(57)【要約】【課題】電流が双方向に流れる直流回路に適用して電流を安全，確実に遮断できる双方向の電流遮断機能を備えた直流回路用の回路遮断スイッチを提供する。【解決手段】機械式スイッチ７と、該機械式スイッチ７と並列に接続された半導体スイッチ１０（ＩＧＢＴ１０ａを採用）と、半導体スイッチ１０を制御する制御回路とを備えた直流回路を開閉する回路遮断スイッチにおいて、前記機械式スイッチ７と並列にダイオードブリッジ回路９を接続するとともに、該ダイオードブリッジ回路９の二つのダイオードのカソード間と、残りの二つのダイオードのアノード間に、前記半導体スイッチ１０に流れる電流が一定方向となるように前記半導体スイッチ１０を接続し、回路に流れる直流電流の通電方向（通電方向１，２）が変わった場合でも、ＩＧＢＴ１０ａに通流する電流の向きを一定にして直流回路に通流する双方向の電流を遮断できるようにする。【選択図】図１
2013214406.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
機械式スイッチと、該機械式スイッチと並列に接続された半導体スイッチと、半導体スイッチを制御する制御回路とを備えた直流回路を開閉する回路遮断スイッチにおいて、
前記機械式スイッチと並列にダイオードブリッジ回路を接続するとともに、該ダイオードブリッジ回路の二つのダイオードのカソード間と、残りの二つのダイオードのアノード間に、前記半導体スイッチに流れる電流が一定方向となるように前記半導体スイッチを接続したことを特徴とする直流回路用の回路遮断スイッチ。
【請求項２】
請求項１に記載の回路遮断スイッチにおいて、半導体スイッチがＩＧＢＴ，ＭＯＳ−ＦＥＴ，ＧＴＯサイリスタからなる半導体スイッチング素子であることを特徴とする直流回路用の回路遮断スイッチ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直流無停電給電システムなどの直流回路に適用する回路遮断スイッチに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、直流電源から需要負荷に直流電力を供給する直流給電システムが展開されるようになってきているが、この直流給電システムに適用する回路遮断スイッチには、その開閉動作に伴って接点間に発生するアークの消弧対策が課題となっている。
【０００３】
すなわち、直流回路に通常の接点を備えた機械式スイッチを適用した場合、スイッチの開閉動作に伴ってその接点間に発生した直流アークが消弧しにくいことから、従来から様々なアーク消去方式が提案されており、その一つに機械式スイッチの接点間に半導体スイッチを並列接続し、機械式スイッチの開閉動作時に電流を半導体スイッチに転流させて機械式接点間に生じたアークを素早く消滅させた上で、この半導体スイッチをＯＦＦ制御して電流を遮断するようにした「機械式スイッチの接点間アークの消去装置」（特許文献１参照）が知られており、次にその回路遮断スイッチの構成を図３に示す。
【０００４】
この回路遮断スイッチは、図示のように直流電源と負荷との間に接続された機械式スイッチ（機械接点）と、この機械式スイッチの接点間に発生するアークを消去するために並列接続された半導体スイッチ（ＩＧＢＴなどの半導体スイッチング素子）と、この半導体スイッチをＯＮ、ＯＦＦする制御回路，電源回路などで構成されている。
【０００５】
そして、機械式スイッチをONに投入して直流電源から負荷に給電している通電状態では、半導体スイッチはＯＦＦ状態としている。これにより、回路電流は機械式スイッチの接点を通じて負荷に通流する。一方、回路電流の遮断時には、まず半導体スイッチをONに制御した上で、続いて機械式スイッチの接点を開極させる。これにより、機械式スイッチの接点にいままで流れていた電流は、接点の開極動作開始と同時に半導体スイッチ側へ転流して機械式スイッチの接点間に生じていたアークが即時消滅する。その後、半導体スイッチをOFF制御することにより、半導体スイッチに流れていた電流も遮断されて回路電流が完全に遮断される。
【０００６】
上記の回路遮断スイッチによれば、機械式スイッチにアーク消滅のための付加的な消弧装置を設けることが不要となる。さらに、半導体スイッチにおいても常時は通電ＯＦＦで、電流遮断時のごく短時間のみ電流を通電させるため、過渡な温度上昇の問題もなく、これにより直流の回路電流を安全，確実に遮断することが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平８−１０６８３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、先記した特許文献１の回路遮断スイッチにおいては、半導体スイッチで遮断する電流の通流方向は一方向に決まっているため、双方向の電流を遮断することは不可能である。
【０００９】
一方、図２で示すように、直流電源１と負荷２との間の給電線路３に二次電池などの蓄電装置４を配線路５を介して分岐接続しておき、平時は直流電源１から負荷２に給電しながら蓄電装置４を浮動充電し、直流電源１からの給電が停止した非常時には蓄電装置４から負荷２への給電を継続して行うようにした直流無停電給電システムにおいては、蓄電装置４の浮動充電時に配線路５に流れる電流（実線矢印）と放電時の電流（点線矢印）とが逆向きになる。このために、蓄電装置４に通じる回路に接続して使用する回路遮断スイッチ６には双方向の電流遮断機能が必要となる。そのほか、分散型直流電源などの間で電力の逆潮流を行う系統連系の直流回路に適用する回路遮断スイッチについても、前記と同様な双方向の電流遮断機能が必要である。
【００１０】
しかしながら、先記した特許文献１の回路遮断スイッチは双方向の電流遮断が不可能であるため、このままでは図２に示した直流無停電給電システムのように回路電流の通流方向が反転するような直流回路には適用できないといった問題がある。
【００１１】
本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、その目的は機械式スイッチに半導体スイッチを組み合わせた先記の回路遮断スイッチに簡易の手段を追加することで、双方向の電流遮断機能を持たせた直流回路用の回路遮断スイッチを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明によれば、機械式スイッチと、該機械式スイッチと並列に接続された半導体スイッチと、半導体スイッチを制御する制御回路とを備えた直流回路を開閉する回路遮断スイッチにおいて、前記機械式スイッチと並列にダイオードブリッジ回路を接続するとともに、該ダイオードブリッジ回路の二つのダイオードのカソード間と、残りの二つのダイオードのアノード間に、前記半導体スイッチに流れる電流が一定方向となるように、前記半導体スイッチを接続する（請求項１）。
【００１３】
ここで前記の半導体スイッチには、ＩＧＢＴ，ＭＯＳ−ＦＥＴ，ＧＴＯサイリスタからなる半導体スイッチング素子を採用する（請求項２）。
【発明の効果】
【００１４】
前記構成の回路遮断スイッチによれば、機械式スイッチに流れる回路電流の通流方向に制約されることなく、機械式スイッチの開閉動作時に該機械式スイッチから半導体スイッチに転流した双方向の電流の遮断が可能となる。
【００１５】
したがって、直流電源と負荷との間に二次電池などの蓄電装置を分岐接続して負荷への給電を行う直流無停電給電システム、あるいは分散型直流電源の間で電力の逆潮流を行う直流回路などにおいても、機械式スイッチの開閉動作時にその接点間に発生した直流アークを素早く消去して双方向の電流を安全，確実に遮断することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施例による回路遮断スイッチの構成図である。
【図２】本発明の回路遮断スイッチを適用する直流回路の一例としての直流無停電給電のシステム図である。
【図３】従来技術として特許文献１に開示されている回路遮断スイッチの構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態を図１に示す実施例に基づいて説明する。なお、図示実施例の回路遮断スイッチは、例えば図２の直流無停電給電システムにおける蓄電装置４の配線路５に接続した回路遮断スイッチ６として適用するものである。
【００１８】
図１において、回路遮断スイッチ６は、直流回路の配線路５に接続した機械式スイッチ７と、該機械式スイッチ７に補助接点８を介して並列接続したダイオードブリッジ回路９と、該ダイオードブリッジ回路９に接続した半導体スイッチ１０とから構成されている。
【００１９】
ここで、図示の機械式スイッチ７は両切り式スイッチ（２接点）であるが、片切り式スイッチ（１接点）を用いてもよい。また、該機械式スイッチ７は、リレーのような電気的な指令を受けて開閉動作する方式のほか、手動あるいは回路の故障電流を検知して開閉動作する方式のものであってもよい。
【００２０】
また、半導体スイッチ１０はＩＧＢＴ，ＭＯＳ−ＦＥＴ，ＧＴＯサイリスタなどの半導体スイッチング素子１０ａ（図示実施例はＩＧＢＴを採用しており、以下「半導体スイッチング素子」を「ＩＧＢＴ」と呼称する）と、該ＩＧＢＴ１０ａに逆並列接続したフリーホイーリング・ダイオード（還流ダイオード）１０ｂからなり、ＩＧＢＴ１０ａのコレクタ，エミッタの各端子が、４個のダイオードＤ１〜Ｄ４で構成されたダイオードブリッジ回路９におけるダイオードＤ１／Ｄ３，Ｄ２／Ｄ４の間に接続されている。なお、図示してないが、半導体スイッチ１０には図３と同様にＩＧＢＴ１０ａをオン、オフ制御する制御回路，およびその電源回路を付属している。
【００２１】
次に前記構成による回路遮断スイッチ６の動作を説明する。まず、回路遮断スイッチ６のＯＮ（通電）状態では機械式スイッチ７の開閉接点７ａが閉極している。この場合に、ＩＧＢＴ１０ａはＯＮ状態でもＯＦＦ状態どちらでもよく、補助接点８がＯＮであってもＩＧＢＴ１０ａ，ダイオードＤ１〜Ｄ４はそのオン電圧（約２Ｖ×３＝６Ｖ）により電流が通流することはない。
【００２２】
また、回路遮断スイッチ６を投入する際は、機械式スイッチ７を先にＯＮにするか、あるいは半導体スイッチ１０を先にＯＮ制御して機械式スイッチ７の開閉接点７ａを後から閉極してもよい。但し、半導体スイッチ１０を先にＯＮとする場合には、ＩＧＢＴ１０ａの通電による素子の温度上昇を考慮して、ＩＧＢＴ１０ａのＯＮから機械式スイッチ７のＯＮ動作までの時間を出来るだけ短く制御することが望ましい。これに対して、機械式スイッチ７を先に投入する場合は、ＩＧＢＴ，およびダイオードのオン電圧により、ＩＧＢＴ１０ａには電流が流れることがないので、機械式スイッチ７の投入からＩＧＢＴ１０ａがＯＮするまでの時間制御は比較的長くても問題ない。
【００２３】
一方、回路遮断スイッチ６をＯＦＦ（遮断）にして配線路５に流れている回路電流を遮断する場合には、機械式スイッチ７の接点開極に先立って、半導体スイッチ１０のＩＧＢＴ１０ａをＯＮ状態に制御しておくことが好ましい。すなわち、機械式スイッチ７の開閉接点７ａを先に開極し、ＩＧＢＴ１０ａを後からＯＮ制御すると、機械式スイッチ７の開閉接点７ａが開極してからＩＧＢＴ１０ａがＯＮするまでの間、機械式スイッチ７の接点間（固定接点と可動接点の間）にアークａｒｃが発生し続け、そのために接点の消耗が早く進行する。
【００２４】
この電流遮断時に機械式スイッチ７が開極すると、その接点間にはアークａｒｃが発生してアーク電圧が生じる。この場合に、接点間のアーク電圧は接点材料と電極ギャップにより決まり、開極動作開始の初期では１接点当り約１５Ｖ程度のアーク電圧が発生し、図示実施例の両切り接点（２接点）の場合は約１５Ｖ×２＝３０Ｖのアーク電圧が発生する。その後、開閉接点７ａの開極距離増加とともにアーク電圧が上昇し、このアーク電圧がＩＧＢＴ１０ａ，およびダイオードＤ１〜Ｄ４のオン電圧を超えると、回路電流が機械式スイッチ７からＩＧＢＴ１０ａに転流して機械式スイッチ７の接点間にいままで生じていたアークａｒｃは消滅する。そして、電流がＩＧＢＴ１０ａに転流した後にＩＧＢＴ１０ａをＯＦＦ制御することにより回路電流が完全に遮断する。なお、図示実施例のように、半導体スイッチ１０を経由する転流回路側に補助接点８を設け、ＩＧＢＴ１０ａのＯＦＦ制御後に補助接点８を開極すれば、ダイオードブリッジ回路９，半導体スイッチ１０のＩＧＢＴ１０ａを経由して転流回路に流れる漏れ電流を遮断することが可能となる。
【００２５】
一方、図示実施例の回路遮断スイッチ６では、ダイオードブリッジ回路９を介してＩＧＢＴ１０ａを機械式スイッチ７に並列接続している。これにより、図示のように回路遮断スイッチ６を接続した配線路５に実線矢印で表す通電方向１，もしくは点線矢印で表す通電方向２に回路電流が流れた通電状態でも、ダイオードブリッジ回路９を介して半導体スイッチ１０のＩＧＢＴ１０ａに通流する電流の通電方向は同じ方向となるので、これにより双方向に流れる回路電流の遮断が可能となる。
【００２６】
これにより、図２に示した直流無停電給電システムなどに先記の回路遮断スイッチ６を適用することで、双方向に通流する回路電流を安全，かつ確実に遮断することができる。
【符号の説明】
【００２７】
１    直流電源
２    負荷
４    蓄電装置
６    回路遮断スイッチ
７    機械式スイッチ
７ａ  開閉接点
８    補助接点
９    ダイオードブリッジ回路
Ｄ１〜Ｄ４  ダイオード
１０    半導体スイッチ
１０ａ  半導体スイッチング素子（ＩＧＢＴ）
【図１】
2013214406.tif 000003
【図２】
2013214406.tif 000004
【図３】
2013214406.tif 000005