JP6677250B2 - 直流回路、直流電力供給装置、移動体及び電力供給システム - Google Patents

Description

本開示は、直流回路、直流電力供給装置、移動体及び電力供給システム
に関する。

直流給電でも交流給電でも、電力の切断時にはアーク放電が発生する。交流の場合、所定の時間毎（例えば１０ミリ秒毎）に電圧がゼロとなる瞬間があるので、アーク放電は少なくとも上記所定の時間内（例えば１０ミリ秒以内）に自然に止まる。しかし直流給電では、ゼロ電圧となる瞬間がないため、アーク放電は自然には止まらない。

そのため、直流給電の場合に電力の切断時にアーク放電の発生を抑えることを目的とした技術が開示されている（特許文献１，２等参照）。

特開２００３−２０３７２１号公報 特表２０１４−５２２０８８号公報

直流給電の場合に電力の切断時にアーク放電の発生を抑えることはもちろんであるが、アーク放電の発生を抑えるための構成が大規模なものになるのは好ましくなく、またアーク放電の発生を抑えるための構成を加えることで直流給電の最中に電力供給効率を低下させるのも好ましくない。従って、直流電力供給時の電力効率を低下させずに、直流電力の切断時にアーク放電の発生を小規模の構成で抑制することが望ましい。

そこで本開示では、直流電力供給時の電力効率を低下させずに直流電力の切断時にアーク放電の発生を小規模の構成で抑制するとともに、アーク放電の抑制に半導体スイッチを用いた際に当該半導体スイッチの劣化時による短絡が発生しても安全を確保することが可能な、新規かつ改良された直流回路、直流電力供給装置、移動体及び電力供給システムを提案する。

本開示によれば、直流が流れる経路において並列に設けられる第１の電流経路及び第２の電流経路と、前記第１の電流経路上に設けられる半導体スイッチを用いて前記第２の電流経路における直流の遮断時にアークの発生を抑制する回路と、を備え、前記第１の電流経路上には少なくともヒューズを備え、前記ヒューズが溶断すると前記第２の電流経路による直流の供給を停止し、前記ヒューズは、前記回路の定格通電時間及び定格通電電流では溶断しない定格を有する、直流回路が提供される。

また本開示によれば、直流電力を供給する直流電源と、直流が流れる経路において並列に設けられる第１の電流経路及び第２の電流経路と、前記第１の電流経路上に設けられる半導体スイッチを用いて前記第２の電流経路における直流の遮断時にアークの発生を抑制する回路と、を備え、前記第１の電流経路上には少なくともヒューズを備え、前記ヒューズが溶断すると前記第２の電流経路による直流の供給を停止し、前記ヒューズは、前記回路の定格通電時間及び定格通電電流では溶断しない定格を有する、直流電力供給装置が提供される。

以上説明したように本開示によれば、直流電力供給時の電力効率を低下させずに直流電力の切断時にアーク放電の発生を小規模の構成で抑制するとともに、アーク放電の抑制に半導体を用いた際に当該半導体の劣化時による短絡が発生しても安全を確保することが可能な、新規かつ改良された直流回路、直流電力供給装置、移動体及び電力供給システムを提供することが出来る。

なお、上記の効果は必ずしも限定的なものではなく、上記の効果とともに、または上記の効果に代えて、本明細書に示されたいずれかの効果、または本明細書から把握され得る他の効果が奏されてもよい。

本開示の一実施形態に係る直流回路を備えた直流電力供給装置の構成例を示す説明図である。 本開示の一実施形態に係る直流回路を備えた直流電力供給装置の構成例を示す説明図である。 電流の時間変化をグラフで示す説明図である。 本開示の一実施形態に係る直流回路の構成例を示す説明図である。 本開示の一実施形態に係る直流回路の構成例を示す説明図である。 ヒューズの溶断特性の例をグラフで示す説明図である。 警報ヒューズの構造例を示す説明図である。 警報ヒューズの構造例を示す説明図である。 本開示の一実施形態に係る直流回路の構成例を示す説明図である。 本開示の一実施形態に係る直流回路の構成例を示す説明図である。 本開示の一実施形態に係る直流回路の構成例を示す説明図である。 電流の時間変化をグラフで示す説明図である。 本開示の一実施形態に係る直流回路が備えられた電動駆動体の機能構成例を示す説明図である。

以下に添付図面を参照しながら、本開示の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

なお、説明は以下の順序で行うものとする。
１．本開示の一実施形態
１．１．背景
１．２．構成例
２．まとめ

＜１．本開示の一実施形態＞
［１．１．背景］
本開示の一実施形態について詳細に説明する前に、まず本開示の一実施形態の背景について説明する。

直流給電でも交流給電でも、電力の切断時には、電圧と電流がある所定の値以上になると、電極間の電位差によるスパークやアーク放電が発生する。交流の場合、所定の時間毎（例えば１０ミリ秒毎）に電圧がゼロとなる瞬間があるので、アーク放電は少なくとも上記所定の時間内（例えば１０ミリ秒以内）に自然に止まる。

しかし直流給電では、交流給電と違って電圧がゼロとなる瞬間がないため、アーク放電は自然には止まらない。アーク放電は、金属の溶断、溶着といった接点の劣化を発生させ、電力給電の信頼性が低下するおそれがある。

そのため、直流給電の場合に電力の切断時にアーク放電の発生を抑えることを目的とした技術が開示されている。例えば、コンデンサと抵抗とを用いたスナバ回路を揺動接触子の間に接続して回避する技術が従来から提案されている。

しかし、直流給電の場合にスナバ回路を用いてアーク放電を防ぐためには、容量の大きなコンデンサと小さな抵抗を用いなければ十分な効果が得られず、十分な効果を得ようとするとスナバ回路が大型化してしまう。また、スナバ回路を用いてアーク放電を防ぐ場合、直流電力の切断後に直流電源に再度接続しようとすると、容量の大きなコンデンサにチャージされた電荷によるショート電流が大きくなり、接点が溶着してしまう。

また差込プラグをプラグ受けに抜き差しすることによって直流給電を行う場合において、アーク放電の発生を防ぐために差込プラグに機械的スイッチを設け、差込プラグをプラグ受けから抜去する際にその機械的スイッチを操作することでアーク放電の発生を防ぐ技術もある。しかし、この技術では差込プラグの抜去時に機械的スイッチの操作という煩雑な操作を利用者に強いる必要が生じる。

機械的にアーク放電を除去する方法もある。しかし機械的にアーク放電を除去するためには、接点の引き剥がし速度を上げたり、磁気回路によってアークを引き剥がしたりするなどの構造が必要となり、アーク放電を除去するための回路が大型化してしまう。

直流給電の場合に電力の切断時にアーク放電の発生を抑えることを目的とした技術として、他に上記特許文献１，２等がある。

上記特許文献１は、直流給電時に電流が流れる経路上にスイッチング素子を設け、プラグ受けからの差込プラグの抜去時にスイッチング素子をオフにすることで、アーク放電の発生を抑える技術を開示している。

しかし、特許文献１に開示されている技術では、直流給電時に電流がスイッチング素子を流れるために、直流給電時にスイッチング素子において電力が消費されるとともに、直流給電時にスイッチング素子が発熱する。

上記特許文献２も、直流給電時に電流が流れる経路上にスイッチング素子を備えるアーク吸収回路を設け、プラグ受けからの差込プラグの抜去時にスイッチング素子をオフにすることで、アーク放電の発生を抑える技術を開示している。

しかし、特許文献２で開示されている技術では、アーク吸収回路として２つのスイッチング素子や、スイッチング素子をオフにするためのタイマを設けており、アーク電力を一時的に蓄えて、その蓄えた電力を放出するための回路が必要になり、回路が大型化する。

そこで本件開示者は、上述した背景に鑑み、直流電力供給時の電力効率を低下させずに直流電力の切断時にアーク放電の発生を小規模の構成で抑制することが可能な技術について鋭意検討を行った。その結果、本件開示者は、以下で説明するように、正極側の電極に２つの接点を設け、受電側の電極との接点の切り替え時に直流電力の切断時に電極間で生じる電圧を抑制することで、直流電力供給時の電力効率を低下させずに直流電力の切断時にアーク放電の発生を小規模の構成で抑制することが可能な技術を考案するに至った。

さらに、本件開示者は、アーク放電の抑制に半導体スイッチを用いた際に当該半導体スイッチの劣化時による短絡が発生しても安全を確保することが可能な技術について鋭意検討を行った。その結果、本件開示者は、以下で説明するように、アーク放電の抑制に半導体スイッチを用いた際に当該半導体スイッチの劣化時による短絡が発生しても安全を確保できる技術を考案するに至った。

以上、本開示の一実施形態の背景について説明した。続いて、本開示の実施の形態について詳細に説明する。

［１．２．構成例］
図１は、本開示の一実施形態に係る直流回路を備えた直流電力供給装置の構成例を示す説明図である。図１に示したのは、直流電源から供給される直流電力を負荷に供給することを目的とした直流電力供給装置の構成例である。以下、図１を用いて本開示の一実施形態に係る直流電力供給装置の構成例について説明する。

図１に示した直流電力供給装置は、直流電源２００から供給される直流電力を負荷１０に供給している。直流電源２００は所定の電圧Ｖｓの直流電力を出力する。そして図１に示した直流電力供給装置は、直流電源２００の正極側と負荷１０との間に、直流回路１００を備える。直流回路１００は、直流電源２００からの直流電流を遮断する際にアーク放電の発生を抑制する構成を有している。

直流回路１００は、ＭＯＳＦＥＴ Ｔ１と、コンデンサＣ１と、抵抗Ｒ１と、ダイオードＤ１と、スイッチＳＷ１と、警報ヒューズ１１０と、を含んで構成される。直流回路１００は、直流が流れる経路において並列である主系統と副系統とで電流を流す。スイッチＳＷ１が設けられている系統を主系統とし、ＭＯＳＦＥＴ Ｔ１が設けられている系統を副系統とする。

ＭＯＳＦＥＴ Ｔ１は、本実施形態ではｎ型のＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ） を用いている。コンデンサＣ１は、ＭＯＳＦＥＴ Ｔ１のドレイン端子とゲート端子との間に設けられる。また抵抗Ｒ１は、ＭＯＳＦＥＴ Ｔ１のゲート端子とソース端子との間に設けられる。そしてコンデンサＣ１と抵抗Ｒ１とは直列に接続されている。ＭＯＳＦＥＴ Ｔ１、コンデンサＣ１、抵抗Ｒ１、及びダイオードＤ１からなる回路は、スイッチＳＷ１がオン状態からオフ状態へ切り替わる際に、直流電源２００から負荷１０へ流れる電流を抑制するために設けられる回路である。

直流回路１００の動作について説明する。スイッチＳＷ１の状態がオフ状態になっている場合にＭＯＳＦＥＴ Ｔ１もオフ状態であり、従って直流電源２００から負荷１０に電流は流れない。その後、スイッチＳＷ１が操作されて、スイッチＳＷ１の状態がオン状態に以降すると、直流電源２００から負荷１０に電流が流れるが、この状態ではＭＯＳＦＥＴ Ｔ１は引き続きオフ状態になっており、ＭＯＳＦＥＴ Ｔ１には電流が流れない。

さらにその後、スイッチＳＷ１が操作されて、スイッチＳＷ１の状態がオフ状態になると、直流電源２００から負荷１０に電流が流れなくなる。この際にスイッチＳＷ１がオフ状態になったことによって（スイッチＳＷ１の両端が切り離されたことによって）生じるスイッチＳＷ１の両端の電圧は、コンデンサＣ１を介してＭＯＳＦＥＴ Ｔ１のゲート電圧を誘起させて、ＭＯＳＦＥＴ Ｔ１をオン状態にする。ＭＯＳＦＥＴ Ｔ１がオン状態になると、直流電源２００から負荷１０へ向けて、スイッチＳＷ１の両端の電圧を低下させる方向に電流が流れる。

ＭＯＳＦＥＴ Ｔ１がオン状態になり、直流電源２００から負荷１０へ向けて、スイッチＳＷ１の両端の電圧を低下させる方向に電流が流れることにより、スイッチＳＷ１の両端の電圧が低減される。スイッチＳＷ１の両端の電圧が低減されることによって、スイッチＳＷ１がオフ状態になっても、スイッチＳＷ１はアーク放電の発生に至ることはない。

ＭＯＳＦＥＴ Ｔ１のドレイン端子とソース端子との間の電圧は、ＦＥＴのゲート電圧による伝達関数に沿った電圧に収まる。スイッチＳＷ１がオフ状態になり、スイッチＳＷ１の両端に発生した電圧によってコンデンサＣ１の充電が進むと、ＭＯＳＦＥＴ Ｔ１のゲート電圧が低下し、ＭＯＳＦＥＴ Ｔ１はオフ状態に移行することでＭＯＳＦＥＴ Ｔ１に電流が流れなくなる。

直流回路１００の抵抗Ｒ１に並列に接続されたダイオードＤ１は、スイッチＳＷ１がオフ状態からオン状態に移行した場合に、抵抗Ｒ１を介さずコンデンサＣ１に蓄積された電荷を短時間に放電するために設けられる。

直流回路１００において、ダイオードＤ１が抵抗Ｒ１と並列に設けられることで、例えばスイッチＳＷ１の接続がチャタリングなどの現象を起こしても、直流回路１００の電圧積分機能が短時間で復帰できるようにしている。抵抗Ｒ１は、ＭＯＳＦＥＴ Ｔ１のゲート端子に電圧を供給するが、電圧の供給時間はコンデンサＣ１の容量と抵抗Ｒ１の抵抗値との積の関係で決まる。

警報ヒューズ１１０は、ＭＯＳＦＥＴ Ｔ１が設けられている副系統で過大な電流が流れるとヒューズ部が溶断するとともに、スイッチＳＷ１が設けられている主系統での再通電を防止する機構が設けられているヒューズである。警報ヒューズ１１０の具体的な構成例は後述するが、警報ヒューズ１１０は、例えばヒューズが溶断すると、弾性力などを用いて、上記主系統での再通電を防止する機構を備えている。

図１に示した直流回路１００において、正常な状態、すなわち、スイッチＳＷ１がオン状態からオフ状態に切り替わり、ＭＯＳＦＥＴ Ｔ１がオン状態となってから、警報ヒューズ１１０の定格通電時間（溶断するまでの時間）より短い時間でＭＯＳＦＥＴ Ｔ１がオフ状態になれば、警報ヒューズ１１０は溶断することはない。

しかし、異常な状態、すなわちＭＯＳＦＥＴ Ｔ１が故障するなどして、スイッチＳＷ１がオン状態からオフ状態に切り替わり、ＭＯＳＦＥＴ Ｔ１がオン状態となってから、警報ヒューズ１１０の溶断時間より短い時間でＭＯＳＦＥＴ Ｔ１がオフ状態にならなければ、警報ヒューズ１１０のヒューズ部に電流が流れ続け、警報ヒューズ１１０が溶断する。図２は、直流回路１００における警報ヒューズ１１０が溶断している状態を示す説明図である。

そして警報ヒューズ１１０が溶断すると、スイッチＳＷ１が設けられている主系統において警報ヒューズ１１０のスイッチ部がオフ状態となる。警報ヒューズ１１０のスイッチ部がオフ状態となると、仮にスイッチＳＷ１がオン状態となっても、直流電源２００から直流電力が負荷に供給されることがなくなる。従って、本開示の一実施形態に係る直流回路１００は、異常な状態が発生した場合に、スイッチＳＷ１の操作による再通電を防ぎ、安全な方向へ故障することが可能となる。

図３は、警報ヒューズ１１０に流れる電流の時間変化をグラフで示す説明図である。図３には、直流回路１００が正常な状態における、警報ヒューズ１１０に流れる電流Ｉ１の時間変化と、直流回路１００が異常な状態における、警報ヒューズ１１０に流れる電流Ｉ２の時間変化と、が示されている。

直流回路１００が正常な状態では、定格電流を上回る電流が流れても、警報ヒューズ１１０の定格通電時間（溶断するまでの時間）より短い時間で電流Ｉ１が低下する。従って直流回路１００が正常な状態では警報ヒューズ１１０は溶断しない。しかし、直流回路１００が異常な状態では、ＭＯＳＦＥＴ Ｔ１がオフ状態にならず電流が流れ続け、定格通電時間を超えて定格電流を上回る電流が流れると、最終的に警報ヒューズ１１０が溶断してようやく電流Ｉ２が低下する。

すなわち直流回路１００は、定格電流を上回る電流が流れても定格通電時間より短い時間であれば警報ヒューズ１１０は溶断しないことを利用して、スイッチＳＷ１がオン状態からオフ状態に切り替わってもスイッチＳＷ１のアーク放電の発生を抑えることができる。また、直流回路１００は、ＭＯＳＦＥＴ Ｔ１が故障するなどして正常な状態では無くなった場合に、警報ヒューズ１１０ヒューズ部の溶断によって直流電源２００からの主系統及び副系統での再通電を抑止することができる。

以上、本開示の一実施形態に係る直流電力供給装置の構成例について説明した。続いて本開示の一実施形態に係る直流電力供給装置の別の構成例について説明する。

図４は、本開示の一実施形態に係る直流電力供給装置の別の構成例を示す説明図である。図４に示したのは、プラグ受けにプラグが挿入された機器へ直流電力を供給することを目的とした直流電力供給装置の構成例である。

図４に示した直流電力供給装置は、プラグ受けからプラグが抜去される際にプラグ受け２０とプラグ１１との間でアーク放電の発生を抑制する直流回路１００を備えた装置である。なお図４には図示していないが、図１、図２と同様に、直流電力を供給する直流電源が設けられていても良い。

プラグ１１がプラグ受け２０に完全に挿入され、正極側端子１１ａが接触子２０ａと接触子２０ｂとの両方に接触して接触子２０ａと接触子２０ｂとがショートされた状態では、ＭＯＳＦＥＴ Ｔ１に電流が流れない。プラグ１１がプラグ受け２０から抜去され始めると、ＭＯＳＦＥＴ Ｔ１の両端は正極側端子１１ａによりショートされているため、ＭＯＳＦＥＴ Ｔ１もオフ状態にある。

その後、さらにプラグ１１がプラグ受け２０から抜去され続け、正極側端子１１ａが接触子２０ａに接触しなくなり、接触子２０ｂだけに接触するようになると、正極側端子１１ａと接触子２０ａとの接触点の一部に電流集中が発生し、その電流集中による電圧が接触子２０ａと接触子２０ｂとの間に発生する。

接触子２０ａと接触子２０ｂとの間に発生した電圧はコンデンサＣ１を介してＭＯＳＦＥＴ Ｔ１のゲート電圧を誘起させて、ＭＯＳＦＥＴ Ｔ１をオン状態にする。ＭＯＳＦＥＴ Ｔ１がオン状態になると、接触子２０ａと接触子２０ｂとの間の電圧を低下させる方向に電流が流れる。

ＭＯＳＦＥＴ Ｔ１がオン状態になり、接触子２０ａと接触子２０ｂとの間の電圧を低下させる方向に電流が流れることにより、正極側端子１１ａと接触子２０ａとの電位差が低減される。正極側端子１１ａと接触子２０ａとの電位差が低減されることによって、正極側端子１１ａが接触子２０ａから離れてもアーク放電の発生に至ることはない。

ＭＯＳＦＥＴ Ｔ１のドレイン端子とソース端子との間の電圧は、ＦＥＴのゲート電圧による伝達関数に沿った電圧に収まる。正極側端子１１ａが接触子２０ａから離れてから、接触子２０ａと接触子２０ｂとの間で発生した電圧によってコンデンサＣ１の充電が進むと、ＭＯＳＦＥＴ Ｔ１のゲート電圧が低下し、ＭＯＳＦＥＴ Ｔ１はオフ状態に移行することでＭＯＳＦＥＴ Ｔ１に電流が流れなくなる。

図４に示した直流回路１００は、ＭＯＳＦＥＴ Ｔ１がオフ状態に移行した後に正極側端子１１ａが接触子２０ｂから離れても、ＭＯＳＦＥＴ Ｔ１に電流が流れていないので、アーク放電の発生に至ることはない。

直流回路１００の抵抗Ｒ１に並列に接続されたダイオードＤ１は、正極側端子１１ａが接触子２０ａと接触子２０ｂとの両方に接触して接触子２０ａと接触子２０ｂとがショートされた場合に、抵抗Ｒ１を介さずコンデンサＣ１に蓄積された電荷を短時間に放電するために設けられる。

直流回路１００において、ダイオードＤ１が抵抗Ｒ１と並列に設けられることで、例えば接触子２０ａと接触子２０ｂとの接続がチャタリングなどの現象を起こしても、直流回路１００の電圧積分機能が短時間で復帰できるようにしている。抵抗Ｒ１は、ＭＯＳＦＥＴ Ｔ１のゲート端子に電圧を供給するが、電圧の供給時間はコンデンサＣ１の容量と抵抗Ｒ１の抵抗値との積の関係で決まる。

図５は、本開示の一実施形態に係る直流電力供給装置の別の構成例を示す説明図である。図５に示したのは、直流電源から供給される直流電力を負荷に供給することを目的とした直流電力供給装置の構成例である。

図５に示した直流電力供給装置は、直流電力の供給と遮断との切り替えにリレー３０を用いたものである。リレー３０は、図示しない電源からの電流により発生させた電磁力に応じてスイッチの切り替えを行う。リレー３０がスイッチを切り替えることで図５に示した直流電力供給装置は直流電力の供給と遮断とが切り替えられる。なお図５には図示していないが、図１、図２と同様に、直流電力を供給する直流電源が設けられていても良い。

図５に示したように、直流電力の供給と遮断との切り替えにリレー３０を用いた場合であっても、直流電力供給装置は、直流回路１００を設けることによって、異常な状態が発生した場合に、スイッチＳＷ１の操作による再通電を防ぎ、安全な方向へ故障することができる。

図６は、ヒューズの溶断特性の例をグラフで示す説明図である。図６に示したように、ヒューズは短時間の通電では、定格より多くの電流が流れても溶断しない。例えば、１０Ａヒューズは通常の使用では１２Ａ以上の電流が流れ続けると溶断するが、図６に示したように、０．１秒以下であれば３５Ａ流れても溶断しない。

図７は、警報ヒューズ１１０の構造例を示す説明図である。図７に示したように、警報ヒューズ１１０は、ヒューズ１１１と、保持線１１２と、妨害機構１１３と、警報接点１１４と、バネ１１５と、を含んで構成される。図７に示したのは、ヒューズ１１１が溶断していない状態を示したものである。図７に示したＥ１、Ｅ２は、直流回路１００における主系統に電流を流す導体であり、Ｆ１、Ｆ２は、直流回路１００における副系統に電流を流す導体である。

図７に示したように、導体Ｆ１、Ｆ２に流れる電流によってヒューズ１１１が溶断していない状態では、図７に示した導体Ｅ１、Ｅ２が保持線１１２の張力により警報接点１１４によって接続されている。従って、ヒューズ１１１が溶断していない状態では、警報ヒューズ１１０は主系統に電流を流すことができる。

図８は、図７に示した警報ヒューズ１１０のヒューズ１１１が溶断した状態を示す説明図である。図８に示したように、ヒューズ１１１が溶断すると保持線１１２の張力が失われ、バネ１１５の力により警報接点１１４が導体Ｅ２から解離し、導体Ｅ１、Ｅ２の接続が無くなる。従って、ヒューズ１１１が溶断した状態では、警報ヒューズ１１０は主系統に電流を流さないようにすることができる。

またヒューズ１１１が溶断すると、図８に示したように、妨害機構１１３が警報ヒューズ１１０から飛び出す。この妨害機構１１３は、スイッチＳＷ１と連携したスライドバー１２１の下降を妨害する。従って、ヒューズ１１１が溶断した状態では、警報ヒューズ１１０は主系統に電流を流さないようにするだけでなく、スイッチＳＷ１をオフ状態のままロックさせることができる。

ここまで示してきた直流回路１００は、アーク放電の発生を抑制するために、ＭＯＳＦＥＴとコンデンサとを組み合わせた構成を有していた。アーク放電の発生を抑制する構成は係る例に限定されるものではない。以下の説明では、アーク放電の発生を抑制するために、ソリッドステートリレー（ＳＳＲ、半導体リレー）に機械式リレーを並列に接続した構成を有する直流回路に警報ヒューズを設けた場合について説明する。

図９は、本開示の一実施形態に係る直流回路の別の構成例を示す説明図である。図９に示したのは、ソリッドステートリレー（ＳＳＲ、半導体リレー）に機械式リレーを組み合わせて、機械式リレーのオン、オフによって直流電力の供給と遮断とを切り替えることを目的とした直流回路１００の構成例である。

図９に示した直流回路１００は、ＳＳＲ１３０と、機械式リレーＲＹ１と、ダイオードＤ１１、Ｄ１２、Ｄ１３と、コンデンサＣ１１、Ｃ１２と、抵抗Ｒ１１と、を備える。直流回路１００は、直流が流れる経路において並列である主系統と副系統とで電流を流す。ＳＳＲ１３０が設けられている系統を主系統とし、機械式リレーＲＹ１が設けられている系統を副系統とする。

機械式リレーＲＹ１は、端子Ｖ＋から端子Ｖ−へ流れる電流によって発生する電磁力を用いて接点を切り替えるよう動作する。機械式リレーＲＹ１は、端子Ｖ＋から端子Ｖ−へ電流が流れていない場合は接点１ｂと接続し、端子Ｖ＋から端子Ｖ−へ電流が流れている場合は電磁力を用いて接点１ａと接続する。なお図９には図示していないが、図１、図２と同様に、端子Ｖ＋へ直流電力を供給する直流電源が設けられていても良い。

ＳＳＲ１３０は、端子Ａから端子Ｂへの電力供給経路上に設けられている。本実施形態では、ＳＳＲ１３０は、制御端子にハイ状態の電圧が印加されるとオン状態になり、制御端子にロー状態の電圧が印加されるとオフ状態となるように構成されている。

端子Ｖ＋から端子Ｖ−へ電流が流れていない場合は、機械式リレーＲＹ１に電流が流れていないので、機械式リレーＲＹ１は接点１ｂと接続している。従って機械式リレーＲＹ１の接点１ｂはクローズ状態であり、接点１ａはオープン状態である。

その後、端子Ｖ＋に電圧が印加されて端子Ｖ＋から端子Ｖ−へ電流が流れると、機械式リレーＲＹ１は徐々に電磁力を発生させる。機械式リレーＲＹ１が発生させた電磁力がある程度まで達すると、機械式リレーＲＹ１は接点１ｂとの接続を解除する。

さらに電磁力が上昇すると、機械式リレーＲＹ１は接点１ａと接続するが、その接点１ａとの接続の際にはチャタリングが生じる。また端子Ｖ＋に電圧が印加されると、その電圧がＳＳＲ１３０の制御端子に印加される、ＳＳＲ１３０はオン状態になる。そして端子Ｖ＋から端子Ｖ−へ電流が流れると、ダイオードＤ１を通じてコンデンサＣ１に電荷が蓄積される。

さらにその後、端子Ｖ＋に電圧が印加されなくなり、端子Ｖ＋から端子Ｖ−へ電流が流れなくなると、機械式リレーＲＹ１は徐々に電磁力を減少させる。機械式リレーＲＹ１が発生させた電磁力が減少を始めると、機械式リレーＲＹ１は接点１ａとの接続を解除する。さらに電磁力が減少すると、機械式リレーＲＹ１は接点１ｂと接続するが、その接点１ｂとの接続の際にはチャタリングが生じる。

この際、コンデンサＣ１１は、機械式リレーＲＹ１は接点１ｂと接続するまでの間、ＳＳＲ１３０をオン状態とさせるだけの電力を蓄積できることが望ましい。またこの際、ダイオードＤ１２が逆バイアスから解放されて導通し、コンデンサＣ１２が機械式リレーＲＹ１のコイルを通して動作する。

すなわち、コンデンサＣ１２は、機械式リレーＲＹ１が接点１ｂと接続する際のチャタリングを吸収する。またコンデンサＣ１２は、ダイオードＤ１３を通してコンデンサＣ１１の放電回路も形成するとともに機械式リレーＲＹ１のサージを吸収させている。

従って図９に示した直流回路１００は、端子Ｖ＋から端子Ｖ−へ電流が流れなくなり、機械式リレーＲＹ１が接点１ａとの接続を解除してもアークの発生を抑え、サージを吸収することが出来る。また図９に示した直流回路１００は、端子の数を４つにして、一般的なリレーと同じような接続を可能にしたことで、既存のリレーから置き換えて使用することができる。

図９に示した直流回路１００は、警報ヒューズ１１０を備えている。ＳＳＲ１３０の半導体スイッチが故障して正常にオフ状態に移行しなくなると、端子Ａから流れる電流によっていずれ警報ヒューズ１１０が溶断する。警報ヒューズ１１０が溶断すると、機械式リレーＲＹ１の接点１ａ側の経路上の、警報ヒューズ１１０のスイッチがオフ状態となる。

機械式リレーＲＹ１の接点１ａ側の経路上の、警報ヒューズ１１０のスイッチがオフ状態となると、機械式リレーＲＹ１が接点１ａ側に接続したとしても電流は端子Ａから端子Ｂへ流れることはなくなる。従って、図９に示した直流回路１００は、ＳＳＲ１３０の半導体スイッチが故障するなどして正常にオフ状態に移行しなくなったとしても、機械式リレーＲＹ１による再通電を抑止することができる。

図１０は、本開示の一実施形態に係る直流回路の別の構成例を示す説明図である。図１０に示したのは、ＳＳＲに機械式リレーを組み合わせて、機械式リレーのオン、オフによって直流電力の供給と遮断とを切り替えることを目的とした直流回路１００の構成例である。なお図１０には図示していないが、図１、図２と同様に、端子Ｖ＋へ直流電力を供給する直流電源が設けられていても良い。

図１０に示した直流回路１００は、図９に示した直流回路１００と同様に警報ヒューズ１１０を備えているが、図１０の警報ヒューズ１１０は、ＳＳＲ１３０の半導体スイッチが故障して正常にオフ状態に移行しなくなると、端子Ｖ＋から端子Ｖ−への経路上に設けられるスイッチがオフ状態となる。従って、図１０に示した直流回路１００は、ＳＳＲ１３０の半導体スイッチが故障するなどして正常にオフ状態に移行しなくなったとしても、機械式リレーＲＹ１による再通電を抑止することができる。

図１０に示した直流回路１００は、警報ヒューズ１１０が溶断すると機械式リレーＲＹ１が動作しなくなる。図１０に示した直流回路１００は、異常発生時には機械式リレーＲＹ１が動作しなくなることで、故障の発見をより容易にさせる効果が期待できる。

図１１は、本開示の一実施形態に係る直流回路の別の構成例を示す説明図である。図１１に示したのは、ＳＳＲに機械式リレーを組み合わせて、機械式リレーのオン、オフによって直流電力の供給と遮断とを切り替えることを目的とした直流回路１００の構成例である。なお図１１には図示していないが、図１、図２と同様に、端子Ａへ直流電力を供給する直流電源が設けられていても良い。

図１１は、端子ＡとＳＳＲ１３０との間にヒューズ１１０’を配置し、ヒューズ１１０’とＳＳＲ１３０との間から機械式リレーＲＹ１を駆動させる電源を供給する構成を有する直流回路１００を示したものである。

図１１に示した直流回路１００は、ＳＳＲ１３０の半導体スイッチが故障して正常にオフ状態に移行しなくなると、端子Ａから流れる電流によっていずれヒューズ１１０’が溶断する。ヒューズ１１０’が溶断すると、機械式リレーＲＹ１へ電流が流れなくなり、機械式リレーＲＹ１が動作しなくなる。図１１に示した直流回路１００は、異常発生時には機械式リレーＲＹ１が動作しなくなることで、故障の発見をより容易にさせる効果が期待できる。

図１２は、図９〜図１１に示した直流回路１００において、ヒューズに流れる電流の時間変化の例を示す説明図である。図１２には、直流回路１００が正常な状態におけるヒューズに流れる電流Ｉ３の時間変化と、直流回路１００が異常な状態における、ヒューズ１１０に流れる電流Ｉ４の時間変化と、が示されている。

ＳＳＲ１３０の半導体スイッチが正常に動作している場合は、図１２に示したように、パルス状の電流Ｉ３がヒューズに流れる。しかし、ＳＳＲ１３０の半導体スイッチが故障等の理由によって正常に動作しなくなった場合は、図１２に示したような電流Ｉ４が流れ、最終的に１１０が溶断して電流Ｉ４が低下する。

図１３は、直流回路１００を備えた移動体４０の機能構成例を示す説明図である。移動体４０は、例えば、ガソリン車のようにガソリンを動力源とする移動体であってもよく、電気自動車、ハイブリッド車、電気オートバイ等の、充放電可能なバッテリを主な動力源とする移動体であってもよい。図１３には、移動体４０に、バッテリ２１０と、バッテリから供給される電力により駆動する駆動部２２０と、が備えられた場合の例が示されている。駆動部２２０には、例えばワイパー、パワーウィンドウ、ライト、カーナビゲーションシステム、エアーコンディショナのような車両に備えられる装備品や、モーター等の移動体４０を駆動させる装置などが含まれうる。

そして図１３に示した移動体４０には、バッテリ２１０から駆動部２２０へ直流電力が供給される経路の途中に、直流回路１００が設けられている。図１３に示した移動体４０は、バッテリ２１０から駆動部２２０へ直流電力が供給される経路上に、直流回路１００が設けられることで、例えばバッテリ２１０を一時着脱させる際等にアーク放電の発生を抑えることが出来る。

なお図１３には、直流回路１００が１つだけ備えられている移動体４０の例を示したが、本開示は係る例に限定されるものではない。すなわち、直流回路１００は直流電力が供給される経路の途中に複数設けられても良い。また直流回路１００は、バッテリ２１０から駆動部２２０へ直流電力が供給される経路の途中だけでなく、他の場所、例えばバッテリ２１０を直流電力で充電する際の経路の途中に設けられても良い。移動体４０は、バッテリ２１０を直流電力で充電する際の経路の途中に直流回路１００を設けることで、安全にバッテリ２１０を直流電力で充電することができる。

＜２．まとめ＞
以上説明したように本開示の実施の形態によれば、直流電力の切断時に電極間で生じる電圧を抑制することで、直流電力供給時の電力効率を低下させずに直流電力の切断時にアーク放電の発生を小規模の構成で抑制することが可能な直流回路１００が提供される。

本開示の実施の形態に係る直流回路１００は、半導体スイッチを用いて直流電力の遮断時にアーク放電の発生を抑制するが、半導体スイッチが故障するなどして正常に動作しなくなった場合に溶断するとともに、再通電を抑止する機構を備えたヒューズを設けている。上述したような構成により、本開示の実施の形態に係る直流回路１００や、直流回路１００を備えた直流電力供給装置は、アーク放電の抑制に半導体スイッチを用いた際に当該半導体スイッチの劣化時による短絡が発生しても安全を確保することが可能となる。

以上、添付図面を参照しながら本開示の好適な実施形態について詳細に説明したが、本開示の技術的範囲はかかる例に限定されない。本開示の技術分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。

また、本明細書に記載された効果は、あくまで説明的または例示的なものであって限定的ではない。つまり、本開示に係る技術は、上記の効果とともに、または上記の効果に代えて、本明細書の記載から当業者には明らかな他の効果を奏しうる。

なお、以下のような構成も本開示の技術的範囲に属する。
（１）
直流が流れる経路において並列に設けられる第１の電流経路及び第２の電流経路と、
前記第１の電流経路上に設けられる半導体スイッチを用いて前記第２の電流経路における直流の遮断時にアークの発生を抑制する回路と、
を備え、
前記第１の電流経路上には少なくともヒューズを備え、
前記ヒューズが溶断すると前記第２の電流経路による直流の供給を停止し、
前記ヒューズは、前記回路の定格通電時間及び定格通電電流では溶断しない定格を有する、直流回路。
（２）
前記第２の電流経路上に、該第２の電流経路による直流の供給と遮断とを切り替える機械的スイッチを備え、
前記ヒューズが溶断すると前記機械的スイッチによる直流電力の供給を抑止する抑止機構を含む、前記（１）に記載の直流回路。
（３）
前記回路は、前記第１の電流経路を流れる直流の量を抑制する回路である、前記（１）または（２）に記載の直流回路。
（４）
前記回路は、
前記第１の電流経路上に設けられ、前記第２の電流経路で直流が供給されなくなった時点でオン状態になってソース側へ流れる電流を減少させるスイッチング素子と、
前記第１の電流経路で直流が供給されなくなった時点で充電が開始され、前記第２の電流経路で直流が供給されなくなった後に前記スイッチング素子のゲート電圧を上昇させる容量素子と、
前記スイッチング素子のゲート端子に電圧を印加する時間を、前記容量素子と共に設定する抵抗素子と、
を備える、前記（３）に記載の直流回路。
（５）
前記回路は、
前記第１の電流経路上に設けられ、直流電源からの直流電流の供給及び遮断を切り替える半導体リレーと、
前記第２の電流経路上に設けられ、前記半導体リレーと並列に接続されて前記直流電源からの直流電流の供給及び遮断を切り替える機械式リレーと、
を備え、
前記機械式リレーによる直流の遮断時に該機械式リレーのチャタリングを抑制する回路である、前記（１）に記載の直流出力回路。
（６）
前記回路は、前記機械式リレーと並列に接続されるとともに前記半導体リレーの制御端子に一端が接続されるコンデンサをさらに備え、
前記半導体リレーは、前記機械式リレーがオフ状態からオン状態に切り替わる前に前記制御端子にハイ状態の電圧が印加されることでオン状態になり、前記機械式リレーがオン状態からオフ状態に切り替わった後で前記制御端子にロー状態の電圧が印加されることでオフ状態となり、
前記コンデンサは、前記機械式リレーがオン状態になっている間に蓄電し、前記機械式リレーがオフ状態に切り替わった後に前記半導体リレーをオン状態に維持するための電流を出力する、前記（５）に記載の直流回路。
（７）
直流電力を供給する直流電源と、
直流が流れる経路において並列に設けられる第１の電流経路及び第２の電流経路と、
前記第１の電流経路上に設けられる半導体スイッチを用いて前記第２の電流経路における直流の遮断時にアークの発生を抑制する回路と、
を備え、
前記第１の電流経路上には少なくともヒューズを備え、
前記ヒューズが溶断すると前記第２の電流経路による直流の供給を停止し、
前記ヒューズは、前記回路の定格通電時間及び定格通電電流では溶断しない定格を有する、直流電力供給装置。
（８）
前記第２の電流経路上に、該第２の電流経路による直流の供給と遮断とを切り替える機械的スイッチを備え、
前記ヒューズが溶断すると前記機械的スイッチによる直流電力の供給を抑止する抑止機構を含む、前記（７）に記載の直流電力供給装置。
（９）
前記回路は、前記第１の電流経路を流れる直流の量を抑制する回路である、前記（７）または（８）に記載の直流電力供給装置。
（１０）
前記回路は、
前記第１の電流経路上に設けられ、前記第２の電流経路で直流が供給されなくなった時点でオン状態になってソース側へ流れる電流を減少させるスイッチング素子と、
前記第１の電流経路で直流が供給されなくなった時点で充電が開始され、前記第２の電流経路で直流が供給されなくなった後に前記スイッチング素子のゲート電圧を上昇させる容量素子と、
前記スイッチング素子のゲート端子に電圧を印加する時間を、前記容量素子と共に設定する抵抗素子と、
を備える、前記（９）に記載の直流電力供給装置。
（１１）
前記回路は、
前記第１の電流経路上に設けられ、直流電力の供給及び遮断を切り替える半導体リレーと、
前記第２の電流経路上に設けられ、前記半導体リレーと並列に接続されて前記電源からの電力の供給及び遮断を切り替える機械式リレーと、
を備え、
前記機械式リレーによる直流の遮断時に該機械式リレーのチャタリングを抑制する回路である、前記（７）に記載の直流電力供給装置。
（１２）
前記回路は、前記機械式リレーと並列に接続されるとともに前記半導体リレーの制御端子に一端が接続されるコンデンサをさらに備え、
前記半導体リレーは、前記機械式リレーがオフ状態からオン状態に切り替わる前に前記制御端子にハイ状態の電圧が印加されることでオン状態になり、前記機械式リレーがオン状態からオフ状態に切り替わった後で前記制御端子にロー状態の電圧が印加されることでオフ状態となり、
前記コンデンサは、前記機械式リレーがオン状態になっている間に蓄電し、前記機械式リレーがオフ状態に切り替わった後に前記半導体リレーをオン状態に維持するための電力を出力する、前記（１１）に記載の直流電力供給装置。
（１３）
前記（１）〜（６）のいずれかに記載の直流回路を備える、移動体。
（１４）
直流電力を供給するバッテリと、
前記バッテリから供給される直流電力による駆動する駆動部と、
前記バッテリと前記駆動部との間に設けられる、少なくとも１つの、前記（１）〜（６）のいずれかに記載の直流回路と、
を備える、電力供給システム。

１ａ ：接点
１ｂ ：接点
１０ ：負荷
１１ ：プラグ
１１ａ ：正極側端子
１１ｂ ：負極側端子
２０ ：プラグ受け
２０ａ ：接触子
２０ｂ ：接触子
３０ ：リレー
１００ ：直流回路
１１０ ：警報ヒューズ
１１０' ：ヒューズ
１１１ ：ヒューズ
１１２ ：保持線
１１３ ：妨害機構
１１４ ：警報接点
１１５ ：バネ
１２１ ：スライドバー
Ｃ１ ：コンデンサ
Ｃ１１ ：コンデンサ
Ｃ１２ ：コンデンサ
Ｄ１ ：ダイオード
Ｄ１１ ：ダイオード
Ｄ１２ ：ダイオード
Ｄ１３ ：ダイオード
Ｄ２ ：ダイオード
Ｅ１ ：導体
Ｅ２ ：導体
Ｆ１ ：導体
Ｆ２ ：導体
Ｒ１ ：抵抗
Ｒ１１ ：抵抗
ＲＹ１ ：機械式リレー
ＳＷ１ ：スイッチ

Claims (14)

1. 直流が流れる経路において並列に設けられる第１の電流経路及び第２の電流経路と、
   前記第１の電流経路上に設けられる半導体スイッチを用いて前記第２の電流経路における直流の遮断時にアークの発生を抑制する回路と、
   を備え、
   前記第１の電流経路上には少なくともヒューズを備え、
   前記ヒューズが溶断すると前記第２の電流経路による直流の供給を停止し、
   前記ヒューズは、前記回路の定格通電時間及び定格通電電流では溶断しない定格を有する、直流回路。
2. 前記第２の電流経路上に、該第２の電流経路による直流の供給と遮断とを切り替える機械的スイッチを備え、
   前記ヒューズが溶断すると前記機械的スイッチによる直流電力の供給を抑止する抑止機構を含む、請求項１に記載の直流回路。
3. 前記回路は、前記第１の電流経路を流れる直流の量を抑制する回路である、請求項１または２に記載の直流回路。
4. 前記回路は、
   前記第１の電流経路上に設けられ、前記第２の電流経路で直流が供給されなくなった時点でオン状態になってソース側へ流れる電流を減少させるスイッチング素子と、
   前記第１の電流経路で直流が供給されなくなった時点で充電が開始され、前記第２の電流経路で直流が供給されなくなった後に前記スイッチング素子のゲート電圧を上昇させる容量素子と、
   前記スイッチング素子のゲート端子に電圧を印加する時間を、前記容量素子と共に設定する抵抗素子と、
   を備える、請求項３に記載の直流回路。
5. 前記回路は、
   前記第１の電流経路上に設けられ、直流電源からの直流電流の供給及び遮断を切り替える半導体リレーと、
   前記第２の電流経路上に設けられ、前記半導体リレーと並列に接続されて前記直流電源からの直流電流の供給及び遮断を切り替える機械式リレーと、
   を備え、
   前記機械式リレーによる直流の遮断時に該機械式リレーのチャタリングを抑制する回路である、請求項１に記載の直流回路。
6. 前記回路は、前記機械式リレーと並列に接続されるとともに前記半導体リレーの制御端子に一端が接続されるコンデンサをさらに備え、
   前記半導体リレーは、前記機械式リレーがオフ状態からオン状態に切り替わる前に前記制御端子にハイ状態の電圧が印加されることでオン状態になり、前記機械式リレーがオン状態からオフ状態に切り替わった後で前記制御端子にロー状態の電圧が印加されることでオフ状態となり、
   前記コンデンサは、前記機械式リレーがオン状態になっている間に蓄電し、前記機械式リレーがオフ状態に切り替わった後に前記半導体リレーをオン状態に維持するための電流を出力する、請求項５に記載の直流回路。
7. 直流による電力を供給する直流電源と、
   直流が流れる経路において並列に設けられる第１の電流経路及び第２の電流経路と、
   前記第１の電流経路上に設けられる半導体スイッチを用いて前記第２の電流経路における直流の遮断時にアークの発生を抑制する回路と、
   を備え、
   前記第１の電流経路上には少なくともヒューズを備え、
   前記ヒューズが溶断すると前記第２の電流経路による直流の供給を停止し、
   前記ヒューズは、前記回路の定格通電時間及び定格通電電流では溶断しない定格を有する、直流電力供給装置。
8. 前記第２の電流経路上に、該第２の電流経路による直流の供給と遮断とを切り替える機械的スイッチを備え、
   前記ヒューズが溶断すると前記機械的スイッチによる直流の供給を抑止する抑止機構を含む、請求項７に記載の直流電力供給装置。
9. 前記回路は、前記第１の電流経路を流れる直流の量を抑制する回路である、請求項７または８に記載の直流電力供給装置。
10. 前記回路は、
    前記第１の電流経路上に設けられ、前記第２の電流経路で直流が供給されなくなった時点でオン状態になってソース側へ流れる電流を減少させるスイッチング素子と、
    前記第１の電流経路で直流が供給されなくなった時点で充電が開始され、前記第２の電流経路で直流が供給されなくなった後に前記スイッチング素子のゲート電圧を上昇させる容量素子と、
    前記スイッチング素子のゲート端子に電圧を印加する時間を、前記容量素子と共に設定する抵抗素子と、
    を備える、請求項９に記載の直流電力供給装置。
11. 前記回路は、
    前記第１の電流経路上に設けられ、前記直流電源からの直流の供給及び遮断を切り替える半導体リレーと、
    前記第２の電流経路上に設けられ、前記半導体リレーと並列に接続されて前記直流電源からの直流の供給及び遮断を切り替える機械式リレーと、
    を備え、
    前記機械式リレーによる直流の遮断時に該機械式リレーのチャタリングを抑制する回路である、請求項７に記載の直流電力供給装置。
12. 前記回路は、前記機械式リレーと並列に接続されるとともに前記半導体リレーの制御端子に一端が接続されるコンデンサをさらに備え、
    前記半導体リレーは、前記機械式リレーがオフ状態からオン状態に切り替わる前に前記制御端子にハイ状態の電圧が印加されることでオン状態になり、前記機械式リレーがオン状態からオフ状態に切り替わった後で前記制御端子にロー状態の電圧が印加されることでオフ状態となり、
    前記コンデンサは、前記機械式リレーがオン状態になっている間に蓄電し、前記機械式リレーがオフ状態に切り替わった後に前記半導体リレーをオン状態に維持するための電力を出力する、請求項１１に記載の直流電力供給装置。
13. 請求項１〜６のいずれかに記載の直流回路を備える、移動体。
14. 直流電力を供給するバッテリと、
    前記バッテリから供給される直流電力による駆動する駆動部と、
    前記バッテリと前記駆動部との間に設けられる、少なくとも１つの、請求項１〜６のいずれかに記載の直流回路と、
    を備える、電力供給システム。

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