(57)【要約】【課題】高い絶縁抵抗を特徴とするリードリレーのハイブリッド開閉を行う。【解決手段】半導体スイッチとリードリレーを並列接続したハイブリッド開閉器において、半導体スイッチと直列に補助のリードリレーを用いてリーク電流を無くし、開閉時の電流、電圧は半導体スイッチのゲート制御回路で制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電流の開閉器であって、該開閉装置は、
２つのリードリレー（Ｓ１，Ｓ３）を用いて直流電流のオン・オフ動作をおこなうが、第一のリードリレー（Ｓ１）には半導体スイッチ回路（Ｓ２）が直列接続されてあって、第二のリードリレー（Ｓ３）はオン時の連続導通の接点となるが、並列に短時間の通電となるＳ１と半導体スイッチ回路の直列回路がＳ３と並列接続されていることにより、リードリレー（Ｓ３）と半導体スイッチ回路（Ｓ２）とのハイブリッドスイッチとなし、オンするときのシーケンスは接点（Ｓ１）をオンに、次に半導体スイッチ回路（Ｓ２）をオンとし、最後に通電接点（Ｓ３）をオンし、以後、Ｓ３に主たる電流が流れるが、
オフするにはこの逆のシーケンスで、まずリードリレーの接点Ｓ３をオフすることで電流はＳ１と半導体スイッチ回路（Ｓ２）が直列回路に転流させ、接点Ｓ３の開極によって絶縁の耐電圧が回復した後に、半導体スイッチ（Ｓ２）のゲート電圧制御によってＳ２をオフして電流を遮断するが、さらにその後、ほぼ電流無し状態のリードリレー（Ｓ１）をオフすることによって、高度な絶縁抵抗と耐電圧を確保する開閉装置。
【請求項２】
半導体スイッチ（Ｓ２）の半導体スイッチ回路のゲート駆動回路は半導体スイッチのオン・オフばかりでなく電流制御、再起電圧の制御、過電圧、過電流、過負荷保護、さらに半導体スイッチ保護の機能も持ったゲート制御回路とした請求項１に記載の開閉装置。
【請求項３】
半導体スイッチ（Ｓ２）はゲート駆動回路によって駆動されるが、ゲート駆動回路は（Ｓ１）がオンされる時、半導体スイッチ（Ｓ２）をオフ状態にして、Ｓ１のオン時の電圧の上昇による誤動作を防止する請求項１から２に記載の開閉装置。
【請求項４】
リードスイッチは接点のオン時オフ時に機械的振動によるチャタリングを起こす時間帯があるが、その時間帯を避けるだけの時間的余裕「Ｔｄ」を持たせたシーケンスで制御される請求項１から３に記載の開閉装置。
【請求項５】
直流電流のオン・オフを半導体スイッチ（Ｓ２）のゲート制御で行うが、高速な再起電圧上昇による周辺機器の誤動作を防ぐために、ドレインーゲート間にコンデンサ、ゲートーソース間に抵抗をつないで電圧変化スピードを遅くするミラー積分回路とするが、さらに電圧非線形のコンデンサを用いて、再起電圧波形を制御して半導体スイッチの電力損を削減する請求項１から４に記載の開閉装置。
【請求項６】
双方向の直流電流に、さらに交流電流にも本開閉装置を適用可能にするために、Ｓ１の後に、ダイオード整流ブリッジを介してＳ２の半導体スイッチ部を接続する請求項１から５に記載の開閉装置。
【請求項７】
半導体スイッチ（Ｓ２）の通電損失による発熱を低減するためにゲートにシュレシュホールド電圧Ｖｔｈより大きな電圧を与えて低オン電圧の飽和駆動とし、またオフするにはゲートに負電圧を与えて完全なゲート遮断状態にする請求項１から６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、小型のリレー開閉装置に関し、特に高速で、長寿命、高い信頼性を持つリードリレーが、小型であるため多くの電子回路で使われているが、接点の通電能力は数Ａあるのに、電力容量は数１０ワットから最大１００ワットであったが、これを開閉できる電流を増やすために半導体スイッチを並列に接続して、オン時オフ時は半導体スイッチが通電遮断する、小型高速な直流ハイブリッド開閉装置にする。
【背景技術】
【０００２】  本発明は、直流電流の開閉装置に関し、リードスイッチの長所を生かし、欠点である、通電電流の遮断が出来ない点を解消しようとするものである。リードスイッチの電流遮断能力は、極めて小さく接点の消耗を考えると、直流電力の制御は限定的である。【０００３】  リードスイッチの特徴は、ガラス管に封じ込まれた電極を外部からの磁界によって駆動することにあって、絶縁抵抗が非常に高く、１０の１２乗オーム以上であること、これをハイブリッド化することで無くさない工夫が必要である。【０００４】  従来のハイブリッド開閉器は絶縁ゲートを持ったパワー用ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴなどで，直流電流のオン・オフが可能ではあるが、半導体デバイスではリードスイッチに較べれば、リーク電流が大きい。リードスイッチの特徴を失わないために、半導体回路にもリードスイッチを直列に入れて絶縁抵抗を確保しなければならない。【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原理を、高速で多頻度、高絶縁抵抗なリードリレー開閉器へ応用しようとするものである。
【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、双投接点のｂ接点を使って半導体スイッチを制御しているので、半導体の通電はａ接点からｂ接点までのトランスファー時間のみである。また、ａ接点は開極して最大の距離になってから後に遮断して再起電圧が発生するという理想の手順になっている。
しかし、遮断状態ではｂ接点から高抵抗ではあるがプルアップ抵抗（１００ｋΩ以上）を介してわずかな電流が流れる。その電流はリーク電流となって、遮断時に連続してあるのでリードスイッチの特徴である高抵抗の遮断特性が無くなる問題があった。【０００８】  また、リードスイッチは駆動構造からノルマル・オープンのａ接点のみの構成が基本であり、ｂ接点が無いので半導体スイッチのゲート駆動回路は、別に用意する必要がある。また、リーク電流をなくする目的で半導体回路に直列にリーク電流遮断用のリードスイッチＳ１を設けるがその駆動もまた、別に用意する必要がある。さらにリーク電流遮断用のリードスイッチＳ１がオンする時の電圧で半導体回路にパルス的電流が流れるのを阻止する必要もあるためにゲートを遮断状態にしてからリードスイッチＳ１をオンする必要もある。【０００９】  本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、その目的はリードスイッチをハイブリッドスイッチに適用する場合必要な、シーケンス、ゲート駆動電源、タイマー回路など高信頼の絶縁電源を用意してさらに信頼性を上げる手段を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】  補助のリードリレーＳ１を半導体スイッチ回路に直列に入れて、半導体スイッチで電流の遮断完了後は速やかにＳ１を開放して高い絶縁抵抗を確保する。補助のリードリレーＳ１は通電される時間が短く、かつ半導体スイッチのプルアップ抵抗のリーク電流やもれ電流などのほとんど電流の無い状態なので無アークで遮断できる。【００１１】  負荷の開閉では、インダクタンスの大きな負荷の場合、遮断時過電圧が発生する、またコンデンサの負荷の場合、投入時ラッシュ電流が発生するが、半導体スイッチＳ２のゲート制御回路４では様々は電流・電圧制御することができる。ゲート制御回路４は例えば過電流、過電圧保護も兼ねた制御を行う、さらに電流パターン制御、再起電圧のパターン制御、過電力保護、半導体スイッチ自身の温度高保護の機能を行うこともできる。ここでは、部品数が少なく、単にドレインーゲート間にコンデンサＣ１を接続してミラー積分回路を構成して半導体スイッチのオン・オフをＲ１とＣ１で遅く制御する機能を持ったゲート制御回路を説明する。【００１１】  これらの動作を一括管理するために、図には書いて無いがシーケンス制御回路があって、従来の単独のリードリレーのように外部からの単独のオン・オフ信号によって、内部で決められたシーケンスが動作するプログラム化されたシーケンサーによって、順次動作することで、従来の最大のリードリレーが、耐圧１ｋＶ、通電電流２Ａ程度、遮断電流０．１Ａだったのが、電流遮断容量が上がることで。電力容量を従来の１００Ｗ程度から１ｋＷ以上と大幅に増やし、直流電力を高速に開閉できる無アーク遮断のリードリレー開閉装置を実現する。
【発明の効果】
【００１２】  リードスイッチは小型で、長寿命で、不活性のガス中でガラス管に封じ切られているために、金属接点でありながら外部環境によらずに、水、海水などの汚染の問題がないため接点の接触不良も少ない。さらにリードリレーの駆動機構は単純なので、高速で故障が少ない。
リードリレーをハイブリッド開閉装置に用いれば、電流遮断能力のほとんど期待できないリードリレーが、半導体スイッチとのハイブリッド遮断で、通電能力電流の遮断能力を得ることができ、電力のオン・オフが高速に可能になる。【００１３】  リードスイッチに本発明のハイブリッド化を適用すれば、リードスイッチの利用分野が広がる。通電容量は接点部の発熱による温度上昇で決まるので、通電容量を増すには接点部の接触圧力、即ち磁界を増し、さらに冷却を行えばよい。ガラス管で不活性ガス中に封じ切られているリードスイッチを絶縁油で満たし冷却と絶縁能力を増やすことなど、さらにリードスイッチの発展が考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に係る２つのリードリレーを用い、半導体スイッチとゲート制御回路を持つハイブリッド開閉装置回路と各スイッチのオン・オフのシーケンスを示す図である。
【図２】本発明に係るリードリレーハイブリッド開閉装置の実施形態として半導体スイッチのゲートに光結合スイッチなどを付加した回路図である。
【図３】本発明に係るリードリレーハイブリッド開閉装置の各スイッチの詳細シーケンスを示す回路図である。
【図４】本発明に係るリードリレーハイブリッド開閉装置の電流可逆の実施形態を示す回路図である。
【図５】本発明に係るリードリレーハイブリッド開閉装置の半導体スイッチＳ２の詳細を示し、再起電圧の上昇を非線形コンデンサで始め遅く、その後急速に上昇する実施形態を示す回路図である。
【図６】本発明に係るリードリレーハイブリッド開閉装置の半導体スイッチＳ２の詳細を示し、ゲート駆動を絶縁ゲート駆動電源でＭＯＳＦＥＴを飽和領域でオン、負電圧でオフする実施形態を示す回路図である。
【図７】本発明に係るゲート制御回路の機能をブロック線図で示す。
【発明を実施するための形態】
【００１５】  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、本発明に係るリードリレーハイブリッド開閉装置の実施形態を示す回路図である。（請求項１）
図１は、直流電力回路において、本開閉器は端子１，２を２線間に結合して開閉器とする。電流は端子１から、端子２へと流すことが出来る。電流を流すには、補助リードリレーＳ１をオンし、その後、ゲート制御回路により半導体スイッチＳ２をオンする。そこで電流は端子１から端子２へと流れる。最後にリードリレーＳ３をオンすると、リードリレーＳ３の電流路の方が電気抵抗は小さい、または半導体スイッチのオン電圧があるためほとんどの電流はリードリレーＳ３を流れる。大掛かりな半導体の徐熱対策は不要である。
【００１６】  端子１から端子２へ流れる電流を遮断するには、その逆のシーケンスで、まずＳ３をオフする。リードスイッチの接点が開くと接点間にアーク電圧Ｖａｒｃが発生、その電圧は電流が数Ａから１００Ａ程度では１０Ｖから２０Ｖ程度で金属の種類や条件によって異なる。
【００１７】  この電圧ＶａｒｃによってＳ３の電流はＳ１と半導体スイッチ回路に転流する。その転流に要する時間ＴｎはＳ１とＳ２、Ｓ３のループ回路のインダクタンスＬｎは数１０ｎＨ程度と電流Ｉａｒｃは数Ａであるので、転流時間Ｔｎ＝Ｌｎ＊Ｉａｒｃ／Ｖａｒｃ  で数１０ナノ秒以下と短時間である。この時間ではアークは発生しないか、アークが発生しても、電極の温度は上がらないので電極は消耗しない。
【００１８】  電流の転流、遮断の後、リードリレーの開極が進み、リードリレーＳ３は耐電圧を回復する。その間、Ｓ１とＳ２で通電している。Ｓ１が十分開極した後、半導体スイッチＳ２がゲート制御回路によって、電流を遮断する。
再起電圧は半導体スイッチに発生するが、近年のシリコンカーバイド半導体のＭＯＳＦＥＴは１ｋＶを越える高い電圧に耐える。また電流遮断時間はＭＯＳＦＥＴの高速スイッチング特性によって数十ナノ秒であるので、誘導性の負荷の場合は、Ｌ＊ｄＩ／ｄｔの再起電圧が高くなるがバリスタなどで過電圧を吸収するのが簡単だ。
【００１９】  しかし急峻な電流遮断による電子回路へのサージ対策やノイズ対策が必要である。サージ過電圧はバリスタやアレスタでカットできるがゲート制御回路４は高機能な過渡時の電圧、電流を制御する開閉装置とすることが可能である。ゲート制御回路４は、ここに電圧電流をＰＴ、ＣＴで検出して、アナログ制御回路でフイードバックするＦＢ回路とＯＰオペアンプで制御する。また過電流を保護することも、異常な電圧を検出して、多彩な保護機能を持つことは従来の技術で可能である、図７にブロック線図で示すが、ここでは別な電源無しで部品数が少なく効果の大きな方法を実施形態の（請求項５）を説明する。
【００２０】  半導体スイッチＳ２で電流遮断後、補助リードリレーをオフするが電流がないので無アークで開極する。電流遮断後は、２つのリードリレーが開極しているので、半導体スイッチやゲート制御回路のリーク電流は完全に遮断されている。
【００２１】〔第２実施形態：図２〕図２は、本発明に係るリードリレーハイブリッド開閉装置の第１実施形態のゲート制御回路の詳細を示す回路図である。（請求項２、３）制御のタイムシーケンスを図３に示すが、請求項４に係るタイミングを示す。リードスイッチは接点のオン時オフ時に機械的振動によるチャタリングを起こす時間帯があるが、その時間帯を避けるだけの時間的余裕「Ｔｄ」を持たせたシーケンスで制御される。チャタリングは接点のオン時にバウンスすることで多く発生するが、オフ時も可能性があるので必要十分な時間余裕Ｔｄを設定する。
【００２２】  半導体スイッチＳ２のゲートは光結合スイッチＳ２１とＳ２２の２つがＭＯＳＦＥＴのゲートを制御する、Ｒｇは数１００Ωのゲート抵抗でＭＯＳＦＥＴの寄生振動を抑制する。コンデンサＣ１と抵抗Ｒ１が半導体スイッチのオン・オフの時間を遅くするミラー積分回路を構成する。本実施例ではＣ１は０．０２μＦ、Ｒ１は１００Ω、Ｒ２は数１００ｋΩである。Ｒ２は高抵抗であってＣ１の放電抵抗でもある。
【００２３】（請求項３にかかる説明）
光結合スイッチＳ２２は補助リードリレーＳ１がオンするときの電圧上昇でＣ１を介してゲート電位が上昇して、その瞬間だけ、ＭＯＳＦＥＴに電流が流れるのを防ぐ。Ｓ２２のオンのタイミングはＳ１のオンの直前で、Ｃ１が充電されれば、速やかにオフされる。図３に時間の流れと開閉装置の開状態から、閉状態、その後、開状態に至る各スイッチ状態を示す。
【００２４】  請求項５に係るオン・オフの速度を制御するにかかる説明は、
直流電流を半導体スイッチのゲート電圧で単純に方形波によって制御すると開閉器の電圧の上昇と降下のスピードが数１０ナノ秒と速すぎるため、これを従来のアーク減流遮断の数１０マイクロ秒と遅くするゲート制御回路を付加する。光結合スイッチＳ２１はそのオフでＭＯＳＦＥＴのオンし、Ｓ２１がオンでＭＯＳＦＥＴをオフにと制御するが、Ｓ２１がオンで、Ｒ１を介してゲートはソースにつながれる。ＭＯＳＦＥＴの活性領域の高い電圧電流制御特性、トランスコンダクタンスがあるので、敷居値電圧Ｖｔｈでのミラー積分効果でＲ１×Ｃ１の逆数で決まる再起電圧上昇スピードにすることが出来る。再起電圧Ｖｒは、
Ｖｒ＝Ｖｔｈ＋Ｖｔｈ＊（Ｒ１×Ｃ１）−１＊Ｔｉｍｅ
これは、特許文献２「再起電圧制御装置」で、すでに開示されている。
【００２５】  請求項６に係る説明を図４で示すが本開閉器には、直流回路であっても、電流が双方に流れる場合もある。さらに商用周波数の交流電流にも本開閉装置を適用可能にするために、Ｓ１の後に、ダイオード整流ブリッジを介してＳ２の半導体スイッチ部を接続する。この場合、ダイオードブリッジには短時間のみ電流が流れるので発熱や熱除去の心配はない。
【００２６】  請求項７に係る説明を図５に示すが、半導体スイッチ部Ｓ２のＭＯＳＦＥＴを飽和駆動するためにゲート電圧を敷居電圧Ｖｔｈより大きな電圧のゲート電圧を与えて、ＭＯＳＦＥＴのオン電圧を低くする。損失が減り、より大きな電流を流せる。ＭＯＳＦＥＴをオフするには、ゲート電圧として負電圧を与えることで安定したゲート遮断状態にする。光結合スイッチＳ２１を絶縁されたゲート電圧発生装置にパルス電圧、例えばプラス１５ＶでＭＯＳＦＥＴをオンし、マイナス７ＶでＭＯＳＦＥＴをオフするが、その時、Ｃ１，Ｒ１によって電圧変化スピードを遅くすることも可能になって、サージ電圧の発生を回避することができる。しかし、遮断時間が掛かる分、半導体スイッチでのジュール損がふえるので温度上昇に注意する必要がある。半導体スイッチのジュール損を下げる方策としてＣ１として電圧非線形コンデンサを使う。セラミックコンデンサでは、静電容量が１０分の１なるものがあるが、これでは再起電圧の低い間、Ｃ１の容量が大きく、高くなるにしたがってＪカーブで再起電圧が高くなるので遮断時間が短くなって半導体のジュール損を下げることができる。
【００２７】
【産業上の利用可能性】
【００２８】  リードリレーや水銀リレーは、小電流では長寿命で、小形で高速オン・オフが可能であるが、遮断電流はほとんど期待できなかった。本発明によれば、電流の開閉に関して、ＭＯＳＦＥＴなど半導体スイッチを使って、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ため、リードリレーによって従来の１０倍以上の電力の高速オン・オフが可能になる。【００２９】  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、さらに電子回路において重要な電源開閉時のノイズ発生に考慮して、ラッシュ電流制御機能、再起電圧の上昇制御をゲート制御回路により行う開閉器を示した。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接点の溶融、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開閉器として使うことができる。
【符号の説明】
【００３０】１：補助リードリレーＳ１
２：半導体スイッチＳ２
３：リードリレーＳ３
４：ゲート制御回路
５：ＭＯＳＦＥＴ
６：ダイオードブリッジ
７：光結合スイッチ
８：絶縁ゲート駆動電源
【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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