(57)【要約】【課題】高電圧の交流または直流の電流を高速に遮断する。【解決手段】４つの逆導通半導体スイッチ１をブリッジにし、かつスナバコンデンサ２を接続した構成の磁気エネルギー回生スイッチを多数直列接続して、通電接点４で電流をバイパスする構成の高電圧遮断器において、遮断動作は、通電接点の開極に合わせて、通電接点４の電流を減少させる方向に、ペアのスイッチのどちらかを選択してコンデンサ２を放電させ、電流センサー７で通電接点の電流を計測し電流がゼロ付近にあるように、各スイッチをオンまたはオフして維持し、その間に通電接点が開極し、その後にスイッチ１を全オフにすることで電流を遮断する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源と負荷との間に、４つの逆導通の半導体スイッチをブリッジ構成にしてスナバー・エネルギーを蓄積するコンデンサを持つ磁気エネルギー回生スイッチを複数直列接続して高電圧の電流双方向の半導体スイッチとなし、さらに長時間の通電が可能な真空遮断器などを通電接点と並列に接続し、通電の開始時、遮断時の短時間のみ半導体スイッチを使用することを特徴とする高電圧遮断器。
【請求項２】
請求項１に記載の高電圧遮断器において、
遮断時、電流の向きを検出する電流センサーにより逆転電流を流す方向のスイッチを選択してオン状態して、コンデンサのエネルギーによって通電接点に転流電流を流すが電流センサーで通電接点の電流を計測しながら、スイッチをオンまたはオフに制御して電流がゼロ付近にあるように維持し、その間に通電接点が開極し、その後、半導体スイッチを全オフすることで電流はスナバコンデンサの充電へと転流して電流が停止する高電圧遮断器。
【請求項３】
請求項１に記載の高電圧遮断器において、
電流が1方向の直流電流の場合、オンしないスイッチをダイオードに置き換え、直流遮断器とした高電圧遮断器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体スイッチによる高電圧の直流または交流電流の遮断スイッチに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
交流電源の数１０ｋVを超える電流の 投入、解放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。また半導体スイッチを用いて電流をオン、オフすることができるが、現状、半導体スイッチの耐電圧が低く、オン抵抗が大きく、リーク電流、コストの問題でVCB（真空遮断器）などの金属接点には及ばないことから半導体スイッチは普及していない。近年、半導体デバイスは、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。今や，電力系統で使える数１０ｋVの電圧と数KAの電流を投入、遮断する高速半導体スイッチが必要である。
【０００３】
半導体スイッチ用の半導体デバイスであるGTOサイリスター、IGBT、Power-MOSFETなどは逆導通ダイオードを並列に存在している。このスイッチを交流用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。このスイッチ４つで構成されるブリッジは、磁気エネルギー回生回路（以後Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｒｅｃｏｖｅｒｙ  Ｓｗｉｔｃｈ：ＭＥＲＳ）と呼ばれる構成で、直流コンデンサがスナバ電圧吸収のために接続されており、すでに特許登録されている。本発明はこのMERSを多数直列接続することで高電圧の半導体スイッチとする．
【０００４】
電流を遮断する際に発生する再起電圧の上昇スピードを抑えるために、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吸収する機能が期待されて、半導体スイッチの過電圧破壊を防いでいる。それはMERSの磁気エネルギーを吸収するコンデンサである。
【０００５】
連続通電時は半導体の損失による発熱のため、半導体デバイスの冷却が必要である。そのため大容量の半導体遮断器では図1のようにバイパス通電接点を並列に接続して、投入時、遮断時の短時間のみ半導体スイッチを使う方法が好ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−３５８３５９
【０００７】
ＭＥＲＳスイッチの特徴である電流方向を選択してスナバコンデンサの電荷を放電することができるが、さらに多数を直列に接続して、高電圧の大電流の電源投入、遮断のシーケンスとその制御法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スイッチをスイッチとして用いる場合、スナバコンデンサを使って、いかにして通電接点の電流を転流させるか、電源の投入時の通電接点を含めたシーケンス、電源遮断時のシーケンスを明らかにすることにある。通電接点は遮断能力のある真空遮断器を用いるが電流ゼロ付近で電極を閉極、または開極して、極力、無アークで開閉することにしたい。電極を開極した直後も再起電圧の上昇スピード（RRRV：Rate of the Rise of Re-strike Voltage）が低いことも望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、ＭＥＲＳ回路のスナバコンデンサに充電された静電エネルギーを利用して、通電接点の閉極、開極に合わせてタイミングよくその電荷で４つのスイッチを電流方向に合わせて、転流電流を通電接点に流し、さらにスイッチをオンして電流増、オフして電流源、片方のみオンしてバイパスモードと通電接点の電流ゼロ状態を作り続ける。その後、通電接点が開極し、通電接点の絶縁が十分になった後に半導体スイッチを全オフすることで、電流はコンデンサに充電して停止する。
最大の転流電流値はL、Cの共振回路であるからスナバコンデンサの容量をCとするとｎ段の直列接続で合成容量はｎ分の１になり、充電される電圧を全直列でVとすると転流回路のインダクタンスをLとすれば放電電流のピークIpeakはV/SQRT（ｎL/C）である。Vを６６ｋV、C,Lをそれぞれ１２０マイクロH,１００マイクロF、ｎ＝３とすればIpeakは３４．８ｋAである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の多数の直列したＭＥＲＳスイッチとスナバコンデンサのエネルギーを利用した電流遮断と制御法ならびに制御回路は、高電圧の交流または直流の電流を投入、負荷遮断、事故遮断するのに応用でき、並列の通電接点が有ることにより半導体デバイスの通電時間を短時間にすることで半導体デバイスの責務を低減することができる。MERSの４つのスイッチのオンオフで電流方向を選択できるので交流電流のいかなる位相でも遮断でき、その電流はIpeak以下であるならば、これもMERSのスイッチをオンオフすることで転流電流の大きさを瞬時に調整することが可能なので遮断電流の大きさや変化に因らず、確実に通電接点の電流ゼロを作ることができるので通電接点は無アークで開極することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】は本発明の通電接点付遮断器の実施形態を示した回路接続図である。
【図２】は本発明のシミュレーション回路である。
【図３】は、通電接点の開極指令、スイッチのオン、オフ指令などのシーケンス。
【図４】遮断時のシミュレーション結果、電圧、電流は[ｋV],[kA]単位である。Imersは転流電流、Ｉloadは負荷の電流、Ｉｖｃｂは通電接点の電流、Ｖｃはコンデンサ電圧、電源電圧は３３ｋVで遮断すべき電流は１５．５ｋA、通電接点の極間電圧はVvcb,Ｖｇ２からＶｇ４はS2ｋ、S4ｋの指令、１でオン、０でオフである。
【図５】は直流電流の場合半導体スイッチはダイオードに簡単化した実施例を示す。
【発明を実施するための形態】
【実施例１】
【００１２】
上記の目的を達成するために、第一の発明は、MERS回路を直列接続した高圧半導体遮断に並列に長時間の通電に耐える電流容量の通電接点と、通電接点に閉極、開極に合わせて半導体デバイスを点弧するゲート制御装置、それぞれの電流アームの電流を計測する電流センサーを持ち、通電接点に逆方向に転流高周波電流を重畳することにより、通電接点において短時間電流ゼロ状態の時間を作り出すことができる。通電接点は無アークで、開極することができ、機械接点が安定し絶縁を十分回復するまでその状態を維持する。その後，半導体遮断器で電流を遮断する。
【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ｋ段のMERSスイッチは半導体デバイスがＳ１ｋからＳ４ｋまで４つあって、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。８の制御装置は、スイッチや通電接点の電流を検出して、スイッチ全体の投入指令、遮断指令によって通電接点の駆動、各ゲート制御を行う。図には記載されていないがコンデンサを所定の電圧に充電する充電回路があって必要に応じて充電されている。
【００１４】
投入指令が来ると、例えば電流を図の左から右に流す場合、まずＳ２ｋまたはＳ４ｋのどちらかの半導体デバイスをオンさせる。これにより電源電圧で充電されていたコンデンサＣの電圧が負荷に加わることなく、５のインダクタンスLを介して負荷に通電が始まる。これにより負荷にパルス的電流が突入することが回避できる。コンデンサの電荷を残したまま、半導体デバイスにより、通電接点が閉極するまで通電状態を維持する。完全に閉極した後にS２k、S4kのゲートを全オフすれば半導体スイッチ側の電流はすべて通電接点に転流される。ゲートオフするとダイオードが自動的オンして直列のインダクタンス５のエネルギーはコンデンサCに回生され電流は急速に停止して負荷電流は通電接点のみに流れる。
【００１５】
遮断指令が来ると、制御装置は電流の方向を検出し、左から右に流れている場合、ゲート制御装置からの指令でＳ２ｋ、Ｓ４ｋをオンにする。コンデンサに蓄積されていた電圧から電流が流れ始め、電流はインダクタンスLを介して通電接点に逆転の転流電流を流す。通電接点の開極は電流ゼロになってからが望ましいので、開極指令とゲート制御指令は同期をとる必要がある。通電接点の開極には１０ｍS程度必要であるが、MERSのコンデンサ放電は１ｍS以下であるので、開極指令のほうが先に出て、開極の直前に転流電流を流すシーケンスが望ましい。
【００１６】
転流電流はMERSコンデンサの直列放電であるので電流のピークは簡単にV/SQRT（ｎL/C）で求められる。転流電流が通電接点の電流を越える場合、通電接点の電流センサの実測値が電流ゼロになるようにS2kとS4kのゲートをオン・オフする。電流がゼロ付近で通電接点は開極すると無アークで遮断でき、たとえアークを生じても真空遮断器であるば、電流ゼロ点で消弧したあと、真空の強い絶縁回復力で遮断完了する。
通電接点の電流は半導体遮断器の転流されているので、真空遮断器が十分な絶縁回復される時間をおいて、次は半導体遮断器を全ゲートをオフすることで、電流はダイオードを通ってコンデンサに転流し、コンデンサ電圧が上昇、回路の電流エネルギーがコンデンサに蓄積されて、電流が停止して遮断が完了する。
遮断後の電圧は、コンデンサで分圧されるので、コンデンサの値が同じならば半導体には均等な電圧がかかることになる。
【００１７】
電流が逆に右から左方向に流れている場合に遮断するには、上記の反対のたすきがけのスイッチをS1k、S3kを用いる。
このように、
MERSスイッチの磁気エネルギー蓄積用のコンデンサを電流をゲートのS1k,S3k、またS2k,S4kのペア選択することで双方向に放電でき、かつペアの片方をオフすることで所望の電流値で停止できる機能を使えば、交流、直流のどの瞬間でも高速に遮断することができる。これは過電流や事故電流を最小限にすることができる高電圧、大電流の遮断器を提供できる。
【００１８】
図１の実施例１で遮断時の説明する。
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では６６ｋVの電圧で事故遮断時の等価負荷は２Ωで事故電流は３３ｋAである。５のインダクタンスLは１２０マイクロH、抵抗値は１ｍオームとしている。コンデンサCは１００マイクロFである。コンデンサには電源電圧のピーク値で３分の１で充電されているとする。
シーケンスを図3に示すが、通電接点の開極指令は１０ｍS以前に出して、開極機構は重量が大きいので１０ｍS以上の時間遅れがあるので、半導体スイッチは実際に動き出す電極が開極する数mS前をトリガーとするべきである。その時間のシーケンスを示す。
【００１９】
シミュレーション解析結果を図４に示すが、開極の０．６ｍS前にスイッチゲートS２kとS４kのオンによって転流電流が通電接点に逆方向に流れる。通電接点の電流センサーによりゼロを検出して、ｔ＝５．０８５ｍSでスイッチS４kをオフするとコンデンサの放電は放電途中で停止して電流はS３kのダイオードを介してフリーホーリング状態になってその電流値でL/Rの時定数で減衰する。この時定数は１００ｍS以上あるのでこの時間ではほぼ一定になり、通電接点は電流ゼロが続く。その後、０．６ｍSで通電接点の開極がなされるが電極間に大きな電圧Vｖｃｂは生じていない。開極２ｍS後に半導体遮断器のスイッチが全オフすると電流は逆導通のダイオードを通って２のコンデンサCに充電され逆電圧となって電流が停止する。逆電圧は２のコンデンサを充電する時間だけ遅れるので再起電圧の上昇スピードは通電接点と半導体スイッチの絶縁耐力回復の時間猶予を与えているのがわかる。
【実施例２】
【００２０】
本遮断スイッチは交流電流の場合、遮断時電流方向に応じて、スイッチを選択する。図１の右から左ではスイッチはS２kとS４kを使い、S１kとS３kはオフのままで、逆方向のダイオードだけが利用される。よって直流遮断スイッチとしてこのスイッチを使う場合、スイッチのS1kとS３kはダイオードを使う構成にすることができる。実施例２は直流用の本発明の場合の構成を示したものである。
【産業上の利用可能性】
【００２１】
本発明の半導体化した高電圧スイッチは４つの逆導通の半導体スイッチをブリッジ構成し、スナバコンデンサをそれぞれ持つ磁気エネルギー回生スイッチを複数直列接続することで、確実に分圧がなされ、かつ、コンデンサの電圧変化が遅いのでスイッチのオン、オフのタイミングのジッターで生じる分圧の差による耐電圧の問題が少ないので容易に高電圧化が可能である。
【００２２】
半導体スイッチの通電責務を軽減するために通電接点を補助に持つが遮断時通電接点を無アークで遮断するための転流電流をスイッチの高速なオン、オフ動作でスナバコンデンサの放電で発生させ、かつ通電接点の電流をゼロ付近に制御しながら発生できる。
【００２３】
本スイッチを採用した産業上の利点は事故を検出して遮断指令の後、電流の方向によらず、数ｍS 以内に遮断できるので、事故電流の成長以前に回避できることであり、また通電接点を並列接続して半導体の通電容量の削減を図っている。本発明は直流、交流のどちらでも使用できる半導体スイッチの構成と制御方法で、今後、ＩＣＴ化され高速に制御される高度な電力系統に必要不可欠な半導体デバイスを用いた高電圧遮断器である。
【符号の説明】
【００２４】
１  逆導通半導体スイッチ
２  スナバコンデンサ
３  交流電源
４  通電接点
５  インダクタンス
６  負荷
７  電流センサー
８  制御装置
９  ダイオード
【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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