(57)【要約】      （修正有）【課題】半導体スイッチと金属接点スイッチの並列で、通電は金属接点で行い、遮断は半導体スイッチで行うハイブリッド開閉器のリーク電流を無くし、耐電圧をあげる。【解決手段】三連の金属接点を用い、開極するには、導通接点から先に開にして、次の接点の開で半導体スイッチのゲートをオフにするが、そのとき導通接点が再起電圧に耐える開極距状態になっていて、最後の接点開で半導体スイッチ回路が切り離されて、全接点が開放状態になる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電流の開閉器であって、該開閉装置は３つの金属接点を持ち、
電源と負荷との間に、第一の接点、導通接点（Ｓ３）を挿入して連続通電スイッチとし、第２の接点、半導体回路接点（Ｓ１）には半導体スイッチ回路を介して、先の導通接点Ｓ３と並列に接続し、第３の接点、制御接点（Ｓ２）は、そのオンまたはオフで前記半導体スイッチ回路をオン／オフ制御を行うためのゲート制御接点とし、
この３つの金属接点の接点Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３を閉極するときは、Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３の順序にて順次オンし、開極するときにはＳ３，Ｓ２，Ｓ１の順に順次オフするが、制御接点Ｓ２がオフするとき、導通接点Ｓ３の極間距離ｄ２が電流遮断後の再起電圧に対して絶縁破壊しない電極間隔であることを特徴とした開閉装置。
【請求項２】
直流電流方向が１方向である場合、半導体回路接点（Ｓ１）に絶縁ゲートの半導体スイッチを接続し、そのゲート駆動電圧を制御接点Ｓ２のオンにより直流電源からの電圧を分圧して得る請求項１に記載の開閉装置。
【請求項３】
半導体回路接点（Ｓ１）はダイオード・ブリッジの交流端子を介して、導通接点（Ｓ３）と並列接続して、そのダイオード・ブリッジの直流端子のプラスには半導体スイッチ（ＭＯＳＦＥＴ）のドレインを、マイナス端子にはソース端子をそれぞれ接続し、制御接点（Ｓ２）のオン／オフ信号で半導体スイッチをオン／オフ制御する請求項１に記載の開閉装置。
【請求項４】
半導体回路接点（Ｓ１）、制御接点（Ｓ２）、導通接点（Ｓ３）を３極の電磁駆動開閉器とし、その電極間隔をそれぞれ、ｄ１、ｄ２の差を付け、極間ｄ２は再起電圧に耐え、絶縁破壊しない電極間隔であることを特徴とする請求項１、２および３に記載の開閉装置。
【請求項５】
半導体回路接点（Ｓ１）、制御接点（Ｓ２）、導通接点（Ｓ３）を手動駆動、または機械駆動するがＳ１、Ｓ２、Ｓ３の順に投入し、Ｓ３，Ｓ２，Ｓ１の順に解放するが、Ｓ２がオフする時点でＳ３の開極間隔が再起電圧に耐える状態であることを特徴とする請求項１、２および３に記載の開閉装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、直流電力系の開閉装置に関し、通電は金属接点で行い、遮断は半導体スイッチで行う、所謂、ハイブリッドスイッチに関し、太陽光発電パネ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や高電圧の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設備の直流電流を安全に開閉させる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、直流電流をアークの発生すること無く遮断するために、半導体スイッチで遮断するが、通電は導通損失の低い金属接点スイッチで連続通電する金属接点と半導体スイッチを併用するハイブリッドな開閉装置に関する。【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、連続通電では大きな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、アークによって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は、開状態時のリーク電流、半導体スイッチの耐電圧で決まるサージ耐圧の問題を改良するものである。
【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」
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】電気学会編「放電ハンドブック」第２部  第６章  アーク放電
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】  機械金属接点の良い点は、通電時のオン抵抗は、無視できるほど小さく、発熱など考慮する必要が無い、逆に、オフ時の絶縁抵抗は、一般には、導通が無いと言って、即ちリーク電流が無いと認識されている。また、オフ時の耐電圧は開極距離が１ｍｍで、約３ｋＶの放電破壊電圧があると期待されている。先行特許文献１に示された機械接点と半導体スイッチの並列によるハイブリッド開閉回路は、オン時は期待通りであるがオフ時の絶縁抵抗や耐電圧は、半導体スイッチ回路のリーク電流や耐電圧に制限される。これが十分ではなく、ハイブリッドスイッチの普及と信頼を妨げていると考える。【０００９】  先行特許文献１では、半導体スイッチの制御は機械接点のｂ接点のオンで半導体スイッチをオフにするが、機械金属接点では、オン時、接点の跳ね返りや摺動で多数回オン／オフを繰り返す、所謂チャタリングを起こすことがあり、そのため半導体スイッチがオン／オフを繰り返す問題がある。その対策となったが先行特許文献２では、半導体スイッチを使って、ミラー積分回路を構成することで多数回オン／オフを繰り返すことを防ぐことが可能だが、半導体スイッチのジュール損が増える欠点があった。【００１０】    本発明は上記の２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に直列スイッチを付加し、オフ時の絶縁抵抗を一般の開閉器と同じになるように、かつ半導体スイッチの遮断時に十分な電極距離を確保すること、機械接点のオフは、チャタリングが無いか、あっても頻度が少ないので、半導体スイッチのゲートによるオフを、制御接点のオフにより行うことで解決するが、それらをシーケンスや時間遅れの制御法ではなく３つの接点電極の配置と駆動法によって確実に実現す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】
【００１１】  上記目的を達成するために、３連の接点の電極構造または配置で行うが、開極距離をそれぞれ設け、ｄ１は半導体スイッチの遮断に要する時間＝（ｄ１／速度Ｖ）、数１０マイクロＳであるが、を確保し、ｄ２は半導体スイッチの遮断後に発生する再起電圧に耐える開極距離を確保するようにする。
【発明の効果】
【００１２】  このように、金属接点を開極距離をｄ１、ｄ２の間隔を持つ３連のスイッチとすることで、開極動作時に、半導体スイッチの制御のタイミングとサージ電圧に対する耐電圧に必要な開極距離が確実に得られ、リーク電流の無い、無アークの直流開閉装置を実現する。
【００１３】  このような構成の直流電流の開閉装置は、開極時に時間的タイミングと絶縁距離を確実に得られるので、単純動作の電磁駆動や、手動作動、リミットスイッチのような不確実な作動でも、高信頼な直流開閉器が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に係る直流電力系の開閉装置の実施方法を示した説明図である。
【図２】本発明に係る直流電力系の開閉装置の電流１方向の場合の方法を示した回路図である。（実施例１）
【図３】本発明に係る電流双方向の場合の開閉装置の回路説明図である。（実施例２）
【図４】電磁駆動型の３連接点の電極構造を説明する図である。
【図５】順次駆動型の３連接点の閉極時の動作を模式図で示す。
【図６】（１）３極の電磁開閉器の固定電極の極間距離を変えている写真と（２）直流電流遮断時の半導体電流、再起電圧、および、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴのゲート電圧のそれぞれ波形である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】  図１に示すように３つの金属接点を一括駆動する三連の開閉器において、電極間隔を異なるようにして、極間が、最も短いＳ１、最も大きなＳ３、中間のＳ２とすると、間隔の短い接点から順次、Ｓ１，Ｓ２、Ｓ３の順でオンになり、開極はＳ３，Ｓ２，Ｓ１の順にオフになる。
３接点を一動作で開閉動作をおこなうが、可動電極と固定電極の極間を異なるようにして、順次、３つの接点が開閉する構造の開閉器で、最初に閉極する接点を開始接点（Ｓ１）とし、次に閉極する接点を制御接点（Ｓ２）とし、最後に閉極する接点を通電接点（Ｓ３）とし、開極時はこの逆のシーケンスで順次開極する３連のスイッチの接点を用いて、Ｓ１には、半導体スイッチを接続して、電源と負荷をつなぐ主接点となる導通接点（Ｓ３）と並列接続して、制御接点（Ｓ２）のＯＮ／ＯＦＦ信号またはその電流で前記半導体スイッチ（ＭＯＳＦＥＴ）のゲートをＯＮ／ＯＦＦする。
【００１６】  可動電極を閉極位置から移動始めて、Ｓ３がオフする時、Ｓ１とＳ２はまだオン状態で、半導体スイッチはオン状態であり、金属接点Ｓ３の電流は開極する瞬間に電流は放電アークになって極間を流れ続けようとする。金属電極が電流を流しつつ開極するとき、アーク放電が発生するが、非特許文献１によると接点アークについて、きわめて短いアークの電圧対電流特性が報告されている。接点アークには最小アーク電圧Ｖｍｉｎと最小アーク電流Ｉｍｉｎがあって、アーク発生のための電極上の陰極点（カソードスポット）を維持するには最低の電圧と電流があって、放電アーク開始の接点間の電圧は接点金属により異なるが、１０Ｖから２０Ｖの範囲で、最小アーク電圧Ｖｍｉｎは電流によっても変化しないが、アーク長が大きくなるにしたがって接点アーク電圧は大きくなると報告されている。
【００１７】  Ｓ３が開極するとき、半導体スイッチはオン状態であるから、半導体オン電圧は数Ｖである。Ｓ３からＳ１に転流するに必要な時間Ｔを概算すると
【数１】
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遮断電流Ｉを１００Ａ、スイッチ回路のインダクタンスＬを数十ｎＨ、とすると転流時間Ｔ＝１０ｎＳのオーダーである。回路インダクタンスが小さいため、電流は瞬時に半導体スイッチに移り、最小アーク電流以下になってアークは消滅するので、発生しないか、発生しても１０ｎＳのマイクロ・アークとなって、観測も難しい。
【００１８】  Ｓ３の電極間隔がｄ２になるとＳ２がオフし、半導体スイッチがオフして、電流が遮断されて再起電圧が発生する。このときのＳ３の電極間隔はｄ２で、空気中では約３ｋＶ／ｍｍの絶縁耐力があるので極間の耐電圧が再起電圧以上になっている必要がある。
【数２】
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数ＫＶの耐電圧が期待される場合でもｄ２は１ｍｍ程度あれば十分である。
【実施例１】
【００１９】  図１は、本発明の実施例の基本的構成図であって、
直流電流が流れている閉極状態から、アークを発生しない開極の手順を説明する。
電流が流れている金属接点Ｓ３が先に開極するがその時、Ｓ２、Ｓ１はオン状態で、ゲート電源がゲートに接続されているので半導体スイッチが飽和状態でオンしている。通電電流はＳ３の開極後、数１０ｎＳで半導体スイッチに転流する。やがて、Ｓ２もオフすると、ゲート電圧はゼロになり、半導体スイッチは電流を遮断する。再起電圧が発生するが、Ｓ３の開極間隔はｄ２であり、絶縁破壊する心配はない。最後にＳ１は開極するが半導体スイッチには電流が無く、無電流でＳ１は開極する。
すなわち、閉極時の導通損失は少ない金属接点とゲート電圧制御で電流遮断できる半導体スイッチとのハイブリッド開閉器に図１の三連の開閉機構を用いれば、直流電流アークを発生せずに開極することができ、開極時のリーク電流も無くすることができる。【００２０】  第１実施形態：図２、請求項２は、本発明の１実施例の基本的回路図であって、最小の部品点数で実現でき、直流電流を、アークを発生せずに開極し、ＭＯＳＦＥＴ：２により電流を遮断することが出来る。
開極の手順を説明する。
電流が流れている金属接点Ｓ３が先に開極するがその時Ｓ２はオン状態で、抵抗Ｒ１：４はここでは数１０ｋΩとゲート抵抗Ｒｇ：５は数１００ｋΩとし、定電圧ダイオード：６の回路でゲートに接続されているので定電圧ダイオードの電圧（ここでは１２Ｖ）で半導体スイッチが飽和状態でオンしている。ここで半導体スイッチはオン電圧が低い必要があるので、オン抵抗の低いＭＯＳＦＥＴ、オン電圧の低いＩＧＢＴ、など絶縁ゲート構造の半導体スイッチであればよい。通電電流はＳ３の開極後、数１０ｎＳで半導体スイッチに転流する。やがて、Ｓ２もオフすると、ゲート電圧は抵抗Ｒｇによりゼロになって半導体スイッチは電流を遮断する。再起電圧が発生するが、Ｓ３の開極間隔はｄ２であり、絶縁破壊する心配はない。最後にＳ１は開極するが半導体スイッチには電流が無く、無電流でＳ１は開極する。
開極が終わると空気の層によりリーク電流は無く、かつサージ電圧も電極間隔で決まる耐電圧まで耐えることができる。【００２１】  第２実施形態：図３、請求項３は、半導体回路接点（Ｓ１）はダイオード・ブリッジ：７の交流端子を介して、導通接点（Ｓ３）と並列接続して、ダイオード・ブリッジの直流端子のプラスには半導体スイッチ（ＭＯＳＦＥＴ：２）のドレインを、マイナス端子にはソース端子をそれぞれ接続し、制御接点（Ｓ２）のＯＮ／ＯＦＦ信号で半導体スイッチ（ＭＯＳＦＥＴ）をＯＮ／ＯＦＦする。【００２２】  〔電極構造の実施形態１：図４〕
図４は本発明の実施例の直流電流接続装置の構造説明図である。
可動電極は３つの接点を一括して、駆動して固定電極に接触させるが、図４のように電極間隔がＳ２はＳ１よりｄ１だけ長くなっており、Ｓ３はＳ２より、さらにｄ２だけ長くなるように設定されている。Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３の接点を手動、または機械駆動のカムなどにより、順次押されて開閉される。この例では、開動作時、Ｓ３がオフしたあと、再起電圧が発生するのはＳ２がオフされる時点で、すでに開極しているＳ３の耐電圧が十分ある必要があるが、その時、ｄ２の間隔が空いている。【００２３】  〔電極構造の実施形態２：図５〕
図５は本発明の実施例１、請求項２の回路構成、図２の直流電流接続装置を、例えばスライドスイッチの３連接点で実施し、閉極時から開極する動作を模式図で示している。
（１）はＳ１，Ｓ２，Ｓ３がすべてオン状態で金属接点の導通状態を示している。半導体スイッチには、ゲート電圧がオンであっても、電流はほとんど流れない。
（２）では、Ｓ３がオフされるが、この時、Ｓ２，Ｓ１がオンであるためにＳ３の電圧は半導体スイッチのオン電圧とダイオード・ブリッジのオ順方向電圧の和で、それは接点アーク電圧より低く、電流はＳ１の半導体スイッチ回路に転流する。
（３）でＳ２がオフになると半導体スイッチがオフになり再起電圧が発生し、電流が遮断される。この時、開極間隔ｄ２がこの再起電圧に耐えることが必要である。
（４）では半導体スイッチ回路も電流ゼロであるのでＳ１はアークなしで解放される。
結局、（１）から（４）で無アークで閉から開状態になる。【００２４】  〔電磁開閉装置と電圧電流波形：図６〕
図６の（１）は本発明の電極構造の実施形態１：図４の場合の実施例である。
Ｓ１、Ｓ２，Ｓ３の固定電極はそれぞれ、ｄ１、ｄ２だけ、極間距離を変えている。ｄ１は約０．５ｍｍ、ｄ２は約１ｍｍで、オフする時間差はＳ３−Ｓ２は１．２ｍＳ、Ｓ２−Ｓ１は０．５ｍＳであった。
（２）は遮断時の電流波形、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴのゲート電圧、再起電圧波形である。Ｓ３がオフされて、その電流が半導体スイッチに転流されて電流が流れだすのが半導体電流で、ここでは７Ａである。Ｓ２がオフされて、ゲート電圧が下がり、半導体電流は遮断されて、再起電圧が発生している。実験ではＳｉＣ（シリコンカーバイド）−ＭＯＳＦＥＴ（１．２ｋＶ、５Ａ）の半導体スイッチであるが、８００Ｖを越える再起電圧で問題なくオフして、ｄ２の電極距離で絶縁破壊されることなく開極が進み、Ｓ１が無電流でオフされているのがわかる。
【産業上の利用可能性】
【００２５】  安全に係わる電流の開閉装置は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、機械接点を通電接点に使うハイブリッド開閉器であって、開閉器のオフ時、リーク電流がなく、サージ電圧に耐えるように、空気の層がある断路がある。
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、これまで困難であった手動やリミットスイッチ駆動機構でも可能な直流電流開閉器を提供することができる。【００２６】  本発明の開閉装置は、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】
【００２７】  １：直流電源
２：ＭＯＳＦＥＴ
３：三連の開閉機構
４：抵抗Ｒ１
５：ゲート抵抗Ｒｇ
６：Ｚｅｎｅｒ  Ｄｉｏｄｅ（定電圧ダイオード）
７：ダイオード・ブリッジ
【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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