(57)【要約】【課題】交流電源を半導体スイッチによりソフトに投入し、電流ゼロ点で遮断する。【解決手段】逆導通半導体デバイスであるＭＯＳＦＥＴを４つ用い、コンデンサを直流端子に接続して交流スイッチとして用いて、そのゲート制御装置が、電圧の位相を検出して、投入時は電圧位相の２７０度でＳ１、S３をＯＮして、さらにその後１８０度遅れてＳ２，Ｓ４をオンする。遮断するときは電圧位相２７０度でＳ１、Ｓ２、Ｓ３をオフにするが、Ｓ４は１８０度遅れてオフする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＭＯＳＦＥＴを４つ用いた電流双方向スイッチを交流スイッチとして電流の投入に使用するとき、交流電圧の最小時（マイナスの最大になる時間）にすなわち電気角２７０度でＳ１，Ｓ３のＭＯＳＦＥＴにゲート信号をオンにして導通させ、その後１８０度、５０Ｈzの場合は１０ｍＳだけ遅れてＳ２，Ｓ４にゲートオン信号を送って全スイッチを導通状態にさせる交流スイッチ。
【請求項２】
ＭＯＳＦＥＴを４つ用いた電流双方向スイッチを交流スイッチとして電流の遮断に使用するとき、電圧の最小時（マイナスの最大になる時間）にすなわち電気角２７０度で、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３にゲートオフ信号を送って、Ｓ１、Ｓ３の電流をＳ２，Ｓ４のパスに集中して流し、その電流はＳ２の逆導通ダイオードによって電流ゼロ点で電流が遮断され、その後１８０度、５０Ｈzの場合は１０ｍＳだけ遅れてＳ４にもゲートオフ信号を送って遮断する交流スイッチ。
【請求項３】
３相交流には請求項１，２の交流スイッチを３セット用いるが、変圧器への励磁突入電流を防ぐために、Ａ，Ｂ，Ｃ相のＡとＣ相のスイッチをＣＡ間の線間電圧の位相２７０度で同時に投入し、その後９０度遅れて（５０Ｈzの場合は５ｍＳ遅れて）Ｂ相のスイッチを投入する投入位相を制御する請求項１，２の交流スイッチとその制御装置。
【請求項４】
３相交流に請求項１，２に記載の交流スイッチを３セット用いるが、遮断時は遮断指令が来てから、Ａ，Ｂ，Ｃ相のＡとＣ相のスイッチをＣＡ間の線間電圧の位相２７０度で同時に遮断し、その後１８０度遅れて（５０Ｈzの場合は１０ｍＳ遅れて）Ｂ相のスイッチを遮断する投入位相を制御する請求項１，２の交流スイッチとその請求項３に記載に制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体デバイスによる交流電源の投入・遮断スイッチに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
交流電源の投入、遮断を行う開閉器は金属接点を電磁コイルで駆動してオン、オフする方法が従来からある。近年、半導体スイッチを用いて電流をオン・オフできるようになったがオン損失がまだまだ大きく、金属接点の低い抵抗には及ばないことや、遮断時のリーク電流、コストの問題などで半導体スイッチは普及していない。近年、ＳｉＣ（シリコン・カーバイド）のＭＯＳＦＥＴ半導体デバイスでは、高耐圧で大きな電流、低いオン抵抗が実現できるようになった。
【０００３】
ＭＯＳＦＥＴ半導体デバイスは逆導通ダイオードが寄生ダイオードまたはボディダイオードと呼ばれているが、並列に存在しているが、そのオン電圧は低くはないのが欠点である。そこでＭＯＳＦＥＴ半導体スイッチの特徴であるがゲートオン信号によって順逆双方向に低いオン抵抗で、しかも温度に対して正特性で並列動作が可能なので並列接続でオン抵抗をさらに下げることも可能である。このスイッチを交流のスイッチにするには、図１に示すようにブリッジ構成が知られている。この場合、全スイッチをオンすればオン抵抗はスイッチ１つ分になっている。
【０００４】
また、交流電流を遮断する際に発生する再起電圧の上昇を抑えるために例えば図６はサイリスタ交流スイッチであるが、抵抗とコンデンサからなるスナバ回路を必要としている。スナバ回路は遮断時の電流のエネルギーを消費する機能で、半導体スイッチの過電圧破壊やノイズの発生を防いでいる。図６に示すサイリスタ交流スイッチでは，遮断時も抵抗とコンデンサの直列スナバ回路のコンデンサの充放電によるリーク電流が流れ続ける問題があった。
【０００５】
これは、磁気エネルギー回生回路（以下Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｒｅｃｏｖｅｒｙ  Ｓｗｉｔｃｈ以後ＭＥＲＳ）と呼ばれる構成ですでに「スナバーエネルギーを回生する電流順逆両方向スイッチ」などとして
特許登録されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−３５８３５９
【０００７】
ＭＥＲＳスイッチのＭＯＳＦＥＴを４つ、すべてオンにした場合、逆方向の電流にも低オン抵抗であって、２直列、２並列であるから、従来のサイリスタ等の半導体のＡＣスイッチ構成では出来なかった低いオン抵抗が実現できるが、電源投入、遮断の交流電圧とのタイミングなど詳細な検討によるシーケンスとその効果は未だに開示されていない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
解決しようとする問題点は、ＭＥＲＳを交流電源のスイッチとして用いる場合、電源の投入時のシーケンス、電源遮断時のシーケンスを明らかにすることにある。投入時に負荷へ電圧ショックを極力与えないようにし、遮断時には遮断サージ電圧が発生しないように動作させなければならない。なぜなら、ＭＥＲＳは投入時にゲートを全数同時にオン状態にするではコンデンサの電荷が短絡放電されることになり、全数同時遮断では時にはタイミングによっては電流が瞬時に裁断され、全電流のエネルギーがコンデンサに蓄積されスイッチの耐電圧を越える高電圧になる恐れがある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、電源電圧の位相を検出して、ＭＥＲＳ回路の４つのスイッチを電圧位相に合わせて個々にオン、またはオフさせてより理想的な交流スイッチとなるように動作させるために、電圧波形に会わせてシーケンス制御をおこなう。
【発明の効果】
【００１０】
本発明のＭＥＲＳ交流スイッチの制御法ならびに制御回路は、負荷に対して電圧ショックの少ない電圧位相で電源の投入を行い、かつ遮断時は、電流遮断によるサージ電圧を電流ゼロ時に遮断してコンデンサに吸収する。また導通時は４つのスイッチにオン信号を与えて全オン状態にして交流スイッチの抵抗をスイッチ１つ分のオン抵抗になる。スイッチがオフの場合、リーク電流がないことが特徴である。
特に低電圧大電流電源では、従来のサイリスタ、トライアックの場合はオン電圧が約１Ｖ以上で並列接続にしても変化しないが本発明のＭＯＳＦＥＴ交流スイッチは、半導体デバイスを並列接続にすることにより、さらに低損失にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】は本発明の実施方法を示した説明図である。
【図２】は本発明のシミュレーション回路である。
【図３】は、ゲート信号のシーケンス制御の例
【図４】は投入時のシミュレーション結果である。Ｉａｃinは電源の電流、Ｉｏｕｔは負荷電流、Ｖｃはコンデンサ電圧、Ｖｉｎ１は電源電圧、Ｖｏｕｔは負荷電圧、I(S1)からＩ（Ｓ４）はＭＯＳＦＥＴのＳ１からＳ４の電流、Ｖｇ１からＶｇ４はそれぞれＭＯＳＦＥＴのゲート指令、１でオン、０でオフである。
【図５】は遮断時のシミュレーション結果である。
【図６】は従来のサイリスタ交流スイッチの回路例である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
電源は交流５０Ｈｚ１００Vで負荷は、１０オームと３０ｍＨの直列を想定している。
【実施例１】
【００１３】
図１は、本発明装置の１実施例の回路図と実施方法を示した説明であって、図１に示すようにＭＯＳＦＥＴはＳ１，からＳ４まで４つあって、それぞれゲート制御装置でオン・オフされる。ゲート電圧高でオン、ゲート電圧低でオフになる。４の制御装置は、電源の電圧位相を検出して、スイッチ全体の投入指令、遮断指令を受け取って各ＭＯＳFETのゲート制御を行う。ここには電源電圧の位相を検出する回路を内蔵している。
【００１４】
電源の投入指令がくると電圧位相の２７０度で、すなわち交流電圧が最小になる位相で、まずＳ１とＳ３のＭＯＳＦＥＴをオンさせる。これにより電源電圧のピークまで充電されていたコンデンサＣの電圧が直列の加わり電源電圧のマイナスの最大と合わさって電圧ゼロで負荷に通電が始まる。これにより負荷にパルス的電圧が印加することが回避できる。その後、位相で１８０度遅れて、５０Ｈzでは１０ｍＳ遅れてＳ２、Ｓ４をオンにして全てのＭＯＳFETをオン状態にし、遮断指令がくるまでこの状態を維持する。
【００１５】
遮断指令が来ると、制御装置は電圧の位相を検出し、２７０度でＳ１、Ｓ２、Ｓ３をオフにする。電流はＳ１からＳ２へ流れるルートは阻止されるが、もう１つの電流ルートであるＳ３、Ｓ４のルートを流れることで全体電流はそのまま流れ続ける。その後、電流はゼロを交差して逆転しようとするが、Ｓ３は逆導通ダイオードの通電状態なのでその順方向の電流を阻止して、電流ゼロでスナバに自然転流で遮断される。その後、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３のオフに１８０度（１０ｍＳ）遅れてＳ４もオフにする。電流ゼロを自動的にクロスすることのために１０ｍＳの遅れがあるので可能になる。負荷電流が遅れ電流であるから位相が遅れ、必ずＳ２の逆導通ダイオードで遮断がなされる。遮断時の再起電圧は電流ゼロ点で遮断され、この再起電圧は、２のスナバコンデンサで吸収される。
【００１６】
今回の実施例は５０Ｈzの交流を想定しているが６０Ｈzであっても電圧位相の２７０度のタイミング、１８０度の間の遅れ時間は、それに合わせて動作させれば同様である。電子、制御系の説明は省略する。また、Ｓ２とＳ４は交換することが可能であることは自明である。
【００１７】
図１の回路を適用する場合を回路シミュレーションプログラムで解析する。
【００１８】
図２にＰＳＩＭシミュレーションコードの回路図を示す。実施例１の負荷は３０ｍＨと１０Ωの直列である。
解析結果を図４に示すが投入指令が来て、電圧位相の２７０度でゲート信号Ｖｇ１，Ｖｇ３を高にして、その１８０度（１０ｍＳ）遅れてＶｇ２，Ｖｇ４を高にする。負荷の電圧Ｖｏｕt，Iac1を図４に示すが、ピーク電圧を充電しているコンデンサの電圧が負の最大電圧時にスタートするので負荷にはその差電圧である約ゼロ電圧が印加され、負荷電流が主として流れだすのは電圧位相の０度からであるのがわかる。コンデンサはこの間にゆっくり９０度かけて放電して、スイッチ、負荷ともに電圧・電流のパルス的変化が無いのがわかる。
【００１９】
図５に遮断指令が来て本発明のシーケンスで遮断する場合を示すが電圧位相の２７０度でゲート信号をＳ１，Ｓ２，Ｓ３を同時にＯＦＦにして、ＭＯＳＦＥＴのＳ１、Ｓ２の電流を遮断し、負荷電流はＳ３のダイオードに電流が、Ｓ４には順方向に流れ続ける。その後、電流はＳ３のダイオードによって自動的に電流ゼロ点付近で遮断される。これによりＳ４は電流が遮断された後にゲートがＯＦＦになっているので遮断動作には関与しないでダイオードで自然に遮断されたことがわかる。
【実施例２】
【００２０】
３相交流の場合、投入には始めに２相を投入するが線間電圧を見て同様に電圧の最小値（２７０度）で同時にＯＮを開始する。最後の相は９０度遅れてＯＮを開始するとよい。これにより投入後の電流にＤＣ分が発生しないので、変圧器への励磁突入現象を防ぐことができる。
【産業上の利用可能性】
【００２１】
半導体化した交流スイッチは逆導通ＭＯＳFEＴを４つ用いた交流スイッチで構成すると最小のオン抵抗が実現できるが個々のスイッチのオン、オフを電圧位相にあわせて行うことで負荷に対して、より理想的な電圧波形を実現できるシーケンスを示した。そこでは、電源投入時には，電流波形がゼロからサイン波状に立ち上がり、遮断時は電流ゼロ点で遮断される。今後、コンピュータ制御の半導体交流スイッチが多く使用されるがそのときに用いられるのがこのシーケンスである。
【００２２】
このスイッチは交流電圧位相に合わせて運転出来るので、３相交流電源の投入時のトランスへの突入電流（偏磁による飽和現象）を回避することができる。それは，相間電圧の２７０度でその２相を投入し，その９０度遅れて残りの相の投入を開始すればよいが，従来の機械接点では不可能な制御である。
【００２３】
本スイッチを採用した産業上の利点は遮断指令の後、１サイクルの高速遮断により、事故電流の影響以前に回避できることであり、励磁突入回避など機器の耐量を軽減できるのでコスト的利点も多い。本発明の交流スイッチ、制御法、制御装置は、今後、ＩＣＴ制御される高度な配電系統に必要不可欠な半導体デバイスを用いた交流スイッチシステムである。
【符号の説明】
【００２４】
１  逆導通半導体スイッチＭＯＳＦＥＴ
２  スナバコンデンサ
３  交流電源
４  制御装置
５  負荷
【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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