(57)【要約】【課題】直流電源と負荷との間の直流ラインをコストの上昇を招くことなく安全に高い信頼性をもって開閉できる直流開閉装置を提供する。【解決手段】直流電源と負荷との間の直流ラインに開閉器接点を挿入接続し、この開閉器接点に半導体スイッチを並列接続する。そして、負荷への電源投入に際し、前記半導体スイッチをオンしてから前記開閉器接点を閉じる。電源遮断に際しては、前記開閉器接点を開いてから前記半導体スイッチをオフする。【選択図】図１
2015115173.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源と負荷との間の直流ラインを開閉する開閉器接点と、
前記開閉器接点に並列接続された半導体スイッチと、
前記負荷への電源投入に際し、前記半導体スイッチをオンしてから前記開閉器接点を閉じ、電源遮断に際し、前記開閉器接点を開いてから前記半導体スイッチをオフする制御手段と、
を備えることを特徴とする直流開閉装置。
【請求項２】
前記制御手段は、前記負荷への電源投入に際し、前記半導体スイッチを所定時間だけオンしそのオン期間中に前記開閉器接点を閉じ、電源遮断に際し、前記半導体スイッチを所定時間だけオンしそのオン期間中に前記開閉器接点を開く、
ことを特徴とする請求項１に記載の直流開閉装置。
【請求項３】
前記開閉器接点に対する前記半導体スイッチの並列接続ラインに挿入接続された逆流防止用ダイオード、
をさらに備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の直流開閉装置。
【請求項４】
前記制御手段は、前記直流電源とは別系統の制御用電源の直流電圧により動作して前記開閉器接点および前記半導体スイッチを駆動する駆動部と、入力される制御信号に応じて前記駆動部を制御する制御部とを含む、
ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の直流開閉装置。
【請求項５】
前記開閉器接点は、開閉器の常開接点であり、
前記駆動部は、前記制御用電源の直流電圧を所定レベルの直流電圧に変換する電圧変換回路、この電圧変換回路の出力電圧を前記半導体スイッチの動作用電圧として同半導体スイッチに供給するためのフォトカプラ、前記制御用電源の直流電圧を前記開閉器の動作用電圧として同開閉器に供給するためのスイッチ素子を有する、
前記制御部は、前記フォトカプラおよび前記スイッチ素子を前記制御信号に応じて制御する、
ことを特徴とする請求項４に記載の直流開閉装置。
【請求項６】
前記半導体スイッチのオフに伴い同半導体スイッチ内の電荷に対する放電路を形成する放電用抵抗、
をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の直流開閉装置。
【請求項７】
前記放電用抵抗に並列接続され、前記半導体スイッチがオンからオフへの切換時に所定時間だけオンして同半導体スイッチ内の電荷に対する放電路を形成する放電用スイッチ素子、
をさらに備えることを特徴とする請求項６に記載の直流開閉装置。
【請求項８】
前記開閉器接点は、前記直流電源と前記負荷との間の正側通電ラインを開閉する第１開閉器接点、および前記直流電源と前記負荷との間の負側通電ラインを開閉する第２開閉器接点であり、
前記半導体スイッチは、前記第１開閉器接点に並列接続されており、
前記制御手段は、前記負荷への電源投入に際し、先ず前記第２開閉器接点を閉じてから前記半導体スイッチをオンし次に前記第１開閉器接点を閉じ、電源遮断に際し、先ず前記第１開閉器接点を開いてから前記半導体スイッチをオフし次に前記第２開放接点を開く、
ことを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の直流開閉装置。
【請求項９】
前記制御手段は、前記負荷への電源投入に際し、先ず前記第２開閉器接点を閉じてから前記半導体スイッチを所定時間だけオンしそのオン期間中に前記開閉器接点を閉じ、電源遮断に際し、先ず前記半導体スイッチを所定時間だけオンしそのオン期間中に前記第１開閉器接点を開き同オン期間の経過後に前記第２開放接点を開く、
ことを特徴とする請求項８に記載の直流開閉装置。
【請求項１０】
前記直流電源と前記負荷との間の正側通電ラインにおける前記半導体スイッチの接続位置と前記負荷との間に挿入接続されたインダクタと、
前記正側通電ラインにおける前記インダクタの接続位置と前記負荷との間に一端が接続され、前記直流電源と前記負荷との間の負側通電ラインに他端が接続されたコンデンサと、
前記直流電源と前記負荷との間の負側通電ラインにアノードが接続され、前記正側通電ラインにおける半導体スイッチの接続位置と前記インダクタの接続位置との間にカソードが接続された回生ダイオードと、
をさらに備え、
前記制御手段は、前記半導体スイッチをオンすべき期間において同半導体スイッチをオン，オフスイッチングする、
ことを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれかに記載の直流開閉装置。
【請求項１１】
前記開閉器接点に対する前記半導体スイッチの並列接続ラインに挿入接続された電流検出用抵抗と、
前記電流検出用抵抗に生じる電圧が所定値以上の場合にオンし、前記半導体スイッチのゲート電位を下降させて同半導体スイッチをオフせしめる過電流防止用スイッチ素子と、
をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至請求項１０のいずれかに記載の直流開閉装置。
【請求項１２】
前記制御手段は、前記過電流防止用スイッチ素子のオン時に過電流発生の旨を報知する、
ことを特徴とする請求項１１に記載の直流開閉装置。
【請求項１３】
前記開閉器接点の開閉状態を検知する開閉検知手段をさらに備え、
前記制御手段は、前記開閉検知手段の検知結果が前記駆動部に対する制御内容と異なる場合に前記開閉器接点が異常である旨を報知する、
ことを特徴とする請求項１乃至請求項１２のいずれかに記載の直流開閉装置。
【請求項１４】
前記制御用電源の直流電圧により充電されるコンデンサを有し、そのコンデンサの電圧を前記制御部のバックアップ用電源電圧として出力する制御用電源回路と、
前記制御用電源の直流電圧レベルを検知する電圧検知手段と、
をさらに備え、
前記制御部は、前記電圧検知手段の検知結果が所定値未満の場合に、前記制御信号にかかわらず、前記直流ラインを遮断するべく前記駆動部を制御する、
ことを特徴とする請求項１乃至請求項１３のいずれかに記載の直流開閉装置。
【請求項１５】
前記制御部は、前記制御用電源から前記前記コンデンサへの通電路を定期的に遮断し、その遮断時の前記コンデンサの電圧レベルが規定値未満の場合に前記コンデンサが異常である旨を報知する、
ことを特徴とする請求項１４に記載の直流開閉装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直流電源と負荷との間の直流ラインを開閉する直流開閉装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
直流電源と負荷との間の直流ラインを活性状態で開閉する場合、使用する開閉器の接点にアークが発生し、接点に焼損や溶着が生じることがある。
【０００３】
このような不具合への対策として、例えば、接点が大きな大型開閉器の採用、開閉器への不活性ガスの封入などがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１１０８４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
大型開閉器の採用や不活性ガスの封入などはコストの大幅な上昇を招くものであり、安全対策として十分ではないのが実情である。
【０００６】
本発明の目的は、直流電源と負荷との間の直流ラインをコストの上昇を招くことなく安全に高い信頼性をもって開閉できる直流開閉装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１の直流開閉装置は、直流電源と負荷との間の直流ラインを開閉する開閉器接点と、この開閉器接点に並列接続された半導体スイッチと、前記負荷への電源投入に際し、前記半導体スイッチをオンしてから前記開閉器接点を閉じ、直流ラインの遮断に際し、前記開閉器接点を開いてから前記半導体スイッチをオフする制御手段と、を備える。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の直流開閉装置は、直流電源と負荷との間の直流ラインをコストの上昇を招くことなく安全に高い信頼性をもって開閉できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１実施形態の構成を示すブロック図。
【図２】第１実施形態の動作を説明するためのタイムチャート。
【図３】第２実施形態の動作を説明するためのタイムチャート。
【図４】第３実施形態の構成を示すブロック図。
【図５】第３実施形態の動作を説明するためのタイムチャート。
【図６】第４実施形態の構成を示すブロック図。
【図７】第４実施形態の動作を説明するためのタイムチャート。
【図８】第５実施形態の構成を示すブロック図。
【図９】第５実施形態の動作を説明するためのタイムチャート。
【図１０】第６実施形態の構成を示すブロック図。
【図１１】各実施形態の応用例を示すブロック図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
［１］第１実施形態  
以下、本発明の第１実施形態について図面を参照して説明する。  
図１において、１は直流電源で、例えば複数の太陽電池パネル（ＰＶ）を直列接続してなる太陽電池ストリングであり、高電圧（例えば400Ｖ〜1000Ｖ）および大電流（例えば10Ａ〜20Ａ）を出力する。この直流電源１に、正側直流ラインＬ１および負側直流ラインＬ２を介して負荷２が接続される。負荷２は、直流電源１の出力により動作する電気機器であれば、どのようなものでもよい。
【００１１】
正側直流ラインＬ１に、その正側直流ラインＬ１を開閉するための開閉器接点（第１開閉器接点）、例えば電磁式リレー（以下リレーという）３の常開接点３ａが、挿入接続される。開閉器接点としては、リレーの常開接点に限らず、電磁開閉器や電磁接触器などの接点を用いてもよい。
【００１２】
この常開接点３ａに対し、電圧サージ抑制用のサージ電圧吸収素子である例えばサージアブソーバ４が並列接続されるとともに、半導体スイッチである例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）６のコレクタ・エミッタ間が並列接続される。
【００１３】
ＩＧＢＴ６は、直流電源１の高電圧および大電流に耐え得る性能を持つ。このＩＧＢＴ６の並列接続ラインに、逆流防止用ダイオード５が挿入接続される。逆流防止用ダイオード５は、太陽光が当たらなくなって直流電源１に電圧低下が生じた場合など、負荷２からＩＧＢＴ６の寄生ダイオード６ａを通して直流電源１側に流れようとする逆電流を阻止する。半導体スイッチとしては、ＩＧＢＴに限らず、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor FET）を用いてもよい。
【００１４】
ＩＧＢＴ６のゲート・エミッタ間に、放電用抵抗７が接続される。放電用抵抗７は、ＩＧＢＴ６のオフに伴い同ＩＧＢＴ６内の電荷に対する放電路を形成する。この放電路の形成により、図示破線で示すように、ＩＧＢＴ６内の電荷が速く抜けて、ＩＧＢＴ６のオフによる電源遮断が良好な応答性をもって完了する。
【００１５】
ＩＧＢＴ６のゲート・エミッタ間に駆動部１０が接続され、この駆動部１０に制御部であるところのマイクロコンピュータ２０が接続される。駆動部１０およびマイクロコンピュータ２０は、直流電源１とは別系統の制御用電源８０に、制御用電源回路５０を介して接続される。制御用電源８０は、駆動部１０およびマイクロコンピュータ２０を動作させるための直流電圧（例えば12Ｖ〜24Ｖ）Ｖｃを出力する。
【００１６】
駆動部１０は、制御用電源回路５０の逆流防止用ダイオード５１を介して供給される直流電圧Ｖｃにより動作し、マイクロコンピュータ２０の指令に応じてリレー３およびＩＧＢＴ６を駆動する。マイクロコンピュータ２０は、制御用電源回路５０から供給される直流電圧により動作し、外部機器から入力される制御信号に応じて駆動部１０を制御する。これら駆動部１０およびマイクロコンピュータ２０により、常開接点３ａおよび半導体スイッチ６を駆動制御する制御手段が構成される。
【００１７】
駆動部１０は、直流電圧Ｖｃを所定レベル（例えば5Ｖ）の直流電圧Ｖａに変換（降圧）する電圧変換回路たとえば３端子レギュレータ１１、この３端子レギュレータ１１の出力電圧Ｖａを、半導体素子を制御する所定のレベル（例えば12Ｖ〜24Ｖ）の直流電圧Ｖｂに変換（昇圧）する電圧変換回路たとえばＤＣ−ＤＣコンバータ１２、このＤＣ−ＤＣコンバータ１２の出力電圧ＶｂをＩＧＢＴ６の動作用電圧として同ＩＧＢＴ６のゲート・エミッタ間に供給するためのフォトカプラ１４、直流電圧Ｖｃをリレー３の動作用電圧として同リレー３に供給するためのスイッチ素子たとえばＮＰＮ型トランジスタ１７などを有する。
【００１８】
フォトカプラ１４は、発光ダイオード１４ａおよびフォトトランジスタ１４ｂからなる。発光ダイオード１４ａのアノードは、抵抗１５を介して３端子レギュレータ１１の正側出力端に接続される。発光ダイオード１４ａのカソードは、マイクロコンピュータ２０のＩＧＢＴ制御用端子に接続される。フォトトランジスタ１４ｂのコレクタは、抵抗１３を介してＤＣ−ＤＣコンバータ１２の正側出力端に接続される。フォトトランジスタ１４ｂのエミッタは、ＩＧＢＴ６のゲートに接続される。そして、ＩＧＢＴ６のエミッタがＤＣ−ＤＣコンバータ１２の負側出力端に接続される。
【００１９】
すなわち、マイクロコンピュータ２０のＩＧＢＴ制御用端子が高レベル（論理“１”）のときは発光ダイオード１４ａが発光せず、マイクロコンピュータ２０のＩＧＢＴ制御用端子が低レベル（論理“０”）のときに発光ダイオード１４ａが発光する。この発光ダイオード１４ａの発光によりフォトトランジスタ１４ｂがオンし、そのフォトトランジスタ１４ｂのオンによりＩＧＢＴ６がオンする。
【００２０】
マイクロコンピュータ２０は、３端子レギュレータ１１の出力電圧Ｖａが入力される電源端子を有し、その電源端子への入力電圧により動作する。
【００２１】
リレー３の一端は、制御用電源回路５０の逆流防止用ダイオード５１を介して制御用電源８０の正側端子に接続される。リレー３の他端は、トランジスタ１７のコレクタ・エミッタ間を介して制御用電源８０の負側端子に接続される。そして、トランジスタ１７のベースが抵抗１６を介してマイクロコンピュータ２０のリレー制御用端子（第１リレー制御用端子）に接続される。
【００２２】
すなわち、マイクロコンピュータ２０のリレー制御用端子が低レベル（論理“０”）のとき、トランジスタ１７はオフ状態を維持する。このトランジスタ１７のオフにより、リレー３が消勢されて常開接点３ａが開状態を維持する。マイクロコンピュータ２０のリレー制御用端子が高レベル（論理“１”）のとき、トランジスタ１７がオンする。このトランジスタ１７のオンにより、リレー３が付勢されて常開接点３ａが閉じる。
【００２３】
制御用電源回路５０は、制御用電源８０への電流の逆流を防止する逆流防止用ダイオード５１、この逆流防止用ダイオード５１を介して制御用電源８０の正側端子にソースが接続されたＰ型ＭＯＳＦＥＴ５２、このＭＯＳＦＥＴ５２のドレインと制御用電源８０の負側端子との間に接続されたコンデンサ５３、このコンデンサ５３に並列接続された抵抗５４，５５の直列回路、ＭＯＳＦＥＴ５２のソース・ゲート間に動作用電圧を印加する抵抗５６、ＭＯＳＦＥＴ５２のゲートとマイクロコンピュータ２０のＭＯＳＦＥＴ制御用端子との間の通電路に挿入接続された抵抗５７を有する。ＭＯＳＦＥＴ５２は、寄生ダイオード５２ａを有する。抵抗５５に生じる電圧は、マイクロコンピュータ２０のコンデンサ電圧監視端子に入力される。
【００２４】
マイクロコンピュータ２０のＭＯＳＦＥＴ制御用端子が低レベル（論理“０”）のときにＭＯＳＦＥＴ５２がオンし、制御用電源８０の直流電圧によりコンデンサ５３が充電される。制御用電源８０に電圧低下や停電などの異常が発生した場合、充電されたコンデンサ５３の電圧がＭＯＳＦＥＴ５２の寄生ダイオード５２ａを介して３端子レギュレータ１１にバックアップ用電源電圧として供給される。したがって、制御用電源８０に電圧低下や停電などの異常が発生しても、コンデンサ５３の電圧が所定値未満に低下するまでの所定時間は、３端子レギュレータ１１からマイクロコンピュータ２０の電源端子への動作用電圧供給が続き、マイクロコンピュータ２０の動作が継続する。この所定時間は、マイクロコンピュータ２０が電源遮断するのに必要な同マイクロコンピュータ２０の処理時間を含む。
【００２５】
マイクロコンピュータ２０のＭＯＳＦＥＴ制御用端子が高レベル（論理“１”）のときにＭＯＳＦＥＴ５２がオフしコンデンサ５３への充電経路が遮断され、そのコンデンサ５３の電圧が抵抗５４，５５の分圧回路を介してマイクロコンピュータ２０のコンデンサ電圧監視端子に入力される。マイクロコンピュータ２０は、コンデンサ電圧監視端子への入力電圧（抵抗５５に生じる電圧）を監視して同コンデンサ５３の寿命切れ等の異常の有無を判定するべく、ＭＯＳＦＥＴ５２を定期的（例えば１分毎）に一定時間（例えば１秒間）だけオフする。
【００２６】
制御用電源８０に抵抗６１，６２の直列回路が接続され、その抵抗６２に生じる電圧がマイクロコンピュータ２０の電圧監視用端子に入力される。
【００２７】
そして、異常報知用の報知器６０がマイクロコンピュータ２０に接続される。報知器６０としては、文字や画像を表示する液晶ディスプレイ、ブザー音やメロディ音を発する電子音源など、そのいずれを用いてもよい。なお、マイクロコンピュータ２０が通信ネットワーク等を介して接続される上位のコンピュータに、報知器６０を接続することも可能である。
【００２８】
マイクロコンピュータ２０は、主要な機能として次の（１）〜（６）の手段を有する。  
（１）制御信号のオンに基づく電源投入に際し、ＩＧＢＴ６をオンしてからリレー３の常開接点３ａを閉じ、制御信号のオフに基づく電源遮断に際し、リレー３の常開接点３ａを開いてからＩＧＢＴ６をオフする開閉制御手段。
【００２９】
（２）電圧監視用端子への入力電圧（抵抗６２に生じる電圧）に基づき、制御用電源８０の直流電圧Ｖｃのレベルを検知する電圧検知手段。
【００３０】
（３）上記電圧検知手段の検知レベルが予め定められた設定値未満の場合、制御用電源８０に電圧低下や停電などの異常が発生したと判定する電源異常判定手段。
【００３１】
（４）制御用電源回路５０のＭＯＳＦＥＴ５２を定期的たとえば１分毎に一定時間たとえば１秒間だけオフ（コンデンサ５３への充電経路を遮断）し、そのオフ時のコンデンサ電圧監視用端子への入力電圧（抵抗５５に生じる電圧）が規定値未満の場合、コンデンサ５３が寿命切れ等の異常であると判定するコンデンサ異常判定手段。
【００３２】
（５）電源投入時（ＩＧＢＴ６がオン状態、リレー３の常開接点３ａが閉状態）、上記電源異常判定手段および上記コンデンサ異常判定手段のいずれかが異常を判定した場合、上記制御信号にかかわらず強制的に電源遮断するべく、リレー３の常開接点３ａを開いて次にＩＧＢＴ６をオフする異常制御手段。
【００３３】
（６）電源投入時（ＩＧＢＴ６がオン状態、リレー３の常開接点３ａが閉状態）、上記電源異常判定手段および上記コンデンサ異常判定手段のいずれかが異常を判定した場合、その旨を報知器６０によりユーザまたは保守管理者に報知する報知手段。
【００３４】
つぎに、上記のように構成された直流開閉装置の動作を図２のタイムチャートを参照しながら説明する。  
制御信号がオフからオンに切換わったとき、マイクロコンピュータ２０は、負荷２への電源投入を行うべく、先ずＩＧＢＴ６をオンし、そのオンから所定時間ｔ１後にリレー３を付勢して常開接点３ａを閉じる。所定時間ｔ１は、適宜に設定可能である。要は、ＩＧＢＴ６のオンの後で常開接点３ａが閉じればよい。
【００３５】
ＩＧＢＴ６がオンしたとき、直流電源１の直流電圧Ｅ（レベルＥ２）が、逆流防止用ダイオード５およびＩＧＢＴ６を介して負荷２に印加される。このとき、負荷２に実際に加わる電圧のレベルは、逆流防止用ダイオード５およびＩＧＢＴ６の直列回路の電圧降下分（＝Ｅ２−Ｅ１）だけ直流電圧ＥのレベルＥ２よりも低いＥ１となる。そして、このとき、常開接点３ａの両端には、逆流防止用ダイオード５およびＩＧＢＴ６の直列回路に生じる電圧（＝Ｅ２−Ｅ１）が加わる。
【００３６】
この低い電圧（＝Ｅ２−Ｅ１）が常開接点３ａの接点間に加わった状態で常開接点３ａが閉じるので、常開接点３ａにアークが生じない。アークが生じないので、常開接点３ａに焼損や溶着が生じることもない。
【００３７】
常開接点３ａが閉じると、直流電源１から負荷２に流れる電流のほぼ全てが常開接点３ａを通るようになり、負荷２に加わる電圧のレベルが直流電源１の直流電圧Ｅと同じレベルＥ２となる。
【００３８】
常開接点３ａが閉じる前は、逆流防止用ダイオード５およびＩＧＢＴ６の直列回路における電圧降下分とその直列回路を介して直流ラインＬ１に流れる電流とに応じて定まる電力消費があって、その電力消費に伴う発熱が逆流防止用ダイオード５およびＩＧＢＴ６に生じるが、常開接点３ａが閉じた後は、その電力消費および発熱が生じなくなる。
【００３９】
一方、制御信号がオンからオフに切換わったとき、マイクロコンピュータ２０は、電源遮断を行うべく、先ずリレー３を消勢して常開接点３ａを開き、その開から所定時間ｔ１後にＩＧＢＴ６をオフする。所定時間ｔ１は、適宜に設定可能である。要は、常開接点３ａが開いた後でＩＧＢＴ６がオフすればよい。
【００４０】
常開接点３ａが開くのに伴い、常開接点３ａ側に流れていた電流が逆流防止用ダイオード５およびＩＧＢＴ６の直列回路側に流れる。その際の常開接点３ａの接点間電圧は“Ｅ２−Ｅ１”と低いので、常開接点３ａが開くときにアークが生じることはない。アークが生じないので、常開接点３ａに焼損や溶着が生じることもない。
【００４１】
そして、ＩＧＢＴ６がオフしたとき、直流電源１から負荷２への通電が遮断される。
【００４２】
このように、常開接点３ａの開閉時のアーク発生を未然に防止できる。したがって、大型のリレー３を採用する必要はなく、アーク防止のための不活性ガスを封入するなどの処置も不要である。つまり、コストの上昇を招くことなく、直流電源１と負荷２との間の正側直流ラインＬ１を安全かつ確実に高い信頼性をもって開閉できる。
【００４３】
なお、ＩＧＢＴ６のオフ時、図示破線で示すように、ＩＧＢＴ６内の電荷が放電用抵抗７を通って負荷２側に流れる。これにより、ＩＧＢＴ６のオフが速くなり、電源遮断の応答性が良好となる。
【００４４】
制御用電源８０に電圧低下や停電などの異常が発生した場合、マイクロコンピュータ２０は、その異常発生を抵抗６２に生じる電圧の低下によって捕える。そして、マイクロコンピュータ２０は、この異常発生を捕らえたとき、制御信号がたとえオンであっても、それにかかわらず、先ずリレー３の常開接点３ａを開き、次にＩＧＢＴ６をオフする。
【００４５】
この強制的な電源遮断により、以後の不安定な開閉制御を回避することができ、安全である。
【００４６】
なお、この異常発生時、マイクロコンピュータ２０は、制御用電源回路５０のコンデンサ５３に蓄えられている電圧により、電源遮断処理を最後まで確実に実行する。また、マイクロコンピュータ２０は、この電源遮断が制御用電源８０の異常によるものであることを、報知器６０によって報知する。この報知により、ユーザや保守管理者は、強制的な電源遮断の原因が制御用電源８０の異常であることを的確に認識することができる。
【００４７】
また、マイクロコンピュータ２０は、制御用電源回路５０のＭＯＳＦＥＴ５２を定期的に一定時間だけオフし、そのオフ時のコンデンサ５３の電圧レベルが規定値未満の場合、コンデンサ５３が寿命切れ等の異常であると判定する。そして、マイクロコンピュータ２０は、この異常判定時、制御信号がたとえオンであっても、それにかかわらず、先ずリレー３の常開接点３ａを開き、次にＩＧＢＴ６をオフする。
【００４８】
この強制的な電源遮断により、コンデンサ５３が異常のまま開閉制御が続く不具合を回避することができ、安全である。また、マイクロコンピュータ２０は、この電源遮断がコンデンサ５３の異常によるものであることを、報知器６０によって報知する。この報知により、ユーザや保守管理者は、強制的な電源遮断の原因がコンデンサ５３の異常であることを的確に認識することができる。
【００４９】
［２］第２実施形態  
本発明の第２実施形態について図面を参照して説明する。  
マイクロコンピュータ２０は、第１実施形態における（１）の開閉制御手段に代えて、次の（１ａ）の開閉制御手段を有する。
【００５０】
（１ａ）制御信号のオンに基づく電源投入に際し、ＩＧＢＴ６を所定時間ｔ２（＞ｔ１）だけオンしそのオン期間中にリレー３の常開接点３ａを閉じ、制御信号のオフに基づく電源遮断に際し、ＩＧＢＴ６を所定時間ｔ２だけオンしそのオン期間中にリレー３の常開接点３ａを開く開閉制御手段。
【００５１】
他の構成は、第１実施形態と同じである。よって、その説明は省略する。
【００５２】
つぎに、図３のタイムチャートを参照しながら動作について説明する。  
制御信号がオフからオンに切換わったとき、マイクロコンピュータ２０は、負荷２への電源投入を行うべく、先ずＩＧＢＴ６を所定時間ｔ２（＞ｔ１）だけオンし、そのオン期間中にリレー３を付勢して常開接点３ａを閉じる。
【００５３】
制御信号がオンからオフに切換わったとき、マイクロコンピュータ２０は、電源遮断を行うべく、先ずＩＧＢＴ６を所定時間ｔ２（＞ｔ１）だけオンし、そのオン期間中にリレー３を消勢してリレー３の常開接点３ａを開く。要は、常開接点３ａが開くときのみＩＧＢＴ６がオンしていればよい。
【００５４】
このように、常開接点３ａの開閉時のみＩＧＢＴ６をオンすることにより、ＩＧＢＴ６における電力の消費が少なくなるとともに、ＩＧＢＴ６に対する駆動部１０側の駆動電力を低減することができる。よって、省電力化が図れる。  
他の動作は、第１実施形態と同じである。よって、その説明は省略する。
【００５５】
［３］第３実施形態  
本発明の第３実施形態について図面を参照して説明する。  
図４に示すように、放電用スイッチ素子である例えばフォトカプラ１８のフォトトランジスタ１８ｂのコレクタ・エミッタ間が、放電用抵抗７に並列接続される。
【００５６】
フォトカプラ１８は、発光ダイオード１８ａおよびフォトトランジスタ１８ｂからなる。発光ダイオード１８ａのアノードは、抵抗１９を介して３端子レギュレータ１１の正側出力端に接続される。発光ダイオード１８ａのカソードは、マイクロコンピュータ２０の放電制御用端子に接続される。
【００５７】
マイクロコンピュータ２０は、ＩＧＢＴ６のオンからオフへの切換時、フォトカプラ１８の発光ダイオード１８ａを所定時間だけオン（発光）してＩＧＢＴ６の電荷に対する放電路を形成する。
【００５８】
また、常開接点３ａに対する逆流防止用ダイオード５およびＩＧＢＴ６の並列接続ラインに、電流検出用抵抗８が挿入接続される。そして、過電流防止用スイッチ素子である例えばＮＰＮ型トランジスタ９のベース・エミッタ間が電流検出用抵抗８に並列接続され、そのトランジスタ９のコレクタがＩＧＢＴ６のゲートに接続される。トランジスタ９は、電流検出用抵抗８に生じる電圧が所定値以上の場合にオンし、ＩＧＢＴ６のゲート電位を下降させて同ＩＧＢＴ６をオフせしめる。
【００５９】
他の構成は、第１実施形態または第２実施形態と同じである。よって、その説明は省略する。
【００６０】
つぎに、図５のタイムチャートを参照しながら動作について説明する。  
マイクロコンピュータ２０は、ＩＧＢＴ制御用端子を低レベル（論理“０”）から高レベル（論理“１”）に切換えてフォトカプラ１４の発光ダイオード１４ａを発光状態から消光状態へと切換え、これによりＩＧＢＴ６をオンからオフへ切換える電源遮断時、放電制御用端子を所定時間だけ高レベル（論理“１”）から低レベル（論理“０”）に切換える。
【００６１】
放電制御用端子が低レベル（論理“０”）になると、発光ダイオード１８ａが発光してフォトトランジスタ１８ｂがオンする。このフォトトランジスタ１８ｂのオンにより、同フォトトランジスタ１８ｂのコレクタ・エミッタ間と放電用抵抗７との並列回路を介して、ＩＧＢＴ６内の電荷に対する放電路が形成される。
【００６２】
この放電路の形成により、放電用抵抗７だけの場合よりもＩＧＢＴ６内の電荷がさらに速く消滅して、ＩＧＢＴ６のオフによる電源遮断がさらに良好な応答性をもって完了する。
【００６３】
一方、ＩＧＢＴ６のオン時、逆流防止用ダイオード５およびＩＧＢＴ６に過電流が流れた場合、電流検出用抵抗８に生じる電圧が所定値以上となってトランジスタ９がオンする。トランジスタ９がオンすると、ＩＧＢＴ６のゲート電位がトランジスタ９のコレクタ・エミッタ間を通して下降する。これにより、ＩＧＢＴ６がオフし、過電流が防止される。
【００６４】
他の構成および動作は、第１実施形態または第２実施形態と同じである。よって、その説明は省略する。
【００６５】
［４］第４実施形態  
本発明の第４実施形態について図面を参照して説明する。  
図６に示すように、負側直流ラインＬ２に、その負側直流ラインＬ２を開閉するための第２開閉器接点、例えば電磁式リレー（以下リレーという）３０の常開接点３０ａが、挿入接続される。第２開閉器接点としては、リレーの常開接点に限らず、電磁開閉器や電磁接触器などの常開接点を用いてもよい。
【００６６】
リレー３０は、駆動部１０に搭載される。そして、リレー３０の一端が制御用電源８０の正側端子に接続され、リレー３０の他端はトランジスタ３２のコレクタ・エミッタ間を介して制御用電源８０の負側端子に接続される。このトランジスタ３２のベースが抵抗３１を介してマイクロコンピュータ２０の第２リレー制御用端子に接続される。
【００６７】
マイクロコンピュータ２０は、第１実施形態の（１）の開閉制御手段に代えて、次の（１ｂ）の開閉制御手段を有する。
【００６８】
（１ｂ）制御信号のオンに基づく電源投入に際し、先ずリレー３０の常開接点３０ａを閉じてからＩＧＢＴ６をオンし次にリレー３の常開接点３ａを閉じ、制御信号のオフに基づく電源遮断に際し、先ずリレー３の常開接点３ａを開いてからＩＧＢＴ６をオフし次にリレー３０の常開接点３０ａを開く開閉制御手段。
【００６９】
他の構成は、第１〜第４実施形態と同じである。よって、その説明は省略する。
【００７０】
つぎに、図７のタイムチャートを参照しながら動作について説明する。  
制御信号がオフからオンに切換わったとき、マイクロコンピュータ２０は、負荷２への電源投入を行うべく、先ずリレー３０を付勢して常開接点３０ａを閉じ、続いてＩＧＢＴ６をオンし、そのオンから所定時間ｔ１後にリレー３を付勢して常開接点３ａを閉じる。
【００７１】
制御信号がオンからオフに切換わったとき、マイクロコンピュータ２０は、電源遮断を行うべく、先ずリレー３を消勢して常開接点３ａを開き、その開から所定時間ｔ１後にＩＧＢＴ６をオフする。そして、マイクロコンピュータ２０は、ＩＧＢＴ６のオフ後、リレー３０を消勢して常開接点３０ａを開く。
【００７２】
このように、負側直流ラインＬ２にもリレー３０の常開接点３０ａを挿入接続することにより、直流ラインＬ１，Ｌ２を共に切ることができ安全性が向上する。
【００７３】
リレー３０の常開接点３０ａが開閉するタイミングは直流ラインＬ１，Ｌ２が非活性状態にあるときなので、常開接点３０ａにアークが発生することはない。  
他の動作は、第１〜第４実施形態と同じである。よって、その説明は省略する。
【００７４】
［５］第５実施形態  
図８に示すように、正側直流ラインＬ１における常開接点３ａおよび電流検出用抵抗８の相互接続点（逆流防止用ダイオード５・ＩＧＢＴ６・電流検出用抵抗８の直列回路の接続位置）と負荷２との間に、インダクタ４１が挿入接続される。
【００７５】
正側直流ラインＬ１におけるインダクタ４１の接続位置と負荷２との間に、コンデンサ４２の一端が接続される。そして、コンデンサ４２の他端が、負側直流ラインＬ２に接続される。
【００７６】
負側通電ラインにおける常開接点３０ａの接続位置と負荷２との間に、回生ダイオード４３のアノードが接続される。そして、回生ダイオード４３のカソードが、正側直流ラインＬ１における常開接点３ａおよび電流検出用抵抗８の相互接続点とインダクタ４１の接続位置との間に接続される。
【００７７】
マイクロコンピュータ２０は、図９に示すように、ＩＧＢＴ６をオンすべき期間において、同ＩＧＢＴ６を高い周波数でオン，オフスイッチングする。
【００７８】
ＩＧＢＴ６がオンしたとき、インダクタ４１に電流が流れ、インダクタ４１に電磁エネルギがチャージされる。次にＩＧＢＴ６がオフしたとき、インダクタ４１にチャージされた電磁エネルギによってコンデンサ４２が充電される。この充電時、コンデンサ４２を経た電流は回生ダイオード４３を通ってインダクタ４１に戻る。
【００７９】
こうして、コンデンサ４２が所定レベルに充電され、そのコンデンサ４２の電圧によって負荷２が動作する。
【００８０】
このように、ＩＧＢＴ６を高周波スイッチングすることで、ＩＧＢＴ６をその安全動作領域（Safe Operating Area）内で安全に動作させながら、高電圧・大電流を負荷２に供給することができる。
【００８１】
この高周波スイッチングに際しては、電流検出用抵抗８およびトランジスタ９による過電流防止機能が、高い安全と信頼性を確保する上で有効に作用する。
【００８２】
他の動作は、第１〜第４実施形態と同じである。よって、その説明は省略する。
【００８３】
［６］第６実施形態  
図１０に示すように、過電流防止用のトランジスタ９のコレクタとＩＧＢＴ６のゲートとの間の通電路に、過電流検出用のフォトカプラ３３の発光ダイオード３３ａが挿入接続される。フォトカプラ３３は、発光ダイオード３３ａおよびフォトトランジスタ３３ｂからなる。フォトトランジスタ３３ｂのコレクタはマイクロコンピュータ２０の過電流検出端子に接続され、フォトトランジスタ３３ｂのエミッタは接地される。
【００８４】
リレー３は、常開接点３ａのほかに、もう１つ常開接点３ｂを有する。この常開接点３ｂがマイクロコンピュータ２０の正側開閉検出端子に接続される。
【００８５】
リレー３０は、常開接点３０ａのほかに、もう１つ常開接点３０ｂを有する。この常開接点３０ｂがマイクロコンピュータ２０の負側開閉検出端子に接続される。  
他の構成は、第１〜第５実施形態と同じである。よって、その説明は省略する。
【００８６】
マイクロコンピュータ２０は、逆流防止用ダイオード５およびＩＧＢＴ６に過電流が流れてトランジスタ９がオンしたとき（ＩＧＢＴ６がオフ）、そのトランジスタ９のオンをフォトカプラ３３を介して検出する。そして、マイクロコンピュータ２０は、トランジスタ９のオンを検出したとき、過電流発生の旨を報知器６０によって報知する。この報知により、ユーザや保守管理者は、強制的な電源遮断が過電流発生によるものであることを的確に認識することができる。
【００８７】
マイクロコンピュータ２０は、常開接点３ａの実際の開閉状態が制御内容に合致しているかどうかを常開接点３ｂの開閉によって検出する。検出した開閉状態と駆動部１０に対する制御内容と異なる場合、リレー３が異常である旨を報知器６０によって報知する。この報知により、ユーザや保守管理者は、リレー３が異常であることを的確に認識することができる。
【００８８】
マイクロコンピュータ２０は、常開接点３０ａの実際の開閉状態が制御内容に合致しているかどうかを常開接点３０ｂの開閉によって検出する。検出した開閉状態と駆動部１０に対する制御内容と異なる場合、リレー３０が異常である旨を報知器６０によって報知する。この報知により、ユーザや保守管理者は、リレー３０が異常であることを的確に認識することができる。
【００８９】
他の動作は、第１〜第５実施形態と同じである。よって、その説明は省略する。
【００９０】
［７］応用例  
第１〜第６実施形態の応用例を図１１に示す。この応用例は、複数の太陽電池ストリングをそれぞれ直流電源１として備える大規模太陽光発電システムに相当する。  
これら直流電源１の出力端に、それぞれ正側直流ラインＬ１および負側直流ラインＬ２を介して１つの負荷２が接続される。
【００９１】
各直流電源１と負荷２との間の正側直流ラインＬ１および負側直流ラインＬ２に、それぞれ直流開閉ユニット７０が配設される。これら直流開閉ユニット７０は、第１〜第６実施形態の直流開閉装置７１、電流センサユニット７２、第１〜第６実施形態の直流開閉装置７３を含み、電流センサユニット７２を挟んで電源側と負荷側に分かれる状態に直流開閉装置７１，７３を配置している。
【００９２】
電流センサユニット７２は、正側直流ラインＬ１に流れる電流のレベルを検知し、所定値以上の過電流が流れた場合は直流開閉装置７１，７３のそれぞれ駆動部１０に対し電源遮断を指令する。また、電流センサユニット７２は、正側直流ラインＬ１における電流の逆流や地絡を検知し、その検知時に直流開閉装置７１，７３のそれぞれ駆動部１０に対し電源遮断を指令する。
【００９３】
直流開閉装置７１，７３のそれぞれ制御部であるマイクロコンピュータ２０は、各直流開閉ユニット７０を統合的に制御する１つのマイクロコンピュータ９０に置き換えられる。
【００９４】
マイクロコンピュータ９０は、負荷２への印加電圧のレベルを監視する手段を有する。
【００９５】
また、マイクロコンピュータ９０は、各直流開閉ユニット７０における電流センサユニット７２の検知データを収集し、その収集データに基づき、負荷２の運転に十分な電力を持つ健全な直流ラインＬ１，Ｌ２を選定し、選定した直流ラインＬ１，Ｌ２を対応する直流開閉装置７１，７３によって閉成する。負荷２の運転十分な電力を持たない直流電源１の直流ラインＬ１，Ｌ２については、他の直流電源１の余計な負荷とならないよう、直流開閉装置７１，７３によって開放する。
【００９６】
さらに、マイクロコンピュータ９０は、各直流開閉ユニット７０における電流センサユニット７２のメンテナンスに際し、対応する直流開閉装置７１，７３の駆動部１０に対しそれぞれ電源遮断を指令する。
【００９７】
［８］変形例  
直流電源１としては、太陽電池ストリングに限らず、他の電源であってもよい。  
その他、上記各実施形態および応用例は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態および応用例は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、書き換え、変更を行うことができる。これら実施形態や応用例は、発明の範囲は要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００９８】
１…直流電源、Ｌ１…正側直流ライン、Ｌ２…負側直流ライン、２…負荷、３…リレー、３ａ…常開接点、３ｂ…常開接点、５…逆流防止用ダイオード、６…ＩＧＢＴ、７…放電用抵抗、８…電流検出用抵抗、９…ＮＰＮ型トランジスタ（過電流防止用スイッチ素子）、１０…駆動部、１１…３端子レギュレータ（電圧変換回路）、１２…ＤＣ／ＤＣコンバータ、１４…フォトカプラ、１７…ＮＰＮ型トランジスタ（スイッチ素子）、１８…フォトカプラ（放電用スイッチ素子）、２０…マイクロコンピュータ、３０…リレー、３０ａ…常開接点、３０ｂ…常開接点、３２…ＮＰＮ型トランジスタ、３３…フォトカプラ、５０…制御用電源回路、５１…逆流防止用ダイオード、５２…Ｐ型ＭＯＳＦＥＴ、５３…コンデンサ、５４〜５６…抵抗、６１，６２…抵抗、７０…直流開閉ユニット、７１，７３…直流開閉装置、７２…電流センサユニット、８０…制御用電源、９０…マイクロコンピュータ
【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】
2015115173.tif 000009
【図８】
2015115173.tif 000010
【図９】
2015115173.tif 000011
【図１０】
2015115173.tif 000012
【図１１】
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