。ここで、逆並列接続されるダイオードは、シリコン（Ｓｉ）ダイオードでもワイドギャップ半導体ダイオードそのほかの半導体ダイオードのいずれでもよい。
【００１５】
ＳｉＣ（シリコンカーバイド）などのワイドギャップ半導体デバイスはＳｉ（シリコン）のデバイスに比べて優れた物性値を有することが知られている。すなわちＳｉ半導体素子によれば困難なレベルの高耐圧と超低損失の両方の要求を同時に実現でき、また高温動作にも耐えることができる。この結果、ＳｉＣ制御素子での電力損失が少なくできるので、発生熱を低減できるうえに、高温でも動作を維持できる。したがって冷却装置が大幅に簡略化でき小型・軽量・安価にできる。更に、電力損失が少なくできるので送電ロスも少なくできる。ＳｉＣで構成されたＳｉＣ制御素子は電流遮断耐量も大きいので、Ｓｉの場合のように所定の遮断電流を確保するために素子面積を大きくしたり複数個並列接続したりする必要がなくなり装置が更に小型軽量化できる。
【００１６】
本発明による限流装置では、事故発生、例えば第２の電力系統の側における短絡事故発生が、ワイドギャップ半導体制御素子またはワイドギャップ半導体ダイオードから発せられる放射光を受光素子を内蔵した検出回路で検出することにより検知され、きわめて短時間で短絡電流を限流する。すなわち短絡事故時には通常電流を上回る大きな短絡電流が上記のルートでワイドギャップ半導体制御素子とワイドギャップ半導体ダイオードを流れることを利用するのである。
【００１７】
発明者はＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタなどのワイドギャップ半導体制御素子またはＳｉＣダイオードなどのワイドギャップ半導体ダイオードの発光強度は通電電流の増大に瞬時的に対応して強くなるという性質を見出した。本発明の特徴は、短絡電流の発生による、ワイドギャップ半導体制御素子またはワイドギャップ半導体ダイオードの通電電流の急激な増大に伴う、発光強度の絶対値の増大または発光増加割合の増大を受光素子内蔵検出回路で瞬時に検出し用いることにある。すなわちこの検出信号を用いて駆動回路を作動させ、第１の電力系統（１０１）の側と第２の電力系統（１０２）の側との、各単位逆並列接続体中の両ワイドギャップ半導体制御素子をごく短時間にオフにさせる。こうして逆並列接続体（α、β）をごく短い時間でオフさせ、その後は短絡電流が限流インピーダンス（７）に流れるようにして限流を行う。
【００１８】
上記の受光素子での検出に要する時間は１マイクロ秒以下であるから、この検出信号を用いてワイドギャップ半導体制御素子をオフさせるまでの時間は数マイクロ秒以下にできる。したがって短絡事故発生から限流開始までのトータルの時間は約１０マイクロ秒以下と短くできる。このように短絡電流を短時間に限流できるため、流れる短絡電流を極めて少なくできる。
【００１９】
それ故ワイドギャップ半導体制御素子の短絡電流を著しく低減できる。例えば、本発明の限流装置を電圧６ｋＶで電流容量４００Ａの配電系統に適用した場合、事故時の短絡電流は理想的には回路の基本電流４００Ａに「短絡による電流３１００Ａ×短絡電流が電流の半波の継続時間６００マイクロ秒に対して占める限流開始時間１０マイクロ秒の比率」としての値である、｛４００Ａ＋３１００Ａ（１０マイクロ秒／６００マイクロ秒）｝  以下、すなわち約４５２Ａ以下に低減できる。この結果、本発明の実施例では限流装置の電力容量を大幅に低減できるとともに、従来例よりも電流遮断定格容量の小さい、例えば６００Ａ級ワイドギャップ半導体制御素子でもって、電流容量４００Ａの配電系統用の限流装置を充分な余裕をもって構成できる。このため素子や駆動回路が小型安価にでき、且つ、ワイドギャップ半導体制御素子での電力損失が少なくでき、冷却装置も大幅に小型・軽量・安価にできる。
【００２０】
当然ながら、ワイドギャップ半導体制御素子においてはオン・オフ時のアーク等による損傷が発生しないので装置を長寿命にできる。
また、本発明によれば、事故電流の検出をＳｉ（シリコン）やＧｅ（ゲルマニウム）半導体、またはＳｉＣやＧａＮ等のワイドギャップ半導体及び光導電材料等で形成した受光素子を用いて行うので、在来の電磁式事故検出装置に比べて大幅な小型軽量化が出来る。また、光による検出方式なので電気的ノイズに強いという特徴もある。
【００２１】
以上のように本発明によれば限流装置自体が大幅に小型・軽量・小電力容量・長寿命にできるだけでなく、限流装置以外の各種の系統機器（例えば区分開閉器、柱上変圧器、がいし、電圧電流変成器）も、従来ほど大電流に耐えるための大電力容量のものにする必要がなく、小型・軽量化ができ価格も低廉にできる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の幾つかの実施形態を図１〜図１１を参照しつつ説明する。
《  第１実施例  》
図１は、本発明の第１の実施例の回路図であり、この回路は電圧６ｋＶ・電流容量４００Ａの配電系統に用いることができる限流装置の例である。それぞれ第１の電力系統１０１及び第２の電力系統１０２の側の各交流端子１と２の間に、ＳｉＣダイオード３とＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ４を逆並列に接続した単位逆並列接続体αとＳｉＣダイオード５とＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ６を逆並列に接続した単位逆並列接続体βとが、互いに逆直列に接続されている。またこの逆直列接続体α＋βに限流インピーダンス７を並列接続してある。
【００２３】
更にこの限流装置の回路を流れる事故電流を検出する回路として、短絡電流発生時にＳｉＣ−ＧＴＯが発する放射光の発生、またその急増を受けて検出電圧出力を出す、受光素子を内蔵した検出回路８、９と、これら検出回路８、９の出力によりＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタのオン・オフを制御するオン・オフ駆動回路１０、１１とをＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ４、６にそれぞれ接続して、限流装置が構成されている。
【００２４】
この実施例回路のＳｉＣダイオード３、５とＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ４、６は定格順方向耐圧１２ｋＶ、定格オン電流６００Ａを有する。また限流インピ−ダンス７は両単位逆並列接続体α、βの各インピーダンスよりも大きく設定され、約５Ωである。また前記受光素子を内蔵した検出回路８、９の受光素子としてはＳｉホトダイオードを用い、前記駆動回路１０、１１はＳｉ半導体素子と通常のディスクリート型コンデンサと抵抗で構成している。
【００２５】
図１の実施例の動作は次のとうりである。すなわち、まず事故電流のない通常動作時には、駆動回路１０、１１からオン駆動信号がＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ４、６にそれぞれ送付され、それらにより各ＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ４、６をオンさせて交流電流を流している。
すなわち、第１の電力系統１０１の側から見て正のときの交流電流は、一点鎖線の矢印で示すように、
第１の電力系統１０１→第１の電力系統１０１の側の交流端子１→第１の電力系統１０１の側のＳｉＣダイオード３→第２の電力系統側のＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ６→第２の電力系統側交流端子２→第２の電力系統１０２のルートで流れる。この際、ＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ４とＳｉＣダイオード５とは上記の正方向の電流に対して逆バイアスとなるのでこれらには電流は流れない。
【００２６】
他方、第２の電力系統１０２の側の交流端子２から見て正の交流電流は破線矢印で示すように、
第２の電力系統１０２→第２の電力系統側の交流端子２→ＳｉＣダイオード５→第１の電力系統側のＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ４→第１の電力系統側の交流端子１→第１の電力系統１０１側のルートで流れる。この際、ＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ６とＳｉＣダイオード３とは上記の電流に対して逆バイアスとなるので電流は流れない。
【００２７】
次に事故発生時の動作を説明する。例えば電力系統１０２側に短絡事故１２が発生した時、第１の電力系統１０１の側から第２の電力系統１０２の側に一点鎖線で示す正の交流電流が流れている時に、第２の電力系統１０２側においてＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ６を介して短絡電流が流れる。このときＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ６から増大した発光が放射される。本実施例の場合、４００Ａの電流が流れている通常時はＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ６から放射される発光強度は約１０ｍＷであるが、短絡電流が流れて４８０Ａになると発光強度は瞬時に約１．２倍の約１２ｍＷに増大する。この急激に増大した光出力により、受光素子としてのＳｉホトダイオードを内蔵した検出回路９からは１２ｍＷに対応する大きな検出信号が駆動回路１１に送られる。この信号によりオフ駆動回路部１１が動作してオフ信号をＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ６に与え、これをオフさせる。また、波線で示す負の短絡電流が流れる時は、ＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ４から増大した発光が放射されるので、同様にして検出回路８の検出信号で駆動回路１０を動作させてＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ４をオフさせる。
【００２８】
なお、図１の回路構成にして正の短絡電流が流れた時に、ＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ６の受光素子内蔵検出回路９からの信号によって、駆動回路１０も作動させ、ＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ４をオフさせて負の短絡電流が流れないようにさせてもよい。これらの結果、短絡電流１２は両単位逆並列接続体β及びαを通って流れることが出来なくなり、このため電流は限流インピーダンス７を通って流れる。前述のとおり、限流インピーダンス７は単位逆並列接続体α、βよりも大きな所定のインピーダンスに設定してあるので、短絡電流は所定の電流値に限流されて流れる。
【００２９】
ここで、所定の電流値とは変電所の電流遮断器ＣＢがトリップする電流値（例えば１３６０Ａ、０．１秒以上継続するとトリップする。）以下のレベルであり、且つ配電系統の各所に設置されたモニタリングセンサが事故判定するのに必要な電流値に設計しておく。こうして短絡事故判定がなされる。短絡事故判定の後は、短絡事故区間のみを上記の配電系統から切り離した後、駆動回路１０、１１からオン駆動信号をＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ４、６にそれぞれ送付し、各ＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ４、６をオンさせて通常の交流電流を流す。また短絡事故が復旧したときは事故区間を再度配電系統に接続しこの区間にも所定の交流電流を供給する。
【００３０】
このような動作の本実施例は従来装置に比べて次の利点を有する。
すなわち、短絡事故時の検出をＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ４、６の発光強度の増大として受光素子内蔵の電子的検出回路８、９で検出する。この検出信号で電子回路からなる駆動回路１０、１１を作動させてＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタをオフさせ、それにより短絡電流が限流インピーダンスの方を流れるようにして限流させている。この結果、限流開始時間が短絡事故１２による短絡電流の発生から約１０マイクロ秒以下に短くできる。
【００３１】
これをやや詳細に説明すれば、短絡電流が流れてから前記発光強度が増大するまでの時間はナノ秒のレベルであり、この発光強度の増大を受光素子内蔵の検出回路８、９で検出するのに要する時間は１マイクロ秒以下である。更にこの検出回路８、９からの検出信号を用いてオン・オフ駆動回路１０、１１を動作させてＧＴＯサイリスタ４、６をオフさせるまでの時間は数マイクロ秒以下である。これには、ＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ４、６のターンオフ速度が在来のＳｉ−ＧＴＯサイリスタのターンオフ速度に比べて著しく早いことが大きく寄与している。
【００３２】
この結果、トータルの限流開始時間を約１０マイクロ秒以下にでき、この値は従来例の約１／６０以下の時間と短い。したがって、急増する短絡電流を早く限流できるため、流れる短絡電流は約４６０Ａにとどまり、従来例の約１４％と大幅に低減できる。
【００３３】
このようにＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタのターンオフが早く行われる結果、本限流装置に用いるＧＴＯサイリスタでは、電流遮断定格容量を余裕を見て６００Ａと従来例の約１７％に小さくでき、大幅に小型安価に出来る。また、短絡電流が少なくなるので短絡事故時のＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ４、６内での電力損失が少なくでき、ＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ４、６の冷却装置が小型・軽量・安価にできる。本実施例ではＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ４、６を流れる短絡電流を直接検出してそのオン・オフを制御しているので、本限流装置内の寄生容量や寄生インピーダンスがＧＴＯサイリスタ４、６に及ぼす影響も含めたうえでの、精度のよい制御ができる。
【００３４】
また、本発明においては、従来から多く用いられて来たＳｉサイリスタ及びＳｉダイオードよりも優れた物性値を有するＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ４、６とＳｉＣダイオード３、５で回路の主要部（単位逆並列接続体α、β）を構成した。それ故従来例の主要部の構成に多用されていたＳｉ−ＧＴＯでは困難だったレベルの高耐圧と超低損失、高動作速度を同時に実現でき、また高温動作にも耐えられる。この結果、本発明の実施例では、４００Ａを通電している通常時のＧＴＯサイリスタとダイオードのオン電圧は各々５．６Ｖ及び３．９Ｖであり、電力損失は約２．２４ｋＷ及び１．５６ｋＷであった。これらは従来例よりも少なくできたので、発生熱をさらに低減でき、そのうえ、ＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタは３００℃以上の高温でも動作を維持できるので冷却装置が更に大幅に小型・軽量・安価にできる。
【００３５】
ちなみに、従来技術で構成しようとする場合、１２ｋＶで使える高耐圧Ｓｉ−ＧＴＯサイリスタや高耐圧Ｓｉダイオードと言うものが存在しないので、６ｋＶ耐圧のＳｉ−ＧＴＯとＳｉダイオード素子をまず２個直列接続しさらに、その直列接続体を逆並列して、単位逆並列接続体を構成する必要があった。このような回路では２つの電力系統間の半導体回路が２直列となるので、４００Ａ通電時のオン電圧が、２つのＳｉ−ＧＴＯサイリスタで６．３Ｖ、２つのＳｉ−ダイオードで４．９Ｖとなり、電力損失はそれぞれ２．５２ｋＷ及び１．９６Ｗであった。これにくらべると本発明の実施による上記の２．２４ｋＷ及び１．５６ｋＷの電力損失は従来技術の場合にくらべて５％及び２６％小さかった。
【００３６】
本発明の装置では事故電流の検出をＳｉホトダイオードを用いて行なうので、従来の電磁式変流器を用いた事故検出装置に比べて大幅に小型軽量に出来る。すなわち、本実施例の規格の配電系統のケーブルは直径約４０ｍｍでありこのケーブルを囲むように構成する従来技術による電磁式変流器を用いると直径約７０ｍｍ、長さ約３０ｍｍ程度の形状となり、体積１１０立方センチメートル、重量８００グラム以上である。ところが本実施例ではＳｉホトダイオードを用いるので、電磁式の従来例にくらべて体積重量とも１／１０以下にでき、大幅に小型軽量に出来た。
【００３７】
更に、本発明の実施例では、限流装置以外の各種の系統機器（区分開閉器、柱上変圧器、碍子、電圧電流変成器等）も３５００Ａの大電流に耐えることができる大容量のものにする必要がなくなり、小型軽量化ができ価格も低廉にできる。
【００３８】
《  第２実施例  》
図２は、本発明の第２の実施例の回路図であり、６．６ｋＶ・４００Ａの配電系統に用いることができる限流装置である。本実施例では、ＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ２４、２６として図３に示すような断面構造をもつアノードゲート駆動型のＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタを用いる。このＧＴＯサイリスタは、ｎ型エミッタとして機能するｎ＋型のＳｉＣの基板５０の上にｐ型ＳｉＣのベース層５１、ｎ型ＳｉＣのベース層５２、ｐ型ＳｉＣのエミッタ層５３を順次積層し、基板５０の下面には金薄膜（約５μｍ厚）層のカソード電極５４を、エミッタ層５３の上には金薄膜（約５μｍ厚）層のアノード電極５５を、さらにｎ型ベース層５２の上には複数の金薄膜（約５μｍ厚）層のアノードゲート電極５６を設けてある。
【００３９】
このＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタではアノード電極５５に接続した端子１１４からアノードゲート電極５６、５６に接続した端子１１５、１１５に駆動電流を流すことによりＧＴＯ−サイリスタをオンさせる。また、オンした後は、ゲートＧにアノードＡよりも高い電圧を与えることにより、アノード電極５５とカソード電極５４の間を流れている電流を、アノードゲート電極５６からカソード電極５４へと迂回させることによりオフにさせる。
【００４０】
図３に示した、ＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタを構成する各層の添加不純物及び層の厚さは次の通りである。基板５０は窒素Ｎを約１０２０ａｔｍ／ｃｍ３添加した約４００マイクロメータ厚のｎ＋層；ベース５１はアルミニュウムＡｌを約１０１４ａｔｍ／ｃｍ３添加した約８０マイクロメータ厚のｐ層；ベース５２は窒素とＡｌの両方を各々２．８×１０１７ａｔｍ／ｃｍ３と８×１０１６ａｔｍ／ｃｍ３添加した約２マイクロメータ厚のｎ型層；エミッタ５３はＡｌを約５×１０１８ａｔｍ／ｃｍ３添加した約５マイクロメータ厚のｐ型層である。ＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタの場合、現状ではｐ型ＳｉＣはｎ型ＳｉＣに比べて最小の抵抗率が１桁以上大きい。したがって、最も厚い基板５０の部分をｎ型ＳｉＣを用いて構成すると、ｐ型ＳｉＣ基板を用いた場合に比べて抵抗を小さくできる。このためオン時の電力損失を第１実施例よりも小さくできる利点がある。
【００４１】
図２に示すように、交流端子２１と２２の間には、ＳｉＣダイオード２３とアノードゲート駆動型ＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ２４とを逆並列接続した単位逆並列接続体α’及び、ＳｉＣダイオード２５とアノードゲート駆動型ＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ２６を逆並列に接続した単位逆並列接続体β’、を互いに逆方向直列に接続している。更にこの逆方向直列接続体には限流インピーダンス２７を並列に接続している。そうして、この限流装置の回路を流れる事故電流を検出する回路として、短絡電流発生時にＳｉＣ−ＧＴＯが放射する光またはその放射光の急増を受けて検出電圧出力を出す受光素子を内蔵した検出回路２８、２９とを設け、且つこれらの検出回路の出力により制御されるＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタのオン・オフ用駆動回路３０、３１をＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ２５、２６に接続して限流装置を構成している。
【００４２】
上記ＳｉＣダイオードは定格耐圧１４ｋＶ、定格オン電流６００Ａを有し、またＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタも定格耐圧１４ｋＶ、定格オン電流６００Ａを有している。また、Ｓｉホトダイオードを内蔵した受光素子内蔵検出回路２８、２９と各ＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタの駆動回路３０、３１はＳｉ（シリコン）半導体素子と通常のコンデンサと抵抗を用いて構成している。
【００４３】
第２実施例の動作は、受光素子内蔵検出回路２８、２９の信号でアノードゲート駆動型ＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ２４、２６のそれぞれのｎベース電極Ｇとアノード電極Ａとの間に設置したオン・オフ駆動回路３０、３１を各々動作させる点を除けばほぼ第１実施例と同様である。
【００４４】
この実施例では、アノードゲート駆動型ＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ２４、２６を用いているので、通常時の４００Ａ通電時でもＧＴＯサイリスタ部でのオン電圧が４．２Ｖと低い。したがって電力損失は約１．７ｋＷと第１実施例よりも更に少ないので冷却装置を第１実施例よりも小型軽量化でき且つ送電ロスもこの分少なくできた。
【００４５】
図４は、図２に示したアノードゲート型ＳｉＣ−ＧＴＯ型サイリスタ２４または２６と、検出回路２８または２９の中に内蔵されている受光素子１２８９（シリコンダイオード）を使い易いように組合せデバイスにしたものを示す。すなわち図４のデバイスではＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタと受光素子とを１組にし、金属キャップ１０４と金属ベース１０３からなるケーシング内に収めて、組み合わせた光ＧＴＯ素子１０１０の構造の例を示す。
【００４６】
図４に示した組み合わせ光ＧＴＯ素子１０１０において２４、２６はＳｉＣ−ＧＴＯをしめし、１２８９は検出回路２８または２９内の受光素子を示す。
【００４７】
図において、カソード電極Ｋに接続されている金属ベース１０３の中央部にはＳｉＣ−ＧＴＯ  ２４または２６のカソードが固定されている。ＳｉＣ−ＧＴＯ  ２４または２６の表面には、このＳｉＣ−ＧＴＯを電流が流れるとき光を放射する光放射窓１１９が設けられている。金属ベース１０３の上には、金属製のキャップ１０４が固定されている。キャップ１０４の天井部の内面には受光素子（ホトダイオード）１２８９が、絶縁板１２９を介して、その受光部１０２ＢをＳｉＣ−ＧＴＯ  ２４または２６の光放射窓１１９に向けて取り付けられている。金属ベース１０３は２つの孔１１７、１１８を有している。孔１１７からはアノード５５に導線１１４Ｂ、１１４Ｃで接続したアノード電極Ａが絶縁して導出され、孔１１８からはゲート５６に導線１１５で接続したゲート電極Ｇが絶縁して導出されている。
キャップ１０４は２つの孔４１０、４１１を有し、その孔４１０からは受光素子１２８９のアノード７Ａに導線１０６で接続した電極１２８９Ａが導出され、孔４１１からはカソード９Ａに導線１２８で接続した電極１２８９Ｂが導出されている。孔４１０、４１１、１１７、１１８はいずれも既知の気密封止材で絶縁及び気密封止をしている。
【００４８】
光ＧＴＯ素子１０１０のパッケージ内において、ＳｉＣ−ＧＴＯ  ２４、２６のアノード５５は、アノード電極Ａに２本以上の導線１１４Ｂ、１１４Ｃで接続されている。電流量に応じて本数を増やす。図３に示すＧＴＯ  ２４、２６のゲート５６、５６は導線１１５、１１５でゲート電極Ｇに接続されている。図４の受光素子１２８９のアノード７Ａは導線１０６でアノード電極１２８９Ａに接続され、カソード９Ａは導線１２８でカソード電極１２８９Ｂに接続されている。光ＧＴＯ素子１０１０のパッケージ内において、ＧＴＯ  ２４、２６と受光素子１２８９は絶縁板１２９により電気的に絶縁されている。ＧＴＯ  ２４、２６の光放射窓１１９と受光素子１２８９の受光部１２８９Ｂとの間の距離は約１ｃｍである。受光素子１２８９であるシリコンホトダイオードは、１辺が３ｍｍの略正方形であり厚さは約０．５ｍｍである。ＧＴＯ  ２４、２６のアノード電極Ａ、ゲート電極Ｇ及びカソード電極Ｋはともに長さが約３ｃｍである。
【００４９】
図４に示すように、この光ＧＴＯ  ２４、２６では、アノード５５の導線を取付けるための金蒸着の電極５５の一部だけを除去して、限られた大きさの光放射窓１１９を設けているので、過度の放射光がホトダイオードに当たらない。また光放射窓１１９と受光素子１２８９の受光部１０２Ｂとの間は約１ｃｍ離して受光部に当る光が適当な値になるように設計してある。したがって異常時に通電電流が通常時の２００Ａから瞬間的に異常時の１０００Ａに増加したときでも、受光素子２の光電流が１２０ｍＡ程度の値に抑えられる。したがって受光素子２への印加電圧が例えば１０Ｖのときその電力損失は約１．２Ｗであり検出デバイスのものとして適当である。以上の結果、本発明の目的とする小型軽量小電力容量化が実現できた。
【００５０】
《  第３実施例  》
図５に本発明の第３実施例を示す。この第３実施例の限流装置は２０ｋＶ・４００Ａの配電系統に用いることができる。第１及び第２の電力系統に接続された各交流端子２０１と２０２の間には３直列のＳｉＣダイオード２３０、２３１、２３２と４直列のＧａＮ−ＧＴＯサイリスタ２４０、２４１、２４２、２４３とを逆並列に接続した第１の単位並列回路γと、同様に３直列のＳｉＣダイオード２５０、２５１、２５２と４直列のＧａＮ−ＧＴＯサイリスタ２６０、２６１、２６２、２６３とを逆並列に接続した第２の単位並列回路δとを逆直列に接続している。さらに両端子２０１と２０２の間に、上記直列接続体γ＋δとはさらに並列に、限流インピーダンス２０７が並列接続されている。
【００５１】
事故電流を検出するための受光素子内蔵検出回路２０８、２０９はそれぞれＧａＮ−ＧＴＯサイリスタ２４０とＧａＮ−ＧＴＯサイリスタ２６３のみに対応して設けられ部品数の無駄を防いでいる。また、ＧＴＯサイリスタのオン・オフ用駆動回路２７０、２７１、２７２、２７３、２８０．２８１、２８２、２８３は、それぞれ各ＧａＮ−ＧＴＯサイリスタ２４０、２４１、２４２、２４３、２６０、２６１、２６２、２６３に接続されている。
【００５２】
ＳｉＣダイオード２３０、２３１、２３２、２５０、２５１、２５２は定格耐圧１２ｋＶ、定格オン電流６００Ａを有し、各ＧａＮ−ＧＴＯサイリスタ２４０、２４１、２４２、２４３、２６０、２６１、２６２、２６３は定格耐圧９ｋＶ、定格オン電流６００Ａを有し、限流インピ−ダンス２０７は約１５Ωの抵抗値である。また、受光素子内蔵検出回路２０８、２０９とＧａＮ−ＧＴＯサイリスタのオン・オフ駆動回路２７０〜２８３はＳｉ半導体素子と通常のコンデサと抵抗で構成している。
【００５３】
この第３実施例の動作は、単位逆並列接続体γまたはδ内の４直列のＧａＮ−ＧＴＯサイリスタを、代表のＧａＮ−ＧＴＯ  ２４３及び２６０の光放射により短絡事故時に同時にオフ動作させる点、及びＧＴＯ構造が若干異なる点、を除けば、ほぼ第１実施例と同様である。
ＧａＮ−ＧＴＯは第２実施例の図３において、ほぼ同じ各半導体層の厚さと不純物濃度をもつ構造である。ただし、ＧａＮではＺｎがｐ型不純物、Ｓｉがｎ型不純物として機能するので各層を構成する不純物としてはこれらの原子をドープしている。ｎベースには２．８×１０１７原子／ｃｍ３のＳｉをドープしてあり、４７０ｎｍの波長の第２実施例よりも強い放射光を得ることができる。この放射光を用いて第１実施例と同様なパワー半導体素子回路にすることにより同様の効果を実現できる。
【００５４】
本実施例は、第１実施例の利点に加えて、より高電圧の系統に対応できるという利点がある。また、直列接続された複数のＧａＮ−ＧＴＯサイリスタの中の代表の１個２４３、２６０のみに発光取りだし機構を設ければよいので構成が簡単になるという効果もある。更に、ＧａＮ−ＧＴＯサイリスタの発光はＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタの発光よりも強度が強く、例えば本実施例では通常電流４００Ａが流れている場合は約５０ｍＷ、４８０Ａの短絡電流が流れた場合は約６０ｍＷであり、発光強度の差が１０ｍＷと大きくなる。したがってより簡単な受光検出回路構成でより精度良く短絡事故を検知できるという利点がある。
【００５５】
《  第４実施例  》
図６は、本発明の第４の実施例であって、７７ｋＶ・６００Ａの配電系統に用いることができる限流装置の回路を示す。第１の電力系統１０１の側と第２の電力系統１０２の側との各交流端子３５と３６の間に、６直列のＳｉＣダイオード３０１〜３０６と１２直列のアノードゲート駆動型ＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ３２１〜３３２とを逆並列に接続した第１の単位逆並列接続体ε、及び同様に６直列のＳｉＣダイオード３０７〜３１２と１２直列のアノードゲート駆動型ＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ３３３〜３４４とを逆並列に接続した第２の単位逆並列接続体ζを、互に逆直列に接続する。さらにこの直列接続体ε＋ζに限流インピーダンス３７を並列接続している。
【００５６】
更にこの限流装置の回路を流れる事故電流を検出する受光素子内蔵の検出回路３８、３９は、各１２個の組のＳｉＣダイオードの中の代表の一個である３０６と３０７のみに対応して設け部品数の無駄を防いでいる。また、アノードゲート駆動型ＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ３２１〜３３２及び３３３〜３４４のオン・オフ用駆動回路３５１〜３６２及び３６３〜３７４は各ＧＴＯサイリスタ毎に設けている。
【００５７】
ＳｉＣダイオード３０１〜３０６及び３０７〜３１２は定格耐圧２５ｋＶ、定格オン電流８００Ａを有し、アノードゲート駆動型ＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ３２１〜３３２及び３３３〜３４４は定格耐圧１２ｋＶ、定格オン電流８００Ａを有している。また、受光素子内蔵検出回路３８、３９と各ＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタのオン・オフ駆動回路３５１〜３６１及び３６３〜３７４はＳｉ半導体素子と通常のコンデンサと抵抗で構成している。
【００５８】
上記第４実施例の動作を述べる。単位逆並列接続体εまたはζ内の１２直列のアノードゲート駆動型ＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ３２１〜３３２または３３３〜３４４はいつも同時にオン動作またはオフ動作する。また代表のＳｉＣダイオード３０６と３０７の放射光によって受光素子内蔵検出回路３８、３９を動作させ、受光素子内蔵検出回路３８からの信号でアノードゲート駆動型ＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ３２１〜３３２を、また受光素子内蔵検出回路３９からの信号でアノードゲート駆動型ＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ３３３〜３４４を、それぞれ動作させる。この二つの点を除けば、動作はほぼ第１実施例と同様である。
本実施例のＳｉＣダイオードはｐアノード電極の一部に光放射窓を設けており、且つ、この窓に対応するｐアノード半導体層とその近傍のみにアルミニュウムと窒素の両方の原子をドープして再結合センターを形成している。それ以外のｐアノード半導体層には、放射光を発生する機能を持たないためにアルミニュウムのみがドープされているので、電子の再結合によるオン電圧の増加は防ぐことができる。これにより低いオン電圧と所望の発光（１００Ａ／ｃｍ２通電時には発光強度約１１ｍＷ、発光波長約４７０ｎｍ）を得ている。
【００５９】
本実施例は第１実施例の利点に加えて、より高電圧の系統に適用できるという利点がある。また、ゲートを有せず構造が簡単なＳｉＣダイオードに発光取りだし機構を設ければよく且つ直列接続された複数のＳｉＣダイオードの中の代表１個のみに放射光検出機構を設ければよい。したがって構成が簡単になるという効果もある。
また、本実施例ではＳｉＣダイオードの発光を用いるので、ＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタはＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴやＳｉＣ−ＪＦＥＴなどのユニポーラ制御素子でもよい。
【００６０】
《  第５実施例  》
図７は、本発明の第５実施例であり、６ｋＶ・１００Ａの配電系統に用いることができる限流装置である。第１電力系統と第２電力系統のそれぞれの側の交流端子４０１と４０２の間にＳｉＣダイオード４０３とＧａＮバイポーラトランジスタ４０４を逆並列に接続した単位逆並列接続体ηと、同様にＳｉＣダイオード４０５とＧａＮバイポーラトランジスタ４０６を逆並列に接続した単位逆並列接続体θとを、さらに逆直列に接続し、この逆直列接続体η＋θに限流インピーダンス４０７を並列接続している。更に事故電流により生ずる、あるいは急増する照射光を検出する、受光素子内蔵検出回路４０８、４０９及び検出回路４０８、４０９の出力によりバイポーラトランジスタをオン・オフ制御するオン・オフ用駆動回路４１０と４１１を各々ＧａＮバイポーラトランジスタ−４０４と４０６に対応して設けている。ＳｉＣダイオードとＧａＮバイポーラトランジスタの定格耐圧はいづれも１２ｋＶ、定格オン電流はいづれも３００Ａである。
【００６１】
図７に示す第４実施例の動作は、単位逆並列接続体内のＧａＮバイポーラトランジスタのオン状態では常に駆動回路からＧａＮバイポーラトランジスタに駆動電流を供給し続け、オフ状態ではこの駆動電流の供給を停止する、という特徴的な点を除けば、ほぼ第１実施例と同様である。
【００６２】
バイポーラトランジスタはＧＴＯに比べてオン・オフ速度が約０．５マイクロ秒と速いので、本実施例は限流装置の限流開始時間を、先行する各実施例より更に短くできる。そのことによって前述したように短絡電流の量を小さくでき、したがって更に小電力容量の限流装置が実現できるという効果がある。また、第３実施例と同様にＧａＮデバイスにはｎベースに５×１０１７ａｔｍ／ｃｍ２のＳｉ原子をドープしているが、発光効率がＳｉＣバイポーラ素子よりも１桁以上高い。したがってより簡単な受光検出回路構成でより精度良く短絡事故を検知できるという利点もある。
【００６３】
《  第６実施例  》
図８は、本発明の第６実施例の回路図であり、６ｋＶ・４００Ａの配電系統に用いることができる限流装置を示す。第１配電系統１０１と第２配電系統１０２の各交流端子５０１と５０２の間に、ＳｉＣダイオード５０３とｐ型ＳｉＣ−ＩＧＢＴ５０４を逆並列に接続した単位逆並列接続体ιと、同様にＳｉＣダイオード５０５とｐ型ＳｉＣ−ＩＧＢＴ５０６を逆並列に接続した単位逆並列接続体κとを逆直列に接続し、この逆直列接続体に対して限流インピーダンス５０７を並列接続している。
【００６４】
事故電流を検出する受光素子内蔵検出回路５０８、５０９及びＳｉＣ−ＩＧＢＴ５０４、５０６のオン・オフ用駆動回路５１０と５１１を、それぞれがＳｉＣ−ＩＧＢＴ５０４と５０６をオン・オフ駆動するよう接続して設けている。ＳｉＣダイオード５０３、５０４とＳｉＣ−ＩＧＢＴ５０４、５０６の定格耐圧はいづれも１２ｋＶ、定格オン電流はいづれも６００Ａである。
第６実施例のｐ型ＳｉＣ−ＩＧＢＴはｎボディ半導体層にアルミニュウムと窒素の両原子をドープして再結合センターを形成している。アルミニュウムは８×１０１８原子／ｃｍ３、窒素原子は２．８×１０１７原子／ｃｍ３ドープしている。これにより、所定の低オン電圧（１００Ａ／ｃｍ２通電時に４．４Ｖ）と所定の発光（１００Ａ／ｃｍ２通電時には発光強度約１１ｍＷ、発光波長約４７０ｎｍ）を実現している。
【００６５】
第６実施例の動作は、単位逆並列接続体のＳｉＣ−ＩＧＢＴのオン状態では常に駆動回路からＳｉＣ−ＩＧＢＴのゲートに負の駆動電圧を印加し続け、オフ状態ではこの駆動電圧の印加を停止するか、あるいはいったん逆極性の駆動電圧を印加した後に駆動電圧の印加を停止する、という点を除けば、ほぼ第１実施例と同様である。
ＳｉＣ−ＩＧＢＴはＳｉＣ−ＧＴＯに比べてオン・オフ速度が約１マイクロ秒以下と速いので、本実施例では限流装置の限流開始時間を更に短くでき、その結果短絡電流の量を小さくできる。したがって限流装置を更に小電力容量にできるという効果がある。
【００６６】
《  第７実施例  》
図９は、本発明の第７実施例であり、６ｋＶ・４００Ａの配電系統に用いることができる限流装置である。第１電力系統１０１の交流端子６０１と第２電力系統１０２の６０２の間にＳｉＣダイオード６０３とｐ型のノーマリーオンＳｉＣ静電誘導型サイリスタ６０４を逆並列に接続した単位逆並列接続体と、同様にＳｉＣダイオード６０５とｐ型のノーマリーオンＳｉＣ静電誘導型サイリスタ６０６を逆並列に接続した単位逆並列接続体とを逆直列に接続し、この逆直列接続体に対して限流インピーダンス６０７を並列接続している。
【００６７】
事故電流を検出する受光素子内蔵検出回路６０８、６０９及びＳｉＣ静電誘導型サイリスタのオン・オフ用駆動回路６１０と６１１を、各々ＳｉＣ静電誘導型サイリスタ６０４と６０６を制御するようにこれらに接続して設けている。ＳｉＣダイオードとＳｉＣ−ＩＧＢＴの定格耐圧はいづれも１２ｋＶ、定格オン電流はいづれも６００Ａである。
本実施例のｐ型ＳｉＣ静電誘導型サイリスタはカソード接合付近のｎ半導体層約２マイクロメータの範囲のみにアルミニュウムと窒素の両原子をドープして再結合センターを形成している。アルミニュウムは１×１０１８原子／ｃｍ３、窒素原子は１．１×１０１９原子／ｃｍ３ドープしている。この部分以外のｎカソード半導体層には窒素原子が１×１０２０原子／ｃｍ３ドープしている。これにより、所定の低オン電圧（１００Ａ／ｃｍ２通電時に４．４Ｖ）と所定の発光（１００Ａ／ｃｍ２通電時には発光強度約１１ｍＷ、発光波長約４７０ｎｍ）を実現している。
【００６８】
この第７実施例の動作の特徴は、単位逆並列接続体内のＳｉＣ静電誘導型サイリスタのオン状態では常に駆動回路６１０、６１１からそれぞれＳｉＣ静電誘導型サイリスタ６０４、６０６のゲートに負のビルトイン電圧以下の駆動電圧（例えば  −２．５Ｖ）を印加し続け、オフ状態では正の駆動電圧を印加し続ける。以上の特徴点を除けば、その他の部位はほぼ第１実施例と同様である。
【００６９】
ＳｉＣ静電誘導型サイリスタはＳｉＣ−ＧＴＯに比べてオン・オフ速度が約１マイクロ秒以下と速いので、本実施例では限流装置の限流開始時間を更に短くでき短絡電流を小さくできることにより更に小電力容量にできるという効果がある。また、第５実施例のＳｉＣ−ＩＧＢＴに比べてオン状態で−２．５Ｖの負電圧を印加する結果チャネル領域を拡張できるのでオン時のアノード・カソード間の抵抗を低減でき、更に装置を低損失化できるという利点がある。
【００７０】
《  第８実施例  》
図１０は本発明を適用した第８実施例を示す。本実施例においては、第１実施例の単位逆並列接続体αとβを構成する各々のＳｉＣ−ＧＴＯとＳｉＣダイオードが１個の半導体素子として図１１に示すようにモノリシック的に一体化されている点を除けば、限流装置としての回路の構成と動作は第１実施例とほぼ同様である。
【００７１】
図１１のモノリシック単位逆並列接続体の構成は以下の通りである。ｎベースとして機能する低濃度ｎ型基板７００は、厚さ１４０マイクロメータ、不純物として窒素を濃度約１×１０１４ａｔｍ／ｃｍ３含む。この基板の一方の面（図１１の下部）にｐエミッタとして機能する厚さ３マイクロメータ、不純物としてアルミニュウムを濃度３×１０１８ａｔｍ／ｃｍ３でのｐ型層７０１を形成している。また、基板の他方の面図１１の上部にはｐベースとして機能する厚さ２マイクロメータ、約３．８×１０１７ａｔｍ／ｃｍ３不純物としてアルミニュウムと窒素不純物を約８×１０１６ａｔｍ／ｃｍ３の両方を含むｐ型層７０２を形成している。更にその上に、ｎエミッタとして機能する厚さ２マイクロメータ、不純物として濃度約３×１０１９ａｔｍ／ｃｍ３の窒素を含むｎ型層７０３を形成している。そして上記のｐベース７０２は、例えば円形の溝７０５で分離され、ダイオードのアノードとして機能するｐ型層７０２が形成されている。また、下部のｐエミッタ７０１はｐ型層７０２に向い合う部分が除去されたうえで、ダイオードのカソードとして機能するｎ＋型層７０６が形成されている。このｎ＋型層７０６は、厚さ１．５マイクロメータであり、不純物として濃度が約１×１０１９ａｔｍ／ｃｍ３の窒素を含む。
【００７２】
ｐベース７０２にはゲート電極７１０と７１１が設けられている。ｎエミッタ７０３にはカソード電極７０７が、またｐエミッタ７０１にはアノード電極７０９を形成される。こうしてサイリスタが構成されている。また、ｐ型層７０２にはダイオードのアノード電極７０８を形成し、サイリスタのカソード電極Ｋと接続している。一方、サイリスタのアノード電極７０９は、ダイオードのカソードとしても機能するｎ型層７０６にも接続している。この結果、サイリスタとダイオードは図１０に示すように逆接続され、図１０におけるサイリスタ４とダイオード３とからなる単位逆並列接続体α、もしくはサイリスタ６とダイオード５からなる単位逆並列接続体βを構成する。
【００７３】
ｐベース７０２のアルミニュウム不純物と窒素不純物は正孔と電子の再結合センターとして機能し、サイリスタがオンして電流が流れると電子と正孔を再結合させて発光を生じせしめる点、この発光をサイリスタのカソード電極７０７に設けた光取り出し口７１４から取り出して受光素子で受光することにより通電電流の検出を行う点、検出回路と駆動回路を動作せしめて限流動作を実現する点は第１実施例と同様である。
なお、ｐペース７０２においては、光取り出し口７１４の下部に対向する部分とその近傍の領域のみにアルミニュウムと窒素の両方の原子をドープして再結合センターを形成した。ｐベース７０２上でそれ以外の部分にはアルミニュウムのみをドープしＮ原子のドープは行わない。即ち放射光を発生する機能を持たせなくてもよい。これにより、電子と正孔の再結合を必要量に抑えることができるので、不必要な再結合によるオン電圧の増加を防ぐことができる。
【００７４】
＜変形応用例＞
図１１の単位逆並列接続体は、複数個直列接続して第３及び第４実施例のような更に高電圧の系統に適用できる限流装置に変形応用できる。また図１１のカソードゲート駆動型の構造は、半導体層の極性を変えてアノードゲート駆動型の構造にすることにより、第２実施例に変形応用することができる。
【００７５】
以上、８つの実施例を説明したが、本発明はさらに多くの適用範囲あるいは派生構造をカバーするものである。例えば実施例のワイドギャップ半導体素子はワイドギャップ半導体エミッタスイッチングサイリスタ（ＥＳＴ）等上記以外のワイドギャップ半導体バイポーラ素子であっても良い。
【００７６】
また全実施例に於いてワイドギャップ半導体スイッチング素子はワイドギャップバイポーラ素子と、Ｓｉまたはワイドギャップユニポーラ素子とを組み合わせたハイブリッド素子でも良い。例えばワイドギャップ半導体バイポーラトランジスタとそのエミッタとコレクタ間にＳｉ−ＭＯＳＦＥＴまたはＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ等を接続したハイブリッド素子でも良い。
【００７７】
更に、第１実施例と第２実施例におけるＳｉＣダイオードはＳｉダイオードでもよい。またワイドギャップ半導体素子としてＳｉＣやＧａＮを用いた素子の場合のみを述べたが、本発明は、ダイヤモンドやアルミニュウムナイトライド、硫化亜鉛などの他の発光性ワイドギャップ半導体材料を用いた素子でもよい。
第３実施例では、ＳｉＣダイオードの発光を用いるので、ＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタはＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴやＳｉＣ−ＪＦＥＴなどのユニポーラ制御素子でもよい。
【００７８】
なお、ＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタはＳｉ−ＧＴＯサイリスタに比べて過電流に対する耐力が大きいのでスナバ回路は削除できる場合がある。したがって以上の説明ではスナバ回路のない実施例を開示したが、当然ながら大きな過電流が想定される場合はスナバ回路を付与することが適当である。
【００７９】
更に、Ｓｉホトダイオードなどを例示した受光素子はその他にホトトランジスタやＣｄＳ光導電素子等でもよく、ＳｉＣホトダイオード等のワイドギャップ半導体受光素子でもよい。
【００８０】
【発明の効果】
本発明では、ダイオードと発光性のワイドギャップ半導体バイポーラ素子とを逆並列に接続した単位逆並列接続体を２個逆直列に接続し、さらにこの直列接続体に限流インピーダンスを並列接続し、且つ事故電流を検出する受光素子内蔵検出回路とワイドギャップ半導体バイポーラ素子のオン・オフ用駆動回路と設けて限流装置を構成した。純半導体回路としたことにより限流装置を小型軽量長寿命化でき、且つ限流開始時間を短くして短絡電流を小さくでき、その結果装置をさらに小電力容量にできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した限流装置の第１実施例を示す回路構成図
【図２】本発明を適用した限流装置の第２実施例を示す主要回路構成図
【図３】第２実施例に適用するアノードゲート駆動型ＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタの構造図
【図４】第２実施例によるアノードゲート駆動型ＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタとその発する照射光を受けて検出信号を出す受光素子とを一体の容器に収容したデバイスの実施例の構造図
【図５】本発明を適用した限流装置の第３実施例を示す主要回路構成図
【図６】本発明を適用した限流装置の第４実施例を示す主要回路構成図
【図７】本発明を適用した限流装置の第５実施例を示す主要回路構成図
【図８】本発明を適用した限流装置の第６実施例を示す主要回路構成図
【図９】本発明を適用した限流装置の第７実施例を示す主要回路構成図
【図１０】本発明を適用した限流装置の第８実施例を示す主要回路構成図
【図１１】第８実施例のモノリシック構造を示す断面図
【図１２】（ａ）従来の限流装置の回路の要部構成図
（ｂ）従来の限流装置において限流時間と限流対象電流の関係を示す図
【符号の説明】
１、２  交流端子
３  ダイオード
４、６  ワイドギャップ半導体ＧＴＯサイリスタ
７  限流インピーダンス
８、９  検出回路
１０、１１  駆動回路
１２  短絡電流
１０１  第１の電力系統
１０２  第２の電力系統
１０３  高速機械式真空バルブ
１０４、１０５  Ｓｉ−ＧＴＯサイリスタ
１０６  スナバ回路
１０７  限流インピーダンス
１０８  変流器
１０８  事故検出回路
１０９  制御回路
１０、１１  オン・オフ駆動回路
５、６  ＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ
４、６  ＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ
３、５  ＳｉＣダイオード
５０  基板
５１  ベース層
５２  ベース層
５３  エミッタ層基
５４  カソード電極
５５  アノード電極
５６  アノードゲート電極
１１４  端子
５６、５６  アノードゲート電極
１１５  端子
２１、２２  交流端子
２３  ＳｉＣダイオード
２４  アノードゲート駆動型ＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ
２５  ＳｉＣダイオード
３０、３１  オン・オフ用駆動回路
２５、２６  ＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ
２８、２９  検出回路
３０、３１  駆動回路
１２８９    受光素子
１０２Ｂ  受光部
１０４  金属キャップ
１０３  金属ベース
１０１０  光ＧＴＯ素子
１１４Ｂ、１１４Ｃ  導線
１１９    光放射窓
１２８９  受光素子
１０２Ｂ  受光部
２３０、２３１、２３２  ＳｉＣダイオード
２４０、２４１、２４２、２４３  ４直列のＧａＮ−ＧＴＯサイリスタ
２５０、２５１、２５２  ３直列のＳｉＣダイオード
２６０、２６１、２６２、２６３  ４直列のＧａＮ−ＧＴＯサイリスタ
２０１、２０２  端子
２０７  限流インピーダンス
４１０、４１１  孔
１２８９  受光素子
７Ａ  アノード
１０６  導線
１２８９Ａ  電極
９Ａ  カソード
１２８  導線
１２８９Ｂ  電極
４１０、４１１、１１７、１１８  孔
２０８、２０９    受光素子内蔵検出回路
２４３、２６０  ＧａＮ−ＧＴＯサイリスタ
２７０、２７１、２７２、２７３、２８０．２８１、２８２、２８３
ＧＴＯサイリスタのオン・オフ用駆動回路
２４０、２４１、２４２、２４３、２６０、２６１、２６２、２６３
ＧａＮ−ＧＴＯサイリスタ
２４３  ＧａＮ−ＧＴＯ
２６０  光放射
３５、３６  交流端子
３０１〜３０６  ６直列のＳｉＣダイオード
３２１〜３３２
１２直列のアノードゲート駆動型ＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ
３０７〜３１２  ６直列のＳｉＣダイオード
３３３〜３４４
１２直列のアノードゲート駆動型ＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ
３７  限流インピーダンス
３８、３９  受光素子内蔵検出回路
３５１〜３６１、３６３〜３７４
ＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタのオン・オフ駆動回路
４０１、４０２  交流端子
４０３  ＳｉＣダイオード
４０４  ＧａＮバイポーラトランジスタ
４０５  ＳｉＣダイオード
４０６  ＧａＮバイポーラトランジスタ
４０７  限流インピーダンス
４０８、４０９  受光素子内蔵検出回路
４０８、４０９  検出回路
４１０、４１１  オン・オフ用駆動回路
５０１、５０２  交流端子
５０３  ＳｉＣダイオード
５０４  ｐ型ＳｉＣ−ＩＧＢＴ
５０５  ＳｉＣダイオード
５０６  ｐ型ＳｉＣ−ＩＧＢＴ
５０７  限流インピーダンス
６０１、６０２の間に
６０３  ＳｉＣダイオード
６０４  ｐ型のノーマリーオンＳｉＣ静電誘導型サイリスタ
６０５  ＳｉＣダイオード
６０６  ｐ型のノーマリーオンＳｉＣ静電誘導型サイリスタ
６０７  限流インピーダンス
６０８、６０９  受光素子内蔵検出回路
６１０、６１１  ＳｉＣ静電誘導型サイリスタのオン・オフ用駆動回路
７００  低濃度ｎ型基板
７０１  ｐ型層
７０６  カソード電極
７１４  光取り出し口
７０３  ｎ型層
７０２  ｐベース
７０５  円形の溝
７０８  ｐ型層
７０１  ｐエミッタ
７０８  ｐ型層
７０６  ｎ＋型層
７１０、７１１  ゲート電極
７０３  ｎエミッタ
７０７  カソード電極
７０９  アノード電極
【図１】
0003600802.tif 000002
【図２】
0003600802.tif 000003
【図３】
0003600802.tif 000004
【図４】
0003600802.tif 000005
【図５】
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【図６】
0003600802.tif 000007
【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
0003600802.tif 000012
【図１２】
0003600802.tif 000013