〈特別研究課題〉 パワー半導体型低圧直流遮断器の構築と遮断限界評価
助 成 研 究 者

名古屋大学

横水

康伸

パワー半導体型低圧直流遮断器の構築と遮断限界評価
横水 康伸（名古屋大学）

Low-Voltage DC Circuit Breaker Constructed of Power
Semiconductor and Its Current Interrupting Ability
Y. Yokomizu(Nagoya University)

Abstract：
A SiC-MOSFET was applied to a low-voltage direct current interruption technology toconstruct a model low-voltage DC circuit breaker. By considering the dependence of dorain-source
resistance on gate-source voltage, a circuit configuration of circuit breaker components wascontrived to operate the DC interruption. This circuit breaker provides the following function:
adjustment of the time constant τGS of a gate-source voltage vGS permits control of current breaking
properties such as a current interrupting capability and a current interrupting time. The breaking
experiment of a rush DC was made for the model circuit breaker designed with τGS of 5 ms to findout the current breaking properties. The model circuit breaker proved to interrupt the DC at aninterrupting time of 14 ms or less and to break the current of 240 A or lower.
As the advanced control, the two-step reduction in the gate-source voltage vGS was furthermore
contrived. This method achieves very fast decay in the voltage vGS at τGS of several micro secondand subsequently reduces the voltage vGS at τGS of several milli second. Current experimental
results showed that this control leads the model circuit breaker to achieve the higher current
interrupting capability.

－ 23 －

1. はじめに
低圧直流給電システムは，電話通信業務における電力伝送設備などで利用されている。近年で(1)
は，直流システムの利用による高効率・高信頼性電力伝送を期待して，インターネットデータセ(IDC)での電力伝送設備への直流適用(2)-(5)が検討されている。さらには，分散型電源，蓄電池および(2)-(5)(6)-(7)ンタ(IDC)での電力伝送設備への直流適用が検討されている。さらには，分散型電源，蓄電池お家電機器との親和性の観点から，家庭内配線への直流利用も検討されている。したがって，直(6)-(7)(8)
よび家電機器との親和性の観点から，家庭内配線への直流利用も検討されている。したがって，
流給電システムは，低電圧伝送分野において，今後ますます拡充していくことが予想される。
(8)直流給電システムは，低電圧伝送分野において，今後ますます拡充していくことが予想される。
低圧系システムでは，配線用遮断器が設置される。しかし，同遮断器は，直流遮断にあたっては，

低圧系システムでは，配線用遮断器が設置される。しかし，同遮断器は，直流遮断にあたって
直流電流を限流し，電流零点を造成しなければならない。このため，交流にくらべて，直流電流のは，直流電流を限流し，電流零点を造成しなければならない。このため，交流にくらべて，直流電遮断達成は困難なものになる。
流の遮断達成は困難なものになる。
一方，IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)のようなパワー半導体デバイスはパワーエレクトロ
一方，IGBT(Insulated
Gate Bipolar Transistor)のようなパワー半導体デバイスはパワーエレク
ニクス分野で利用されている。その定格容量は年々大きくなっており，低圧給電システムには十分
トロニクス分野で利用されている。その定格容量は年々大きくなっており，低圧給電システムにはな大きさに達している(9)とともに，パワー半導体デバイスはスイッチング機能を有している。した(9)十分な大きさに達しているとともに，パワー半導体デバイスはスイッチング機能を有している。
がって，このデバイスを利用したアークレス型直流遮断器を構成することが考えられる。しかし，したがって，このデバイスを利用したアークレス型直流遮断器を構成することが考えられる。しか交流用遮断器についての検討例(10)-(12)は見られるが，直流用遮断器に関する検討例は少ないと思わ(10)-(12)れる。
し，交流用遮断器についての検討例は見られるが，直流用遮断器に関する検討例は少ないと思パワー半導体デバイスとして，前述された Si 系 IGBT の他に，近年では SiC 系素子が開発検討さわれる。
れ，その定格電圧・定格電流は高電圧化・大電流化に向い，ついには 1000 V-100 A クラスの SiC 系
パワー半導体デバイスとして，前述されたSi系IGBTの他に，近年ではSiC系素子が開発検討さ
MOS-FET(Metal Oxide Semiconductor Field Emission Transistor)が販売されている。しかし，SiC 系パ
れ，その定格電圧・定格電流は高電圧化・大電流化に向い，ついには1000V-100AクラスのSiC系
ワー半導体のスイッチング機能を電流遮断に適用した試作器は皆無と考えられる。
MOS-FET(Metal
Oxide Semiconductor Field Emission Transistor)が 販 売 さ れ て い る。 し か し，
上述のような背景のもと，本研究の目的は，SiC 系 MOSFET のスイッチング機能を電流遮断にSiC系パワー半導体のスイッチング機能を電流遮断に適用した試作器は皆無と考えられる。
適用することであり，アークレス型モデル低圧直流遮断器を構築し，その遮断過程および遮断能力
上述のような背景のもと，本研究の目的は，SiC系MOSFETのスイッチング機能を電流遮断にを明らかにすることである。本報告では，はじめにモデル低圧直流遮断器の回路構成を述べている。
適用することであり，アークレス型モデル低圧直流遮断器を構築し，その遮断過程および遮断能力
次いで，同モデル遮断器に直流 80A～280 A の直流電流遮断を課し，限流遮断過程を測定するととを明らかにすることである。本報告では，はじめにモデル低圧直流遮断器の回路構成を述べていもに，遮断時間および遮断能力を測定している。なお，節 2.1 で述べるように，ここでのモデル遮る。次いで，同モデル遮断器に直流80A～280Aの直流電流遮断を課し，限流遮断過程を測定する
断器による限流遮断過程では，Gate-Source 間(G-S 間)電圧 vGS を 15 V から時間の経過とともに，言とともに，遮断時間および遮断能力を測定している。なお，節2.1で述べるように，ここでのモデ
い換えれば，ある一定の時定数で低下させている。この低下にともなって，Dorain-Source 間(D-S
ル遮断器による限流遮断過程では，Gate-Source間(G-S間)電圧vGSを15Vから時間の経過とともに，間)抵抗を高抵抗に推移させ，直流電流を限流遮断させている。本方式を 1 段階低下方式と呼ぶこ言い換えれば，ある一定の時定数で低下させている。この低下にともなって，Dorain-Source間とにする。
(D-S間)抵抗を高抵抗に推移させ，直流電流を限流遮断させている。本方式を1段階低下方式と呼上記の研究進行過程において，G-S
ぶことにする。
Current limiting and間電圧 vGS を 2 段階時定数にて低下さInterrupting unit
上記の研究進行過程において，G-S間電圧vGS
Control unit
せること，すなわち 2 段階低下方式の
vCB
i
CBを2段階時定数にて低下させること，すなわち2Current
D
S
着想に至り，さらにはその制御回路を
sensor 1
G
段階低下方式の着想に至り，さらにはその制御
v
GS
考案している。本研究では，初期期間回路を考案している。本研究では，初期期間で
CGS
Reset
では時定数 0.05 ms で，次期間では 5 msは時定数0.05msで，次期間では5msで電圧vGSを switch
Transistor
RGS
R1
で電圧 vGS を低下させている。この仕control
低 下 さ せ て い る。 こ の 仕 様 を 有 す るSiC系 Close
Tr1
EGS=16 V
5V
様を有する SiC 系 MOSFET 型モデル器
switchJudgement
MOSFET型モデル器に直流電流の遮断を課し，
vope1 200 Ωofに直流電流の遮断を課し，遮断過程を
over-current
遮断過程を測定するとともに，2段階低下方式 Openswitch測定するとともに，2 段階低下方式のの効果を検討している。
効果を検討している。
図1．SiC-MOSFETを適用した低圧用直流遮断器の回路図(1段階低下方式)

図 1. SiC-MOSFET を適用した低圧用直流遮断器の回路
2. 限流遮断機能を具備したモデル直流図(1 段階低下方式)－ 24 －

2

2. 限流遮断機能を具備したモデル直流遮断器(1段階低下方式)
2.1 基本仕様
図1は，モデル遮断器の回路構成を示している。SiC-MOSFETのG-S間には，キャパシタ(静電図 1 は，モデル遮断器の回路構成を示している。SiC-MOSFET の G-S 間には，キャパシタ(静電容量CGS)および抵抗素子(抵抗RGS)が並列に接続されている。抵抗素子RGSには，抵抗素子(抵抗R 1 )と容量
CGS)および抵抗素子(抵抗 RGS)が並列に接続されている。抵抗素子 RGS には，抵抗素子(抵抗 R1)
トランジスタTr(出力電圧E
1 (飽和電圧約1V)を介して，直流電圧源
GS:約16V)が接続されている。
とトランジスタ
Tr1 (飽和電圧約 1 V)を介して，直流電圧源(出力電圧
EGS:約 16 V)が接続されてい同遮断器は以下のように電流の通電および遮断動作を行う。
る。同遮断器は以下のように電流の通電および遮断動作を行う。
1）電を5Vに設定することによって，トランジスタTr
Ope1 v
1 を導通状態に維持す
1)流通電時：電圧信号v
電流通電時：電圧信号
Tr1 を導通状態に維持
Ope1 を 5 V に設定することによって，トランジスタる。この維持によって，キャパシタC
GSの端子電圧は15Vに保たれるとともに，これによりゲーする。この維持によって，キャパシタ
CGS の端子電圧は 15 V に保たれるとともに，これにより
ト・ソース間電圧v
GSも15Vに保たれるので，MOSFETのコレクタ・ソース間抵抗r
CSは低抵抗状ゲート・ソース間電圧vGS も 15 V に保たれるので，MOSFET のコレクタ・ソース間抵抗
rCS は低態となり，同素子を通じて系統電流が流れる。
抵抗状態となり，同素子を通じて系統電流が流れる。
2）遮
2)断動作時：電流i
遮断動作時：電流iCB がある閾値を超えると，そのiCB は過大な電流であると判定される。その判CBがある閾値を超えると，そのiCBは過大な電流であると判定される。その判定によって，電圧信号v
定によって，電圧信号
vOpe1 が 5 V から 0 V にステップ状に低下し，トランジスタ
Tr1 を導通状態
Ope1 が5Vから0Vにステップ状に低下し，トランジスタTr
1 を導通状態から非から非導通状態に変化させる。この直後から，キャパシタ
CGS の電荷が抵抗
RGS を通じて放電し，導通状態に変化させる。この直後から，キャパシタC
GS の電荷が抵抗R
GS を通じて放電し，v
GS が
vGS が 15 V から時定数
τ=で指数関数的に低下する。v
CGS RGS で指数関数的に低下する。v
CGS RGS
15Vから時定数τ=
GS の低下に伴って，MOS-FET のコ
GS の低下に伴って，MOS-FETのコレク
レクタ・エミッタ間抵抗
rCS は次第に高い値に上昇するため，遮断器を流れる電流は限流される。
タ・エミッタ間抵抗r
CSは次第に高い値に上昇するため，遮断器を流れる電流は限流される。vGS
vGS が約 8 V 以下に低下すると，抵抗rGS は高抵抗となり，その結果，遮断器を流れる電流が 0 とが約8V以下に低下すると，抵抗r
GSは高抵抗となり，その結果，遮断器を流れる電流が0となり，なり，遮断が達成される。
遮断が達成される。
上述された遮断器では，
時定数 τ=
CGS
以下をコントロールできる。
GS を調整することによって，CGS
RGSRを調整することによって，以下をコントロールできる。
上述された遮断器では，時定数τ=
遮断時間(遮断開始から遮断完了までの時間)，(ii) 電流遮断過程に発生する過渡電圧，(iii) 電流遮(i)(i)遮断時間(遮断開始から遮断完了までの時間)，(ii)電流遮断過程に発生する過渡電圧，(iii)
電断能力。
流遮断能力。
遮断実験方法㻌
2.2 㻞㻚㻞㻌
遮断実験方法㻞㻚㻞㻚㻝㻌
モデル遮断器の仕様㻌
2.2.1
モデル遮断器の仕様
 モデル器では，キャパシタンスの静電容量 C
GS を 1 μF に設定した。また，抵抗素子の抵抗 RGS をモデル器では，キャパシタンスの静電容量Cを1μFに設定した。また，抵抗素子の抵抗R
を
GS

GS

5 kΩ に調整した。したがって，ゲート・ソース間電圧 vGS は，限流遮断過程において，それぞれ時
5 kΩに調整した。したがって，ゲート・ソース間電圧vGSは，限流遮断過程において，それぞれ時
定数 5 ms で低下する。同モデル遮断器には，SiC-MOSFET として最大定格 Collector-Emitter 間電圧
定数5msで低下する。同モデル遮断器には，SiC-MOSFETとして最大定格Collector-Emitter間電
1200 V，最大定格 Collector 電流 120 A のものを用いた。過大電流の判定閾値 15 A とした。
圧1200V，最大定格Collector電流120Aのものを用いた。過大電流の判定閾値15Aとした。
㻞㻚㻞㻚㻞 測定方法㻌
2.2.2 測定方法
モデル遮断器を，抵抗器およびコイルを介して，直流電圧源(出力端子電圧 120 V)に接続した。
モデル遮断器を，抵抗器およびコイルを介して，直流電圧源(出力端子電圧 120V)に接続した。
図 2 は，モデル遮断器への直流電流供給回路の等価回路を示している。抵抗器の抵抗 R を 0.46～
図2は，モデル遮断器への直流電流供給回路の等価回路を示している。抵抗器の抵抗Rを0.46～1.5
1.5 Ω に設定した。したがって，突入電Ωに設定した。したがって，突入電流の流のピーク値 Irush を 80～260 A に設
ピーク値Irush を80～260Aに設定した。ま
定した。また，直流電流供給回路には，た，直流電流供給回路には，インダクタ
インダクタンスとして，i)電圧源の内ンスとして，i)電圧源の内部インダクタン
部インダクタンス，ii)抵抗器に含有さス，ii)抵抗器に含有されるインダクタンス
れるインダクタンスおよび iii)コイル
およびiii)コイルのインダクタンスが存在のインダクタンスが存在する。図 2 でする。図2では，これらインダクタンスのは，これらインダクタンスの総和を L
総和をLで表している。本実験では，Lをで表している。本実験では，L を 0.17
図2．直流電流の供給回路
0.17～4.2mHに調整した。
～4.2 mH に調整した。
図 直流電流の供給回路
モデル遮断器を導通状態にした後，－ 25 －

3

遮断時間を読み取った。
ら遮断時間を読み取った。
2.3 㻞㻚㻟㻌
測定結果
測定結果㻌
2.3.1
限流遮断プロセス㻞㻚㻟㻚㻝㻌
限流遮断プロセス㻌

VoltagevGS [V]
Current
iCB [A]

Voltage source=120.0 V
Gate voltage=15 V
CGS=1 F
RGS=5 kSiC(1200 V-120 A)

0

2

240 A
80 A

0

6
8
10 12 14
Time [ms](a) SiC gate-source voltage，vGS

16

Prospective current

68
10 12 14
Time [ms](b) Current in circuit breaker ， iCB

4

16

240 A

100
0

4

2

200

VoltagevCB [V]

成否を判定し，モデル器の遮断限界を調べし，モデル器の遮断限界を調べた。遮た。遮断成功の場合には，電流iCBの波形から
断成功の場合には，電流 iCB の波形か

15
10
5
0

200
100
0

Accumulatedjoule heatwCB [J]

投入器の接点を閉じ，モデル遮断器
モデル遮断器を導通状態にした後，投入器に突入直流電流を流し，突入電流のの接点を閉じ，モデル遮断器に突入直流電流遮断責務を課した。突入電流のピーを流し，突入電流の遮断責務を課した。突入
ク値 Irush は，前述のように，80～260 A
電流のピーク値Irushは，前述のように，80～である。遮断過程において，G-S 間電
260Aである。遮断過程において，G-S間電圧
圧 vGS，モデル器を流れる電流 iCB お
vGS，モデル器を流れる電流iCBおよび遮断器端
よび遮断器端子間電圧 vCB を測定し子間電圧v
CBを測定した。測定結果から遮断のた。測定結果から遮断の成否を判定

80 A

0

2

4

6
8
10 12 14
Time [ms](c) Voltage across circuit breaker，vCB

16

240 A

60

40
図3．モデル遮断器による限流遮断プロセス(突入電流：80およ80mH)A
20 A，回路インダクタンス: 1.4
び240

図 モデル遮断器による限流遮断プロセス
突入電
0
0
2
4
6
8
10 12 14 16
Time [ms]図3(a)は，G-S間電圧v
GS を示している。時図 3(a)は，G-S 間電圧vGS を示して
流： および $，回路インダクタンスP+(d) Accumulated joule heat ，wCB

刻0msが遮断開始時刻にあたる。電圧v
GSは時いる。時刻 0ms が遮断開始時刻にあル遮断器は時刻2.3msで限流を開始し，時刻条件下での電流波形を示している。

モデル遮断器は時刻
2.3 ms で限流を9.7msで電流i
CBを0Aに減少させる，すなわち開始し，時刻 9.7 ms で電流 iCB を 0 A CBの電流を遮断している。したがって，電流iに減少させる，すなわち電流を遮断
測定波形から，遮断時間は9.7msであると言している。したがって，電流 iCB の測える。図1(b)において，破線は突入電流240A
定波形から，遮断時間は 9.7 ms であ
条件下での電流波形を示している。モデル器
ると言える。図 1(b)において，破線はは14msで電流遮断を達成している。
突入電流 240 A 条件下での電流波形
図3(b)は，遮断器端子間電圧v
CBを示してい

15
10
5
0

200
100
0

Current
iCB [A]

80A条件下での電流波形を示している。モデ
図 1(b)において，実線は突入電流 80 A

VoltagevCB [V]続 すに低下し，その後も低下を継続する。
る。 図 1(b)に お い て， 実 線 は 突 入 電 流

VoltagevGS [V]

刻2.3msで10Vに低下し，その後も低下を継たる。電圧 vGS は時刻 2.3 ms で 10 V

Voltage source=120.0 V
Gate voltage=15 V
CGS=1 F
RGS=5 kSiC(1200 V-120 A)

0

2

4

6

10

12

4
6
8
10
Time [ms](b) Current in circuit breaker ， iCB

12Time [ms]8(a) SiC gate-source voltage ，vGS
Limitation
initiation

0

200

2

100
0

0

2

4

6

8

10

Time [ms](c) Voltage across circuit breaker，vCB

12Accumulatedjoule heatwCB [J]60
図 4．モデル遮断器による限流遮断プロセス(突入電流：40を示している。モデル器は
14
ms
で
図
モデル遮断器による限流遮断プロセス
突入電る。電圧は過大電圧を示していない。した25020A，回路インダクタンス: 1 . 4 mH)
0電流遮断を達成している。
流：$，回路インダクタンスP+がって，ゲート・ソース間電圧の時定数を
02468  1012Time[ms]
図 3(b)は，遮断器端子間電圧 vCB を5msに設定することは，過大電圧の発生を防止できると言える。
(d) Accumulated joule heat ，wCB



示している。電圧は過大電圧を示し
図4は，突入電流250Aの場合に測定された波形を示している。同図(b)に示されるように，電流ていない。したがって，ゲート・ソース間電圧の時定数を 5ms に設定することは，過大電圧の発生
は時刻約2msで限流されはじめ，時刻7.9msで38Aに減少している。その後，電流は一転して増加を防止できると言える。
している。すなわち，モデル遮断器は250Aの電流に対しては，電流遮断を達成できていない。
図 4 は，突入電流 250 A の場合に測定された波形を示している。同図(b)に示されるように，電流2.3.2 電流遮断能力と遮断時間
は時刻約 2 ms で限流されはじめ，時刻 7.9ms で 38 A に減少している。その後，電流は一転して増図5は各条件下で得られた遮断成否を示している。白抜きの点は遮断成功を，塗り潰した点は遮加している。すなわち，モデル遮断器は 250 A の電流に対しては，電流遮断を達成できていない。
断失敗を表している。L= 0.17mHおよび0.74mHの場合，モデル器はピーク値240A以下の電流の遮㻞㻚㻟㻚㻞㻌 電流遮断能力と遮断時間㻌断に成功している。したがって，遮断限界は240Aであると言える。L=4.2mH条件下では，遮断限
図 5 は各条件下で得られた遮断成否を示している。白抜きの点は遮断成功を，塗り潰した点は遮界は140Aに低下している。
断失敗を表している。L= 0.17 mH および 0.74 mH の場合，モデル器はピーク値 240 A 以下の電流の本モデル器では，前述のように，時定数τGSを5msに設定した。図6は遮断時間の測定値を示している。モデル器は本実験条件下では直流電流を8～14msで遮断できている。このことから，τGS
4－ 26 －

Total inductance Ltot
in DC supply circuit [mH]

遮断に成功している。したがって，遮断限界は=5msの場合には，モデル器は14ms以内に遮断達成できる240 A であると言える。L=4.2 mH 条件下では，遮断と言える。
限界は 140 A に低下している。
本モデル器では，
前述のように，時定数 τGS を 5 ms
3．モデル直流遮断器－ゲート・ソース間電圧の2段階低下に設定した。図 6 は遮断時間の測定値を示してい方式－
る。モデル器は本実験条件下では直流電流を 8～
3.1 基本仕様
14 ms で遮断できている。このことから，τGS=5 ms
G-S間電圧v
GS の2段階低下方式を採用したモデル遮断器の場合には，
モデル器は 14 ms 以内に遮断達成できの基本仕様を以下に述べる。
ると言える。
1．平常時：実験で使用されるSiC-MOSFET(1200V-120A)


7 Time constantin gate circuit : 5 ms
6
， ， ， ， : Successful
5， ， ， ， : Failure
4
3
2
1
0

100

200

Prospective interrupting
current [A]300

図 5．モデル遮断器による直流電流の遮断の出力特性によれば，G-S間電圧v
GS を15Vに設定する成否㻟㻚㻌 モデル直流遮断器－ゲート・ソース間電圧の㻞 段
図 モデル遮断器による直流電流の遮と，D-S間抵抗は約0.03
Ωの低抵抗値になる。そこで，階低下方式－㻌
断成否
モデル器においては，平常時には，v
GS を15Vに保つこ㻟㻚㻝㻌 基本仕様㻌
2．電流遮断時：同MOSFETの出力特性によれば，電圧v
GS
ル遮断器の基本仕様を以下に述べる。
を15Vから低下させるにつれて，D-S間抵抗は高まると
1.平常時：実験で使用される SiC-MOSFET(1200 Vはいうものの，v
GSが約10～15VでのD-S間抵抗は0.1Ω
120 A)の出力特性によれば，G-S間電圧 vGS を
オーダであり，限流効果はほとんど現れない。そこで，
15 V に設定すると，D-S 間抵抗は約 0.03 の低抵
vGSを早い時定数τGS,f (3節モデル遮断器においては，(i)抗値になる。そこで，モデル器においては，平常Interrupting time [ms]25とによって負荷電流をD-S間に通電させる。
G-S 間電圧 vGS の 2 段階低下方式を採用したモデ

時には，vGS を 15 V に保つことによって負荷電流での実験では，0.05ms)で15Vから10Vに低下させる。
D-S 間に通電させる。
(ii) を次いで，v
GSを時定数τGS,s (3節での実験では，5ms)で: 3.0 mH
: 4.2 mH

100

200

15
10
5
0

Prospective interrupting
current [A]2.電流遮断時：同 MOSFET の出力特性によれば，低下させる。この期間では，遮断すべき電流は限流過程
電圧 vGS を 15 V から低下させるにつれて，D-S 間
を経て遮断される。

20: 0.17 mH: 0.74 mH: 1.4 mH300

図 6．直流電流に対する遮断時間

図 直流電流に対する遮断時間

抵抗は高まるとはいうものの，vGS が約 10～15 V
3.2 突入電流遮断実験
での D-S 間抵抗は 0.1 オーダであり，限流効果
3.2.1 実験方法
はほとんど現れない。そこで，モデル遮断器にお抵抗器(抵抗値R)，コイル(インダクタンスL)および投入器を介して，モデル遮断器を出力端子電Current iCB [A]Current iCB [A]Voltage vGS [V]いては，(i) vGS を早い時定数GS,f (3 節での実験では，0.05 ms)で 15 V から 10 V に低下させる。
圧 120Vの直流電源に接続した。次いで，Rを 図 7(a)は G-S 間電圧 vGS を，同図(b)は，(ii) 次いで，vGS を時定数GS,s (3 節での実験では，5 ms)で低下させる。この期間では，遮断すべき1.2あるいは0.6Ωに，Lを4.2mHに設定した。
15
ピーク値 100 A の突入電流に対する測定
電流は限流過程を経て遮断される。
10
モデル器にピーク値100Aおよび200Aの突入電5波形を示している。時刻 0 ms は過電流判㻟㻚㻞㻌 突入電流遮断実験㻌
0流の遮断責務を課し，G-S間電圧v
およびモデ
GS
0
5
10
定時刻に対応する。同図(a)に示されるよTime [ms]㻟㻚㻞㻚㻝㻌
実験方法㻌
(a) SiC gate-source voltage, vGS
ル器を流れる電流iCBを実測した。なお，過電流200
う に ， G-S 間 電圧 vGS は 時 刻 0 から抵抗器(抵抗値 R)，コイル(インダクタンス L)および投入器を介して，モデル遮断器を出力端子電Prospective current
判定レベルを15Aとした。
100
0.025 ms にかけて 15 V から 10 V に急速
圧 120 V の直流電源に接続した。次いで，R を 1.2 あるいは 0.6 InterruptingΩ に，Lcurrent
を 4.2 mH に設定した。モ
Threshold level
3.2.2 実験結果
0に低下している。その後，電圧 vGS は時0510
デル器にピーク値 100 A および 200 A の突入電流の遮断責務を課し，G-S間電圧 vGS およびモデル
Time [ms]図7(a)はG-S間電圧vGSを，同図(b)は，ピーク(b) Current in circuit breaker, iCB, for 100 A case
定数 5 ms で減少し，時刻約 0.6 ms で 9 V
器を流れる電流 iCB を実測した。なお，過電流判定レベルを
15 A とした。
200
値100 Aの突入電流に対する測定波形を示してProspective currentになる。すなわち，G-S 間電圧 vGS を目㻟㻚㻞㻚㻞㻌 実験結果㻌
100
いる。時刻0 msは過電流判定時刻に対応する。
Interrupting current
Threshold level
論見どおり，2 段階で低下させることに
00510
同図(a)に示されるように，G-S間電圧v
GS は時成功している。
Time [ms](c) Current in circuit breaker, iCB, for 200 A case

刻 0から0.025msにかけて15Vから10Vに急速
図 7(b) に 示 さ れ る よ う に ， 時 刻 約

図 7．2段階方式を具備したモデル遮断器による直流電流
図 プロセス
段階方式を具備したモデル遮断器による直に低下している。その後，電圧v
GSは時定数5ms
0.6 ms からモデル遮断器は限流動作を開始している。言い換えれば，過電流検知

5
流電流プロセス

後のわずか 0.6 ms で限流を開始している － 27 －ことを指摘できる。その後もモデル遮断器は限流を継続し，時刻 5.8 ms で遮断を達成している。
 図 7(c)は，ピーク値 200 A の突入電流に対する測定波形を示している。モデル器は, 約 0.6 ms でで減少し，時刻約0.6msで9Vになる。すなわち，G-S間電圧vGSを目論見どおり，2段階で低下させることに成功している。
図7(b)に示されるように，時刻約0.6msからモデル遮断器は限流動作を開始している。言い換えれば，過電流検知後のわずか0.6msで限流を開始していることを指摘できる。その後もモデル遮断器は限流を継続し，時刻5.8msで遮断を達成している。
図7(c)は，ピーク値200Aの突入電流に対する測定波形を示している。モデル器は, 約0.6msで限流を開始し，時刻6.1msで遮断を達成している。この遮断時間は100A遮断の場合にほぼ等しく，
遮断電流が大きくなっても，遮断時間はほとんど増加していない。
3.2.3 検討
G-S間電圧vGSを時定数5msのみで低下させたモデル遮断器に対して，第2節で述べたように，直流電流遮断実験を行ってきた。測定結果によれば，ピーク値100Aの突入電流に対する遮断時間は約13msであり，遮断限界は140Aと測定された。本報告に記した結果に限って言えば，2段階低下方式のモデル遮断器は，短い遮断時間を達成し，また高い遮断限界を有すると言える。
4．あとがきSiC-MOSFET素子のスイッチング機能を低圧直流遮断技術に適用することを目的として，アー
クレス型直流モデル遮断器を構築した。MOSFETのDorain－Source間抵抗がGate-Source間電圧によって制御できることに着眼し，本モデル遮断器による直流遮断法では，Gate-Source間電圧vGS
を時間の経過とともに低下させている。SiC-MOSFETとして最大定格Collector-Emitter間電圧
1200V，最大定格Collector電流120Aのものを用いた。本モデル遮断器を直流供給回路に接続し，モデル遮断器に対して突入電流80～260Aの直流の遮断責務を課した。得られた波形から，モデル
遮断器の遮断能力および遮断時間を測定した。Gate-Source間電圧の時定数τGS= 5msの場合，回路インダクタンス 0.17mHおよび0.74mHの場合，モデル器はピーク値240A以下の電流の遮断に成功
し，遮断能力は240Aであるとわかった。一方，回路インダクタンス3.0mHおよび4.2mH条件下では，遮断限界は200Aおよび140Aと測定された。一方，電流遮断成功した場合には，モデル器は本
実験条件下では直流電流を8～14msで遮断できた。このことから，τGS= 5msの場合には，モデル器
は14ms以内に遮断達成できると言える。
次いで，Gate-Source間電圧vGSの低下方法に関して，次段階の着想に至った。すなわち，限流遮断にあたり，2段階の時定数でGate-Source間電圧vGSを低下させる，言い換えれば，初期段階ではGate-Source間電圧vGSを短い時定数τGS,fで，その後，数ミリ秒の時定数τGS,sで低下させることである。その実現に向けて，Gate-Source間電圧の制御回路を考案した。τGS,f=0.05msおよびτGS,s=5msに設定し，2段階で低下できることに成功した。2段階低下方式を具備したモデル遮断器を構築し，直流電流の遮断を課し，遮断能力と遮断時間を測定した。本研究で得られた結果から判断して，
Gate-Source間間電圧vGSの2段階低下方式は，遮断時間の短縮だけでなく，遮断限界の向上にも有効であることが示された。
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（2）横水康伸，玉尾一真，大橋亮介，松村年郎：「SiC-MOSFET型直流モデル遮断器の突入電流遮断限界と遮断時間」．平成28年電気学会全国大会講演論文集，6-028 (2016)．

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