JP4488693B2 - 半導体交流スイッチ装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、自己消弧型半導体素子を使用した半導体交流スイッチ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の半導体交流スイッチ装置においては、ダイオードが逆並列接続された自己消弧素子型半導体素子を交流母線の各相に同一方向に接続してなる半導体交流スイッチ装置において、前記各自己消弧素子型半導体素子のそれぞれに有極性のスナバ回路を設けるともに前記各自己消弧素子型半導体素子に共通のクランプスナバ回路を設けたものが示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平５−１５１４３号公報（第３頁、図４）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の半導体交流スイッチは以上のように構成されているので、半導体交流スイッチ装置をオフする場合に半導体交流スイッチ装置の電流が有極性のスナバ回路に転流して有極性のスナバ回路の電圧が０から上昇し、クランプスナバ回路の電圧に達するまで流れ続けるので半導体交流スイッチ装置の電流遮断時間は遮断電流が小さいほど長くなり、また交流母線の電圧が高電圧のために半導体交流スイッチが多数個の自己消弧素子型半導体素子を直列接続して構成されるような場合には、素子電圧の分担を均一化するために各自己消弧素子型半導体素子毎に有極性のスナバ回路を設けなければならず、さらに遮断電流が大きい場合には有極性のスナバ回路は大型になり、半導体交流スイッチ装置の寸法が大きくなるなどの問題点があった。
【０００５】
この発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、電流遮断時間を短縮して高速に遮断できるとともに、小型にできる半導体交流スイッチ装置を得ることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る半導体交流スイッチ装置では、ダイオードとコンデンサとダイオードの直列体でなるクランプスナバを自己消弧素子型半導体素子の直列接続体に各相ごとに並列接続するとともに前記各相のクランプスナバのコンデンサを共通に並列接続し前記自己消弧素子型半導体素子毎に抵抗とコンデンサの直列体を並列接続し、前記自己消弧素子型半導体素子毎に接続されるゲート回路にターンオフ時のスイッチングサージを抑制するサージ抑制手段を備え、前記クランプスナバのコンデンサを前記交流母線の電圧ピーク値以上に充電する充電手段を設けて、前記抵抗とコンデンサの直列体の電流が前記自己消弧素子型半導体素子の漏れ電流値以上になるように前記抵抗とコンデンサの直列体の定数を設定したものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
この発明による実施の形態１を図１に基づいて説明する。図１は実施の形態１における半導体交流スイッチ装置の主回路の構成を示す回路図である。
【０００８】
図１において、直列接続構成の自己消弧素子型半導体素子１１ａと１２ａ、１１ｂと１２ｂ、１１ｃと１２ｃは、３相交流母線ａ、ｂ、ｃに各々接続されている。
直列接続構成のダイオード２１ａと２２ａ、２１ｂと２２ｂ、２１ｃと２２ｃは、この自己消弧素子型半導体素子１１ａと１２ａ、１１ｂと１２ｂ、１１ｃと１２ｃに各々逆並列接続されている。
そして、自己消弧素子型半導体素子１１ａ、１２ａ、１１ｂ、１２ｂ、１１ｃ、１２ｃのゲート回路３１ａ、３２ａ、３１ｂ、３２ｂ、３１ｃ、３２ｃが設けられるとともに、自己消弧素子型半導体素子１１ａ、１２ａ、１１ｂ、１２ｂ、１１ｃ、１２ｃの並列スナバ４１ａと５１ａ、４２ａと５２ａ、４１ｂと５１ｂ、４２ｂと５２ｂ、４１ｃと５１ｃ、４２ｃと５２ｃ、および、自己消弧素子型半導体素子１１ａと１２ａ、１１ｂと１２ｂ、１１ｃと１２ｃのクランプスナバ６１ａと７ａと６２ｂ、６１ｂと７ｂと６２ｂ、６１ｃと７ｃと６２ｃが設けられている。
充電回路８は、このクランプスナバコンデンサ７ａ、７ｂ、７ｃの並列接続点ＰＣ、ＮＣ間に接続されている。
【０００９】
次に、動作について説明する。
前記自己消弧素子型半導体素子１１ａ、１２ａ、１１ｂ、１２ｂ、１１ｃ、１２ｃは電圧駆動型の自己消弧素子型半導体素子（例えばＳｉやＳｉＣ基板のＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ）であり、ここではＩＧＢＴを使用した場合について図示している。前記自己消弧素子型半導体素子１１ａ、１２ａ、１１ｂ、１２ｂ、１１ｃ、１２ｃの並列スナバ４１ａと５１ａ、４２ａと５２ａ、４１ｂと５１ｂ、４２ｂと５２ｂ、４１ｃと５１ｃ、４２ｃと５２ｃは両極性スナバでコンデンサと抵抗の直列体であり、前記自己消弧素子型半導体素子１１ａ、１２ａ、１１ｂ、１２ｂ、１１ｃ、１２ｃをオフした後に印加される交流電源電圧に対してそれぞれ直列接続構成の前記自己消弧素子型半導体素子１１ａと１２ａ、１１ｂと１２ｂ、１１ｃと１２ｃの電圧分担を均一化するように動作する。
すなわち、前記自己消弧素子型半導体素子１１ａ、１２ａ、１１ｂ、１２ｂ、１１ｃ、１２ｃの漏れ電流特性値（一般に数ｍＡ）以上の電流が前記並列スナバに流れるようにスナバコンデンサ容量を設定すればよいので、小型にできる。
【００１０】
前記クランプスナバコンデンサ７ａ、７ｂ、７ｃはそれぞれ前記自己消弧素子型半導体素子１１ａと１２ａ、１１ｂと１２ｂ、１１ｃと１２ｃに近接して配置されように各相ａ、ｂ、ｃ毎に分散される。
すなわち、例えば前記自己消弧素子型半導体素子１１ａと１２ａをオフすると、前記自己消弧素子型半導体素子１１ａと１２ａの電流は前記クランプスナバコンデンサ７ａに第１のクランプスナバダイオード６１ａと第２のクランプスナバダイオード６２ａを介して転流するが、この転流ループの配線インダクタンスを低減することにより、ターンオフ時に前記自己消弧素子型半導体素子１１ａと１２ａの両端に発生するスイッチングサージ電圧を抑制する。
【００１１】
なお、前記クランプスナバコンデンサ７ａ、７ｂ、７ｃは前記充電回路８の充電変圧器８１と充電用整流器８２により、交流電源電圧のピーク値以上の電圧レベルに充電され、前記自己消弧素子型半導体素子１１ａと１２ａ、１１ｂと１２ｂ、１１ｃと１２ｃがオフした後の前記クランプスナバコンデンサ７ａ、７ｂ、７ｃの転流電流を速やかに減衰させるように動作する。前記ゲート回路３１ａ、３２ａ、３１ｂ、３２ｂ、３１ｃ、３２ｃは同じ構成のものであり、ゲート信号ＧＳに基いて前記自己消弧素子型半導体素子１１ａ、１２ａ、１１ｂ、１２ｂ、１１ｃ、１２ｃをオン、オフする通常動作以外にターンオフ時に発生するの電圧分担を均一にする動作をする。
すなわち、例えば前記ゲート回路３１ａにおいて、第１のゲート増幅器３１０はゲート信号ＧＳに基いて前記自己消弧素子型半導体素子１１ａをオン、オフする。
パルス発生器３１１はゲート信号ＧＳがオンからオフに切り替わった時刻に所定時間幅のパルス信号を発生する。
前記自己消弧素子型半導体素子１１ａの過電圧検出器３１２は、スイッチングサージ電圧が発生したときに過電圧レベルを超えたことを判別する。
ＡＮＤ回路３１３は、この過電圧検出器３１２の過電圧レベル判別信号と前記パルス発生器３１１のパルス信号のＡＮＤ動作を行う。
第２のゲート増幅器３１４は、このＡＮＤ回路３１３の出力信号に基いて前記自己消弧素子型半導体素子１１ａのゲート電圧をスレッショルド電圧（ＩＧＢＴがオフからオンに切り替わるゲート電圧）レベル付近まで高速に上昇させ、過大なスイッチングサージ電圧の印加を抑制して直列接続素子間の電圧分担を均一化する。
【００１２】
なお、前記実施の形態１では交流電源電圧のピーク値以上に充電されたクランプスナバを各相に分散して各相の自己消弧素子型半導体素子に近接配置することによりスイッチングサージ電圧を抑制するとともに転流電流を高速に減衰することができ、またゲート回路に過大なスイッチングサージ電圧の印加を抑制する手段を設けることにより直列接続構成の自己消弧素子型半導体素子間のスイッチングサージ電圧分担を均一化することができ、また小容量の並列スナバを設けることによりオフ状態での直列接続構成の自己消弧素子型半導体素子間の交流電源電圧分担を均一化することができ、小型で信頼性が高く、高速動作の半導体交流スイノッチ装置を得ることができる。
なお、自己消弧素子型半導体素子が２個直列接続されたものを簡単のために示したが、３個以上の直列接続されたものであってもよい。
【００１３】
この発明による実施の形態１によれば、ダイオード２１ａ，２２ａ、２１ｂ，２２ｂ、２１ｃ，２２ｃが逆並列接続された自己消弧素子型半導体素子１１ａ，１２ａ、１１ｂ，１２ｂ、１１ｃ，１２ｃの直列接続体が交流母線の各相に同一方向に接続してなる半導体交流スイッチ装置において、ダイオード６１ａ，６１ｂ，６１ｃとコンデンサ７ａ，７ｂ，７ｃとダイオード６２ａ，６２ｂ，６２ｃの直列体で構成されるクランプスナバ６ａ１，７ａ，６２ａ、６１ｂ，７ｂ，６２ｂ、６１ｃ，７ｃ，６２ｃを自己消弧素子型半導体素子１１ａ，１２ａ、１１ｂ，１２ｂ、１１ｃ，１２ｃの直列接続体に各相ごとに並列接続するとともに前記各相のクランプスナバのコンデンサ７ａ，７ｂ，７ｃを共通に並列接続し前記自己消弧素子型半導体素子毎に抵抗５１ａ〜ｃ，５２ａ〜ｃとコンデンサ４１ａ〜ｃ，４２ａ〜ｃの直列体を並列接続し、前記自己消弧素子型半導体素子毎に接続されるゲート回路３１ａ〜ｃ，３２ａ〜ｃにターンオフ時のスイッチングサージを抑制する過電圧検出器３１２、ＡＮＤ回路３１３およびゲート増幅器３１４からなるサージ抑制手段を備え、前記クランプスナバのコンデンサ７ａ，７ｂ，７ｃを前記交流母線の電圧ピーク値以上に充電する充電回路８からなる充電手段を設けて、前記抵抗５１ａ〜ｃ，５２ａ〜ｃとコンデンサ４１ａ〜ｃ，４２ａ〜ｃの直列体の電流が前記自己消弧素子型半導体素子の漏れ電流値以上になるように前記抵抗５１ａ〜ｃ，５２ａ〜ｃとコンデンサ４１ａ〜ｃ，４２ａ〜ｃの直列体の定数を設定したので、電流遮断時間を短縮して高速に遮断できるとともに、小型にできる半導体交流スイッチ装置を得ることができる。
【００１４】
実施の形態２．
この発明による実施の形態２を図２に基づいて説明する。図２は実施の形態２における半導体交流スイッチ装置の主回路の構成を示す回路図である。
この実施の形態２において、ここで説明する特有の構成以外の構成については、先に説明した実施の形態１と同様の構成内容を具備し、同様の作用を奏するものである。図中、同一符号は同一または相当部分を示す。
【００１５】
前記実施の形態１では、直列接続された半導体素子の過電圧印加を抑制して電圧分担を均一化する手段等について述べたが、高電圧の交流半導体スイッチ装置を小型化する場合に前記ゲート回路３１ａ、３２ａ、３１ｂ、３２ｂ、３１ｃ、３２ｃへゲート電力を供給する手段の小型も必要である。
【００１６】
図２において、ａ〜ｃ相の絶縁トランス９ａ〜９ｃであって、低圧回路の高周波電源９の出力に共通に接続される。
ゲートトランス９１ａ〜９４ａ、９１ｂ〜９４ｂ、９１ｃ〜９４ｃは、それぞれａ〜ｃ相の４個直列接続された自己消弧素子型半導体素子１１ａ〜１４ａ、１１ｂ〜１４ｂ、１１ｃ〜１４ｃにゲート回路３１ａ〜３４ａ、３１ｂ〜３４ｂ、３１ｃ〜３４ｃを介してゲート電力を給電する。
このゲートトランス９２ａと９３ａは前記絶縁トランス９ａに共通に接続され、ゲートトランス９１ａと９４ａはそれぞれゲートトランス９２ａと９３ａの出力に直列接続される。
ｂ相およびｃ相のゲートトランス９１ｂ〜９４ｂおよび９１ｃ〜９４ｃもそれぞれ前記絶縁トランス９ｂおよび９ｃにａ相と同様に接続される。
【００１７】
低圧回路と高圧回路間の絶縁を前記絶縁トランス９ａ〜９ｃに持たせることにより、前記ゲートトランス９１ａ〜９４ａ、９１ｂ〜９４ｂ、９１ｃ〜９４ｃは前記自己消弧素子型半導体素子１１ａ〜１４ａ、１１ｂ〜１４ｂ、１１ｃ〜１４ｃの１素子分の絶縁耐圧を持たせるだけでよい。
【００１８】
また、前記ゲートトランス９２ａおよび９３ａはそれぞれ前記自己消弧素子型半導体素子１１ａと１２ａ、１３ａと１４ａのゲート電力を供給するので、素子２個分の容量が必要になるが、電圧型駆動の自己消弧素子型半導体素子はゲート電力が小さいことが特長であるので容量は小さくてよく、高電圧の絶縁を必要としないことから、前記ゲートトランス９１ａ〜９４ａ、９１ｂ〜９４ｂ、９１ｃ〜９４ｃを小型化できる。
【００１９】
なお、図２では偶数個の直列接続構成例として、４個直列接続された自己消弧素子型半導体素子の２個直列素子毎の２群に分割して、ゲートトランスを接続構成したものを示したが、自己消弧素子型半導体素子の直列接続数が奇数個であってもよく、例えば５個直列接続された自己消弧素子型半導体素子の場合には２個直列素子と３個直列素子の２群に分割対応させてゲートトランスを接続構成すればよい。
【００２０】
この発明による実施の形態２によれば、前述した実施の形態１における構成にいて、前記自己消弧素子型半導体素子１１ａ〜１４ａ、１１ｂ〜１４ｂ、１１ｃ〜１４ｃの直列接続体を２分割し、その中間素子側から順番にゲートトランス９ａ〜９ｃ、９１ａ，９２ａ，９３ａ，９４ａ、９１ｂ，９２ｂ，９３ｂ，９４ｂ、９１ｃ，９２ｃ，９３ｃ，９４ｃを直列接続して前記自己消弧素子型半導体素子の前記ゲート回路にゲート９ａ〜９ｃから９２ａ〜ｃ，９３ａ〜ｃ、９１ａ〜ｃ，９４ａ〜ｃへと展開してゲート電力を供給するようにしたので、電流遮断時間を短縮して高速に遮断できるとともに、ゲートトランスを含め全体を小型にできる半導体交流スイッチ装置を得ることができる。
【００２１】
実施の形態３．
この発明による実施の形態３を図３に基づいて説明する。図３は実施の形態３における半導体交流スイッチ装置の主回路の構成を示す回路図である。
この実施の形態３において、ここで説明する特有の構成以外の構成については、先に説明した実施の形態１または実施の形態２と同様の構成内容を具備し、同様の作用を奏するものである。図中、同一符号は同一または相当部分を示す。
【００２２】
前記実施の形態１では、直列接続された半導体素子の過電圧印加を抑制して電圧分担を均一化する手段等について述べたが、この実施の形態３では、外雷サージなどによる大地絶縁保護手段を図３に示す。
【００２３】
図において、クランプコンデサ７１ａ、７２ａ、７１ｂ，７２ｂ，７１ｃ，７２ｃは、図１のクランプスナバコンデンサ７ａ、７ｂ、７ｃをそれぞれ２群に分割して直列接続され、各中間接続点ＣＣは共通に接続される。
アレスタ１００は、前記クランプコンデサ７１ａ、７２ａ、７１ｂ，７２ｂ，７１ｃ，７２ｃの中間接続点ＣＣと大地（アース）間に接続される。
【００２４】
各母線ａ〜ｃと大地間に発生した外雷サージは前記クランプコンデサ７１ａ、７２ａ、７１ｂ，７２ｂ，７１ｃ，７２ｃを介して前記アレスタ１００に流れるように構成したので、構造を簡略化でき、経済的に優れた装置を得ることができる。
【００２５】
この発明による実施の形態３によれば、実施の形態１または実施の形態２においける構成において、前記クランプスナバのコンデンサを２分割に直列接続してその中間接続点ＣＣと大地間にアレスタ１００を接続したので、電流遮断時間を短縮して高速に遮断できるとともに、構造を簡略化できる半導体交流スイッチ装置を得ることができる。
【００２６】
実施の形態４．
この発明による実施の形態４を図４に基づいて説明する。図４は実施の形態４における半導体交流スイッチ装置の主回路の構成を示す回路図である。
この実施の形態４において、ここで説明する特有の構成以外の構成については、先に説明した実施の形態１ないし実施の形態３のいずれかと同様の構成内容を具備し、同様の作用を奏するものである。図中、同一符号は同一または相当部分を示す。
【００２７】
前記実施の形態１では、直列接続された半導体素子の過電圧印加を抑制して電圧分担を均一化する手段等について述べたが、この実施の形態４では、装置内部で地絡した場合の検出手段を図４に示す。
図において、抵抗器１０１は、クランプコンデサ７１ａ、７２ａ、７１ｂ、７２ｂ、７１ｃ、７２ｃの中間接続点ＣＣと大地（アース）間に接続される。
電圧検出器１０２Ｐ、１０２Ｎは、それぞれ前記クランプコンデサ７１ａ、７２ａ、７１ｂ、７２ｂ、７１ｃ、７２ｃの並列接続点ＰＣと中間接続点ＣＣ、並列接続点ＮＣと中間接続点ＣＣ間に接続される。
過電圧検出器１０３Ｐ、１０３Ｎは、それぞれこの電圧検出器１０２Ｐ、１０２Ｎに接続される。
【００２８】
例えば、ａ相の自己消弧型半導体素子１２ａと１３ａの中間接続点ａ”で地絡が発生した場合には、図示破線で示すように前記抵抗器１０１を通る経路で地終電流が流れて、前記並列接続点ＰＣと中間接続点ＣＣ間の電圧が上昇し、前記過電圧検出器１０３Ｐにより地絡が検出される。
以上のように地絡検出手段を構成したので、地絡検出の精度を向上でき、また経済的に優れた装置を得ることができる。
【００２９】
この発明による実施の形態４によれば、実施の形態１ないし実施の形態３のいずれかの構成において、前記クランプスナバのコンデンサを２分割して直列接続し、その中間接続点ＣＣと大地間に抵抗器１０１を接続し、前記２分割された前記クランプスナバのコンデンサの両端電圧を検出する電圧検出器１０２Ｐ，１０２Ｎおよび過電圧検出器１０３Ｐ，１０３Ｎからなる電圧検出手段を備え、前記電圧検出器１０２Ｐ，１０２Ｎおよび過電圧検出器１０３Ｐ，１０３Ｎからなる電圧検出手段により地絡事故を検出するようにしたので、電流遮断時間を短縮して高速に遮断できるとともに、小型にでき、しかも、地絡検出の精度を向上できる半導体交流スイッチ装置を得ることができる。
【００３０】
実施の形態５．
この発明による実施の形態５を図５に基づいて説明する。図５は実施の形態５における半導体交流スイッチ装置の構造を示す正面図である。
この実施の形態５において、ここで説明する特有の構成以外の構成については、先に説明した実施の形態１ないし実施の形態４のいずれかと同様の構成内容を具備し、同様の作用を奏するものである。図中、同一符号は同一または相当部分を示す。
【００３１】
前記実施の形態１〜４では、交流半導体スイッチ装置の主回路構成について述べたが、この実施の形態５では、交流半導体スイッチ装置の構造の正面図を図５に示す。
【００３２】
図において、自己消弧素子型半導体モジュール１１１ａ〜１１４ａ、１１１ｂ〜１１４ｂ、１１１ｃ〜１１４ｃは、図３に示すような主回路構成の自己消弧素子型半導体素子と逆並列ダイオード（例えば１１ａと２１ａ）の各チップが同じパッケージに収納されている。
交流半導体ユニット１２１ａ、１２２ａ、１２１ｂ、１２２ｂ、１２１ｃ、１２２ｃは、この自己消弧素子型半導体素子モジュールとクランプスナバダイオード（例えば１１１ａ、１１２ａ、６１ａ）で構成される。
【００３３】
前記実施の形態１で述べたように、自己消弧素子型半導体素子とクランプスナバの転流ループのインダクタンスを低減できる構造を実現するために、例えばａ相の交流半導体ユニット１２１ａにおいて自己消弧素子型半導体モジュール１１１ａと１１２ａは横並びに配置され、母線ａから順番に直列接続されて中間点ａ”に至る。一方、第１のクランプスナバダイオード６１ａは前記自己消弧素子型半導体モジュール１１１ａと１１２ａに近接配置され、この交流半導体ユニット１２１ａの横に近接して分散配置されたクランプスナバコンデンサ７１ａと母線ａ間に接続される。ａ相のもう片方の交流半導体ユニット１２２ａにおいて自己消弧素子型半導体モジュール１１３ａと１１４ａは横並びに配置され、中間点ａ”から順番に直列接続されて母線ａ’に至る。
【００３４】
一方、第２のクランプスナバダイオード６２ａは前記自己消弧素子型半導体モジュール１１３ａと１１４ａに近接配置され、この交流半導体ユニット１２２ａの横に分散して近接配置されたクランプスナバコンデンサ７２ａと母線ａ，間に接続されて、各クランプスナバコンデンサ７１ａと７２ａの中間接続点ＣＣが共通に接続される。ｂ相およびｃ相も同様に接続構成され、ａ、ｂ、ｃ相の各交流半導体ユニットおよびクランプスナバコンデンサを上下方向に６段に積み上げて構成する。
【００３５】
以上のように、交流半導体ユニットとクランプスナバコンデンサを各相２分割して配置したので、転流インダクタンスを低減できるとともに構造を簡略化でき、経済的に優れた装置を得ることができる。
【００３６】
なお、自己消弧素子型半導体モジュールが４個直列接続されたものを示したが、２個以上の直列接続されたものであってもよく、また奇数個の直列接続の場合には、例えば５個直列接続の場合には前記クランプスナバのコンデンサを２分割にトをそれぞれ自己消弧素子型半導体モジユールが３個および２個の直列体の２群で構成したものであってもよい。
【００３７】
この発明による実施の形態５によれば、実施の形態１から実施の形態４までのいずれかの構成において、２分割された前記自己消弧素子型半導体素子の直列接続体の片方と、前記第１および第２のクランプスナバグイオードの片方を交流半導体ユニットとして構成し、この交流半導体ユニットを前記自己消弧素子型半導体素子とその逆並列ダイオードと一体化されてなる自己消弧素子型半導体モジュールを横方向に配置して順番に直列接続するとともに前記前記第１および第２のクランプスナバダイオードの片方をこの自己消弧素子型半導体モジユールに近接配置した構造とし、２分割された前記クランプスナバのコンデンサの片方を前記交流半導体ユニットの横に近接配置し、もう片方の前記交流半導体ユニットと前記前記クランプスナバのコンデンサを上下方向の位置に配置して１相分を構成し、前記交流半導体ユニットと前記前記クランプスナバのコンデンサを上下方向に全体で６段に積み上げた構造で３相分を構成したので、電流遮断時間を短縮して高速に遮断できるとともに、小型にでき、しかも、転流インダクタンスを低減できる半導体交流スイッチ装置を得ることができる。
【００３８】
実施の形態６．
この発明による実施の形態６を図６に基づいて説明する。図６は実施の形態６における半導体交流スイッチ装置の構造を示すものであって、図６（ａ）は平面図を示し、図６（ｂ）は正面図を示し、図６（ｃ）は裏面図を示している。
この実施の形態６において、ここで説明する特有の構成以外の構成については、先に説明した実施の形態５と同様の構成内容を具備し、同様の作用を奏するものである。図中、同一符号は同一または相当部分を示す。
【００３９】
前記実施の形態５ではａ、ｂ、ｃ相の各交流半導体ユニットおよびクランプスナバコンデンサを上下方向に６段に積み上げて構成する場合について示したが、図６に示すようにａ、ｂ、ｃ相の各交流半導体ユニットを前面と裏面に配置して３段積み上げで構成したものであってもよく、前記実施の形態５と同様に転流インダクタンスの低減効果を示す。
【００４０】
図において、母線ａ、ｂ、ｃに接続される交流半導体ユニット１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃを裏面側に上下方向に３段積み上げで構成し、母線ａ’、ｂ’、ｃ’に接続される交流半導体ユニット１２２ａ、１２２ｂ、１２２ｃを正面側に上下方向に３段積み上げで構成する。
【００４１】
以上のように構成したので、自己消弧素子型半導体モジュールとクランプスナバダイオードに流れる電流の向きが同じになり、交流半導体ユニットを１種類にすることができるので、構造を簡略化でき、経済的に優れた装置を得ることができる。
【００４２】
この発明による実施の形態６によれば、実施の形態１から実施の形態４までのいずれかの構成において、１相分の前記交流半導体ユニットを前面と裏面に背中合わせして配置し、１相分の２分割された前記クランプスナバのコンデンサを前面と裏面に背中合わせして前記各交流半導体ユニットの横に配置してこの交流半導体ユニットとクランプスナバのコンデンサを上下方向に３段に積み上げた構造で３相分を構成したので、電流遮断時間を短縮して高速に遮断できるとともに、構造を簡略化できる半導体交流スイッチ装置を得ることができる。
【００４３】
実施の形態７．
この発明による実施の形態７を図７に基づいて説明する。図７は実施の形態７における半導体交流スイッチ装置の構造を示す正面図である。
この実施の形態７において、ここで説明する特有の構成以外の構成については、先に説明した実施の形態５または実施の形態６と同様の構成内容を具備し、同様の作用を奏するものである。図中、同一符号は同一または相当部分を示す。
【００４４】
前記実施の形態５および６では各交流半導体ユニットが１並列接続されたものを示したが、図７に示すように各交流半導体ユニットが２個並列接続構成されたものであってもよく、前記実施の形態５および６と同様に転流インダクタンスの低減効果を示す。
【００４５】
図において、交流半導体ユニット１２２ａ’、１２２ｂ’、１２２ｃ’は、それぞれ交流半導体ユニット１２２ａ、１２２ｂ、１２２ｃと並列接続されて６段に積み上げで構成される。
図示していないが、裏面側は図６から類推されるようにもう片方の各交流半導体ユニット１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃと並列接続される交流半導体ユニット１２１ａ’、１２１ｂ’，１２１ｃ’が６段に積み上げで構成される。
なお、２並列接続の交流半導体ユニット間の分流を均一化するために各相の交流半導体ユニットの中間接続点は例えば、ａ相では交流半導体ユニット１２１ａと１２２ａの中間接続点ａ”と並列接続される交流半導体ユニット１２１ａ’と１２２ａ’の中間接続点ａ''' は接続しない。
【００４６】
以上のように構成したので、自己消弧素子型半導体モジュールとクランプスナバダイオードに流れる電流の向きが同じになり、交流半導体ユニットを１種類にすることができるので、構造を簡略化でき、経済的に優れた装置を得ることができる。
【００４７】
この発明による実施の形態７によれば、前記交流半導体素子スイッチが２セット並列接続される半導体交流スイッチ装置において、１セット１相分の前記交流半導体ユニットを前面と裏面に背中合わせして配置し、１セット１相分の２分割された前記クランプスナバのコンデンサを前面と裏面に背中合わせして前記各交流半導体ユニットの横に配置し、その下側にもう１セット１相分の前記交流半導体ユニットと１セット１相分の２分割された前記クランプスナバのコンデンサを配置して、前記交流半導体ユニットと前記前記クランプスナバのコンデンサを上下方向に全体で６段に積み上げた構造で２セット３相分を構成したので、電流遮断時間を短縮して高速に遮断できるとともに、構造を簡略化できる半導体交流スイッチ装置を得ることができる。
【００４８】
実施の形態８．
この発明による実施の形態８を図８に基づいて説明する。図８は実施の形態８における半導体交流スイッチ装置の構造を示すものであって、図８（ａ）は平面図を示し、図８（ｂ）は正面図を示している。
この実施の形態８において、ここで説明する特有の構成以外の構成については、先に説明した実施の形態７と同様の構成内容を具備し、同様の作用を奏するものである。図中、同一符号は同一または相当部分を示す。
【００４９】
前記実施の形態７では各交流半導体ユニットが２並列接続され、正面側と裏面側にそれぞれ６段に積み上げで構成されたものを示したが、図８に示すように各交流半導体ユニットが正面側と裏面側に３段に積み上げたものを横並びに配置して２並列接続構成されたものであってよく、前記実施の形態５〜７と同様に転流インダクタンスの低減効果を示す。
【００５０】
図において、正面側と裏面側に分離して２並列接続構成された各交流半導体ユニットを配置するとともにクランプスナバコンデンサを中央部に集中配置している。すなわち、正面側配置の各交流半導体ユニット１２１ａ、１２２ａ、１２１ｂ、１２２ｂ、１２１ｃ、１２２ｃは各相毎に３段に積み上げられ、クランプスナバコンデンサ７１ａ、７２ａ、７１ｂ、７２ｂ、７１ｃ、７２ｃを挟んで左右に分離して配置される。
図示していないが、裏面側には並列接続される各交流半導体ユニット１２１ａ’、１２２ａ’、１２１ｂ’、１２２ｂ’、１２１ｃ’、１２２ｃ’は各相毎に３段に積み上げられ、クランプスナバコンデンサ７１ａ’、７２ａ’、７１ｂ’、７２ｂ’、７１ｃ’、７２ｃ’を挟んで左右に分離して配置される。
１０４および１０４’はこの装置を左右に２分割した構造であって、正面側と裏面側を反対にして組み合わせた構造であり、交流半導体スイッチの構造を１種類にすることができるので、経済的に優れた装置を得ることができる。
また、２並列接続の交流半導体スイッチ装置の入出力母線ａ、ａ’間、ｂ、ｂ’間、ｃ、ｃ’間の距離は同じになるので分流をよくするこができる。
【００５１】
この発明による実施の形態８によれば、実施の形態１から実施の形態４までのいずれかの構成において、実施の形態６における前記半導体交流スイッチ装置を２台備え、お互いに前記クランプスナバのコンデンサの配置が隣り合わせになるように片方の前記半導体交流スイッチ装置を前面と裏面を逆にして列盤構成にしたので、電流遮断時間を短縮して高速に遮断できるとともに、小型にでき、しかも、転流インダクタンスを低減できる半導体交流スイッチ装置を得ることができる。
【００５２】
実施の形態９．
この発明による実施の形態９を図９に基づいて説明する。図９は実施の形態９における半導体交流スイッチ装置の保護回路の構成を示す回路図である。
この実施の形態９において、ここで説明する特有の構成以外の構成については、先に説明した実施の形態１から実施の形態８までの何れかと同様の構成内容を具備し、同様の作用を奏するものである。図中、同一符号は同一または相当部分を示す。
【００５３】
前記実施の形態１〜８では交流半導体スイッチ装置の主回路および構造について述べたが、図９はこの交流半導体スイッチ装置を交流電源に連系する際の保護手段を示す。
【００５４】
図において、交流半導体スイッチ装置４００に負荷４０１が接続され、第１の機械スイッチ４０２は、前記交流半導体スイッチ装置４００に並列に接続される。
前記負荷４０１を交流電源に投入する場合に、負荷４０１に変圧器やモータで構成されていると磁気蝕和のために過大な突入電流が流れることがあり、前記交流半導体スイッチ装置４００を破壊する危険がある。
まず、前記第１の機械スイッチ４０２をオンして前記負荷４０１の突入電流を通電し、突入電流が減衰した後に前記交流半導体スイッチ装置４００をオンするとともに前記第１の機械スイッチ４０２をオフする。
【００５５】
以上のように、負荷を交流電源に投入する際の過大な突入電流が交流半導体スイッチ装置に流れるのを防止できるので、小型、かつ安価な装置を得ることができる。
【００５６】
この発明による実施の形態９によれば、実施の形態１から実施の形態８までのいずれかの構成において、交流電源と負荷４０１との間に前記半導体交流スイッチ装置４００が接続され、この半導体交流スイッチ装置４００に並列に接続された第１の機械スイッチ４０２を備え、前記半導体交流スイッチ装置４００をオンする際に、先にこの第１の機械スイッチ４０２をオンして、前記負荷４０１の突入電流が前記半導体交流スイッチ装置４００に流れるのを防止したので、電流遮断時間を短縮して高速に遮断できるとともに、より一層小型にできる半導体交流スイッチ装置を得ることができる。
【００５７】
実施の形態１０．
この発明による実施の形態１０を図１０に基づいて説明する。図１０は実施の形態１０における半導体交流スイッチ装置の保護回路の構成を示す回路図である。
この実施の形態１０において、ここで説明する特有の構成以外の構成については、先に説明した実施の形態９と同様の構成内容を具備し、同様の作用を奏するものである。図中、同一符号は同一または相当部分を示す。
【００５８】
前記実施の形態９ではこの交流半導体スイッチ装置を交流電源に連系する際の保護手段として第１の機械スイッチを併用する場合について示したが、図１０に示すようにこの交流半導体スイッチ装置の高速なオフ動作機能を利用して交流電源に連系してもよい。
【００５９】
図において、電流検出器４０３は、前記負荷４０１の突入電流を検出する。突入電流保護回路４０４は、この電流検出器４０３の突入電流検出信号にもとづき、前記交流半導体スイッチ装置４００を過電流破壊から保護する。
この突入電流保護回路４０４は突入電流が過電流保護レベルに到達する毎に、直ちに前記交流半導体スイッチ装置４００をオフして交流電源の半周期後に再びオンするように前記交流半導体スイッチ装置４００へゲート信号ＧＳを与え、前記負荷４０１内の変圧器やモータの偏磁を抑制しつつ突入電流を早く減衰できる。
【００６０】
以上のように、負荷を交流電源に投入する際の過大な突入電流が交流半導体スイッチ装置に流れるのを防止できるので、小型、かつ安価な装置を得ることができる。
【００６１】
この発明による実施の形態１０によれば、実施の形態１から実施の形態４までのいずれかの構成において、交流電源と負荷４０１との間に前記半導体交流スイッチ装置４００が接続され、前記半導体交流スイッチ装置４００をオンした際に、前記負荷４０１の突入電流を検出して前記半導体交流スイッチ装置４０１を直ちにオフし、前記交流電源の周波数の半周期後に再度オンするように作動する突入電流保護回路４０４を設けて、前記負荷４０１の突入電流が前記半導体交流スイッチ装置４００に流れ続けるのを防止したので、電流遮断時間を短縮して高速に遮断できるとともに、更に小型にできる半導体交流スイッチ装置を得ることができる。
【００６２】
実施の形態１１．
この発明による実施の形態１１を図１１に基づいて説明する。図１１は実施の形態１１における半導体交流スイッチ装置の保護回路の構成を示す回路図である。
この実施の形態１１において、ここで説明する特有の構成以外の構成については、先に説明した実施の形態９または実施の形態１０と同様の構成内容を具備し、同様の作用を奏するものである。図中、同一符号は同一または相当部分を示す。
【００６３】
前記実施の形態９および１０ではこの交流半導体スイッチ装置を交流電源に連系する際の保護手段を示したが、図１１は無停電電源装置（以下、ＵＰＳという）と併用して使用される場合の過電圧保護手段を示す。
【００６４】
図において、前記交流半導体スイッチ装置４００に直列接続される第２の機械スイッチ４０５、および、前記交流半導体スイッチ装置４００と前記負荷４０１との中間接続点に接続されるＵＰＳ４０６が設けられている。
交流電源の電圧を検出する電圧検出器４０７の出力に接続された停電検出回路４０８の出力信号は前記交流半導体スイッチ装置４００および前記ＵＰＳ４０６に与えられる。
前記電圧検出器４０７の出力に接続された同期制御回路４０９の出力信号は前記ＵＰＳ４０６に与えられる。
前記ＵＰＳ４０６は常時、この同期制御回路４０９により、交流電源に同期した周波数で待機運転しており、交流電源系統の事故で交流電源が停電した場合に前記停電検出回路４０８により前記負荷４０１に電力を供給するように制御され、それと同時に前記交流半導体スイッチ装置４００はオフされる。
【００６５】
交流電源電圧が大きく低下して停電時間が長くなると、前記同期制御回路４０９に基いて前記ＵＰＳ４０６の出力周波数および位相を交流電源に同期させることが困難になり、最悪、交流電源が復電した際に交流電源と前記ＵＰＳ４０６の出力電圧の位相が１８０°ずれることが起こる。
この場合には、前記交流半導体スイッチ装置４００の両端には交流電源電圧と前記ＵＰＳ４０６の出力電圧の和電圧が印加されるために、前記交流半導体スイッチ装置４００を過電圧で破壊する恐れがある。
前記第２の機械スイッチ４０５を停電が発生すると前記停電検出回路４０８によりオフすることにより、交流電源と前記ＵＰＳ４０６の出力電圧の位相が１８０°ずれた場合には前記第２の機械スイッチ４０５に交流電源電圧と前記ＵＰＳ４０６の出力電圧の和電圧が印加されるために、前記交流半導体スイッチ装置４００の両端には電圧が印加されず、過電圧が発生することがない。
【００６６】
以上のように構成したので、過電圧破壊を防止でき、信頼性が高く、小型、かつ安価な装置を得ることができる。
【００６７】
この発明による実施の形態１１によれば、実施の形態１から実施の形態４までのいずれかの構成において、交流電源と負荷４０１との間に第２の機械スイッチ４０５と前記半導体交流スイッチ装置４００が直列に接続され、前記半導体交流スイッチ装置４００と負荷４０１との接続点に無停電電源装置４０６が接続され、前記交流電源が停電した際に前記半導体交流スイッチ装置４００と第２の機械スイッチ４０５をオフするとともに前記無停電電源装置４０６から前記負荷４０１に給電するようにして、前記半導体交流スイッチ装置４００に過電圧が印加されるのを防止したので、電流遮断時間を短縮して高速に遮断できるとともに、小型にでき、しかも、過電圧破壊を防止できて、信頼性を向上できる半導体交流スイッチ装置を得ることができる。
【００６８】
実施の形態１２．
この発明による実施の形態１２を図１２に基づいて説明する。図１２は実施の形態１２における半導体交流スイッチ装置の保護回路の構成を示す回路図である。
この実施の形態１２において、ここで説明する特有の構成以外の構成については、先に説明した実施の形態１１と同様の構成内容を具備し、同様の作用を奏するものである。図中、同一符号は同一または相当部分を示す。
【００６９】
前記実施の形態１１ではこの交流半導体スイッチ装置をＵＰＳと併用して使用される場合の過電圧保護手段を示したが、図１２にこのＵＰＳと併用して使用される場合の過電流保護手段を示す。
【００７０】
図において、過電流保護回路４１０は、負荷４０１の電流を検出する前記電流検出器４０３を介して接続され、前記交流半導体スイッチ装置４００の過電流保護レベルに達すると、前記ＵＰＳ４０６に電流指令を与える。
【００７１】
このように、前記負荷４０１に過電流が発生した場合には前記交流半導体スイッチ装置４００および前記ＵＰＳ４０６から負荷電流を供給することにより、前記交流半導体スイッチ装置４００が過電流で破壊するのを防止でき、信頼性が高く、小型、かつ安価な装置を得ることができる。
【００７２】
この発明による実施の形態１２によれば、実施の形態１から実施の形態４のいずれかの構成において、交流電源と負荷４０１との間に前記半導体交流スイッチ装置４００が接続され、前記半導体交流スイッチ装置４００と負荷４０１との接続点に無停電電源装置４０６が接続され、前記半導体交流スイッチ装置４００をオンして前記交流電源から前記負荷４０１に給電中に、前記負荷４０１に過電流が発生した際に前記無停電電源装置４０６からも前記負荷４０１に給電するようにして前記半導体交流スイッチ装置４００に過電流が流れ続けるのを防止したので、電流遮断時間を短縮して高速に遮断できるとともに、小型にでき、しかも、過電流で破壊するのを防止できて、信頼性を向上できる半導体交流スイッチ装置を得ることができる。
【００７３】
実施の形態１３．
この発明による実施の形態１３を図１３に基づいて説明する。図１３は実施の形態１３における半導体交流スイッチ装置の保護回路の構成を示す回路図である。
この実施の形態１３において、ここで説明する特有の構成以外の構成については、先に説明した実施の形態１２と同様の構成内容を具備し、同様の作用を奏するものである。図中、同一符号は同一または相当部分を示す。
【００７４】
前記実施の形態１２ではこの交流半導体スイッチ装置をＵＰＳと併用して使用される場合の過電流保護手段を示したが、図１３に無効電流による過電流保護手段を示す。
【００７５】
図において、無効電流保護回路４１１は、負荷４０１の電流を検出する前記電流検出器４０３に接続され、前記交流半導体スイッチ装置４００の過電流保護レベルに達すると、負荷電流成分の内、無効電流成分を検出して前記ＵＰＳ４０６に無効電流指令を与える。
【００７６】
このように、前記負荷４０１に過電流が発生した場合には前記交流半導体スイッチ装置４００から主に負荷の有効電流成分を供給し、前記ＵＰＳ４０６から無効電流成分を供給することにより、前記ＵＰＳのバッテリなどの蓄積エネルギを消費することがなく、前記交流半導体スイッチ装置４００が過電流で破壊するのを防止でき、信頼性が高く、小型、かつ安価な装置を得ることができる。
【００７７】
この発明による実施の形態１３によれば、実施の形態１から実施の形態４までおよび実施の形態１２のいずれかの構成において、交流電源と負荷４０１との間に前記半導体交流スイッチ装置４００が接続され、前記半導体交流スイッチ装置４００と負荷４０１との接続点に無停電電源装置４０６が接続され、前記半導体交流スイッチ装置４００をオンして前記交流電源から前記負荷４０１に給電中に、前記負荷４０１に過電流が発生した際にその過電流の無効電流基本波成分を無効電流保護回路４１１により前記無停電電源装置４０６からも前記負荷４０１に給電するようにして前記半導体交流スイッチ装置４００に過電流が流れ続けるのを防止したので、電流遮断時間を短縮して高速に遮断できるとともに、小型にでき、しかも、過電流で破壊されるのを防止できて、信頼性を向上できる半導体交流スイッチ装置を得ることができる。
【００７８】
実施の形態１４．
この発明による実施の形態１４を図１４に基づいて説明する。図１４は実施の形態１４における半導体交流スイッチ装置の保護回路の構成を示す回路図である。
この実施の形態１４において、ここで説明する特有の構成以外の構成については、先に説明した実施の形態１１ないし実施の形態１３のいずれかと同様の構成内容を具備し、同様の作用を奏するものである。図中、同一符号は同一または相当部分を示す。
【００７９】
前記実施の形態１１〜１３ではこの交流半導体スイッチ装置をＵＰＳと併用して使用される場合の過電圧および過電流保護手段を示したが、図１４に過電流保護手段ならび無瞬断切り替え手段を示す。
【００８０】
図において、リアクトルなどの限流手段４１２は、前記交流半導体スイッチ装置４００に直列に接続される。
前記負荷４０１に過電流が発生する際にはこの限流手段４１２により、過電流が抑制される。
また、交流電源系統で停電が発生した瞬間には前記限流手段４１２により前記負荷４０１の電圧は前記ＵＰＳ４０６で維持されるので、前記交流半導体スイッチ装置４００を高速にオフすることにより、前記負荷４０１の電圧の低下を防止できる。
【００８１】
以上のように、停電発生時に無瞬断でＵＰＳ運転に切り替えることができ、また負荷の過電流も抑制できるので、信頼性が高く、小型、かつ安価な装置を得ることができる。
なお、前記限流手段４１２としてリアクトルの場合を図示したが、変圧器などのリアクタンスを有するものであっても、同様の効果を奏する。
【００８２】
この発明による実施の形態１４によれば、実施の形態１から実施の形態４までおよび実施の形態１１から実施の形態１３までのいずれかの構成において、交流電源と負荷４０１との間にリアクタンスなどの限流手段４１２と前記半導体交流スイッチ装置４００が直列に接続され、前記半導体交流スイッチ装置４００と負荷４０１との接続点に無停電電源装置４０６が接続され、前記交流電源が停電した際に前記半導体交流スイッチ装置４００を高速にオフして前記無停電電源装置４０６から前記負荷４０１に無瞬断で給電するようにしたので、電流遮断時間を短縮して高速に遮断できるとともに、小型にでき、しかも、負荷の過電流を抑制して、信頼性を向上できる半導体交流スイッチ装置を得ることができる。
【００８３】
実施の形態１５．
この発明による実施の形態１５を図１５に基づいて説明する。図１５は実施の形態１５における半導体交流スイッチ装置の保護回路の構成を示す回路図である。
この実施の形態１５において、ここで説明する特有の構成以外の構成については、先に説明した実施の形態１１ないし実施の形態１４のいずれかと同様の構成内容を具備し、同様の作用を奏するものである。図中、同一符号は同一または相当部分を示す。
【００８４】
前記実施の形態１１〜１４ではこの交流半導体スイッチ装置をＵＰＳと併用して１セットの構成で使用される場合の過電圧および過電流保護手段を示したが、図１５に複数セットの構成例を示す。
ＵＰＳシステムとして、第１および第２のＵＰＳシステム５００ａと５００ｂがそれぞれ設けられ、２群に分割された負荷４０１に対して交流半導体スイッチ装置４００およびＵＰＳ４０６も分割して構成される。
【００８５】
電源系統で停電が発生した場合には、この第１および第２のＵＰＳシステム５００ａおよび５００ｂはともに交流半導体スイッチ装置４００と第２の機械スイッチ４０５はオフされ、各ＵＰＳ４０６から各負荷４０１に電力が供給される。
【００８６】
このＵＰＳ４０６が運転中に、片方の負荷４０１で過電流が発生した場合にその負荷４０１のＵＰＳ４０６が過負荷のために運転停止になる危険が生じる。第３の機械スイッチ５０１は、前記第１および第２のＵＰＳシステム５００ａおよび５００ｂ内の第２の機械スイッチ４０５と前記交流半導体スイッチ装置４００との中間接続点間に接続され、停電中はオン状態で待機して、片方の負荷４０１で過電流が発生した場合には前記第１および第２のＵＰＳシステム５００ａおよび５００ｂ内の前記交流半導体スイッチ装置４００をオンしてもう一方のＵＰＳ４０６からも給電する。
【００８７】
以上のようにＵＰＳシステムを構成したので、過負荷による運転停止を防止でき、信頼性が高く、小型、かつ安価なシステムを得ることができる。
【００８８】
この発明による実施の形態１５によれば、実施の形態１から実施の形態４までおよび実施の形態１１から実施の形態１４までのいずれかの構成において、交流電源と負荷４０１との間に第２の機械スイッチ４０５と前記半導体交流スイッチ装置４００が直列に接続され、前記半導体交流スイッチ装置４００と負荷４０１との接続点に無停電電源装置４０６が接続されてなる無停電電源装置システムを複数セット備え、各無停電電源装置システム内の前記第２の機械スイッチ４０５と前記半導体交流スイッチ装置４００の接続点間に第３に機械スイッチ５０１を接続して、前記交流電源が停電して前記半導体交流スイッチ装置４００と第２の機械スイッチ４０５をオフするとともに前記無停電電源装置４０６から前記負荷４０１に給電している場合に、前記第３の機械スイッチ５０１をオンにして待機させ、どれかの無停電電源装置システム内の負荷４０１で過電流が発生した際に各無停電電源装置システム内の前記半導体交流スイッチ装置４００をオンして延長給電を行うようにしたので、電流遮断時間を短縮して高速に遮断できるとともに、小型にでき、しかも、過負荷による運転休止を防止できて、信頼性を向上できる半導体交流スイッチ装置を得ることができる。
【００８９】
【発明の効果】
この発明によれば、電流遮断時間を短縮して高速に遮断できるとともに、小型にできる半導体交流スイッチ装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明による実施の形態１における半導体交流スイッチ装置の主回路の構成を示す回路図である。
【図２】 この発明による実施の形態２における半導体交流スイッチ装置の主回路の構成を示す回路図である。
【図３】 この発明による実施の形態３における半導体交流スイッチ装置の主回路の構成を示す回路図である。
【図４】 この発明による実施の形態４における半導体交流スイッチ装置の主回路の構成を示す回路図である。
【図５】 この発明による実施の形態５における半導体交流スイッチ装置の構成を示す構造図である。
【図６】 この発明による実施の形態６における半導体交流スイッチ装置の構成を示す構造図である。
【図７】 この発明による実施の形態７における半導体交流スイッチ装置の構成を示す構造図である。
【図８】 この発明による実施の形態８における半導体交流スイッチ装置の構成を示す構造図である。
【図９】 この発明による実施の形態９における半導体交流スイッチ装置の保護回路の構成を示す回路図である。
【図１０】 この発明による実施の形態１０における半導体交流スイッチ装置の保護回路の構成を示す回路図である。
【図１１】 この発明による実施の形態１１における半導体交流スイッチ装置の保護回路の構成を示す回路図である。
【図１２】 この発明による実施の形態１２における半導体交流スイッチ装置の保護回路の構成を示す回路図である。
【図１３】 この発明による実施の形態１３における半導体交流スイッチ装置の保護回路の構成を示す回路図である。
【図１４】 この発明による実施の形態１４における半導体交流スイッチ装置の保護回路の構成を示す回路図である。
【図１５】 この発明による実施の形態１５における半導体交流スイッチ装置の保護回路の構成を示す回路図である。
【符号の説明】
１１ａ，１２ａ，１１ｂ，１２ｂ，１１ｃ，１２ｃ 自己消弧素子型半導体素子、２１，２２ａ，２１ｂ，２２ｂ，２１，２２ｃ ダイオード、３１ａ，３２ａ，３１ｂ，３２ｂ，３１ｃ，３２ｃ ゲート回路、４１ａ，５１ａ，４２ａ 並列スナバ、６１ａ，７ａ，６２ｂ、６１ｂ，７ｂ，６２ｂ、６１ｃ，７ｃ，６２ｃ クランプスナバ、８ 充電回路。
【発明の属する技術分野】
この発明は、自己消弧型半導体素子を使用した半導体交流スイッチ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の半導体交流スイッチ装置においては、ダイオードが逆並列接続された自己消弧素子型半導体素子を交流母線の各相に同一方向に接続してなる半導体交流スイッチ装置において、前記各自己消弧素子型半導体素子のそれぞれに有極性のスナバ回路を設けるともに前記各自己消弧素子型半導体素子に共通のクランプスナバ回路を設けたものが示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平５−１５１４３号公報（第３頁、図４）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の半導体交流スイッチは以上のように構成されているので、半導体交流スイッチ装置をオフする場合に半導体交流スイッチ装置の電流が有極性のスナバ回路に転流して有極性のスナバ回路の電圧が０から上昇し、クランプスナバ回路の電圧に達するまで流れ続けるので半導体交流スイッチ装置の電流遮断時間は遮断電流が小さいほど長くなり、また交流母線の電圧が高電圧のために半導体交流スイッチが多数個の自己消弧素子型半導体素子を直列接続して構成されるような場合には、素子電圧の分担を均一化するために各自己消弧素子型半導体素子毎に有極性のスナバ回路を設けなければならず、さらに遮断電流が大きい場合には有極性のスナバ回路は大型になり、半導体交流スイッチ装置の寸法が大きくなるなどの問題点があった。
【０００５】
この発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、電流遮断時間を短縮して高速に遮断できるとともに、小型にできる半導体交流スイッチ装置を得ることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る半導体交流スイッチ装置では、ダイオードとコンデンサとダイオードの直列体でなるクランプスナバを自己消弧素子型半導体素子の直列接続体に各相ごとに並列接続するとともに前記各相のクランプスナバのコンデンサを共通に並列接続し前記自己消弧素子型半導体素子毎に抵抗とコンデンサの直列体を並列接続し、前記自己消弧素子型半導体素子毎に接続されるゲート回路にターンオフ時のスイッチングサージを抑制するサージ抑制手段を備え、前記クランプスナバのコンデンサを前記交流母線の電圧ピーク値以上に充電する充電手段を設けて、前記抵抗とコンデンサの直列体の電流が前記自己消弧素子型半導体素子の漏れ電流値以上になるように前記抵抗とコンデンサの直列体の定数を設定したものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
この発明による実施の形態１を図１に基づいて説明する。図１は実施の形態１における半導体交流スイッチ装置の主回路の構成を示す回路図である。
【０００８】
図１において、直列接続構成の自己消弧素子型半導体素子１１ａと１２ａ、１１ｂと１２ｂ、１１ｃと１２ｃは、３相交流母線ａ、ｂ、ｃに各々接続されている。
直列接続構成のダイオード２１ａと２２ａ、２１ｂと２２ｂ、２１ｃと２２ｃは、この自己消弧素子型半導体素子１１ａと１２ａ、１１ｂと１２ｂ、１１ｃと１２ｃに各々逆並列接続されている。
そして、自己消弧素子型半導体素子１１ａ、１２ａ、１１ｂ、１２ｂ、１１ｃ、１２ｃのゲート回路３１ａ、３２ａ、３１ｂ、３２ｂ、３１ｃ、３２ｃが設けられるとともに、自己消弧素子型半導体素子１１ａ、１２ａ、１１ｂ、１２ｂ、１１ｃ、１２ｃの並列スナバ４１ａと５１ａ、４２ａと５２ａ、４１ｂと５１ｂ、４２ｂと５２ｂ、４１ｃと５１ｃ、４２ｃと５２ｃ、および、自己消弧素子型半導体素子１１ａと１２ａ、１１ｂと１２ｂ、１１ｃと１２ｃのクランプスナバ６１ａと７ａと６２ｂ、６１ｂと７ｂと６２ｂ、６１ｃと７ｃと６２ｃが設けられている。
充電回路８は、このクランプスナバコンデンサ７ａ、７ｂ、７ｃの並列接続点ＰＣ、ＮＣ間に接続されている。
【０００９】
次に、動作について説明する。
前記自己消弧素子型半導体素子１１ａ、１２ａ、１１ｂ、１２ｂ、１１ｃ、１２ｃは電圧駆動型の自己消弧素子型半導体素子（例えばＳｉやＳｉＣ基板のＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ）であり、ここではＩＧＢＴを使用した場合について図示している。前記自己消弧素子型半導体素子１１ａ、１２ａ、１１ｂ、１２ｂ、１１ｃ、１２ｃの並列スナバ４１ａと５１ａ、４２ａと５２ａ、４１ｂと５１ｂ、４２ｂと５２ｂ、４１ｃと５１ｃ、４２ｃと５２ｃは両極性スナバでコンデンサと抵抗の直列体であり、前記自己消弧素子型半導体素子１１ａ、１２ａ、１１ｂ、１２ｂ、１１ｃ、１２ｃをオフした後に印加される交流電源電圧に対してそれぞれ直列接続構成の前記自己消弧素子型半導体素子１１ａと１２ａ、１１ｂと１２ｂ、１１ｃと１２ｃの電圧分担を均一化するように動作する。
すなわち、前記自己消弧素子型半導体素子１１ａ、１２ａ、１１ｂ、１２ｂ、１１ｃ、１２ｃの漏れ電流特性値（一般に数ｍＡ）以上の電流が前記並列スナバに流れるようにスナバコンデンサ容量を設定すればよいので、小型にできる。
【００１０】
前記クランプスナバコンデンサ７ａ、７ｂ、７ｃはそれぞれ前記自己消弧素子型半導体素子１１ａと１２ａ、１１ｂと１２ｂ、１１ｃと１２ｃに近接して配置されように各相ａ、ｂ、ｃ毎に分散される。
すなわち、例えば前記自己消弧素子型半導体素子１１ａと１２ａをオフすると、前記自己消弧素子型半導体素子１１ａと１２ａの電流は前記クランプスナバコンデンサ７ａに第１のクランプスナバダイオード６１ａと第２のクランプスナバダイオード６２ａを介して転流するが、この転流ループの配線インダクタンスを低減することにより、ターンオフ時に前記自己消弧素子型半導体素子１１ａと１２ａの両端に発生するスイッチングサージ電圧を抑制する。
【００１１】
なお、前記クランプスナバコンデンサ７ａ、７ｂ、７ｃは前記充電回路８の充電変圧器８１と充電用整流器８２により、交流電源電圧のピーク値以上の電圧レベルに充電され、前記自己消弧素子型半導体素子１１ａと１２ａ、１１ｂと１２ｂ、１１ｃと１２ｃがオフした後の前記クランプスナバコンデンサ７ａ、７ｂ、７ｃの転流電流を速やかに減衰させるように動作する。前記ゲート回路３１ａ、３２ａ、３１ｂ、３２ｂ、３１ｃ、３２ｃは同じ構成のものであり、ゲート信号ＧＳに基いて前記自己消弧素子型半導体素子１１ａ、１２ａ、１１ｂ、１２ｂ、１１ｃ、１２ｃをオン、オフする通常動作以外にターンオフ時に発生するの電圧分担を均一にする動作をする。
すなわち、例えば前記ゲート回路３１ａにおいて、第１のゲート増幅器３１０はゲート信号ＧＳに基いて前記自己消弧素子型半導体素子１１ａをオン、オフする。
パルス発生器３１１はゲート信号ＧＳがオンからオフに切り替わった時刻に所定時間幅のパルス信号を発生する。
前記自己消弧素子型半導体素子１１ａの過電圧検出器３１２は、スイッチングサージ電圧が発生したときに過電圧レベルを超えたことを判別する。
ＡＮＤ回路３１３は、この過電圧検出器３１２の過電圧レベル判別信号と前記パルス発生器３１１のパルス信号のＡＮＤ動作を行う。
第２のゲート増幅器３１４は、このＡＮＤ回路３１３の出力信号に基いて前記自己消弧素子型半導体素子１１ａのゲート電圧をスレッショルド電圧（ＩＧＢＴがオフからオンに切り替わるゲート電圧）レベル付近まで高速に上昇させ、過大なスイッチングサージ電圧の印加を抑制して直列接続素子間の電圧分担を均一化する。
【００１２】
なお、前記実施の形態１では交流電源電圧のピーク値以上に充電されたクランプスナバを各相に分散して各相の自己消弧素子型半導体素子に近接配置することによりスイッチングサージ電圧を抑制するとともに転流電流を高速に減衰することができ、またゲート回路に過大なスイッチングサージ電圧の印加を抑制する手段を設けることにより直列接続構成の自己消弧素子型半導体素子間のスイッチングサージ電圧分担を均一化することができ、また小容量の並列スナバを設けることによりオフ状態での直列接続構成の自己消弧素子型半導体素子間の交流電源電圧分担を均一化することができ、小型で信頼性が高く、高速動作の半導体交流スイノッチ装置を得ることができる。
なお、自己消弧素子型半導体素子が２個直列接続されたものを簡単のために示したが、３個以上の直列接続されたものであってもよい。
【００１３】
この発明による実施の形態１によれば、ダイオード２１ａ，２２ａ、２１ｂ，２２ｂ、２１ｃ，２２ｃが逆並列接続された自己消弧素子型半導体素子１１ａ，１２ａ、１１ｂ，１２ｂ、１１ｃ，１２ｃの直列接続体が交流母線の各相に同一方向に接続してなる半導体交流スイッチ装置において、ダイオード６１ａ，６１ｂ，６１ｃとコンデンサ７ａ，７ｂ，７ｃとダイオード６２ａ，６２ｂ，６２ｃの直列体で構成されるクランプスナバ６ａ１，７ａ，６２ａ、６１ｂ，７ｂ，６２ｂ、６１ｃ，７ｃ，６２ｃを自己消弧素子型半導体素子１１ａ，１２ａ、１１ｂ，１２ｂ、１１ｃ，１２ｃの直列接続体に各相ごとに並列接続するとともに前記各相のクランプスナバのコンデンサ７ａ，７ｂ，７ｃを共通に並列接続し前記自己消弧素子型半導体素子毎に抵抗５１ａ〜ｃ，５２ａ〜ｃとコンデンサ４１ａ〜ｃ，４２ａ〜ｃの直列体を並列接続し、前記自己消弧素子型半導体素子毎に接続されるゲート回路３１ａ〜ｃ，３２ａ〜ｃにターンオフ時のスイッチングサージを抑制する過電圧検出器３１２、ＡＮＤ回路３１３およびゲート増幅器３１４からなるサージ抑制手段を備え、前記クランプスナバのコンデンサ７ａ，７ｂ，７ｃを前記交流母線の電圧ピーク値以上に充電する充電回路８からなる充電手段を設けて、前記抵抗５１ａ〜ｃ，５２ａ〜ｃとコンデンサ４１ａ〜ｃ，４２ａ〜ｃの直列体の電流が前記自己消弧素子型半導体素子の漏れ電流値以上になるように前記抵抗５１ａ〜ｃ，５２ａ〜ｃとコンデンサ４１ａ〜ｃ，４２ａ〜ｃの直列体の定数を設定したので、電流遮断時間を短縮して高速に遮断できるとともに、小型にできる半導体交流スイッチ装置を得ることができる。
【００１４】
実施の形態２．
この発明による実施の形態２を図２に基づいて説明する。図２は実施の形態２における半導体交流スイッチ装置の主回路の構成を示す回路図である。
この実施の形態２において、ここで説明する特有の構成以外の構成については、先に説明した実施の形態１と同様の構成内容を具備し、同様の作用を奏するものである。図中、同一符号は同一または相当部分を示す。
【００１５】
前記実施の形態１では、直列接続された半導体素子の過電圧印加を抑制して電圧分担を均一化する手段等について述べたが、高電圧の交流半導体スイッチ装置を小型化する場合に前記ゲート回路３１ａ、３２ａ、３１ｂ、３２ｂ、３１ｃ、３２ｃへゲート電力を供給する手段の小型も必要である。
【００１６】
図２において、ａ〜ｃ相の絶縁トランス９ａ〜９ｃであって、低圧回路の高周波電源９の出力に共通に接続される。
ゲートトランス９１ａ〜９４ａ、９１ｂ〜９４ｂ、９１ｃ〜９４ｃは、それぞれａ〜ｃ相の４個直列接続された自己消弧素子型半導体素子１１ａ〜１４ａ、１１ｂ〜１４ｂ、１１ｃ〜１４ｃにゲート回路３１ａ〜３４ａ、３１ｂ〜３４ｂ、３１ｃ〜３４ｃを介してゲート電力を給電する。
このゲートトランス９２ａと９３ａは前記絶縁トランス９ａに共通に接続され、ゲートトランス９１ａと９４ａはそれぞれゲートトランス９２ａと９３ａの出力に直列接続される。
ｂ相およびｃ相のゲートトランス９１ｂ〜９４ｂおよび９１ｃ〜９４ｃもそれぞれ前記絶縁トランス９ｂおよび９ｃにａ相と同様に接続される。
【００１７】
低圧回路と高圧回路間の絶縁を前記絶縁トランス９ａ〜９ｃに持たせることにより、前記ゲートトランス９１ａ〜９４ａ、９１ｂ〜９４ｂ、９１ｃ〜９４ｃは前記自己消弧素子型半導体素子１１ａ〜１４ａ、１１ｂ〜１４ｂ、１１ｃ〜１４ｃの１素子分の絶縁耐圧を持たせるだけでよい。
【００１８】
また、前記ゲートトランス９２ａおよび９３ａはそれぞれ前記自己消弧素子型半導体素子１１ａと１２ａ、１３ａと１４ａのゲート電力を供給するので、素子２個分の容量が必要になるが、電圧型駆動の自己消弧素子型半導体素子はゲート電力が小さいことが特長であるので容量は小さくてよく、高電圧の絶縁を必要としないことから、前記ゲートトランス９１ａ〜９４ａ、９１ｂ〜９４ｂ、９１ｃ〜９４ｃを小型化できる。
【００１９】
なお、図２では偶数個の直列接続構成例として、４個直列接続された自己消弧素子型半導体素子の２個直列素子毎の２群に分割して、ゲートトランスを接続構成したものを示したが、自己消弧素子型半導体素子の直列接続数が奇数個であってもよく、例えば５個直列接続された自己消弧素子型半導体素子の場合には２個直列素子と３個直列素子の２群に分割対応させてゲートトランスを接続構成すればよい。
【００２０】
この発明による実施の形態２によれば、前述した実施の形態１における構成にいて、前記自己消弧素子型半導体素子１１ａ〜１４ａ、１１ｂ〜１４ｂ、１１ｃ〜１４ｃの直列接続体を２分割し、その中間素子側から順番にゲートトランス９ａ〜９ｃ、９１ａ，９２ａ，９３ａ，９４ａ、９１ｂ，９２ｂ，９３ｂ，９４ｂ、９１ｃ，９２ｃ，９３ｃ，９４ｃを直列接続して前記自己消弧素子型半導体素子の前記ゲート回路にゲート９ａ〜９ｃから９２ａ〜ｃ，９３ａ〜ｃ、９１ａ〜ｃ，９４ａ〜ｃへと展開してゲート電力を供給するようにしたので、電流遮断時間を短縮して高速に遮断できるとともに、ゲートトランスを含め全体を小型にできる半導体交流スイッチ装置を得ることができる。
【００２１】
実施の形態３．
この発明による実施の形態３を図３に基づいて説明する。図３は実施の形態３における半導体交流スイッチ装置の主回路の構成を示す回路図である。
この実施の形態３において、ここで説明する特有の構成以外の構成については、先に説明した実施の形態１または実施の形態２と同様の構成内容を具備し、同様の作用を奏するものである。図中、同一符号は同一または相当部分を示す。
【００２２】
前記実施の形態１では、直列接続された半導体素子の過電圧印加を抑制して電圧分担を均一化する手段等について述べたが、この実施の形態３では、外雷サージなどによる大地絶縁保護手段を図３に示す。
【００２３】
図において、クランプコンデサ７１ａ、７２ａ、７１ｂ，７２ｂ，７１ｃ，７２ｃは、図１のクランプスナバコンデンサ７ａ、７ｂ、７ｃをそれぞれ２群に分割して直列接続され、各中間接続点ＣＣは共通に接続される。
アレスタ１００は、前記クランプコンデサ７１ａ、７２ａ、７１ｂ，７２ｂ，７１ｃ，７２ｃの中間接続点ＣＣと大地（アース）間に接続される。
【００２４】
各母線ａ〜ｃと大地間に発生した外雷サージは前記クランプコンデサ７１ａ、７２ａ、７１ｂ，７２ｂ，７１ｃ，７２ｃを介して前記アレスタ１００に流れるように構成したので、構造を簡略化でき、経済的に優れた装置を得ることができる。
【００２５】
この発明による実施の形態３によれば、実施の形態１または実施の形態２においける構成において、前記クランプスナバのコンデンサを２分割に直列接続してその中間接続点ＣＣと大地間にアレスタ１００を接続したので、電流遮断時間を短縮して高速に遮断できるとともに、構造を簡略化できる半導体交流スイッチ装置を得ることができる。
【００２６】
実施の形態４．
この発明による実施の形態４を図４に基づいて説明する。図４は実施の形態４における半導体交流スイッチ装置の主回路の構成を示す回路図である。
この実施の形態４において、ここで説明する特有の構成以外の構成については、先に説明した実施の形態１ないし実施の形態３のいずれかと同様の構成内容を具備し、同様の作用を奏するものである。図中、同一符号は同一または相当部分を示す。
【００２７】
前記実施の形態１では、直列接続された半導体素子の過電圧印加を抑制して電圧分担を均一化する手段等について述べたが、この実施の形態４では、装置内部で地絡した場合の検出手段を図４に示す。
図において、抵抗器１０１は、クランプコンデサ７１ａ、７２ａ、７１ｂ、７２ｂ、７１ｃ、７２ｃの中間接続点ＣＣと大地（アース）間に接続される。
電圧検出器１０２Ｐ、１０２Ｎは、それぞれ前記クランプコンデサ７１ａ、７２ａ、７１ｂ、７２ｂ、７１ｃ、７２ｃの並列接続点ＰＣと中間接続点ＣＣ、並列接続点ＮＣと中間接続点ＣＣ間に接続される。
過電圧検出器１０３Ｐ、１０３Ｎは、それぞれこの電圧検出器１０２Ｐ、１０２Ｎに接続される。
【００２８】
例えば、ａ相の自己消弧型半導体素子１２ａと１３ａの中間接続点ａ”で地絡が発生した場合には、図示破線で示すように前記抵抗器１０１を通る経路で地終電流が流れて、前記並列接続点ＰＣと中間接続点ＣＣ間の電圧が上昇し、前記過電圧検出器１０３Ｐにより地絡が検出される。
以上のように地絡検出手段を構成したので、地絡検出の精度を向上でき、また経済的に優れた装置を得ることができる。
【００２９】
この発明による実施の形態４によれば、実施の形態１ないし実施の形態３のいずれかの構成において、前記クランプスナバのコンデンサを２分割して直列接続し、その中間接続点ＣＣと大地間に抵抗器１０１を接続し、前記２分割された前記クランプスナバのコンデンサの両端電圧を検出する電圧検出器１０２Ｐ，１０２Ｎおよび過電圧検出器１０３Ｐ，１０３Ｎからなる電圧検出手段を備え、前記電圧検出器１０２Ｐ，１０２Ｎおよび過電圧検出器１０３Ｐ，１０３Ｎからなる電圧検出手段により地絡事故を検出するようにしたので、電流遮断時間を短縮して高速に遮断できるとともに、小型にでき、しかも、地絡検出の精度を向上できる半導体交流スイッチ装置を得ることができる。
【００３０】
実施の形態５．
この発明による実施の形態５を図５に基づいて説明する。図５は実施の形態５における半導体交流スイッチ装置の構造を示す正面図である。
この実施の形態５において、ここで説明する特有の構成以外の構成については、先に説明した実施の形態１ないし実施の形態４のいずれかと同様の構成内容を具備し、同様の作用を奏するものである。図中、同一符号は同一または相当部分を示す。
【００３１】
前記実施の形態１〜４では、交流半導体スイッチ装置の主回路構成について述べたが、この実施の形態５では、交流半導体スイッチ装置の構造の正面図を図５に示す。
【００３２】
図において、自己消弧素子型半導体モジュール１１１ａ〜１１４ａ、１１１ｂ〜１１４ｂ、１１１ｃ〜１１４ｃは、図３に示すような主回路構成の自己消弧素子型半導体素子と逆並列ダイオード（例えば１１ａと２１ａ）の各チップが同じパッケージに収納されている。
交流半導体ユニット１２１ａ、１２２ａ、１２１ｂ、１２２ｂ、１２１ｃ、１２２ｃは、この自己消弧素子型半導体素子モジュールとクランプスナバダイオード（例えば１１１ａ、１１２ａ、６１ａ）で構成される。
【００３３】
前記実施の形態１で述べたように、自己消弧素子型半導体素子とクランプスナバの転流ループのインダクタンスを低減できる構造を実現するために、例えばａ相の交流半導体ユニット１２１ａにおいて自己消弧素子型半導体モジュール１１１ａと１１２ａは横並びに配置され、母線ａから順番に直列接続されて中間点ａ”に至る。一方、第１のクランプスナバダイオード６１ａは前記自己消弧素子型半導体モジュール１１１ａと１１２ａに近接配置され、この交流半導体ユニット１２１ａの横に近接して分散配置されたクランプスナバコンデンサ７１ａと母線ａ間に接続される。ａ相のもう片方の交流半導体ユニット１２２ａにおいて自己消弧素子型半導体モジュール１１３ａと１１４ａは横並びに配置され、中間点ａ”から順番に直列接続されて母線ａ’に至る。
【００３４】
一方、第２のクランプスナバダイオード６２ａは前記自己消弧素子型半導体モジュール１１３ａと１１４ａに近接配置され、この交流半導体ユニット１２２ａの横に分散して近接配置されたクランプスナバコンデンサ７２ａと母線ａ，間に接続されて、各クランプスナバコンデンサ７１ａと７２ａの中間接続点ＣＣが共通に接続される。ｂ相およびｃ相も同様に接続構成され、ａ、ｂ、ｃ相の各交流半導体ユニットおよびクランプスナバコンデンサを上下方向に６段に積み上げて構成する。
【００３５】
以上のように、交流半導体ユニットとクランプスナバコンデンサを各相２分割して配置したので、転流インダクタンスを低減できるとともに構造を簡略化でき、経済的に優れた装置を得ることができる。
【００３６】
なお、自己消弧素子型半導体モジュールが４個直列接続されたものを示したが、２個以上の直列接続されたものであってもよく、また奇数個の直列接続の場合には、例えば５個直列接続の場合には前記クランプスナバのコンデンサを２分割にトをそれぞれ自己消弧素子型半導体モジユールが３個および２個の直列体の２群で構成したものであってもよい。
【００３７】
この発明による実施の形態５によれば、実施の形態１から実施の形態４までのいずれかの構成において、２分割された前記自己消弧素子型半導体素子の直列接続体の片方と、前記第１および第２のクランプスナバグイオードの片方を交流半導体ユニットとして構成し、この交流半導体ユニットを前記自己消弧素子型半導体素子とその逆並列ダイオードと一体化されてなる自己消弧素子型半導体モジュールを横方向に配置して順番に直列接続するとともに前記前記第１および第２のクランプスナバダイオードの片方をこの自己消弧素子型半導体モジユールに近接配置した構造とし、２分割された前記クランプスナバのコンデンサの片方を前記交流半導体ユニットの横に近接配置し、もう片方の前記交流半導体ユニットと前記前記クランプスナバのコンデンサを上下方向の位置に配置して１相分を構成し、前記交流半導体ユニットと前記前記クランプスナバのコンデンサを上下方向に全体で６段に積み上げた構造で３相分を構成したので、電流遮断時間を短縮して高速に遮断できるとともに、小型にでき、しかも、転流インダクタンスを低減できる半導体交流スイッチ装置を得ることができる。
【００３８】
実施の形態６．
この発明による実施の形態６を図６に基づいて説明する。図６は実施の形態６における半導体交流スイッチ装置の構造を示すものであって、図６（ａ）は平面図を示し、図６（ｂ）は正面図を示し、図６（ｃ）は裏面図を示している。
この実施の形態６において、ここで説明する特有の構成以外の構成については、先に説明した実施の形態５と同様の構成内容を具備し、同様の作用を奏するものである。図中、同一符号は同一または相当部分を示す。
【００３９】
前記実施の形態５ではａ、ｂ、ｃ相の各交流半導体ユニットおよびクランプスナバコンデンサを上下方向に６段に積み上げて構成する場合について示したが、図６に示すようにａ、ｂ、ｃ相の各交流半導体ユニットを前面と裏面に配置して３段積み上げで構成したものであってもよく、前記実施の形態５と同様に転流インダクタンスの低減効果を示す。
【００４０】
図において、母線ａ、ｂ、ｃに接続される交流半導体ユニット１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃを裏面側に上下方向に３段積み上げで構成し、母線ａ’、ｂ’、ｃ’に接続される交流半導体ユニット１２２ａ、１２２ｂ、１２２ｃを正面側に上下方向に３段積み上げで構成する。
【００４１】
以上のように構成したので、自己消弧素子型半導体モジュールとクランプスナバダイオードに流れる電流の向きが同じになり、交流半導体ユニットを１種類にすることができるので、構造を簡略化でき、経済的に優れた装置を得ることができる。
【００４２】
この発明による実施の形態６によれば、実施の形態１から実施の形態４までのいずれかの構成において、１相分の前記交流半導体ユニットを前面と裏面に背中合わせして配置し、１相分の２分割された前記クランプスナバのコンデンサを前面と裏面に背中合わせして前記各交流半導体ユニットの横に配置してこの交流半導体ユニットとクランプスナバのコンデンサを上下方向に３段に積み上げた構造で３相分を構成したので、電流遮断時間を短縮して高速に遮断できるとともに、構造を簡略化できる半導体交流スイッチ装置を得ることができる。
【００４３】
実施の形態７．
この発明による実施の形態７を図７に基づいて説明する。図７は実施の形態７における半導体交流スイッチ装置の構造を示す正面図である。
この実施の形態７において、ここで説明する特有の構成以外の構成については、先に説明した実施の形態５または実施の形態６と同様の構成内容を具備し、同様の作用を奏するものである。図中、同一符号は同一または相当部分を示す。
【００４４】
前記実施の形態５および６では各交流半導体ユニットが１並列接続されたものを示したが、図７に示すように各交流半導体ユニットが２個並列接続構成されたものであってもよく、前記実施の形態５および６と同様に転流インダクタンスの低減効果を示す。
【００４５】
図において、交流半導体ユニット１２２ａ’、１２２ｂ’、１２２ｃ’は、それぞれ交流半導体ユニット１２２ａ、１２２ｂ、１２２ｃと並列接続されて６段に積み上げで構成される。
図示していないが、裏面側は図６から類推されるようにもう片方の各交流半導体ユニット１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃと並列接続される交流半導体ユニット１２１ａ’、１２１ｂ’，１２１ｃ’が６段に積み上げで構成される。
なお、２並列接続の交流半導体ユニット間の分流を均一化するために各相の交流半導体ユニットの中間接続点は例えば、ａ相では交流半導体ユニット１２１ａと１２２ａの中間接続点ａ”と並列接続される交流半導体ユニット１２１ａ’と１２２ａ’の中間接続点ａ''' は接続しない。
【００４６】
以上のように構成したので、自己消弧素子型半導体モジュールとクランプスナバダイオードに流れる電流の向きが同じになり、交流半導体ユニットを１種類にすることができるので、構造を簡略化でき、経済的に優れた装置を得ることができる。
【００４７】
この発明による実施の形態７によれば、前記交流半導体素子スイッチが２セット並列接続される半導体交流スイッチ装置において、１セット１相分の前記交流半導体ユニットを前面と裏面に背中合わせして配置し、１セット１相分の２分割された前記クランプスナバのコンデンサを前面と裏面に背中合わせして前記各交流半導体ユニットの横に配置し、その下側にもう１セット１相分の前記交流半導体ユニットと１セット１相分の２分割された前記クランプスナバのコンデンサを配置して、前記交流半導体ユニットと前記前記クランプスナバのコンデンサを上下方向に全体で６段に積み上げた構造で２セット３相分を構成したので、電流遮断時間を短縮して高速に遮断できるとともに、構造を簡略化できる半導体交流スイッチ装置を得ることができる。
【００４８】
実施の形態８．
この発明による実施の形態８を図８に基づいて説明する。図８は実施の形態８における半導体交流スイッチ装置の構造を示すものであって、図８（ａ）は平面図を示し、図８（ｂ）は正面図を示している。
この実施の形態８において、ここで説明する特有の構成以外の構成については、先に説明した実施の形態７と同様の構成内容を具備し、同様の作用を奏するものである。図中、同一符号は同一または相当部分を示す。
【００４９】
前記実施の形態７では各交流半導体ユニットが２並列接続され、正面側と裏面側にそれぞれ６段に積み上げで構成されたものを示したが、図８に示すように各交流半導体ユニットが正面側と裏面側に３段に積み上げたものを横並びに配置して２並列接続構成されたものであってよく、前記実施の形態５〜７と同様に転流インダクタンスの低減効果を示す。
【００５０】
図において、正面側と裏面側に分離して２並列接続構成された各交流半導体ユニットを配置するとともにクランプスナバコンデンサを中央部に集中配置している。すなわち、正面側配置の各交流半導体ユニット１２１ａ、１２２ａ、１２１ｂ、１２２ｂ、１２１ｃ、１２２ｃは各相毎に３段に積み上げられ、クランプスナバコンデンサ７１ａ、７２ａ、７１ｂ、７２ｂ、７１ｃ、７２ｃを挟んで左右に分離して配置される。
図示していないが、裏面側には並列接続される各交流半導体ユニット１２１ａ’、１２２ａ’、１２１ｂ’、１２２ｂ’、１２１ｃ’、１２２ｃ’は各相毎に３段に積み上げられ、クランプスナバコンデンサ７１ａ’、７２ａ’、７１ｂ’、７２ｂ’、７１ｃ’、７２ｃ’を挟んで左右に分離して配置される。
１０４および１０４’はこの装置を左右に２分割した構造であって、正面側と裏面側を反対にして組み合わせた構造であり、交流半導体スイッチの構造を１種類にすることができるので、経済的に優れた装置を得ることができる。
また、２並列接続の交流半導体スイッチ装置の入出力母線ａ、ａ’間、ｂ、ｂ’間、ｃ、ｃ’間の距離は同じになるので分流をよくするこができる。
【００５１】
この発明による実施の形態８によれば、実施の形態１から実施の形態４までのいずれかの構成において、実施の形態６における前記半導体交流スイッチ装置を２台備え、お互いに前記クランプスナバのコンデンサの配置が隣り合わせになるように片方の前記半導体交流スイッチ装置を前面と裏面を逆にして列盤構成にしたので、電流遮断時間を短縮して高速に遮断できるとともに、小型にでき、しかも、転流インダクタンスを低減できる半導体交流スイッチ装置を得ることができる。
【００５２】
実施の形態９．
この発明による実施の形態９を図９に基づいて説明する。図９は実施の形態９における半導体交流スイッチ装置の保護回路の構成を示す回路図である。
この実施の形態９において、ここで説明する特有の構成以外の構成については、先に説明した実施の形態１から実施の形態８までの何れかと同様の構成内容を具備し、同様の作用を奏するものである。図中、同一符号は同一または相当部分を示す。
【００５３】
前記実施の形態１〜８では交流半導体スイッチ装置の主回路および構造について述べたが、図９はこの交流半導体スイッチ装置を交流電源に連系する際の保護手段を示す。
【００５４】
図において、交流半導体スイッチ装置４００に負荷４０１が接続され、第１の機械スイッチ４０２は、前記交流半導体スイッチ装置４００に並列に接続される。
前記負荷４０１を交流電源に投入する場合に、負荷４０１に変圧器やモータで構成されていると磁気蝕和のために過大な突入電流が流れることがあり、前記交流半導体スイッチ装置４００を破壊する危険がある。
まず、前記第１の機械スイッチ４０２をオンして前記負荷４０１の突入電流を通電し、突入電流が減衰した後に前記交流半導体スイッチ装置４００をオンするとともに前記第１の機械スイッチ４０２をオフする。
【００５５】
以上のように、負荷を交流電源に投入する際の過大な突入電流が交流半導体スイッチ装置に流れるのを防止できるので、小型、かつ安価な装置を得ることができる。
【００５６】
この発明による実施の形態９によれば、実施の形態１から実施の形態８までのいずれかの構成において、交流電源と負荷４０１との間に前記半導体交流スイッチ装置４００が接続され、この半導体交流スイッチ装置４００に並列に接続された第１の機械スイッチ４０２を備え、前記半導体交流スイッチ装置４００をオンする際に、先にこの第１の機械スイッチ４０２をオンして、前記負荷４０１の突入電流が前記半導体交流スイッチ装置４００に流れるのを防止したので、電流遮断時間を短縮して高速に遮断できるとともに、より一層小型にできる半導体交流スイッチ装置を得ることができる。
【００５７】
実施の形態１０．
この発明による実施の形態１０を図１０に基づいて説明する。図１０は実施の形態１０における半導体交流スイッチ装置の保護回路の構成を示す回路図である。
この実施の形態１０において、ここで説明する特有の構成以外の構成については、先に説明した実施の形態９と同様の構成内容を具備し、同様の作用を奏するものである。図中、同一符号は同一または相当部分を示す。
【００５８】
前記実施の形態９ではこの交流半導体スイッチ装置を交流電源に連系する際の保護手段として第１の機械スイッチを併用する場合について示したが、図１０に示すようにこの交流半導体スイッチ装置の高速なオフ動作機能を利用して交流電源に連系してもよい。
【００５９】
図において、電流検出器４０３は、前記負荷４０１の突入電流を検出する。突入電流保護回路４０４は、この電流検出器４０３の突入電流検出信号にもとづき、前記交流半導体スイッチ装置４００を過電流破壊から保護する。
この突入電流保護回路４０４は突入電流が過電流保護レベルに到達する毎に、直ちに前記交流半導体スイッチ装置４００をオフして交流電源の半周期後に再びオンするように前記交流半導体スイッチ装置４００へゲート信号ＧＳを与え、前記負荷４０１内の変圧器やモータの偏磁を抑制しつつ突入電流を早く減衰できる。
【００６０】
以上のように、負荷を交流電源に投入する際の過大な突入電流が交流半導体スイッチ装置に流れるのを防止できるので、小型、かつ安価な装置を得ることができる。
【００６１】
この発明による実施の形態１０によれば、実施の形態１から実施の形態４までのいずれかの構成において、交流電源と負荷４０１との間に前記半導体交流スイッチ装置４００が接続され、前記半導体交流スイッチ装置４００をオンした際に、前記負荷４０１の突入電流を検出して前記半導体交流スイッチ装置４０１を直ちにオフし、前記交流電源の周波数の半周期後に再度オンするように作動する突入電流保護回路４０４を設けて、前記負荷４０１の突入電流が前記半導体交流スイッチ装置４００に流れ続けるのを防止したので、電流遮断時間を短縮して高速に遮断できるとともに、更に小型にできる半導体交流スイッチ装置を得ることができる。
【００６２】
実施の形態１１．
この発明による実施の形態１１を図１１に基づいて説明する。図１１は実施の形態１１における半導体交流スイッチ装置の保護回路の構成を示す回路図である。
この実施の形態１１において、ここで説明する特有の構成以外の構成については、先に説明した実施の形態９または実施の形態１０と同様の構成内容を具備し、同様の作用を奏するものである。図中、同一符号は同一または相当部分を示す。
【００６３】
前記実施の形態９および１０ではこの交流半導体スイッチ装置を交流電源に連系する際の保護手段を示したが、図１１は無停電電源装置（以下、ＵＰＳという）と併用して使用される場合の過電圧保護手段を示す。
【００６４】
図において、前記交流半導体スイッチ装置４００に直列接続される第２の機械スイッチ４０５、および、前記交流半導体スイッチ装置４００と前記負荷４０１との中間接続点に接続されるＵＰＳ４０６が設けられている。
交流電源の電圧を検出する電圧検出器４０７の出力に接続された停電検出回路４０８の出力信号は前記交流半導体スイッチ装置４００および前記ＵＰＳ４０６に与えられる。
前記電圧検出器４０７の出力に接続された同期制御回路４０９の出力信号は前記ＵＰＳ４０６に与えられる。
前記ＵＰＳ４０６は常時、この同期制御回路４０９により、交流電源に同期した周波数で待機運転しており、交流電源系統の事故で交流電源が停電した場合に前記停電検出回路４０８により前記負荷４０１に電力を供給するように制御され、それと同時に前記交流半導体スイッチ装置４００はオフされる。
【００６５】
交流電源電圧が大きく低下して停電時間が長くなると、前記同期制御回路４０９に基いて前記ＵＰＳ４０６の出力周波数および位相を交流電源に同期させることが困難になり、最悪、交流電源が復電した際に交流電源と前記ＵＰＳ４０６の出力電圧の位相が１８０°ずれることが起こる。
この場合には、前記交流半導体スイッチ装置４００の両端には交流電源電圧と前記ＵＰＳ４０６の出力電圧の和電圧が印加されるために、前記交流半導体スイッチ装置４００を過電圧で破壊する恐れがある。
前記第２の機械スイッチ４０５を停電が発生すると前記停電検出回路４０８によりオフすることにより、交流電源と前記ＵＰＳ４０６の出力電圧の位相が１８０°ずれた場合には前記第２の機械スイッチ４０５に交流電源電圧と前記ＵＰＳ４０６の出力電圧の和電圧が印加されるために、前記交流半導体スイッチ装置４００の両端には電圧が印加されず、過電圧が発生することがない。
【００６６】
以上のように構成したので、過電圧破壊を防止でき、信頼性が高く、小型、かつ安価な装置を得ることができる。
【００６７】
この発明による実施の形態１１によれば、実施の形態１から実施の形態４までのいずれかの構成において、交流電源と負荷４０１との間に第２の機械スイッチ４０５と前記半導体交流スイッチ装置４００が直列に接続され、前記半導体交流スイッチ装置４００と負荷４０１との接続点に無停電電源装置４０６が接続され、前記交流電源が停電した際に前記半導体交流スイッチ装置４００と第２の機械スイッチ４０５をオフするとともに前記無停電電源装置４０６から前記負荷４０１に給電するようにして、前記半導体交流スイッチ装置４００に過電圧が印加されるのを防止したので、電流遮断時間を短縮して高速に遮断できるとともに、小型にでき、しかも、過電圧破壊を防止できて、信頼性を向上できる半導体交流スイッチ装置を得ることができる。
【００６８】
実施の形態１２．
この発明による実施の形態１２を図１２に基づいて説明する。図１２は実施の形態１２における半導体交流スイッチ装置の保護回路の構成を示す回路図である。
この実施の形態１２において、ここで説明する特有の構成以外の構成については、先に説明した実施の形態１１と同様の構成内容を具備し、同様の作用を奏するものである。図中、同一符号は同一または相当部分を示す。
【００６９】
前記実施の形態１１ではこの交流半導体スイッチ装置をＵＰＳと併用して使用される場合の過電圧保護手段を示したが、図１２にこのＵＰＳと併用して使用される場合の過電流保護手段を示す。
【００７０】
図において、過電流保護回路４１０は、負荷４０１の電流を検出する前記電流検出器４０３を介して接続され、前記交流半導体スイッチ装置４００の過電流保護レベルに達すると、前記ＵＰＳ４０６に電流指令を与える。
【００７１】
このように、前記負荷４０１に過電流が発生した場合には前記交流半導体スイッチ装置４００および前記ＵＰＳ４０６から負荷電流を供給することにより、前記交流半導体スイッチ装置４００が過電流で破壊するのを防止でき、信頼性が高く、小型、かつ安価な装置を得ることができる。
【００７２】
この発明による実施の形態１２によれば、実施の形態１から実施の形態４のいずれかの構成において、交流電源と負荷４０１との間に前記半導体交流スイッチ装置４００が接続され、前記半導体交流スイッチ装置４００と負荷４０１との接続点に無停電電源装置４０６が接続され、前記半導体交流スイッチ装置４００をオンして前記交流電源から前記負荷４０１に給電中に、前記負荷４０１に過電流が発生した際に前記無停電電源装置４０６からも前記負荷４０１に給電するようにして前記半導体交流スイッチ装置４００に過電流が流れ続けるのを防止したので、電流遮断時間を短縮して高速に遮断できるとともに、小型にでき、しかも、過電流で破壊するのを防止できて、信頼性を向上できる半導体交流スイッチ装置を得ることができる。
【００７３】
実施の形態１３．
この発明による実施の形態１３を図１３に基づいて説明する。図１３は実施の形態１３における半導体交流スイッチ装置の保護回路の構成を示す回路図である。
この実施の形態１３において、ここで説明する特有の構成以外の構成については、先に説明した実施の形態１２と同様の構成内容を具備し、同様の作用を奏するものである。図中、同一符号は同一または相当部分を示す。
【００７４】
前記実施の形態１２ではこの交流半導体スイッチ装置をＵＰＳと併用して使用される場合の過電流保護手段を示したが、図１３に無効電流による過電流保護手段を示す。
【００７５】
図において、無効電流保護回路４１１は、負荷４０１の電流を検出する前記電流検出器４０３に接続され、前記交流半導体スイッチ装置４００の過電流保護レベルに達すると、負荷電流成分の内、無効電流成分を検出して前記ＵＰＳ４０６に無効電流指令を与える。
【００７６】
このように、前記負荷４０１に過電流が発生した場合には前記交流半導体スイッチ装置４００から主に負荷の有効電流成分を供給し、前記ＵＰＳ４０６から無効電流成分を供給することにより、前記ＵＰＳのバッテリなどの蓄積エネルギを消費することがなく、前記交流半導体スイッチ装置４００が過電流で破壊するのを防止でき、信頼性が高く、小型、かつ安価な装置を得ることができる。
【００７７】
この発明による実施の形態１３によれば、実施の形態１から実施の形態４までおよび実施の形態１２のいずれかの構成において、交流電源と負荷４０１との間に前記半導体交流スイッチ装置４００が接続され、前記半導体交流スイッチ装置４００と負荷４０１との接続点に無停電電源装置４０６が接続され、前記半導体交流スイッチ装置４００をオンして前記交流電源から前記負荷４０１に給電中に、前記負荷４０１に過電流が発生した際にその過電流の無効電流基本波成分を無効電流保護回路４１１により前記無停電電源装置４０６からも前記負荷４０１に給電するようにして前記半導体交流スイッチ装置４００に過電流が流れ続けるのを防止したので、電流遮断時間を短縮して高速に遮断できるとともに、小型にでき、しかも、過電流で破壊されるのを防止できて、信頼性を向上できる半導体交流スイッチ装置を得ることができる。
【００７８】
実施の形態１４．
この発明による実施の形態１４を図１４に基づいて説明する。図１４は実施の形態１４における半導体交流スイッチ装置の保護回路の構成を示す回路図である。
この実施の形態１４において、ここで説明する特有の構成以外の構成については、先に説明した実施の形態１１ないし実施の形態１３のいずれかと同様の構成内容を具備し、同様の作用を奏するものである。図中、同一符号は同一または相当部分を示す。
【００７９】
前記実施の形態１１〜１３ではこの交流半導体スイッチ装置をＵＰＳと併用して使用される場合の過電圧および過電流保護手段を示したが、図１４に過電流保護手段ならび無瞬断切り替え手段を示す。
【００８０】
図において、リアクトルなどの限流手段４１２は、前記交流半導体スイッチ装置４００に直列に接続される。
前記負荷４０１に過電流が発生する際にはこの限流手段４１２により、過電流が抑制される。
また、交流電源系統で停電が発生した瞬間には前記限流手段４１２により前記負荷４０１の電圧は前記ＵＰＳ４０６で維持されるので、前記交流半導体スイッチ装置４００を高速にオフすることにより、前記負荷４０１の電圧の低下を防止できる。
【００８１】
以上のように、停電発生時に無瞬断でＵＰＳ運転に切り替えることができ、また負荷の過電流も抑制できるので、信頼性が高く、小型、かつ安価な装置を得ることができる。
なお、前記限流手段４１２としてリアクトルの場合を図示したが、変圧器などのリアクタンスを有するものであっても、同様の効果を奏する。
【００８２】
この発明による実施の形態１４によれば、実施の形態１から実施の形態４までおよび実施の形態１１から実施の形態１３までのいずれかの構成において、交流電源と負荷４０１との間にリアクタンスなどの限流手段４１２と前記半導体交流スイッチ装置４００が直列に接続され、前記半導体交流スイッチ装置４００と負荷４０１との接続点に無停電電源装置４０６が接続され、前記交流電源が停電した際に前記半導体交流スイッチ装置４００を高速にオフして前記無停電電源装置４０６から前記負荷４０１に無瞬断で給電するようにしたので、電流遮断時間を短縮して高速に遮断できるとともに、小型にでき、しかも、負荷の過電流を抑制して、信頼性を向上できる半導体交流スイッチ装置を得ることができる。
【００８３】
実施の形態１５．
この発明による実施の形態１５を図１５に基づいて説明する。図１５は実施の形態１５における半導体交流スイッチ装置の保護回路の構成を示す回路図である。
この実施の形態１５において、ここで説明する特有の構成以外の構成については、先に説明した実施の形態１１ないし実施の形態１４のいずれかと同様の構成内容を具備し、同様の作用を奏するものである。図中、同一符号は同一または相当部分を示す。
【００８４】
前記実施の形態１１〜１４ではこの交流半導体スイッチ装置をＵＰＳと併用して１セットの構成で使用される場合の過電圧および過電流保護手段を示したが、図１５に複数セットの構成例を示す。
ＵＰＳシステムとして、第１および第２のＵＰＳシステム５００ａと５００ｂがそれぞれ設けられ、２群に分割された負荷４０１に対して交流半導体スイッチ装置４００およびＵＰＳ４０６も分割して構成される。
【００８５】
電源系統で停電が発生した場合には、この第１および第２のＵＰＳシステム５００ａおよび５００ｂはともに交流半導体スイッチ装置４００と第２の機械スイッチ４０５はオフされ、各ＵＰＳ４０６から各負荷４０１に電力が供給される。
【００８６】
このＵＰＳ４０６が運転中に、片方の負荷４０１で過電流が発生した場合にその負荷４０１のＵＰＳ４０６が過負荷のために運転停止になる危険が生じる。第３の機械スイッチ５０１は、前記第１および第２のＵＰＳシステム５００ａおよび５００ｂ内の第２の機械スイッチ４０５と前記交流半導体スイッチ装置４００との中間接続点間に接続され、停電中はオン状態で待機して、片方の負荷４０１で過電流が発生した場合には前記第１および第２のＵＰＳシステム５００ａおよび５００ｂ内の前記交流半導体スイッチ装置４００をオンしてもう一方のＵＰＳ４０６からも給電する。
【００８７】
以上のようにＵＰＳシステムを構成したので、過負荷による運転停止を防止でき、信頼性が高く、小型、かつ安価なシステムを得ることができる。
【００８８】
この発明による実施の形態１５によれば、実施の形態１から実施の形態４までおよび実施の形態１１から実施の形態１４までのいずれかの構成において、交流電源と負荷４０１との間に第２の機械スイッチ４０５と前記半導体交流スイッチ装置４００が直列に接続され、前記半導体交流スイッチ装置４００と負荷４０１との接続点に無停電電源装置４０６が接続されてなる無停電電源装置システムを複数セット備え、各無停電電源装置システム内の前記第２の機械スイッチ４０５と前記半導体交流スイッチ装置４００の接続点間に第３に機械スイッチ５０１を接続して、前記交流電源が停電して前記半導体交流スイッチ装置４００と第２の機械スイッチ４０５をオフするとともに前記無停電電源装置４０６から前記負荷４０１に給電している場合に、前記第３の機械スイッチ５０１をオンにして待機させ、どれかの無停電電源装置システム内の負荷４０１で過電流が発生した際に各無停電電源装置システム内の前記半導体交流スイッチ装置４００をオンして延長給電を行うようにしたので、電流遮断時間を短縮して高速に遮断できるとともに、小型にでき、しかも、過負荷による運転休止を防止できて、信頼性を向上できる半導体交流スイッチ装置を得ることができる。
【００８９】
【発明の効果】
この発明によれば、電流遮断時間を短縮して高速に遮断できるとともに、小型にできる半導体交流スイッチ装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明による実施の形態１における半導体交流スイッチ装置の主回路の構成を示す回路図である。
【図２】 この発明による実施の形態２における半導体交流スイッチ装置の主回路の構成を示す回路図である。
【図３】 この発明による実施の形態３における半導体交流スイッチ装置の主回路の構成を示す回路図である。
【図４】 この発明による実施の形態４における半導体交流スイッチ装置の主回路の構成を示す回路図である。
【図５】 この発明による実施の形態５における半導体交流スイッチ装置の構成を示す構造図である。
【図６】 この発明による実施の形態６における半導体交流スイッチ装置の構成を示す構造図である。
【図７】 この発明による実施の形態７における半導体交流スイッチ装置の構成を示す構造図である。
【図８】 この発明による実施の形態８における半導体交流スイッチ装置の構成を示す構造図である。
【図９】 この発明による実施の形態９における半導体交流スイッチ装置の保護回路の構成を示す回路図である。
【図１０】 この発明による実施の形態１０における半導体交流スイッチ装置の保護回路の構成を示す回路図である。
【図１１】 この発明による実施の形態１１における半導体交流スイッチ装置の保護回路の構成を示す回路図である。
【図１２】 この発明による実施の形態１２における半導体交流スイッチ装置の保護回路の構成を示す回路図である。
【図１３】 この発明による実施の形態１３における半導体交流スイッチ装置の保護回路の構成を示す回路図である。
【図１４】 この発明による実施の形態１４における半導体交流スイッチ装置の保護回路の構成を示す回路図である。
【図１５】 この発明による実施の形態１５における半導体交流スイッチ装置の保護回路の構成を示す回路図である。
【符号の説明】
１１ａ，１２ａ，１１ｂ，１２ｂ，１１ｃ，１２ｃ 自己消弧素子型半導体素子、２１，２２ａ，２１ｂ，２２ｂ，２１，２２ｃ ダイオード、３１ａ，３２ａ，３１ｂ，３２ｂ，３１ｃ，３２ｃ ゲート回路、４１ａ，５１ａ，４２ａ 並列スナバ、６１ａ，７ａ，６２ｂ、６１ｂ，７ｂ，６２ｂ、６１ｃ，７ｃ，６２ｃ クランプスナバ、８ 充電回路。
Claims (15)
- ダイオードが逆並列接続された自己消弧素子型半導体素子の直列接続体が交流母線の各相に同一方向に接続してなる半導体交流スイッチ装置において、ダイオードとコンデンサとダイオードの直列体で構成されるクランプスナバを自己消弧素子型半導体素子の直列接続体に各相ごとに並列接続するとともに前記各相のクランプスナバのコンデンサを共通に並列接続し前記自己消弧素子型半導体素子毎に抵抗とコンデンサの直列体を並列接続し、前記自己消弧素子型半導体素子毎に接続されるゲート回路にターンオフ時のスイッチングサージを抑制するサージ抑制手段を備え、前記クランプスナバのコンデンサを前記交流母線の電圧ピーク値以上に充電する充電手段を設けて、前記抵抗とコンデンサの直列体の電流が前記自己消弧素子型半導体素子の漏れ電流値以上になるように前記抵抗とコンデンサの直列体の定数を設定したことを特徴とする半導体交流スイッチ装置。
- 前記自己消弧素子型半導体素子の直列接続体を２分割し、その中間素子側から順番にゲートトランスを直列接続して前記自己消弧素子型半導体素子の前記ゲート回路にゲート電力を供給するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の半導体交流スイッチ装置。
- 前記クランプスナバのコンデンサを２分割に直列接続してその中間接続点と大地間にアレスタを接続したことを特徴とする前記特許請求項１に記載の半導体交流スイッチ装置。
- 前記クランプスナバのコンデンサを２分割して直列接続し、その中間接続点を大地間に抵抗器を接続し、前記２分割された前記クランプスナバのコンデンサの両端電圧を検出する電圧検出手段を備え、前記電圧検出手段により地絡事故を検出するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の半導体交流スイッチ装置。
- ２分割された前記自己消弧素子型半導体素子の直列接続体の片方と、ダイオードとコンデンサとダイオードの直列体で構成される前記クランプスナバにおけるダイオードの片方を交流半導体ユニットとして構成し、この交流半導体ユニットを前記自己消弧素子型半導体素子とその逆並列ダイオードと一体化されてなる自己消弧素子型半導体モジュールを横方向に配置して順番に直列接続するとともにダイオードとコンデンサとダイオードの直列体で構成される前記クランプスナバにおけるダイオードの片方をこの自己消弧素子型半導体モジユールに近接配置した構造とし、２分割された前記クランプスナバのコンデンサの片方を前記交流半導体ユニットの横に近接配置し、もう片方の前記交流半導体ユニットと前記前記クランプスナバのコンデンサを上下方向の位置に配置して１相分を構成し、前記交流半導体ユニットと前記前記クランプスナバのコンデンサを上下方向に全体で６段に積み上げた構造で３相分を構成したことを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれかに記載の半導体交流スイッチ装置。
- ２分割された前記自己消弧素子型半導体素子の直列接続体の片方と、ダイオードとコンデンサとダイオードの直列体で構成される前記クランプスナバにおけるダイオードの片方を交流半導体ユニットとして構成し、１相分の前記交流半導体ユニットを前面と裏面に背中合わせして配置し、１相分の２分割された前記クランプスナバのコンデンサを前面と裏面に背中合わせして前記各交流半導体ユニットの横に配置してこの交流半導体ユニットとクランプスナバのコンデンサを上下方向に３段に積み上げた構造で３相分を構成したことを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれかに記載の半導体交流スイッチ装置。
- ２分割された前記自己消弧素子型半導体素子の直列接続体の片方と、ダイオードとコンデンサとダイオードの直列体で構成される前記クランプスナバにおけるダイオードの片方を交流半導体ユニットとして構成し、前記交流半導体ユニットが２セット並列接続される半導体交流スイッチ装置において、１セット１相分の前記交流半導体ユニットを前面と裏面に背中合わせして配置し、１セット１相分の２分割された前記クランプスナバのコンデンサを前面と裏面に背中合わせして前記各交流半導体ユニットの横に配置し、その下側にもう１セット１相分の前記交流半導体ユニットと１セット１相分の２分割された前記クランプスナバのコンデンサを配置して、前記交流半導体ユニットと前記クランプスナバのコンデンサを上下方向に全体で６段に積み上げた構造で２セット３相分を構成したことを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれかに記載の半導体交流スイッチ装置。
- ２分割された前記自己消弧素子型半導体素子の直列接続体の片方と、ダイオードとコンデンサとダイオードの直列体で構成される前記クランプスナバにおけるダイオードの片方を交流半導体ユニットとして構成し、１相分の前記交流半導体ユニットを前面と裏面に背中合わせして配置し、１相分の２分割された前記クランプスナバのコンデンサを前面と裏面に背中合わせして前記各交流半導体ユニットの横に配置してこの交流半導体ユニットとクランプスナバのコンデンサを上下方向に３段に積み上げた構造で３相分を構成した半導体交流スイッチ装置を２台備え、お互いに前記クランプスナバのコンデンサの配置が隣り合わせになるように片方の前記半導体交流スイッチ装置を前面と裏面を逆にして列盤構成にしたことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の半導体交流スイッチ装置。
- 交流電源と負荷との間に前記半導体交流スイッチ装置が接続され、この半導体交流スイッチ装置に並列に接続された第１の機械スイッチを備え、前記半導体交流スイッチ装置をオンする際に、先にこの第１の機械スイッチをオンして、前記負荷の突入電流が前記半導体交流スイッチ装置に流れるのを防止したことを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれかに記載の半導体交流スイッチ装置。
- 交流電源と負荷との間に前記半導体交流スイッチ装置が接続され、前記半導体交流スイッチ装置をオンした際に、前記負荷の突入電流を検出して前記半導体交流スイッチ装置を直ちにオフし、前記交流電源の周波数の半周期後に再度オンするようにして、前記負荷の突入電流が前記半導体交流スイッチ装置に流れ続けるのを防止したことを特徴とする前記特許請求項１から請求項４までのいずれかに記載の半導体交流スイッチ装置。
- 交流電源と負荷との間に第２の機械スイッチと前記半導体交流スイッチ装置が直列に接続され、前記半導体交流スイッチ装置と負荷との接続点に無停電電源装置が接続され、前記交流電源が停電した際に前記半導体交流スイッチ装置と第２の機械スイッチをオフするとともに前記無停電電源装置から前記負荷に給電するようにして、前記半導体交流スイッチ装置に過電圧が印加されるのを防止したことを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれかに記載の半導体交流スイッチ装置。
- 交流電源と負荷との間に前記半導体交流スイッチ装置が接続され、前記半導体交流スイッチ装置と負荷との接続点に無停電電源装置が接続され、前記半導体交流スイッチ装置をオンして前記交流電源から前記負荷に給電中に、前記負荷に過電流が発生した際に前記無停電電源装置からも前記負荷に給電するようにして前記半導体交流スイッチ装置に過電流が流れ続けるのを防止したことを特徴とする前記特許請求項１から請求項４までのいずれかに記載の半導体交流スイッチ装置。
- 交流電源と負荷との間に前記半導体交流スイッチ装置が接続され、前記半導体交流スイッチ装置と負荷との接続点に無停電電源装置が接続され、前記半導体交流スイッチ装置をオンして前記交流電源から前記負荷に給電中に、前記負荷に過電流が発生した際にその過電流の無効電流基本波成分を前記無停電電源装置からも前記負荷に給電するようにして前記半導体交流スイッチ装置に過電流が流れ続けるのを防止したことを特徴とする請求項１から請求項４までおよび請求項１２のいずれかに記載の半導体交流スイッチ装置。
- 交流電源と負荷との間に限流手段と前記半導体交流スイッチ装置が直列に接続され、前記半導体交流スイッチ装置と負荷との接続点に無停電電源装置が接続され、前記交流電源が停電した際に前記半導体交流スイッチ装置を高速にオフして前記無停電電源装置から前記負荷に無瞬断で給電するようにしたことを特徴とする請求項１から請求項４および請求項１１から請求項１３までのいずれかに記載の半導体交流スイッチ装置。
- 交流電源と負荷との間に第２の機械スイッチと前記半導体交流スイッチ装置が直列に接続され、前記半導体交流スイッチ装置と負荷との接続点に無停電電源装置が接続されてなる無停電電源装置システムを複数セット備え、各無停電電源装置システム内の前記第２の機械スイッチと前記半導体交流スイッチ装置の接続点間に第３に機械スイッチを接続して、前記交流電源が停電して前記半導体交流スイッチ装置と第２の機械スイッチをオフするとともに前記無停電電源装置から前記負荷に給電している場合に、前記第３の機械スイッチをオンにして待機させ、どれかの無停電電源装置システム内の負荷で過電流が発生した際に各無停電電源装置システム内の前記半導体交流スイッチ装置をオンして延長給電を行うようにしたことを特徴とする請求項１から請求項４までおよび請求項１１から請求項１４までのいずれかに記載の半導体交流スイッチ装置。
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