半導体遮断回路
【課題】スナバ回路や波形発生回路等を用いずに、回路面積が大型になったり、生産コストを高くなったりするのを抑えることのできる半導体遮断回路を提供する。
【解決手段】制御部１１が、短絡や過電流が発生したと判断し、半導体遮断器１２にて電流の遮断を開始するように制御する。半導体遮断器１２が電流を素早く遮断することができるように、半導体遮断器１２のゲート電圧を、半導体遮断器１２が遮断を開始する閾値電圧Ｖ１に向けて急激に減少させていく。その後、半導体遮断器１２のゲート電圧が閾値電圧Ｖ１に達すると、半導体遮断器１２のゲート電圧が、半導体遮断器１２が遮断を完了する閾値電圧Ｖ２になるまで、スイッチＳ２の電気的接続状態をオン状態、オフ状態に交互に切り替えて、半導体遮断器１２のゲート電圧を徐々に減少させていく。
【解決手段】制御部１１が、短絡や過電流が発生したと判断し、半導体遮断器１２にて電流の遮断を開始するように制御する。半導体遮断器１２が電流を素早く遮断することができるように、半導体遮断器１２のゲート電圧を、半導体遮断器１２が遮断を開始する閾値電圧Ｖ１に向けて急激に減少させていく。その後、半導体遮断器１２のゲート電圧が閾値電圧Ｖ１に達すると、半導体遮断器１２のゲート電圧が、半導体遮断器１２が遮断を完了する閾値電圧Ｖ２になるまで、スイッチＳ２の電気的接続状態をオン状態、オフ状態に交互に切り替えて、半導体遮断器１２のゲート電圧を徐々に減少させていく。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、短絡が発生した際に回路を保護する半導体遮断回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
直流電源と直流電源から給電線を介して給電される負荷とを備えた給電回路においては、短絡が発生した際に回路を保護するために、電流を遮断する回路遮断器が直流電源と負荷との間に設けられている。なお、短絡には、例えば地絡が含まれる。回路遮断器としては、ヒューズや、半導体を用いた遮断器、サーキットブレーカ等が利用される。
【０００３】
半導体を用いた遮断器を利用した給電回路に短絡が発生すると、コレクタとエミッタとからなるスイッチング素子によって電流の遮断が開始される。このとき、直流電源から流れる電流の時間変化と、給電回路のインダクタンスとに応じた起電力が半導体にかかる。
【０００４】
これにより、半導体のコレクタとエミッタとの間の電圧値が急激に上昇し、半導体が破損してしまう恐れがある。以降、半導体を用いた遮断器のことを「半導体遮断器」といい、コレクタとエミッタとの間の電圧値のことを「半導体遮断器の両端間の電圧値」という。
【０００５】
半導体が破損するのを回避するために、半導体遮断器を利用した給電回路は、スナバ回路を備えているのか一般的である。なお、スナバ回路によって半導体遮断器の両端間の電圧値の急激な上昇を抑制するための技術が例えば、非特許文献１に開示されている。
【０００６】
図８は、特許文献１や非特許文献１の半導体遮断器を利用した給電回路の一例を示す図である。
【０００７】
図８に示す給電回路は、直流電源８０と、半導体遮断回路１００と、負荷９０とを備えている。
【０００８】
半導体遮断回路１００は、制御部１１と、半導体遮断器１２と、電流検出部１３と、スナバ回路１０１とを備えている。
【０００９】
スナバ回路１０１においては通常、図８に示すように、抵抗とコンデンサとが直列に接続され、半導体遮断器１２とスナバ回路１０１とは、並列に接続されている。
【００１０】
また、図８に示した給電回路においては、正極線５１に流れる電流の電流値が電流検出部１３によって検出されている。そして、検出された電流値が所定の電流値に達すると、電流検出部１３は、制御部１１へ信号を出力する。そして、制御部１１は、電流検出部１３から出力された信号を受け付けると、半導体遮断器１２をオフ状態にすることにより、正極線５１に流れる電流の遮断が開始する。
【００１１】
半導体遮断器１２が電流の遮断を開始すると、電流がスナバ回路１０１に転流される。これにより、半導体遮断器１２の両端間の電圧値の急激な上昇が抑制され、半導体が破損するのを回避することができる。
【００１２】
上記の半導体が破損するのを回避する方法の他に、直流電源８０側の正極線５１と負極線５２の間にコンデンサを介挿させて、半導体遮断器１２の遮断動作後、直流電源８０側の電流がそのコンデンサに流れるようにする方法が考えられる。
【００１３】
また、電流の遮断を行なう際、半導体遮断器１２に過電圧を発生させないようにするために、ゲート電圧を徐々に下げることにより、半導体遮断機１２に流れる電流を緩やかに制限する方法もある。この方法では、通常時には半導体遮断器１２がオン状態になっているが、遮断時には素早く遮断を開始することができるように、波形発生部１１ａを用いて半導体遮断器１２のゲート電圧を制御する必要がある。
【００１４】
波形発生部１１ａは、遮断時には半導体遮断器１２をオン状態とオフ状態とに変化させる電圧レベルまで、半導体遮断器１２のゲート電圧を素早く下げ、半導体遮断機のゲートに蓄電した電荷を素早く引き抜くようにしている。その後、半導体遮断器１２をオン状態とオフ状態とを変化させる電圧領域では、波形発生部１１ａは、波形発生部１１ａは半導体遮断器１２のゲート電圧をゆっくりを下げる。これにより、電荷を徐々に引き抜くようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開２００８−６７４４０号公報
【非特許文献】
【００１６】
【非特許文献１】http://www.fujielectric.co.jp/fdt/scd/technical/application/
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
上述したように、スナバ回路を用いれば、半導体遮断器が破損するのを回避することができる。しかし、スナバ回路を用いた場合、スナバ回路の分だけ半導体遮断回路が大きくなる。例えば、正極線と負極線との両方に流れる電流を遮断する必要がある場合、正極線上と負極線上の両方に半導体遮断器及びスナバ回路を設けなければならず、半導体遮断回路の大型化が避けられない。この場合、半導体遮断回路を設置するためのスペースが増大してしまうという問題点がある。
【００１８】
また、スナバ回路を用いた場合、半導体遮断器に流れる電流の遮断が完了した後にもスナバ回路のコンデンサを充電するために、短絡系統には電流が流れる。そのため、直流電源から出力された電流を電流分配装置によって複数の給電系統に分岐して負荷へ給電している場合、短絡が発生した給電系統において電流を遮断することによって発生する電圧変動が、短絡が発生していない給電系統に伝播してしまうという問題点がある。
【００１９】
また、直流電源８０側の正極線と負極線の間にコンデンサを介挿させて、半導体遮断器の遮断動作後、電源側の電流をこのコンデンサに流れるようにする方法でも、コンデンサの大きさ分、遮断回路が大きくなる。遮断後にコンデンサの電圧が上昇するので、所定の耐電圧を満たすようにコンデンサ容量を大きくする必要がある。高耐圧な素子を用いた場合であっても、短絡系統以外の系統の電圧変動が大きく生じたり、生産コストが高くなったりするといった問題がある。
【００２０】
さらに、半導体遮断器１２のゲート電圧を制御するための波形発生回路を用いた場合にも、半導体遮断回路が大型化したり、生産コストが高くなったりするといったことが避けられない。
【００２１】
そこで、本発明は、上記の課題に鑑み、スナバ回路や波形発生回路等を用いずに、回路面積が大型になったり、生産コストを高くなったりするのを抑えることのできる半導体遮断回路を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
上記目的を達成するために本発明の半導体遮断回路は、直流電源からの給電線を介して給電される負荷と前記直流電源との間に設けられた半導体遮断回路であって、
前記給電線上に接続され、前記給電線に流れる電流の電流値が所定の電流値に達すると、前記給電線を流れる電流の遮断を開始する半導体遮断器と、
前記直流電源と、前記半導体遮断器のゲート端子との間に接続され、前記半導体遮断器のゲート電圧を制御するゲート電圧調整部と、
前記給電線に流れる電流の電流値が閾値電流値を超えると、前記半導体遮断器の電気的接続状態をオン状態からオフ状態へ切り替えるスイッチ切替制御部と、を有し、
前記スイッチ切替制御部は、
前記半導体遮断器が電流を遮断するとき、前記ゲート電圧調整部のスイッチング回路の電気的接続状態をオフ状態、オン状態に交互に切り替えることにより前記半導体遮断器のゲート電圧を制御する。
【発明の効果】
【００２３】
本発明は以上説明したように構成されているので、波形発生回路等を用いることなく半導体遮断器のゲート電圧の制御を行ったり、スナバ回路や高耐圧な素子等を用いることなく過電流対策を行うことができる。半導体遮断回路にスナバ回路や波形発生回路等を用いる必要がないことで、半導体遮断回路を小型かつ低コストで製造することができる。
【００２４】
また、スナバ回路等を用いた場合よりも、半導体遮断回路を設置するためのスペースを低減することができる。
【００２５】
また、スナバ回路を用いた場合よりも、電流の遮断時に、短絡が発生していない給電系統に伝搬する電圧変動を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の半導体遮断回路を適用した給電回路の実施形態の構成を示す図である。
【図２】図１に示した半導体遮断回路の制御部１１の動作の流れ（時間により半導体遮断器１２のゲート電圧を制御する）を示すフローチャートである。
【図３】図１に示した半導体遮断回路の制御部１１の動作（半導体遮断器１２のコレクタ−エミッタ間電圧により半導体遮断器１２のゲート電圧を制御する）の流れを示すフローチャートである。
【図４】本発明の半導体遮断回路を適用した給電回路の第１の変形例の構成を示す図である。
【図５】本発明の半導体遮断回路を適用した給電回路の第２の変形例の構成を示す図である。
【図６】本発明の半導体遮断回路を適用した給電回路の第３の変形例の構成を示す図である。
【図７】本発明の半導体遮断回路を適用した給電回路の第４の変形例の構成を示す図である。
【図８】半導体遮断器を利用した従来の給電回路の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下に、本発明の好適な実施の形態について添付図面を参照して説明する。なお、以下の説明において参照する各図では、他の図と同等の構成要素は同一の符号によって示す。
【００２８】
（実施形態）
図１は、本発明の半導体遮断回路を適用した給電回路の実施形態の構成を示す図である。
【００２９】
本実施形態の給電回路は図１に示すように、半導体遮断回路１０と、直流電源８０と、負荷９０と、直流電源９１とを備えている。
【００３０】
また、半導体遮断回路１０と直流電源８０と負荷９０とは、正極線５１及び負極線５２から構成される給電線によって接続されている。そして、直流電源８０から給電線を介して電流が流れることにより、負荷９０へ給電される。また、電流検出部１３は、給電線上の第１の接続点に接続され、第１の接続点に流れる電流の電流値を検出する。そして、電流検出部１３は、検出された電流値が所定の電流値に達すると、制御部１１へ信号を出力する。
【００３１】
半導体遮断回路１０は、直流電源８０と負荷９０との間に設けられており、制御部１１と、半導体遮断器１２とを備えている。
【００３２】
制御部１１は、スイッチ切替制御部１１ａと、ゲート電圧調整部１１ｂである抵抗Ｒ１，Ｒ２、及びスイッチＳ１，Ｓ２とを有する。
【００３３】
スイッチ切替制御部１１ａは、電流検出部１３から出力された信号を受け付けると、半導体遮断器１２をオン状態からオフ状態へ切り替える。
【００３４】
抵抗Ｒ１は、負荷９０を駆動するために用いる直流電源８０とは別の直流電源９１の正極線５３と、スイッチＳ１を介して半導体遮断器１２のゲート端子との間に接続される。抵抗Ｒ２は、直流電源９１の負極線５４とスイッチＳ２を介して半導体遮断器１２のゲート端子との間に接続される。抵抗Ｒ１，Ｒ２は、半導体遮断器１２のゲート電圧ＶＧを制御するために用いられる。
【００３５】
スイッチＳ１は、直流電源９１の正極と抵抗Ｒ１との間に接続され、制御部１１から出力されるＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）方式によるスイッチング切替制御信号φ１のパルス幅によって、その電気的接続状態が切り替わる。また、スイッチＳ２は、直流電源９１の負極と抵抗Ｒ２との間に接続され、制御部１１から出力されるスイッチング切替制御信号φ２のパルス幅によって、その電気的接続状態が切り替わる。
【００３６】
上述した抵抗Ｒ２は、比較的小さな抵抗値を有するようにする。
【００３７】
スイッチＳ２の電気的接続状態がオン状態となることで半導体遮断器１２のゲート電圧ＶＧが低くなる。また、スイッチＳ２の電気的接続状態がオフ状態となることで半導体遮断器１２のゲート電圧が高くなる。半導体遮断器１２が電流の遮断を開始すると、抵抗Ｒ２を電気的接続状態をオン状態にする。その後、スイッチング切替制御信号φ２によって、スイッチＳ２の電気的接続状態を、オン状態、オフ状態に交互に切り替えなから、半導体遮断器１２のゲート電圧の制御を行う。
【００３８】
半導体遮断器１２は、給電線上の第２の接続点に接続され、制御部１１によってオン状態とオフ状態とが切り替えられる。半導体遮断器１２は、オン状態からオフ状態に切り替えられることにより、第２の接続点に流れる電流の遮断を開始する。
【００３９】
以下に、上記のように構成された給電回路における半導体遮断回路１０の動作について説明する。
【００４０】
まず、図１に示した給電回路に短絡が発生していない場合について説明する。
【００４１】
図１に示した給電回路に短絡が発生していない場合には、半導体遮断器１２は、オフ状態であるため、直流電源８０から給電線を介して流れる電流は、負荷９０へ流れる。なお、短絡や過電流が発生していない通常時は、スイッチＳ１の電気的接続状態をオン状態であり、スイッチＳ２の電気的接続状態をオフ状態である。
【００４２】
次に、図１に示した給電回路に短絡が発生した場合について説明する。
【００４３】
図１に示した給電回路に短絡が発生すると、直流電源８０から給電線を介して流れる電流が増加していく。そして、電流検出部１３で計測した第１の接続点に流れる電流の電流値が所定の電流値に達すると、電流検出部１３から出力された信号を受け付けた制御部１１が遮断を判定する。制御部１１は、半導体遮断器１２をオン状態からオフ状態へ切り替えることにより、半導体遮断器１２が電流の遮断を開始する。
【００４４】
短絡や過電流が発生し、半導体遮断器１２が電流を遮断するとき、電流を素早く遮断することができるように、スイッチＳ２の両方の電気的接続状態をオン状態にする。抵抗Ｒ２は、比較的小さな抵抗値を有するものであるため、抵抗Ｒ２をオンにすることで、半導体遮断器１２のゲート電圧ＶＧが急激に減少していく。半導体遮断器１２のゲート電圧ＶＧが遮断を開始する閾値電圧Ｖ１に達すると、半導体遮断器１２のゲート電圧が遮断を完了する閾値電圧Ｖ２になるまで、スイッチＳ２の電気的接続状態をオン状態、又はオフ状態に切り替えるのを繰り返すことにより、半導体遮断器１２のゲート電圧ＶＧが徐々に減少していく。
【００４５】
最初に半導体遮断器１２のゲート電圧ＶＧを、半導体遮断器１２が遮断を開始する閾値電圧Ｖ1に向かって急激に減少させていき、電荷を素早く引き抜く。その後、半導体遮断器１２のゲート電圧ＶＧが遮断を完了する閾値電圧Ｖ２になるまで、スイッチＳ２の電気的接続状態を再びオン状態、オフ状態に切り替えるのを繰り返し、半導体遮断器１２のゲート電圧ＶＧを減少させていき、電荷を徐々に引き抜く。このため、電流を緩やかに切ることができるようになり、スナバ回路を用いることなく半導体遮断器に発生する電圧を低減することができる。
【００４６】
以下、図２及び図３を参照して、制御部１１による半導体遮断器１２の電気的接続状態を切り替るための制御の流れを詳細に説明する。
【００４７】
まず、図２に示すように、制御部１１は、スイッチＳ１をオン状態に切り替えるようにスイッチング切替制御信号φ１を出力し，スイッチＳ２をオフ状態に切り替えるようにスイッチング切替制御信号φ２を出力する（ステップＳ１０１）。次に、制御部１１は、電流検出部１３から電流値を入力し（ステップＳ１０２）、電流値が閾値電流を超えたか否かを判断することによって、回路に短絡や過電流が発生したか判断する。制御部１１は、電流値が閾値電流を超えていなく、短絡や過電流が発生していないと判断すると（ステップＳ１０３のＮＯ）、ステップＳ１０２に戻り処理を繰り返す。また、制御部１１は、電流値が閾値電流を超え、短絡や過電流が発生したと判断すると（ステップＳ１０３のＹＥＳ）、スイッチＳ２の電気的接続状態をオフ状態からオン状態に切り替える（ステップＳ１０４）。
【００４８】
スイッチＳ２の電気的接続状態がオン状態に切り替わることによって、半導体遮断器１２のゲート電圧ＶＧが減少し始める。上述したように、抵抗Ｒ２の抵抗値は比較的小さいため、半導体遮断器１２のゲート電圧は、半導体遮断器１２が遮断を開始する閾値電圧Ｖ1に向かって、急激に減少していく。半導体遮断器１２のゲート電圧を、半導体遮断器１２が遮断を開始する閾値電圧Ｖ１に達するまで減少させていく（ステップＳ１０５のＮＯ）。
【００４９】
そして、半導体遮断器１２のゲート電圧ＶＧが閾値電圧Ｖ１に達すると（ステップＳ１０５のＹＥＳ）、半導体遮断器１２のゲート電圧ＶＧが閾値電圧Ｖ２になるまでの間（ステップＳ１０６のＮＯ）、制御部１１が計時する時間に応じて、スイッチＳ２の電気的接続状態をオン状態、オフ状態に交互に切り替えるようにスイッチング切替制御信号φ２を出力する。
【００５０】
制御部１１は、時間を計時し始め（ステップＳ１０７）、時間が指定された所定の時間Ｔ１を超えるまでの間（ステップＳ１０８のＮＯ）、スイッチＳ２の電気的接続状態をオン状態のままにしておく。そして、時間が指定された所定の時間Ｔ１を超えると（ステップＳ１０８のＹＥＳ）、制御部１１は、スイッチＳ２の電気的接続状態をオン状態からオフ状態に切り替えるようにスイッチング切替制御信号φ２を出力する（ステップＳ１０９）。
【００５１】
そして、制御部１１は、時間を計時し始め（ステップＳ１１０）、時間が指定された所定の時間Ｔ２を超えるまでの間（ステップＳ１１１のＮＯ）、スイッチＳ２の電気的接続状態をオフ状態のままにしておく。そして、時間が指定された所定の時間Ｔ２を超えると（ステップＳ１１１のＹＥＳ）、制御部１１は、スイッチＳ２の電気的接続状態を再びオフ状態からオン状態に切り替えるようにスイッチング切替制御信号φ２を出力する（ステップＳ１１２）。
【００５２】
そして、半導体遮断器１２のゲート電圧ＶＧが閾値電圧Ｖ２より低くなるまで、上述したステップＳ１０７〜Ｓ１１２の処理を繰り返してスイッチＳ２の電気的接続状態をオン状態、オフ状態に交互に切り替える。同時に、スイッチＳ２の電気的接続状態をオフ状態にしておく時間に対して、スイッチＳ２の電気的接続状態をオン状態にしておく時間を少しずつ延ばしていく。これにより、半導体遮断器１２のゲート電圧の急激な低下が抑制され、ゲート電圧ＶＧを徐々に低下させ、最終的には半導体遮断器１２のゲート電圧ＶＧが閾値電圧Ｖ２より低くなるようにする。そして、半導体遮断器１２のゲート電圧が閾値電圧Ｖ２以下となると（ステップＳ１０６のＹＥＳ）、電流値が０Ａになる。
制御部１１は、スイッチＳ１をオン状態からオフ状態に切り替えるようにスイッチング切替制御信号φ１を出力し（ステップＳ１１３）遮断に係る一連の制御が完了する。
【００５３】
また、上述したように各スイッチをオン状態またはオフ状態にしている時間に応じて半導体遮断器１２の接続状態を切り替える以外にも、例えば半導体遮断器１２のコレクタ−エミッタ間電圧に応じて半導体遮断器１２の接続状態を切り替えることもできる。
【００５４】
図３に示すように、制御部１１は、ステップＳ２０１〜Ｓ２０６の各処理を、上述したステップＳ１０１〜Ｓ１０６の各処理と同様に行う。そして、半導体遮断器１２のゲート電圧ＶＧが閾値電圧Ｖ２以下になるまでの間（ステップＳ１０６のＮＯ）、半導体遮断器１２のコレクタ−エミッタ間電圧に応じて、スイッチＳ２の電気的接続状態をオン状態、オフ状態に交互に切り替えるようにスイッチング切替制御信号φ２を出力する。
【００５５】
半導体遮断器１２のコレクタ−エミッタ間電圧が所定の閾値電圧ＶＡを超えるまでの間（ステップＳ２０７のＮＯ）、スイッチＳ２の電気的接続状態をオン状態のままにしておく。そして、半導体遮断器１２のコレクタ−エミッタ間電圧が閾値電圧ＶＡを超えると（ステップＳ２０７のＹＥＳ）、制御部１１は、スイッチＳ２の電気的接続状態をオン状態からオフ状態に切り替えるようにスイッチング切替制御信号φ２を出力する（ステップＳ２０８）。
【００５６】
そして、半導体遮断器１２のコレクタ−エミッタ間電圧が閾値電圧ＶＡよりも低い閾値電圧ＶＢ以下になるまでの間（ステップＳ２０９のＮＯ）、スイッチＳ２の電気的接続状態をオフ状態のままにしておく。そして、半導体遮断器１２のコレクタ−エミッタ間電圧が閾値電圧ＶＢ以下になると（ステップＳ２０９のＹＥＳ）、制御部１１は、スイッチＳ２の電気的接続状態を再びオフ状態からオン状態に切り替えるようにスイッチング切替制御信号φ２を出力する（ステップＳ２１０）。
【００５７】
そして、半導体遮断器１２のゲート電圧ＶＧが閾値電圧Ｖ２より低くなるまで、上述したステップＳ２０７〜Ｓ２１０の処理を繰り返してスイッチＳ２の電気的接続状態をオン状態、オフ状態に交互に切り替える。同時に、スイッチＳ２の電気的接続状態をオン状態にしておく時間に対して、スイッチＳ２の電気的接続状態をオフ状態にしておく時間を少しずつ延ばしていく。これにより、半導体遮断器１２のゲート電圧の急激な低下が抑制され、ゲート電圧ＶＧを徐々に低下させ、最終的には半導体遮断器１２のゲート電圧ＶＧが閾値電圧Ｖ２より低くなるようにする。
【００５８】
そして、半導体遮断器１２のゲート電圧が閾値電圧Ｖ２以下となると（ステップＳ２０６のＹＥＳ）、電流値が０Ａになる。そこで制御部１１は、スイッチＳ１をオン状態からオフ状態に切り替えるようにスイッチング切替制御信号φ１を出力し（ステップＳ２１１）、遮断に係る一連の制御が完了する。
【００５９】
上述したように、回路に短絡が発生すると、スイッチＳ２をオン状態にして、半導体遮断器１２のゲート電圧ＶＧを急激に減少させる。その後、スイッチＳ２の電気的接続状態をオン状態、オフ状態に交互に切り替えて、半導体遮断器１２のゲート電圧ＶＧを徐々に減少させる。これによって、波形発生回路等を用いて行っていた半導体遮断器１２のゲート電圧ＶＧを制御を、波形発生回路等を用いなくても行うことができる。
【００６０】
（変形例）
なお、上述した実施形態おいては、半導体遮断器１２及び電流検出部１３が正極線５１上に接続される場合を一例として説明したが、半導体遮断器１２及び電流検出部１３は、負極線５２上に接続されていてもよい。また、半導体遮断器１２と電流検出部１３との一方が正極線５１上に接続され、他方が負極線５２上に接続されていてもよい。さらに、短絡や過電流を検出するのに際しても、電流検出部１３を用いる以外の方法によって短絡や過電流を検出することもできる。
【００６１】
また、上述した実施形態において、半導体遮断器１２はＮ型ＭＯＳＦＥＴを用いて構成されるものであったが、これに限らない。図４に示す半導体遮断回路３０のように、半導体遮断器１２はＰ型ＭＯＳＦＥＴを用いて構成されるものであっても良い。この場合、図示するように、スイッチＳ１は直流電源９１の負極線５４と接続され、スイッチＳ２は直流電源９１の正極線５３と接続される。
【００６２】
また、上述した実施形態において、負荷９０を駆動するために用いる直流電源８０とは別に直流電源９１を設けていた。但し、図５に示すように、直流電源９１を用いる代わりに、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ９２を用いて給電線から給電される電圧を変換して、半導体遮断器１２のゲート電圧を制御するための電圧を生成しても良い。
【００６３】
また、図６に示すように、半導体遮断器１２が正極線５１上に設けられ、その半導体遮断器１２がＰ型ＭＯＳＦＥＴ等で構成され、半導体遮断器１２のゲート端子に−の電圧を印加されて通電・遮断動作を行うものである場合には、非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ９３を用いて、給電線から給電される電圧を変換して、半導体遮断器１２のゲート電圧を制御するための電圧を生成しても良い。なお、半導体遮断器１２が負極線５２上に設けられ、その半導体遮断器１２がＮ型ＭＯＳＦＥＴ等で構成され、半導体遮断器１２のゲート端子に＋の電圧を印加されて通電・遮断動作を行うものである場合には、非絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータ９３を設けて、給電線から給電される電圧を変換して、半導体遮断器１２のゲート電圧を制御するための電圧を生成しても良い。
【００６４】
なお、上述の直流電源８０の電圧が半導体遮断器１２のゲート電圧に適合している場合には、上述の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ９２や非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ９３を設けないで、正極線５１及び負極線５２とゲート電圧調整部１１ｂとを直接接続して、直流電源８０の電圧をそのままゲート端子の制御に利用しても良い。
【００６５】
また、上述した実施形態において、例えば、電流検出部１３が所定の電流値を検出してから、半導体遮断器１２が電流の遮断を開始するまでの間の電流の増加を抑制するために、図７に示すように、給電線上にインダクタ９４，９５が接続されていても良い。
【００６６】
また、スイッチＳ１，Ｓ２が共にオン状態になるときには、半導体遮断器１２のゲート電圧ＶＧが、半導体遮断器１２を動作させる電圧Ｖ１と同程度になるように、抵抗Ｒ１，Ｒ２の抵抗値を決めておくことで、遮断開始時にスイッチＳ１，Ｓ２を共にオン状態にしたときに、ゲート電圧ＶＧを電圧Ｖ１にすることができる。そして、その後はスイッチＳ１をオフの状態、スイッチＳ２をオンの状態と、スイッチＳ１をオンの状態、スイッチＳ２をオフの状態とを繰り返すことでゲート電圧ＶＧを緩やかに低減させ、電流を遮断する。このようにすることで、制御が容易になる。
【００６７】
また、スイッチＳ１，Ｓ２が共にオン状態になるときには、半導体遮断器１２のゲート電圧ＶＧが、半導体遮断器１２を動作させる電圧Ｖ2と同程度になるように、抵抗Ｒ１，Ｒ２の抵抗値を決めておくことで、遮断開始時にスイッチＳ１，Ｓ２を共にオン状態にしたときに、ゲート電圧ＶＧを電圧Ｖ１まで低減させる。そして、その後はスイッチＳ１をオンに固定した状態で、スイッチＳ２をオンの状態とオフの状態とを繰り返すことでゲート電圧ＶＧを緩やかに低減させることができ、電流を遮断する。この場合、スイッチＳ２をのみを高速で制御すればよいため、制御が容易になる。
【００６８】
（まとめ）
スナバ回路や波形発生回路等を用いることなく、半導体遮断器１２を破損させずに電流を遮断することができる。制御部１１が、短絡や過電流が発生したと判断すると、半導体遮断器１２のゲート電圧ＶＧを半導体遮断器１２が遮断を開始する閾値電圧Ｖ１に向けて急激に減少させていくための制御を行う。その後、制御部１１が、スイッチＳ２の電気的接続状態をオン状態にするのと、オフ状態にするのを交互に繰り返して半導体遮断器１２のゲート電圧ＶＧを徐々に減少させていくための制御を行う。
【産業上の利用可能性】
【００６９】
本発明は、直流電源で動作する様々な負荷を短絡や過電流から保護するための半導体遮断回路として用いることができる。
【符号の説明】
【００７０】
１０ 半導体遮断回路
１１ 制御部
１１ａ スイッチ切替制御部
１１ｂ ゲート電圧調整部
１２ 半導体遮断器
１３ 電流検出部
５１ 正極線
５２ 負極線
８０ 直流電源
９０ 負荷
【技術分野】
【０００１】
本発明は、短絡が発生した際に回路を保護する半導体遮断回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
直流電源と直流電源から給電線を介して給電される負荷とを備えた給電回路においては、短絡が発生した際に回路を保護するために、電流を遮断する回路遮断器が直流電源と負荷との間に設けられている。なお、短絡には、例えば地絡が含まれる。回路遮断器としては、ヒューズや、半導体を用いた遮断器、サーキットブレーカ等が利用される。
【０００３】
半導体を用いた遮断器を利用した給電回路に短絡が発生すると、コレクタとエミッタとからなるスイッチング素子によって電流の遮断が開始される。このとき、直流電源から流れる電流の時間変化と、給電回路のインダクタンスとに応じた起電力が半導体にかかる。
【０００４】
これにより、半導体のコレクタとエミッタとの間の電圧値が急激に上昇し、半導体が破損してしまう恐れがある。以降、半導体を用いた遮断器のことを「半導体遮断器」といい、コレクタとエミッタとの間の電圧値のことを「半導体遮断器の両端間の電圧値」という。
【０００５】
半導体が破損するのを回避するために、半導体遮断器を利用した給電回路は、スナバ回路を備えているのか一般的である。なお、スナバ回路によって半導体遮断器の両端間の電圧値の急激な上昇を抑制するための技術が例えば、非特許文献１に開示されている。
【０００６】
図８は、特許文献１や非特許文献１の半導体遮断器を利用した給電回路の一例を示す図である。
【０００７】
図８に示す給電回路は、直流電源８０と、半導体遮断回路１００と、負荷９０とを備えている。
【０００８】
半導体遮断回路１００は、制御部１１と、半導体遮断器１２と、電流検出部１３と、スナバ回路１０１とを備えている。
【０００９】
スナバ回路１０１においては通常、図８に示すように、抵抗とコンデンサとが直列に接続され、半導体遮断器１２とスナバ回路１０１とは、並列に接続されている。
【００１０】
また、図８に示した給電回路においては、正極線５１に流れる電流の電流値が電流検出部１３によって検出されている。そして、検出された電流値が所定の電流値に達すると、電流検出部１３は、制御部１１へ信号を出力する。そして、制御部１１は、電流検出部１３から出力された信号を受け付けると、半導体遮断器１２をオフ状態にすることにより、正極線５１に流れる電流の遮断が開始する。
【００１１】
半導体遮断器１２が電流の遮断を開始すると、電流がスナバ回路１０１に転流される。これにより、半導体遮断器１２の両端間の電圧値の急激な上昇が抑制され、半導体が破損するのを回避することができる。
【００１２】
上記の半導体が破損するのを回避する方法の他に、直流電源８０側の正極線５１と負極線５２の間にコンデンサを介挿させて、半導体遮断器１２の遮断動作後、直流電源８０側の電流がそのコンデンサに流れるようにする方法が考えられる。
【００１３】
また、電流の遮断を行なう際、半導体遮断器１２に過電圧を発生させないようにするために、ゲート電圧を徐々に下げることにより、半導体遮断機１２に流れる電流を緩やかに制限する方法もある。この方法では、通常時には半導体遮断器１２がオン状態になっているが、遮断時には素早く遮断を開始することができるように、波形発生部１１ａを用いて半導体遮断器１２のゲート電圧を制御する必要がある。
【００１４】
波形発生部１１ａは、遮断時には半導体遮断器１２をオン状態とオフ状態とに変化させる電圧レベルまで、半導体遮断器１２のゲート電圧を素早く下げ、半導体遮断機のゲートに蓄電した電荷を素早く引き抜くようにしている。その後、半導体遮断器１２をオン状態とオフ状態とを変化させる電圧領域では、波形発生部１１ａは、波形発生部１１ａは半導体遮断器１２のゲート電圧をゆっくりを下げる。これにより、電荷を徐々に引き抜くようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開２００８−６７４４０号公報
【非特許文献】
【００１６】
【非特許文献１】http://www.fujielectric.co.jp/fdt/scd/technical/application/
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
上述したように、スナバ回路を用いれば、半導体遮断器が破損するのを回避することができる。しかし、スナバ回路を用いた場合、スナバ回路の分だけ半導体遮断回路が大きくなる。例えば、正極線と負極線との両方に流れる電流を遮断する必要がある場合、正極線上と負極線上の両方に半導体遮断器及びスナバ回路を設けなければならず、半導体遮断回路の大型化が避けられない。この場合、半導体遮断回路を設置するためのスペースが増大してしまうという問題点がある。
【００１８】
また、スナバ回路を用いた場合、半導体遮断器に流れる電流の遮断が完了した後にもスナバ回路のコンデンサを充電するために、短絡系統には電流が流れる。そのため、直流電源から出力された電流を電流分配装置によって複数の給電系統に分岐して負荷へ給電している場合、短絡が発生した給電系統において電流を遮断することによって発生する電圧変動が、短絡が発生していない給電系統に伝播してしまうという問題点がある。
【００１９】
また、直流電源８０側の正極線と負極線の間にコンデンサを介挿させて、半導体遮断器の遮断動作後、電源側の電流をこのコンデンサに流れるようにする方法でも、コンデンサの大きさ分、遮断回路が大きくなる。遮断後にコンデンサの電圧が上昇するので、所定の耐電圧を満たすようにコンデンサ容量を大きくする必要がある。高耐圧な素子を用いた場合であっても、短絡系統以外の系統の電圧変動が大きく生じたり、生産コストが高くなったりするといった問題がある。
【００２０】
さらに、半導体遮断器１２のゲート電圧を制御するための波形発生回路を用いた場合にも、半導体遮断回路が大型化したり、生産コストが高くなったりするといったことが避けられない。
【００２１】
そこで、本発明は、上記の課題に鑑み、スナバ回路や波形発生回路等を用いずに、回路面積が大型になったり、生産コストを高くなったりするのを抑えることのできる半導体遮断回路を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
上記目的を達成するために本発明の半導体遮断回路は、直流電源からの給電線を介して給電される負荷と前記直流電源との間に設けられた半導体遮断回路であって、
前記給電線上に接続され、前記給電線に流れる電流の電流値が所定の電流値に達すると、前記給電線を流れる電流の遮断を開始する半導体遮断器と、
前記直流電源と、前記半導体遮断器のゲート端子との間に接続され、前記半導体遮断器のゲート電圧を制御するゲート電圧調整部と、
前記給電線に流れる電流の電流値が閾値電流値を超えると、前記半導体遮断器の電気的接続状態をオン状態からオフ状態へ切り替えるスイッチ切替制御部と、を有し、
前記スイッチ切替制御部は、
前記半導体遮断器が電流を遮断するとき、前記ゲート電圧調整部のスイッチング回路の電気的接続状態をオフ状態、オン状態に交互に切り替えることにより前記半導体遮断器のゲート電圧を制御する。
【発明の効果】
【００２３】
本発明は以上説明したように構成されているので、波形発生回路等を用いることなく半導体遮断器のゲート電圧の制御を行ったり、スナバ回路や高耐圧な素子等を用いることなく過電流対策を行うことができる。半導体遮断回路にスナバ回路や波形発生回路等を用いる必要がないことで、半導体遮断回路を小型かつ低コストで製造することができる。
【００２４】
また、スナバ回路等を用いた場合よりも、半導体遮断回路を設置するためのスペースを低減することができる。
【００２５】
また、スナバ回路を用いた場合よりも、電流の遮断時に、短絡が発生していない給電系統に伝搬する電圧変動を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の半導体遮断回路を適用した給電回路の実施形態の構成を示す図である。
【図２】図１に示した半導体遮断回路の制御部１１の動作の流れ（時間により半導体遮断器１２のゲート電圧を制御する）を示すフローチャートである。
【図３】図１に示した半導体遮断回路の制御部１１の動作（半導体遮断器１２のコレクタ−エミッタ間電圧により半導体遮断器１２のゲート電圧を制御する）の流れを示すフローチャートである。
【図４】本発明の半導体遮断回路を適用した給電回路の第１の変形例の構成を示す図である。
【図５】本発明の半導体遮断回路を適用した給電回路の第２の変形例の構成を示す図である。
【図６】本発明の半導体遮断回路を適用した給電回路の第３の変形例の構成を示す図である。
【図７】本発明の半導体遮断回路を適用した給電回路の第４の変形例の構成を示す図である。
【図８】半導体遮断器を利用した従来の給電回路の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下に、本発明の好適な実施の形態について添付図面を参照して説明する。なお、以下の説明において参照する各図では、他の図と同等の構成要素は同一の符号によって示す。
【００２８】
（実施形態）
図１は、本発明の半導体遮断回路を適用した給電回路の実施形態の構成を示す図である。
【００２９】
本実施形態の給電回路は図１に示すように、半導体遮断回路１０と、直流電源８０と、負荷９０と、直流電源９１とを備えている。
【００３０】
また、半導体遮断回路１０と直流電源８０と負荷９０とは、正極線５１及び負極線５２から構成される給電線によって接続されている。そして、直流電源８０から給電線を介して電流が流れることにより、負荷９０へ給電される。また、電流検出部１３は、給電線上の第１の接続点に接続され、第１の接続点に流れる電流の電流値を検出する。そして、電流検出部１３は、検出された電流値が所定の電流値に達すると、制御部１１へ信号を出力する。
【００３１】
半導体遮断回路１０は、直流電源８０と負荷９０との間に設けられており、制御部１１と、半導体遮断器１２とを備えている。
【００３２】
制御部１１は、スイッチ切替制御部１１ａと、ゲート電圧調整部１１ｂである抵抗Ｒ１，Ｒ２、及びスイッチＳ１，Ｓ２とを有する。
【００３３】
スイッチ切替制御部１１ａは、電流検出部１３から出力された信号を受け付けると、半導体遮断器１２をオン状態からオフ状態へ切り替える。
【００３４】
抵抗Ｒ１は、負荷９０を駆動するために用いる直流電源８０とは別の直流電源９１の正極線５３と、スイッチＳ１を介して半導体遮断器１２のゲート端子との間に接続される。抵抗Ｒ２は、直流電源９１の負極線５４とスイッチＳ２を介して半導体遮断器１２のゲート端子との間に接続される。抵抗Ｒ１，Ｒ２は、半導体遮断器１２のゲート電圧ＶＧを制御するために用いられる。
【００３５】
スイッチＳ１は、直流電源９１の正極と抵抗Ｒ１との間に接続され、制御部１１から出力されるＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）方式によるスイッチング切替制御信号φ１のパルス幅によって、その電気的接続状態が切り替わる。また、スイッチＳ２は、直流電源９１の負極と抵抗Ｒ２との間に接続され、制御部１１から出力されるスイッチング切替制御信号φ２のパルス幅によって、その電気的接続状態が切り替わる。
【００３６】
上述した抵抗Ｒ２は、比較的小さな抵抗値を有するようにする。
【００３７】
スイッチＳ２の電気的接続状態がオン状態となることで半導体遮断器１２のゲート電圧ＶＧが低くなる。また、スイッチＳ２の電気的接続状態がオフ状態となることで半導体遮断器１２のゲート電圧が高くなる。半導体遮断器１２が電流の遮断を開始すると、抵抗Ｒ２を電気的接続状態をオン状態にする。その後、スイッチング切替制御信号φ２によって、スイッチＳ２の電気的接続状態を、オン状態、オフ状態に交互に切り替えなから、半導体遮断器１２のゲート電圧の制御を行う。
【００３８】
半導体遮断器１２は、給電線上の第２の接続点に接続され、制御部１１によってオン状態とオフ状態とが切り替えられる。半導体遮断器１２は、オン状態からオフ状態に切り替えられることにより、第２の接続点に流れる電流の遮断を開始する。
【００３９】
以下に、上記のように構成された給電回路における半導体遮断回路１０の動作について説明する。
【００４０】
まず、図１に示した給電回路に短絡が発生していない場合について説明する。
【００４１】
図１に示した給電回路に短絡が発生していない場合には、半導体遮断器１２は、オフ状態であるため、直流電源８０から給電線を介して流れる電流は、負荷９０へ流れる。なお、短絡や過電流が発生していない通常時は、スイッチＳ１の電気的接続状態をオン状態であり、スイッチＳ２の電気的接続状態をオフ状態である。
【００４２】
次に、図１に示した給電回路に短絡が発生した場合について説明する。
【００４３】
図１に示した給電回路に短絡が発生すると、直流電源８０から給電線を介して流れる電流が増加していく。そして、電流検出部１３で計測した第１の接続点に流れる電流の電流値が所定の電流値に達すると、電流検出部１３から出力された信号を受け付けた制御部１１が遮断を判定する。制御部１１は、半導体遮断器１２をオン状態からオフ状態へ切り替えることにより、半導体遮断器１２が電流の遮断を開始する。
【００４４】
短絡や過電流が発生し、半導体遮断器１２が電流を遮断するとき、電流を素早く遮断することができるように、スイッチＳ２の両方の電気的接続状態をオン状態にする。抵抗Ｒ２は、比較的小さな抵抗値を有するものであるため、抵抗Ｒ２をオンにすることで、半導体遮断器１２のゲート電圧ＶＧが急激に減少していく。半導体遮断器１２のゲート電圧ＶＧが遮断を開始する閾値電圧Ｖ１に達すると、半導体遮断器１２のゲート電圧が遮断を完了する閾値電圧Ｖ２になるまで、スイッチＳ２の電気的接続状態をオン状態、又はオフ状態に切り替えるのを繰り返すことにより、半導体遮断器１２のゲート電圧ＶＧが徐々に減少していく。
【００４５】
最初に半導体遮断器１２のゲート電圧ＶＧを、半導体遮断器１２が遮断を開始する閾値電圧Ｖ1に向かって急激に減少させていき、電荷を素早く引き抜く。その後、半導体遮断器１２のゲート電圧ＶＧが遮断を完了する閾値電圧Ｖ２になるまで、スイッチＳ２の電気的接続状態を再びオン状態、オフ状態に切り替えるのを繰り返し、半導体遮断器１２のゲート電圧ＶＧを減少させていき、電荷を徐々に引き抜く。このため、電流を緩やかに切ることができるようになり、スナバ回路を用いることなく半導体遮断器に発生する電圧を低減することができる。
【００４６】
以下、図２及び図３を参照して、制御部１１による半導体遮断器１２の電気的接続状態を切り替るための制御の流れを詳細に説明する。
【００４７】
まず、図２に示すように、制御部１１は、スイッチＳ１をオン状態に切り替えるようにスイッチング切替制御信号φ１を出力し，スイッチＳ２をオフ状態に切り替えるようにスイッチング切替制御信号φ２を出力する（ステップＳ１０１）。次に、制御部１１は、電流検出部１３から電流値を入力し（ステップＳ１０２）、電流値が閾値電流を超えたか否かを判断することによって、回路に短絡や過電流が発生したか判断する。制御部１１は、電流値が閾値電流を超えていなく、短絡や過電流が発生していないと判断すると（ステップＳ１０３のＮＯ）、ステップＳ１０２に戻り処理を繰り返す。また、制御部１１は、電流値が閾値電流を超え、短絡や過電流が発生したと判断すると（ステップＳ１０３のＹＥＳ）、スイッチＳ２の電気的接続状態をオフ状態からオン状態に切り替える（ステップＳ１０４）。
【００４８】
スイッチＳ２の電気的接続状態がオン状態に切り替わることによって、半導体遮断器１２のゲート電圧ＶＧが減少し始める。上述したように、抵抗Ｒ２の抵抗値は比較的小さいため、半導体遮断器１２のゲート電圧は、半導体遮断器１２が遮断を開始する閾値電圧Ｖ1に向かって、急激に減少していく。半導体遮断器１２のゲート電圧を、半導体遮断器１２が遮断を開始する閾値電圧Ｖ１に達するまで減少させていく（ステップＳ１０５のＮＯ）。
【００４９】
そして、半導体遮断器１２のゲート電圧ＶＧが閾値電圧Ｖ１に達すると（ステップＳ１０５のＹＥＳ）、半導体遮断器１２のゲート電圧ＶＧが閾値電圧Ｖ２になるまでの間（ステップＳ１０６のＮＯ）、制御部１１が計時する時間に応じて、スイッチＳ２の電気的接続状態をオン状態、オフ状態に交互に切り替えるようにスイッチング切替制御信号φ２を出力する。
【００５０】
制御部１１は、時間を計時し始め（ステップＳ１０７）、時間が指定された所定の時間Ｔ１を超えるまでの間（ステップＳ１０８のＮＯ）、スイッチＳ２の電気的接続状態をオン状態のままにしておく。そして、時間が指定された所定の時間Ｔ１を超えると（ステップＳ１０８のＹＥＳ）、制御部１１は、スイッチＳ２の電気的接続状態をオン状態からオフ状態に切り替えるようにスイッチング切替制御信号φ２を出力する（ステップＳ１０９）。
【００５１】
そして、制御部１１は、時間を計時し始め（ステップＳ１１０）、時間が指定された所定の時間Ｔ２を超えるまでの間（ステップＳ１１１のＮＯ）、スイッチＳ２の電気的接続状態をオフ状態のままにしておく。そして、時間が指定された所定の時間Ｔ２を超えると（ステップＳ１１１のＹＥＳ）、制御部１１は、スイッチＳ２の電気的接続状態を再びオフ状態からオン状態に切り替えるようにスイッチング切替制御信号φ２を出力する（ステップＳ１１２）。
【００５２】
そして、半導体遮断器１２のゲート電圧ＶＧが閾値電圧Ｖ２より低くなるまで、上述したステップＳ１０７〜Ｓ１１２の処理を繰り返してスイッチＳ２の電気的接続状態をオン状態、オフ状態に交互に切り替える。同時に、スイッチＳ２の電気的接続状態をオフ状態にしておく時間に対して、スイッチＳ２の電気的接続状態をオン状態にしておく時間を少しずつ延ばしていく。これにより、半導体遮断器１２のゲート電圧の急激な低下が抑制され、ゲート電圧ＶＧを徐々に低下させ、最終的には半導体遮断器１２のゲート電圧ＶＧが閾値電圧Ｖ２より低くなるようにする。そして、半導体遮断器１２のゲート電圧が閾値電圧Ｖ２以下となると（ステップＳ１０６のＹＥＳ）、電流値が０Ａになる。
制御部１１は、スイッチＳ１をオン状態からオフ状態に切り替えるようにスイッチング切替制御信号φ１を出力し（ステップＳ１１３）遮断に係る一連の制御が完了する。
【００５３】
また、上述したように各スイッチをオン状態またはオフ状態にしている時間に応じて半導体遮断器１２の接続状態を切り替える以外にも、例えば半導体遮断器１２のコレクタ−エミッタ間電圧に応じて半導体遮断器１２の接続状態を切り替えることもできる。
【００５４】
図３に示すように、制御部１１は、ステップＳ２０１〜Ｓ２０６の各処理を、上述したステップＳ１０１〜Ｓ１０６の各処理と同様に行う。そして、半導体遮断器１２のゲート電圧ＶＧが閾値電圧Ｖ２以下になるまでの間（ステップＳ１０６のＮＯ）、半導体遮断器１２のコレクタ−エミッタ間電圧に応じて、スイッチＳ２の電気的接続状態をオン状態、オフ状態に交互に切り替えるようにスイッチング切替制御信号φ２を出力する。
【００５５】
半導体遮断器１２のコレクタ−エミッタ間電圧が所定の閾値電圧ＶＡを超えるまでの間（ステップＳ２０７のＮＯ）、スイッチＳ２の電気的接続状態をオン状態のままにしておく。そして、半導体遮断器１２のコレクタ−エミッタ間電圧が閾値電圧ＶＡを超えると（ステップＳ２０７のＹＥＳ）、制御部１１は、スイッチＳ２の電気的接続状態をオン状態からオフ状態に切り替えるようにスイッチング切替制御信号φ２を出力する（ステップＳ２０８）。
【００５６】
そして、半導体遮断器１２のコレクタ−エミッタ間電圧が閾値電圧ＶＡよりも低い閾値電圧ＶＢ以下になるまでの間（ステップＳ２０９のＮＯ）、スイッチＳ２の電気的接続状態をオフ状態のままにしておく。そして、半導体遮断器１２のコレクタ−エミッタ間電圧が閾値電圧ＶＢ以下になると（ステップＳ２０９のＹＥＳ）、制御部１１は、スイッチＳ２の電気的接続状態を再びオフ状態からオン状態に切り替えるようにスイッチング切替制御信号φ２を出力する（ステップＳ２１０）。
【００５７】
そして、半導体遮断器１２のゲート電圧ＶＧが閾値電圧Ｖ２より低くなるまで、上述したステップＳ２０７〜Ｓ２１０の処理を繰り返してスイッチＳ２の電気的接続状態をオン状態、オフ状態に交互に切り替える。同時に、スイッチＳ２の電気的接続状態をオン状態にしておく時間に対して、スイッチＳ２の電気的接続状態をオフ状態にしておく時間を少しずつ延ばしていく。これにより、半導体遮断器１２のゲート電圧の急激な低下が抑制され、ゲート電圧ＶＧを徐々に低下させ、最終的には半導体遮断器１２のゲート電圧ＶＧが閾値電圧Ｖ２より低くなるようにする。
【００５８】
そして、半導体遮断器１２のゲート電圧が閾値電圧Ｖ２以下となると（ステップＳ２０６のＹＥＳ）、電流値が０Ａになる。そこで制御部１１は、スイッチＳ１をオン状態からオフ状態に切り替えるようにスイッチング切替制御信号φ１を出力し（ステップＳ２１１）、遮断に係る一連の制御が完了する。
【００５９】
上述したように、回路に短絡が発生すると、スイッチＳ２をオン状態にして、半導体遮断器１２のゲート電圧ＶＧを急激に減少させる。その後、スイッチＳ２の電気的接続状態をオン状態、オフ状態に交互に切り替えて、半導体遮断器１２のゲート電圧ＶＧを徐々に減少させる。これによって、波形発生回路等を用いて行っていた半導体遮断器１２のゲート電圧ＶＧを制御を、波形発生回路等を用いなくても行うことができる。
【００６０】
（変形例）
なお、上述した実施形態おいては、半導体遮断器１２及び電流検出部１３が正極線５１上に接続される場合を一例として説明したが、半導体遮断器１２及び電流検出部１３は、負極線５２上に接続されていてもよい。また、半導体遮断器１２と電流検出部１３との一方が正極線５１上に接続され、他方が負極線５２上に接続されていてもよい。さらに、短絡や過電流を検出するのに際しても、電流検出部１３を用いる以外の方法によって短絡や過電流を検出することもできる。
【００６１】
また、上述した実施形態において、半導体遮断器１２はＮ型ＭＯＳＦＥＴを用いて構成されるものであったが、これに限らない。図４に示す半導体遮断回路３０のように、半導体遮断器１２はＰ型ＭＯＳＦＥＴを用いて構成されるものであっても良い。この場合、図示するように、スイッチＳ１は直流電源９１の負極線５４と接続され、スイッチＳ２は直流電源９１の正極線５３と接続される。
【００６２】
また、上述した実施形態において、負荷９０を駆動するために用いる直流電源８０とは別に直流電源９１を設けていた。但し、図５に示すように、直流電源９１を用いる代わりに、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ９２を用いて給電線から給電される電圧を変換して、半導体遮断器１２のゲート電圧を制御するための電圧を生成しても良い。
【００６３】
また、図６に示すように、半導体遮断器１２が正極線５１上に設けられ、その半導体遮断器１２がＰ型ＭＯＳＦＥＴ等で構成され、半導体遮断器１２のゲート端子に−の電圧を印加されて通電・遮断動作を行うものである場合には、非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ９３を用いて、給電線から給電される電圧を変換して、半導体遮断器１２のゲート電圧を制御するための電圧を生成しても良い。なお、半導体遮断器１２が負極線５２上に設けられ、その半導体遮断器１２がＮ型ＭＯＳＦＥＴ等で構成され、半導体遮断器１２のゲート端子に＋の電圧を印加されて通電・遮断動作を行うものである場合には、非絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータ９３を設けて、給電線から給電される電圧を変換して、半導体遮断器１２のゲート電圧を制御するための電圧を生成しても良い。
【００６４】
なお、上述の直流電源８０の電圧が半導体遮断器１２のゲート電圧に適合している場合には、上述の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ９２や非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ９３を設けないで、正極線５１及び負極線５２とゲート電圧調整部１１ｂとを直接接続して、直流電源８０の電圧をそのままゲート端子の制御に利用しても良い。
【００６５】
また、上述した実施形態において、例えば、電流検出部１３が所定の電流値を検出してから、半導体遮断器１２が電流の遮断を開始するまでの間の電流の増加を抑制するために、図７に示すように、給電線上にインダクタ９４，９５が接続されていても良い。
【００６６】
また、スイッチＳ１，Ｓ２が共にオン状態になるときには、半導体遮断器１２のゲート電圧ＶＧが、半導体遮断器１２を動作させる電圧Ｖ１と同程度になるように、抵抗Ｒ１，Ｒ２の抵抗値を決めておくことで、遮断開始時にスイッチＳ１，Ｓ２を共にオン状態にしたときに、ゲート電圧ＶＧを電圧Ｖ１にすることができる。そして、その後はスイッチＳ１をオフの状態、スイッチＳ２をオンの状態と、スイッチＳ１をオンの状態、スイッチＳ２をオフの状態とを繰り返すことでゲート電圧ＶＧを緩やかに低減させ、電流を遮断する。このようにすることで、制御が容易になる。
【００６７】
また、スイッチＳ１，Ｓ２が共にオン状態になるときには、半導体遮断器１２のゲート電圧ＶＧが、半導体遮断器１２を動作させる電圧Ｖ2と同程度になるように、抵抗Ｒ１，Ｒ２の抵抗値を決めておくことで、遮断開始時にスイッチＳ１，Ｓ２を共にオン状態にしたときに、ゲート電圧ＶＧを電圧Ｖ１まで低減させる。そして、その後はスイッチＳ１をオンに固定した状態で、スイッチＳ２をオンの状態とオフの状態とを繰り返すことでゲート電圧ＶＧを緩やかに低減させることができ、電流を遮断する。この場合、スイッチＳ２をのみを高速で制御すればよいため、制御が容易になる。
【００６８】
（まとめ）
スナバ回路や波形発生回路等を用いることなく、半導体遮断器１２を破損させずに電流を遮断することができる。制御部１１が、短絡や過電流が発生したと判断すると、半導体遮断器１２のゲート電圧ＶＧを半導体遮断器１２が遮断を開始する閾値電圧Ｖ１に向けて急激に減少させていくための制御を行う。その後、制御部１１が、スイッチＳ２の電気的接続状態をオン状態にするのと、オフ状態にするのを交互に繰り返して半導体遮断器１２のゲート電圧ＶＧを徐々に減少させていくための制御を行う。
【産業上の利用可能性】
【００６９】
本発明は、直流電源で動作する様々な負荷を短絡や過電流から保護するための半導体遮断回路として用いることができる。
【符号の説明】
【００７０】
１０ 半導体遮断回路
１１ 制御部
１１ａ スイッチ切替制御部
１１ｂ ゲート電圧調整部
１２ 半導体遮断器
１３ 電流検出部
５１ 正極線
５２ 負極線
８０ 直流電源
９０ 負荷
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源からの給電線を介して給電される負荷と前記直流電源との間に設けられた半導体遮断回路であって、
前記給電線上に接続され、前記給電線に流れる電流の電流値が所定の電流値に達すると、前記給電線を流れる電流の遮断を開始する半導体遮断器と、
前記直流電源と、前記半導体遮断器のゲート端子との間に接続され、前記半導体遮断器のゲート電圧を制御するゲート電圧調整部と、
前記給電線に流れる電流の電流値が閾値電流値を超えると、前記半導体遮断器の電気的接続状態をオン状態からオフ状態へ切り替えるスイッチ切替制御部と、を有し、
前記スイッチ切替制御部は、
前記半導体遮断器が電流を遮断するとき、前記ゲート電圧調整部のスイッチング回路の電気的接続状態をオフ状態、オン状態に交互に切り替えることにより前記半導体遮断器のゲート電圧を制御する半導体遮断回路。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体遮断回路において、
前記ゲート電圧調整部は、
前記給電線の一方の極線と、前記半導体遮断器のゲート端子との間に接続された第１の抵抗と、
前記給電線の他方の極線と、前記半導体遮断器のゲート端子との間に接続された第２の抵抗と、
前記一方の極線と、前記第１の抵抗との間に接続された第１のスイッチング素子と、
前記他方の極線と、前記第２の抵抗との間に接続された第２のスイッチング素子と、からなる半導体遮断回路。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の半導体遮断回路において、
前記スイッチ切替制御部は、
前記給電線に流れる電流の電流値が所定の電流値に達する前、前記第１のスイッチング素子の電気的接続状態をオン状態に切り替え、前記第２のスイッチング素子の電気的接続状態をオフ状態に切り替え、
前記給電線に流れる電流の電流値が所定の電流値に達すると、前記第２のスイッチング素子の電気的接続状態をオン状態に切り替え、
前記半導体遮断器のゲート電圧が当該半導体遮断器の遮断開始電圧である第１の閾値電圧以下になり、当該半導体遮断器の遮断完了電圧である第２の閾値電圧以下になるまでの間、前記第２のスイッチング素子の電気的接続状態をオフ状態、オン状態に交互に切り替え、
前記半導体遮断器のゲート電圧が前記第２の閾値電圧以下になると、前記第１のスイッチング素子の電気的接続状態をオフ状態に切り替えることで前記半導体遮断器のゲート電圧を制御する半導体遮断回路。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体遮断回路において、
時間を計測する計時部を有し、
前記スイッチ切替制御部は、
前記半導体遮断器のゲート電圧が前記第１の閾値電圧以下になると、前記計時部にて計測された時間が第１の時間を超えた場合、前記第２のスイッチング素子の電気的接続状態をオフ状態に切り替え、前記計時部にて計測された時間が第２の時間を超えた場合、前記第２のスイッチング素子の電気的接続状態をオン状態に切り替えることで前記半導体遮断器のゲート電圧を制御する半導体遮断回路。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体遮断回路において、
前記半導体遮断器のコレクタ−エミッタ間の電圧を検出する電圧検出部を有し、
前記スイッチ切替制御部は、
前記半導体遮断器のゲート電圧が前記第１の閾値電圧以下になると、前記電圧検出部にて検出された前記半導体遮断器のコレクタ−エミッタ間の電圧が第３の閾値電圧を超えた場合、前記第２のスイッチング素子の電気的接続状態をオフ状態に切り替え、前記電圧検出部にて検出された前記半導体遮断器のコレクタ−エミッタ間の電圧が前記第３の閾値電圧よりも低い第４の閾値電圧以下になった場合、前記第２のスイッチング素子の電気的接続状態をオン状態に切り替えることで前記半導体遮断器のゲート電圧を制御する半導体遮断回路。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体遮断回路において、
前記直流電源は、
前記負荷を駆動するための駆動用直流電源と、前記半導体遮断器を制御するための制御用直流電源とであって、
前記ゲート電圧調整部は、
前記制御用直流電源と、前記半導体遮断器のゲート端子との間に接続され、前記半導体遮断器のゲート電圧を制御する半導体遮断回路。
【請求項７】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体遮断回路において、
前記ゲート電圧調整部は、
ＤＣ／ＤＣコンバータを介して前記給電線と接続され、前記半導体遮断器のゲート電圧を制御する半導体遮断回路。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の半導体遮断回路において、
前記ゲート電圧調整部は、
インダクタが接続された前記給電線と接続され、前記半導体遮断器のゲート電圧を制御する半導体遮断回路。
【請求項１】
直流電源からの給電線を介して給電される負荷と前記直流電源との間に設けられた半導体遮断回路であって、
前記給電線上に接続され、前記給電線に流れる電流の電流値が所定の電流値に達すると、前記給電線を流れる電流の遮断を開始する半導体遮断器と、
前記直流電源と、前記半導体遮断器のゲート端子との間に接続され、前記半導体遮断器のゲート電圧を制御するゲート電圧調整部と、
前記給電線に流れる電流の電流値が閾値電流値を超えると、前記半導体遮断器の電気的接続状態をオン状態からオフ状態へ切り替えるスイッチ切替制御部と、を有し、
前記スイッチ切替制御部は、
前記半導体遮断器が電流を遮断するとき、前記ゲート電圧調整部のスイッチング回路の電気的接続状態をオフ状態、オン状態に交互に切り替えることにより前記半導体遮断器のゲート電圧を制御する半導体遮断回路。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体遮断回路において、
前記ゲート電圧調整部は、
前記給電線の一方の極線と、前記半導体遮断器のゲート端子との間に接続された第１の抵抗と、
前記給電線の他方の極線と、前記半導体遮断器のゲート端子との間に接続された第２の抵抗と、
前記一方の極線と、前記第１の抵抗との間に接続された第１のスイッチング素子と、
前記他方の極線と、前記第２の抵抗との間に接続された第２のスイッチング素子と、からなる半導体遮断回路。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の半導体遮断回路において、
前記スイッチ切替制御部は、
前記給電線に流れる電流の電流値が所定の電流値に達する前、前記第１のスイッチング素子の電気的接続状態をオン状態に切り替え、前記第２のスイッチング素子の電気的接続状態をオフ状態に切り替え、
前記給電線に流れる電流の電流値が所定の電流値に達すると、前記第２のスイッチング素子の電気的接続状態をオン状態に切り替え、
前記半導体遮断器のゲート電圧が当該半導体遮断器の遮断開始電圧である第１の閾値電圧以下になり、当該半導体遮断器の遮断完了電圧である第２の閾値電圧以下になるまでの間、前記第２のスイッチング素子の電気的接続状態をオフ状態、オン状態に交互に切り替え、
前記半導体遮断器のゲート電圧が前記第２の閾値電圧以下になると、前記第１のスイッチング素子の電気的接続状態をオフ状態に切り替えることで前記半導体遮断器のゲート電圧を制御する半導体遮断回路。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体遮断回路において、
時間を計測する計時部を有し、
前記スイッチ切替制御部は、
前記半導体遮断器のゲート電圧が前記第１の閾値電圧以下になると、前記計時部にて計測された時間が第１の時間を超えた場合、前記第２のスイッチング素子の電気的接続状態をオフ状態に切り替え、前記計時部にて計測された時間が第２の時間を超えた場合、前記第２のスイッチング素子の電気的接続状態をオン状態に切り替えることで前記半導体遮断器のゲート電圧を制御する半導体遮断回路。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体遮断回路において、
前記半導体遮断器のコレクタ−エミッタ間の電圧を検出する電圧検出部を有し、
前記スイッチ切替制御部は、
前記半導体遮断器のゲート電圧が前記第１の閾値電圧以下になると、前記電圧検出部にて検出された前記半導体遮断器のコレクタ−エミッタ間の電圧が第３の閾値電圧を超えた場合、前記第２のスイッチング素子の電気的接続状態をオフ状態に切り替え、前記電圧検出部にて検出された前記半導体遮断器のコレクタ−エミッタ間の電圧が前記第３の閾値電圧よりも低い第４の閾値電圧以下になった場合、前記第２のスイッチング素子の電気的接続状態をオン状態に切り替えることで前記半導体遮断器のゲート電圧を制御する半導体遮断回路。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体遮断回路において、
前記直流電源は、
前記負荷を駆動するための駆動用直流電源と、前記半導体遮断器を制御するための制御用直流電源とであって、
前記ゲート電圧調整部は、
前記制御用直流電源と、前記半導体遮断器のゲート端子との間に接続され、前記半導体遮断器のゲート電圧を制御する半導体遮断回路。
【請求項７】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体遮断回路において、
前記ゲート電圧調整部は、
ＤＣ／ＤＣコンバータを介して前記給電線と接続され、前記半導体遮断器のゲート電圧を制御する半導体遮断回路。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の半導体遮断回路において、
前記ゲート電圧調整部は、
インダクタが接続された前記給電線と接続され、前記半導体遮断器のゲート電圧を制御する半導体遮断回路。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−４９６１５（Ｐ２０１２−４９６１５Ａ）
【公開日】平成２４年３月８日（２０１２．３．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１８７１３０（Ｐ２０１０−１８７１３０）
【出願日】平成２２年８月２４日（２０１０．８．２４）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月８日（２０１２．３．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年８月２４日（２０１０．８．２４）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
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