阅读说明：本技术 开关装置 (Switching device ) 是由 藤田悟 山田隆二 于 2019-07-01 设计创作，主要内容包括：本发明提供开关装置,在产生过电流时机械性地关断真空断路器和气体断路器后将IGBT关断的直流断路器中,由于使直到真空断路器和气体断路器机械性地关断为止的期间长,流过IGBT的电流增加,所以必须使IGBT的电流容量增大到在产生过电流时都不饱和的程度,从而导致成本增加以及装置大型化。连接或切断输入端子与输出端子之间的开关装置具备：机械式开关部和第一半导体开关部,其在输入端子与输出端子之间串联连接；第二半导体开关部,其在输入端子与输出端子之间与机械式开关部和第一半导体开关部并联连接；以及开关控制部,其分别控制第一半导体开关部和第二半导体开关部各自的导通关断的时刻、以及开闭机械式开关部的时刻。(The invention provides a switching device, in a direct current breaker which mechanically shuts off a vacuum breaker and a gas breaker and then shuts off an IGBT when overcurrent occurs, because the time period until the vacuum breaker and the gas breaker are mechanically shut off is long, the current flowing through the IGBT is increased, so the current capacity of the IGBT needs to be increased to the degree of unsaturated saturation when overcurrent occurs, thereby increasing the cost and the device size. A switching device for connecting or disconnecting an input terminal and an output terminal includes: a mechanical switch unit and a first semiconductor switch unit connected in series between an input terminal and an output terminal; a second semiconductor switch unit connected in parallel to the mechanical switch unit and the first semiconductor switch unit between the input terminal and the output terminal; and a switch control unit that controls the timing of turning on and off the first semiconductor switch unit and the second semiconductor switch unit, respectively, and the timing of turning on and off the mechanical switch unit, respectively.)

开关装置

技术领域

本发明涉及一种开关装置。

背景技术

已知有如下技术：在具备彼此并联的机械开关与半导体开关的开关中，通常使机械式开关和半导体开关导通而使电流流向机械开关侧，在切断电流时，在将机械开关关断后再将半导体开关关断(例如，参照专利文献1、专利文献2)。另外，已知有如下技术：直流断路器具备：包括气体断路器和真空断路器的机械式开闭器；与真空断路器并联的强制换流电路；与机械式开闭器并联的半导体开关例如IGBT，在该直流断路器中，通常使电流流向机械式开闭器，在切断电流时，通过从强制换流电路流出与流过真空断路器的直流电流的方向呈相反方向的电流，从而在真空断路器生成电流零点而使真空断路器处于非导通状态，由此使电流从机械式开闭器换流到IGBT，在流过气体断路器的电流消失后，关断气体断路器并使IGBT处于非导通状态(例如，参照专利文献3)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：国际公开WO2011/034140号

专利文献2：日本特开2017-191764号公报

专利文献3：国际公开WO2016/047209号

发明内容

技术问题

根据上述直流断路器，虽然在产生过电流时基本能够避免在气体断路器中发生电弧，但是在机械性地关断真空断路器和气体断路器后再将IGBT关断。在包含直到将真空断路器和气体断路器机械性地关断为止的期间的直流断路器的关断期间，由于直到将真空断路器和气体断路器机械性地关断为止的期间很长，所以流过IGBT的电流增加。导致IGBT在额定电流的五倍以下时集电极电流饱和，其正向压降最大并上升到相当于电源电压。因此，在上述直流断路器中，为了使IGBT具有针对过电流的切断能力，必须使IGBT的电流容量增大到即使在产生过电流时也不饱和的程度，导致了成本增加以及装置大型化。

技术方案

连接或切断输入端子与输出端子之间的开关装置可以具备机械式开关部和第一半导体开关部、第二半导体开关部、以及开关控制部。机械式开关部和第一半导体开关部可以在输入端子与输出端子之间串联连接。第二半导体开关部可以在输入端子与输出端子之间，与机械式开关部和第一半导体开关部并联连接。开关控制部可以分别控制第一半导体开关部和第二半导体开关部各自的导通关断的时刻、以及开闭机械式开关部的时刻。

开关装置还可以具备设置在输入端子与输出端子之间的电流检测部。开关控制部可以具有保护电路、脉冲分配电路、以及驱动电路。保护电路可以在根据来自电流检测部的信号而检测到过电流的情况下而输出关断指令。脉冲分配电路可以基于来自外部的信号来开闭机械式开关部，并输出为了分别导通关断第一半导体开关部和第二半导体开关部而预先设定的脉冲信号，在从保护电路接收到关断指令的情况下，无论来自外部的信号如何，都闭合机械式开关部，并输出为了分别关断第一半导体开关部和第二半导体开关部而预先设定的脉冲信号。驱动电路可以基于从脉冲分配电路接收的脉冲信号来输出开闭机械式开关部的信号、以及用于分别导通关断第一半导体开关部和第二半导体开关部的栅极电压。

第一半导体开关部的耐压可以比第二半导体开关部的导通电压高。

第一半导体开关部可以包括在输入端子和输出端子之间并联连接的多个第一半导体开关。第二半导体开关部可以包括在输入端子和输出端子之间串联连接的多个第二半导体开关。多个第一半导体开关各自的耐压比多个第二半导体开关的导通电压的和高。

在第一半导体开关部、机械式开关部、以及第二半导体开关部都处于导通的状态下，在将输入端子与输出端子之间从连接状态切换为切断状态的情况下，开关控制部可以按照第一半导体开关部、机械式开关部、第二半导体开关部的顺序进行关断。

在将输入端子与输出端子之间从连接状态切换为切断状态的情况下，开关控制部可以在将第一半导体开关部关断后，根据第一半导体开关部的电流成为预定的值以下的情况而将机械式开关部关断。

在第一半导体开关部、机械式开关部以及第二半导体开关部都处于关断的状态下，在将输入端子与输出端子之间从切断状态切换为连接状态的情况下，开关控制部可以按照第二半导体开关部、机械式开关部、第一半导体开关部的顺序进行导通。

开关控制部可以在将第二半导体开关部导通后，根据输入端子与输出端子之间的电位差成为基准以下的情况而将机械式开关部导通。

开关装置可以具备机械式切换开关、第一半导体开关部、第二半导体开关部、第三半导体开关部、以及开关控制部。机械式切换开关可以切换第一输入端子与输出端子之间的连接状态、以及第二输入端子与输出端子之间的连接状态。第一半导体开关部可以在第一输入端子与输出端子之间以及第二输入端子与输出端子之间与机械式切换开关串联连接。第二半导体开关部可以在第一输入端子与输出端子之间与机械式切换开关和第一半导体开关部并联连接。第三半导体开关部可以在第二输入端子与输出端子之间与机械式切换开关和第一半导体开关部并联连接。开关控制部可以分别控制第一半导体开关部、第二半导体开关部以及第三半导体开关部各自的导通关断的时刻，以及开闭机械式切换开关的时刻。

在第一半导体开关部和第二半导体开关部处于导通的状态且机械式切换开关处于连接第一输入端子与第一半导体开关部之间的状态下，在将第一输入端子与输出端子之间从连接状态切换为切断状态且将第二输入端子与输出端子之间从切断状态切换为连接状态的情况下，开关控制部可以将第一半导体开关部关断，然后将机械式切换开关切换为连接第二输入端子与第一半导体开关部之间的状态，然后将第二半导体开关部关断并且将第三半导体开关部导通，然后将第一半导体开关部导通。

在第一半导体开关部和第二半导体开关部处于导通的状态且机械式切换开关处于连接第一输入端子与第一半导体开关部之间的状态下，在将第一输入端子与输出端子之间从连接状态切换为切断状态且将第二输入端子与输出端子之间从切断状态切换为连接状态的情况下，开关控制部可以将第一半导体开关部关断，然后将机械式切换开关切换为第一输入端子与第一半导体开关部之间、以及第二输入端子与第一半导体开关部之间都不连接的状态，然后将第二半导体开关部关断并且将第三半导体开关部导通，然后将机械式切换开关切换为连接第二输入端子与第一半导体开关部之间的状态，然后将第一半导体开关部导通。

开关控制部可以在将第三半导体开关部导通后，根据第二输入端子与输出端子之间的电位差成为基准以下的情况而将机械式切换开关切换为连接第二输入端子与第一半导体开关部之间的状态。

第一半导体开关部可以具有多个第一半导体开关。多个第一半导体开关可以在输入端子和输出端子之间反向串联，并各自具有在输入端子和输出端子之间反向并联的半导体开关元件和二极管的组。开关装置还可以具备二极管电桥。二极管电桥可以在输入端子和输出端子之间与第二半导体开关部并联连接。

第一半导体开关部可以具有多个第一半导体开关。多个第一半导体开关在第一输入端子和输出端子之间反向串联，并分别具有在第一输入端子和输出端子之间反向并联的半导体开关元件和二极管的组。开关装置还可以具备第一二极管电桥与第二二极管电桥。第一二极管电桥可以在第一输入端子和输出端子之间与第二半导体开关部并联连接。第二二极管电桥可以在第二输入端子和输出端子之间与第三半导体开关部并联连接。

第一半导体开关部可以包括MOSFET，第二半导体开关部可以包括IGBT、GTO晶体闸流管、以及WBG半导体中的至少任一个。

第一半导体开关部可以包括MOSFET，第二半导体开关部和第三半导体开关部中至少任一个可以包括IGBT、GTO晶体闸流管以及WBG半导体的至少任一个。

应予说明，上述发明概要并没有列举本发明的全部特征。另外，这些特征的子组合也将成为发明。

附图说明

图1是第一实施方式的开关装置10的示意电路图。

图2是示出第一实施方式的开关部100的动作的时序图。

图3是第二实施方式的开关部200的示意电路图。

图4是第三实施方式的开关部300的示意电路图。

图5是示出第三实施方式的开关部300的动作的时序图。

符号说明

5控制装置，10开关装置，21第一端子，22第二端子，23第三端子，25控制端子，30电流检测部，40控制电路，41保护电路，42脉冲分配电路，43驱动电路，100、200、300开关部，110、310机械式开关部，120、220第一半导体开关部，130、230第二半导体开关部，221、222第一半导体开关，231第二半导体开关，232电容器，240、340二极管电桥，241、242、243、244、341、342、343、344二极管，330第三半导体开关部，331第三半导体开关，332电容器。

具体实施方式

以下，虽然通过发明的实施方式对本发明进行说明，但是以下的实施方式并不限定权利要求所涉及的发明。另外，实施方式中所说明的特征的全部组合未必是发明的技术方案所必须的。应予说明，有在附图中用同一附图标记标注同一或者类似的部分并省略重复的说明的情况。

图1是第一实施方式的开关装置10的示意电路图。在附图中，前端涂黑的箭头表示控制信号的输入输出方向，前端空白的箭头表示电力的流向。对于之后的图也进行同样的设定。

开关装置10具备第一端子21、第二端子22、控制端子25、开关部100、电流检测部30以及控制电路40。第一端子21作为输入端子的一例，第二端子22作为输出端子的一例。开关装置10通过将第一端子21与第二端子22之间连接或切断，从而使想要从第一端子21流向第二端子22的直流电流导通、切断。开关装置10可以适用于处理直流电流的配电盘等，经由控制端子25而被外部的控制装置5控制。开关装置10在商用的情况下，作为一例而被施加400V或800V这么高的直流电压。

开关部100具有机械式开关部110、第一半导体开关部120、以及第二半导体开关部130。

机械式开关部110连接在第一端子21与第二端子22之间。机械式开关部110作为一例而包括机械式继电器，并具有金属接点。机械式开关部110可以不具有除电弧的构造。由于机械式开关部110使金属导体之间接触或者分离，所以与第一半导体开关部120和第二半导体开关部130这两者相比导通电阻大幅度降低，即使在导通大电流的情况下也几乎没有电流导通损耗。因此，机械式开关部110不需要用于冷却因电力损耗而产生的热量的冷却散热体等。在以下说明中，有将机械式开关部110开闭称为使机械式开关部110导通关断的情况。

第一半导体开关部120与机械式开关部110串联连接在第一端子21与第二端子22之间。与机械式开关部110和第二半导体开关部130相比开关速度更快。作为一例，第一半导体开关部120包括在开关速度为几十ns并且耐压为几十V等级的情况下，导通电阻为非常低的数微Ω程度的低耐压MOSFET。低耐压MOSFET包括内置的寄生二极管或者反向并联的二极管。第一半导体开关部120的低耐压MOSFET的漏极与机械式开关部110连接，源极与第二端子22连接，栅极与控制电路40连接。

第二半导体开关部130与机械式开关部110和第一半导体开关部120并联连接在第一端子21与第二端子22之间。与机械式开关部110相比，第二半导体开关部130能够高速地切断电流。

上述第一半导体开关部120的耐压比第二半导体开关部130的耐压低，比第二半导体开关部130的导通电压高。此处所述的第二半导体开关部130的导通电压是通过第二半导体开关部130在导通状态下接通而在第二半导体开关部130的主端子之间产生的电压。

另外，第二半导体开关部130的导通电压比机械式开关部110和第一半导体开关部120的导通电压的和高。作为一例，第二半导体开关部130包括IGBT。第二半导体开关部130可以包括GTO晶体闸流管、以及WBG半导体等。第二半导体开关部130的IGBT的集电极与第一端子21连接，发射极与第二端子22连接，栅极与控制电路40连接。

电流检测部30设置在第一端子21与第二端子22之间，作为一例而设置在第一端子21侧，即设置在直流电流的输入侧，检测在第一端子21与第二端子22之间流通的电流，并向控制电路40输出表示电流值的信号。电流检测部30可以是与开关部100串联连接在第一端子21与第二端子22之间的电流计。另外，电流检测部30可以是以非接触的方式检测在第一端子21与第二端子22之间流通的电流的电流互感式的电流传感器。

控制电路40具有保护电路41、脉冲分配电路42、以及驱动电路43。控制电路40基于从控制装置5发送来的控制信号来分别控制开关部100的第一半导体开关部120和第二半导体开关部130各自的导通关断的时刻、以及开闭机械式开关部110的时刻。控制电路40是开关控制部的一例。控制电路40作为包括微型控制器等CPU的控制电脑，可以通过执行开关程序而作为以下所示的各部分而起作用。取而代之，控制电路40也可以通过专用电路或者可编程电路来实现。

关于机械式开关部110，在开关部100中使直流电流导通的情况下，即通常情况下，控制电路40以闭合机械式开关部110而使直流电流导通的方式进行控制。另外，在开关部100中切断直流电流的情况下，控制电路40以在将已经导通机械式开关部110的直流电流换流到第二半导体开关部130后，断开机械式开关部110的方式进行控制。由于控制电路40如此控制机械式开关部110，所以在机械式开关部110不产生电弧。而且，在机械式开关部110已经闭合的状态下，因为在第一半导体开关部120和第二半导体开关部130处于导通状态的期间第一端子21和第二端子22之间的电压仅有数V到几十V左右，所以取而代之，控制电路40可以不进行上述换流而通过断开机械式开关部110，从而利用机械式开关部110切断电流。在该情况下，开关部100可以追加具有用于保护机械式开关部110不受在机械式开关部110产生的电弧影响的结构。

关于第一半导体开关部120，在通常情况下，控制电路40以使第一半导体开关部120处于导通状态而使直流电流导通的方式进行控制。另外，在开关部100中切断直流电流的情况下，控制电路40以使第一半导体开关部120比机械式开关部110和第二半导体开关部130先关断，由此，将流到第一半导体开关部120侧的直流电流换流到第二半导体开关部130侧的方式进行控制。

关于第二半导体开关部130，在通常情况下，控制电路40以使第二半导体开关部130处于导通状态的方式进行控制。而且，因为第二半导体开关部130的导通电压比机械式开关部110和第一半导体开关部120的导通电压的和高，所以直流电流几乎不流到第二半导体开关部130。另外，在开关部100中切断直流电流切断的情况下，控制电路40以在流过第一半导体开关部120侧的直流电流换流到第二半导体开关部130侧从而在第二半导体开关部130流通后，关断第二半导体开关部130的方式进行控制。应予说明，在通常情况下，控制电路40可以在直流电流正流过第一半导体开关部120侧的期间使第二半导体开关部130处于关断状态，并且在开关部100中切断直流电流切断的情况下，控制电路40可以以在将第二半导体开关部130导通后将第一半导体开关部120关断，从而与上述同样地进行直流电流的换流和切断的方式进行控制。

保护电路41经由控制端子25从外部的控制装置5接收用于在开关部100使通常的直流电流导通的控制信号，并将该控制信号输出到脉冲分配电路42。保护电路41随时从电流检测部30接收信号，并根据来自电流检测部30的信号来检测过电流。作为一例，保护电路41通过判断来自电流检测部30的信号所示的电流值是否在预先设定的过电流用的设定值lim以上来检测过电流。保护电路41在检测到过电流的情况下向脉冲分配电路42输出关断指令。应予说明，在开关装置10不具备电流检测部30的情况下，保护电路41可以检测开关装置10的第一端子21侧，即直流电流的输入侧的电流值，在该情况下，保护电路41为了检测该电流值，作为一例也可以包括磁传感器。应予说明，保护电路41可以代替输出上述关断信号，而停止对脉冲分配电路42供给上述控制信号。

脉冲分配电路42基于经由保护电路41输入的来自外部的控制装置5的控制信号来开闭机械式开关部110，并将用于分别导通关断第一半导体开关部120和第二半导体开关部130而预先设定的脉冲信号输出到驱动电路43。脉冲分配电路42在从保护电路41接收到关断指令的情况下，与来自外部的控制装置5的控制信号无关地，闭合机械式开关部110，并且将用于分别关断第一半导体开关部120和第二半导体开关部130而预先设定的脉冲信号输出到驱动电路43。脉冲分配电路42将在从保护电路41输入且来自外部的控制装置5的控制信号添加了预先设定的延迟时间或时间差的脉冲信号输出到驱动电路43。由此，机械式开关部110的开闭动作、以及第一半导体开关部120和第二半导体开关部130各自的导通关断动作的时刻相互错开。

驱动电路43基于从脉冲分配电路42接收的脉冲信号，即在根据添加到上述控制信号的延迟时间等的时刻，输出开闭机械式开关部110的信号、以及用于分别导通关断第一半导体开关部120和第二半导体开关部130的栅极电压。

图2是表示第一实施方式的开关部100的动作的时序图。图2取时间的经过为横向，在纵向按照从上开始的顺序，示出整体电流、第二半导体开关部130侧的电流、第一半导体开关部120侧的电流、第二半导体开关部130的导通关断状态、机械式开关部110的导通关断状态以及第一半导体开关部120的导通关断状态随时间的转移。另外，图2从左开始依次表示将时间的经过主要分为三个期间的期间(I)、期间(II)以及期间(III)。

期间(I)是在开关部100中从切断直流电流的状态向使直流电流导通的状态转移的期间。期间(II)是在开关部100中使直流电流常规性地导通的期间。期间(III)是在开关部100中从使直流电流处于导通的状态向切断直流电流的状态转移的期间。应予说明，在图2中，仅为了使说明清楚而缩短表示期间(II)。另外，在图2所示的时序中，期间(I)之前以及期间(III)之后是在开关部100切断直流电流的期间，在未图示的期间可以任意地包括期间(I)、期间(II)以及期间(III)。

在期间(I)最开始的时刻t1，针对全部处于关断状态的机械式开关部110、第一半导体开关部120以及第二半导体开关部130，利用控制电路40控制第二半导体开关部130的IGBT的栅极电压，并仅使第二半导体开关部130导通。因为IGBT是能够比较高速地进行开关动作的半导体开关元件，所以能够迅速地成为导通状态，并能够将开关装置10整体的导通动作高速化。若仅有第二半导体开关部130成为导通状态，则直流电流开始仅流向第二半导体开关部130侧。

期间(I)的下一个时刻t2相对于时刻t1而具有时间差Δt1。时间差Δt1只要被确保为第二半导体开关部130的IGBT导通所需要的时间即可，即，只要被确保为直到导通动作完成而稳态的直流电流接通在IGBT为止的时间即可。作为一例，时间差Δt1是1μ秒到2μ秒左右。在时刻t2，利用控制电路40将机械式开关部110导通。此时，因为与机械式开关部110串联连接的第一半导体开关部120还处于关断状态，所以即使将机械式开关部110导通，在第一半导体开关部120侧也仍然没有直流电流流通，直流电流仅流向第二半导体开关部130侧。因此，在机械式开关部110不产生电弧。另外，通过设定时间差Δt1，即使将机械式开关部110导通，由于施加在第一半导体开关部120的直流电压是第二半导体开关部130的IGBT的导通电压而仅是几十V程度，所以在第一半导体开关部120能够使用低耐压MOSFET。

期间(II)的最开始的时刻t3相对于时刻t1而具有延迟时间td_on。在时刻t3，利用控制电路40控制第一半导体开关部120的低耐压MOSFET的栅极电压，并使第一半导体开关部120导通。因为机械式开关部110和第一半导体开关部120的导通电压的和比第二半导体开关部130的导通电压低，所以在时刻t3，正在第二半导体开关部130侧流通的直流电流换流到第一半导体开关部120侧，直流电流几乎不流到第二半导体开关部130侧。延迟时间td_on与时间差Δt1的差只要被确保为机械式开关部110闭合所需要的时间即可。虽然若第一半导体开关部120在机械式开关部110闭合前被导通，则导致在机械式开关部110闭合时产生有电弧，但是通过上述控制能够可靠地避免电弧产生在机械式开关部110。

在期间(II)，流过第一半导体开关部120侧的直流电流与流过第二半导体开关部130侧的直流电流的比对应于机械式开关部110和第一半导体开关部120的导通电压的和与第二半导体开关部130的导通电压的比。因此，通过例如改变半导体开关元件并联的数量，可以调整上述直流电流的比。例如，通过并联连接多个低耐压MOSFET作为第一半导体开关部120来减小第一半导体开关部120的导通电阻，由此可以减少流过第二半导体开关部130侧的直流电流。另外，在第二半导体开关部130，利用开关速度与导通电阻之间的权衡关系，选择开关速度优先的半导体开关元件，有意识地提高导通电阻，由此可以减少流过第二半导体开关部130侧的直流电流。

在期间(III)的最开始的时刻t4，针对全部处于导通状态的机械式开关部110、第一半导体开关部120以及第二半导体开关部130，利用控制电路40控制第一半导体开关部120的低耐压MOSFET的栅极电压，并仅将第一半导体开关部120关断。低耐压MOSFET因为开关速度为几十ns，所以能够迅速地成为关断状态。通过使第一半导体开关部120成为关断状态，从而第一半导体开关部120侧被完全截止，正在第一半导体开关部120侧流通的直流电流换流到第二半导体开关部130侧。通过将机械式开关部110和第二半导体开关部130保持导通状态并将第一半导体开关部120关断，从而施加在第一半导体开关部120的直流电压是第二半导体开关部130的IGBT的导通电压而仅是几十V左右，因此仍然能够在第一半导体开关部120使用低耐压MOSFET。

期间(III)的下一个时刻t5相对于时刻t4而具有时间差Δt2。时间差Δt2只要被确保为使第一半导体开关部120的低耐压MOSFET关断所需的时间即可，即，只要被确保为直到关断动作完成并且流过第一半导体开关部120侧的直流电流换流到第二半导体开关部130侧为止的时间即可。作为一例，时间差Δt2是1μ秒到2μ秒左右。在时刻t5，利用控制电路40将机械式开关部110关断。此时，因为在第一半导体开关部120侧早已经没有直流电流流过，所以在机械式开关部110仍然不产生电弧。

期间(III)的下一个时刻t6相对于时刻t4而具有延迟时间td_off。在时刻t6，利用控制电路40控制第二半导体开关部130的IGBT的栅极电压，并将第二半导体开关部130关断，由此，完全地切断流过开关部100的直流电流。因为IGBT是能够比较高速地进行开关动作的半导体开关元件，所以能够迅速地成为关断状态，并能够在产生过电流时使开关装置10整体的关断动作高速化。

延迟时间td_off与时间差Δt2的差只要被确保为机械式开关部110断开所需的时间即可。若在机械式开关部110断开前将半导体开关部130关断，则虽然经由第一端子21在第一半导体开关部120的低耐压MOSFET施加系统的高电压会导致产生过电压破坏，但是通过上述控制能够可靠地避免在低耐压MOSFET产生过电压破坏。

根据以上第一实施方式的开关装置10，在第一半导体开关部120、机械式开关部110以及第二半导体开关部130处于关断的状态，并将第一端子21与第二端子22之间从切断状态切换为连接状态的情况下，按照第二半导体开关部130、机械式开关部110、第一半导体开关部120的顺序进行导通。另外，根据该开关装置10，在第一半导体开关部120、机械式开关部110以及第二半导体开关部130导通的状态，并将第一端子21与第二端子22之间从连接状态切换为切断状态的情况下，按照第一半导体开关部120、机械式开关部110、第二半导体开关部130的顺序进行关断。

由此，该开关装置10能够在第一半导体开关部120使用开关速度快且导通电阻极小的低耐压MOSFET，通常，因为直流电流在机械式开关部110和第一半导体开关部120侧流通，所以能够抑制电流导通损耗。另外，因为在机械式开关部110不需要除电弧的构造，所以能够小型化以及低成本化。另外，因为在机械式开关部110没有因电弧而造成的金属接点上的损耗，所以能够长寿命化。另外，通过构成为在机械式开关部110不产生电弧，从而与在机械式继电器利用氢的冷却效果以及利用磁场的电弧延长效果来切断直流电流的情况相比，能够缩短切断时间。由此，在开关装置10切断大电流的情况下，缩短从将第一半导体开关部120关断开始到将机械式开关部110关断后将第二半导体开关部130关断为止的期间，并抑制第二半导体开关部130中的电流上升。因此，开关装置10能够缩小第二半导体开关部130的电流容量，并能够小型化以及低成本化。

在以上第一实施方式中，对开关装置10被外部的控制装置5控制动作的构成进行了说明。取而代之，开关装置10也可以以在内部具备控制装置5的方式而一体化。对于以下的实施方式来说也是一样的。

在以上第一实施方式中，对开关装置10的第一半导体开关部120和第二半导体开关部130各自包括单独的半导体开关元件的情况进行了说明。取而代之，第一半导体开关部120也可以包括多个在第一端子21与第二端子22之间并联连接的第一半导体开关。由此，作为第一半导体开关部120，能够使用额定电流较小的第一半导体开关，并且能够小型化和低成本化，还会提高冗余度。另外，第二半导体开关部130也可以包括串联连接在第一端子21与第二端子22之间的多个第二半导体开关。由此，作为第二半导体开关部130，能够使用耐压较小的第二半导体开关，并且能够小型化和低成本化。另外，在该情况下，多个第一半导体开关各自的耐压可以比多个第二半导体开关各自的耐压低，并且可以比多个第二半导体开关的导通电压的和高。另外，也可以在这些对比的电压之间设置裕度。由此，能够与第一实施方式的开关装置10同样地控制导通关断动作。对于以下的实施方式来说也是一样的。

在以上第一实施方式中，对开关装置10在将第一端子21与第二端子22之间从切断状态切换为连接状态的情况下，在将第二半导体开关部130导通后，使时刻仅位移时间差Δt1，并利用控制电路40将机械式开关部110导通的情况进行了说明。取而代之或在此基础上追加如下特征：开关装置10可以具备检测作为第二半导体开关部130的输入侧的第一端子21与作为输出侧的第二端子22之间的电位差的电压计，并且在将第一端子21与第二端子22之间从切断状态切换为连接状态的情况下，在将第二半导体开关部130导通后，根据利用电压计检测的第一端子21与第二端子22之间的电位差成为基准以下的情况而将机械式开关部110导通。由此，通过例如将基准设为第二半导体开关部130的IGBT的导通电压，从而在将机械式开关部110导通时，能够确保施加在第一半导体开关部120的直流电压在该导通电压以下，并能够可靠地防止在第一半导体开关部120产生过电压破坏。对于以下的实施方式来说也是一样的。

在以上第一实施方式中，对开关装置10在将第一端子21与第二端子22之间从连接状态切换为切断状态的情况下，在将第一半导体开关部120关断后，使时刻仅位移时间差Δt2，并利用控制电路40将机械式开关部110关断的情况进行了说明。取而代之或在此基础上追加如下特征：开关装置10可以具备检测流过第一半导体开关部120的电流的电流计，并且在将第一端子21与第二端子22之间从连接状态切换为切断状态的情况下，在将第一半导体开关部120关断后，根据利用电流计检测的第一半导体开关部120的电流成为预定的值以下的情况而将机械式开关部110关断。

图3是第二实施方式的开关部200的示意电路图。本实施方式的开关装置10可以适用于处理交流电流的配电盘等，例如，在商用的情况下施加有100V或200V的交流电压，在与高压线连接的情况下施加有3.3kV或6.6kV的交流电压。本实施方式的开关装置10通过连接或切断第一端子21和第二端子22之间，从而导通或切断从第一端子21向第二端子22流过的交流电流。

本实施方式的开关装置10与第一实施方式的开关装置10的不同点在于，具备开关部200来代替开关部100，除此以外具备相同的构成要素。在本实施方式中，对与第一实施方式的开关装置10相同的构成要素标注相同的符号，从而省略重复的说明。对于以下的实施方式来说也是一样的。

开关部200具有机械式开关部110、第一半导体开关部220、二极管电桥240、以及第二半导体开关部230。

第一半导体开关部220在第一端子21与第二端子22之间与机械式开关部110串联。第一半导体开关部220包括反向串联在第一端子21与第二端子22之间的第一半导体开关221以及第一半导体开关222。第一半导体开关221和第一半导体开关222分别具有反向并联在第一端子21与第二端子22之间的半导体开关元件和二极管而成的组。作为一例，该半导体开关元件和二极管的组与第一实施方式的第一半导体开关部120相同地，包括低耐压MOSFET、以及与内置在低耐压MOSFET的寄生二极管或低耐压MOSFET反向并联而成的二极管的组。第一半导体开关221的低耐压MOSFET的漏极与机械式开关部110连接，源极与第一半导体开关222的低耐压MOSFET的源极连接，第一半导体开关222的低耐压MOSFET的漏极与第二端子22连接。另外，第一半导体开关221和第一半导体开关222的栅极也都与控制电路40连接。

二极管电桥240在第一端子21与第二端子22之间与机械式开关部110和第一半导体开关部220并联连接。二极管电桥240包括二极管241、二极管242、二极管243以及二极管244，通过利用这四个二极管241等进行全波整流从而形成使交流电流仅流向一个方向的整流电路。

在第一端子21与第二端子22之间，第二半导体开关部230与二极管电桥240并联连接在二极管电桥240的整流侧。第二半导体开关部230包括在第一端子21和第二端子22之间并联连接的第二半导体开关231以及电容器232。电容器232是软开关用的电容器，形成所谓的缓冲电路。第二半导体开关231具有反向并联在第一端子21和第二端子22之间的半导体开关元件和二极管的组。作为一例，该半导体开关元件和二极管的组包括IGBT、以及与IGBT反向并联的二极管的组。第二半导体开关部230的IGBT的集电极与第二端子22连接，发射极与第一端子21连接，栅极与控制电路40连接。

因为IGBT经由二极管电桥240而被连接，所以能够适用于正负电流中的任意一种，即能够仅利用一个IGBT来开关交流电流。由此，能够避免增加价格较高的IGBT的数量，并能够小型化以及低成本化。另外，在开关装置10是断路器等而接通有比较大的电流的情况下，若不经由二极管电桥240而构成开关部200，则需要两个IGBT。由此，由于需要两个拥有对应大电流的饱和特性的IGBT，所以导致成本增大。对此，根据本实施方式，如图3所示，通过使开关部200成为经由二极管电桥240的构成，从而能够大幅度的降低成本。

关于第一半导体开关部220，控制电路40向第一半导体开关221和第一半导体开关222输出共通的控制信号，即，以使第一半导体开关221和第一半导体开关222的导通关断动作连动的方式进行控制。更具体而言，在通常情况下，控制电路40以使第一半导体开关221和第一半导体开关222都处于导通状态的方式进行控制，由此，交流电流不仅在从漏极向源极方向流通时，也在从源极向漏极方向流通时，通过所谓的同步整流来使电流在各低耐压MOSFET侧流通。因此，第一半导体开关部220的电流导通损耗仍然很小。在开关部200将交流电流切断的情况下，控制电路40以第一半导体开关221和第一半导体开关222一起比机械式开关部110和第二半导体开关部230先关断的方式进行控制，由此，流过第一半导体开关部220侧的交流电流换流到第二半导体开关部230侧。

关于第二半导体开关部230，在通常情况下，控制电路40以使第二半导体开关部230处于导通状态的方式进行控制。而且，因为第二半导体开关部230的导通电压比机械式开关部110和第一半导体开关部220的导通电压的和高，所以交流电流几乎不会流到第二半导体开关部230。另外，在开关部200将交流电流切断的情况下，控制电路40以在流过第一半导体开关部220侧的交流电流换流到第二半导体开关部230侧而在第二半导体开关部230流通后，将第二半导体开关部230关断的方式进行控制。应予说明，在通常情况下，控制电路40可以在交流电流正在第一半导体开关部220侧流通的期间将第二半导体开关部230处于关断状态，并且在开关部200将交流电流切断的情况下，控制电路40可以以将第二半导体开关部230导通后再将第一半导体开关部220关断，并且与上述同样地进行直流电流的换流和切断的方式进行控制。

根据以上第二实施方式的开关装置10，与第一实施方式的开关装置10相同地，在第一半导体开关部220、机械式开关部110以及第二半导体开关部230关断的状态下，在将第一端子21与第二端子22之间从切断状态切换为连接状态的情况下，按照第二半导体开关部230、机械式开关部110、第一半导体开关部220的顺序进行导通。另外，根据该开关装置10，在第一半导体开关部220、机械式开关部110以及第二半导体开关部230导通的状态下，在将第一端子21与第二端子22之间从连接状态切换为切断状态的情况下，按照第一半导体开关部220、机械式开关部110、第二半导体开关部230的顺序进行关断。由此，该开关装置10起到与第一实施方式的开关装置10同样的效果。另外，因为该开关装置10具备与第二半导体开关部230并联连接的二极管电桥240，所以一方面实现作为交流用双向开关的功能，另一方面能够避免增加价格较高的IGBT的数量，并能够小型化以及低成本化。

在以上第二实施方式中，对开关装置10的第一半导体开关部220包括反向串联的两个第一半导体开关221和第一半导体开关222，并且第二半导体开关部230包括单独的半导体开关元件的情况进行了说明。取而代之，第一半导体开关部220也可以包括在第一端子21与第二端子22之间并联连接的多个第一半导体开关。另外，第二半导体开关部230可以包括在第一端子21与第二端子22之间串联连接的多个第二半导体开关。另外，在该情况下，多个第一半导体开关各自的耐压可以比多个第二半导体开关各自的耐压低，并且可以比多个第二半导体开关各自的导通电压的和高。另外，也可以在这些对比的电压之间设置裕度。由此，该开关装置10起到与第一实施方式的开关装置10同样的效果。

图4是第三实施方式的开关部300的示意电路图。本实施方式的开关装置10与第二实施方式相同地，可以适用于处理交流电流的配电盘等，也可以适用于在主电力和备用电力之间进行切换等。本实施方式的开关装置10与第二实施方式的开关装置10的不同点在于，在第一端子21和第二端子22的基础上追加第三端子23，并且具备开关部300代替开关部200，除此以外具备相同的构成要素。应予说明，第三端子23是第二输入端子的一例。

本实施方式的开关装置10通过连接或切断第一端子21与第二端子22之间以及第三端子23与第二端子22之间，从而将第一端子21与第二端子22之间从连接状态切换为切断状态，并且，将第三端子23与第二端子22之间从切断状态切换为连接状态，或者与其相反，将第三端子23与第二端子22之间从连接状态切换为切断状态，并且，将第一端子21与第二端子22之间从切断状态切换为连接状态。由此，该开关装置10对从第一端子21流向第二端子22的交流电流、以及从第三端子23流向第二端子22的交流电流进行开关。

开关部300具有机械式开关部310、第一半导体开关部220、第二半导体开关部230、二极管电桥240、二极管电桥340、以及第三半导体开关部330。机械式开关部310的配置与第一半导体开关部220、第二半导体开关部230以及二极管电桥240的配置和构成与第二实施方式相对应的各构成要素相同。

机械式开关部310连接在第一端子21与第二端子22之间以及第三端子23与第二端子22之间。机械式开关部310与第一实施方式等的机械式开关部110的不同点在于，如例如双头式的机械开关那样，切换连接第一端子21与第一半导体开关部220之间的状态以及连接第三端子23与第一半导体开关部220之间的状态。

第一半导体开关部220在第一端子21以及第三端子23与第二端子22之间与机械式开关部310串联连接。另外，第二半导体开关部230在第一端子21与第二端子22之间与机械式开关部310和第一半导体开关部220并联连接。

二极管电桥340可以是与二极管电桥240相同的构成，在第三端子23与第二端子22之间与机械式开关部310和第一半导体开关部220并联连接。二极管电桥340包括二极管341、二极管342、二极管343以及二极管344，通过利用这四个二极管341等进行全波整流从而形成使交流电流仅流向一个方向的整流电路。

第三半导体开关部330可以是与第二半导体开关部230相同的构成，在第三端子23与第二端子22之间与机械式开关部310和第一半导体开关部220并联连接，与二极管电桥340并联连接在二极管电桥340的整流侧。第三半导体开关部330包括在第三端子23和第二端子22之间并联连接的第三半导体开关331和电容器332。第三半导体开关331具有在第三端子23与第二端子22之间反向并联的半导体开关元件和二极管的组。作为一例，该半导体开关元件和二极管的组包括IGBT、以及与IGBT反向并联的二极管的组。第三半导体开关部330的IGBT的集电极与第二端子22连接，发射极与第三端子23连接，栅极与控制电路40连接。第三半导体开关部330可以包括GTO晶体闸流管、以及WBG半导体等。

关于机械式开关部310，在使第一端子21与第二端子22之间处于连接状态而使第三端子23和第二端子22之间处于切断状态的情况下，控制电路40以使机械式开关部310处于连接第一端子21与第一半导体开关部220之间的状态的方式进行控制，由此，在第一端子21与第二端子22之间流通有交流电流。在使第一端子21与第二端子22之间处于切断状态而使第三端子23与第二端子22之间处于连接状态的情况下，控制电路40以使机械式开关部310处于连接第三端子23与第一半导体开关部220之间的状态的方式进行控制，由此，在第三端子23和第二端子22之间流通有交流电流。机械式开关部310在切换这两个状态时，在利用控制电路40的控制将交流电流从第一半导体开关部220侧换流到第二半导体开关部230侧和第三半导体开关部330侧中的任何一侧后，再进行切换。在如此控制的情况下，在机械式开关部310不产生电弧。而且，在第二半导体开关部230和第三半导体开关部330都处于导通状态的期间，因为对应的第一端子21与第二端子22之间的电压或第三端子23与第二端子22之间的电压仅有几十V程度，所以代替上述控制，可以在进行上述换流前开闭机械式开关部310，从而利用机械式开关部310来切断电流。在该情况下，开关部300可以追加具有保护机械式开关部310不受在机械式开关部310产生的电弧的影响的构成。

图5是表示第三实施方式的开关部300的动作的时序图。图5取时间的经过为横向，在纵向上按照从上开始的顺序，示出第二半导体开关部230侧的电流、第三半导体开关部330侧的电流、第一半导体开关部220侧的电流、第二半导体开关部230的导通关断状态、第三半导体开关部330的导通关断状态、机械式开关部310的开闭状态以及第一半导体开关部220的导通关断状态的时间转移。另外，图5从左开始依次表示将时间的经过主要分为三个期间的期间(I)、期间(II)以及期间(III)。

期间(I)是如下期间：在开关部300，通过使机械式开关部310从连接第一端子21与第一半导体开关部220之间的状态向连接第三端子23和第一半导体开关部220之间的状态进行开闭，从而将第一端子21与第二端子22之间从连接状态切换到切断状态，并且将第三端子23与第二端子22之间从切断状态切换到连接状态。期间(II)是在开关部300中使交流电流在第三端子23与第二端子22之间稳态地导通的期间。期间(III)是如下期间：在开关部300，通过使机械式开关部310从连接第三端子23与第一半导体开关部220之间的状态向连接第一端子21与第一半导体开关部220之间的状态进行开关，从而将第一端子21与第二端子22之间从切断状态切换为连接状态，并且将第三端子23与第二端子22之间从连接状态切换为切断状态。

应予说明，在图5所示的时序中，期间(I)之前以及期间(III)之后是在开关部300中使交流电流在第一端子21与第二端子22之间稳态地导通的期间，在未图示的期间可以任意地包括期间(I)、期间(II)以及期间(III)。

在进入期间(I)之前的阶段，第一半导体开关部220和第二半导体开关部230处于导通状态，并且机械式开关部310处于连接第一端子21与第一半导体开关部220之间的状态。在期间(I)最开始的时刻t1，利用控制电路40来控制第一半导体开关部220的低耐压MOSFET的栅极电压，并将第一半导体开关部220关断。因为低耐压MOSFET的开关速度为几十ns，所以能够迅速地成为关断状态。通过使第一半导体开关部220成为关断状态，从而第一半导体开关部220侧被完全地切断，流过第一半导体开关部220侧的交流电流换流到第二半导体开关部230侧。通过使机械式开关部310和第二半导体开关部230保持导通状态并使第一半导体开关部220关断，从而因为施加在第一半导体开关部220的交流电压是第二半导体开关部230的IGBT的导通电压仅是数V到几十V左右，所以仍然能够在第一半导体开关部220使用低耐压MOSFET。

期间(I)的下一个时刻t2相对于时刻t1而具有时间差Δt1。时间差Δt1只要被确保为第一半导体开关部220的低耐压MOSFET关断所需的时间即可，即，只要被确保为直到关断动作完成并且在第一半导体开关部220侧流通的交流电流换流到第二半导体开关部230侧为止的时间即可。作为一例，时间差Δt1是1μ秒到2μ秒左右。在时刻t2，通过利用控制电路40来开闭机械式开关部310，从而将机械式开关部310切换为连接第三端子23与第一半导体开关部220之间的状态。此时，因为在第一半导体开关部220侧早已经不流通交流电流，所以在机械式开关部310仍然不产生电弧。

在期间(I)的下一个时刻t3，通过利用控制电路40来控制第二半导体开关部230的IGBT以及第三半导体开关部330的IGBT各自的栅极电压，从而将第二半导体开关部230关断并且将第三半导体开关部330导通，由此，完全地切断在第一端子21与第二端子22之间流通的交流电流，并且使交流电流在第三端子23和第二端子22之间导通。因为第二半导体开关部230和第三半导体开关部330各自的IGBT是能够比较高速地进行开关动作的半导体开关元件，所以能够迅速地成为导通状态或关断状态，并能够使在一侧的系统中产生过电流时开关装置10整体的关断动作与另一侧的系统的导通动作高速化。即，能够从发生异常的系统向另一侧的正常的系统高速地切换。另外，若在事故发生在经由第一端子21的系统的情况下存在第二半导体开关部230和第三半导体开关部330两者处于导通状态的时间段，则虽然导致事故电流从第一端子21经由第二半导体开关部230和第三半导体开关部330流通，但是开关装置10通过上述控制能够防止事故电流如此任意地流通。

在期间(II)最开始的时刻t4相对于期间(I)的时刻t3而具有延迟时间td_on。延迟时间td_on只要被确保为第三半导体开关部330的IGBT导通所需的时间即可，即，只要被确保为直到导通动作完成并且稳态的直流电流接通在第三半导体开关部330的IGBT为止的时间即可。作为一例，延迟时间td_on是1μ秒到2μ秒左右。在时刻t4，利用控制电路40来控制第一半导体开关部220的低耐压MOSFET的栅极电压，并将第一半导体开关部220导通。因为机械式开关部310和第一半导体开关部220的导通电压的和比第三半导体开关部330的导通电压低，所以在时刻t4，流过第三半导体开关部330侧的交流电流换流到第一半导体开关部220侧，交流电流几乎不流到第三半导体开关部330侧。应予说明，因为至少从时刻t2到时刻t3为止的期间经由第三端子23将系统的高电压施加在第一半导体开关部220的第一半导体开关221，所以第一半导体开关221优选是高耐压的能够高速开关的半导体开关元件。

在期间(III)，开关装置10进行与在期间(I)进行的上述控制相反的控制。在进入期间(III)之前的阶段，第一半导体开关部220和第三半导体开关部330处于导通状态，并且机械式开关部310处于连接第三端子23与第一半导体开关部220之间的状态。在期间(III)最开始的时刻t5，利用控制电路40来控制第一半导体开关部220的低耐压MOSFET的栅极电压，并且将第一半导体开关部220关断。通过使第一半导体开关部220成为关断状态，第一半导体开关部220侧被完全地切断，流过第一半导体开关部220侧的交流电流换流到第三半导体开关部330侧。通过使机械式开关部310和第三半导体开关部330保持导通状态，并将第一半导体开关部220关断，从而因为施加在第一半导体开关部220的交流电压是第三半导体开关部330的IGBT的导通电压而是仅有几十V左右，所以仍然能够在第一半导体开关部220使用低耐压MOSFET。

期间(III)的下一个时刻t6相对于时刻t1而具有时间差Δt1。时间差Δt1只要被确保为第一半导体开关部220的低耐压MOSFET关断所需的时间即可，即，只要被确保为直到关断动作完成并且流过第一半导体开关部220侧的交流电流换流到第三半导体开关部330侧为止的时间即可。在时刻t6，通过利用控制电路40来开闭机械式开关部310，从而将机械式开关部310切换为连接第一端子21与第一半导体开关部220之间的状态。此时，因为在第一半导体开关部220侧早已经不流有交流电流，所以在机械式开关部310仍然不产生电弧。

在期间(III)的下一个时刻t7，通过利用控制电路40来控制第三半导体开关部330的IGBT以及第二半导体开关部230的IGBT各自的栅极电压，从而将第三半导体开关部330关断并将第二半导体开关部230导通，由此，完全地切断在第三端子23与第二端子22之间流通的交流电流，并且使交流电流在第一端子21和第二端子22之间导通。

期间(III)的下一个时刻t8相对于时刻t7而具有延迟时间td_off。延迟时间td_off只要被确保为第二半导体开关部230的IGBT导通所需的时间，即，只要被确保为直到导通动作完成并且稳态的直流电流接通在第二半导体开关部230的IGBT为止的时间即可。作为一例，延迟时间td_off是1μ秒到2μ秒左右。在时刻t8，利用控制电路40来控制第一半导体开关部220的低耐压MOSFET的栅极电压，并将第一半导体开关部220导通。因为机械式开关部310和第一半导体开关部220的导通电压的和比第二半导体开关部230的导通电压低，所以在时刻t8，流过第二半导体开关部230侧的交流电流换流到第一半导体开关部220侧，交流电流几乎不流向第二半导体开关部230侧。

根据以上第三实施方式的开关装置10，起到与第一实施方式和第二实施方式各自的开关装置10同样的效果。另外，根据该开关装置10，能够在第一端子21侧与第三端子23侧共享串联连接的机械式开关部310和第一半导体开关部220，并能够小型化以及低成本化。另外，根据该开关装置10，连接于多个不同的系统，不仅能够在一侧的系统产生过电流时使开关装置10整体的关断动作与其他侧的系统的导通动作高速化，还能够防止事故电流任意从一侧的系统流到其他侧的系统。

在以上第三实施方式中，时刻t2与时刻t3可以没有差，或者可以反向调换时刻t2与时刻t3。另外，在从时刻t2到时刻t3和时刻t4之间为止的期间，可以使机械式开关部310处于第一端子21和第三端子23都不与第一半导体开关部220之间连接的状态。更具体而言，可以通过经由控制电路40的控制装置5的控制，在第一半导体开关部220和第二半导体开关部230处于导通的状态且机械式开关部310处于连接第一端子21与第一半导体开关部220之间的状态下，在将第一端子21与第二端子22之间从连接状态切换到切断状态，且将第三端子23与第二端子22之间从切断状态切换到连接状态的情况下，将第一半导体开关部220关断，然后将机械式开关部310切换到第一端子21和第三端子23都不与第一半导体开关部220之间连接的状态，然后将第二半导体开关部230关断并且将第三半导体开关部330导通，然后将机械式开关部310切换到连接第三端子23与第一半导体开关部220之间的状态，然后将第一半导体开关部220导通。

在上述情况下，开关装置10可以还具备检测连接有第三半导体开关部330的第三端子23与第二端子22之间的电位差的电压计，通过经由控制电路40的控制装置5的控制，在将第三半导体开关部330导通后，根据第三端子23与第二端子22之间的电位差在基准以下的情况，将机械式开关部310切换为连接第三端子23与第一半导体开关部220之间的状态。

在以上多个实施方式中，虽然对第二半导体开关部230或第三半导体开关部330包括IGBT的情况进行了说明，但是在谋求与例如使用IGBT的情况相比开关速度更快而在耐压低也没问题的用途中，可以使用功率MOSFET来代替IGBT。在该情况下，可以通过以使电流从功率MOSFET的源极流向漏极的方式进行连接，从而通过所谓的同步整流来减少电流导通损耗。

在以上第二实施方式和第三实施方式中，虽然对第二半导体开关部230或第三半导体开关部330包括与二极管反向并联的IGBT的情况进行了说明，但是取而代之，也可以使用逆阻型IGBT(RB-IGBT)。