JPH0570031U - 光駆動スイッチ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】電圧制御形の半導体スイッチ素子を用いた光駆
動スイッチ装置の遮断動作を速くし、信頼性を向上させ
る。 【構成】ＦＥＴ１０のゲートソース間に起電圧光ダイオ
ードアレイ１４を接続し、トリガ用光供給部１６から起
電圧光ダイオードアレイ１４に光を供給してＦＥＴ１０
をトリガする。光ダイオードアレイ１４の両端にフォト
トランジスタ１５を接続し、トリガ用光供給部１６が光
の供給を停止したときに光供給部１９からフォトトラン
ジスタ１５に光を供給する。これによりフォトトランジ
スタ１５を導通させてＦＥＴ１０のゲートソース間を短
絡し、ノイズによるＦＥＴ１０の再トリガを防止する。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は、ガス絶縁開閉装置等の電力設備において遮断器や断路器等の機器の 操作回路、または制御回路等に用いるのに好適なスイッチ装置に関するものであ る。

【０００２】

【従来の技術】

電力設備に設置されている遮断器や断路器等の機器の操作回路や制御回路への 通電をオンオフするために、遠隔操作されるスイッチ装置が用いられている。こ の種のスイッチ装置において、負荷電流をオンオフするスイッチ素子として、Ｆ ＥＴ（電界効果トランジスタ）やＩＧＢＴ（絶縁ゲート形バイポーラトランジス タ）等の、電圧制御形の半導体スイッチ素子を用いる場合には、スイッチ素子が ノイズにより誤動作するのを防止するとともに、その駆動回路の高絶縁化を図る 必要がある。そのため、光を駆動信号としてスイッチ素子をオンオフ制御するよ うにしたスイッチ装置が提案されている。

【０００３】 例えばＦＥＴを用いたこの種のスイッチ装置では、図５に示したように、スイ ッチ素子としてのＦＥＴ１と、該ＦＥＴのゲート信号入力端子間（ゲートソース 間）に接続された起電圧光ダイオードアレイ２と、発光ダイオード３及び光ファ イバー４を備えたトリガ用光供給部５とを設けて、該光供給部５から起電圧光ダ イオードアレイ２に光を供給することにより、ＦＥＴ１を遠隔制御するようにし ている。尚６はＦＥＴのドレインソース間に存在するダイオードである。

【０００４】 図５に示したスイッチ装置において、発光ダイオード３が光を発生すると、起 電圧光ダイオードアレイ２が電圧を誘起するため、ＦＥＴ１にゲート信号が与え られ、該ＦＥＴ１が導通状態になる。発光ダイオード３の発光を停止させると、 起電圧光ダイオードアレイ２が電圧を誘起しなくなるため、ＦＥＴ１にゲート信 号が与えられなくなり、該ＦＥＴ１が遮断状態になる。

【０００５】

【考案が解決しようとする課題】

上記のスイッチ装置では、スイッチ素子としてのＦＥＴのゲートソース間のイ ンピーダンス及び起電圧光ダイオードアレイの両端間のインピーダンスが高いた め、発光ダイオード３の発光を停止させてＦＥＴを遮断させようとした際にＦＥ Ｔの高速スイッチングにより生じたスパイクノイズＶn 等がＦＥＴのゲート回路 に侵入すると、ＦＥＴが誤トリガされてその遮断動作が遅れるだけでなく、ノイ ズ電圧の波高値が高い場合には、ＦＥＴが破損する恐れがある。ＩＧＢＴ等の他 の電圧制御形の半導体スイッチ素子を用いる場合にもまたったく同様の問題が生 じる。 従ってこの種のスイッチ装置は、電力設備に用いるスイッチ装置としては信頼 性に乏しいという問題があった。

【０００６】 本考案の目的は、スイッチ素子の遮断動作を迅速に行わせるとともに、ノイズ 電圧によるスイッチ素子の破損を防いで信頼性を向上させた光駆動スイッチ装置 を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】

本考案は、負荷への通電をオンオフするように設けられた電圧制御形半導体ス イッチ素子と、スイッチ素子のゲート信号入力端子間に接続されたトリガ用起電 圧光ダイオードアレイと、起電圧光ダイオードアレイに光ファイバーを通して光 を供給するトリガ用光供給部とを備えて、起電圧光ダイオードアレイの両端に生 じる電圧でスイッチ素子をトリガするようにした光駆動スイッチ装置に係わるも のである。

【０００８】 本考案においては、前記の目的を達成するため、スイッチ素子のゲート信号入 力端子間に並列にフォトトランジスタを接続し、トリガ用光供給部が光を供給し ないときに該フォトトランジスタに光を供給するフォトトランジスタ駆動用光供 給部を設ける。

【０００９】 本考案においてはまた、トリガ用起電圧光ダイオードアレイと逆極性の電圧を 誘起する逆バイアス用起電圧光ダイオードアレイをスイッチ素子のゲート信号入 力端子間に接続して、トリガ用光供給部が光を供給しないときに逆バイアス用光 供給部から逆バイアス用起電圧光ダイオードアレイに光を供給するようにしても よい。

【００１０】 更に、スイッチ素子のゲート信号入力端子間に短絡用ＦＥＴのドレインソース 間回路を並列に接続して、短絡用ＦＥＴのゲートソース間に、該短絡用ＦＥＴの ゲート側にカソードを向けた少なくとも１つの逆バイアス用起電圧光ダイオード を接続するようにしてもよい。この場合には、逆バイアス用起電圧光ダイオード にもトリガ用光供給部から光を供給する。

【００１１】

【作用】

上記のように、起電圧光ダイオードアレイの両端にフォトトランジスタを並列 に接続して、トリガ用光供給部が光を供給しないときにフォトトランジスタ駆動 用光供給部からフォトトランジスタに光を供給するようにすると、スイッチ素子 を遮断状態にするときにスイッチ素子のゲート信号入力端子間をフォトトランジ スタを通して短絡することができるため、スイッチ素子の遮断の際に発生するス パイクノイズ等がスイッチ素子のゲート側に侵入しても、該スイッチ素子のゲー ト信号入力端子間に高電圧が印加されることがない。そのためスイッチ素子の遮 断時の誤トリガを防止してその遮断を迅速に行わせることができる上に、スイッ チ素子の破損を防止することができ、信頼性を高めることができる。

【００１２】 またトリガ用起電圧光ダイオードアレイの両端に、該起電圧光ダイオードアレ イと逆極性の電圧を誘起する逆バイアス用起電圧光ダイオードアレイを並列に接 続し、トリガ用光供給部が光を供給しないときに逆バイアス用起電圧光ダイオー ドアレイに光を供給する逆バイアス用光供給部を設けた場合には、スイッチ素子 を遮断状態にするときにそのゲート信号入力端子間が逆バイアスされるため、該 スイッチ素子の遮断時の誤トリガを防止し、そのゲート信号入力端子間に高電圧 が印加されるのを防止して、信頼性を高めることができる。

【００１３】 更に、スイッチ素子のゲート信号入力端子間に短絡用ＦＥＴのドレインソース 間回路を並列に接続するとともに、該短絡用ＦＥＴのゲートソース間に逆バイア ス用起電圧光ダイオードを接続して、トリガ用光供給部から該逆バイアス用起電 圧光ダイオードにも光を供給する構成をとった場合には、トリガ用光供給部が光 の供給を停止してスイッチ素子が遮断しようとしたときに、スイッチ素子のゲー ト回路にノイズ電圧が侵入すると直ちに短絡用ＦＥＴが導通して、スイッチ素子 のゲート信号入力端子間に印加されるノイズ電圧を低下させるため、スイッチ素 子の誤トリガを防止し、該スイッチ素子の破損を防止することができる。

【００１４】

【実施例】

図１は本願第１の考案の実施例を示したものである。同図において１０は遮断 器の操作回路等の図示しない負荷への通電電流をオンオフするスイッチ素子とし てのＦＥＴ、１１は該ＦＥＴ１０のドレインソース間に存在するダイオードであ る。尚このダイオードは外付けしてもよく、場合によっては省略してもよい。

【００１５】 ＦＥＴ１０のゲートソース間には抵抗１２とアノードを該ＦＥＴのソース側に 向けたダイオード１３とが並列に接続されている。ＦＥＴ１０のゲートソース間 にはまた、光が照射された時にアノードカソード間にアノード側が正の電圧を生 じる起電圧光ダイオード１４ａを複数個直列に接続したものからなるトリガ用起 電圧光ダイオードアレイ１４と、フォトトランジスタ１５のコレクタエミッタ間 回路とが並列に接続されている。

【００１６】 尚起電圧光ダイオードは、光が照射されたときにその両端にアノードが正極性 の電圧を発生するダイオードで、フォトボルタイクジェネレータ（Photo voltai c generator ）とも呼ばれる。この種のダイオードとしては例えば、米国のＤＩ ＯＮＩＣＳ社から販売されているものを使用することができる。

【００１７】 １６はトリガ用光供給部で、投入指令が与えられたときに発光する発光ダイオ ード１７と、該発光ダイオードが発生する光を光ダイオードアレイ１４に供給す る光ファイバ１８とを備えている。

【００１８】 １９は、トリガ用光供給部１６が光を供給しないときにフォトトランジスタ１ ５に光を供給するフォトトランジスタ駆動用光供給部で、発光ダイオード１７が 発光を停止したときに発光する発光ダイオード２０と、該発光ダイオード２０が 発生する光をフォトトランジスタ１５に供給する光ファイバ２１とを備えている 。発光ダイオード１７及び２０はＦＥＴ１０が接続される操作回路や制御回路か らは離れた箇所に設置された操作盤等に設けられている。

【００１９】 上記の実施例においては、ＦＥＴ１０を導通状態に保つ期間、図２（Ｄ）に示 すような電圧Ｖd1が発光ダイオード１７に印加され、この電圧Ｖd1が印加されて いる間発光ダイオード１７が発光する。また発光ダイオード２０には、図２（Ｅ ）に示すように、電圧Ｖd1を反転させた波形の電圧Ｖd2が印加され、この電圧Ｖ d2が印加されている間発光ダイオード２０が発光する。即ち、発光ダイオード１ ７が発光している間は、発光ダイオード２０が発光を停止しており、発光ダイオ ード１７が発光を停止している間は発光ダイオード２０が発光する。

【００２０】 発光ダイオード１７が発光すると、光ファイバ１８を通して起電圧光ダイオー ドアレイ１４に光が供給されるため、該起電圧光ダイオードアレイが電圧Ｖg'（ 図２Ｂ）を発生し、該電圧がＦＥＴ１０のゲートソース間にトリガ信号Ｖg （図 ２Ａ）として印加される。このトリガ信号Ｖg が与えられている間ＦＥＴ１０が 導通し、図示しない負荷に電流が供給される。

【００２１】 ＦＥＴ１０を遮断状態にするために発光ダイオード１７の発光を停止させると 、起電圧光ダイオードアレイ１４が電圧Ｖg'の発生を停止するため、ＦＥＴ１０ が遮断状態になる。また発光ダイオード１７が発光を停止すると同時に発光ダイ オード２０が発光するため、フォトトランジスタ１５に光が供給される。これに よりフォトトランジスタ１５が導通してＦＥＴ１０のゲートソース間を実質的に 短絡する。図２（Ｃ）はフォトトランジスタ１５のコレクタエミッタ間電圧Ｖc を示している。

【００２２】 上記のように、ＦＥＴ１０が遮断する際にフォトトランジスタ１５が導通して ＦＥＴ１０のゲートカソード間を実質的に短絡するため、ＦＥＴ１０の遮断によ り生じたスパイクノイズがＦＥＴ１０のゲート回路に侵入しても、該ノイズによ りＦＥＴが再トリガされることはなく、ＦＥＴは速やかに遮断状態に転ずる。ま たＦＥＴのゲートソース間が短絡されるため、ノイズの侵入時にＦＥＴのゲート ソース間に高い電圧が印加されるのを防ぐことができ、ノイズによりＦＥＴが破 損する恐れをなくすことができる。

【００２３】 図３は本願第２の考案の実施例を示したもので、この実施例では、トリガ用起 電圧光ダイオードアレイと逆極性の電圧を誘起する逆バイアス用起電圧光ダイオ ードアレイ２２がＦＥＴ１０のゲートソース間に接続されている。また、発光ダ イオード２３と光ファイバ２４とを備えて、トリガ用光供給部１６が光を供給し ないときに逆バイアス用起電圧光ダイオードアレイ２２に光を供給する逆バイア ス用光供給部２５が設けられている。その他の点は図１の実施例と同様である。 図３に示した実施例では、ＦＥＴ１０を遮断状態にするときに、逆バイアス用 起電圧光ダイオードアレイ２２が電圧を発生してＦＥＴ１０のゲートソース間を 逆バイアスするため、ＦＥＴ１０の遮断時のノイズによる誤トリガを防止し、該 ＦＥＴのゲートソース間に高電圧が印加されるのを防止して、信頼性を高めるこ とができる。

【００２４】 図４は本願第３の考案の実施例を示したもので、この実施例では、スイッチ素 子としてのＦＥＴ１０のゲートソース間に短絡用ＦＥＴ３０のドレインソース間 回路が並列に接続され、短絡用ＦＥＴ３０のゲートソース間に、該短絡用ＦＥＴ のゲート側にカソードを向けた１つの逆バイアス用起電圧光ダイオード１４ａ´ が接続されている。この実施例では、逆バイアス用起電圧光ダイオード１４ａ´ にもトリガ用光供給部１６から光が供給される。

【００２５】 図４の実施例において、トリガ用光供給部１６が光を供給しているときには、 起電圧光ダイオード１４ａ´の両端に発生する電圧により短絡用ＦＥＴ３０のゲ ートソース間が逆バイアスされるため、該ＦＥＴ３０が遮断状態に保持される。 従って短絡用ＦＥＴ３０はスイッチ用ＦＥＴ１０の導通を何等妨げない。

【００２６】 トリガ用光供給部１６が光の供給を停止したときには、逆バイアス用起電圧光 ダイオード１４ａ´が電圧の発生を停止するため、ＦＥＴ３０のゲートソース間 の逆バイアスが解除され、該ＦＥＴ３０はそのドレインソース間に電圧が印加さ れると直ちに導通する状態になる。従ってＦＥＴ１０が遮断したときに、該ＦＥ Ｔのゲート回路にノイズ電圧が侵入すると直ちに短絡用ＦＥＴ３０が導通して、 ＦＥＴ１０のゲートソース間に印加されるノイズ電圧を低下させる。そのため、 ＦＥＴ１０の再トリガを防止して該ＦＥＴ１０の遮断動作を速やかに行わせるこ とができるだげてなく、該ＦＥＴ１０の破損を防止することができる。

【００２７】 図４の実施例では、短絡用ＦＥＴ３０のゲートソース間に逆バイアス用起電圧 光ダイオード１４ａ´が１つだけ接続されているが、必要に応じて、ＦＥＴ３０ のゲートソース間に複数の逆バイアス用起電圧光ダイオードを直列に接続するよ うにしてもよい。

【００２８】 上記の実施例では、スイッチ素子としてＦＥＴを用いているが、ＩＧＢＴ等の 他の電圧制御形の半導体スイッチ素子を用いる場合にも本考案を適用することが できる。

【００２９】

【考案の効果】

以上のように、本願第１の考案によれば、起電圧光ダイオードアレイの両端に フォトトランジスタを並列に接続して、トリガ用光供給部が光を供給しないとき にフォトトランジスタ駆動用光供給部からフォトトランジスタに光を供給するよ うにしたので、スイッチ素子を遮断状態にするときにそのゲート信号入力端子間 をフォトトランジスタを通して実質的に短絡することができる。従ってスイッチ 素子の遮断の際にそのゲート側にノイズが侵入しても、該スイッチ素子のゲート 信号入力端子間に高電圧が印加されることがなく、スイッチ素子の遮断時の誤ト リガを防止してその遮断を迅速に行わせることができる。またスイッチ素子の遮 断時にそのゲートソース間が短絡されるため、スイッチ素子の破損を防止するこ とができる。

【００３０】 また本願第２の考案によれば、トリガ用起電圧光ダイオードアレイの両端に、 該起電圧光ダイオードアレイと逆極性の電圧を誘起する逆バイアス用光ダイオー ドアレイを並列に接続して、トリガ用光供給部が光を供給しないときに逆バイア ス用起電圧ダイオードアレイに光を供給する逆バイアス用光供給部を設けたので 、スイッチ素子を遮断状態にするときにそのゲート信号入力端子間を逆バイアス して該スイッチ素子の遮断時の誤トリガを防止するとともに、該スイッチ素子の ゲート信号入力端子間に高電圧が印加されてＦＥＴが破損されるのを防止するこ とができる。

【００３１】 更に、本願第３の考案によれば、スイッチ素子のゲート信号入力端子間に短絡 用ＦＥＴのドレインソース間回路を並列に接続するとともに、該短絡用ＦＥＴの ゲートソース間に逆バイアス用起電圧光ダイオードを接続して、トリガ用光供給 部から該逆バイアス用起電圧光ダイオードにも光を供給するようにしたので、ス イッチ素子の遮断時にそのゲート回路にノイズ電圧が侵入したときに、短絡用Ｆ ＥＴを導通させてスイッチ用ＦＥＴのゲートソース間に印加されるノイズ電圧を 低下させることができ、スイッチ素子の誤トリガと該スイッチ素子の破損とを防 止することができる。

【００３２】 上記のように、本考案によれば、電圧制御形のスイッチ素子を光により駆動す ることにより高耐ノイズ性と高絶縁性とを得ることができるだけでなく、スイッ チ素子の遮断時に該スイッチ素子がノイズにより再トリガされるのを防いでその 遮断を迅速に行わせるとともに、ノイズによるスイッチ素子の破損を防止して信 頼性を高めることができるため、電圧制御形の半導体スイッチ素子を用いて、電 力設備の操作回路や制御回路にも適用可能なスイッチ装置を得ることができる利 点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本願第１の考案の実施例の構成を概略的に示し
た回路図である。

【図２】図１の各部の信号波形を示した波形図である。

【図３】本願第２の考案の実施例の構成を概略的に示し
た回路図である。

【図４】本願第３の考案の実施例の構成を概略的に示し
た回路図である。

【図５】従来のスイッチ装置の構成を概略的示した回路
図である。

【符号の説明】

１０…スイッチ素子としてのＦＥＴ、１４…トリガ用起
電圧光ダイオードアレイ、１５…フォトトランジスタ、
１６…トリガ用光供給部、１７…発光ダイオード、１８
…光ファイバ、１９…フォトトランジスタ駆動用光供給
部、２０…発光ダイオード、２１…光ファイバ、２２…
逆バイアス用起電圧光ダイオードアレイ、２３…発光ダ
イオード、２４…光ファイバ、２５…逆バイアス用光供
給部、３０…短絡用ＦＥＴ、１４ａ…逆バイアス用起電
圧光ダイオード。

Claims (3)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】負荷への通電をオンオフするように設けら
   れた電圧制御形半導体スイッチ素子と、前記スイッチ素
   子のゲート信号入力端子間に接続されたトリガ用起電圧
   光ダイオードアレイと、前記起電圧光ダイオードアレイ
   に光ファイバーを通して光を供給するトリガ用光供給部
   とを備え、前記起電圧光ダイオードアレイの両端に生じ
   る電圧で前記スイッチ素子をトリガするようにした光駆
   動スイッチ装置において、 前記スイッチ素子のゲート信号入力端子間に並列に接続
   されたフォトトランジスタと、前記トリガ用光供給部が
   光を供給しないときに前記フォトトランジスタに光を供
   給するフォトトランジスタ駆動用光供給部とを具備した
   ことを特徴とする光駆動スイッチ装置。
2. 【請求項２】負荷への通電をオンオフするように設けら
   れた電圧制御形半導体スイッチ素子と、前記スイッチ素
   子のゲート信号入力端子間に接続されたトリガ用起電圧
   光ダイオードアレイと、前記起電圧光ダイオードアレイ
   に光ファイバーを通して光を供給するトリガ用光供給部
   とを備え、前記起電圧光ダイオードアレイの両端に生じ
   る電圧で前記スイッチ素子をトリガするようにした光駆
   動スイッチ装置において、 前記トリガ用起電圧光ダイオードアレイと逆極性の電圧
   を誘起する逆バイアス用起電圧光ダイオードアレイが前
   記スイッチ素子のゲート信号入力端子間に接続され、 前記トリガ用光供給部が光を供給しないときに前記逆バ
   イアス用起電圧光ダイオードアレイに光を供給する逆バ
   イアス用光供給部が設けられていることを特徴とする光
   駆動スイッチ装置。
3. 【請求項３】負荷への通電をオンオフするように設けら
   れた電圧制御形半導体スイッチ素子と、前記スイッチ素
   子のゲート信号入力端子間に接続されたトリガ用起電圧
   光ダイオードアレイと、前記起電圧光ダイオードアレイ
   に光ファイバーを通して光を供給するトリガ用光供給部
   とを備え、前記起電圧光ダイオードアレイの両端に生じ
   る電圧で前記スイッチ素子をトリガするようにした光駆
   動スイッチ装置において、 前記スイッチ素子のゲート信号入力端子間に短絡用ＦＥ
   Ｔのドレインソース間回路が並列に接続され、 前記短絡用ＦＥＴのゲートソース間に該短絡用ＦＥＴの
   ゲート側にカソードを向けた少なくとも１つの逆バイア
   ス用起電圧光ダイオードが接続され、 前記逆バイアス用起電圧光ダイオードにも前記トリガ用
   光供給部から光が供給されることを特徴とする光駆動ス
   イッチ装置。