WO2010055568A1 - 保護回路付き磁気エネルギー回生スイッチ - Google Patents

Abstract

　すくなくとも２個の逆導通型半導体スイッチと２個のコンデンサから構成される磁気エネルギー回生スイッチにおいて、コンデンサを過電圧や短絡放電から保護すると共に、逆導通型半導体スイッチと負荷を、過電圧や過電流から保護するための保護回路と制御方法を備えた保護回路付き磁気エネルギー回生スイッチであって、制御器や限流器として使用できる。

Description

保護回路付き磁気エネルギー回生スイッチ

　本発明は、保護回路付き磁気エネルギー回生スイッチに関し、より詳細には、交流電源と負荷との間に接続される磁気エネルギー回生スイッチであって、磁気エネルギー回生スイッチを構成する磁気エネルギーを回生して蓄積するコンデンサを過電圧や短絡放電から保護すると共に、逆導通型半導体スイッチと負荷を、過電圧や過電流から保護するための保護回路と制御方法を備えた保護回路付き磁気エネルギー回生スイッチに関する。

　現在、電力エネルギーシステムは瞬時も停止できない重要な社会インフラとなっているが、負荷の異常や故障よる過電流対策は、ヒューズや高速機械スイッチ等を用いて行われるように負荷の高速遮断である。しかし、完全に遮断しないで、過電流をのみを制限して運転を継続し、復帰後はそのまま運転できる高機能なスイッチ、いわゆる制御器や限流器が求められている。

　電力システムは、白熱灯の点灯時のラッシュ電流等短時間の過電流、誘導電動機の起動時ラッシュ電流や、トランスの初期励磁突入の過電流に耐えるように設計されていなければならず、機器の耐量を的確に配分することが肝要であるが、近年の半導体式インバータ電源、例えば燃料電池インバータは、トランスの励磁突入電流の１０倍近いピーク電流には耐えられない場合が多い。インバータ電源では、このため種々のソフトスタート機能を有しているが、それは、一つのインバータ電源に対して一つの負荷の場合であればよいが、一つのインバータ電源に複数の負荷が接続された場合は、後から起動する負荷に対しては対応が困難であった。

　電力システムでは、事故時、または短時間の過電流に機器が耐え得るように保護協調、電流と継続時間を考慮して設計しているが、スイッチが事故電流を選択的に遮断することで、事故を上流に波及させないことを目的とした保護協調をするのみであった。システムの下流での事故であれば、電源を遮断しないで、可能な限り運転を継続したいのが、近年の社会の要求である。

　事故電流を直列要素で限流する限流器では、例えば超電導と常電導の移行現象を応用したものが開発されているが、これは、事故電流が過大になると遮断器の容量も過大になるため、事故電流を限流器によって半分にでも減らすことが出来れば、遮断器のサイズやコストが削減できる。また、このような限流器が求められている。

　磁気エネルギー回生スイッチ（以下、ＭＥＲＳという）という負荷への電力制御が可能なものがある。ＭＥＲＳは、４個の逆導通型半導体スイッチから構成させるフルブリッジ回路と、フルブリッジ回路の直流端子間に接続されたコンデンサとから成る。コンデンサは、電流遮断時の磁気エネルギーを蓄積し、負荷に対して回生するためものである。また、フルブリッジ回路の対角に位置する２個の逆導通型半導体スイッチを１組のペアとし、ペアとなった２個の逆導通型半導体スイッチのゲートに、ゲート制御信号を送る。ゲート制御信号を一方のペアの逆導通型半導体スイッチをオンにする時は、もう一方のペアの逆導通型半導体スイッチをオフとするように、ペア間で交互にオン／オフさせると、電流位相を制御することができる。さらに、このゲート制御信号を交流電源の周波数に同期させながらその位相を制御すると、電流位相を任意に制御することができる。また、ＭＥＲＳに接続された負荷が誘導性負荷のときは、電流位相を進ませることで、負荷への電圧を高くも低くもできる。これは、すでに、特許登録され、開示されている（特許文献１参照）。この態様のＭＥＲＳをフルブリッジ型ＭＥＲＳという。
　また、ＭＥＲＳには、フルブリッジ型ＭＥＲＳの機能が一部制限されるが、逆導通型半導体スイッチを２個で構成できる、より簡易なＭＥＲＳ回路があることは、既に出願、公開され、公知となっている。（特許文献２、および特許文献３参照）。
特許第３６３４９８２号公報 特開２００７－５８６７６号公報 特開２００８－９２７４５号公報

　簡易なＭＥＲＳ回路のうち、縦ハーフ型ＭＥＲＳと呼ばれるものは、フルブリッジ回路をハーフブリッジ化したものである。より詳しくは、フルブリッジ型ＭＥＲＳのブリッジ接続された４個の逆導通型半導体スイッチのうち、一方の交流端子側に接続される２個の逆導通型半導体スイッチを、それぞれダイオードで逆方向となるように接続したものに置き換る。また、コンデンサを同じ容量のコンデンサを１個追加して、それぞれのダイオードに並列に接続したものである。

　簡易なＭＥＲＳ回路のうち、横ハーフ型ＭＥＲＳと呼ばれるものも、フルブリッジ回路をハーフブリッジ化したものであるが、縦ハーフ型ＭＥＲＳとハーフブリッジ化の方法が異なっている。フルブリッジ回路に接続されたコンデンサを軸として、横方向（水平方向）に分断した下半分を回路として使用したもので、コンデンサを同じ容量のコンデンサを１個追加したものである。より詳しくは、逆導通型半導体スイッチにコンデンサを並列に接続した回路を、２つ直列に接続したもので、直列に接続する際に、逆導通型半導体スイッチ同士が逆直列の向きとなるように接続したものである。

　縦ハーフ型ＭＥＲＳと横ハーフ型ＭＥＲＳは、フルブリッジ型ＭＥＲＳと比較して、使用するコンデンサの数量が２倍必要となるが、使用する逆導通型半導体スイッチの数量が半減する。そのため、電流が通過する逆導通型半導体スイッチの数が減り、導通損失が減少する。また、コンデンサ１個あたりの電流責務（単位時間当たりにコンデンサに通過する電流の量）が半減するため、一般にコンデンサの寿命が長くなる。また、磁気エネルギーの回生に関する基本的な電気的特性は、フルブリッジ型ＭＥＲＳとほぼ等価である。縦ハーフ型ＭＥＲＳと横ハーフ型ＭＥＲＳは、いずれも、フルブリッジ型ＭＥＲＳと比較して、特に大電流を対象とした応用時に有利となる。

　縦ハーフ型ＭＥＲＳと横ハーフ型ＭＥＲＳを、制御器や限流器として使用できれば、当初の目的は達成させる。しかし、その使用には課題がある。

　縦ハーフ型ＭＥＲＳは、コンデンサと負荷のリアクタンス成分によって決まる共振周波数が、逆導通型半導体スイッチのゲートに与えられるゲート制御信号のスイッチング周波数よりも低い場合、２個のコンデンサの電荷が完全に放電されずに残り、それぞれのコンデンサに電圧が残る（以下、オフセット電圧といい、コンデンサに電圧が残る状態をＤＣオフセットモードという）。一方のコンデンサが充放電している間、他方のコンデンサにオフセット電圧が残ったままとなる。そのため、オフ状態の逆導通型半導体スイッチには、充放電中のコンデンサの電圧に加えて、他方のコンデンサが持つオフセット電圧も加わるため、逆導通型半導体スイッチとコンデンサの電圧定格を越えてしまうことがある。

　また、横ハーフ型ＭＥＲＳも、コンデンサと負荷のリアクタンス成分によって決まる共振周波数が、逆導通型半導体スイッチのゲートに与えられるゲート制御信号のスイッチング周波数よりも低い場合に、同様にそれぞれのコンデンサにオフセット電圧を生じるが、一方のコンデンサにオフセット電圧が生じた状態のままで他方のコンデンサを充電すると、オフセット電圧が生じている一方のコンデンサを短絡放電させることとなる（以下、横ハーフ型ＭＥＲＳでコンデンサを短絡放電させる状態をコンデンサ短絡モードという）。コンデンサ短絡モードの場合、コンデンサが短絡放電され、過電流が逆導通型半導体スイッチと負荷に流れてしまう。逆導通型半導体スイッチを破壊する原因となることがある。

　縦ハーフ型ＭＥＲＳと横ハーフ型ＭＥＲＳは、コンデンサの耐電圧、逆導通型半導体スイッチの電流容量と耐電圧に影響を与えるコンデンサの電荷、すなわちコンデンサの電圧の状態を常に把握しながら使用することが、応用上不可欠である。

　ＤＣオフセットモードとコンデンサ短絡モードは、電源周波数の擾乱により発生し得る以外に、負荷の過電流によっても引き起こされ得る。また、負荷の過電流は、電源周波数の擾乱よりも発生頻度が高い。負荷の過電流による過大な磁気エネルギーを、縦ハーフ型ＭＥＲＳと横ハーフ型ＭＥＲＳの通常動作で制御すると、予定外の大きな磁気エネルギーを回生することで発生する場合がある。このとき、負荷電圧も過電圧となる。この過電圧が負荷の耐電圧を超えてしまい、負荷を故障や破壊する原因となることがある。負荷の過電流が発生した場合、速やかにコンデンサと逆導通型半導体スイッチを保護することができれば、結果として負荷を保護することにもなる。コンデンサと逆導通型半導体スイッチを保護する機能は重要であると同時に、コンデンサと逆導通型半導体スッチ自体が過大な過負荷耐量を具備しなくても済むことになり、ＭＥＲＳの小型化、および低コスト化の為にも重要である。

　コンデンサと逆導通型半導体スイッチを保護するに当たり、ＭＥＲＳ回路自体を遮断する回路、またはＭＥＲＳ回路の入力端と出力端とを迂回する回路を付加し、ＭＥＲＳ回路を迂回する状態に移行して、単にＭＥＲＳの機能を中止することは容易である。しかし、それでは負荷の運転を中止する、または運転条件を大幅に変更する（例えば、全負荷運転から中負荷運転に変更する等）ことになり、ＭＥＲＳに並列接続して運転されている他の負荷までもが同時に影響を受けることになる。従来、これはやむを得ないこととされていた。

　縦ハーフ型ＭＥＲＳと横ハーフ型ＭＥＲＳは、２個の逆導通型半導体スイッチと、２個のコンデンサを備えており、逆導通型半導体スイッチのオン／オフのタイミングも自由に設定できる。そのため、これらを十分生かす制御方法を用いれば、負荷の過電流時に、単にＭＥＲＳ回路自体を遮断したり迂回すること無く最大の能力を保持したままで、過電流を阻止したり限流したりして、過電流の発生原因が無くなれば通常動作に復帰させるような動作することができる。上述のような動作ができれば、縦ハーフ型ＭＥＲＳと横ハーフ型ＭＥＲＳは、より高機能なものとなり得る。

　本発明はこれらの事情に鑑みて為されたものであり、縦ハーフ型ＭＥＲＳのコンデンサのオフセット電圧が原因となる過電圧、横ハーフ型ＭＥＲＳのコンデンサのオフセット電圧が原因となる短絡放電、負荷の異常や故障よる過電圧や過電流から縦ハーフ型ＭＥＲＳと横ハーフ型ＭＥＲＳを保護することを可能にした、保護回路付き磁気エネルギー回生スイッチを提供することを目的とする。

　本発明の上記目的は以下の手段により達成される。

　（１）　交流電源と負荷との間に挿入され、電流遮断時の電流の磁気エネルギーを蓄積して負荷に回生する磁気エネルギー回生スイッチと、
　磁気エネルギー回生スイッチを過電圧または過電流から保護するための保護手段と、を備えた保護回路付き磁気エネルギー回生スイッチであって、
　磁気エネルギー回生スイッチは、２個の直列に接続した逆導通型半導体スイッチおよび２個の直列に接続したダイオードにより構成されるブリッジ回路と、２個の直列に接続したダイオードのそれぞれに対して並列に接続される２個の直列に接続したコンデンサと、交流電源の周波数に同期して、逆導通型半導体スイッチを交互にオン／オフ制御するように逆導通型半導体スイッチのゲート制御信号の位相を制御する制御手段と、を備えたものであり、
　保護手段は、ブリッジ回路の直流端子間に接続され、２個の直列に接続したコンデンサの両端電圧を検出する電圧検出部と、ブリッジ回路の直流端子間に接続され、放電抵抗と放電スイッチとを直列に接続して構成した放電回路と、を備えたものであり、
　電圧検出部の出力が所定の値を超えたときに放電スイッチを短絡して、放電抵抗を介してコンデンサの電荷を放電するように放電スイッチのゲートを制御する、保護回路付き磁気エネルギー回生スイッチによって達成される。

　（２）　さらに上記目的は、交流電源と負荷との間に挿入され、電流遮断時の電流の磁気エネルギーを蓄積して負荷に回生する磁気エネルギー回生スイッチと、
　磁気エネルギー回生スイッチを過電圧または過電流から保護するための保護手段と、を備えた保護回路付き磁気エネルギー回生スイッチであって、
　磁気エネルギー回生スイッチは、２個の直列に接続した逆導通型半導体スイッチおよび２個の直列に接続したダイオードにより構成されるブリッジ回路と、２個の直列に接続したダイオードのそれぞれに対して並列に接続される、直列に接続した第１のコンデンサおよび第２コンデンサと、交流電源の周波数に同期して、逆導通型半導体スイッチを交互にオン／オフ制御するように逆導通型半導体スイッチのゲート制御信号の位相を制御する制御手段と、を備えたものであり、
　保護手段は、ブリッジ回路の直流端子間であって、
第１のコンデンサに並列に接続され、第１のコンデンサの電圧を検出する第１の電圧検出部と、および第２のコンデンサに並列に接続され、第２のコンデンサの電圧を検出する第２の電圧検出部と、第１のコンデンサに並列に接続されると共に第１の電圧検出部と並列に接続され、第１の放電抵抗と第１の放電スイッチとが直列に接続された第１の放電回路と、第２のコンデンサに並列に接続されると共に第２の電圧検出部と並列に接続され、第２の放電抵抗と第２の放電スイッチとが直列に接続された第２の放電回路と、を備えたものであり、
　第１の電圧検出部の出力が所定の値を超えたときに第１の放電スイッチを短絡して、第１の放電抵抗を介して第１コンデンサの電荷を放電し、さらに第２の電圧検出部の出力が所定の値を超えたときに第２の放電スイッチを短絡して、第２の放電抵抗を介して第２のコンデンサの電荷を放電するように放電スイッチのゲートを制御する、保護回路付き磁気エネルギー回生スイッチによっても達成される。

　（３）　さらに上記目的は、交流電源と負荷との間に挿入され、電流遮断時の電流の磁気エネルギーを蓄積して負荷に回生する磁気エネルギー回生スイッチと、
　磁気エネルギー回生スイッチを過電圧または過電流から保護するための保護手段と、を備えた保護回路付き磁気エネルギー回生スイッチであって、
　磁気エネルギー回生スイッチは、２個の逆直列に接続した逆導通型半導体スイッチと、直列に接続した第１のコンデンサおよび第２コンデンサと、を並列に接続し、２個の逆直列に接続した逆導通型半導体スイッチの中点と直列に接続した第１のコンデンサと第２のコンデンサの中点同士間を結線した配線と、交流電源の周波数に同期して、逆導通型半導体スイッチを交互にオン／オフ制御するように逆導通型半導体スイッチのゲート制御信号の位相を制御する制御手段と、を備えたものであり、
　保護手段は、
第１のコンデンサに並列に接続され、第１のコンデンサの電圧を検出する第１の電圧検出部と、および第２のコンデンサに並列に接続され、第２のコンデンサの電圧を検出する第２の電圧検出部と、第１のコンデンサに並列に接続されると共に第１の電圧検出部と並列に接続され、第１の放電抵抗と第１の放電スイッチとが直列に接続された第１の放電回路と、第２のコンデンサに並列に接続されると共に第２の電圧検出部と並列に接続され、第２の放電抵抗と第２の放電スイッチとが直列に接続された第２の放電回路と、を備えたものであり、
第１の電圧検出部の出力が所定の値を超えたときに第１の放電スイッチを短絡して、第１の放電抵抗を介して第１コンデンサの電荷を放電し、さらに第２の電圧検出部の出力が所定の値を超えたときに第２の放電スイッチを短絡して、第２の放電抵抗を介して第２のコンデンサの電荷を放電するように放電スイッチのゲートを制御する、保護回路付き磁気エネルギー回生スイッチによっても達成される。

　（４）　（１）乃至（３）のいずれか一つに記載の発明であって、保護手段は、さらに交流電源と負荷との間に挿入され、負荷に流れる電流を検出する電流検出部を備えたものであり、　電流検出部の出力が所定の値を超えたときに、逆導通型半導体スイッチのゲート制御信号のオンパルスのデューティ比を０．５より小さくすることにより、限流制御を行う、保護回路付き磁気エネルギー回生スイッチによっても達成される。

　（５）　（４）に記載の発明であって、保護手段は、電流検出部の出力が所定の値に戻ったときに、逆導通型半導体スイッチのゲート制御信号のオンパルスのデューティ比を０．５に戻し、限流制御を終了する、保護回路付き磁気エネルギー回生スイッチによっても達成される。

　（６）　（１）乃至（４）のいずれか一つに記載の発明であって、保護手段は、電圧検出部の出力が、所定の値を超える期間が所定の時間を超えたときに、逆導通型半導体スイッチのすべてをオフにして電流を遮断するように逆導通型半導体スイッチのゲートを制御する、保護回路付き磁気エネルギー回生スイッチによっても達成される。

　（７）　（１）乃至（４）のいずれか一つに記載の発明であって、保護手段は、電圧検出部の出力が、所定の値を超える期間が所定の時間を超えたときに、２個のコンデンサの電荷を放電して電圧がゼロとなるように放電スイッチのゲートを制御した後に、逆導通型半導体スイッチをすべてオンにして電流が両方向導通状態になるように逆導通型半導体スイッチのゲートを制御する、保護回路付き磁気エネルギー回生スイッチによっても達成させる。

　（８）　（１）乃至（３）のいずれか一つに記載の発明であって、保護手段は、さらに交流電源と負荷との間に挿入され、負荷に流れる電流を検出する電流検出部を備えたものであり、　電流検出部の出力が所定の値を超えたときに、逆導通型半導体スイッチのすべてをオフにして電流を遮断するように逆導通型半導体スイッチのゲートを制御する、保護回路付き磁気エネルギー回生スイッチによっても達成させる。

　（９）　（１）に記載の発明であって、保護手段は、さらに交流電源と負荷との間に挿入され、負荷に流れる電流を検出する電流検出部を備えたものであり、電流検出部の出力が所定の値を超えたときに、オンになっている方の逆導通型半導体スイッチだけをオフにして電流を遮断するように逆導通型半導体スイッチのゲートを制御する、保護回路付き磁気エネルギー回生スイッチによっても達成される。

　本発明によれば、保護回路により、縦ハーフ型ＭＥＲＳのコンデンサのオフセット電圧が原因となる過電圧、横ハーフ型ＭＥＲＳのコンデンサのオフセット電圧が原因となる短絡放電、負荷の異常や故障よる過電圧や過電流から縦ハーフ型ＭＥＲＳと横ハーフ型ＭＥＲＳを保護することを可能にした、保護回路付き磁気エネルギー回生スイッチを提供することができる。

従来のフルブリッジ型磁気エネルギー回生スイッチを用いた交流電源装置を示す。 従来の縦ハーフ型磁気エネルギー回生スイッチを用いた交流電源装置を示す。 従来の縦ハーフ型磁気エネルギー回生スイッチを用いた交流電源装置の電流の流れを示す図である。 図３Ａの電流の流れの時の動作を示す波形図である。ＤＣオフセットモード状態を示す。 従来の横ハーフ型磁気エネルギー回生スイッチを用いた交流電源装置を示す。 従来の横ハーフ型磁気エネルギー回生スイッチを用いた交流電源装置の電流の流れを示す図である。 図５Ａの電流の流れの時の動作を示す波形図である。コンデンサ短絡モードの状態を示す。 従来の縦ハーフ型磁気エネルギー回生スイッチにおける過電圧と過電流の発生のシミュレーション結果を示す波形図である。 従来の縦ハーフ型磁気エネルギー回生スイッチにおける過電圧と過電流の発生のシミュレーション結果を示す波形図である。 本発明に係る保護回路付き磁気エネルギー回生スイッチの実施の形態１を示す回路ブロック図である。 本発明に係る保護回路付き磁気エネルギー回生スイッチの実施の形態１の動作のシミュレーション結果を示す図である。 本発明に係る保護回路付き磁気エネルギー回生スイッチの実施の形態１の動作のシミュレーション結果を示す波形図である。 本発明に係る保護回路付き磁気エネルギー回生スイッチの実施の形態１の動作の別のシミュレーションを行うための回路を示す図である。 本発明に係る保護回路付き磁気エネルギー回生スイッチの実施の形態１の動作の別のシミュレーション結果を示す波形図である。 本発明に係る保護回路付き磁気エネルギー回生スイッチの実施の形態１の動作の別のシミュレーション結果を示す波形図である。 本発明に係る保護回路付き磁気エネルギー回生スイッチの実施の形態１のゲートオンパルスのデューティ比を説明する図である。 本発明に係る保護回路付き磁気エネルギー回生スイッチの実施の形態２を示す回路ブロック図である。 本発明に係る保護回路付き磁気エネルギー回生スイッチの実施の形態３を示す回路ブロック図である。 本発明に係る保護回路付き磁気エネルギー回生スイッチの実施の形態３の動作のシミュレーションを行うための回路を示す図である。 本発明に係る保護回路付き磁気エネルギー回生スイッチの実施の形態３の動作のシミュレーション結果を示す波形図である。 本発明に係る保護回路付き磁気エネルギー回生スイッチの実施の形態３の動作のシミュレーション結果を示す波形図である。 本発明に係る保護回路付き磁気エネルギー回生スイッチの実施の形態３の動作のシミュレーション結果を示す波形図である。

１ａ、１ｂ：　ブリッジ回路（ハーフブリッジ回路）
３：　交流電源
４：　制御手段
５、５０１、５０２：　電圧検出部
６、６０１、６０２：　放電回路
６１、６１１、６１２：　放電抵抗
６２、６２１、６２２：　放電スイッチ
７：　電流検出部
８：　負荷
Ｌ：　負荷のリアクタンス成分
Ｒ：　負荷の抵抗成分
１０：　保護回路
Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４：　逆導通型半導体スイッチ
Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４：　ゲート制御信号
Ｈ１、Ｈ２、Ｈ４：　ゲート制御信号
Ｃ１、Ｃ２：　コンデンサ
Ｄ１、Ｄ２：　補助ダイオード
ＡＣ：　ブリッジ回路の交流端子
ＤＣ（Ｐ）、ＤＣ（Ｎ）：　ブリッジ回路の直流端子
Ｖｉｎ：　電源電圧
Ｉｉｎ：　入力電流
Ｖｃ１：　コンデンサＣ１の電圧
Ｖｃ２：　コンデンサＣ２の電圧
Ｉｃ１：　コンデンサＣ１の電流
Ｉｃ２：　コンデンサＣ２の電流
Ｖｏｕｔ：　出力電圧
Ｉｏｕｔ：　出力電流

発明を実施するための形態

　以下、本発明に係る好適な実施の形態について、図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組合せは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

　　［実施の形態１］
　続いて、本発明の実施の形態１に係る保護回路付き磁気エネルギー回生スイッチについて説明する。

　図７は、本発明の実施の形態１に係る保護回路付き磁気エネルギー回生スイッチ１００の構成を示す回路図である。

　この保護回路付き磁気エネルギー回生スイッチ１００は、図２に示した、縦ハーフ型ＭＥＲＳを使用した交流電源装置１ａに関して、過電圧や過電流から保護するための保護回路を備えた保護回路付き磁気エネルギー回生スイッチである。

　より詳細には、図７に示すように、保護回路付き磁気エネルギー回生スイッチ１００は、２個の逆導通型半導体スイッチＳ１、Ｓ２、および２個の補助ダイオードＤ１、Ｄ２により構成されるブリッジ回路（ハーフブリッジ回路）と、そのブリッジ回路の直流端子間ＤＣ（Ｐ）とＤＣ（Ｎ）に、ぞれぞれの補助ダイオードＤ１、Ｄ２に対して並列接続され、ブリッジ回路の電流遮断時の磁気エネルギーを蓄積するコンデンサＣ１、Ｃ２と、逆導通型半導体スイッチＳ１、Ｓ２を電源の周波数に同期して交互にオン／オフ制御するようにゲート制御信号Ｇ１、Ｇ２の位相を制御するゲート制御手段４とからなる縦ハーフ型ＭＥＲＳが基本構成となっている。

　逆導通型半導体スイッチＳ１、Ｓ２は、例えばＦＥＴまたはＩＧＢＴ等の自己消弧形の半導体素子と、逆並列に接続したダイオードからなる。逆並列に接続したダイオードは、交流電源の周波数が十分に低い場合には、逆回復時間が長いパワーＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードを使用することができる。

　この縦ハーフ型ＭＥＲＳは、交流電源３と、リアクタンス成分Ｌと抵抗成分Ｒからなる負荷８との間に直列に挿入されている。具体的には、交流電源３は、ブリッジ回路の一方の交流端子（ＡＣ）に接続され、負荷８は他方の交流端子（ＡＣ）に接続され、交流電源装置１ａを成している。

　縦ハーフ型ＭＥＲＳを過電圧または過電流から保護するための保護回路１０は、ブリッジ回路の直流端子ＤＣ（Ｐ）とＤＣ（Ｎ）間に接続され、かつ、コンデンサＣ１とＣ２との直列回路に並列に接続した、コンデンサＣ１とコンデンサＣ２との合計電圧を検出する電圧検出部５と、同じくコンデンサＣ１とコンデンサＣ２との直列回路に並列に接続した放電回路６と、を備えたものである。この放電回路６は、放電抵抗６１と放電スイッチ６２とが直列に接続されたものであり、放電スイッチ６２のオン／オフは制御手段４から伝達される放電スイッチ６２のゲート制御信号Ｈ１によって制御される。

　具体的には、電圧検出部５の出力が制御手段４に入力され、制御手段４に予め記憶されている所定の値（閾値）との比較が行われ、電圧検出部５の出力が閾値を超えたとき、すなわちコンデンサＣ１とコンデンサＣ２の合計電圧が過電圧になったときに、制御手段４から放電スイッチ６２のゲートをオンにするゲート制御信号Ｈ１が伝達され、放電スイッチ６２を短絡させ、放電抵抗６１を介してコンデンサＣ１とコンデンサＣ２の電荷を放電することによって、両方のコンデンサ電圧を降下させる。コンデンサ電圧が正常範囲内に復帰したときは、制御手段４から放電スイッチ６２のゲートをオフにするゲート制御信号Ｈ１が伝達され、放電スイッチ６２をオフにする。なお、放電スイッチ６２は、逆導通型半導体スイッチＳ１、Ｓ２と同様に、例えばＦＥＴまたはＩＧＢＴ等の自己消弧形の半導体素子と、逆並列に接続したダイオードからなるもの、またはパワーＭＯＳＦＥＴでよい。

　コンデンサＣ１とコンデンサＣ２の電圧は、逆導通型半導体スイッチＳ１、Ｓ２のゲート制御信号のＧ１、Ｇ２の周期で振動することから、過電圧からの保護は高速でなければならない。電圧検出回路５で検出されたコンデンサ電圧が、閾値を超えそうになると電流制限の放電抵抗６１等を通して放電され、その結果、コンデンサの電圧は閾値を超えることなくその値で止まる。

　図８Ａと図８Ｂは、保護回路１０を備えた保護回路付き磁気エネルギー回生スイッチ１００の動作を示すシミュレーション結果を示す。

　コンデンサＣ１とコンデンサＣ２の合計電圧が約８００Ｖｐｐを超えようとすると、制御手段４によって放電スイッチ６２をオンにして、放電抵抗６１へと電流を放電する放電回路６を動作させ、コンデンサＣ１とコンデンサＣ２の過電圧を放電させ、コンデンサＣ１とコンデンサＣ２の合計電圧は８００Ｖｐｐ以上にはならない。ここで重要な点は、コンデンサＣ１とコンデンサＣ２の合計電圧が抑えられた結果、リアクタンス電圧が抑えられるので、負荷電圧Ｖｏｕｔと負荷電流Ｉｏｕｔの上昇も、コンデンサＣ１とコンデンサＣ２の合計電圧の制限によって抑えられていることである。

　図６Ａと図６Ｂは、保護回路１０を備えない、従来の縦ハーフ型ＭＥＲＳを使用した交流電源装置１ａでの動作を示すシミュレーション結果を示す。

　過負荷により、負荷８の抵抗成分Ｒが半分になり過電流が発生してから約０．５秒後に、出力電圧Ｖｏｕｔが１００Ｖｒｍｓから２４０Ｖｒｍｓに、コンデンサＣ１とコンデンサＣ２の合計電圧が約２８０ｐｐから約１６００Ｖｐｐに急速に上昇している。従って、図８Ａと図８Ｂに示す通り、保護回路１０を備えた保護回路付き磁気エネルギー回生スイッチ１００が有効に作用していることがわかる。

　縦ハーフ型ＭＥＲＳに過電流が発生すると、急速に２つのコンデンサの電圧が上昇するが、コンデンサの電圧を抑えれば、負荷電圧と負荷電流の両方が急速に上昇しないことが特徴で、従来の電圧型インバータ装置内の直流電圧源として使用しているコンデンサの過電圧保護と本質的に異なる。

　別の方法として、コンデンサの耐電圧、逆導通型半導体スイッチの耐電圧を超える場合、縦ハーフ型ＭＥＲＳのゲート制御信号の位相をさらに進めて負荷の分担電圧を下げることが一応考えられる。しかし、ゲート制御信号の位相の制御周期は、交流電源の周波数に同期した半サイクルであり、交流電源の位相の変化スピードに近いゲート制御信号のオン／オフの位相の変化は、逆導通型半導体スイッチのゲートのオン時間が、交流電源の周期の半サイクル以上になって、負荷電圧に直流分を生じさせるので好ましくない。ゲート制御信号のオン／オフの位相の変化に、１０ｍＳ以上（交流電源の周波数が５０Ｈｚの場合）の時定数を入れる必要がある。また、結果が現れるのは、交流電源の周期の１サイクル後である。負荷の出力変化制御に対しては、上述の制御で十分であるが、事故等での過電流の電流増加スピードは、交流電源の１サイクルより速いため、保護動作が間に合わない。

　図９Ａは、本発明の実施の形態１に係る保護回路付き磁気エネルギー回生スイッチ１００における、ゲート制御信号の急激な位相の変化、およびゲートオン信号のパルス幅縮小による、コンデンサ電圧、負荷電圧、負荷電流の変化を見るシミュレーションのための回路図である。

　図９Ｂは、時刻０．５０秒に過負荷による負荷電圧の過電圧、負荷電流の過電流が発生し、時刻０．６０秒に保護対応として急激にゲート信号位相を変化させた場合のシミュレーション結果を示す。

　図９Ｂの波形図は、上からゲート制御信号、負荷（出力）電圧、負荷（出力）電流、コンデンサ電圧を示す。この場合、ゲート制御信号のパルスが欠けたときに負荷（出力）電流が乱れ、直流が出力された状態になっている。従って、電圧検出部５の出力が制御手段４に入力され、制御手段４に予め記憶されている所定の値（閾値）との比較が行われ、電圧検出部５の出力が閾値を超えたとき、すなわち、コンデンサＣ１とコンデンサＣ２の合計電圧が過電圧になったときに、コンデンサ電圧を下げる方向に、ゲート制御信号のオン／オフの位相を変化させても間に合わないことがわかる。

　そこで、本発明の保護回路のさらに好適な実施の形態として、ゲート制御信号のオン信号のパルス幅を減少させる方法、つまり、ゲート制御信号の「デューティ比」を０．５よりも小さくしてもよい。すなわち、図７に示すように、交流電源装置１ａと負荷８との間に電流検出部７を挿入して負荷８に流れる電流を検出し、電流検出部７の出力が所定の値を超えたときに、制御手段４が逆導通型半導体スイッチＳ１、Ｓ２のゲート制御信号Ｇ１、Ｇ２のパルスのオン／オフの「デューティ比」を０．５より小さくすることで、限流制御を行ってもよい。

　図１０は、オン／オフの「デューティ比」に関して説明するものである。通常状態、すなわち電流検出部７の出力が所定の値を超えていないときは、逆導通型半導体スイッチＳ１のゲート制御信号Ｇ１は、時間ｔ１にてオンに転じ、時間ｔ３にオフに転じ、ｔ５で再びオンに転じており、以降これを繰り返している。また、逆導通型半導体スイッチＳ２のゲート制御信号Ｇ２は、時間ｔ１にてオフに転じ、時間ｔ３にオンに転じ、ｔ５で再びオフに転じており、逆導通型半導体スイッチＳ１のゲート制御信号Ｇ１とちょうど逆の動きになっている。なお、ゲート制御信号のオン／オフ切り替えタイミングは、交流電源の極性位相切り替わりタイミングよりαｄｅｇだけ進んでいる（すなわち、オン／オフ位相αの状態）。ここで、逆導通型半導体スイッチＳ１のゲート制御信号Ｇ１に関して、オン時間（時間ｔ１から時間ｔ３まで）とオフ時間（時間ｔ３から時間ｔ５まで）とは等しい。これは、逆導通型半導体スイッチＳ２のゲート制御信号Ｇ２に関して見れば、オフ時間（時間ｔ１から時間ｔ３まで）とオン時間（時間ｔ３から時間ｔ５まで）とは等しい。これが、オン／オフの「デューティ比」＝０．５の状態である。

　「オン／オフの「デューティ比」を０．５より小さくする」と、図１０に示すように、逆導通型半導体スイッチＳ１のゲート制御信号Ｇ１は、時間ｔ１にてオンに転じ、時間ｔ２（時間ｔ３より所定時間前）にオフに転じ、ｔ５で再びオンに転じており、以降これを繰り返している。また、逆導通型半導体スイッチＳ２のゲート制御信号Ｇ２は、時間ｔ３にオンに転じ、ｔ４（時間ｔ５より所定時間前）で再びオフに転じており、逆導通型半導体スイッチＳ１のゲート制御信号Ｇ１とちょうど逆の動きになっている。ここで、逆導通型半導体スイッチＳ１のゲート制御信号Ｇ１に関して時間ｔ２から時間ｔ３まで、逆導通型半導体スイッチＳ２のゲート制御信号Ｇ２に関して時間ｔ４から時間ｔ５まで、それぞれオン時間を削っている。すなわち、オン信号のパルス幅を減少させている。

　時間ｔ２から時間ｔ３まで、および時間ｔ４から時間ｔ５までの期間は、逆導通型半導体スイッチＳ１のゲート信号Ｇ１、および逆導通型半導体スイッチＳ２のゲート制御信号Ｇ２が共にオフになる期間（以下、全オフ期間という）である。全オフ期間は、逆導通型半導体スイッチＳ１のゲート信号制御Ｇ１、および逆導通型半導体スイッチＳ２のゲート制御信号Ｇ２のオン期間の後部に設定される（オン期間の後部を削る）。また、全オフ期間は、オン期間の途中に、１回、または複数回オンであったゲートを瞬時オフにすることで設けてもよい。

　図９Ｃは、時刻０．５０秒に過負荷による負荷電圧の過電圧、負荷電流の過電流が発生し、時刻０．６０秒に保護対応として急激にオン信号のパルス幅を「デューティ比」＝０．５から急速に減少させた場合のシミュレーション結果を示す。

　図９Ｃの波形図は、上からゲート制御信号、負荷（出力）電圧、負荷（出力）電流、コンデンサ電圧を示す。ゲート制御信号のオン信号のパルス幅を減少させても、電流波形の乱れは起こらずに、電流が減少しているのがわかる。

　具体的には、制御手段４は、過電圧を検出するとその過電圧信号により、および／または過電流を検出するとその過電流信号により、逆導通型半導体スイッチＳ１、Ｓ２のゲート制御信号Ｇ１、Ｇ２のオン信号のパルス幅を減少させる。これにより、負荷電圧の上昇は止まり、負荷電流は電流フィードバック制御によって、過電流保護レベル以下に下げられる。コンデンサＣ１とコンデンサＣ２の過電圧も保護レベルより下げられることになる。このゲート制御信号のデューティ比制御による電流フィードバック制御は瞬時には効果が現れないので、放電スイッチ６２によるコンデンサの電荷の放電と組み合わせることが好ましい。また、ゲート制御信号のデューティ比制御による電流フィードバック制御、および／または放電スイッチ６２による放電を行うとき、オン／オフ位相は変化させず固定しておくことが望ましい。

　ゲート制御信号のデューティ比制御による電流フィードバック制御によって、負荷電流が閾値を超えると逆導通型半導体スイッチＳ１、Ｓ２はゲートオフの時間が長くなる（オン信号のパルス幅が狭くなる）。つまり、逆導通型半導体スイッチＳ１、Ｓ２は限流器として作用する。従って、縦ハーフ型ＭＥＲＳ自体を限流器として動作させることが可能になる。

　上述より、縦型ハーフブリッジＭＥＲＳの保護方法として、コンデンサＣ１とコンデンサＣ２の電圧のピークカットによる過電圧保護機能、および逆導通型半導体スイッチＳ１、Ｓ２のゲート制御信号Ｇ１、Ｇ２のデューティ比制御による電流制限機能が可能である。これらは、一方のみを用いてもよいし、組み合わせて用いてもよい。組み合わせて用いる場合、縦ハーフ型ＭＥＲＳの保護機能はさらに高められる。

　電圧検出部５の出力が、所定の値を超える期間が所定の時間を超えたときに、逆導通型半導体スイッチＳ１、Ｓ２のすべてをオフにして電流を遮断するようにゲート制御信号Ｇ１、Ｇ２を制御するように構成してもよい。

　また、電圧検出部５の出力が、所定の値を超える期間が所定の時間を超えたときに、コンデンサＣ１とコンデンサＣ２の電荷を放電して電圧がゼロとなるように放電スイッチのゲートを制御した後に、逆導通型半導体スイッチＳ１、Ｓ２をすべてオンにして電流の両方向導通状態になるようにゲート制御信号Ｇ１、Ｇ２を制御するように構成してもよい。

　　［実施の形態２］
　続いて、本発明の実施の形態２に係る保護回路付き磁気エネルギー回生スイッチについて説明する。

　図１１は、本発明の実施の形態２に係る保護回路付き磁気エネルギー回生スイッチ２００の構成を示す回路図である。

　この保護回路付き磁気エネルギー回生スイッチ２００は、図２に示した、縦ハーフ型ＭＥＲＳを使用した交流電源装置１ａに関して、過電圧や過電流から保護するための保護回路を備えた保護回路付き磁気エネルギー回生スイッチである。

　本発明の実施の形態２は、保護回路として、コンデンサＣ１とコンデンサＣ２に対応した、２個の放電回路と２個の電圧検出部を設けている。

　より詳細には、第１の放電回路６０１はコンデンサＣ１と並列に接続され、第２の放電回路６０２はコンデンサＣ２と並列に接続され、さらに、第１の電圧検出部５０１はコンデンサＣ１および第１の放電回路６０１と並列に接続され、第２の電圧検出部５０２はコンデンサＣ２および第２の放電回路６０２と並列に接続されている。

　第１の放電回路６０１は、放電抵抗６１１と放電スイッチ６２１とが直列に接続されたものであり、第２の放電回路６０２は、放電抵抗６１２と放電スイッチ６２２とが直列に接続されたものである。それぞれの放電スイッチ６２１、６２２のオン／オフは、制御手段４から伝達される放電スイッチ６２１、６２２のゲート制御信号Ｈ１、Ｈ２によって制御される。すなわち、電圧検出部５０１の出力が制御手段４に入力され、制御手段４に予め記憶されている所定の値（閾値）との比較が行われ、電圧検出部５０１の出力が閾値を超えたとき、つまりコンデンサＣ１の電圧が過電圧になったときに、制御手段４から放電スイッチ６２１のゲートをオンにするゲート制御信号Ｈ１が伝達され、放電スイッチ６２１を短絡させ、放電抵抗６１１を介してコンデンサＣ１の電荷を放電することによって、コンデンサＣ１の電圧を降下させると共に、コンデンサＣ１の電圧が正常範囲内に復帰したときは、制御手段４から放電スイッチ６２１のゲートをオフにするゲート制御信号Ｈ１が伝達され、放電スイッチ６２１をオフにする。

　同様に、電圧検出部５０２の出力が制御手段４に入力され、制御手段４に予め記憶されている所定の値（閾値）との比較が行われ、電圧検出部５０２の出力が閾値を超えたとき、つまりコンデンサＣ２の電圧が過電圧になったときに、制御手段４から放電スイッチ６２２のゲートをオンにするゲート制御信号Ｈ２が伝達され、放電スイッチ６２２を短絡させ、放電抵抗６１２を介してコンデンサＣ２の電荷を放電することによって、コンデンサＣ２の電圧を降下させると共に、コンデンサＣ２の電圧が正常範囲内に復帰したときは、制御手段４から放電スイッチ６２２をオフにするゲート制御信号Ｈ２が伝達され、放電スイッチ６２２をオフにする。

　このように、本発明の実施の形態２においては、縦ハーフ型ＭＥＲＳのコンデンサＣ１およびコンデンサＣ２の電圧を、電圧検出部５０１および電圧検出部５０２により個別に検出し、それぞれのコンデンサＣ１およびコンデンサＣ２を個別に保護することができる。

　さらに、図１１に示すように、交流電源装置１ａと負荷８との間に電流検出部７を挿入して負荷８に流れる電流を検出し、電流検出部７の出力が所定の値を超えたときに、制御手段４が逆導通型半導体スイッチＳ１、Ｓ２のゲート制御信号Ｇ１、Ｇ２のパルスのオン／オフの「デューティ比」を０．５より小さくすることで、限流制御を行ってもよい。「デューティ比」の態様については、本発明の実施の形態１に係る保護回路付き磁気エネルギー回生スイッチ１００で説明したものと同様である。

　電圧検出部５０１、５０２の出力が、所定の値を超える期間が所定の時間を超えたときに、逆導通型半導体スイッチＳ１、Ｓ２のすべてをオフにして電流を遮断するようにゲート制御信号Ｇ１、Ｇ２を制御するように構成してもよい。

　また、電圧検出部５０１、５０２の出力が、所定の値を超える期間が所定の時間を超えたときに、コンデンサＣ１とコンデンサＣ２の電荷を放電して電圧がゼロとなるように放電スイッチ６２１、６２２のゲートＨ１、Ｈ２を制御した後に、逆導通型半導体スイッチＳ１、Ｓ２をすべてオンにして電流が両方向導通状態になるようにゲート制御信号Ｇ１、Ｇ２を制御するように構成してもよい。

　　［実施の形態３］
　さらに、本発明の実施の形態３に係る保護回路付き磁気エネルギー回生スイッチについて説明する。

　図１２は、本発明の実施の形態３に係る保護回路付き磁気エネルギー回生スイッチ３００の構成を示す回路図である。

　この保護回路付き磁気エネルギー回生スイッチ３００は、図４に示した横ハーフ型ＭＥＲＳを使用した交流電源装置１ｂに関して、過電圧や過電流から保護するための保護回路を備えた保護回路付き磁気エネルギー回生スイッチである。

　より詳細には、図１２に示すように、保護回路付き磁気エネルギー回生スイッチ３００は、２個の逆直列に接続した逆導通型半導体スイッチＳ２、Ｓ４と、直列に接続した第１のコンデンサＣ１および第２コンデンサＣ２と、を並列に接続し、２個の逆導通型半導体スイッチＳ１とＳ２の中点と、第１のコンデンサＣ１と第２のコンデンサＣ２の中点同士間を結線した配線２３と、交流電源の周波数に同期して、逆導通型半導体スイッチを交互にオン／オフ制御するようにゲート制御信号Ｇ２、Ｇ４の位相を制御する制御手段４とを備えている。逆導通型半導体スイッチＳ２とコンデンサＣ１との接続点に交流電源３が接続され、逆導通型半導体スイッチＳ４とコンデンサＣ２との接続点に電流検出部７を介して負荷８が接続されている。

　本発明の実施の形態３においては、第１の放電回路６０１はＣ１と並列に接続され、第２の放電回路６０２はコンデンサ２２と並列に接続され、さらに、第１の電圧検出部５０１はコンデンサ２１および第１の放電回路６０１と並列に接続され、第２の電圧検出部５０１はコンデンサ２２および第２の放電回路６０２と並列に接続されている。

　第１の放電回路６０１は、放電抵抗６１１と放電スイッチ６２１とが直列に接続されたものであり、第２の放電回路６０２は、放電抵抗６１２と放電スイッチ６２２とが直列に接続されたものである。それぞれの放電スイッチ６２１、６２２のオン／オフは，制御手段４から伝達される放電スイッチ６２１、６２２のゲート制御信号Ｈ２、Ｈ４によって制御される。

　すなわち、電圧検出部５０１の出力が制御手段４に入力され、制御手段４に予め記憶されている所定の値（閾値）との比較が行われ、電圧検出部５０１の出力が閾値を超えたとき、すなわちコンデンサＣ１の電圧が過電圧になったときに、制御手段４から放電スイッチ６２１のゲートをオンにするゲート制御信号Ｈ２が伝達され、放電スイッチ６２１を短絡させ、放電抵抗６１１を介してコンデンサＣ１の電荷を放電することによって、コンデンサＣ１の電圧を降下させると共に、コンデンサＣ１の電圧が正常範囲内に復帰したときは、制御手段４から放電スイッチ６２１のゲートをオフにするゲート制御信号Ｈ２が伝達され、放電スイッチ６２１をオフにする。

　同様に、電圧検出部５０２の出力が制御手段４に入力され、制御手段４に予め記憶されている所定の値（閾値）との比較が行われ、電圧検出部５０２の出力が閾値を超えたとき、つまりコンデンサＣ２の電圧が過電圧になったときに、制御手段４から放電スイッチ６２２のゲートをオンにするゲート制御信号Ｈ４が伝達され、放電スイッチ６２２を短絡させ、放電抵抗６１２を介してコンデンサＣ２の電荷を放電することによって、コンデンサＣ２の電圧を降下させると共に、コンデンサＣ２の電圧が正常範囲内に復帰したときは、制御手段４から放電スイッチ６２２をオフにするゲート制御信号Ｈ４が伝達され、放電スイッチ６２２をオフにする。

　本発明の実施の形態３においては、横ハーフ型ＭＥＲＳのコンデンサＣ１およびコンデンサＣ２の電圧を、電圧検出部５０１および電圧検出部５０２により個別に検出し、それぞれのコンデンサＣ１およびＣ２を個別に保護することができる。

　さらに、図１２に示すように、交流電源装置１ｂと負荷８との間に電流検出部７を挿入して負荷８に流れる電流を検出し、電流検出部７の出力が所定の値を超えたときに、制御手段４が逆導通型半導体スイッチＳ２、Ｓ４のゲート制御信号Ｇ２、Ｇ４のパルスのオン／オフの「デューティ比」を０．５より小さくすることで、限流制御を行ってもよい。「デューティ比」の態様については、本発明の実施の形態１に係る保護回路付き磁気エネルギー回生スイッチ１００で説明したものと同様である。

　図１３Ａは、本発明の実施の形態３に係る保護回路付き磁気エネルギー回生スイッチ３００における、過電圧保護回路、ゲートオン信号のパルス幅縮小による、コンデンサ電圧、負荷（出力）電圧、負荷（出力）電流の変化を見るシミュレーションのための回路図である。

　図１３Ｂは、時刻０．２０秒から時刻０．５０秒の間に過負荷による過電圧、過電流が発生し、同時にコンデンサＣ１、Ｃ２が所定電圧以上を示す場合、放電回路により過電圧を放電する対応を行った場合の負荷（出力）電圧、負荷（出力）電流の変化のシミュレーション結果を示す。

　図１３Ｂの波形図は、上からゲート制御信号、負荷（出力）電圧、コンデンサ電圧、負荷（出力）電流、放電スイッチのゲート制御信号を示す。コンデンサＣ１、Ｃ２が所定電圧以上を示す場合、放電スイッチ６２１、６２２は、コンデンサＣ１とコンデンサＣ２の過電圧を放電するため、コンデンサＣ１およびコンデンサＣ２の電圧が、それぞれ約４００Ｖｐｐとなるように抑えられ、結果、負荷電圧Ｖｏｕｔと負荷電流Ｉｏｕｔの大幅な上昇も抑えられていることがわかる。

　図１３Ｃは、時刻０．２０秒から時刻０．５０秒の間に過負荷による過電圧、過電流が発生し、同時にコンデンサＣ１、コンデンサＣ２の電圧がゼロでない場合、逆導通型半導体スイッチＳ２のゲートＧ２、Ｓ４のゲートＧ４をオンにしない対応を行った場合の負荷（出力）電圧、負荷（出力）電流の変化のシミュレーション結果を示す。

　図１３Ｃの波形図は、上からゲート制御信号、負荷（出力）電圧、コンデンサ電圧、負荷（出力）電流を示す。制御手段４は、逆導通型半導体スイッチＳ２とＳ４のオン／オフを切り替える際に、次にオンにする逆導通型半導体スイッチに並列に接続されているコンデンサの電圧がゼロでない場合、該コンデンサの電圧がゼロになるまで、前の状態（該逆導通半導体スイッチがオフの状態）を維持し、コンデンサの電圧がゼロになった時点で該逆導通型半導体スイッチをオンにするゲート制御信号を与える。従って、コンデンサＣ１、コンデンサＣ２は、短絡放電を起こしていない。

　このゲート制御信号Ｇ２とＧ４のパルス波形は、逆導通型半導体スイッチのゲートＧ２、Ｇ４がオンになる期間になっても、コンデンサＣ１、Ｃ２がゼロ電圧でない場合は、ゲートＧ２、Ｇ４をオンにしないため、逆導通型半導体スイッチＳ２、Ｓ４のゲート制御信号Ｇ２、Ｇ４のパルス・オン信号のパルス幅を減少させ、「デューティ比」が０．５より小さくなっていることに相当する。

　従って、本発明の実施の形態３に係る保護回路付き磁気エネルギー回生スイッチ３００においても、逆導通型半導体スイッチＳ２、Ｓ４のゲート制御信号Ｇ２、Ｇ４のパルス・オン信号のパルス幅を減少させ、「デューティ比」が０．５より小さくすることは、コンデンサＣ１、Ｃ２の保護として有効である。全オフ期間は、逆導通型半導体スイッチＳ１のゲート制御信号Ｇ１、および逆導通型半導体スイッチＳ２のゲート制御信号Ｇ２のオン期間の前部に設定される（オン期間の最初を削る）。

　ここでは、全オフ期間の設定は、コンデンサＣ１、コンデンサＣ２の電圧がゼロでない場合は逆導通型半導体スイッチＳ２、Ｓ４のゲート制御信号Ｇ２、Ｇ４をオンにしない制限によって行っているが、コンデンサＣ１、コンデンサＣ２が放電する時間を想定して全オフ期間を設定してもよい。

　上述の通り、横型ハーフブリッジＭＥＲＳの保護方法として、コンデンサＣ１とコンデンサＣ２の電圧のピークカットによる過電圧保護機能、および逆導通型半導体スイッチＳ２、Ｓ４のゲート制御信号Ｇ２、Ｇ４のデューティ比制御による電流制限機能が可能である。これらは、一方のみを用いてもよいし、組み合わせて用いてもよい。組み合わせて用いる場合、横ハーフ型ＭＥＲＳの保護機能はさらに高められる。

　図１３Ｄは、時刻０．２０秒から時刻０．５０秒の間に過負荷による過電圧、過電流が発生し、同時にコンデンサＣ１、コンデンサＣ２の電圧がゼロでない場合、ゲートＧ２、Ｇ４をオンにしない対応、および放電回路により過電圧を放電する対応の両方を行った場合のシミュレーション結果である。

　図１３Ｄの波形図は、上からゲート制御信号、負荷（出力）電圧、コンデンサ電圧、負荷（出力）電流、放電スイッチのゲート制御信号を示す。この場合においても、コンデンサＣ１およびコンデンサＣ２の電圧が、それぞれ約４００Ｖｐｐとなるように抑えられ、かつ、負荷（出力）電圧の大幅な上昇が抑えられる。さらに、負荷（出力）電流については、定常状態よりも少なく供給され、限流制御の効果がより大きく現れている。

　本発明の実施の形態３に係る保護回路付き磁気エネルギー回生スイッチ３００においても、ゲートパルスのデューティ比制御による電流フィードバック制御、および／または放電スイッチ６２１、６２２による放電を行うとき、オン／オフ位相は変化させず固定しておくことが望ましい。

　電圧検出部５０１、５０２の出力が、所定の値を超える期間が所定の時間を超えたときに、コンデンサＣ１とコンデンサＣ２の電荷を放電して電圧がゼロとなるように放電スイッチ６２１、６２２のゲートＨ２、Ｈ４を制御した後に、逆導通型半導体スイッチＳ２、Ｓ４のすべてをオフにして電流を遮断するようにゲートＧ２、Ｇ４を制御するように構成してもよい。

　また、電圧検出部５０１、５０２の出力が、所定の値を超える期間が所定の時間を超えたときに、コンデンサＣ１とコンデンサＣ２の電荷を放電して電圧がゼロとなるように放電スイッチ６２１、６２２のゲートＨ２、Ｈ４を制御した後に、逆導通型半導体スイッチＳ２、Ｓ４をすべてオンにして電流の両方向導通状態になるようにゲートＧ２、Ｇ４を制御するように構成してもよい。

　なお、本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施形態も本発明の範囲に含まれ得るものである。

Claims (9)

1. 　交流電源と負荷との間に挿入され、電流遮断時の電流の磁気エネルギーを蓄積して前記負荷に回生する磁気エネルギー回生スイッチと、
   　該磁気エネルギー回生スイッチを過電圧または過電流から保護するための保護手段と、を備えた保護回路付き磁気エネルギー回生スイッチであって、
   　前記磁気エネルギー回生スイッチは、２個の直列に接続した逆導通型半導体スイッチおよび２個の直列に接続したダイオードにより構成されるブリッジ回路と、前記２個の直列に接続したダイオードのそれぞれに対して並列に接続される２個の直列に接続したコンデンサと、前記交流電源の周波数に同期して、前記逆導通型半導体スイッチを交互にオン／オフ制御するように前記逆導通型半導体スイッチのゲート制御信号の位相を制御する制御手段と、を備えたものであり、
   　前記保護手段は、前記ブリッジ回路の直流端子間に接続され、前記２個の直列に接続したコンデンサの両端電圧を検出する電圧検出部と、前記ブリッジ回路の前記直流端子間に接続され、放電抵抗と放電スイッチとを直列に接続して構成した放電回路と、を備えたものであり、
   　前記電圧検出部の出力が所定の値を超えたときに前記放電スイッチを短絡して、前記放電抵抗を介して前記コンデンサの電荷を放電するように前記放電スイッチのゲートを制御する、保護回路付き磁気エネルギー回生スイッチ。
2. 　交流電源と負荷との間に挿入され、電流遮断時の電流の磁気エネルギーを蓄積して前記負荷に回生する磁気エネルギー回生スイッチと、
   　該磁気エネルギー回生スイッチを過電圧または過電流から保護するための保護手段と、を備えた保護回路付き磁気エネルギー回生スイッチであって、
   　前記磁気エネルギー回生スイッチは、２個の直列に接続した逆導通型半導体スイッチおよび２個の直列に接続したダイオードにより構成されるブリッジ回路と、前記２個の直列に接続したダイオードのそれぞれに対して並列に接続される、直列に接続した第１のコンデンサおよび第２のコンデンサと、前記交流電源の周波数に同期して、前記逆導通型半導体スイッチを交互にオン／オフ制御するように前記逆導通型半導体スイッチのゲート制御信号の位相を制御する制御手段とを備えたものであり、
   　前記保護手段は、前記ブリッジ回路の直流端子間であって、前記第１のコンデンサに並列に接続され、前記第１のコンデンサの電圧を検出する第１の電圧検出部と、および前記第２のコンデンサに並列に接続され、前記第２のコンデンサの電圧を検出する第２の電圧検出部と、前記第１のコンデンサに並列に接続されると共に前記第１の電圧検出部と並列に接続され、第１の放電抵抗と第１の放電スイッチとが直列に接続された第１の放電回路と、前記第２のコンデンサに並列に接続されると共に前記第２の電圧検出部と並列に接続され、第２の放電抵抗と第２の放電スイッチとが直列に接続された第２の放電回路と、を備えたものであり、前記第１の電圧検出部の出力が所定の値を超えたときに前記第１の放電スイッチを短絡して、前記第１の放電抵抗を介して前記第１のコンデンサの電荷を放電し、さらに前記第２の電圧検出部の出力が所定の値を超えたときに前記第２の放電スイッチを短絡して、前記第２の放電抵抗を介して前記第２のコンデンサの電荷を放電するように前記放電スイッチのゲートを制御する、保護回路付き磁気エネルギー回生スイッチ。
3. 　交流電源と負荷との間に挿入され、電流遮断時の電流の磁気エネルギーを蓄積して前記負荷に回生する磁気エネルギー回生スイッチと、
   　該磁気エネルギー回生スイッチを過電圧または過電流から保護するための保護手段と、を備えた保護回路付き磁気エネルギー回生スイッチであって、
   　前記磁気エネルギー回生スイッチは、２個の逆直列に接続した逆導通型半導体スイッチと、直列に接続した第１のコンデンサおよび第２のコンデンサと、を並列に接続し、前記２個の逆直列に接続した逆導通型半導体スイッチの中点と前記直列に接続した第１のコンデンサと前記第２のコンデンサの中点同士間を結線した配線と、前記交流電源の周波数に同期して、前記逆導通型半導体スイッチを交互にオン／オフ制御するように前記逆導通型半導体スイッチのゲート制御信号の位相を制御する制御手段と、を備えたものであり、
   　前記保護手段は、前記第１のコンデンサに並列に接続され、前記第１のコンデンサの電圧を検出する第１の電圧検出部と、前記第２のコンデンサに並列に接続され、前記第２のコンデンサの電圧を検出する第２の電圧検出部と、前記第１のコンデンサに並列に接続されると共に前記第１の電圧検出部と並列に接続され、第１の放電抵抗と第１の放電スイッチとが直列に接続された第１の放電回路と、前記第２のコンデンサに並列に接続されると共に前記第２の電圧検出部と並列に接続され、第２の放電抵抗と第２の放電スイッチとが直列に接続された第２の放電回路と、を備えたものであり、前記第１の電圧検出部の出力が所定の値を超えたときに前記第１の放電スイッチを短絡して、前記第１の放電抵抗を介して前記第１のコンデンサの電荷を放電し、さらに前記第２の電圧検出部の出力が所定の値を超えたときに前記第２の放電スイッチを短絡して、前記第２の放電抵抗を介して前記第２のコンデンサの電荷を放電するように前記放電スイッチのゲートを制御する、保護回路付き磁気エネルギー回生スイッチ。
4. 　前記保護手段は、さらに前記交流電源と前記負荷との間に挿入され、前記負荷に流れる電流を検出する電流検出部を備えたものであり、
   　前記電流検出部の出力が所定の値を超えたときに、前記逆導通型半導体スイッチのゲート制御信号のオンパルスのデューティ比を０．５より小さくすることにより、限流制御を行う、請求の範囲第１項乃至第３項のいずれか１項に記載の保護回路付き磁気エネルギー回生スイッチ。
5. 　前記保護手段は、前記電流検出部の出力が所定の値に戻ったときに、前記逆導通型半導体スイッチのゲート制御信号のオンパルスのデューティ比を０．５に戻し、限流制御を終了する、請求の範囲第４項に記載の保護回路付き磁気エネルギー回生スイッチ。
6. 　前記保護手段は、前記電圧検出部の出力が、前記所定の値を超える期間が所定の時間を超えたときに、前記逆導通型半導体スイッチのすべてをオフにして電流を遮断するように前記逆導通型半導体スイッチのゲートを制御する、請求の範囲第１項乃至第４項のいずれか１項に記載の保護回路付き磁気エネルギー回生スイッチ。
7. 　前記保護手段は、前記電圧検出部の出力が、前記所定の値を超える期間が所定の時間を超えたときに、前記２個のコンデンサの電荷を放電して電圧がゼロになるように前記放電スイッチのゲートを制御した後に、前記逆導通型半導体スイッチをすべてオンにして電流が両方向導通状態になるように前記逆導通型半導体スイッチのゲートを制御する、請求の範囲第１項乃至第４項のいずれか１項に記載の保護回路付き磁気エネルギー回生スイッチ。
8. 　前記保護手段は、さらに前記交流電源と前記負荷との間に挿入され、前記負荷に流れる電流を検出する電流検出部を備えたものであり、
   　前記電流検出部の出力が所定の値を超えたときに、前記逆導通型半導体スイッチのすべてをオフにして電流を遮断するように前記逆導通型半導体スイッチのゲートを制御する、請求の範囲第１項乃至第３項のいずれか１項に記載の保護回路付き磁気エネルギー回生スイッチ。
9. 　前記保護手段は、さらに前記交流電源と前記負荷との間に挿入され、前記負荷に流れる電流を検出する電流検出部を備えたものであって、
   　前記電流検出部の出力が所定の値を超えたときに、オンになっている方の逆導通型半導体スイッチだけをオフにして電流を遮断するように逆導通型半導体スイッチのゲートを制御する、請求の範囲第１項に記載の保護回路付き磁気エネルギー回生スイッチ。

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