WO2011034140A1

WO2011034140A1 - スイッチ

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Publication number: WO2011034140A1
Application number: PCT/JP2010/066071
Authority: WO
Inventors: 作太郎山口
Original assignee: 株式会社ワイ・ワイ・エル
Priority date: 2009-09-16
Filing date: 2010-09-16
Publication date: 2011-03-24
Also published as: JPWO2011034140A1; JP5628184B2

Abstract

　本発明は、小型化、省電力化を図り、スイッチの寿命を延ばすスイッチを提供する。金属接点を持つ機械スイッチ（ＳＷ１）と、前記機械スイッチに並列に接続され、電気信号により導通、非導通が制御される半導体スイッチ（ＩＧＢＴ）を備える。

Description

スイッチ

［関連出願の記載］
　本発明は、日本国特許出願：特願２００９－２１４４１５号（２００９年９月１６日出願）、特願２００９－２７２４３５号（２００９年１１月３０日出願）、特願２０１０－０５０６４８号（２０１０年３月８日出願）の優先権主張に基づくものであり、同出願の全記載内容は引用をもって本書に組み込み記載されているものとする。
　本発明はスイッチに関し、特に、直流スイッチ（ＤＣスイッチ）に適用して好適なスイッチに関する。

　電力消費量が増えているデータセンターなどでは４００Ｖ程度の直流が利用されることが計画されている。そのためには、直流スイッチや遮断器の簡易化が必要とされる。直流スイッチは、交流スイッチと異なり、電流ゼロ点が無いため、アーク・プラズマに絶えずエネルギーが供給される。このため、電流遮断を行い難い。従来より、直流（ＤＣ）方式が多用され、各種遮断器やスイッチが開発されている。

　その一つは磁場印加方式である。これは、電流が流れる方向に垂直に磁場を印加すると電磁力が働き、アーク・プラズマをそれぞれの方向に垂直方向に押し出す原理を利用している。大型の遮断器等で使われてきた。現在、この原理を利用した小型のスイッチが開発されている。以下にそれぞれ説明を行う。図１は、非特許文献１に記載された、気中遮断器の消弧部の断面構造を示す図である（電気学会編、「電気工学ハンドブック（第６版）」、ｐ．７５５、２００１年より引用）。吹消しコイルでアークを隔壁やグリッドにぶつけてプラズマ温度を下げ、消弧する。遮断動作に入ると、スイッチ部が開となり、電極間でアークが発生する。図１の「隔壁ｏｒひだ」及び「ディアイオングリッド」にアーク・プラズマがぶつかる。アーク電流自身が作る磁場と、吹消しコイルが作る磁場と、アーク・プラズマ電流による電磁力によって、吹き飛ばされる。「隔壁」は、電圧の低い家庭用などやＡＣ６００Ｖまでの機器では、鉄が図のような構造で用いられている。アーク・プラズマがぶつかると、アークは急激に冷やされるため、温度が下がりアーク・プラズマの抵抗が大きくなり、冷やされるため、プラズマ内のイオンと電子が再結合によって電流キャリアが減少し、抵抗が大きくなる。このため、ＯＮ電圧が上昇し限流作用が現れる。気中遮断器は、定格電流が２００Ａ～６ｋＡ、定格遮断電流５～１２５ｋＡの機器が用いられる。投入動作は、手動式から電気操作などがあり、操作や保守点検が容易な機器が広く利用されている。この種の気中遮断器は遮断機能だけでなく、アーク・プラズマの消弧作用を通じて限流機能がある。

　なお、特許文献１には、直流電流を非振動的に転流・遮断させるコンデンサとスイッチを並列に接続した直流遮断器が開示されている。

特開２００４－１４２４１号公報

電気学会編、「電気工学ハンドブック（第６版）」、ｐ．７５５，２００１年

　磁場を利用した機械式のスイッチでは、接点間にアーク・プラズマが発生し、電極が損傷を受ける。このため、寿命（スイッチの開閉回数）が短くなる。特に、電流値が大となると、損傷が大となり、数回のスイッチ開閉回数で接点を交換する場合もある。

　半導体デバイスを利用したスイッチでは、上記のように寿命の問題は生じないが、コストが高い、制御回路が必要である、ＯＮ抵抗が大きいため、発熱し、放熱器が必要になる等、大型化し、消費電力が大となる。

　本発明の目的は、小型化、省電力化を図り、スイッチの寿命を延ばす直流スイッチを提供することにある。

　本発明の第１のアスペクトによれば、金属接点を持つ機械スイッチと、前記機械スイッチに並列に接続され、電気信号により導通、非導通が制御される半導体スイッチとを備えたスイッチが提供される。

　本発明において、スイッチ導通時、前記半導体スイッチを非導通状態から導通させたのち、前記機械スイッチを非導通状態から導通させ、前記スイッチ非導通時、前記機械スイッチを導通状態から非導通としたのち、前記半導体スイッチを導通状態から非導通とする。

　本発明において、第２のスイッチと第１の抵抗の直列回路を負荷と並列に接続した構成としてもよい。

　本発明において、前記機械スイッチと並列に、第２のスイッチと第１の抵抗の直列回路を接続した構成としてもよい。

　本発明において、前記機械スイッチと並列に第１の容量と第１の抵抗の直列回路を接続した構成としてもよい。

　本発明において、電源電圧を分圧する分圧抵抗を備え、分圧点の電圧が、前記半導体スイッチの制御端子に入力される構成としてもよい。電源と前記分圧点間に、前記分圧抵抗の１つと並列に、第１の容量と補助スイッチの並列回路を接続した構成としてもよい。

　本発明において、前記補助スイッチを導通状態から非導通としたのち、前記機械スイッチを非導通状態から導通させ、前記機械スイッチを導通状態から非導通としたのち、前記補助スイッチを非導通状態から導通させる。

　本発明において、前記機械スイッチが遮断機械スイッチである。

　本発明において、前記遮断機械スイッチを導通状態から非導通としたのち、前記半導体スイッチを導通状態から非導通とする構成としてもよい。

　本発明において、機械スイッチの第１、第２の接点の各々が、銅接点と高融点金属接点を有し、前記第１の接点において、前記高融点金属接点表面は銅接点表面よりも突設し、
　前記第２の接点が、前記高融点金属接点の裏に弾性部材を備え、
　閉成時、銅接点と高融点金属接点は同一面で当接し、前記第１、第２の接点の一方が固定接点であり、他方が可動接点である。

　本発明において、前記第１、第２の接点の各々が、銅接点と高融点金属接点を有し、
　前記第１の接点は固定接点であり、前記第２の接点は可動接点であり、
　前記第１の接点において、前記高融点金属接点表面は銅接点表面よりも突設し、
　前記第２の接点を可動自在に支持するアームを可撓性とし、閉成時、銅接点と高融点金属接点は同一面で当接する。
　さらに、本発明においては、前記機械式スイッチの遮断失敗（ｆａｉｌｕｒｅ　ｔｏ　ｏｐｅｎ）によって接点間に発生したアークプラズマを検出する手段と、前記機械式スイッチの前記接点間に発生したアークプラズマを検出時、前記アークプラズマを消去する手段と、を備えた構成としてもよい。
　本発明においては、前記機械式スイッチの電流経路に電流検出器を備え、前記機械式スイッチがオフであるにもかかわらず、前記電流検出器で電流が検出された場合、前記半導体スイッチをオンとし、前記機械式スイッチに流れていた電流を前記半導体スイッチに転流させることで、前記機械式スイッチの接点間に発生したアークプラズマを消弧させる、構成としてもよい。あるいは、本発明においては、前記半導体スイッチをさらに所定期間電流を流したのち、前記半導体スイッチをオフとし、前記別の機械式スイッチの接点間に発生したアークプラズマを消弧させる構成としてもよい。

　本発明によれば、小型化、省電力化を図り、スイッチの寿命を延ばすことができる。

非特許文献１から引用した図である。本発明の第１の実施形態の構成を示す図である。本発明の第１の実施形態の動作例を示すタイミング図である。本発明の第２の実施形態の構成を示す図である。本発明の第３の実施形態の構成を示す図である。本発明の第４の実施形態の構成を示す図である。本発明の第５の実施形態の構成を示す図である。本発明の第５の実施形態の動作例を示すタイミング図である。本発明の第６の実施形態の構成を示す図である。本発明の第６の実施形態の動作例を示すタイミング図である。本発明の第７の実施形態の構成を示す図である。本発明の第７の実施形態の構成を示す図である。ＤＣ回路例を示す図である。本発明の第８の実施形態におけるＣスイッチ系を示す図である。スイッチの構成を示す図である。２接点スイッチ（その１）を示す図である。２接点スイッチ（その２）を示す図である。２接点スイッチ回路（その１）を示す図である。回路の動作シーケンスを示す図である。２接点スイッチ回路（その２）を示す図である。２接点スイッチ回路（その３）を示す図である。３接点スイッチ回路（その１）を示す図である。３接点スイッチ回路（その２）を示す図である。３接点スイッチ回路（その３）を示す図である。３接点スイッチ回路（その４）を示す図である。遮断失敗時に接点間でアークプラズマが発生している状況を説明する図である。本発明の別の実施形態の構成を示す図である。図２７の変形例１の構成を示す図である。図２７の変形例２の構成を示す図である。

　本発明の実施形態について説明する。

＜実施形態１＞
　図２は、本発明の第１の実施形態の構成を示す図である。本発明のスイッチにおいては、接点間に、機械スイッチと半導体デバイスを並列接続して構成したものである。金属接点を持つ機械スイッチと、ＩＧＢＴ（ｉｎｓｕｌａｔｅｄ　ｇａｔｅ　ｂｉｐｏｌａｒ　ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）が並列接続されている。Ｃ、Ｅ、Ｇは、ＩＧＢＴのコレクタ、エミッタ、ゲートである。

　図３は、図２の第１の実施形態の動作を説明するタイミング波形図である。次に、動作を説明する。スイッチをＯＦＦ（非導通）からＯＮ（導通）にする時は、最初に、ＩＧＢＴのゲート（Ｇ）に信号を与え、ＩＧＢＴをＯＮ状態とする。このタイミングを時刻ｔ１とする。ｔ１から遅れた時刻ｔ２で機械スイッチＳＷ１をＯＮにする。

　次に、スイッチをＯＮからＯＦＦにする時の動作を説明する。ＩＧＢＴがＯＮ状態の時に、機械スイッチＳＷ１をＯＦＦにする（時刻ｔ３）。その後、ＩＧＢＴを時刻ｔ４でＯＦＦにする。

　図２の構成において、図３のように動作させると、機械スイッチＳＷ１の電極間にはアーク・プラズマがほとんど発生しない。これは、機械スイッチＳＷ１の金属接点の開極、閉極時に、並列接続したＩＧＢＴがＯＮ状態であることから、機械スイッチＳＷ１の金属接点間電圧は例えば数Ｖ以下になり、電流はＩＧＢＴに流れるためである。機械スイッチＳＷ１に流れていた電流は、例えば数μｓ（マイクロ秒）でＩＧＢＴに転流する。この結果、スイッチの長寿命化を図ることができる。

　ＩＧＢＴのＯＮ抵抗による電力消費（Ｐｏｗｅｒ　Ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ）は大きくない。これは、ＩＧＢＴのＯＮ時の電圧がコレクタ・エミッタ間電圧が２－３Ｖに対して、機械スイッチＳＷ１のＯＮ時の接点間の電圧はこれよりも２桁近く低い。ＩＧＢＴと機械スイッチＳＷ１が同時にＯＮ状態であるときには、端子間の電流の殆どが機械スイッチＳＷ１側に流れる。つまり、従来の機械接点スイッチと同等の損失になる。このため、実質的なＩＧＢＴの通電時間は短い。よって、ＩＧＢＴの発熱量は少なくなり、ＩＧＢＴに取り付ける放熱器は不要になる。

　また、図３に示したように、機械スイッチＳＷ１がＯＮの後、ＩＧＢＴに電流を流さないようにするために、時刻ｔ２ｘからｔ３ｘまでは、ＩＧＢＴをＯＦＦにするようにしてもよい。通電期間の大部分においてＩＧＢＴには電流が流れない。よってＩＧＢＴのＯＮ抵抗による発熱の問題は解消する。

　本実施例によれば、外部からのインテリジェント制御が可能になる。つまり、スイッチをインターネット等を介して外部の端末等から遠隔制御することができる。

＜実施形態２＞
　図４は、本発明の第２の実施形態の構成を示す図である。本実施形態は、負荷に大きなインダクタンスを含む回路（ＬＲ負荷）に適用すると効果的である。つまり、回路がインダクタンスによって磁気エネルギーを持っているため、ＩＧＢＴは短時間で遮断を行うと、電源電圧以上の大きなサージ電圧がＩＧＢＴのコレクタ－エミッタ間に発生する。すると、ＩＧＢＴが破損する。これを避けるためには、高電圧ＩＧＢＴの利用や、吸収エネルギーを大きなＩＧＢＴの選択が必要になる。しかし、高価となる。

　本実施形態では、図４に示すように、抵抗Ｒと第２のスイッチＳＷ２を、負荷（ＬＲ負荷）に並列に回路に挿入している。

　スイッチ遮断時に、スイッチＳＷ２はＯＮとなる。なお、スイッチＳＷ２を挿入しない場合もある。スイッチＳＷ２を削除すると、抵抗Ｒに常に電流が流れ、消費電力が増大する。スイッチＳＷ２がＯＦＦのままとなり、遮断に失敗する事態の発生を回避する場合等には、スイッチＳＷ２は挿入されない。遮断の失敗を避けるために、機械スイッチＳＷ１とスイッチＳＷ２が機械的に連動するようにする。スイッチＳＷ２の遮断によってインダクタンス成分が発生するサージ電圧は抵抗Ｒによって吸収される（磁気エネルギーは抵抗Ｒ２によって熱エネルギーとして回路から消える）。機械スイッチＳＷ１がＯＦＦになる時に、必ずスイッチＳＷ２はＯＮとなっている。図４では、抵抗ＲとスイッチＳＷ２は、負荷側に配置されているが、一般に、電源側にも大きなインダクタンス成分がある場合がある。この場合、抵抗ＲとスイッチＳＷ２の直列回路をＩＧＢＴよりも電源側に配置すると良い。この場合、スイッチＳＷ２をＯＮさせてから、一定時間後、スイッチＳＷ２をＯＦＦにして、抵抗Ｒに電流が常に流れることを回避する。

＜実施形態３＞
　図５は、本発明の第３の実施形態の構成を示す図である。本実施形態は、電源側にも大きなインダクタンスがあるような場合に効果的である。抵抗ＲとスイッチＳＷ２の直列回路が、機械スイッチＳＷ１、半導体スイッチＩＧＢＴに並列に接続されている。機械スイッチＳＷ１及びＩＧＢＴがＯＦＦのとき（スイッチＳＷ２がＯＮのとき）、抵抗Ｒに電流が流れる。回路内のインダクタンス素子（成分）が持つ磁気エネルギーは抵抗Ｒによって熱エネルギーに変換される。流れる電流値は、抵抗Ｒによって制限され、１０ｍＡ以下となる、通常のスイッチで電流を切ることが出来る。スイッチＳＷ２がＯＦＦになる。なお、スイッチＳＷ２に並列にキャパシタを接続することによってサージ電圧を減少することが可能である。これはＩＧＢＴのスナバ回路（保護回路）ともいえる。

＜実施形態４＞
　図６は、本発明の第４の実施形態の構成を示す図である。負荷にインダクタンス成分が多く含まれるときには、遮断時には、スイッチ部に電源電圧より高い電圧が発生する。これを避けるための回路として、本実施形態では、図６に示すように、機械スイッチＳＷ１、半導体スイッチＩＧＢＴに並列に、キャパシタＣ１を接続する。図６では、抵抗ＲとキャパシタＣ１の直列回路が、半導体スイッチＩＧＢＴのコレクタとエミッタ間に接続されている。キャパシタＣ１は、直流成分をカットする。したがって、図５におけるスイッチＳＷ２があることと等価となる。したがって、図５のスイッチＳＷ２は不要になる。また、この回路では、電源側のインダクタンスによる磁気エネルギーもこの部分で吸収できる。ただし、大きな磁気エネルギーを処理するためには、図４の回路が用いられる。

＜実施形態５＞
　図７は、本発明の第５の実施形態の構成を示す図である。ＩＧＢＴのゲート信号の制御について説明する。ＡＣ１００Ｖのスイッチではスイッチ内に制御回路が含まれることはほとんどない。ＩＧＢＴのゲート信号の振幅は２０Ｖ程度である。図７を参照すると、電源側の直流電圧を抵抗Ｒ１とＲ２で分割し、端子間電圧が４００Ｖの場合、分圧抵抗Ｒ１とＲ２の比（分圧比）は３８０：２０にすればよい。分圧抵抗に流れる電流を少なくするには、例えば３８０ｋOhmと２０ｋOhmとなる。この場合、リーク電流は１ｍＡとなり、損失は０．４Ｗである。

　抵抗Ｒ１の端子間に並列にキャパシタＣ１と補助スイッチＳＷ３の並列回路を接続し、分圧電圧をＩＧＢＴのゲートＧに接続する。分圧抵抗Ｒ１、Ｒ２の分圧比はＩＧＢＴのゲート電圧の閾値に対応している。補助スイッチＳＷ３がＯＮのとき、ＩＧＢＴのゲートとエミッタは同一電圧となり、ＩＧＢＴはカットオフされ、コレクタ－エミッタ間電流は流れない。補助スイッチＳＷ３は、ＩＧＢＴのＯＮとＯＦＦを制御する。あるいは、他の方法としては、４００Ｖから２０Ｖの直流電圧を出力するＤＣ／ＤＣコンバータを利用しても良い。

　補助スイッチＳＷ３をＯＦＦにすると、ゲートＧとエミッタＥ間に電圧が発生し、ＩＧＢＴがＯＮになる。キャパシタＣ２が挿入されているため、補助スイッチＳＷ３がＯＮになった後、キャパシタＣ２の充電時間（時定数）分遅れて、ＩＧＢＴがＯＮになる。続いて機械スイッチをＯＮにする。この時、補助スイッチＳＷ３と機械スイッチＳＷ１は連動するように構成する。また、キャパシタＣ２を入れることで、スイッチＳＷ３がＯＮしたときに、直ちに電流が立ち上がらないので、ＩＧＢＴを破損する可能性を低減することができる。また、例えばリレーを利用して所定時間遅れて補助スイッチＳＷ３と機械スイッチＳＷ１が連動するようにすることが望ましい。

　図８は、図７のスイッチの動作シーケンスを示す図である。横軸は時間であり、補助スイッチＳＷ２と機械スイッチＳＷ１のＯＮ／ＯＦＦの時間推移が示されている。

　最初に補助スイッチＳＷ３がＯＦＦになる。これによって、ＩＧＢＴがＯＮになる。

　次に少し遅れて、機械スイッチＳＷ１が連動してＯＮになる。

　したがって、最初に、電流はＩＧＢＴに流れ、つづいて機械スイッチＳＷ１に流れる。これは、機械スイッチＳＷ１のＯＮ電圧が低いことによる。

　スイッチを切るときには、まず、機械スイッチＳＷ１をＯＦＦにする。その後、補助スイッチＳＷ３をＯＦＦにする。この場合も、２つのスイッチＳＷ３、機械スイッチＳＷ１が連動して動作する。機械スイッチＳＷ１がＯＦＦになっても、ＩＧＢＴがＯＮ状態であるため、接点間には、ほとんどアークが発生しない。このため、機械スイッチＳＷ１の接点が損傷を受けない。これは、本発明者により、実験で確認された。

　以上の例では、ＩＧＢＴを使ったが、自己消弧能力がある半導体デバイスであれば、この回路に適用できる。例えば、パワーＭＯＳＦＥＴ、ＧＴＯ（Ｇａｔｅ　Ｔｕｒｎ　Ｏｆｆ　ｔｈｙｒｉｓｔｅｒ）等を用いてもよい。

　半導体デバイスに流れる電流は時間がｔ１－ｔ２、及びｔ３－ｔ４の間に限られる。この時間が短いと、ＩＧＢＴの電流容量が短時間定格となるため、小型ＩＧＢＴを使うことができる。また、半導体デバイスに放熱フィン等を取り付ける必要も無くなる。なお、一般的に、機械スイッチは、耐圧がＤＣ４００Ｖであり、電流容量は１０Ａから２０Ａ迄であるため、それほど大きなスイッチは不要であり、ＡＣ２２０Ｖ（ＤＣ換算３１１Ｖ）と同程度の電流容量の接点が利用できる。

＜実施形態６＞
　図９は、本発明の第６の実施形態の構成を示す図である。ＤＣスイッチは直流遮断器にも適用できる。特に、高電圧・大電流の直流は遮断が困難になる。そこで、再度、遮断に絞って、本発明の実施形態の説明を行う。図９は、図２と同じ回路構成であるが、機械スイッチＳＷ１は大型になっている。また図１０は、図９の動作シーケンスを示す図である。

　図９の実施形態は、基本的に、アーク・プラズマに強い構造とされ、通常は、交流も含めた遮断器接点を用いる。しかし、基本的には、アーク・プラズマがほとんど発生しないので、通常の銅を用いた金属接点を用いることができる。この場合、大型高速接点を用いることが重要になる。直流電流は、遮断機械スイッチＳＷ１１に流れる。図９では、半導体スイッチとしてＩＧＢＴを用いているが、大電流用で自己消弧能力があるＧＴＯを利用してもよい。

　半導体デバイスに流れる電流は、遮断前後の時間ｔ１－ｔ３の間に限られる。この時間が短いと、電流容量の小さなＩＧＢＴを短時間定格として利用できる。短時間定格は材料と熱容量で決まり、ＳｉＣなどを用いると、定格値から著しく高くできる。

　遮断機械スイッチＳＷ１１に電流が流れているが、ＩＧＢＴがＯＮしてから、開極すると、接点間にアーク・プラズマが発生し、電圧が高くなる。すると、この電圧によって、遮断機械スイッチＳＷ１１の電流は、ＩＧＢＴに転流する。その結果、接点間のアーク・プラズマは消弧する。このアーク・プラズマが発生している時間は、回路の時定数や半導体スイッチ及び機械スイッチの特性で決まるが、多くは数μｓ（マイクロ秒）であり、接点の損傷は少ない。この現象は、図２と同様である。その後、ＩＧＢＴが遮断を行う。

　また、ＩＧＢＴの代わりに、自己消弧機能がないサイリスタなどの素子を利用する場合には、周知のように、逆方向からコンデンサなどを用いて電流を注入する構成としてもよい。サイリスタはＩＧＢＴ等に比べて安価であるため、電流注入機構を取り付けても、全体として安価となることもある。

＜実施形態７＞
　図１１は、本実施形態の構成を示す図である。アーク・プラズマは短時間でも発生するため、遮断器では、接点部に高融点金属等が用いられる。高融点金属の接点は抵抗が高いことから、接点部での発熱が大となり、電力消費が増大する。遮断器において、好ましくは、遮断時に発生するアーク・プラズマは高融点金属接点で発生し、通常の通電時には、銅接点に電流が流れる構造とする。本実施形態において、接点は、２つの部材からなっている。一つは電気抵抗が低い銅接点であり、他は、電気抵抗は高いがアーク・プラズマに対して耐性がある高融点金属接点である。タングステンやモリブデン及びそれらの合金が用いられる。図１１において電流の向きは任意である。スイッチの固定接点側は高融点金属接点の表面は銅接点１３の表面より飛び出している。一方、可動接点側は、高融点金属接点１２はバネ１１が裏側に設置してある。このため、スイッチが閉じているときには、銅接点１３と高融点金属接点１２も同じ面で接触することができる。このような構造にすると、高融点金属接点１２の接圧が銅接点１３より高くなるが、銅接点１３側も電流を流すことができる十分な接圧を取る。このため、大部分の電流は接触抵抗が低い銅接点１３側を流れる。

　図１２には、スイッチが開き始める時の状態を示している。最初に銅接点部１３が開く。しかし、高融点金属接点部１２はまだ接触している。このようにすると、銅接点１３間に流れていた電流は、高融点金属接点１２側に転流する。したがって、銅接点１３間にはアーク・プラズマが発生しない。開極が進み、接点間距離が長くなっていくと、最終的には高融点金属接点１２間も開極する。このため、この部分でアーク・プラズマが発生する。しかし、高融点金属接点１２はアーク・プラズマに対して耐性があるので、損傷は抑制される。ＩＧＢＴなどの半導体デバイスが並列接続されているので、この部分で発生するアーク・プラズマ自身も限定的であり、数μｓ（マイクロ秒）程度しか発生しないからである。よって、接点の損傷は著しく少なくなる。図１１、図１２等のような構造にすれば、半導体デバイスが並列接続していなくても、長寿命のスイッチが構成できる。

　本実施形態の接点構造は、アーク・プラズマに対して耐性がある。このような構造は、バネを用いなくても、アーム１０が撓む構造でも同様な効果があることは容易に分かる。可撓性アーム１０を用いて銅接点１３と高融点金属接点１２も同じ面になるように押さえつける。高融点金属接点１２の面は銅接点１３の面より突出しているので、開極時には銅接点１３が開いても高融点金属接点１２はまだ接触しているからである。本実施形態では、可動接点側にバネ１１を用いているが、固定接点側にバネを使っても良いし、両方に使っても良い。本実施形態によれば、直流を容易に遮断できる。上記実施形態で説明したスイッチ構造は、交流等のスイッチに適用してもよいことは勿論である。

　本発明によれば、半導体スイッチを機械スイッチに並列接続し、互いに協調動作を取ることによって機械接点間にアークを発生しないようにしている。

　しかし、ＤＣスイッチはＡＣスイッチに比べて、危険なことが有る。具体例として、短絡事故などではＡＣではスイッチに直列接続しているＮＦＢ（Ｎｏｎ－Ｆｕｓｅ　Ｂｒｅａｋｅｒ）が電流遮断を行う。ＮＦＢをＤＣスイッチに取り込んだ構成を図１３に示す。負荷には、ＤＣスイッチと直列接続したＤＣ　ＮＦＢが接続している。もし、負荷が短絡事故を起こしたときには、ＤＣ　ＮＦＢが遮断を行う。尚、ＤＣ　ＮＦＢも今回のＤＣスイッチと同じ構造を取る。即ち、並列に半導体スイッチを接続し、今までにＤＣスイッチで述べてきたような協調動作を取るようになっている。図１３の回路で、ＤＣスイッチをＯＦＦにして負荷に電流を流さないようにしたときに、ＤＣスイッチの半導体が破損して、電流遮断に失敗したとしよう。すると、負荷には同じ電流が流れ続ける。そして、ＤＣスイッチはアークのために、そのままの状態がつづくと、最終的に炎上する。これは火災につながる。しかし、回路に流れる電流はＤＣスイッチがＯＮとほぼ同じであるため、ＤＣ　ＮＦＢは作動しない。ＡＣスイッチでは、電流ゼロ点があるため、遮断が容易であり、上記のような問題は生じにくい。しかし、アークの発生は火災につながるため、より安全性の向上が望まれる。

　そこで、図１４のような構成とする。即ち、ＤＣスイッチをＯＦＦにしても電流を切ることができないときには、当該ＤＣスイッチが上流のＤＣ　ＮＦＢに通信で知らせて、遮断を行う。この通信を行う通信線には、スイッチが直接接続されている電力線を利用することが自然であろう。このようなシステムは、回路を構成するときにスイッチが互いにどんな関係であるかを、それぞれのスイッチに設定できるようにする。例えば、ＤＣ　ＮＦＢは親でＤＣスイッチは子の関係などとする。すると、子スイッチが遮断失敗したときには、すぐに親スイッチに連絡が行き、親スイッチが電流遮断を行うようにするのである。更に、親スイッチは外部との通信機能も持っていて、子スイッチに遮断失敗が有れば、それを管理者（パソコンや携帯電話）に知らせる機能を持たせる。これを定期的に行うようにすると、もし連絡が来ないときには通信機能にも問題があることが分かり、システムのメインテナンスにも役に立てることができる。また、親スイッチは、複数の子スイッチのＯＮ／ＯＦＦをモニタする機能を持たせれば、より安全にシステムを運用できる。そして、どの子スイッチの遮断が失敗したかが分かるようにする。そして、このような情報を管理者に知らせる機能を持たせる。これらによって、より安全なスイッチ系になる。尚、上記では上流の親スイッチをＤＣ　ＮＦＢとしているが、これは単に電流容量が大きいだけであるため、大型のスイッチでも良い。更に、親スイッチの半導体スイッチが同時に故障することもあろうが、その時にはもう一つ大型のＮＦＢスイッチをおき、ここには半導体スイッチを並列接続しない方式もある。これは、雷などのサージによって、この回路の半導体素子が全滅したときなどに対応する。

　電力用途でスイッチを構成する場合、金属接点のみで完全に遮断する回路が必要とされる場合がある。つまり、図１５の様な回路では半導体スイッチ（ＩＧＢＴ）が電流遮断を行うが、コレクタ（Ｃ）とエミッタ（Ｅ）間には何時も電圧がかかることになり、これでは危険と考えられる場合があるからである。即ち、ＩＧＢＴに直列に機械スイッチを入れる必要があることを意味する。これは、自動的に少なくとも２つの機械スイッチを必要とする。まず、機械スイッチ構造の例を図１６に示す。図１６のケーブル、回転部、アームは、図１１、図１２のケーブル、回転部、アームに対応する。回転部において、２つの可動電極側が互いに電気絶縁（絶縁層１）がなされているが、機械的には一体になっている。また、固定接点側も２つの接点があり、それぞれ電気絶縁（絶縁層２）されているが、機械的には一体になった構造である。そして、それぞれの接点に電気配線されるが、このような構造のため、動作をさせると、２つの接点は、ＯＮ時間は僅かに異なる。以下、２つの接点をＳＷ１、ＳＷ２とし、ＯＮ時にはＳＷ２がＳＷ１より少し早くＯＮになり、その後ＳＷ１がＯＮになる。また、ＯＦＦ時には、ＳＷ１が先にＯＦＦになり、その後ＳＷ１がＯＦＦになるように機械的に設定されている。まだ、この時間差はあまりバラツキがないように構造及び調整がされている。

　同様な他の例として図１７を示す。これはプッシュ式のスイッチであり、押し出すことによってＯＮになる。接点が図１６と同じように２つあり、一方はより相手側接点方向にバネ構造を通じて突きだしているので、ＯＮ時には早く接触する。両方がＯＮにはバネが縮まり、一緒に接触している。また、ＯＦＦ時にはバネがついている側が遅れてＯＦＦになる。そして、バネ長等を調整することによって、２つのスイッチのＯＮ、ＯＦＦ時の時間差を調整することができる。

　次に、図１６の２接点スイッチを使ったＤＣスイッチ回路を図１８に示す。スイッチは、電源と負荷の間に入り、負荷（＝機器）を高圧側にしないために、スイッチが一つの時には、スイッチは高圧側に入れることになる。２つの接点をＳＷ１、ＳＷ２とし、ＳＷ２はＯＮ時には時間的に早くＯＮになり、ＯＦＦ時には時間的に遅くＯＦＦになる。そして、２つの金属接点は機械的に一体であり、連動して動くようになっている。図１６、図１７に示すようである。図１８において、タイマ（Ｔｉｍｅｒ）の電源端子Ｐ１はスイッチＳＷ２を介して高圧側に接続され、アース側の端子Ｐ２は、直接アースに接続されている。このため、スイッチＳＷ２が閉じると、タイマ（Ｔｉｍｅｒ）に電力が供給される。スイッチＳＷ２が閉じた状態で、スイッチＳＷ１がＯＦＦであり、ＩＧＢＴもＯＦＦであると、抵抗Ｒ１、Ｒ２の両端に電圧が発生するので、タイマ（Ｔｉｍｅｒ）のトリガー端子（ｔｒｉｇ）にはトリガー信号（電圧）が印加される。そして、タイマ（Ｔｉｍｅｒ）の出力端子ｏｕｔからの出力信号がＩＧＢＴのゲートに印加され、ＩＧＢＴがＯＮ（導通）になる。なお、図１８の例では、ＩＧＢＴが高圧側に接続されているが、アース側でもかまわない。これは、以下の各図でも同様であり、アース側の例が書かれているときには、高圧側にあってもよい。例えば、図２０から図２４は、それにあたる。また、スイッチが２つ使われているが、これは図１６のようなスイッチとは別に、独立のスイッチをそれぞれ時間差を制御して利用する構成も、この回路（図１８）に含まれる。

　図１９（Ａ）、（Ｂ）は、図１８の回路の動作の時間シーケンスを示す図である。図１８の回路構成と図１９の時間シーケンスを用いて、回路動作を以下に説明する。回路は、２つの機械接点スイッチのほかに、自己消弧型の半導体スイッチ（ＩＧＢＴ、あるいはＭＯＳＦＥＴ等でもよい）、及びタイマ（Ｔｉｍｅｒ）（図１８）を備えている。タイマは、端子Ｐ１、Ｐ２を電源に接続し、電力を得て稼働する。そして、ｔｒｉｇ端子にトリガ信号が入ると、出力端子パルス信号が出力されるからすぐにパルス（パルス幅＝Ｔ１、Ｔ２）のパルスを、ＩＧＢＴのゲートに出力する。以下ではＴ１、Ｔ２とパルスを２つに分けて書いたが、同じ時間でも構わない（重なってもよい）。これによって、パルスが活性期間中はＩＧＢＴがＯＮ状態になるように設定している。また、抵抗Ｒ１、Ｒ２（分圧抵抗）はスイッチ電源側とスイッチ負荷（ＩＧＢＴのＥとＣ）の間に接続され、中点がタイマ（Ｔｉｍｅｒ）のｔｒｉｇ端子に接続され、分圧抵抗による分圧電圧がｔｒｉｇ端子に入るトリガ信号の振幅を規定している。タイミング動作は、図１９に示すようなものとなる。

　最初にＯＮ時の動作から説明を行う。スイッチＳＷ２が最初にＯＮになった時点では、まだスイッチＳＷ１はＯＦＦである。すると、タイマ（Ｔｉｍｅｒ）は駆動電源が供給され、稼働状態になり、同時に、ｔｒｉｇ端子にトリガ信号が入る。そして、直ちにタイマ（Ｔｉｍｅｒ）の出力端子からパルス信号が出力される。ＩＧＢＴのゲートにパルス信号が入力され、ＩＧＢＴがＯＮになる。時間的には数マイクロ秒以内である。それを図示したのが、図１９（Ｂ）であり、トリガ信号が入ってからＴｄだけ遅れて、ＩＧＢＴのゲートに入力されるパルス信号がＯＮ(Ｇａｔｅ　ＯＮ)になる。ＩＧＢＴのゲートに入力されるパルス信号のパルス幅はＴ１である。一方、スイッチＳＷ１はまだＯＮにはなっていないが、ＩＧＢＴのゲートに入力されるパルス信号が活性化状態（Ｈｉｇｈ）の間（Ｔ１）の間に、スイッチＳＷ１がＯＮになる。このため、主スイッチである機械スイッチＳＷ１の接点間には、アークが発生しない。これによって、スイッチ全体としてＯＮ状態になる。尚、Ｔ１、Ｔ２は数ミリ秒から数十ミリ秒程度を想定している。

　その後、タイマ（Ｔｉｍｅｒ）の出力パルス信号（ＩＧＢＴへのゲートへのパルス）は出なくなるので、ＩＧＢＴは、ＯＦＦ状態になる。このため、回路に流れる電流は、スイッチＳＷ１を通って流れ、スイッチＳＷ２はＯＮであるが、ＩＧＢＴがＯＦＦのため、このＳＷ２、ＩＧＢＴのパスに電流は流れない。

　次に、スイッチのＯＦＦ時の動作について説明を行う。ＯＦＦ時には、最初に、スイッチＳＷ１がＯＦＦになる。この時、スイッチＳＷ２は、まだＯＮ状態であり、ＩＧＢＴは、ＯＦＦ状態（Ｇａｔｅ　ＯＦＦ）である。また、タイマ（Ｔｉｍｅｒ）は端子Ｐ１、Ｐ２が電源に接続されているので、スタンバイ状態である。そして、スイッチＳＷ１がＯＦＦになると、抵抗Ｒ１、Ｒ２の分割電圧が、タイマ（Ｔｉｍｅｒ）のｔｒｉｇ端子にトリガ信号として印加される。これによって、タイマ（Ｔｉｍｅｒ）のｏｕｔ端子から、ＩＧＢＴのゲート信号へパルス（パルス幅Ｔ２）が出力され、ＩＧＢＴはＯＮ状態になる。すると、スイッチＳＷ１の金属接点間ではアークがほとんど発生せず、ＯＦＦになる。パルス幅Ｔ２が経過すると、ＩＧＢＴはＯＦＦになる。

　このとき、ＩＧＢＴとスイッチＳＷ１がＯＦＦであるため、再度、抵抗Ｒ１、Ｒ２の分圧電圧がｔｒｉｇ端子にトリガ信号として印加されるが、タイマ（Ｔｉｍｅｒ）は、一旦、ｔｒｉｇ端子に信号が入ると、Ｔ３時間は、不感となるように設定されている。すなわち、Ｔ３＞Ｔ２に設定されており、このトリガ信号によってタイマ（Ｔｉｍｅｒ）は端子パルス信号が出力されるから、ＩＧＢＴのゲートへのパルス信号を出さない。したがって、不感時間中は、電流ゼロが保持される。その電流ゼロの期間中にスイッチＳＷ２がＯＦＦになる。したがって、接点間にアークは発生しない。そして、最終的に、スイッチＳＷ１、ＳＷ２のどちらの接点でも、アークは発生せず、電流遮断が完了する。

　タイマ（Ｔｉｍｅｒ）を用いると、Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３等の時間の設定が出来るために、機械スイッチの特性に合わせてスイッチ・システム全体を構成することが出来る。

　同様な２接点回路の他例をとして、図２０にその回路構成を示す。図２０は、図１９と高圧側とアース側が反対になっている。また、電流方向が矢印で示しているが、これは高圧側がプラス側になっていることを示している。直流では、高圧をマイナス側に取ることもあるが、この場合、ＩＧＢＴのコレクタ（Ｃ）とエミッタ（Ｅ）を逆にすることが必要になるため、所定の対策が必要である。図２０のタイミング動作は、図１９に準じる。

　図２０に示す例では、ＯＮ時にはスイッチＳＷ２が最初に入る。スイッチＳＷ２がＯＮするときには、接点間で若干アークが発生するが、ＯＮによってアークは消弧するので、問題は無い。スイッチＳＷ２がＯＮになると、タイマ（Ｔｉｍｅｒ）に電力が供給され稼動を開始する。このとき、スイッチＳＷ１がＯＦＦであるため、タイマ（Ｔｉｍｅｒ）のｔｒｉｇ端子にトリガ信号が入り、ｏｕｔ端子からＩＧＢＴのゲートにパルス信号が出力され、ＩＧＢＴがＯＮ状態になる。

　ＩＧＢＴがＯＮ状態の間に、スイッチＳＷ１がＯＮになる。このため、スイッチＳＷ１では全くアークが接点間で発生しない。パルス幅Ｔ１が経過すると、ＩＧＢＴはＯＦＦになる。しかし、スイッチＳＷ１がＯＮであるため、ｔｒｉｇ端子にはトリガ信号が入らないため、ｏｕｔ端子からＩＧＢＴのゲートへのパルス信号は出力されず、ＩＧＢＴはＯＦＦ状態が保持される。但し、Ｔｉｍｅｒには電力が供給され続けるので、タイマ（Ｔｉｍｅｒ）はスタンバイ状態である。

　ＯＦＦ時には、最初に、スイッチＳＷ１がＯＦＦになる。タイマ（Ｔｉｍｅｒ）には電力が供給され、スタンバイ状態が続いている。すると、タイマ（Ｔｉｍｅｒ）のｔｒｉｇ端子にトリガ信号が入り、ｏｕｔ端子からパルス信号が出力され、ＩＧＢＴがＯＮ状態になる。このため、スイッチＳＷ１の接点間にはアークが発生しない。その後、期間Ｔ２が経過すると、ＩＧＢＴがＯＦＦ状態になる。するとすぐに、タイマ（Ｔｉｍｅｒ）のｔｒｉｇ端子にトリガ信号が入るが、不感期間Ｔ３以内であればタイマ（Ｔｉｍｅｒ）はｏｕｔ端子からゲート信号を出力しないので、ＩＧＢＴのＯＦＦが保持される。すると、回路電流はこの期間中はゼロが保持される。その期間中にスイッチＳＷ２がＯＦＦする。この時には電流が流れていないので、スイッチＳＷ２の接点間にはアークは発生しない。

　図２１は、図２０の変形例を示す図である。タイマ（Ｔｉｍｅｒ）の電力の取り方が異なっており、Ｐ１、Ｐ２の接続部がことなる。つまり、端子Ｐ１は、図２０のＰ１と同じであるが、Ｐ２のアース側がスイッチＳＷ１とＩＧＢＴのアース側に接続している。動作は、図２０と同じである。タイマ（Ｔｉｍｅｒ）が直接アースに接続されるので、ノイズに強いであろう。

　次に、以上の回路の拡張として接点を３つ使った回路例を以下に示す。これは、今までに述べたスイッチは遮断部が電源とアースも含めて部分的に接続されている。しかし、スイッチとしてより安全にするためには、スイッチが電源と完全に切り離されることが望ましいことがある。このため３つの接点を使った。この例では３つのスイッチが使われるが、それぞれが独立に制御されるスイッチを使い、シーケンスに沿って連動して動作することを前提に議論を進める。また、これらの例では、ＩＧＢＴがどれもアース側に接続されているが、前述したとおり、高圧側にあってもよい。

　実際、ＮＴＴのスイッチについての仕様基準では、電気回路素子である、半導体スイッチ、抵抗、キャパシタ（コンデンサ）、インダクタなどがスイッチがＯＦＦ時に接続されていてはいけないということである。しかし、図２２以下の回路のように、スイッチを３つ設けることにより、完全に電源から切り離すことができるため、ＮＴＴの基準を守ることができる回路となっている。

　図２２の例では、アース側の機械接点としてスイッチＳＷ３を設けている。これによって、負荷（＝機器）が完全に電源側と切り離されるので、安全性が向上する。このスイッチＳＷ３もスイッチＳＷ１、ＳＷ２と機械的には一体で連動する方式とする。このため、３つの接点が用いられる。機械スイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３は同様に連動して動作する。このような例としては、交流三相回路で使われるスイッチがある。動作は下記のようである。尚、負荷はアースが取られているとしている。動作は以下のようである。

　１）ＯＮ時には、スイッチＳＷ２とＳＷ３が先にほぼ同時にＯＮになる。すると、タイマ（Ｔｉｍｅｒ）に電力が供給されｔｒｉｇ端子にトリガ信号が入り、ｏｕｔ端子からＩＧＢＴのゲートに入力されるパルス信号がＴ１のパルス幅で出力され、ＩＧＢＴがＯＮになる。この間にスイッチＳＷ１がＯＮになる。このため、スイッチＳＷ１の接点間にはアークが発生しない。スイッチＳＷ２、ＳＷ３の接点間にはアークが発生するが、これは、ＯＮになるタイミングのため、最終的には接触するので、僅かな時間しかアークは発生しないので、問題は無い。

　２）ＯＮ時が保持されるときには、スイッチＳＷ１、ＳＷ３には電流が流れるが、ＩＧＢＴがＯＦＦのため、スイッチＳＷ２には電流が流れない。

　３）ＯＦＦ時には、スイッチＳＷ１が先にＯＦＦにする。すると、ＩＧＢＴがＯＦＦであるため、タイマ（Ｔｉｍｅｒ）のｔｒｉｇ端子にトリガ信号が入り、すぐにｏｕｔ端子からＩＧＢＴのゲートに入力されるパルス信号が期間Ｔ２出力され、ＩＧＢＴがＯＮになり、スイッチＳＷ２の金属接点間にはアークが発生しなくＯＦＦになる。

　パルス幅Ｔ２が経過すると、ＩＧＢＴがＯＦＦになるので、回路電流はゼロになる。すると、すぐにタイマ（Ｔｉｍｅｒ）のｔｒｉｇ端子にトリガ信号が入るが、期間Ｔ３の間はタイマ（Ｔｉｍｅｒ）は、トリガ信号が入っても、ｏｕｔ端子から、ＩＧＢＴのゲートに入力されるパルス信号は出力されないので、ＩＧＢＴのＯＦＦ状態が保持される。その間の回路電流がゼロの間にスイッチＳＷ２とＳＷ３の両方か一方がＯＦＦになる。電流がゼロであるため、接点間にはアークが発生しない。そして、スイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３の全てがＯＦＦになるため、スイッチ部は電源の高圧側及びアース側から切り離され、遮断が完成する。

　図２３は、図２２の一部を変更したものである。これは、図２２のスイッチＳＷ２の位置を変えただけである。動作としては図２２に準じる。この場合は、主回路に流れる電流にたいしてスイッチＳＷ２、ＳＷ３の２つの接点が直列に入っている。このため、もし遮断失敗しても少なくともアーク電圧が２倍になるため、図２２の回路より安全になる場合がある。

　図２４は、図２３の変形例を示す図である。これはタイマの電力の取り方を、図２３と変えていて、図２０と図２１の関係に対応する。したがって、動作は同じである。

　図２５に、負荷にインダクタンス成分が多くあるときに対応させて還流ダイオードを備えた構成を示す。動作は、図２４と同じである。還流ダイオードによって、遮断時にスイッチ部に発生するサージ電圧を吸収できる。尚、ダイオードに、直列に抵抗を入れることによって、回路のエネルギーを吸収する。

＜さらに別の実施形態＞
　ＤＣスイッチにおいて「遮断失敗」（ｆａｉｌｕｒｅ　ｔｏ　ｏｐｅｎ）は短絡のように大電流が流れるわけではなく、ほぼ同じ電流が流れている状況になる。他の機器は「遮断失敗」を検出することは困難である。ＤＣスイッチにおいて遮断失敗時、アークプラズマが発生するため、電極が溶けスイッチが破壊する場合があり、出火（火災）等の原因ともなり得る。遮断失敗等がスイッチの寿命中に一度でもあれば実際には使用不可能となる。尚、交流では電極間距離が開くこと、及び、何度も電流ゼロが生じるために、遮断失敗が直接火災の原因となることはほぼあり得ないと考えられてきている。

　ＤＣスイッチにも、遮断失敗に対する対応策が必要になる。図２６を参照して説明する。図２６には、遮断失敗によって、３つのスイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３の各接点間でアークプラズマが発生している状況が示されている。図２６は、図２４の構成と同一である。

　アークプラズマの検出として、
・接点間電圧の検出、
・電極温度の計測、
・アークプラズマからの光及び電流の計測や磁場計測
　等が挙げられる。

　本実施形態では、電流計測に電流センサＣＴ（Ｃｕｒｒｅｎｔ　Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）を利用している。ＣＴからの信号は、タイマ／制御系のＣｉｎに入る。そして、スイッチＳＷ１、ＳＷ２がＯＦＦ状態であるにもかかわらず、ＣＴからの信号がゼロでないときには、タイマ／制御系は、遮断失敗と判断する。このとき、スイッチＳＷ１～ＳＷ３のうち、一つの接点でもアークプラズマが切れると電流遮断は成功する。したがって、遮断失敗には、下記の対応を行う。

（１）ＩＧＢＴを、タイマ／制御系のｏｕｔからゲートに供給される信号（ゲート電圧）によって、再度、点弧する。これによって、スイッチＳＷ１に流れていた電流はＩＧＢＴに転流する。なお、遮断失敗であるため、タイマ／制御系には、駆動用の電力が供給されており、正常に動作することができる。

（２）この結果、スイッチＳＷ１のアークプラズマが消弧する。この時、ＩＧＢＴを通って電流が流れているため、スイッチＳＷ２、ＳＷ３の各接点間に発生しているアークプラズマは発生している状況が続いている。

（３）ＩＧＢＴに、例えば数ミリ秒程度電流を流すと、スイッチＳＷ１の接点間耐電圧が回復する。その後、タイマ／制御系のｏｕｔからＩＧＢＴのゲートに供給される信号（ゲート電圧）によってＩＧＢＴをＯＦＦとする。すると、回路がオープンとなり、遮断が行われる。この結果、スイッチＳＷ２、ＳＷ３の接点間に発生していたアークプラズマも消弧する。

（４）上記（１）から（３）の動作を行っても、遮断が行われないときには、（１）から（３）の動作を更に繰り返す。これによって、遮断が成功するまで繰り返す。この状況は交流スイッチ接点が開いている状況で何度も、電流ゼロを経験することと等価となる。上記実施例のＤＣスイッチに対応可能となる。

（５）上記（１）から（３）を一定数の繰り返しを行っても遮断ができないときには、より上流のＤＣスイッチに信号を送り、上流側で電流遮断を行うようにする。

　さらに、信号をインターネットなどの通信を通じて、遮断失敗があったことを上流のＤＣスイッチや、遮断失敗を行ったスイッチから電話やメールなどで知らせる機能も追加することは安全に重要である。

　なお、本実施形態は、図２４以外にも、図１８、図２０、図２１、図２２、図２３、図２５等のいずれの構成についても適用可能であることは勿論である。

　市販のＤＣスイッチは、一般に、通常の交流スイッチとほぼ同じ形式であり、電極が高融点金属材料からなり、特殊なガス中に封入する等の対策が講じられているが、遮断失敗時にはいかなる対応もとることができない。このため、ＤＣスイッチは、遮断失敗対策を実現しない限り、家庭やオフィス及び工場等では広く使うことができないものと思料される。

　本実施形態によれば、直流が広く利用されるための技術的な貢献をなすものと期待される。

＜さらにまた別の実施形態＞
　図２７は、本発明のさらにまた別の実施形態の構成を示す図である。機械スイッチとしてスイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷを備え、ＩＧＢＴ等の自己消弧素子はそれぞれ２のスイッチを使っている。スイッチＳＷ１、スイッチＳＷ２は＋高圧側、スイッチＳＷ３、ＳＷ４は、負極側の－高圧側に挿入され、＋高圧側、－高圧側のＩＧＢＴのゲートには、当該ＩＧＢＴ１、２のエミッタ・コレクタ間電圧を抵抗Ｒ１、Ｒ２で分圧した電圧をトリガー端子（ｔｒｉｇ）に入力するタイマ（Ｔｉｍｅｒ）１、２を備えている。ＯＮ時には、機械的に、スイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ４がほぼ同時にＯＮ（導通）になることによって、＋高圧側とアース間の負荷、－高圧側とアース間の負荷に、それぞれ電流が流れ始める。

　＋高圧側、－高圧側のスイッチＳＷ２、ＳＷ４がＯＮになると、タイマ（Ｔｉｍｅｒ）１、２に電力が供給され、稼動を開始する。同時に、スイッチＳＷ１、ＳＷ３がＯＦＦであるため、タイマ（Ｔｉｍｅｒ）１、２のｔｒｉｇ端子にトリガ信号が入り、ｏｕｔ端子からＩＧＢＴ１、２のゲートにパルス信号が出力され、ＩＧＢＴ１、２がＯＮ状態になる。

　ＩＧＢＴ１、２がＯＮ状態の間に、スイッチＳＷ１、ＳＷ３がＯＮになる。このため、スイッチＳＷ１、ＳＷ３では全くアークが接点間で発生しない。パルス幅Ｔ１が経過するとＩＧＢＴ１、２はＯＦＦになる。しかし、ＳＷ１、ＳＷ３がＯＮであるため、タイマ１、２のｔｒｉｇ端子にはトリガ信号が入らないため、ｏｕｔ端子からＩＧＢＴ１、２のゲートへのパルス信号は出力されず、ＩＧＢＴはＯＦＦ状態が保持される。但し、タイマ（Ｔｉｍｅｒ）１、２には電力が供給され続けるので、タイマ（Ｔｉｍｅｒ）１、２はスタンバイ状態である。

　ＯＦＦ時には、最初に、＋高圧側、－高圧側のスイッチＳＷ１、ＳＷ３がＯＦＦになる。タイマ（Ｔｉｍｅｒ）１、２には電力が供給され、スタンバイ状態が続いている。すると、タイマ（Ｔｉｍｅｒ）１、２のｔｒｉｇ端子にトリガ信号が入り、ｏｕｔ端子からパルス信号が出力され、ＩＧＢＴ１、２がＯＮ状態になる。このため、ＳＷ１、ＳＷ３の接点間にはアークが発生しない。その後、期間Ｔ２が経過すると、ＩＧＢＴ１、２がＯＦＦ状態になる。

　スイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ４がＯＮ時には、ＩＧＢＴに電流が流れない。このため、前記各実施形態と同様、半導体素子に流れる電流によって損失が大きくなることはない。

　スイッチがＯＦＦ時には、ＩＧＢＴ１、２にゲート信号が印加され、ＩＧＢＴ１、２がＯＮになる。すぐにスイッチＳＷ１、ＳＷ３がＯＦＦになる。ＩＧＢＴ側に電流が転流するので、接点間にアークは発生しない。この時間差を短くしているため、僅かな時間金属接点スイッチの電極間にアークを発生しても問題が無い場合がある。その後、ＩＧＢＴ１、２がＯＦＦになり、直流電流が遮断される。最後に、スイッチＳＷ２、ＳＷ４がＯＦＦになり、負荷は電源側と切り離される。本実施形態では、アース線には、金属接点スイッチが入っていないが、必要なときには、スイッチＳＷ２、ＳＷ４と連動して、同時に、ＯＦＦになるスイッチを配設してもよい。

　負荷のインダクタンスが大きな場合には、ＩＧＢＴが電流遮断をするときに大きなサージ電圧が発生する。この場合、図２７の変形例１として、図２８に示すように、ダイオードＤとエネルギー吸収を行う抵抗Ｒの直列回路を、＋高圧側とアース間、－高圧側とアース間にそれぞれ接続する。これによって、ＩＧＢＴが処理しなくてはならない電気エネルギーを減少させ、安全性が向上する。

　図２９は、本実施形態の変形例２を示す図である。図２９には、ＩＧＢＴの故障のため電流遮断ができなくなったときにヒューズを利用して遮断を行う構成が示されている。図２９を参照すると、図２８の構成に、さらに、＋高圧側では、ＩＧＢＴ１のコレクタ端子と、スイッチＳＷ２、ＳＷ１の接続点の間に直流電流遮断用のヒューズ１を備え、－高圧側では、ＩＧＢＴ２のコレクタ端子と、スイッチＳＷ４、ＳＷ３の接続点の間に直流電流遮断用のヒューズ２を備えている。ＩＧＢＴのＯＮ時間は短いので、この時間ではヒューズは動作せず、溶断によって電流遮断が行われない。一般に、半導体スイッチ素子等は、故障時、ＯＮ状態になる場合があり、ＩＧＢＴが故障によって電流遮断ができなくなると、長時間にわたってヒューズには電流が流れ続ける。この時間は、ヒューズを選択することによって調整することができる。このため、所定期間ＩＧＢＴに電流が流れ続けると、故障と判断し、ヒューズが動作する（溶断）。なお、ヒューズを利用したリカバリー回路は、前記各実施形態のいずれについても適用可能である。

　なお、上記の特許文献、非特許文献の各開示を、本書に引用をもって繰り込むものとする。本発明の全開示（請求の範囲を含む）の枠内において、さらにその基本的技術思想に基づいて、実施形態ないし実施例の変更・調整が可能である。また、本発明の請求の範囲の枠内において種々の開示要素の多様な組み合わせないし選択が可能である。すなわち、本発明は、請求の範囲を含む全開示、技術的思想にしたがって当業者であればなし得るであろう各種変形、修正を含むことは勿論である。

　１０　アーム
　１１　バネ
　１２　高融点金属接点
　１３　銅接点
　１４　回転部
　１５　ケーブル

Claims

　金属接点を持つ機械スイッチと、
　前記機械スイッチに並列に接続され、電気信号により導通、非導通が制御される半導体スイッチと、
　を備えたスイッチ。
　スイッチ導通時、前記半導体スイッチを非導通状態から導通させたのち、前記機械スイッチを非導通状態から導通させ、前記スイッチ非導通時、前記機械スイッチを導通状態から非導通としたのち、前記半導体スイッチを導通状態から非導通とする、請求項１記載のスイッチ。
　第２のスイッチと第１の抵抗の直列回路を負荷と並列に接続してなる、請求項１記載のスイッチ。
　前記機械スイッチと並列に、第２のスイッチと第１の抵抗の直列回路を接続してなる、請求項１又は２記載のスイッチ。
　前記機械スイッチと並列に第１の容量と第１の抵抗の直列回路を接続してなる、請求項１記載のスイッチ。
　電源電圧を分圧する分圧抵抗を備え、分圧点の電圧が、前記半導体スイッチの制御端子に入力される請求項１記載のスイッチ。
　電源と前記分圧点間に、前記分圧抵抗の１つと並列に、第１の容量と補助スイッチの並列回路を接続してなる、請求項１記載のスイッチ。
　前記補助スイッチを導通状態から非導通としたのち、前記機械スイッチを非導通状態から導通させ、
　前記機械スイッチを導通状態から非導通としたのち、前記補助スイッチを非導通状態から導通させる、請求項７記載のスイッチ。
　前記機械スイッチが遮断機械スイッチである、請求項１記載のスイッチ。
　前記遮断機械スイッチを導通状態から非導通としたのち、前記半導体スイッチを導通状態から非導通とする、請求項９記載のスイッチ。
　前記機械スイッチの第１、第２の接点の各々が、銅接点と高融点金属接点を有し、
　前記第１の接点において、前記高融点金属接点表面は銅接点表面よりも突設し、
　前記第２の接点が、前記高融点金属接点の裏に弾性部材を備え、
　閉成時、銅接点と高融点金属接点は同一面で当接し、前記第１、第２の接点の一方が固定接点であり、他方が可動接点である、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のスイッチ。
　前記第１、第２の接点の各々が、銅接点と高融点金属接点を有し、
　前記第１の接点は固定接点であり、前記第２の接点は可動接点であり、
　前記第１の接点において、前記高融点金属接点表面は銅接点表面よりも突設し、
　前記第２の接点を可動自在に支持するアームを可撓性とし、閉成時、銅接点と高融点金属接点は同一面で当接する、請求項１１記載のスイッチ。
　ＤＣスイッチの電流経路上流に、前記ＤＣスイッチと通信する別のスイッチをさらに備え、前記ＤＣスイッチのオフ時に前記ＤＣスイッチが電流を遮断できない場合、別のスイッチが前記電流を遮断する、スイッチ。
　前記ＤＣスイッチが、金属接点を持つ機械スイッチと、
　前記機械スイッチに並列に接続され、電気信号により導通、非導通が制御される半導体スイッチと、
　を備えた請求項１３記載のスイッチ。
　前記別のスイッチは外部と通信する機能を備えた請求項１４記載のスイッチ。
　金属接点を持つ機械スイッチと、
　前記機械スイッチに並列に接続され、電気信号により導通、非導通が制御される半導体スイッチと、
　電源側と負荷側間の分圧抵抗による分圧電圧をトリガ信号として受け、所定パルス幅のパルスを出力するタイマを備え、前記タイマの出力パルスは前記半導体スイッチの制御端子に供給され、前記半導体スイッチのオン・オフを制御する、スイッチ。
　前記タイマの電源端子と高圧側の間に前記機械スイッチと連動する別のスイッチ（ＳＷ２）を備えている、請求項１６記載のスイッチ。
　前記タイマの接地端子とアース側の間に前記機械スイッチと連動するさらに別のスイッチ（ＳＷ３）を備えている、請求項１７記載のスイッチ。
　前記機械スイッチの負荷側の端子とアース側の間にダイオードを備えた請求項１８記載のスイッチ。
　ＤＣスイッチ導通時、前記半導体スイッチを非導通状態から導通させたのち、前記機械スイッチを非導通状態から導通させ、前記スイッチ非導通時、前記機械スイッチを導通状態から非導通としたのち、前記半導体スイッチを導通状態から非導通とする、請求項１４乃至１９のいずれか１項に記載のスイッチ。
　第２のスイッチと第１の抵抗の直列回路を負荷と並列に接続してなる、請求項１４乃至２０のいずれか１項に記載のスイッチ。
　前記機械スイッチと並列に、第２のスイッチと第１の抵抗の直列回路を接続してなる、請求項１４乃至２１のいずれか１項に記載のスイッチ。
　前記機械スイッチと並列に第１の容量と第１の抵抗の直列回路を接続してなる、請求項１４乃至１９のいずれか１項に記載のスイッチ。
　電源電圧を分圧する分圧抵抗を備え、分圧点の電圧が、前記半導体スイッチの制御端子に入力される請求項１４乃至２３のいずれか１項に記載のスイッチ。
　電源と前記分圧点間に、前記分圧抵抗の１つと並列に、第１の容量と補助スイッチの並列回路を接続してなる、請求項１４乃至２４のいずれか１項に記載のスイッチ。
　前記補助スイッチを導通状態から非導通としたのち、前記機械スイッチを非導通状態から導通させ、
　前記機械スイッチを導通状態から非導通としたのち、前記補助スイッチを非導通状態から導通させる、請求項２５記載のスイッチ。
　前記機械スイッチが遮断機械スイッチである、請求項１４乃至１９のいずれか１項に記載のスイッチ。
　前記遮断機械スイッチを導通状態から非導通としたのち、前記半導体スイッチを導通状態から非導通とする、請求項２７記載のスイッチ。
　前記機械スイッチの第１、第２の接点を、前記機械スイッチの回転アーム部と固定部に備え、前記第１、第２の接点のそれぞれの高さの関係が、前記回転アームと前記固定部側とで異なる請求項１４乃至２８のいずれか１項に記載のスイッチ。
　前記機械スイッチの第１、第２の接点を、前記機械スイッチの可動部と、前記可動部と対向する固定部に備え、前記可動部と前記固定部の一方において、前記第１、第２の接点の高さが異なる請求項１５乃至２８のいずれか１項に記載のスイッチ。
　前記機械式スイッチの遮断失敗によって接点間に発生したアークプラズマを検出する手段と、
　前記機械式スイッチの前記接点間に発生したアークプラズマを検出時、前記アークプラズマを消去する手段と、
　を備えた請求項１４乃至２８のいずれか１項に記載のスイッチ。
　前記機械式スイッチの電流経路に電流検出器を備え、
　前記機械式スイッチがオフであるにもかかわらず、前記電流検出器で電流が検出された場合、前記半導体スイッチをオンとし、前記機械式スイッチに流れていた電流を前記半導体スイッチに転流させることで、前記機械式スイッチの接点間に発生したアークプラズマを消弧させる、請求項１４乃至２８のいずれか１項に記載のスイッチ。
　前記機械式スイッチの電流経路に電流検出器を備え、
　前記機械式スイッチがオフであるにもかかわらず、前記電流検出器で電流が検出された場合、前記半導体スイッチをオンとし、前記機械式スイッチに流れていた電流を前記半導体スイッチに転流させることで、前記機械式スイッチの接点間に発生したアークプラズマを消弧させ、
　前記半導体スイッチをさらに所定期間電流を流したのち、前記半導体スイッチをオフとし、前記別の機械式スイッチの接点間に発生したアークプラズマを消弧させる、請求項１７又は１８に記載のスイッチ。
　一端が接地された第１の負荷と正極電源間に直列接続された、金属接点を持つ第１、第２の機械スイッチと、
　前記第１の機械スイッチに並列に接続され、電気信号により導通、非導通が制御される第１の半導体スイッチと、
　前記第２の機械スイッチと前記第１の機械スイッチの接続点と前記第１の負荷側間の分圧抵抗による分圧電圧をトリガ信号として受け、所定パルス幅のパルスを出力する第１のタイマと、
　一端が接地された第２の負荷と負極電源間に直列接続された、金属接点を持つ第３、第４の機械スイッチと、
　前記第３の機械スイッチに並列に接続され、電気信号により導通、非導通が制御される第２の半導体スイッチと、
　前記第３の機械スイッチと前記第３の機械スイッチの接続点と前記第１の負荷側間の分圧抵抗による分圧電圧をトリガ信号として受け、所定パルス幅のパルスを出力する第２のタイマと、
　を備え、前記第１、第２のタイマの出力パルスは前記第１、第２の半導体スイッチの制御端子に供給され、前記第１、第２の半導体スイッチのオン・オフを制御する、スイッチ。
　前記第１の機械スイッチと前記第１の負荷の接続点と接地間に、ダイオードと抵抗を直列に接続した第１の回路と、
　前記第３の機械スイッチと前記第２の負荷の接続点と接地間に、ダイオードと抵抗を直列に接続した第２の回路と、
　を備えている、請求項３４記載のスイッチ。
　前記第１の半導体スイッチと、前記第１、第２のスイッチの接続点間に接続された第１のヒューズと、
　前記第２の半導体スイッチと、前記第３、第４のスイッチの接続点間に接続された第２のヒューズと、
　を備えている、請求項３４又は３５記載のスイッチ。