JP2017126544A

JP2017126544A - 無アーク電流開閉装置

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Publication number: JP2017126544A
Application number: JP2016013814A
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Inventors: 嶋田　隆一; Ryuichi Shimada; 隆一嶋田
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Filing date: 2016-01-11
Publication date: 2017-07-20
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Abstract

【課題】金属接点をアークの発生すること無く開極し、低ノイズで電流を遮断する。【解決手段】単極双投の金属接点開閉器のコモン電極とａ接点を連続通電用の主接点として、そのａ接点とコモン電極には、並列に半導体スイッチを接続し、そのゲートは絶縁された電源から電圧を与えられて半導体スイッチは常時導通状態になっているが、連動するｂ接点がオン状態になるとゲート抵抗Ｒｇはミラー積分効果で再起電圧を遅らせて上昇し、電流が無アークで開極して低ノイズで遮断される。【選択図】図２

Description

本発明は、電力系のスイッチ装置に関し、直流または交流電流の、電力系統、鉄道、電気自動車、配電の施設、屋内配線等の電力を扱うにおいて必要な電流の開閉器に属し、金属接点による直流電流の遮断では発生するアークが持続することで、数十Ｖ以上数Ａ以上の遮断は容易ではない。直流電流を遮断するにアークを発生すること無く遮断可能になるように、半導体スイッチと、導通損失の低い金属接点スイッチとで構成される無アーク電流開閉装置に関する。

半導体スイッチの進歩により、高電圧・大電流が高速に遮断可能になった。しかし、アークの消滅による遮断は数μ秒であったが、ＭＯＳＦＥＴはより速く、数１０ナノ秒でオン、オフするので、インダクタンスのある回路の電流を遮断すると、高い再起電圧が発生して、バリスタやなどのスナバ回路を必要とするなど、保護回路が必要である。高速すぎる遮断は、返ってそのために開閉サージが増している。

一方、直流電流の遮断を金属接点の開極で行うと電流が遮断されずに連続する。開極時に発生するアークにより通電し、アークを消滅させなければ電流は遮断できない。アークを消弧するにはアーク長を磁気などで長くし、冷却して消弧するが、この間、電極が消耗して接点の寿命が短くなってしまう。

近年シリコン・カーバイド系の半導体が実用化されて、ＭＯＳＦＥＴ（ＭｅｔａｌＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＦｉｅｌｄＥｆｆｅｃｔＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）で１０００Ｖを越える高耐電圧の半導体スイッチが実用化されている。この高耐圧の半導体スイッチを使って高電圧の直流電力系の開閉、遮断スイッチが提供できるようになった。しかし、まだまだ、半導体スイッチの通電損は金属接点より大きく数１０Ｗ程度あるので、半導体スイッチの冷却装置が必要となり、大型になってしまうのが欠点である。そこで、両方の利点を組み合わせて、通電は金属接点で、遮断時のみ半導体スイッチで通電、遮断する無アーク開閉器、遮断器が望まれている。

本発明は特願２０１５−０７８０９４に記載した金属接点と半導体スイッチの並列接続による無アーク開閉器をさらに効果を増し、応用範囲を広げるようにする改良に関するものである。

特願２０１５−０７８０９４特願２０１５−１９９７６８

特許文献１に記載の発明の中で、先行特許中の図６では、機械接点と半導体スイッチの並列接続であって、通電は金属接点で行い、金属接点の低オン抵抗で発熱はない。電流を遮断する時は、半導体スイッチに転流して、半導体スイッチのゲート制御によって高速に遮断する。

図１は特許文献１に記載の図６の直流開閉器であるが、これには２つの特徴がある。第一の特徴はゲート回路である。直流をＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ、（ＩｎｓｕｌａｔｅｄＧａｔｅＢｙ−ｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などの絶縁ゲートの半導体スイッチでオン・オフするが、半導体スイッチのゲートをＯＮ状態にする電圧を半導体スイッチに印加されるドレイン電圧を使っているためゲート駆動電源が不要である。ＭＯＳＦＥＴのドレインの電圧を高抵抗１００ｋΩ以上の抵抗でゲートに接続することによって、ＭＯＳＦＥＴの閾値（Ｖｔｈ）で電流が流れ出し、Ｖｔｈ＋オン抵抗の電圧以上にはならない。Ｖｔｈは３Ｖ程度である。並列に接続されている通電接点である金属接点ではアークの発生する最低電圧は１０Ｖ程度であるので、アークは発生しない。接点電流は無アークで半導体スイッチに転流する。

特許文献１に記載の発明では、ドレイン電圧でゲートをオンしているのでオン電圧はＶｔｈ以下にはならない。ゲートに十分大きな電圧を与えて、飽和領域で駆動できればオン電圧は電流×オン抵抗になって、Ｖｔｈより小さくなる。これにより発熱が下がり、さらに大きな過電流耐量を利用できるようになる。

先行特許のもう一つの新規なところは、１極双投スイッチのａ接点、ｂ接点を利用して半導体スイッチのゲート信号を制御することを特徴としている。しかし、ａ接点は、大電流を通電するため、低抵抗である必要があるが、ｂ接点はゲート電圧の制御のための接点であるから電流容量はａ接点に比べてわずかである。また、ｂ接点がオンするとＭＯＳＦＥＴが遮断するがその遮断スピードが速いので再起電圧も急峻でサージ電圧が発生する。ｂ接点のオン時にチャタリングを起こすと、それに伴ってサージ電圧を多数回、発生する。ｂ接点はチャタリングの起こしにくい金属材料の接点が望ましい。チャタリングの起こさない、接触不良を起こさないスイッチとして水銀スイッチがあるが、要するに柔らかい金属材料がよい。ｂ接点に代わるゲート、ソース間を低抵抗で短絡するスイッチであれば、連動して動作する補助接点、絶縁光カップラ、リードリレーなども可能である。

本発明は、かかる先に出願された発明をさらに電流の開閉器、遮断器への応用に鑑みなされたものであり、金属接点の問題点を解決し、また半導体スイッチの発熱などの問題点を解決して交流・直流電源を安全かつ確実に短絡、開放、遮断することが可能な開閉器、遮断器を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、金属接点と並列に半導体スイッチを接続される、直流電流を開閉させるスイッチは、一つのＭＯＳＦＥＴと、そのＭＯＳＦＥＴのドレインを金属接点のａ接点に接続し、ＭＯＳＦＥＴのソースを金属接点のコモン電極に接続し、ドレイン、ゲート間に接続された抵抗器と、前記ＭＯＳＦＥＴのソース、ゲートをｂ接点によって短絡するスイッチを備えたことを特徴とする特許文献１に記載の発明の図６の機械接点と半導体スイッチの並列接続した無アーク遮断スイッチを基礎にさらに以下のように１から５にあげる改良をすることにより利用範囲を広げる。

１．半導体スイッチのゲートにゲートを飽和領域の電圧を与えて、オン抵抗をさらに小さくするために、絶縁した電源を用意してゲートを飽和状態のオンにして、半導体をオフにする時、ｂ接点のオンで絶縁電源をゼロにするがゲート抵抗Ｒｇとドレイン・ゲート間の寄生容量によるミラー積分効果で再起電圧を遅く上昇させる。絶縁電源には太陽電池、絶縁ＤＣ電源、充電２次電池、長寿命な電池などがある。

２．ｂ接点のオンで半導体スイッチをオフする際に、ｂ接点を直接には使わず、光結合スイッチなどの組み合わせでゲート電圧を短絡する。電磁リレーでは、リレー駆動電源のオン、オフを利用して光結合スイッチやリードリレーなどでｂ接点の代わりとなるようにタイマーで然るべき時間遅れを設けて駆動してもよい。

３．ｂ接点の信号がチャタリングを起こす場合の対策として、防止する回路を付加する。併せて、近年の半導体スイッチの遮断スピードが速いので、高周波のノイズを発生し、ノイズによる誤動作を発生する可能性がある。半導体スイッチの遮断スピードを遅くする回路、再起電圧制御回路を付加する。

４．金属接点のａ接点とドレインの間にダイオードを入れて、逆電流阻止構造の直流開閉器にする。これは負荷側に電圧が残っている場合、遮断後に電流が逆流する可能性を除くために必要である。ＭＯＳＦＥＴなど半導体スイッチとして逆導通型スイッチを用いる場合、逆阻止能力は必要なことである。また、ダイオードの順方向電圧降下、約１．２Ｖが加わるが、ＭＯＳＦＥＴの電圧降下は下がるので大電流を流すことができる。図１１のＭＯＳＦＥＴの損失をシミュレーションで求めたが損失はＩ／３になっている。

５．交流用の開閉器も多頻度開閉を行うと、アークによる電極消耗が開閉器の寿命となる。アークを最小限にするか、できれば無アークで遮断するのが望ましい。３相交流の電流瞬断は３相同時になるように、連動する補助接点のｂ接点からのオン信号で三相の３つの半導体スイッチを同時にオフする。この場合、半導体スイッチはトライアックでも良い。電流のゼロ点でソフトにオフする利点はある。また交流電流遮断でも直流分が重畳する場合があり、電流ゼロ点が無い、所謂ゼロミス現象時は、直流遮断と変わらないので、トライアックでは無く遮断性能のあるＭＯＳＦＥＴを主接点と連動する補助ｂ接点のオンで３相とも同時に遮断を行うのが理想である。

半導体スイッチのゲート駆動に特別な電源を必要としない構成は先の特許文献１、２に記載の発明の特徴で簡単に手動トグルスイッチへも応用できた。さらに進めて、電磁リレーや制御リレーの応用、インターネットなどの通信系統との情報交換により、電源のオン、オフを行う電流スイッチを制御管理することができる。この場合、制御電源があるのでそれを利用した絶縁ゲート駆動回路は半導体スイッチのゲートに十分な電圧を印加して確実に飽和状態のオンにして、先の特許文献１、２の場合より多くの電流を通電できる。

無アークで金属接点の遮断器を開極し、その後、十分な絶縁耐圧を持つために、ｂ接点のオン信号を用いるのは金属接点が開極し開極距離がある距離になったことを確実に示す信号であるからである。金属接点の動作を確実に捉える信号である。開極距離が確保されてから半導体スイッチが電流遮断するので、手動の開極をおこなう場合、開極スピードが、一定しないがその場合もｂ接点のオンを持って遮断するので、多様な開閉スイッチでの応用が可能である。ｂ接点をそれにかわる同期タイミングを得られるスイッチであれば、小電流の弱電圧のスイッチ、例えばマイクロスイッチ、リミットスイッチで代用できる。弱電流用の接点を持つｂ接点を主接点と連動させればよい。

このことによって、例えば電磁駆動のスイッチでは開極スピードが従来はアーク時間を最小にするため、高速な開極動作が必要であったが、それは、遅くても確実に動作する接点電極開閉装置であればよい。そのことで電極を駆動する機構が改良されて、より小型、省エネ、低騒音の新しい電磁開閉器が可能になる。

特許文献１に記載の先行特許中の図６の半導体スイッチを示す説明図である。本発明に係る実施例１の絶縁された電源で駆動される回路図を示す回路図である。本発明に係る実施例１の原理検証装置の実験時の写真実施例１の原理検証装置の直流電流遮断時の電流、電圧波形実施例１の絶縁電源として、フォトカップラ（赤外ＬＥＤ＋フォトダイオード：ＴＬＰ３９０５）を使った場合の原理検証装置長寿命な電池をＭＯＳＦＥＴのゲート電源として用いる場合の回路例である。高電圧の直流電流を半導体スイッチの直列接続で遮断する場合、光カップラでｂ接点の代わりに短絡する構成図である。本発明に係る直流電源の開閉スイッチの第３実施形態を示す回路図である。図８のシミュレーション回路である。図９のシミュレーション計算の結果である。シミュレーション計算の結果（遮断時、時間方向拡大する）である。本発明に係る直流電源の開閉スイッチの第４実施形態を示す回路図である。本発明に係る交流または方向の変わる直流電力系の開閉の第５実施形態を示す回路図である。本発明に係る１つのＭＯＳＦＥＴで構成された交流、または方向の変わる直流電流の開閉器の第６実施形態を示す回路図である。三相交流用に本発明を応用したスイッチの構成である。本発明に係るトライアックを用いた交流用の無アーク低ノイズ開閉器である。

〔第１実施形態：図２〕
以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。
半導体スイッチのゲート電圧に十分高いゲート飽和電圧を与えてオン抵抗を最小にするために、絶縁した電源を付加してゲートをオンし、ｂ接点のオンでゲート電圧をゼロ近くにする。図２は、本発明に係る直流電源の開閉スイッチの第１実施形態を示す回路図である。

図２において、絶縁された直流電圧源は、小型の太陽電池モジュール（７Ｖ−１ｍＡ）を使った図３の実証実験の例として説明するが、ＭＯＳＦＥＴを飽和領域で完全オンするに必要なゲート電圧が発生する。ＭＯＳＦＥＴのゲートは高い絶縁性能を持つので、ゲート駆動電流はほとんど流れない、したがって、ゲートが単極双投のトグルスイッチのｂ接点で短絡されない限り、ＭＯＳＦＥＴは常にＯＮ状態である。図４の実験波形によれば、接点電流の流れている金属接点ａ接点が開極すると、接点の電流は停止し、ＭＯＳＦＥＴに流れて、接点間はアークの発生に必要な１０Ｖにならないので無アークで電流は半導体スイッチに転流する。双投スイッチの構造から、ａ接点が開極してから、バウンスする時間後に、コモン電極はｂ接点に接触する。絶縁ＤＣ電源の電圧をｂ接点がゲート抵抗Ｒｇで短絡すると半導体スイッチはオフされ、再起電圧がミラー積分効果（ブート・ストラップ効果ともいう）でＲｇと寄生容量で決まる時定数で上昇するが、バリスタで抑えられている。絶縁ＤＣ電源が太陽電池である場合、好都合である。太陽電池は、弱くても光があれば無負荷解放電圧が現れ、ＭＯＳＦＥＴを飽和領域まで駆動できるし、短絡しても定電流電源であるので接点の電流はわずかである。

ゲート用電圧源はコンデンサや、充電できる２次電池に置き換えても良いし、ＭＯＳＦＥＴ用のゲート駆動用絶縁電源を用いてもよい。シリコン・カーバイドのＭＯＳＦＥＴであっても、飽和領域まで駆動する１５Ｖ程度まで発生する絶縁電源であれば電流容量は問わない。前述の太陽電池と発光素子を組み込んだ出力電圧７Ｖの光カップラ、ＴＬＰ３９０５は小型でよい。２次出力を２段に直列にすれば１５Ｖの絶縁電源になる。ゲート電源の応答スピードは遅くてもａ接点からｂ接点へのバウンス時間は数ｍＳかかるのでこれに対して十分早ければ問題ない。また、絶縁電圧源を２次電池にして、開閉装置がオフ時の極間電圧で充電される、または電源から絶縁して充電することができる電気２重層キャパシターであっても可能である。図５は実施例１の絶縁電源として、フォトカプラ、赤外ＬＥＤ＋フォトダイオード：ＴＬＰ３９０５を使った場合の原理検証実験の外観写真である。

図２において、ＺｎＯバリスタ（ＺＮＲとも呼ばれる過電圧保護用非線形抵抗）をＭＯＳＦＥＴの過電圧保護のために接続している。これは遮断する直流回路に大きなインダクタンスがある場合、その磁気エネルギーを吸収するので必要に応じて付加する。バリスタのエネルギー吸収能力は、半導体スイッチより１０倍以上大きい。

図６は、長寿命の電池をゲート電源として遮断時、無アーク遮断が可能な直流開閉器である。主接点ａ接点と連動する接点、例えば補助接点、または２極双投トグルスイッチの場合は、もう一方のａ接点を使ってゲートに電荷を蓄積して、ｂ接点のオンでＭＯＳＦＥＴのゲートの電荷を消滅するまで導通しているので、主接点ａ接点の開ではアークは発生しない。この連動するｂ接点回路を用いるとゲート電源はＭＯＳＦＥＴのゲートをチャージ・アップするのみでよいので、絶縁された電源が長寿命の電池を使用することができる。この電池の代わりにキャパシターにして、別電源で充電する方法をとっても良い。併せて、ＣとＲでゲート回路を構成すればＭＯＳＦＥＴのドレイン電圧の変化率を抑えることができ、ノイズの少ない開閉が可能になる。

〔第２実施形態：図７〕
図７は、本発明に係る直流電源の開閉スイッチの第２実施形態を示す回路図である。
図７はｂ接点のオンで半導体スイッチをオフする際に、ｂ接点を直接には使わず、光結合スイッチなどの組み合わせで間接的にゲート電圧をオフ状態にする。

図７は、係る先に出願された特許文献１の発明のｂ接点のオンが最適な半導体遮断のタイミングを与える点を利用して、かつ多数の半導体スイッチを同時にオフすることが可能になる。ここでは光カップラー（ホト・カップラーとも呼ばれる）の例を図示しているが主回路と絶縁することができるスイッチであればリレーでも可能である。ＬＥＤ電源は光カプラのＬＥＤを駆動する電源で電流を約１０ｍＡ程度流すことができればよい。光カプラは数ｋＶの絶縁をしてホトトランジスタをオンすることができる。光カプラの入力を直列に接続し、出力を、遮断電流をバイパスする直列する複数のＭＯＳＦＥＴのゲートーソース間に接続すれば、同時に遮断することができ、再起電圧を直列接続で受けることができるので高耐圧の遮断器を提供することができる。

〔第３実施形態：図８〕
図８は、本発明に係る直流電源の開閉器の第３実施形態を示す回路図である。ＭＯＳＦＥＴ、特にＳｉＣのＭＯＳＦＥＴはの電流遮断のスピードが必要以上に速いため、再起電圧の高速な上昇を抑制する為に、絶縁ゲートを持つ半導体スイッチの特性を使って、ミラー積分回路を付加して、３Ｖ／μＳ程度に制限して低ノイズ化を図っている。

また、図８では、ゲート回路にＣ，Ｒ、Ｒ１，Ｒ２を図のように配して、金属接点Ｓ１のｂ接点の信号のチャタリング対策にもなっている。チャタリングを起こすと短時間に多数回のオン・オフを繰り返すことになる。ｂ接点がチャタリングを起こしにくい構造や接点材料にするが、回路的にもその対策をすることが望ましい。それを防止する抵抗とコンデンサの電子回路を付加する。併せて、近年の半導体スイッチの遮断スピードが速いために再起電圧の上昇スピードが速く、その電圧波形は高い高周波成分を持つ。高周波ノイズを発生すると、直流スイッチが電流遮断するノイズによる関連電子回路の誤動作を発生する可能性がある。半導体スイッチの遮断スピードを遅くする回路を付加する。

これはドレイン−ゲート間の抵抗に並列の例えば０．０１μＦのコンデンサＣを接続し、ゲート−ソース間に例えば１００Ωの低抵抗Ｒで短絡すると遮断電圧の上昇はミラー積分効果で遅くなる。これはＭＯＳＦＥＴのゲート電圧の活性領域を使った回路になるが、先のドレインーゲート間をつなぐ抵抗Ｒ１に並列に接続し、ゲートーソース間をつなぐｂ接点に並列に高抵抗Ｒ２、ここでは５００ｋΩを挿入すれば、チャタリングの防止に効果が有る。ＣとＲで再起電圧の立ち上がりスピードは、遅くできる。
特許文献２の特許願２０１５−１９９７６８「再起電圧制御装置」によれば、再起電圧Ｖｒは、ドレイン‐ゲート間のコンデンサをＣ、ゲート‐ソース間の抵抗をＲとすれば、ミラー積分理論から、Ｃに流れる電流で閾値電圧Ｖｔｈが維持されると考えられるので、
Ｖｒ＝Ｖｔｈ＊Ｔｉｍｅ／ＲＣ
である。Ｖｔｈ＝３Ｖ，Ｒ＝１００Ω、Ｃ＝０．０１μＦであれば、再起電圧は１マイクロ秒で３Ｖの上昇、３Ｖ／μＳである。

このようにパワー用のスイッチ用ＭＯＳＦＥＴは近年目覚ましく発展しており、スイッチング損を少なくするために。高速動作を必要としてきたが、半導体スイッチの損失が許容するならば、遮断スピードを必要なだけ下げることができる。遮断スピードが遅いほど高周波ノイズは少なくなる。特に遮断器の補助のために用途を限った場合は、繰り返しサイクルが限られているので、半導体の発熱を除去するのが容易、パルス大電流が流せて、その後、ゆっくりと遮断が可能である。
図９は直流電流開閉の過渡状態をシミュレーションするためのシミュレーション回路図を示す。図１０はシミュレーションの結果の電流、電圧波形を示す。（ａ）は接点とＭＯＳＦＥＴの電流波形、バリスタの電流波形である。（ｂ）は接点極間電圧で電源電圧１００Ｖが遮断後インダクタンスのために３００Ｖまで上昇、最後はバリスタによってカットされている。（ｃ）はゲート電圧、（ｄ）はＭＯＳＦＥＴの電圧と電流を掛けたパワーを積分した損失をジュールで表している。逆電流阻止ダイオードを入れたことでゲート電圧が１．２Ｖ、上がった結果、損失が３分の１になっている。
図１１は、図１０の時間軸を拡大した図である。接点間電圧では、３００Ｖまで３００μＳで上昇するのが見える。

〔第４実施形態：図１２〕
図１２は、本発明に係る直流電源の開閉スイッチの第４実施形態を示す回路図である。
ゲートに抵抗Ｒを介してドレイン電圧を印加してＭＯＳＦＥＴをオン状態にする構成では、オン電圧は閾値電圧であるＶｔｈまでしか下がらない。オン電圧をさらに下げるには、ゲートにより高い電圧を与える必要がある。そこで、金属接点のａ接点とＭＯＳＦＥＴのドレインの間に、ダイオードを順方向に入れ、ダイオード順方向電圧を加えて抵抗Ｒを介してゲートに電圧を与えると、ダイオードの電圧が加わった分、ＭＯＳＦＥＴのオン電圧が下がる。実験によると、ＭＯＳＦＥＴに５Ａの電流が流して、ダイオードを含めた極間電圧は４．２Ｖに上がったがオン電圧を測ると閾値３Ｖより低い１Ｖにさがる。ドレインにダイオードの順方向電圧１．２Ｖも加えて、極間電圧は１．２Ｖ上がるが、無アークの条件である１０Ｖ以下であるならば良いので、ＭＯＳＦＥＴのオン電圧が３Ｖから１Ｖに下がったことで、半導体の損失が３分の１になる。また、ダイオードを入れることによって、逆電流阻止にすることができる。これは負荷側に電圧が残っている負荷の場合、遮断後に電流が逆流する可能性を除くために、必要がある。一般にＭＯＳＦＥＴのゲート電極はソースに対して＋／−１５Ｖ程度以上の電圧が発生しないようにダイオードでクランプしてあるので逆電圧は問題ない。また、ダイオードの順方向電圧の代わりに１Ω以下の低い抵抗を挿入して電流による抵抗ドロップ電圧でも、半導体のオン電圧を下げる効果がある。

直流電流の逆流の阻止をダイードで可能にする前の回路をさらに応用を広くしたのが、図１３である。交流または直流であっても電流の方向が場合によって変化する用途がある。直流配電の直流バス間を接続する場合、電圧は一方向であるが電流は双方向である。その場合、図１２の回路を電流双方向用に改良したのが図１３である。

〔第５実施形態：図１４及び図１５〕
交流用の開閉器も多頻度開閉を行うと、アークによる電極消耗が開閉器の寿命となる。アークを最小限にするか、無アークで遮断するのが望ましい。３相交流の電流瞬断は３相同時に遮断するように、連動する１つのｂ接点のオン信号で三相の３つの半導体スイッチを同時にオフする。

図１４は、本発明に係る、電流が両方向の直流電力系、または交流電力系にも使用可能な開閉スイッチの第５の実施形態を示す回路図である。
図１４は金属接点を連続通電する主接点Ｓ１とするとその両極にダイオードブリッジを接続し、ダイオードブリッジの直流出力プラスにＭＯＳＦＥＴのドレインを、出力マイナスをＭＯＳＦＥＴのソースを接続する。ＭＯＳＦＥＴのゲートは、１つ目は例えば２２Ωの低抵抗Ｒで補助接点または連動する接点のｂ接点に接続する。ＭＯＳＦＥＴのゲートは、２つ目は例えば１００ｋΩの高抵抗Ｒ１を介してＭＯＳＦＥＴのドレインに、同じく、Ｒ１には並列にコンデンサ、例えばここでは０．１μＦであるが、を並列に接続してある。ＭＯＳＦＥＴのゲートの３つ目は、例えば５００ｋΩの高抵抗Ｒ２を介してドレインに接続してある。抵抗ＲとコンデンサＣが連動接点Ｓｂのｂ接点のオンで、半導体はオフされるがその再起電圧を緩やかに上昇させる。ダイオードブリッジを介して主接点に並列接続されているので、交流電流、方向の変化する直流にも対応できる。

シリコンカーバイトで構成されるＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴを用いるとＳｉＣの性質で高耐圧のスイッチが実現できる。高耐圧の使用に耐える電流スイッチが可能になるが、ＳｉＣのＭＯＳＦＥＴのシュレフォルド電圧ＶｔｈがシリコンのＭＯＳＦＥＴより高く７Ｖ程度あって、ダイオードブリッジによる電圧降下は２Ｖから３Ｖあるので、それを加えると主接点遮断の直後に極間電圧１０Ｖ以上になる。ＳｉＣのＭＯＳＦＥＴを用いる場合は、ゲート電圧を１５Ｖ程度加えて飽和状態のオンになって、シリコンのＭＯＳＦＥＴと同じ、数Ｖ以下にならないといけない。このために絶縁したゲート電圧をゲートに別に加えて、それをｂ接点で短絡、またはマイナスの電圧を印加してスイッチをオフするのを推奨する。

〔第６実施形態：図１５〕
三相交流用半導体スイッチとして、従来はトライアック３つで構成される簡単な半導体スイッチでは、トライアックの性質上、電流ゼロ点で遮断する。その場合、最初の１相の電流ゼロ点で遮断された後、残り２相は単相状態になって、電流ゼロになった時点で同時に遮断される。すなわち、２相を遮断しているにすぎないので負荷の中性点電位の急峻な過電圧など過渡現象が生じる。ここで目指すのは半導体スイッチによる３相同時遮断である。

図１５は３相交流用に構成された本発明の実施例である。ここでは主接点のａ接点と補助接点のｂ接点が使われている。補助接点ｂがオンの場合、全てのスイッチがオフされる。ｂ接点が離れるとゲートはオンになることで、半導体スイッチが通電され、後から、主接点のａ接点がオンになって、その後、電気抵抗の低い金属接点にほとんどの電流が流れる。

補助接点ｂが３相交流用の３接点の開閉器に１つの場合、１つの補助接点ｂのオンによって、３つのゲート用絶縁された電源がゲート電圧をゼロになるようにする。図１５では、さらに安全スイッチが半導体スイッチ回路に直列に接続されている。この安全スイッチがオフされると半導体スイッチ部が主回路から切り離される。安全スイッチは主回路のオンの前のタイミングで接続され、遮断完了後に速やかにオフされる。安全スイッチの存在がオフ時の安全性が接点と半導体の２重になることで信頼性が増すためであって、動作のタイミングやスピードは問わない。また、この安全スイッチは常時オフ状態で主接点の投入、遮断動作の間のみ、オン状態にするようにしてもよい。

交流専用の無アーク低ノイズ開閉器は、ＭＯＳＦＥＴをサイリスタやトライアックに置き換えることができる。ＭＯＳＦＥＴより、高耐圧で短時間の通電耐量に優れている。また電流ゼロ点で自然消弧するので、インダクタンス電流遮断による過電圧が生じないという利点もある。しかし、容量性の負荷の場合、電流ゼロで遮断した後、再起電圧がステップ的上昇の問題もある。そのため、サイリスタ、トライアックの再起電圧上昇スピードを制限するためにコンデンサと抵抗の直列接続によるサージ・アブソーバを設置する必要がある。

［実施例７：図１６］
図１６は、請求項７の実施例で本発明に係る直流用、無アーク低ノイズ開閉器の手法をトライアックに代えて交流用の無アーク低ノイズ開閉器に応用したものである。交流の金属接点の開閉であっても、無アークで遮断出来れば接点の寿命が延び、アークが消滅時の裁断サージの発生を防止することができる。本実施例ではａ接点とｂ接点がともにオフの遷移状態の場合、トライアックのゲートにはＣとＲを介してトリガーに必要な電流が供給されるように、本実施例では、Ｃは０．１μＦ、Ｒは１００Ωを選択している。ｂ接点がオンになるとゲート電流はゼロになるのでトライアックは電流ゼロになるとオフになる。電流ゼロ点でオフになると再起電圧が急峻に発生するが、その電圧上昇率をｂ接点がオンすることでＣとＲの直列回路がサージ・アブソーバとなって作用し、ノイズの発生を防ぐことができる。
単に抵抗だけでもトライアックをオンすることはできるが、しかし、オフ時のリーク電流を増やすのみで、サージ発生を抑える効果はないが、ＣとＲのサージ・アブソーバを使ってゲートをオンすることで、無アークでノイズの発生を抑えた開閉が実現できる。

１主接点Ｓ１：金属接点
２半導体スイッチ（ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴなど絶縁ゲートのスイッチ）
３直流電力系
４バリスタ
５Ｃ：コンデンサ
６Ｒ：抵抗
７Ｒｇ：ゲート抵抗
８逆電流阻止ダイオード
９ダイオードブリッジ
１０トライアック
１１安全スイッチ

Claims

直流電流を開閉するための開閉器であって、無アークで遮断を可能にするために、該開閉器は、
単極双投の金属接点開閉器のコモン電極とノルマルオープンのａ接点を連続通電用の主接点として、そのａ接点とコモン電極には、それぞれＭＯＳＦＥＴのドレインとソースを接続し、ゲートはノルマルクローズのｂ接点にゲート抵抗Ｒｇを介して接続して、ＭＯＳＦＥＴのゲートには別途用意した絶縁された電源から電圧を与えられてＭＯＳＦＥＴはオン状態になっているが、ｂ接点がオンになるとゲート電圧が減少するのでＭＯＳＦＥＴがオフになる。主接点極間の電圧はアーク発生に必要な電圧、約１０Ｖ以下であるので、無アークで接点電流がＭＯＳＦＥＴに転流し、バウンス時間後にｂ接点がオンになると、ゲート抵抗のミラー積分効果でソフトにオフ状態になることを特徴とする直流電流の無アーク開閉装置。
直流電流を開閉するための開閉器であって、電流を無アークで、ソフトに遮断するために、該開閉器は、ＭＯＳＦＥＴのゲートを飽和領域で導通する状態にするために絶縁した電圧源を用いるが、その絶縁電源として、太陽電池、絶縁ＤＣ電源、２次電池、長寿命の電池を用いた請求項１に記載の無アーク電流開閉器。
前記ＭＯＳＦＥＴが絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（以下「ＩＧＢＴ」という）であって、前記ベースが前記ＩＧＢＴのゲートであることを特徴とする請求項１、及び２に記載の無アーク電流開閉器。
前記主接点のｂ接点または、連動する補助スイッチのｂ接点のオンのタイミングで半導体スイッチをオフ状態にするが、ｂ接点を直接には使わず、光結合スイッチなどの組み合わせで直列接続された複数のＭＯＳＦＥＴのゲート電圧を同時にオフにする無アーク電流開閉器。
金属接点の連続通電する主接点Ｓ１とその両極にダイオードブリッジを接続し、ダイオードブリッジの直流出力プラスにＭＯＳＦＥＴのドレインを、出力マイナスをＭＯＳＦＥＴのソースを接続する。ＭＯＳＦＥＴのゲートは、１つ目は低抵抗Ｒで、主接点Ｓ１の補助接点または連動するノルマルクローズのｂ接点に接続する。ＭＯＳＦＥＴのゲートは、２つ目は高抵抗Ｒ１を介してＭＯＳＦＥＴのドレインに、同じく、Ｒ１には並列にコンデンサを並列に接続してある。ＭＯＳＦＥＴのゲートの３つ目は、高抵抗Ｒ２を介してドレインに接続してある。抵抗ＲとコンデンサＣが連動接点Ｓｂのｂ接点のオンで、半導体はオフされるがその再起電圧はＣとＲのミラー積分効果で緩やかに変化させ、交流電流、方向の変化する直流にも対応できる無アークで開閉し、再起電圧の上昇率が制御された交流または直流開閉器
開閉器の信頼性を上げるために、機械接点の安全スイッチが半導体スイッチ回路部に直列に接続されて、この安全スイッチがオフされると半導体スイッチ回路部が主回路から切り離されるが、安全スイッチは主回路の投入の前のタイミングでオンされ、主回路の遮断動作の完了後に速やかにオフされることで、半導体スイッチ回路をノイズなどで誤導通させない請求項１から６のいずれかに記載の開閉器。
交流電力系専用のトライアックを用いた無アークで低ノイズの開閉器は、単極双投スイッチの金属接点のａ接点とコモン電極を通電接点とし、そのａ接点とコモン電極にそれぞれトライアックのアノードとカソードを接続、さらにコンデンサＣと抵抗Ｒの直列回路をａ接点と他方をｂ接点に接続し、さらにｂ接点はトライアックのゲート保護抵抗を介してゲートに接続することで、無アークで遮断し、コンデンサＣと抵抗Ｒが電流遮断時のサーブアブソーバとしても働く交流用開閉器。
前記、無アーク低ノイズの開閉スイッチはスイッチ固有のアドレス番号を持ち、そのアドレスに対して、外部からの通信手段によってオン／オフ制御を行い、さらにオン／オフの状態を通信手段により送出することを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の電流開閉器。