JP2002325355A

JP2002325355A - 限流装置

Info

Publication number: JP2002325355A
Application number: JP2001130239A
Authority: JP
Inventors: Yoshitaka Sugawara; 良孝菅原
Original assignee: Kansai Electric Power Co Inc
Current assignee: Kansai Electric Power Co Inc
Priority date: 2001-04-26
Filing date: 2001-04-26
Publication date: 2002-11-08
Anticipated expiration: 2021-04-26
Also published as: JP3600802B2

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】従来の限流装置は形状が大きく重く、且つ開
局時の接点焼損により短寿命であるうえに、事故電流を
検出してから限流するまでに要する時間（限流開始時
間）が遅く大きな短絡電流が流れてしまうという問題が
あった。この結果、限流器以外の各種の系統機器（区分
開閉器、柱上変圧器、ガイシ、電圧電流変成器）も大電
流に耐えれるように大電力容量のものにせざるをえず、
大型大重量化し価格も高価になっていた。【解決手段】交流端子２１，２２の間にダイオード２
３，２５とワイドギャップ半導体バイポーラ素子２４，
２６とをそれぞれ逆並列に接続した基本デバイスを２個
逆直列に接続し、これに限流インピーダンス２７を並列
接続するとともに、事故電流を検出する受光素子内蔵検
出回路２８，２９とワイドギャップ半導体バイポーラ素
子のオン・オフ用駆動回路３０，３１とをそれぞれ装備
して限流装置を構成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、限流装置に関す
る。本発明は特に低圧、高圧、特別高圧系統から基幹系
統、に至る全ての電力系統において、系統事故による過
電流、変圧器やコンデンサ設備投入時のインラッシュ電
流、低圧系統での負荷投入時のインラッシュ電流等を抑
制する限流装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】現在一般に全ての電力系統において、系
統事故による過電流、変圧器やコンデンサ設備投入時の
インラッシュ電流、低圧系統での負荷投入時のインラッ
シュ電流等を抑制しするために高性能、高速、小容量、
軽量な限流装置が要望されている。従来、この種の目的
のための限流装置の代表的なものとして高速機械式真空
バルブとＳｉ−ＧＴＯサイリスタとの組合せで構成され
る複合型限流装置が開発され、文献「電気学会論文誌
Ｂ、１１７巻１０号１３６０頁〜１３６７頁、１９９７
年」等に開示されている。図１２の（ａ）はその主要回
路構成を示す。同図に示すようにその先行例では、高速
機械式真空バルブ１０３、逆並列に接続された２個のＳ
ｉ−ＧＴＯサイリスタ１０４、１０５、スナバ回路１０
６、と限流インピーダンス１０７が第１及び第２の２つ
の電力系統１０１と１０２間に互に並列に接続されてい
る。

【０００３】この先行例の複合型限流装置では、正常時
は高速機械式真空バルブ１０３をオンして使用するので
インピーダンスは実用上無視できるレベルである。たと
えば第２の電力系統１０２側に短絡事故１１２が発生し
た場合は変流器すなわち電磁式検出装置１０８ａを設け
た事故検出回路１０８で事故電流を検出して制御回路１
０９を作動させ、この制御回路１０９からの出力でＳｉ
−ＧＴＯサイリスタ１０４、１０５をターンオンさせ
る。一方、高速機械式真空バルブ１０３をオフさせる指
令も出させる。前記指令が出ると、高速機械式真空バル
ブ１０３は電磁反発力により接点を高速に開極する。そ
の結果、高速機械式真空バルブ１０３に流れていた事故
電流はＳｉ−ＧＴＯサイリスタに転流する。その後Ｓｉ
−ＧＴＯサイリスタ１０４、１０５をターンオフさせる
と、短絡電流は限流インピーダンス１０７によって規定
値に限流されて流れる。先行例の複合型限流装置はこの
ようにして限流動作を行うものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記の先行例の複合型
限流装置は以下の問題点を有する。

【０００５】１．機械式真空バルブ（ＶＣＢ）１０３を
使用しているので装置が大きく重くなる。

【０００６】２．開極時に高速機械式真空バルブ内でア
ークが発生しこのアークにより接点が焼損する。したが
って繰り返し使用回数が著しく制限され寿命が短い。

【０００７】３．高速の機械式真空バルブでも開極速度
が約２５０マイクロ秒と遅いため、短絡事故発生後開極
するまでに、短絡電流が図１２の（ｂ）のハッチングで
示すように大きな値になって流れてしまう。したがって
大電流容量にしなければならず、高速機械式真空バルブ
が大型大重量化し、価格も高価になる。

【０００８】４．事故検出装置としては電磁式検出装置
１０８ａが使用されるが、それは形状が大きく且つ検出
時間も約１００マイクロ秒と遅く、事故を検出するまで
に大きな短絡電流が流れる。

【０００９】５．シリコン（Ｓｉ）で構成される従来の
ＧＴＯサイリスタは電流遮断耐量が小さい。そこで上記
３、４項の原因で増大してしまう所定の大きな短絡電流
を遮断するために素子を大面積にしたり、複数個並列接
続したりする必要がある。このため、装置が大型大重量
化する一方、大電流による発熱を防ぐために冷却設備も
大型大重量化する。また、従来のＳｉ−ＧＴＯはターン
オフ時間が２０マイクロ秒以上と遅く、ターンオフする
までに大きな短絡電流が流れてしまうので、それに耐え
る構造とするために装置が大型で重量化してしまう。

【００１０】６．実際の電流遮断の時間には上記３、
４、５項で説明した所用時間の上に、更に事故電流が高
速機械式真空バルブからＳｉ−ＧＴＯサイリスタに転流
する転流時間が加わる。したがって従来装置では事故電
流を検出してから限流するまでに約６００マイクロ秒も
の時間を要し、限流の開始が遅くなり、この間に短絡電
流が大きな値になって流れてしまう。例えば、電圧６ｋ
Ｖ・電流容量４００Ａの配電系統にこの複合型限流装置
を設置した場合、事故時の短絡電流は約３５００Ａに及
ぶ。それゆえ正常状態では４００Ａでしか使わないの
に、限流装置を構成するＳｉ−ＧＴＯサイリスタやダイ
オード、高速機械式真空バルブや限流インピーダンス
を、事故時の短絡電流に対応できるようにするため３５
００Ａの大電流容量のものにする必要があり、このため
限流装置が大型且つ大重量化し価格も高価になる。

【００１１】以上のように、従来技術には装置が大きく
重く、且つ開極時の接点焼損により短寿命であるという
問題に加えて、事故電流を検出してから限流するまでに
要する時間（以下これを限流開始時間と呼ぶ）が長く、
その結果大きな短絡電流が流れてしまうという問題があ
る。この結果、限流装置が大電力容量化する一方、その
他の各種の系統機器（区分開閉器、柱上変圧器、碍子、
電圧電流変成器）も大電流（例えば３５００Ａ）に耐え
れるように大電力容量のものにせざるをえず、大型大重
量化し価格も高価になってしまう。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、本発明は機械式真空バルブ装置や電磁式事故検出
装置を用いず、半導体素子を主にして構成することによ
り、限流装置を小型・軽量・長寿命化するとともに、事
故電流が大きくなる前に遮断を完了することで全体の構
成を小電力容量にすることを目的とする。この目的を達
成するために本発明の限流装置では、基本的にはダイオ
ードと発光性のワイドギャップ半導体制御素子とを逆並
列に接続した単位逆並列接続体を２つ逆直列に接続し、
これに限流インピーダンスを並列接続した。そして、事
故電流を検出する受光素子内蔵の検出回路とその検出出
力により作動する、発光性のワイドギャップ半導体制御
素子のオン・オフ用駆動回路とを具備した。このような
構成により限流装置を小型軽量長寿命化した。また限流
開始時間を短くして短絡電流を小さくしたことにより小
電力容量にして上記の目的を達成する。

【００１３】発光性のワイドギャップ半導体制御素子に
ついて簡単に説明する。従来のＧＴＯなどのバイポーラ
半導体素子では、オン電圧を低くして低損失にするため
に、接合を形成しているｐ型またはｎ型の半導体層内に
おいてキャリアの再結合が出来るだけ生じないように構
成している。すなわち各半導体層に再結合センターを出
来るだけ含まないようにしている。これに対して、本発
明で用いる発光性ワイドギャップ半導体制御素子では、
前記従来のバイポーラ半導体素子とは異なり、半導体制
御素子を形成する複数の半導体層内の少なくとも一層に
ある程度の再結合センターが存在するように構成してい
る。なお、以下の説明では、簡単のため「発光性の」と
言う語を省略して説明する。再結合センターは、例えば
ＳｉＣを用いる場合は、少なくとも１つの半導体層にア
ルミニュウムと窒素の原子をドープすることにより得ら
れる。このようにすると、アルミニュウム原子が作る不
純物レベルにキャリア（正孔または電子）と、窒素原子
が作る不純物レベルにキャリア（正孔または電子）が再
結合することにより放射光が発生する。半導体層に多数
のアルミニュウム原子と窒素原子をドープして多数の再
結合センターを形成すると放射光の強さは大きくなる。
ただ再結合により、キャリア（正孔または電子）の流れ
が阻害されるのでバイポーラ素子のオン抵抗が高くなり
したがってオン電圧も高くなる。その結果バイポーラ素
子の電力損失が大きくなる。そこで、放射光の強さとオ
ン抵抗の大きさを、実用性を考慮しつつ望ましい値に設
定する必要があるので、アルミニュウム原子及び窒素原
子の数をそれぞれ１×１０^１５〜１×１０^１９ａｔｏｍ
／ｃｍ^３の範囲にするのが望ましいことを実験的に見出
した。ＳｉＣの場合は、アルミニュウムはｐ型不純物と
して働き、窒素はｎ型不純物として働く。そこで、再結
合センターを有する半導体層がｐ型の場合は、アルミニ
ュウムを窒素より多くドープする必要がある。例えばア
ルミニュウムを１×１０^２１ａｔｏｍ／ｃｍ^３程度まで
増加させてもよい。また再結合センターを有する半導体
層がｎ型の場合は、窒素をアルミニュウムより多くドー
プする必要がある。例えば窒素を１×１０^２１ａｔｏｍ
／ｃｍ^３程度まで増加させてもよい。また、再結合セン
ターの形成は、半導層の一部分のみに極在して形成させ
必要とする放射光のみを得てもよい。これにより電子や
正孔の再結合を必要な放射光に相当する強度に抑えてオ
ン抵抗の増加を防ぐことができる。

【００１４】上記の構成の本発明の限流装置は、第１及
び第２の２つの電力系統の間に直列に接続して使用され
る。通常時には正の半波では、第１の電力系統側と第２
の電力系統側との２個のワイドギャップ半導体素子をオ
ンさせて交流電流を、第１の電力系統側の交流端子から
その側のダイオードを経て、第２系統側のワイドギャッ
プ半導体素子から第２の電力系統側の交流端子へと流
す。反対の極性の電流に対しては、第２の電力系統側の
交流端子からその側のダイオードと、第１の電力系統の
側のワイドギャップ半導体素子を経て第１系統側の交流
端子１のルートへ流す。このため、本発明の素子は、順
方向耐圧のみ有すればよく、逆方向耐圧はダイオードが
担当する。したがって図１２（ａ）に示した先行例など
の順逆両方向の耐圧を有する素子に比べて大幅に低損失
な素子にでき、それにより交流端子１、２間にダイオー
ドと制御素子の２素子が介在することによる損失の増大
を大幅に緩和できる。ここで、逆並列接続されるダイオ
ードは、シリコン（Ｓｉ）ダイオードでもワイドギャッ
プ半導体ダイオードそのほかの半導体ダイオードのいず
れでもよい。

【００１５】ＳｉＣ（シリコンカーバイド）などのワイ
ドギャップ半導体デバイスはＳｉ（シリコン）のデバイ
スに比べて優れた物性値を有することが知られている。
すなわちＳｉ半導体素子によれば困難なレベルの高耐圧
と超低損失の両方の要求を同時に実現でき、また高温動
作にも耐えることができる。この結果、ＳｉＣ制御素子
での電力損失が少なくできるので、発生熱を低減できる
うえに、高温でも動作を維持できる。したがって冷却装
置が大幅に簡略化でき小型・軽量・安価にできる。更
に、電力損失が少なくできるので送電ロスも少なくでき
る。ＳｉＣで構成されたＳｉＣ制御素子は電流遮断耐量
も大きいので、Ｓｉの場合のように所定の遮断電流を確
保するために素子面積を大きくしたり複数個並列接続し
たりする必要がなくなり装置が更に小型軽量化できる。

【００１６】本発明による限流装置では、事故発生、例
えば第２の電力系統の側における短絡事故発生が、ワイ
ドギャップ半導体制御素子またはワイドギャップ半導体
ダイオードから発せられる放射光を受光素子を内蔵した
検出回路で検出することにより検知され、きわめて短時
間で短絡電流を限流する。すなわち短絡事故時には通常
電流を上回る大きな短絡電流が上記のルートでワイドギ
ャップ半導体制御素子とワイドギャップ半導体ダイオー
ドを流れることを利用するのである。

【００１７】発明者はＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタなどの
ワイドギャップ半導体制御素子またはＳｉＣダイオード
などのワイドギャップ半導体ダイオードの発光強度は通
電電流の増大に瞬時的に対応して強くなるという性質を
見出した。本発明の特徴は、短絡電流の発生による、ワ
イドギャップ半導体制御素子またはワイドギャップ半導
体ダイオードの通電電流の急激な増大に伴う、発光強度
の絶対値の増大または発光増加割合の増大を受光素子内
蔵検出回路で瞬時に検出し用いることにある。すなわち
この検出信号を用いて駆動回路を作動させ、第１の電力
系統（１０１）の側と第２の電力系統（１０２）の側と
の、各単位逆並列接続体中の両ワイドギャップ半導体制
御素子をごく短時間にオフにさせる。こうして逆並列接
続体（α、β）をごく短い時間でオフさせ、その後は短
絡電流が限流インピーダンス（７）に流れるようにして
限流を行う。

【００１８】上記の受光素子での検出に要する時間は１
マイクロ秒以下であるから、この検出信号を用いてワイ
ドギャップ半導体制御素子をオフさせるまでの時間は数
マイクロ秒以下にできる。したがって短絡事故発生から
限流開始までのトータルの時間は約１０マイクロ秒以下
と短くできる。このように短絡電流を短時間に限流でき
るため、流れる短絡電流を極めて少なくできる。

【００１９】それ故ワイドギャップ半導体制御素子の短
絡電流を著しく低減できる。例えば、本発明の限流装置
を電圧６ｋＶで電流容量４００Ａの配電系統に適用した
場合、事故時の短絡電流は理想的には回路の基本電流４
００Ａに「短絡による電流３１００Ａ×短絡電流が電流
の半波の継続時間６００マイクロ秒に対して占める限流
開始時間１０マイクロ秒の比率」としての値である、
｛４００Ａ＋３１００Ａ（１０マイクロ秒／６００マイ
クロ秒）｝以下、すなわち約４５２Ａ以下に低減でき
る。この結果、本発明の実施例では限流装置の電力容量
を大幅に低減できるとともに、従来例よりも電流遮断定
格容量の小さい、例えば６００Ａ級ワイドギャップ半導
体制御素子でもって、電流容量４００Ａの配電系統用の
限流装置を充分な余裕をもって構成できる。このため素
子や駆動回路が小型安価にでき、且つ、ワイドギャップ
半導体制御素子での電力損失が少なくでき、冷却装置も
大幅に小型・軽量・安価にできる。

【００２０】当然ながら、ワイドギャップ半導体制御素
子においてはオン・オフ時のアーク等による損傷が発生
しないので装置を長寿命にできる。また、本発明によれ
ば、事故電流の検出をＳｉ（シリコン）やＧｅ（ゲルマ
ニウム）半導体、またはＳｉＣやＧａＮ等のワイドギャ
ップ半導体及び光導電材料等で形成した受光素子を用い
て行うので、在来の電磁式事故検出装置に比べて大幅な
小型軽量化が出来る。また、光による検出方式なので電
気的ノイズに強いという特徴もある。

【００２１】以上のように本発明によれば限流装置自体
が大幅に小型・軽量・小電力容量・長寿命にできるだけ
でなく、限流装置以外の各種の系統機器（例えば区分開
閉器、柱上変圧器、がいし、電圧電流変成器）も、従来
ほど大電流に耐えるための大電力容量のものにする必要
がなく、小型・軽量化ができ価格も低廉にできる。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の幾つかの実施形態
を図１〜図１１を参照しつつ説明する。《第１実施例》図１は、本発明の第１の実施例の回
路図であり、この回路は電圧６ｋＶ・電流容量４００Ａ
の配電系統に用いることができる限流装置の例である。
それぞれ第１の電力系統１０１及び第２の電力系統１０
２の側の各交流端子１と２の間に、ＳｉＣダイオード３
とＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ４を逆並列に接続した単位
逆並列接続体αとＳｉＣダイオード５とＳｉＣ−ＧＴＯ
サイリスタ６を逆並列に接続した単位逆並列接続体βと
が、互いに逆直列に接続されている。またこの逆直列接
続体α＋βに限流インピーダンス７を並列接続してあ
る。

【００２３】更にこの限流装置の回路を流れる事故電流
を検出する回路として、短絡電流発生時にＳｉＣ−ＧＴ
Ｏが発する放射光の発生、またその急増を受けて検出電
圧出力を出す、受光素子を内蔵した検出回路８、９と、
これら検出回路８、９の出力によりＳｉＣ−ＧＴＯサイ
リスタのオン・オフを制御するオン・オフ駆動回路１
０、１１とをＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ４、６にそれぞ
れ接続して、限流装置が構成されている。

【００２４】この実施例回路のＳｉＣダイオード３、５
とＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ４、６は定格順方向耐圧１
２ｋＶ、定格オン電流６００Ａを有する。また限流イン
ピ−ダンス７は両単位逆並列接続体α、βの各インピー
ダンスよりも大きく設定され、約５Ωである。また前記
受光素子を内蔵した検出回路８、９の受光素子としては
Ｓｉホトダイオードを用い、前記駆動回路１０、１１は
Ｓｉ半導体素子と通常のディスクリート型コンデンサと
抵抗で構成している。

【００２５】図１の実施例の動作は次のとうりである。
すなわち、まず事故電流のない通常動作時には、駆動回
路１０、１１からオン駆動信号がＳｉＣ−ＧＴＯサイリ
スタ４、６にそれぞれ送付され、それらにより各ＳｉＣ
−ＧＴＯサイリスタ４、６をオンさせて交流電流を流し
ている。すなわち、第１の電力系統１０１の側から見て
正のときの交流電流は、一点鎖線の矢印で示すように、
第１の電力系統１０１→第１の電力系統１０１の側の交
流端子１→第１の電力系統１０１の側のＳｉＣダイオー
ド３→第２の電力系統側のＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ６
→第２の電力系統側交流端子２→第２の電力系統１０２
のルートで流れる。この際、ＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ
４とＳｉＣダイオード５とは上記の正方向の電流に対し
て逆バイアスとなるのでこれらには電流は流れない。

【００２６】他方、第２の電力系統１０２の側の交流端
子２から見て正の交流電流は破線矢印で示すように、第
２の電力系統１０２→第２の電力系統側の交流端子２→
ＳｉＣダイオード５→第１の電力系統側のＳｉＣ−ＧＴ
Ｏサイリスタ４→第１の電力系統側の交流端子１→第１
の電力系統１０１側のルートで流れる。この際、ＳｉＣ
−ＧＴＯサイリスタ６とＳｉＣダイオード３とは上記の
電流に対して逆バイアスとなるので電流は流れない。

【００２７】次に事故発生時の動作を説明する。例えば
電力系統１０２側に短絡事故１２が発生した時、第１の
電力系統１０１の側から第２の電力系統１０２の側に一
点鎖線で示す正の交流電流が流れている時に、第２の電
力系統１０２側においてＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ６を
介して短絡電流が流れる。このときＳｉＣ−ＧＴＯサイ
リスタ６から増大した発光が放射される。本実施例の場
合、４００Ａの電流が流れている通常時はＳｉＣ−ＧＴ
Ｏサイリスタ６から放射される発光強度は約１０ｍＷで
あるが、短絡電流が流れて４８０Ａになると発光強度は
瞬時に約１．２倍の約１２ｍＷに増大する。この急激に
増大した光出力により、受光素子としてのＳｉホトダイ
オードを内蔵した検出回路９からは１２ｍＷに対応する
大きな検出信号が駆動回路１１に送られる。この信号に
よりオフ駆動回路部１１が動作してオフ信号をＳｉＣ−
ＧＴＯサイリスタ６に与え、これをオフさせる。また、
波線で示す負の短絡電流が流れる時は、ＳｉＣ−ＧＴＯ
サイリスタ４から増大した発光が放射されるので、同様
にして検出回路８の検出信号で駆動回路１０を動作させ
てＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ４をオフさせる。

【００２８】なお、図1の回路構成にして正の短絡電流
が流れた時に、ＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ６の受光素子
内蔵検出回路９からの信号によって、駆動回路１０も作
動させ、ＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ４をオフさせて負の
短絡電流が流れないようにさせてもよい。これらの結
果、短絡電流１２は両単位逆並列接続体β及びαを通っ
て流れることが出来なくなり、このため電流は限流イン
ピーダンス７を通って流れる。前述のとおり、限流イン
ピーダンス７は単位逆並列接続体α、βよりも大きな所
定のインピーダンスに設定してあるので、短絡電流は所
定の電流値に限流されて流れる。

【００２９】ここで、所定の電流値とは変電所の電流遮
断器ＣＢがトリップする電流値（例えば１３６０Ａ、
０.１秒以上継続するとトリップする。）以下のレベル
であり、且つ配電系統の各所に設置されたモニタリング
センサが事故判定するのに必要な電流値に設計してお
く。こうして短絡事故判定がなされる。短絡事故判定の
後は、短絡事故区間のみを上記の配電系統から切り離し
た後、駆動回路１０、１１からオン駆動信号をＳｉＣ−
ＧＴＯサイリスタ４、６にそれぞれ送付し、各ＳｉＣ−
ＧＴＯサイリスタ４、６をオンさせて通常の交流電流を
流す。また短絡事故が復旧したときは事故区間を再度配
電系統に接続しこの区間にも所定の交流電流を供給す
る。

【００３０】このような動作の本実施例は従来装置に比
べて次の利点を有する。すなわち、短絡事故時の検出を
ＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ４、６の発光強度の増大とし
て受光素子内蔵の電子的検出回路８、９で検出する。こ
の検出信号で電子回路からなる駆動回路１０、１１を作
動させてＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタをオフさせ、それに
より短絡電流が限流インピーダンスの方を流れるように
して限流させている。この結果、限流開始時間が短絡事
故１２による短絡電流の発生から約１０マイクロ秒以下
に短くできる。

【００３１】これをやや詳細に説明すれば、短絡電流が
流れてから前記発光強度が増大するまでの時間はナノ秒
のレベルであり、この発光強度の増大を受光素子内蔵の
検出回路８、９で検出するのに要する時間は１マイクロ
秒以下である。更にこの検出回路８、９からの検出信号
を用いてオン・オフ駆動回路１０、１１を動作させてＧ
ＴＯサイリスタ４、６をオフさせるまでの時間は数マイ
クロ秒以下である。これには、ＳｉＣ−ＧＴＯサイリス
タ４、６のターンオフ速度が在来のＳｉ−ＧＴＯサイリ
スタのターンオフ速度に比べて著しく早いことが大きく
寄与している。

【００３２】この結果、トータルの限流開始時間を約１
０マイクロ秒以下にでき、この値は従来例の約１／６０
以下の時間と短い。したがって、急増する短絡電流を早
く限流できるため、流れる短絡電流は約４６０Ａにとど
まり、従来例の約１４％と大幅に低減できる。

【００３３】このようにＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタのタ
ーンオフが早く行われる結果、本限流装置に用いるＧＴ
Ｏサイリスタでは、電流遮断定格容量を余裕を見て６０
０Ａと従来例の約１７％に小さくでき、大幅に小型安価
に出来る。また、短絡電流が少なくなるので短絡事故時
のＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ４、６内での電力損失が少
なくでき、ＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ４、６の冷却装置
が小型・軽量・安価にできる。本実施例ではＳｉＣ−Ｇ
ＴＯサイリスタ４、６を流れる短絡電流を直接検出して
そのオン・オフを制御しているので、本限流装置内の寄
生容量や寄生インピーダンスがＧＴＯサイリスタ４、６
に及ぼす影響も含めたうえでの、精度のよい制御ができ
る。

【００３４】また、本発明においては、従来から多く用
いられて来たＳｉサイリスタ及びＳｉダイオードよりも
優れた物性値を有するＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ４、６
とＳｉＣダイオード３、５で回路の主要部（単位逆並列
接続体α、β）を構成した。それ故従来例の主要部の構
成に多用されていたＳｉ−ＧＴＯでは困難だったレベル
の高耐圧と超低損失、高動作速度を同時に実現でき、ま
た高温動作にも耐えられる。この結果、本発明の実施例
では、４００Ａを通電している通常時のＧＴＯサイリス
タとダイオードのオン電圧は各々５．６Ｖ及び３．９Ｖ
であり、電力損失は約２．２４ｋＷ及び１．５６ｋＷで
あった。これらは従来例よりも少なくできたので、発生
熱をさらに低減でき、そのうえ、ＳｉＣ−ＧＴＯサイリ
スタは３００℃以上の高温でも動作を維持できるので冷
却装置が更に大幅に小型・軽量・安価にできる。

【００３５】ちなみに、従来技術で構成しようとする場
合、１２ｋＶで使える高耐圧Ｓｉ−ＧＴＯサイリスタや
高耐圧Ｓｉダイオードと言うものが存在しないので、６
ｋＶ耐圧のＳｉ−ＧＴＯとＳｉダイオード素子をまず２
個直列接続しさらに、その直列接続体を逆並列して、単
位逆並列接続体を構成する必要があった。このような回
路では２つの電力系統間の半導体回路が２直列となるの
で、４００Ａ通電時のオン電圧が、２つのＳｉ−ＧＴＯ
サイリスタで６．３Ｖ、２つのＳｉ−ダイオードで４．
９Ｖとなり、電力損失はそれぞれ２．５２ｋＷ及び１．
９６Ｗであった。これにくらべると本発明の実施による
上記の２．２４ｋＷ及び１．５６ｋＷの電力損失は従来
技術の場合にくらべて５％及び２６％小さかった。

【００３６】本発明の装置では事故電流の検出をＳｉホ
トダイオードを用いて行なうので、従来の電磁式変流器
を用いた事故検出装置に比べて大幅に小型軽量に出来
る。すなわち、本実施例の規格の配電系統のケーブルは
直径約４０ｍｍでありこのケーブルを囲むように構成す
る従来技術による電磁式変流器を用いると直径約７０ｍ
ｍ、長さ約３０ｍｍ程度の形状となり、体積１１０立方
センチメートル、重量８００グラム以上である。ところ
が本実施例ではＳｉホトダイオードを用いるので、電磁
式の従来例にくらべて体積重量とも１／１０以下にで
き、大幅に小型軽量に出来た。

【００３７】更に、本発明の実施例では、限流装置以外
の各種の系統機器（区分開閉器、柱上変圧器、碍子、電
圧電流変成器等）も３５００Ａの大電流に耐えることが
できる大容量のものにする必要がなくなり、小型軽量化
ができ価格も低廉にできる。

【００３８】《第２実施例》図２は、本発明の第２
の実施例の回路図であり、６．６ｋＶ・４００Ａの配電
系統に用いることができる限流装置である。本実施例で
は、ＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ２４、２６として図３に
示すような断面構造をもつアノードゲート駆動型のＳｉ
Ｃ−ＧＴＯサイリスタを用いる。このＧＴＯサイリスタ
は、ｎ型エミッタとして機能するｎ^＋型のＳｉＣの基板
５０の上にｐ型ＳｉＣのベース層５１、ｎ型ＳｉＣのベ
ース層５２、ｐ型ＳｉＣのエミッタ層５３を順次積層
し、基板５０の下面には金薄膜（約５μｍ厚）層のカソ
ード電極５４を、エミッタ層５３の上には金薄膜（約５
μｍ厚）層のアノード電極５５を、さらにｎ型ベース層
５２の上には複数の金薄膜（約５μｍ厚）層のアノード
ゲート電極５６を設けてある。

【００３９】このＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタではアノー
ド電極５５に接続した端子１１４からアノードゲート電
極５６、５６に接続した端子１１５、１１５に駆動電流
を流すことによりＧＴＯ−サイリスタをオンさせる。ま
た、オンした後は、ゲートＧにアノードＡよりも高い電
圧を与えることにより、アノード電極５５とカソード電
極５４の間を流れている電流を、アノードゲート電極５
６からカソード電極５４へと迂回させることによりオフ
にさせる。

【００４０】図３に示した、ＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ
を構成する各層の添加不純物及び層の厚さは次の通りで
ある。基板５０は窒素Ｎを約１０^２０ａｔｍ／ｃｍ^３添
加した約４００マイクロメータ厚のｎ^＋層；ベース５１
はアルミニュウムＡｌを約１０^１４ａｔｍ／ｃｍ^３添加
した約８０マイクロメータ厚のｐ層；ベース５２は窒素
とＡｌの両方を各々２．８×１０^１７ａｔｍ／ｃｍ^３と
８×１０^１６ａｔｍ／ｃｍ^３添加した約２マイクロメー
タ厚のｎ型層；エミッタ５３はＡｌを約５×１０^１８ａ
ｔｍ／ｃｍ^３添加した約５マイクロメータ厚のｐ型層で
ある。ＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタの場合、現状ではｐ型
ＳｉＣはｎ型ＳｉＣに比べて最小の抵抗率が１桁以上大
きい。したがって、最も厚い基板５０の部分をｎ型Ｓｉ
Ｃを用いて構成すると、ｐ型ＳｉＣ基板を用いた場合に
比べて抵抗を小さくできる。このためオン時の電力損失
を第１実施例よりも小さくできる利点がある。

【００４１】図２に示すように、交流端子２１と２２の
間には、ＳｉＣダイオード２３とアノードゲート駆動型
ＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ２４とを逆並列接続した単位
逆並列接続体α’及び、ＳｉＣダイオード２５とアノー
ドゲート駆動型ＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ２６を逆並列
に接続した単位逆並列接続体β’、を互いに逆方向直列
に接続している。更にこの逆方向直列接続体には限流イ
ンピーダンス２７を並列に接続している。そうして、こ
の限流装置の回路を流れる事故電流を検出する回路とし
て、短絡電流発生時にＳｉＣ−ＧＴＯが放射する光また
はその放射光の急増を受けて検出電圧出力を出す受光素
子を内蔵した検出回路２８、２９とを設け、且つこれら
の検出回路の出力により制御されるＳｉＣ−ＧＴＯサイ
リスタのオン・オフ用駆動回路３０、３１をＳｉＣ−Ｇ
ＴＯサイリスタ２５、２６に接続して限流装置を構成し
ている。

【００４２】上記ＳｉＣダイオードは定格耐圧１４ｋ
Ｖ、定格オン電流６００Ａを有し、またＳｉＣ−ＧＴＯ
サイリスタも定格耐圧１４ｋＶ、定格オン電流６００Ａ
を有している。また、Ｓｉホトダイオードを内蔵した受
光素子内蔵検出回路２８、２９と各ＳｉＣ−ＧＴＯサイ
リスタの駆動回路３０、３１はＳｉ（シリコン）半導体
素子と通常のコンデンサと抵抗を用いて構成している。

【００４３】第２実施例の動作は、受光素子内蔵検出回
路２８、２９の信号でアノードゲート駆動型ＳｉＣ−Ｇ
ＴＯサイリスタ２４、２６のそれぞれのｎベース電極Ｇ
とアノード電極Ａとの間に設置したオン・オフ駆動回路
３０、３１を各々動作させる点を除けばほぼ第１実施例
と同様である。

【００４４】この実施例では、アノードゲート駆動型Ｓ
ｉＣ−ＧＴＯサイリスタ２４、２６を用いているので、
通常時の４００Ａ通電時でもＧＴＯサイリスタ部でのオ
ン電圧が４．２Ｖと低い。したがって電力損失は約１．
７ｋＷと第１実施例よりも更に少ないので冷却装置を第
１実施例よりも小型軽量化でき且つ送電ロスもこの分少
なくできた。

【００４５】図４は、図２に示したアノードゲート型Ｓ
ｉＣ−ＧＴＯ型サイリスタ２４または２６と、検出回路
２８または２９の中に内蔵されている受光素子１２８９
（シリコンダイオード）を使い易いように組合せデバイ
スにしたものを示す。すなわち図４のデバイスではＳｉ
Ｃ−ＧＴＯサイリスタと受光素子とを１組にし、金属キ
ャップ１０４と金属ベース１０３からなるケーシング内
に収めて、組み合わせた光ＧＴＯ素子１０１０の構造の
例を示す。

【００４６】図４に示した組み合わせ光ＧＴＯ素子１０
１０において２４、２６はＳｉＣ−ＧＴＯをしめし、１
２８９は検出回路２８または２９内の受光素子を示す。

【００４７】図において、カソード電極Ｋに接続されて
いる金属ベース１０３の中央部にはＳｉＣ−ＧＴＯ２
４または２６のカソードが固定されている。ＳｉＣ−Ｇ
ＴＯ２４または２６の表面には、このＳｉＣ−ＧＴＯを
電流が流れるとき光を放射する光放射窓１１９が設けら
れている。金属ベース１０３の上には、金属製のキャッ
プ１０４が固定されている。キャップ１０４の天井部の
内面には受光素子（ホトダイオード）１２８９が、絶縁
板１２９を介して、その受光部１０２ＢをＳｉＣ−ＧＴ
Ｏ２４または２６の光放射窓１１９に向けて取り付け
られている。金属ベース１０３は２つの孔１１７、１１
８を有している。孔１１７からはアノード５５に導線１
１４Ｂ、１１４Ｃで接続したアノード電極Ａが絶縁して
導出され、孔１１８からはゲート５６に導線１１５で接
続したゲート電極Ｇが絶縁して導出されている。キャッ
プ１０４は２つの孔４１０、４１１を有し、その孔４１
０からは受光素子１２８９のアノード７Ａに導線１０６
で接続した電極１２８９Ａが導出され、孔４１１からは
カソード９Ａに導線１２８で接続した電極１２８９Ｂが
導出されている。孔４１０、４１１、１１７、１１８は
いずれも既知の気密封止材で絶縁及び気密封止をしてい
る。

【００４８】光ＧＴＯ素子１０１０のパッケージ内にお
いて、ＳｉＣ−ＧＴＯ２４、２６のアノード５５は、
アノード電極Ａに２本以上の導線１１４Ｂ、１１４Ｃで
接続されている。電流量に応じて本数を増やす。図３に
示すＧＴＯ２４、２６のゲート５６、５６は導線１１
５、１１５でゲート電極Ｇに接続されている。図４の受
光素子１２８９のアノード７Ａは導線１０６でアノード
電極１２８９Ａに接続され、カソード９Ａは導線１２８
でカソード電極１２８９Ｂに接続されている。光ＧＴＯ
素子１０１０のパッケージ内において、ＧＴＯ２４、
２６と受光素子１２８９は絶縁板１２９により電気的に
絶縁されている。ＧＴＯ２４、２６の光放射窓１１９
と受光素子１２８９の受光部１２８９Ｂとの間の距離は
約１ｃｍである。受光素子１２８９であるシリコンホト
ダイオードは、１辺が３ｍｍの略正方形であり厚さは約
０．５ｍｍである。ＧＴＯ２４、２６のアノード電極
Ａ、ゲート電極Ｇ及びカソード電極Ｋはともに長さが約
３ｃｍである。

【００４９】図４に示すように、この光ＧＴＯ２４、
２６では、アノード５５の導線を取付けるための金蒸着
の電極５５の一部だけを除去して、限られた大きさの光
放射窓１１９を設けているので、過度の放射光がホトダ
イオードに当たらない。また光放射窓１１９と受光素子
１２８９の受光部１０２Ｂとの間は約１ｃｍ離して受光
部に当る光が適当な値になるように設計してある。した
がって異常時に通電電流が通常時の２００Ａから瞬間的
に異常時の１０００Ａに増加したときでも、受光素子２
の光電流が１２０ｍＡ程度の値に抑えられる。したがっ
て受光素子２への印加電圧が例えば１０Ｖのときその電
力損失は約１．２Ｗであり検出デバイスのものとして適
当である。以上の結果、本発明の目的とする小型軽量小
電力容量化が実現できた。

【００５０】《第３実施例》図５に本発明の第３実
施例を示す。この第３実施例の限流装置は２０ｋＶ・４
００Ａの配電系統に用いることができる。第１及び第２
の電力系統に接続された各交流端子２０１と２０２の間
には３直列のＳｉＣダイオード２３０、２３１、２３２
と４直列のＧａＮ−ＧＴＯサイリスタ２４０、２４１、
２４２、２４３とを逆並列に接続した第１の単位並列回
路γと、同様に３直列のＳｉＣダイオード２５０、２５
１、２５２と４直列のＧａＮ−ＧＴＯサイリスタ２６
０、２６１、２６２、２６３とを逆並列に接続した第２
の単位並列回路δとを逆直列に接続している。さらに両
端子２０１と２０２の間に、上記直列接続体γ＋δとは
さらに並列に、限流インピーダンス２０７が並列接続さ
れている。

【００５１】事故電流を検出するための受光素子内蔵検
出回路２０８、２０９はそれぞれＧａＮ−ＧＴＯサイリ
スタ２４０とＧａＮ−ＧＴＯサイリスタ２６３のみに対
応して設けられ部品数の無駄を防いでいる。また、ＧＴ
Ｏサイリスタのオン・オフ用駆動回路２７０、２７１、
２７２、２７３、２８０．２８１、２８２、２８３は、
それぞれ各ＧａＮ−ＧＴＯサイリスタ２４０、２４１、
２４２、２４３、２６０、２６１、２６２、２６３に接
続されている。

【００５２】ＳｉＣダイオード２３０、２３１、２３
２、２５０、２５１、２５２は定格耐圧１２ｋＶ、定格
オン電流６００Ａを有し、各ＧａＮ−ＧＴＯサイリスタ
２４０、２４１、２４２、２４３、２６０、２６１、２
６２、２６３は定格耐圧９ｋＶ、定格オン電流６００Ａ
を有し、限流インピ−ダンス２０７は約１５Ωの抵抗値
である。また、受光素子内蔵検出回路２０８、２０９と
ＧａＮ−ＧＴＯサイリスタのオン・オフ駆動回路２７０
〜２８３はＳｉ半導体素子と通常のコンデサと抵抗で構
成している。

【００５３】この第３実施例の動作は、単位逆並列接続
体γまたはδ内の４直列のＧａＮ−ＧＴＯサイリスタ
を、代表のＧａＮ−ＧＴＯ２４３及び２６０の光放射
により短絡事故時に同時にオフ動作させる点、及びＧＴ
Ｏ構造が若干異なる点、を除けば、ほぼ第１実施例と同
様である。ＧａＮ−ＧＴＯは第２実施例の図３におい
て、ほぼ同じ各半導体層の厚さと不純物濃度をもつ構造
である。ただし、ＧａＮではＺｎがｐ型不純物、Ｓｉが
ｎ型不純物として機能するので各層を構成する不純物と
してはこれらの原子をドープしている。ｎベースには
２．８×１０^１７原子／ｃｍ^３のＳｉをドープしてあ
り、４７０ｎｍの波長の第２実施例よりも強い放射光を
得ることができる。この放射光を用いて第１実施例と同
様なパワー半導体素子回路にすることにより同様の効果
を実現できる。

【００５４】本実施例は、第１実施例の利点に加えて、
より高電圧の系統に対応できるという利点がある。ま
た、直列接続された複数のＧａＮ−ＧＴＯサイリスタの
中の代表の１個２４３、２６０のみに発光取りだし機構
を設ければよいので構成が簡単になるという効果もあ
る。更に、ＧａＮ−ＧＴＯサイリスタの発光はＳｉＣ−
ＧＴＯサイリスタの発光よりも強度が強く、例えば本実
施例では通常電流４００Ａが流れている場合は約５０ｍ
Ｗ、４８０Ａの短絡電流が流れた場合は約６０ｍＷであ
り、発光強度の差が１０ｍＷと大きくなる。したがって
より簡単な受光検出回路構成でより精度良く短絡事故を
検知できるという利点がある。

【００５５】《第４実施例》図６は、本発明の第４
の実施例であって、７７ｋＶ・６００Ａの配電系統に用
いることができる限流装置の回路を示す。第１の電力系
統１０１の側と第２の電力系統１０２の側との各交流端
子３５と３６の間に、６直列のＳｉＣダイオード３０１
〜３０６と１２直列のアノードゲート駆動型ＳｉＣ−Ｇ
ＴＯサイリスタ３２１〜３３２とを逆並列に接続した第
１の単位逆並列接続体ε、及び同様に６直列のＳｉＣダ
イオード３０７〜３１２と１２直列のアノードゲート駆
動型ＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ３３３〜３４４とを逆並
列に接続した第２の単位逆並列接続体ζを、互に逆直列
に接続する。さらにこの直列接続体ε＋ζに限流インピ
ーダンス３７を並列接続している。

【００５６】更にこの限流装置の回路を流れる事故電流
を検出する受光素子内蔵の検出回路３８、３９は、各１
２個の組のＳｉＣダイオードの中の代表の一個である３
０６と３０７のみに対応して設け部品数の無駄を防いで
いる。また、アノードゲート駆動型ＳｉＣ−ＧＴＯサイ
リスタ３２１〜３３２及び３３３〜３４４のオン・オフ
用駆動回路３５１〜３６２及び３６３〜３７４は各ＧＴ
Ｏサイリスタ毎に設けている。

【００５７】ＳｉＣダイオード３０１〜３０６及び３０
７〜３１２は定格耐圧２５ｋＶ、定格オン電流８００Ａ
を有し、アノードゲート駆動型ＳｉＣ−ＧＴＯサイリス
タ３２１〜３３２及び３３３〜３４４は定格耐圧１２ｋ
Ｖ、定格オン電流８００Ａを有している。また、受光素
子内蔵検出回路３８、３９と各ＳｉＣ−ＧＴＯサイリス
タのオン・オフ駆動回路３５１〜３６１及び３６３〜３
７４はＳｉ半導体素子と通常のコンデンサと抵抗で構成
している。

【００５８】上記第４実施例の動作を述べる。単位逆並
列接続体εまたはζ内の１２直列のアノードゲート駆動
型ＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ３２１〜３３２または３３
３〜３４４はいつも同時にオン動作またはオフ動作す
る。また代表のＳｉＣダイオード３０６と３０７の放射
光によって受光素子内蔵検出回路３８、３９を動作さ
せ、受光素子内蔵検出回路３８からの信号でアノードゲ
ート駆動型ＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ３２１〜３３２
を、また受光素子内蔵検出回路３９からの信号でアノー
ドゲート駆動型ＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ３３３〜３４
４を、それぞれ動作させる。この二つの点を除けば、動
作はほぼ第１実施例と同様である。本実施例のＳｉＣダ
イオードはｐアノード電極の一部に光放射窓を設けてお
り、且つ、この窓に対応するｐアノード半導体層とその
近傍のみにアルミニュウムと窒素の両方の原子をドープ
して再結合センターを形成している。それ以外のｐアノ
ード半導体層には、放射光を発生する機能を持たないた
めにアルミニュウムのみがドープされているので、電子
の再結合によるオン電圧の増加は防ぐことができる。こ
れにより低いオン電圧と所望の発光（１００Ａ／ｃｍ^２
通電時には発光強度約１１ｍＷ、発光波長約４７０ｎ
ｍ）を得ている。

【００５９】本実施例は第１実施例の利点に加えて、よ
り高電圧の系統に適用できるという利点がある。また、
ゲートを有せず構造が簡単なＳｉＣダイオードに発光取
りだし機構を設ければよく且つ直列接続された複数のＳ
ｉＣダイオードの中の代表１個のみに放射光検出機構を
設ければよい。したがって構成が簡単になるという効果
もある。また、本実施例ではＳｉＣダイオードの発光を
用いるので、ＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタはＳｉＣ−ＭＯ
ＳＦＥＴやＳｉＣ−ＪＦＥＴなどのユニポーラ制御素子
でもよい。

【００６０】《第５実施例》図７は、本発明の第５
実施例であり、６ｋＶ・１００Ａの配電系統に用いるこ
とができる限流装置である。第１電力系統と第２電力系
統のそれぞれの側の交流端子４０１と４０２の間にＳｉ
Ｃダイオード４０３とＧａＮバイポーラトランジスタ４
０４を逆並列に接続した単位逆並列接続体ηと、同様に
ＳｉＣダイオード４０５とＧａＮバイポーラトランジス
タ４０６を逆並列に接続した単位逆並列接続体θとを、
さらに逆直列に接続し、この逆直列接続体η＋θに限流
インピーダンス４０７を並列接続している。更に事故電
流により生ずる、あるいは急増する照射光を検出する、
受光素子内蔵検出回路４０８、４０９及び検出回路４０
８、４０９の出力によりバイポーラトランジスタをオン
・オフ制御するオン・オフ用駆動回路４１０と４１１を
各々ＧａＮバイポーラトランジスタ−４０４と４０６に
対応して設けている。ＳｉＣダイオードとＧａＮバイポ
ーラトランジスタの定格耐圧はいづれも１２ｋＶ、定格
オン電流はいづれも３００Ａである。

【００６１】図７に示す第４実施例の動作は、単位逆並
列接続体内のＧａＮバイポーラトランジスタのオン状態
では常に駆動回路からＧａＮバイポーラトランジスタに
駆動電流を供給し続け、オフ状態ではこの駆動電流の供
給を停止する、という特徴的な点を除けば、ほぼ第１実
施例と同様である。

【００６２】バイポーラトランジスタはＧＴＯに比べて
オン・オフ速度が約０．５マイクロ秒と速いので、本実
施例は限流装置の限流開始時間を、先行する各実施例よ
り更に短くできる。そのことによって前述したように短
絡電流の量を小さくでき、したがって更に小電力容量の
限流装置が実現できるという効果がある。また、第３実
施例と同様にＧａＮデバイスにはｎベースに５×１０
^１７ａｔｍ／ｃｍ^２のＳｉ原子をドープしているが、発
光効率がＳｉＣバイポーラ素子よりも１桁以上高い。し
たがってより簡単な受光検出回路構成でより精度良く短
絡事故を検知できるという利点もある。

【００６３】《第６実施例》図８は、本発明の第６
実施例の回路図であり、６ｋＶ・４００Ａの配電系統に
用いることができる限流装置を示す。第１配電系統１０
１と第２配電系統１０２の各交流端子５０１と５０２の
間に、ＳｉＣダイオード５０３とｐ型ＳｉＣ−ＩＧＢＴ
５０４を逆並列に接続した単位逆並列接続体ιと、同様
にＳｉＣダイオード５０５とｐ型ＳｉＣ−ＩＧＢＴ５０
６を逆並列に接続した単位逆並列接続体κとを逆直列に
接続し、この逆直列接続体に対して限流インピーダンス
５０７を並列接続している。

【００６４】事故電流を検出する受光素子内蔵検出回路
５０８、５０９及びＳｉＣ−ＩＧＢＴ５０４、５０６の
オン・オフ用駆動回路５１０と５１１を、それぞれがＳ
ｉＣ−ＩＧＢＴ５０４と５０６をオン・オフ駆動するよ
う接続して設けている。ＳｉＣダイオード５０３、５０
４とＳｉＣ−ＩＧＢＴ５０４、５０６の定格耐圧はいづ
れも１２ｋＶ、定格オン電流はいづれも６００Ａであ
る。第６実施例のｐ型ＳｉＣ−ＩＧＢＴはｎボディ半導
体層にアルミニュウムと窒素の両原子をドープして再結
合センターを形成している。アルミニュウムは８×１０
^１８原子／ｃｍ^３、窒素原子は２．８×１０^１７原子／
ｃｍ^３ドープしている。これにより、所定の低オン電圧
（１００Ａ／ｃｍ^２通電時に４．４Ｖ）と所定の発光
（１００Ａ／ｃｍ^２通電時には発光強度約１１ｍＷ、発
光波長約４７０ｎｍ）を実現している。

【００６５】第６実施例の動作は、単位逆並列接続体の
ＳｉＣ−ＩＧＢＴのオン状態では常に駆動回路からＳｉ
Ｃ−ＩＧＢＴのゲートに負の駆動電圧を印加し続け、オ
フ状態ではこの駆動電圧の印加を停止するか、あるいは
いったん逆極性の駆動電圧を印加した後に駆動電圧の印
加を停止する、という点を除けば、ほぼ第１実施例と同
様である。ＳｉＣ−ＩＧＢＴはＳｉＣ−ＧＴＯに比べて
オン・オフ速度が約１マイクロ秒以下と速いので、本実
施例では限流装置の限流開始時間を更に短くでき、その
結果短絡電流の量を小さくできる。したがって限流装置
を更に小電力容量にできるという効果がある。

【００６６】《第７実施例》図９は、本発明の第７
実施例であり、６ｋＶ・４００Ａの配電系統に用いるこ
とができる限流装置である。第１電力系統１０１の交流
端子６０１と第２電力系統１０２の６０２の間にＳｉＣ
ダイオード６０３とｐ型のノーマリーオンＳｉＣ静電誘
導型サイリスタ６０４を逆並列に接続した単位逆並列接
続体と、同様にＳｉＣダイオード６０５とｐ型のノーマ
リーオンＳｉＣ静電誘導型サイリスタ６０６を逆並列に
接続した単位逆並列接続体とを逆直列に接続し、この逆
直列接続体に対して限流インピーダンス６０７を並列接
続している。

【００６７】事故電流を検出する受光素子内蔵検出回路
６０８、６０９及びＳｉＣ静電誘導型サイリスタのオン
・オフ用駆動回路６１０と６１１を、各々ＳｉＣ静電誘
導型サイリスタ６０４と６０６を制御するようにこれら
に接続して設けている。ＳｉＣダイオードとＳｉＣ−Ｉ
ＧＢＴの定格耐圧はいづれも１２ｋＶ、定格オン電流は
いづれも６００Ａである。本実施例のｐ型ＳｉＣ静電誘
導型サイリスタはカソード接合付近のｎ半導体層約２マ
イクロメータの範囲のみにアルミニュウムと窒素の両原
子をドープして再結合センターを形成している。アルミ
ニュウムは１×１０^１８原子／ｃｍ^３、窒素原子は１．
１×１０^１９原子／ｃｍ^３ドープしている。この部分以
外のｎカソード半導体層には窒素原子が１×１０^２０原
子／ｃｍ^３ドープしている。これにより、所定の低オン
電圧（１００Ａ／ｃｍ^２通電時に４．４Ｖ）と所定の発
光（１００Ａ／ｃｍ^２通電時には発光強度約１１ｍＷ、
発光波長約４７０ｎｍ）を実現している。

【００６８】この第７実施例の動作の特徴は、単位逆並
列接続体内のＳｉＣ静電誘導型サイリスタのオン状態で
は常に駆動回路６１０、６１１からそれぞれＳｉＣ静電
誘導型サイリスタ６０４、６０６のゲートに負のビルト
イン電圧以下の駆動電圧（例えば −２.５Ｖ）を印加し
続け、オフ状態では正の駆動電圧を印加し続ける。以上
の特徴点を除けば、その他の部位はほぼ第１実施例と同
様である。

【００６９】ＳｉＣ静電誘導型サイリスタはＳｉＣ−Ｇ
ＴＯに比べてオン・オフ速度が約１マイクロ秒以下と速
いので、本実施例では限流装置の限流開始時間を更に短
くでき短絡電流を小さくできることにより更に小電力容
量にできるという効果がある。また、第５実施例のＳｉ
Ｃ−ＩＧＢＴに比べてオン状態で−２．５Ｖの負電圧を
印加する結果チャネル領域を拡張できるのでオン時のア
ノード・カソード間の抵抗を低減でき、更に装置を低損
失化できるという利点がある。

【００７０】《第７実施例》図１０は本発明を適用
した第８実施例を示す。本実施例においては、第１実施
例の単位逆並列接続体αとβを構成する各々のＳｉＣ−
ＧＴＯとＳｉＣダイオードが１個の半導体素子として図
１１に示すようにモノリシック的に一体化されている点
を除けば、限流装置としての回路の構成と動作は第１実
施例とほぼ同様である。

【００７１】図１１のモノリシック単位逆並列接続体の
構成は以下の通りである。ｎベースとして機能する低濃
度ｎ型基板７００は、厚さ１４０マイクロメータ、不純
物として窒素を濃度約１×１０^１４ａｔｍ／ｃｍ^３含
む。この基板の一方の面（図１１の下部）にｐエミッタ
として機能する厚さ３マイクロメータ、不純物としてア
ルミニュウムを濃度３×１０^１８ａｔｍ／ｃｍ^３でのｐ
型層７０１を形成している。また、基板の他方の面図１
１の上部にはｐベースとして機能する厚さ２マイクロメ
ータ、約３．８×１０^１７ａｔｍ／ｃｍ^３不純物として
アルミニュウムと窒素不純物を約８×１０^１６ａｔｍ／
ｃｍ^３の両方を含むｐ型層７０２を形成している。更に
その上に、ｎエミッタとして機能する厚さ２マイクロメ
ータ、不純物として濃度約３×１０^１９ａｔｍ／ｃｍ^３
の窒素を含むｎ型層７０３を形成している。そして上記
のｐベース７０２は、例えば円形の溝７０５で分離さ
れ、ダイオードのアノードとして機能するｐ型層７０２
が形成されている。また、下部のｐエミッタ７０１はｐ
型層７０２に向い合う部分が除去されたうえで、ダイオ
ードのカソードとして機能するｎ^＋型層７０６が形成さ
れている。このｎ^＋型層７０６は、厚さ１．５マイクロ
メータであり、不純物として濃度が約１×１０^１ ^９ａｔ
ｍ／ｃｍ^３の窒素を含む。

【００７２】ｐベース７０２にはゲート電極７１０と７
１１が設けられている。ｎエミッタ７０３にはカソード
電極７０７が、またｐエミッタ７０１にはアノード電極
７０９を形成される。こうしてサイリスタが構成されて
いる。また、ｐ型層７０２にはダイオードのアノード電
極７０８を形成し、サイリスタのカソード電極Ｋと接続
している。一方、サイリスタのアノード電極７０９は、
ダイオードのカソードとしても機能するｎ型層７０６に
も接続している。この結果、サイリスタとダイオードは
図１０に示すように逆接続され、図１０におけるサイリ
スタ４とダイオード３とからなる単位逆並列接続体α、
もしくはサイリスタ６とダイオード５からなる単位逆並
列接続体βを構成する。

【００７３】ｐベース７０２のアルミニュウム不純物と
窒素不純物は正孔と電子の再結合センターとして機能
し、サイリスタがオンして電流が流れると電子と正孔を
再結合させて発光を生じせしめる点、この発光をサイリ
スタのカソード電極７０７に設けた光取り出し口７１４
から取り出して受光素子で受光することにより通電電流
の検出を行う点、検出回路と駆動回路を動作せしめて限
流動作を実現する点は第１実施例と同様である。なお、
ｐペース７０２においては、光取り出し口７１４の下部
に対向する部分とその近傍の領域のみにアルミニュウム
と窒素の両方の原子をドープして再結合センターを形成
した。ｐベース７０２上でそれ以外の部分にはアルミニ
ュウムのみをドープしＮ原子のドープは行わない。即ち
放射光を発生する機能を持たせなくてもよい。これによ
り、電子と正孔の再結合を必要量に抑えることができる
ので、不必要な再結合によるオン電圧の増加を防ぐこと
ができる。

【００７４】＜変形応用例＞図１１の単位逆並列接続体
は、複数個直列接続して第３及び第４実施例のような更
に高電圧の系統に適用できる限流装置に変形応用でき
る。また図１１のカソードゲート駆動型の構造は、半導
体層の極性を変えてアノードゲート駆動型の構造にする
ことにより、第２実施例に変形応用することができる。

【００７５】以上、８つの実施例を説明したが、本発明
はさらに多くの適用範囲あるいは派生構造をカバーする
ものである。例えば実施例のワイドギャップ半導体素子
はワイドギャップ半導体エミッタスイッチングサイリス
タ（ＥＳＴ）等上記以外のワイドギャップ半導体バイポ
ーラ素子であっても良い。

【００７６】また全実施例に於いてワイドギャップ半導
体スイッチング素子はワイドギャップバイポーラ素子
と、Ｓｉまたはワイドギャップユニポーラ素子とを組み
合わせたハイブリッド素子でも良い。例えばワイドギャ
ップ半導体バイポーラトランジスタとそのエミッタとコ
レクタ間にＳｉ−ＭＯＳＦＥＴまたはＳｉＣ−ＭＯＳＦ
ＥＴ等を接続したハイブリッド素子でも良い。

【００７７】更に、第１実施例と第２実施例におけるＳ
ｉＣダイオードはＳｉダイオードでもよい。またワイド
ギャップ半導体素子としてＳｉＣやＧａＮを用いた素子
の場合のみを述べたが、本発明は、ダイヤモンドやアル
ミニュウムナイトライド、硫化亜鉛などの他の発光性ワ
イドギャップ半導体材料を用いた素子でもよい。第３実
施例では、ＳｉＣダイオードの発光を用いるので、Ｓｉ
Ｃ−ＧＴＯサイリスタはＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴやＳｉＣ
−ＪＦＥＴなどのユニポーラ制御素子でもよい。

【００７８】なお、ＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタはＳｉ−
ＧＴＯサイリスタに比べて過電流に対する耐力が大きい
のでスナバ回路は削除できる場合がある。したがって以
上の説明ではスナバ回路のない実施例を開示したが、当
然ながら大きな過電流が想定される場合はスナバ回路を
付与することが適当である。

【００７９】更に、Ｓｉホトダイオードなどを例示した
受光素子はその他にホトトランジスタやＣｄＳ光導電素
子等でもよく、ＳｉＣホトダイオード等のワイドギャッ
プ半導体受光素子でもよい。

【００８０】

【発明の効果】本発明では、ダイオードと発光性のワイ
ドギャップ半導体バイポーラ素子とを逆並列に接続した
単位逆並列接続体を２個逆直列に接続し、さらにこの直
列接続体に限流インピーダンスを並列接続し、且つ事故
電流を検出する受光素子内蔵検出回路とワイドギャップ
半導体バイポーラ素子のオン・オフ用駆動回路と設けて
限流装置を構成した。純半導体回路としたことにより限
流装置を小型軽量長寿命化でき、且つ限流開始時間を短
くして短絡電流を小さくでき、その結果装置をさらに小
電力容量にできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用した限流装置の第１実施例を示す
回路構成図

【図２】本発明を適用した限流装置の第２実施例を示す
主要回路構成図

【図３】第２実施例に適用するアノードゲート駆動型Ｓ
ｉＣ−ＧＴＯサイリスタの構造図

【図４】第２実施例によるアノードゲート駆動型ＳｉＣ
−ＧＴＯサイリスタとその発する照射光を受けて検出信
号を出す受光素子とを一体の容器に収容したデバイスの
実施例の構造図

【図５】本発明を適用した限流装置の第３実施例を示す
主要回路構成図

【図６】本発明を適用した限流装置の第４実施例を示す
主要回路構成図

【図７】本発明を適用した限流装置の第５実施例を示す
主要回路構成図

【図８】本発明を適用した限流装置の第６実施例を示す
主要回路構成図

【図９】本発明を適用した限流装置の第７実施例を示す
主要回路構成図

【図１０】本発明を適用した限流装置の第８実施例を示
す主要回路構成図

【図１１】第８実施例のモノリシック構造を示す断面図

【図１２】（ａ）従来の限流装置の回路の要部構成図（ｂ）従来の限流装置において限流時間と限流対象電流
の関係を示す図

【符号の説明】

１、２交流端子３ダイオード４、６ワイドギャップ半導体ＧＴＯサイリスタ７限流インピーダンス８、９検出回路１０、１１駆動回路１２短絡電流１０１第１の電力系統１０２第２の電力系統１０３高速機械式真空バルブ１０４、１０５Ｓｉ−ＧＴＯサイリスタ１０６スナバ回路１０７限流インピーダンス１０８変流器１０８事故検出回路１０９制御回路１０、１１オン・オフ駆動回路５、６ＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ４、６ＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ３、５ＳｉＣダイオード５０基板５１ベース層５２ベース層５３エミッタ層基５４カソード電極５５アノード電極５６アノードゲート電極１１４端子５６、５６アノードゲート電極１１５端子２１、２２交流端子２３ＳｉＣダイオード２４アノードゲート駆動型ＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ２５ＳｉＣダイオード３０、３１オン・オフ用駆動回路２５、２６ＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ２８、２９検出回路３０、３１駆動回路１２８９受光素子１０２Ｂ受光部１０４金属キャップ１０３金属ベース１０１０光ＧＴＯ素子１１４Ｂ、１１４Ｃ導線１１９光放射窓１２８９受光素子１０２Ｂ受光部２３０、２３１、２３２ＳｉＣダイオード２４０、２４１、２４２、２４３４直列のＧａＮ−Ｇ
ＴＯサイリスタ２５０、２５１、２５２３直列のＳｉＣダイオード２６０、２６１、２６２、２６３４直列のＧａＮ−Ｇ
ＴＯサイリスタ２０１、２０２端子２０７限流インピーダンス４１０、４１１孔１２８９受光素子７Ａアノード１０６導線１２８９Ａ電極９Ａカソード１２８導線１２８９Ｂ電極４１０、４１１、１１７、１１８孔２０８、２０９受光素子内蔵検出回路２４３、２６０ＧａＮ−ＧＴＯサイリスタ２７０、２７１、２７２、２７３、２８０．２８１、２
８２、２８３ＧＴＯサイリスタのオン・オフ用駆動回路２４０、２４１、２４２、２４３、２６０、２６１、２
６２、２６３ＧａＮ−ＧＴＯサイリスタ２４３ＧａＮ−ＧＴＯ２６０光放射３５、３６交流端子３０１〜３０６６直列のＳｉＣダイオード３２１〜３３２１２直列のアノードゲート駆動型ＳｉＣ
−ＧＴＯサイリスタ３０７〜３１２６直列のＳｉＣダイオード３３３〜３４４１２直列のアノードゲート駆動型ＳｉＣ
−ＧＴＯサイリスタ３７限流インピーダンス３８、３９受光素子内蔵検出回路３５１〜３６１、３６３〜３７４ＳｉＣ−ＧＴＯサイリ
スタのオン・オフ駆動回路４０１、４０２交流端子４０３ＳｉＣダイオード４０４ＧａＮバイポーラトランジスタ４０５ＳｉＣダイオード４０６ＧａＮバイポーラトランジスタ４０７限流インピーダンス４０８、４０９受光素子内蔵検出回路４０８、４０９検出回路４１０、４１１オン・オフ用駆動回路５０１、５０２交流端子５０３ＳｉＣダイオード５０４ｐ型ＳｉＣ−ＩＧＢＴ５０５ＳｉＣダイオード５０６ｐ型ＳｉＣ−ＩＧＢＴ５０７限流インピーダンス６０１、６０２の間に６０３ＳｉＣダイオード６０４ｐ型のノーマリーオンＳｉＣ静電誘導型サイリ
スタ６０５ＳｉＣダイオード６０６ｐ型のノーマリーオンＳｉＣ静電誘導型サイリ
スタ６０７限流インピーダンス６０８、６０９受光素子内蔵検出回路６１０、６１１ＳｉＣ静電誘導型サイリスタのオン・
オフ用駆動回路７００低濃度ｎ型基板７０１ｐ型層７０６カソード電極７１４光取り出し口７０３ｎ型層７０２ｐベース７０５円形の溝７０８ｐ型層７０１ｐエミッタ７０８ｐ型層７０６ｎ^＋型層７１０、７１１ゲート電極７０３ｎエミッタ７０７カソード電極７０９アノード電極

【手続補正書】

【提出日】平成１４年６月２８日（２００２．６．２
８）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 5G013 AA01 AA04 BA01 CA07 5H410 BB05 CC03 DD03 EA04 EA32 EB01 EB38 FF05 KK08 LL07 LL18 LL19 LL20 5H420 BB13 CC05 DD04 EA04 EA20 EA42 EB01 FF04 FF23 KK07

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】２つの電力系統に各々接続される２つの
交流端子、ダイオードとワイドギャップ半導体制御素子とを逆並列
に接続した単位逆並列接続体、前記単位逆並列接続体を２個逆直列に前記２つの交流端
子間に接続してなる直列接続体、前記２つの交流端子間に前記直列接続体に並列に接続さ
れた限流インピーダンス、前記ワイドギャップ半導体制御素子に事故電流が流れた
ときに制御素子が生ずる発光を検出する、受光素子内蔵
の検出回路、前記検出回路の事故電流検出出力に基づいて前記ワイド
ギャップ半導体制御素子をオン・オフ動作させる駆動回
路を具備する限流装置。
【請求項２】２つの電力系統に各々接続される２つの
交流端子、ワイドギャップ半導体ダイオードとワイドギャップ半導
体制御素子とを逆並列に接続した単位逆並列接続体、前記単位逆並列接続体を２個逆直列に前記２つの交流端
子間に接続してなる直列接続体、前記２つの交流端子間に前記直列接続体に並列に接続さ
れた限流インピーダンス、前記ワイドギャップ半導体制御素子に事故電流が流れた
ときに制御素子が生ずる発光を検出する、受光素子内蔵
の検出回路、前記検出回路の事故電流検出出力に基づいて前記ワイド
ギャップ半導体制御素子をオン・オフ動作させる駆動回
路を具備する限流装置。
【請求項３】前記ワイドギャップ半導体制御素子がシ
リコンカーバイド制御素子であることを特徴とする請求
項１又は２記載の限流装置。
【請求項４】前記ワイドギャップ半導体ダイオードが
シリコンカーバイドダイオードであることを特徴とする
請求項１又は２記載の限流装置。
【請求項５】前記受光素子が半導体受光素子であるこ
とを特徴とする、請求項１から４までのいずれかに記載
の限流装置。
【請求項６】前記限流インピーダンスが抵抗器である
ことを特徴とする、請求項１から５までのいずれかに記
載の限流装置。
【請求項７】前記ワイドギャップ半導体制御素子がア
ノードゲート駆動型のＳｉＣ−制御素子であることを特
徴とする、請求項１から６までのいずれかに記載の限流
装置。
【請求項８】前記ワイドキャップ半導体制御素子がＧ
ａＮ−制御素子であることを特徴とする請求項１〜６記
載の限流装置。
【請求項９】前記ダイオード及びワイドギャップ半導
体制御素子が多直列接続されていることを特徴とする請
求項１〜８記載の限流装置。
【請求項１０】前記ワイドキャップ半導体制御素子が
ＧａＮ−ＧＴＯサイリスタであることを特徴とする請求
項１〜９記載の限流装置。
【請求項１１】前記ワイドギャップ半導体制御素子が
ｐ型ＳｉＣ−ＩＧＢＴであることを特徴とする請求項１
〜９記載の限流装置。
【請求項１２】前記ワイドギャップ半導体制御素子が
ノーマリーオンＳｉＣ静電誘導型サイリスタであること
を特徴とする請求項１〜９記載の限流装置。
【請求項１３】前記のダイオードと前記のワイドギャ
ップ半導体制御素子がモノリシックな単位逆並列接続体
として構成されていることを特徴とする請求項１〜１２
に記載の限流装置。