(57)【要約】【課題】直流電力系で使用される半導体スイッチと機械スイッチを並列にした無アーク開閉器の信頼性をあげる。【解決手段】半導体スイッチと機械スイッチを組み合わせた開閉器において、２連の機械接点を用いて並列に結線し、接触不良による問題を無くする。さらに半導体スイッチの直列、並列接続することにより耐電流容量、耐電圧容量を増し、コンデンサ負荷のオン時の突入電流を防ぐため、半導体スイッチを高速にオン・オフする制御回路を付加する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電力系の端子間に挿入する開閉器であって、該開閉装置は、  ２連の双投スイッチの接点を２並列で用いて、一つのＭＯＳＦＥＴと並列接続し、前記ＭＯＳＦＥＴのドレイン−ゲート間に接続された抵抗器と、前記ＭＯＳＦＥＴのソース−ゲート間に前記２連の双投スイッチのコモン接点とｂ接店をそれぞれ２並列にして接続され、さらに、前記ＭＯＳＦＥＴの前記ドレインを前記直流電力系のプラス出力端子に、前記ソースを前記直流電力系のマイナス出力端子にそれぞれ接続することを特徴とする直流電力系の開閉装置。
【請求項２】
請求項１に記載の開閉装置を２直列にすることで片方が遮断不能時にも他方が機能するが、請求項１の開閉装置の接点は４連の双投スイッチで開閉される開閉装置。
【請求項３】
請求項１に記載の開閉装置の電流容量を倍増するために、ＭＯＳＦＥＴを並列駆動するがソース抵抗ＲｓをそれぞれのＭＯＳＦＥＴのソースに直列接続した開閉装置。
【請求項４】
請求項１に記載の開閉装置のＭＯＳＦＥＴを２段以上直列接続して、最上段のＭＯＳＦＥＴのドレインーゲート間に、その下段の直列のＭＯＳＦＥＴのゲート間を高抵抗Ｒ１で接続し、最下段のＭＯＳＦＥＴのゲートのみ抵抗Ｒｇを介してｂ接点に接続することで直列のＭＯＳＦＥＴを同時にオン・オフする開閉装置。
【請求項５】
請求項１に記載の開閉装置を直流電流の双方向にも、さらに交流電流にも適用可能にするために、通電接点と並列にダイオード整流器を介して半導体スイッチ部を接続する開閉装置。
【請求項６】
ＭＯＳＦＥＴのゲート電圧をＤＣ／ＤＣ絶縁電源によって供給することで飽和領域の駆動をして導通損失を低減して、２連双投開閉器、もしくは４連双投開閉器の機械スイッチ部を電磁力などの駆動機構で駆動する請求項１から５に記載の開閉装置。
【請求項７】
直流電源と負荷との間に請求項１の開閉装置を接続して電源の投入・遮断をする電源開閉装置であって、半導体スイッチ部はＭＯＳＦＥＴによってＤＣダウン回路を構成し、投入時は負荷電圧をＤＣダウン回路でゼロから徐々に上げることで投入時のラッシュ電流を制限し、電圧上限に達してから主接点のａ接点をオンして発熱なく通電される、遮断時はまず主接点を開極してｂ接点に転移した後、遮断動作を開始するが、半導体スイッチのＤＣダウン回路によって、負荷への電圧を徐々に下げてゼロにして電流を停止して遮断完了する、接点は駆動機構と連係して制御され、さらに外部との通信機能を有する電源開閉装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、直流電力系の安全装置に関し、太陽電池モジュールを多数直列接続した太陽電池ストリングのような高圧定電流電源，および高電圧の２次電池のような電圧源や、電気自動車、スマートハウス、スマートグリッド等の直流電力系の設備に関し、その直流電流を安全に開閉・遮断させることを確実に行うことが可能な開閉装置に関する。
【背景技術】
【０００２】  本発明は、直流電流の開閉装置に関し、直流電力系統、太陽光発電、電気鉄道、電気自動車、屋内配線等において必要な電流の開閉、接続装置に属し、直流電流を通電中において遮断するにアークを発生すること無く遮断可能になるように半導体スイッチで開閉して、導通損失の低い金属接点スイッチで連続通電するように構成される直流開閉装置に関する。【０００３】  近年、半導体スイッチの進歩により、絶縁ゲートを持ったパワー用ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴなどでは，高電圧・大電流のオン・オフが可能になったが、半導体デバイスはまだ、金属接点に較べれば、通電中の電気抵抗が大きく、発熱が生じ、連続通電では冷却装置が必要である。一方、直流電流の１０Ａ程度以上の遮断を金属接点の開極で行うと電流が遮断されずにアーク放電となって電流が連続する。開極時に発生する高温のアークプラズマにより接点金属を溶かし消耗するので、アークを短時間で消滅させなければ電流は遮断できない。例えば、アークを消弧するにはアーク長を磁気によって伸長して、冷却して消弧する方法があるが、電極が消耗して接点の寿命が短くなってしまう。【０００４】  近年シリコン・カーバイド系の半導体が実用化されて、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）で数ｋＶの高耐電圧の半導体スイッチが実用化されようとしている。この高耐圧の半導体スイッチを使って、これまで金属接点では困難であったアークなしの高電圧の直流電力系の開閉器が提供できるようになった。しかし、まだまだ、半導体スイッチの通電損は金属接点より大きく、連続通電では半導体スイッチの冷却装置が必要となり、大型になってしまうのが欠点である。そこで、両方の利点を組み合わせて、通電は金属接点で、遮断時のみ半導体スイッチで通電し、そして遮断するハイブリッドな無アーク開閉器、遮断器が望まれている。【０００５】  本発明は特許５８６４００６で開示された金属接点と半導体スイッチの並列接続による無アーク開閉器の信頼性を増す改良に関するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許５８６４００６号  「直流電力系の安全装置」
【特許文献２】特願２０１５−１９９７６８  「再起電圧制御装置」
【特許文献３】特願２０１６−１３８１４  「無アーク開閉装置」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】  先記特許文献１に示された機械接点と半導体スイッチの並列による直流電流の開閉回路は、半導体スイッチを短時間のみ通電するとして、冷却手段が特別には無いので、機械接点の接触不良は即，半導体スイッチの連続通電状態になって、加熱され半導体スイッチは長時間の通電は不可能である。金属接点の接触不良は半導体の連続通電状態になって、半導体スイッチが発熱破壊されるため信頼性が問題になる。【０００８】  機械スイッチの金属接点の接触不良は、接点の酸化被膜や気中のダストを挿んで絶縁されるなどの影響で発生し、接点間に電圧がある程度あれば、それを破壊して通電状態に移ることもあるが、先記特許文献１で開示されているが（図１０に引用するが）示された機械接点と半導体スイッチの並列による直流電流の開閉回路は、電圧と電流がほとんど無い状態で閉極するので接触不良の可能性が解決できない可能性がある。【０００９】  本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、その目的は従来のハイブリッドスイッチなどにおける信頼性を低下するゲート駆動電源、タイマー回路など不要で、先記特許文献１に示された機械接点と半導体スイッチの並列で双投スイッチ回路の構成、先記特許文献２に示された再起電圧の制御と開閉サージの抑制、別途高信頼の絶縁電源を用意して半導体ゲートで過電圧・過電流対策とするなどを用いてさらに信頼性を上げる手段を提供することにある。
【諜題を解決するための手段】
【００１０】  上記目的を達成するために、本発明に係る、直流電力系の信頼性を増して無アーク開閉させ安全装置とするために、（１）接点を２重化する（２）直列にする（３）その両方を行うことを特徴とする。
【００１１】（１）接点を２重化する：機械接点の接触不良は、偶発的にある確率で起こるものは、例えば接点の接触部にダストが付着して導通しないなどが考えられる。接点不良の確率を例えば１０００回に１回、確率ｐ＝０．００１とすれば、２つの接点を並列に使えば、同時に接触不良になることは考えなくても良く接点不良の確率はｐの２乗になる。機械接点の機械が寿命１００万回であれば、接点不良事故は１００万回に１回となって、接点の機械寿命と同じならば、ほぼ無くすることができると言える。（２）直列にする：半導体スイッチの動作不良は導通状態と解放状態に陥ることが考えられる。導通状態で止まった場合の対策は直列接続が良い。片方が導通状態になっているので健全な方で、オン・オフすることができる。１０Ａ以上の直流遮断は金属接点では困難なので、本発明の無アーク開閉器を２台直列にするのが小型でよい。２極双投スイッチの２極を直列に使用するなどである。（３）電源と負荷の開閉では、インダクタンス的負荷の場合、遮断時過電圧が発生する、またコンデンサ的負荷の場合、投入時ラッシュ電流が発生するが、半導体スイッチの制御でこれを制御して、さらに半導体スイッチの温度管理、通信機能を介して高度な判断を行う制御回路を持ってさらに信頼性が増すと考えられる。  このように、接点を２重化する、直列にする、その両方を行うことで、さらに電圧電流検出して半導体スイッチの制御を行う回路を付加して信頼度を増した無アークの直流開閉装置を実現する。
【発明の効果】
【００１２】  このような構成の直流電流の開閉装置を用いて電気的安全装置にすれば、太陽光発電装置など直流電力系を高い信頼性をもって、安全かつ簡便に接続、解放することが可能となる。接点の接触不良問題は（１）で問題ない。１つの半導体スイッチの導通状態での故障は（２）の２直列化で開閉動作不良にはならないが修理が必要である。交流用途では、金属接点として、２連、４連の双投開閉を行う手動の開閉スイッチや電磁リレー、電磁開閉器があるので、それに本発明の半導体スイッチ回路を付加することで高信頼直流開閉器が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係る直流電力系の安全開閉装置の第１実施形態を示す回路図である。
【図２】本発明に係る直流電力系の安全開閉装置の第１実施形態に再起電圧の制御機能を付加した回路図である。
【図３】本発明に係る直流電力系の安全開閉装置の第２実施形態を示す回路図である。
【図４】本発明に係る直流電力系の安全開閉装置の第３実施形態を示す回路図である。
【図５】本発明に係る直流電力系の安全開閉装置の第４実施形態を示す回路図である。
【図６】本発明に係る直流電力系の安全装開閉置の第５実施形態を示す回路図である。
【図７】本発明に係る直流電力系の安全開閉装置の第６実施形態を示す回路図である。
【図８】本発明に係る第７実施形態の直流電源開閉器の構成図と投入時、遮断時のシーケンスを説明する図である。
【図９】特許文献１の双投スイッチによる直流無アーク開閉器の動作説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】  以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。  〔第１実施形態：図１〕図１は、本発明に係る直流電力系の安全装置の第１実施形態を示す回路図である。（請求項１）  図１において、参照符号１で示すものは、高圧の直流電力回路において、本開閉器は２線間に挿入する。まず電流が電流方向にａ接点で流れているとすると、ＭＯＳＦＥＴより電気抵抗が小さい場合は、ＭＯＳＦＥＴには電流がほとんど流れない。双投スイッチがａ接点から離れるとするとそのとき、２のＭＯＳＦＥＴは高抵抗Ｒ１（例えば数１００ｋΩを想定しているが）、でゲートＧとドレインＤとを接続してあるのでオン状態である。ＭＯＳＦＥＴのシュレスフォルド電圧Ｖｔｈは、約３Ｖであるので、高抵抗Ｒ１でドレインと接続するとソース―ドレイン間の電圧はＶｔｈ程度である。さらに電流によるオンドロップを加えてもドレインーソース間電圧は１０Ｖ以下である。この電圧ではａ接点開極時にアークを発生することなく開極することができ、無アークにて電流は２のＭＯＳＦＥＴに転流する。双投スイッチはｂ接点に移動するが、接触するまでの間はＭＯＳＦＥＴに電流が流れ、ｂ接点が接触するとゲート電位がソースに対してゼロにすることで電流を遮断する。これが図９の先行発明文献１の図６、図７に開示されている電流を無アークで開閉できる手動スイッチである。
【００１５】  先行発明文献１の安全装置の欠点は、接点の接触不良である。とくにａ接点の電流の熱による酸化被膜、ｂ接点での絶縁物の微小個体、ゴミなどの付着によるが考えられる。ａ接点の接点不良は、ＭＯＳＦＥＴの連続通電となってやがてＭＯＳＦＥＴの高温破壊になり、ｂ接点の接点不良も同様に連続通電となる。ともに安全スイッチとして遮断機能不全から、ＭＯＳＦＥＴの破壊につながる重大事故である。  図１のように２極双投スイッチのａ接点、ｂ接点、コモン電極を並列接続して用いれば、偶発的に発生する接触不良による問題は心配しなくても良いと言える。２極双投スイッチを用いて確実に開極して電流を遮断できる安全スイッチとすることができる。
【００１６】  図２は先行特許文献２で開示されているミラー積分回路、またはブート・ストラップ回路として知られている回路とし、を付加した実施例１の応用例である。２のＭＯＳＦＥＴのゲートは高い増幅度を持つことから、このようなＣｍ−Ｒｇのミラー積分回路を付加して遮断後に発生する再起電圧を数マイクロ秒程度の立ち上がりにして開閉サージを抑えることができる。直流電力系１の電流遮断特性が再起電圧の波形に多くの影響を及ぼすが、ＭＯＳＦＥＴが数１０ナノ秒で遮断すると線路のわずかなインダクタンスで過電圧を発生して問題になる場合がある。その場合、本回路で再起電圧を数マイクロ秒の立ち上がりにして再起電圧の跳ね上がりを抑えることができるが、ＭＯＳＦＥＴのスイッチング損失が増えるので注意が必要である。本発明の開閉装置と並列にコンデンサと抵抗のサージ吸収回路やバリスタなど過電圧吸収回路で再起電圧のピークをカットすることは有益である。
【００１７】  〔第２実施形態：図３〕（請求項２）  図３は図１の接点不良事故に対処した安全開閉器を２直列にしたものである。２直列にすることでユニット１とユニット２の２直列は４連の双投スイッチでほぼ同時に開閉される。ここで、ほぼ同時とは、少なくとも同期して開閉されることが重要だが、ｂ接点がオンの間にａ接点がオフしなければ良い程度である。  この方式では、ユニットの１または２の片方が故障しても他方が健全であれば遮断は可能である。これはＭＯＳＦＥＴの故障は短絡状態になる場合が多いからである。
【００１８】  〔第３実施形態：図４〕  図４は本発明の実施例３の直流大電流用の装置の回路図である。（請求項３）  実施例３では通電電流に余裕を与えて、過電流の耐量を増す方法を示す。ＭＯＳＦＥＴを並列駆動するがシュレシュフォルド電圧Ｖｔｈの温度特性が負特性であるので、電流の分流が暴走する。（熱暴走）これを是正するために分流を助ける必要がある。均質な分流を促進するためにソースに抵抗Ｒｓ入れる。この場合、Ｒｓに発生する電圧がゲート電圧に足されるため、ゲート―ソース電圧にフィードバックされるので自動的に分流される。
【００１９】  〔第４実施形態：図５〕  図５は本発明の実施例４の直流高電圧開閉器の構造図である。（請求項４）  実施例４では、ＭＯＳＦＥＴを直列接続して、高電圧の開閉を安全に確実に行う。また再起電圧の上昇率を制御してインダクタンス電流による過電圧を低減するためのＣｍ−Ｒｇのミラー積分回路７を追加した。これは再起電圧の立ち上げ時間を数マイクロ秒以上と、遅くする効果がある。高電圧の再起電圧に耐える２直列のＭＯＳＦＥＴのゲートを４のＲ１の高抵抗で接続することで同時にオン・オフをすることができる。これはトーテムポール回路の変形である。実施例ではＣｍは０．００５μＦでＲｇは１０Ωで電流遮断時間が１０マイクロ秒程度になる。オンを早くするにはＣｍと直列にダイオードを入れるなどしてゲート電圧の立ち上がりを速くするとよい。
【００２０】  〔第５実施形態：図６〕  図６は本発明の実施例５の直流高電圧開閉器の構造図である。（請求項５）  図６は実施例１の回路構成を直流電流双方向にも、さらに交流電流にも適用可能な第５実施形態の回路構成を示す。機械接点ａ接点の間にダイオード整流器８を接続して直流化してＭＯＳＦＥＴが半導体スイッチとして使用される。接点の不良を回避するために２接点を並列に接続するには、４回路の４連双投スイッチ５を必要とする。もちろん、再起電圧の上昇を制御するために必要に応じてミラー積分回路を付加してもよい。４連の双投スイッチでは一動作でオン・オフできるが、連動する機構があれば独立した２つの２連スイッチでこれを代用することもできる。ｂ接点側は弱電流用のスイッチで良いので弱電用の補助接点が最適である。これも２連を並列に用いることで信頼性が増す。
【００２１】  〔第６実施形態：図７〕  図７は本発明の実施例６の無アークで開閉する交流・直流用電磁開閉器の構造図である。（請求項６）  図７は本発明の実施例５を電磁リレーで駆動する実施例を示す。（請求項６）  電磁リレーの不動作による信頼性の低下はあるが、また、リレー駆動電源があるのでＭＯＳＦＥＴの駆動用電圧をＤＣ／ＤＣ絶縁電源１０によって供給するのは良い方法である。この場合、ＭＯＳＦＥＴのゲートＧに、シュレシュフォルド電圧Ｖｔｈより高い電圧を与えて飽和領域で駆動できればＭＯＳＦＥＴの通電損失を低減でき、ＭＯＳＦＥＴの並列動作が、この場合温度特性が正特性なので、容易に電流容量を増やすことができる。  電磁リレー駆動は先行特許文献３で開示されているが、さらに長寿命の電池や太陽電池、高耐圧のＤＣ／ＤＣ絶縁電源などの高信頼性ゲート駆動電源が必要である。
【００２２】  〔第７実施形態：図８〕  図８は直流電源と負荷とのあいだに挿入する電源開閉装置として用いた場合の本発明の実施例を示す。（請求項７）  第７実施形態：図８は実施例１のＭＯＳＦＥＴをダイオードの下アームの２段構成としたＤＣダウン回路１４を高度な制御装置１３によって制御・駆動される、直流電源１１と直流負荷１２との間に入れる無アーク直流ハイブリッド電源開閉器である。直流負荷１２が例えば、大きなコンデンサ負荷である場合、オン時にラッシュ電流が定常の数倍から数十倍流れるので半導体スイッチの過電流対策が必要である。または、インダクタンス負荷である場合、電流遮断で大きな過電圧が発生する。さらに負荷投入時に負荷短絡する場合が多いが、半導体スイッチが過電流で破壊される。これは開閉サージ電圧とラッシュ電流対策を高速なゲート制御で可能にした電源開閉器である。第７実施形態：図８ではＭＯＳＦＥＴのゲートをＭＯＳＦＥＴのＤ−Ｓ間電圧とソース電流を検出して高速にオン・オフして再起電圧とラッシュ電流を制御するが、これは近年開発が進んでいるＳｉＣ（シリコンカーバイド）のＭＯＳＦＥＴであれば高速に、マイクロ秒以内での動作が可能である。また外部との通信機能もあれば、開閉器の遠隔操作も可能とするのが制御回路１３である。オン・オフのデューティ制御によってＤ−Ｓ間の平均電圧を制御してソフトな投入をする。ＤＣダウン回路１４はＭＯＳＦＥＴとダイオードからなるダウンコンバータ回路でゲートをオン・オフすることでエネルギーを失うことなく電圧を下げてソフトな電源投入を行う。
【００２３】  また、制御回路１３は、安全対策として電源オフ指令時に、機械接点、半導体スイッチの誤動作による負荷への電圧印加を防ぐため、下段のダイオードをＭＯＳＦＥＴにしてゲートをオン状態にするなども良い。双投スイッチの２重化したｂ接点からの信号、または補助接点のｂ接点からは、ａ接点の状態を確実に検出して、駆動機構と同期して半導体スイッチのオン・オフを制御できる。投入、遮断のシーケンスを図８に示す。この電源開閉装置の通信機能については、重複の無いアドレスを付与すれば、遠方から中央制御装置でオン・オフ制御できる。十分な安全対策、誤動作対策が必要なのは当然である。機械接点とその駆動機構も無アークで開閉可能ならば、密閉された空間中での静粛な駆動、または絶縁油中で小型高耐圧な開閉装置が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００２４】  安全に係わる電流の開閉装置は他の電子装置より更なる高い信頼性が必要である。本発明は直流電流の開閉に関して、ＭＯＳＦＥＴと双投スイッチのａ接点、ｂ接点を使って、機械接点を開極時、無アークで開閉することが可能である。しかし、接点の偶発的接点不良によって、ＭＯＳＦＥＴが連続通電状態になることが懸念される。機械接点を２連にして接触不良のないようにできる。また、ＭＯＳＦＥＴの電流容量を増やすためにＭＯＳＦＥＴを並列接続して片方が動作しなくても機能する方法、耐電圧を増やすための直列接続する方法を示した。また、動作状態によって電流方向の変わる直流や交流電流でも適用可能な方法、さらにラッシュ電流制御機能、再起電圧の制御も行い、さらに外部制御装置と通信を行うインテリジェントな電源開閉器を示した。このように半導体スイッチと機械接点のハイブリッド開閉器はアークによる溶融、欠損がないので開閉器の開閉寿命を延ばし、電気的にもノイズのない静粛な駆動機構によって電源開閉器の信頼性を上げることができる。【００２５】  本発明の半導体スイッチと機械接点とのハイブリッドスイッチは、直流電力用開閉装置の種々な問題を解決して耐久性、信頼性があがるので、太陽光発電、電池貯蔵、直流配電、電気自動車など直流電力の応用がさらに進展すると考えられる。
【符号の説明】
【００２６】１：直流電力系（直流電源と負荷）２：ＭＯＳＦＥＴ３：２連双投スイッチ４：抵抗Ｒ１５：４連双投スイッチ６：分流抵抗Ｒｓ７：ミラー積分回路Ｃｍ−Ｒｇ８：ダイオード整流器９：電磁駆動リレー、駆動機構１０：ＤＣ／ＤＣ絶縁電源１１：直流電源１２：直流負荷１３：電圧、電流検出、ゲート制御、外部との通信機能１４：ＤＣダウン回路
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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