負荷制御装置
【課題】スイッチ素子の点数を削減しつつ、開閉タイミングを正確に制御し、かつ消費電力の低減を図ることができる負荷制御装置を提供する。
【解決手段】制御部１３は、負荷へ電力を供給しているとき、第３電源部１６に入力される電圧が所定の閾値に達したことを電圧検出部１８が検出すると、まず補助開閉部１７が導通され、その後、補助開閉部１７に流れる電流が所定の閾値に達したことを電流検出部２６が検出すると主開閉部１１が導通され、補助開閉部１７に流れる電流が所定の閾値に達しない場合には、補助開閉部１７の導通が継続される。
【解決手段】制御部１３は、負荷へ電力を供給しているとき、第３電源部１６に入力される電圧が所定の閾値に達したことを電圧検出部１８が検出すると、まず補助開閉部１７が導通され、その後、補助開閉部１７に流れる電流が所定の閾値に達したことを電流検出部２６が検出すると主開閉部１１が導通され、補助開閉部１７に流れる電流が所定の閾値に達しない場合には、補助開閉部１７の導通が継続される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流電源と照明装置などの負荷の間に直列に接続される２線式の負荷制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、トライアックやサイリスタなどの無接点スイッチ素子を用いた照明装置用の負荷制御装置が実用化されている。これらの負荷制御装置は、省配線の見地から、２線式結線が一般的であり、商用の交流電源と負荷との間に直列に接続される。このように交流電源と負荷との間に直列に接続される負荷制御装置においては、如何にして自己の回路電源を確保するかが問題となる。
【０００３】
図２０に示す第１従来例の負荷制御装置５０は、交流電源２と負荷３との間に直列に接続され、主開閉部５１と、整流部５２と、制御部５３と、制御部５３に安定した電源を供給するための第１電源部５４と、負荷３への電力停止状態のときに第１電源部５４へ電力を供給する第２電源部５５と、負荷３への電力供給が行われているときに第１電源部５４へ電力を供給する第３電源部５６と、負荷電流のうち微小電流の通電を行う補助開閉部５７などで構成されている。主開閉部５１のスイッチ素子５１ａは、トライアックで構成されている。
【０００４】
負荷３へ電力供給が行われていない負荷制御装置５０のオフ状態では、交流電源２から負荷制御装置５０に印加される電圧は、整流部５２を介して第２電源部５５に供給される。第２電源部５５は、抵抗とツェナーダイオードで構成された定電圧回路である。このときに負荷３に流れる電流は、負荷３が誤動作しない程度の微小電流であり、制御部５３の消費電流は小さく、第２電源部５５のインピーダンスは高く維持されるように設定されている。
【０００５】
一方、負荷３へ電力供給が行われている負荷制御装置５０のオン状態では、制御部５３からの制御信号により第３電源部５６がオンし、負荷制御装置５０のインピーダンスが低下して負荷３に流れる電流量が増加すると共に、第３電源部５６に流れる電流は第１電源部５４にも流れ、バッファコンデンサ５９の充電を開始する。バッファコンデンサ５９の充電電圧が所定の閾値よりも高くなると、第３電源部５６を構成するツェナーダイオード５６ａがブレークダウンして電流が流れ始め、補助開閉部５７のゲートに電流が流れ込み、補助開閉部５７が導通する（閉状態）。その結果、整流部５２から第３電源部５６に流れていた電流は補助開閉部５７へ転流し、さらに主開閉部５１のスイッチ素子５１ａのゲートに流れ込み、主開閉部５１が導通する（閉状態）。そのため、負荷６１に対してほぼ全ての電力が供給される。一旦、主開閉部５１が導通する（閉状態）と電流を流し続けるが、交流電流がゼロクロス点に達したときにスイッチ素子５１ａは自己消弧し、主開閉部５１が非導通（開状態）になる。主開閉部５１が非導通（開状態）になると、再び整流部５２から第３電源部５６を経て第１電源部５４に電流が流れ、負荷制御装置５０の自己回路電源を確保する動作を行う。すなわち、交流の１／２周期ごとに、負荷制御装置５０の自己回路電源確保、補助開閉部５７の導通及び主開閉部５１の導通動作が繰り返される。
【０００６】
図２１に示す第２従来例の負荷制御装置６０は、交流電源２と負荷３との間に直列に接続され、主開閉部６１と、整流部６２と、制御部６３と、制御部６３に安定した電源を供給するための第１電源部６４と、負荷３への電力停止状態のときに第１電源部６４へ電力を供給する第２電源部６５と、負荷３への電力供給が行われているときに第１電源部６４へ電力を供給する第３電源部６６と、負荷電流のゼロクロス点を検出するゼロクロス検出部６７などで構成されている。主開閉部６１のスイッチ素子６１ａとしてＭＯＳＦＥＴを用いており、白熱灯を制御対象負荷としている。
【０００７】
負荷３に電力を供給する場合、外部入力される調光レベルに応じた期間だけ主開閉部６１のスイッチ素子６１ａを導通させるが、ゼロクロス検出部６７が電圧のゼロクロス点を検出するタイミングでスイッチ素子６１ａを導通させ（閉状態）、上記期間経過後にスイッチ素子６１ａを非導通（開状態）にさせる。主開閉部６１が非導通（開状態）の間、上記第１従来例と同様に負荷制御装置６０の自己回路電源が確保される。主開閉部６１が非導通（開状態）にされると、再びゼロクロス検出部６７がゼロクロス点を検出し、スイッチ素子６１ａを導通（閉状態）にさせる動作を交流の１／２周期ごとに繰り返す。
【０００８】
第１従来例の負荷制御装置５０のように主開閉部５１のスイッチ素子がトライアックやサイリスタの場合、負荷３に電力を供給する際に発生するノイズを低減するため、及び負荷３への電力供給を停止する際に電源２から伝播されるノイズによる誤動作を防止するために、フィルタを設ける必要があるが、フィルタを構成するコイル５８の大きさやコイルによる発熱が問題となり、負荷制御装置の小型化が困難である。
【０００９】
フィルタを用いずに負荷制御装置によるノイズを低減するために、例えば特許文献１に記載された負荷制御装置（第３従来例）では、主開閉部のスイッチ素子の他に、このスイッチ素子（第１スイッチ部）よりもオン抵抗の大きい第２スイッチ部を設け、第２スイッチ部をオンさせた後第１スイッチ部をオンさせるようにしている。しかしながら、このような第３従来例では、スイッチ素子の数が多くなり、回路構成が複雑になると共に、スイッチオンのタイミングの制御が複雑になる。
【００１０】
また、第２従来例の負荷制御装置６０のように主開閉部６１のスイッチ素子６１ａがトランジスタの場合、負荷が白熱灯のような負荷電流と負荷電圧が同位相（力率１）になる負荷に限定される。
【００１１】
さらに、主開閉部のスイッチ素子として用いられるトライアックやトランジスタはＳｉで構成され、素子の縦方向に電流が流れる縦型が一般的である。トライアックの場合、通電経路にＰＮジャンクションが存在するため、通電時にこの障壁を乗り越えるために損失が発生する。また、トランジスタの場合、２つの素子を逆方向に接続する必要があること、及び耐電圧維持層となる低キャリア濃度層の抵抗が高いため、通電時に損失が発生する。これらの損失によりスイッチ素子自体の発熱が大きく、大型のヒートシンクを必要とするため、負荷制御装置の大容量化や小型化の妨げとなっていた。一般的に、このような負荷制御装置は、壁面に設けられた金属製のボックスなどに収納されて使用されるが、従来の負荷制御装置では小型化には限界があるため、現在一般的に使用されているボックスの大きさでは、負荷制御装置と他のセンサやスイッチなどとの併用ができない。従って、一般的な大きさのボックスにおいて、負荷制御装置と他のセンサやスイッチなどの併設を可能にするために、負荷制御装置のさらなる小型化が求められている。
【００１２】
また、上記従来の負荷制御装置において、例えば負荷が照明装置である場合、豆電球等の低容量の負荷を制御する際にも、消費電力の大きい主開閉部が導通されるため、負荷制御装置内において消費される電力が大きくなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００６−９２８５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明は、上記従来例の問題を解決するためになされたものであり、スイッチ素子の点数を削減しつつ、開閉タイミングを正確に制御し、かつ消費電力の低減を図ることができる負荷制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記目的を達成するために請求項１の発明は、交流電源と負荷の間に直列に接続される２線式の負荷制御装置であって、トランジスタ構造のスイッチ素子を有し、負荷に対して電源の供給を制御する主開閉部と、サイリスタ構造のスイッチ素子を有し、前記主開閉部が非導通のときに、負荷に対して電源の供給を制御する補助開閉部と、前記主開閉部及び前記補助開閉部の開閉を制御する制御部と、前記主開閉部の両端から整流部を介して電力供給され、前記制御部に安定した電圧を供給する第１電源部と、前記主開閉部の両端から整流部を介して電力供給され、負荷への電力供給を停止しているときに、前記第１電源部への電源を供給する第２電源部と、前記主開閉部又は前記補助開閉部が閉状態で、負荷への電力供給を行っているときに、前記第１電源部への電源を供給する第３電源部と、前記第３電源部に入力される電圧を検出する電圧検出部と、前記補助開閉部に流れる電流を検出する電流検出部を備え、負荷へ電力を供給しているとき、前記第３電源部に入力される電圧が所定の閾値に達したことを前記電圧検出部が検出すると、前記補助開閉部は導通され、前記制御部は、前記補助開閉部に流れる電流が所定の閾値に達したことを前記電流検出部が検出すると前記主開閉部を導通させることを特徴とする。
【００１６】
請求項２の発明は、請求項１に記載の負荷制御装置において、負荷電流のゼロクロス点を検出するゼロクロス検出部をさらに備え、前記制御部は、前記主開閉部を導通させた後、前記ゼロクロス検出部が負荷電流のゼロクロス点を検出してから負荷電流の半周期未満の所定時間の経過後、前記主開閉部を非導通とすることを特徴とする。
【００１７】
請求項３の発明は、請求項２に記載の負荷制御装置において、前記制御部は、前記主開閉部を非導通とした後、前記補助開閉部を所定時間導通させることを特徴とする。
【００１８】
請求項４の発明は、前記制御部は、前記補助開閉部に流れる電流が所定の閾値に達したことを前記電流検出部が検出すると、一旦前記主開閉部を導通状態とし、その後、前記主開閉部が非導通となる際に、前記補助開閉部を導通させることを特徴とする請求項３に記載の負荷制御装置。
【００１９】
請求項５の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の負荷制御装置において、前記電流検出部は、積分回路を有することを特徴とする。
【００２０】
請求項６の発明は、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の負荷制御装置において、前記制御部は、負荷へ電力を供給しているとき、所定の待ち限度時間内に前記電圧検出部が前記第３電源部に入力される電圧が所定の閾値に達したことを検出しなかった場合、前記待ち限度時間が経過した後前記補助開閉部を導通させることを特徴とする。
【００２１】
請求項７の発明は、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の負荷制御装置において、前記主開閉部を駆動する駆動回路をさらに備え、前記主開閉部は、前記交流電源及び前記負荷に対し直列に接続され、それぞれ接続点に対し制御電圧が印加されるゲートを１箇所ずつ有し、耐電圧部を１箇所とする横型のデュアルゲートトランジスタ構造の主スイッチ素子を有することを特徴とする。
【００２２】
請求項８の発明は、請求項７に記載の負荷制御装置において、前記駆動回路は、前記制御部からの駆動信号に応じて、前記交流電源及び前記負荷にそれぞれ接続される点の電位を基準にして、前記制御部とは電気的に絶縁された電力を、前記主スイッチ素子のゲート部に供給し、前記主スイッチ素子を駆動することを特徴とする。
【００２３】
請求項９の発明は、請求項８に記載の負荷制御装置において、前記駆動回路は、前記主スイッチ素子のデュアルゲートに対応して２組設けられ、発光部及び受光部を有する光絶縁半導体スイッチ素子で構成され、前記発光部は前記制御部に接続されて駆動信号が入力され、前記受光部は、前記発光部から出力された光が入射すると光電変換を行い、前記受光部で発電された電力が、前記交流電源及び前記負荷が接続される点をそれぞれ基準として、前記主スイッチ素子のゲート端子に正の電位が印加されるように接続されていることを特徴とする。
【００２４】
請求項１０の発明は、請求項８に記載の負荷制御装置において、前記駆動回路は、前記制御部に接続された１次側コイルと、前記主スイッチ素子のデュアルゲートに対応して２組設けられ、整流回路を介して前記主スイッチ素子のゲート電極に接続された２組の２次側コイルを有するトランスで構成され、前記制御部からの駆動信号に応じて前記１次側コイルに交流電流が流れたときに、前記２次側コイルに発生した起電力を整流した電力により、前記交流電源及び前記負荷が接続される点をそれぞれ基準として、前記主スイッチ素子のゲート端子に正の電位が印加されることを特徴とする。
【００２５】
請求項１１の発明は、請求項７に記載の負荷制御装置において、前記駆動回路は、前記主スイッチ素子のデュアルゲートに対応してそれぞれ２組設けられ、第１電源部に接続されたダイオードと、一端がそれぞれの電力線に接続され、他端が前記ダイオードに接続されたコンデンサと、前記ダイオードと前記コンデンサの接続点と前記主開閉部の主スイッチ素子の各ゲート端子との間に接続された駆動スイッチ素子で構成され、前記駆動スイッチ素子を前記制御部からの信号により導通させることで、前記主開閉部に駆動電力を供給することを特徴とする。
【００２６】
請求項１２の発明は、請求項１１に記載の負荷制御装置において、前記駆動回路における駆動スイッチ素子は、前記制御部から駆動信号によって光を出力する発光部と、前記発光部から出力された光を受光して導通する受光部で構成された光絶縁半導体スイッチ素子であり、前記受光部が導通することによって、前記第１電源の電力を利用して前記主開閉部に駆動電力を供給することを特徴とする。
【００２７】
請求項１３の発明は、請求項９又は請求項１２に記載の負荷制御装置において、前記駆動回路における２つの前記光絶縁半導体スイッチ素子の発光部が直列に接続されていることを特徴とする。
【００２８】
請求項１４の発明は、請求項１１乃至請求項１３のいずれか一項に記載の負荷制御装置において、前記駆動回路は、前記主スイッチ素子のゲート電極と前記駆動スイッチ素子が接続される接続点と、前記ゲート電極の基準となる電力線との間に接続されたコンデンサをさらに備えたことを特徴とする。
【００２９】
請求項１５の発明は、請求項７又は請求項１１乃至請求項１４のいずれか一項に記載の負荷制御装置において、前記整流部の交流ラインが接続される点と、そのマイナス出力点との間に接続された同期スイッチ素子を有し、前記主開閉部が閉となる動作に同期して、前記同期スイッチ素子が閉となる動作を行うことを特徴とする。
【００３０】
請求項１６の発明は、請求項１５に記載の負荷制御装置において、前記駆動スイッチ素子は、サイリスタ又はトライアック構造を有し、前記駆動スイッチ素子は、前記負荷制御装置のいずれかの電源部とは絶縁された信号で駆動されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００３１】
請求項１の発明によれば、第３電源部に入力される電圧が所定の閾値に達すると、制御部は、まず補助開閉部を導通させ（閉状態にさせ）、その後補助開閉部に流れる電流が所定の閾値に達すると主開閉部を導通させるので、高負荷時においては、交流電源の１／２周期のうち、ほとんどの時間を主開閉部から負荷に電力を供給することができる。一方、低負荷時においては補助開閉部に流れる電流が所定の閾値に達しないため、消費電力の大きい主開閉部を導通させることなく補助開閉部によって通電させる。これにより、例えば負荷として照明器具を適用する場合、低負荷である豆電球を点灯させる場合等における負荷制御装置の内部で消費される電力を低減することが可能となる。
【００３２】
請求項２の発明によれば、負荷電流のゼロクロス点の検出から半周期未満の所定時間の経過後、主開閉部が非導通とされるので、主開閉部の導通が開始されるタイミングが遅延しても、負荷電流が零となる前に主開閉部を確実に非導通とすることができる。これにより、主開閉部が負荷電流のゼロクロスを越えて導通されることがなくなり、負荷制御装置の半周期ごとの動作が安定する。
【００３３】
請求項３の発明によれば、主開閉部が非導通になるとき、補助開閉部を所定時間だけ導通させるので、高負荷時において商用電源の１／２周期のうち、ほとんどの時間を主開閉部から負荷に電力を供給した後、通電電流が少なくなってから、補助開閉部から負荷に電力を供給することになる。これらの動作は負荷電流に対して行われるため、主開閉部がトランジスタ構造を有するスイッチ素子で構成されていても、負荷は力率１のものに限定されず、蛍光灯及び白熱灯のいずれにも適した２線式の負荷制御装置を実現することができる。また、負荷制御装置の動作時に発生するノイズのレベルが低く抑えられるため、小型で、かつ適合負荷範囲の広い負荷制御装置を実現することができる。
【００３４】
請求項４の発明によれば、電流検出部が、補助開閉部に許容値を超える電流が流れたことを検出すると、一旦主開閉部を導通させるので、補助開閉部のスイッチ素子の破損を防止すると共に、小型のスイッチ素子で補助開閉部を構成することができ、負荷制御装置の小型化が可能であり、商用電源の種類に対する対応性や過負荷に対する対応性が向上する。
【００３５】
請求項５の発明によれば、積分回路によって電流検出部を通過する電流のエネルギーを検出することができる。従って、例えば負荷として低容量のインバータが接続される場合等のように補助開閉部を通過する電流値自体は小さいがピーク値は大きくなる場合にあっても、主開閉部への導通の切り替えを抑制し、消費電力のより一層の低減を図ることが可能となる。
【００３６】
請求項６の発明によれば、補助開閉部の導通開始の待ち時間に制限を設けているので、例えば極低負荷時において第３電源部に入力される電圧が所定の閾値に達するのが過度に遅延する場合であっても、待ち限度時間の経過後補助開閉部が導通される。これにより、補助開閉部を１／２周期ごとに安定して開閉動作させることが可能となり、豆電球等のゆらぎ点灯を防止できるようになる。
【００３７】
請求項７の発明によれば、２線式負荷制御装置の主開閉部の主スイッチ素子の構造が、交流制御において、低損失（低抵抗）化に対して効率のよい半導体チップ構成となるデュアルゲートトランジスタ構造であるため、負荷制御装置の小型・大容量化が実現できる。
【００３８】
請求項８の発明によれば、容易に基準電位の異なる主開閉部の主スイッチ素子のゲート電極に駆動信号を入力することができ、主開閉部の主スイッチ素子を導通状態にすることができる。
【００３９】
請求項９の発明によれば、電力線の電位を基準とする簡易電源を小型で安価な部品で構成することができる。さらに、主スイッチ素子を駆動する電力を、発光部と受光部が電気的に絶縁された光絶縁半導体スイッチ素子を介して、電力変化することなく高効率で送ることができるため、デュアルゲートトランジスタ構成の主スイッチ素子を容易に駆動することが可能となる。
【００４０】
請求項１０の発明によれば、主開閉部を駆動する際に、主開閉部の主スイッチ素子がゲート部に電流を流す必要がある素子であっても、負荷制御装置の内部電源とは絶縁された電力を安定してゲート部に供給することができる。そのため、低損失であるデュアルゲートスイッチ素子を搭載した小型・高容量の２線式負荷制御装置を実現することが可能となる。
【００４１】
請求項１１の発明によれば、電力線の電位を基準とする簡易電源を小型で安価な部品で構成することができる。さらに、主スイッチ素子を駆動する電力を、電力変化することなく高効率で送ることができるため、デュアルゲートトランジスタ構成の主スイッチ素子を容易に駆動することが可能となる。
【００４２】
請求項１２の発明によれば、主開閉部を駆動するためのタイミングを、光絶縁された半導体スイッチ素子で信号伝達することができ、デュアルゲートトランジスタ構成の主スイッチ素子を容易に駆動することが可能となる。
【００４３】
請求項１３の発明によれば、駆動回路における光絶縁半導体スイッチ素子の発光部での消費電流を約半分にすることができるため、負荷へ電力を供給する時に確保しなければならない電力を低減でき、安定した動作を実現することができる。
【００４４】
請求項１４の発明によれば、主開閉部の動作による発生ノイズを低く抑えることができ、ノイズフィルタを不要とできるので、安価かつ小型で、しかも負荷制御装置のオフ時に高インピーダンスを維持することが可能となる。
【００４５】
請求項１５の発明によれば、主開閉部を駆動する際に、主開閉部の主スイッチ素子がゲート部に電流を流す必要がある素子であっても、安定してゲート部に電力を供給することができる。そのため、低損失であるデュアルゲートスイッチ素子を搭載した小型・高容量の２線式負荷制御装置を実現することが可能となる。
【００４６】
請求項１６の発明によれば、主開閉部の主スイッチ素子のゲート部に駆動電力を送るための駆動スイッチ素子を駆動するための電力を低く抑えることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の第１実施形態に係る負荷制御装置の構成を示す回路図。
【図２】同装置に適用される主開閉部の構成を示す回路図。
【図３】第１実施形態に係る負荷制御装置の高負荷時における各部の信号波形を示すタイムチャート。
【図４】第１実施形態に係る負荷制御装置の低負荷時における各部の信号波形を示すタイムチャート。
【図５】第１実施形態に係る負荷制御装置に適用される電流検出部の構成の一例を示す回路図。
【図６】本発明の第２実施形態に係る負荷制御装置の構成を示す回路図。
【図７】第２実施形態に係る負荷制御装置の高負荷時における各部の信号波形を示すタイムチャート。
【図８】第２実施形態に係る負荷制御装置の低負荷時における各部の信号波形を示すタイムチャート。
【図９】（ａ）は、本発明の第３実施形態に係る負荷制御装置に適用される耐電圧部を１カ所とする横型デュアルゲートトランジスタ構造の主スイッチ素子の回路図、（ｂ）は参考例として２つのＭＯＳＦＥＴ型トランジスタ素子を逆方向接続した場合の回路図。
【図１０】横型デュアルゲートトランジスタ構造の主スイッチ素子の縦断面図。
【図１１】本発明の第３実施形態に係る負荷制御装置に適用される駆動回路の構成を示す回路図。
【図１２】本発明の第３実施形態に係る負荷制御装置に適用される駆動回路の変形例を示す回路図。
【図１３】本発明の第４実施形態に係る負荷制御装置に適用される駆動回路の構成を示す回路図。
【図１４】本発明の第５実施形態に係る負荷制御装置に適用される駆動回路の概略構成を示す回路図。
【図１５】本発明の第５実施形態に係る負荷制御装置に適用される駆動回路の具体的構成例を示す回路図。
【図１６】本発明の第５実施形態に係る負荷制御装置に適用される駆動回路の変形例を示す回路図。
【図１７】本発明の第５実施形態に係る負荷制御装置に適用される駆動回路の他の変形例を示す回路図。
【図１８】本発明の第６実施形態に係る負荷制御装置の構成を示す回路図。
【図１９】本発明の第７実施形態に係る負荷制御装置に適用される駆動回路の構成を示す回路図。
【図２０】第１従来例に係る負荷制御装置の構成を示す回路図。
【図２１】第２従来例に係る負荷制御装置の構成を示す回路図。
【発明を実施するための形態】
【００４８】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態に係る負荷制御装置について説明する。図１は、第１実施形態に係る負荷制御装置１Ａの構成を示す回路図である。図２は、負荷制御装置１Ａに適用される主開閉部１１の構成の一例を示す回路図である。また、図３及び図４は、負荷制御装置１Ａの各部における信号波形を示すタイムチャートである。
【００４９】
図１に示す第１実施形態の負荷制御装置１Ａは、交流電源２と負荷３との間に直列に接続され、駆動回路１０と、負荷３に対して電源の供給を制御する主開閉部１１と、整流部１２と、負荷制御装置１Ａ全体を制御する制御部１３と、制御部１３に安定した電源を供給するための第１電源部１４と、負荷３への電力停止状態のときに第１電源部１４へ電力を供給する第２電源部１５と、負荷３への電力供給が行われているときに第１電源部１４へ電力を供給する第３電源部１６と、負荷電流のうち微小電流の通電を行う補助開閉部１７などで構成されている。駆動回路１０は、制御部１３から出力されるパルス信号に応じて主開閉部１１を駆動する。また、第３電源部１６には、第３電源部１６に入力される電圧を検出する電圧検出部１８が設けられている。主開閉部１１は、シングルゲートトランジスタ構造の主スイッチ素子１１ａを有し（図２参照）、補助開閉部１７は、サイリスタ構造の補助スイッチ素子１７ａを有している。電圧検出部１８は、ツェナーダイオードとトランジスタ等によって構成されている。第３電源部１６に入力される電圧がツェナーダイオードのツェナー電圧を超えると、トランジスタが導通して補助開閉部１７にその旨の検出信号が入力される。また、制御部１３には、ＣＰＵなどで構成された主制御部２０と、第１パルス出力部２１が設けられている。図１において、第１パルス出力部２１は、専用のＩＣなどを用いてハードウェア的に構成されたものを適用しているが、図示した構成に限定されず、主制御部２０によってソフトウェア的に各パルス信号を出力するように構成してもよい。
【００５０】
負荷３への電力供給が行われていない負荷制御装置１Ａのオフ状態においても、電源２から整流部１２を介して第２電源部１５に電流が流れるため、負荷３にも微小電流が流れているが、その電流は負荷３を誤動作させない程度に低く抑えられており、第２電源部１５のインピーダンスが高い値に維持されている。
【００５１】
負荷３へ電力供給が行われているとき、第３電源部１６のインピーダンスを低くし、負荷制御装置１Ａの内部の回路側に電流を流し、バッファコンデンサ２９を充電する。上記のように、第３電源部１６には、電圧検出部（充電監視部）１８が設けられており、第３電源部１６に入力される電圧すなわちバッファコンデンサ２９の充電電圧を検出する。
【００５２】
図３に示すように、負荷３として高容量の負荷が接続された場合には、第３電源部１６に流れる電流が大きくなるので、バッファコンデンサ２９は短時間で充電される。そして、電圧検出部１８が、第３電源部１６に入力される電圧（すなわちバッファコンデンサ２９の端子電圧）が所定の閾値（充電完了電圧）に達したことを検出すると、電圧検出信号が補助開閉部１７の補助スイッチ素子１７ａに入力され、補助開閉部１７が導通される。補助開閉部１７に流れる電流は電流検出部２６によって検出される。電流検出部２６が補助開閉部１７に流れる電流が所定の過電流閾値に達したことを検出すると、過電流検出信号を第１パルス出力部２１に出力する。
【００５３】
補助開閉部１７は、本来電流のゼロクロス点を検出して交流の１／２周期毎に確実に負荷電流を零にすることを目的としており、通電を主目的とはしておらず、小型のスイッチ素子で構成されることが期待されている。従って、補助開閉部１７に流れる電流が過大となると補助開閉部１７を構成するスイッチ素子が破損する可能性がある。そのため、本発明においては、電流検出部２６により補助開閉部１７に流れる電流値を検出し、高容量の負荷３が接続され、補助開閉部１７が許容できる電流値を超える電流が流れたときに、補助開閉部１７から主開閉部１１に導通を切り替えて負荷３に電力を供給すると共に、補助開閉部１７を過電流から保護する。
【００５４】
すなわち、過電流検出信号を受けた第１パルス出力部２１は、直ちに主開閉部１１を導通させるための第１パルス信号を主開閉部１１の主スイッチ素子１１ａのゲート端子に出力する。第１パルス信号は、過電流検出信号を受けた後、第１所定時間に亘って出力され主開閉部１１を駆動する。こうして主開閉部１１が導通されることにより、補助開閉部１７は非導通とされ、補助開閉部１７が過電流から保護される。また、商用電源の１／２周期のうち、ほとんどの時間である第１所定時間に亘って主開閉部１１から負荷３に電力を供給することになる。このとき、電流値が零となる時点（ゼロクロス点）の前に主開閉部１１が非導通とされるように第１所定時間が設定されているので、ゼロクロス点を越えて主開閉部１１が導通状態とされることはない。
【００５５】
一方、図４に示すように、負荷３として低容量の負荷が接続された場合には、補助開閉部１７に流れる電流が所定の過電流閾値に達しないため、消費電力の大きい主開閉部１１を導通させることなく引き続き補助開閉部１７によって通電させる。そして、補助開閉部１７は、次のゼロクロス点で非導通とされ、再び第３電源部１６に電流が流れ込むため、上記の動作が商用電源の１／２周期ごとに繰り返される。
【００５６】
図５は、第１実施形態に係る負荷制御装置１Ａに適用される電流検出部２６の構成の一例を示している。負荷３として例えば低容量のインバータが接続される場合にあっては、電流検出部２６を通過する電流値自体は小さいがピーク値は大きくなる。このような場合、電流検出部２６として単に電流値を検出する構成とした場合、補助開閉部１７から主開閉部１１への切り替えが頻繁に起こり、消費電力を効果的に低減することができないことがある。そこで、本実施形態では、図５に示す抵抗２６ｅ、コンデンサ２６ｆを有するＲＣ積分回路及びトランジスタ２６ｇ等によって電流検出部２６を構成し、補助開閉部１７を通過する電流の波形をなまらせて通過電流のエネルギーを検出する。
【００５７】
本第１実施形態に係る負荷制御装置１Ａによれば、高負荷時において第３電源部１６に入力される電圧が所定の閾値に達すると、制御部１３は、まず補助開閉部１７を導通させ（閉状態にさせ）、その後補助開閉部１７に流れる電流が所定の過電流閾値に達すると主開閉部１１を導通させるので、交流電源の１／２周期のうち、ほとんどの時間を主開閉部１１から負荷に電力を供給することができる。一方、低負荷時においては補助開閉部１７に流れる電流が所定の過電流閾値に達しないため、消費電力の大きい主開閉部１１を導通させることなく補助開閉部１７によって通電させる。これにより、例えば負荷３として照明器具を適用する場合、豆電球を点灯させる際における負荷制御装置の内部で消費される電力を低減することが可能となる。
【００５８】
また、電流検出部２６として図５に示した回路を適用する場合には、ＲＣ積分回路によって電流検出部２６を通過する電流のエネルギーを検出することができる。従って、例えば負荷３として低容量のインバータが接続される場合等の補助開閉部１７を通過する電流値自体は小さいがピーク値は大きくなる場合にあっても、主開閉部１１への頻繁な導通の切り替えを抑制し、消費電力のより一層の低減を図ることが可能となる。
【００５９】
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態に係る負荷制御装置について説明する。図６は、第２実施形態に係る負荷制御装置１Ｂの構成を示す回路図である。また、図７及び図８は、負荷制御装置１Ｂの各部における信号波形を示すタイムチャートである。負荷制御装置１Ｂは、ゼロクロス検出部１９と、第２パルス出力部２２、第３パルス出力部２３と、ＡＮＤ回路２５ａと、電流検出部２６と、ＯＲ回路２５ｂをさらに備えている点で第１実施形態に係る負荷制御装置１Ａと異なり、その他は同様である。図６において、第２パルス出力部２２及び第３パルス出力部２３は、専用のＩＣなどを用いてハードウェア的に構成されたものを適用しているが、図示した構成に限定されず、ＣＰＵなどで構成された主制御部２０によってソフトウェア的に各パルス信号を出力するように構成してもよい。
【００６０】
ゼロクロス検出部１９は、負荷電流のゼロクロスを検出し、ゼロクロス検出信号を第３パルス出力部２３に出力する。第２パルス出力部２２は、電圧検出部１８から出力された電圧検出信号を受け、補助開閉部１７の補助スイッチ素子１７ａに補助開閉部駆動信号として第２所定時間の第２パルス信号を出力する。第３パルス出力部２３は、ゼロクロス検出部１９から出力されたゼロクロス検出信号を受け、第１パルス出力部２１及びＡＮＤ回路２５ａに第３所定時間の第３パルス信号を出力する。第１パルス出力部２１は、第１実施形態における第１パルス出力部２１と同様に、電流検出部２６から補助開閉部１７の過電流検出信号を受けた後、第１所定時間だけ主開閉部１１を導通させるよう、第１パルスを出力する。また、バッファコンデンサ２９の充電完了が遅延する場合、第１パルス出力部２１は、第１所定時間が経過する前であっても第３パルス出力部２３からの第３パルスの入力を受けた場合には、第１パルスを立ち下げる。
【００６１】
ＡＮＤ回路２５ａは、第１パルス出力部２１から出力される第１パルス信号及び第３パルス出力部２３から出力される第３パルス信号の論理積をとり、ＯＲ回路２５ｂに出力する。ＯＲ回路２５ｂは、電流検出部２６から出力される過電流検出信号及びＡＮＤ回路２５ａから出力される信号の論理和をとり、主開閉部駆動信号として駆動回路１０及び第２パルス出力部２２に出力する。
【００６２】
図７に示すように、負荷３として高容量の負荷が接続された場合には、第１実施形態の負荷制御装置１Ａと同様に、バッファコンデンサ２９は短時間で充電される。そして、電圧検出部１８が、第３電源部１６に入力される電圧が充電完了電圧に達したことを検出すると、電圧検出信号が第２パルス出力部２２に出力される。この電圧検出信号を受けた第２パルス出力部２２は、補助開閉部駆動信号としての第２パルス信号を補助開閉部１７の補助スイッチ素子１７ａに出力し、これにより補助開閉部１７が導通される。その後、電流検出部２６は、補助開閉部１７に流れる電流が所定の過電流閾値に達したことを検出すると、過電流検出信号を第１パルス出力部２１に出力する。
【００６３】
過電流検出信号を受けた第１パルス出力部２１は、主開閉部１１を導通させるための第１パルス信号をＡＮＤ回路２５ａに出力する。ＡＮＤ回路２５ａには、第１パルス出力部２１からの第１パルス信号及び第３パルス出力部２３からの第３パルス信号が入力され、ＡＮＤ回路２５ａはこれらの論理積をとり、主開閉部駆動信号としてＯＲ回路２５ｂに出力する。ＡＮＤ回路２５ａから出力された主開閉部駆動信号は、ＯＲ回路２５ｂ及び駆動回路１０を経由して主開閉部１１の主スイッチ素子１１ａのゲート端子に入力され、第１所定時間と第３所定時間の重複する間、主開閉部１１が導通される。
【００６４】
また、ＡＮＤ回路２５ａから出力された主開閉部駆動信号は、ＯＲ回路２５ｂを経由して第２パルス出力部２２に入力される。第２パルス出力部２２は、主開閉部１１が非導通とされることを示す主開閉部駆動信号の立ち下がりを受け、補助開閉部駆動信号としての第２パルスを補助開閉部１７の補助スイッチ素子１７ａに出力し、これにより補助開閉部１７が再び導通される。すなわち、上記第１所定時間の経過後、主開閉部１１が非導通になる動作を開始する際、制御部１３は、補助開閉部１７を第２所定時間（例えば、数百μ秒）だけ導通させる。この動作は、補助開閉部１７が主開閉部１１よりも少し遅れて非導通になればよい。なお、補助スイッチ素子１７ａはサイリスタ構造を有することから、補助開閉部１７は、次のゼロクロス点で非導通とされる。補助開閉部１７が非導通（開状態）になると、再び第３電源部１６に電流が流れ込むため、上記の動作を商用電源の１／２周期ごとに繰り返す。
【００６５】
一方、図８に示すように、負荷３として低容量の負荷が接続された場合には、補助開閉部１７に流れる電流が所定の過電流閾値に達しないため、消費電力の大きい主開閉部１１を導通させることなく補助開閉部１７によって通電させる。そして、補助開閉部１７は、次のゼロクロス点で非導通とされ、再び第３電源部１６に電流が流れ込むため、上記の動作を商用電源の１／２周期ごとに繰り返す。
【００６６】
また、負荷３として極めて低容量の負荷が接続された場合には、バッファコンデンサ２９の充電速度が低下し、商用電源の１／２周期の間に電圧検出部１８から電圧検出信号が出力されない場合が想定される。そこで本実施形態においては、第２パルス出力部２２が電圧検出部１８から出力される電圧検出信号を待つ時間に制限を設け、電圧検出信号の有無に関わらず、所定の待ち限度時間の経過後第２パルス出力部２２から第２パルスを出力するように構成してもよい。この構成によれば、第３電源部１６に入力される電圧が所定の閾値に達するのが過度に遅延する場合であっても、待ち限度時間の経過後補助開閉部１７が導通される。これにより、補助開閉部１７を１／２周期ごとに安定して開閉動作させることが可能となり、豆電球等のゆらぎ点灯を防止できるようになる。
【００６７】
第１実施形態において既に述べたように、補助開閉部１７は、本来電流のゼロクロス点を検出することを目的としており、通電を主目的とはしておらず、小型のスイッチ素子で構成されることが期待されている。しかしながら、商用電源において周波数がずれたり、あるいは負荷制御装置を５０Ｈｚと６０Ｈｚの共用で動作させようとしたりすると、主開閉部１１が非導通になってから電流のゼロクロス点までの時間が長くなり、負荷電流が十分に小さくなる前に補助開閉部１７に通電が開始されてしまう。また、負荷３として過負荷が接続された場合、補助開閉部１７での通電時間は同じであっても、通電損失が大きくなり、補助開閉部１７を構成するスイッチ素子が破損する可能性がある。そのため、第２実施形態では、図７において、主開閉部１１の駆動から補助開閉部１７の駆動に切り替えた後においても、電流検出部２６により補助開閉部１７に流れる電流値を検出し、補助開閉部１７が許容できる過電流閾値を超える電流が流れたときに、さらに再び短時間（第４所定時間）だけ主開閉部１１を導通させ（閉状態にさせ）、その後主開閉部１１が非導通（開状態）になるときに、補助開閉部１７を再び導通させる。
【００６８】
より具体的には、補助開閉部１７が許容できる過電流閾値を超える電流が流れることを検知した電流検出部２６は、過電流検出信号をＯＲ回路２５ｂに出力する。ＯＲ回路２５ｂは、上述したＡＮＤ回路２５ａからの出力信号又は電流検出部２６からの出力信号のいずれかの入力を受けたとき、主開閉部１１を短時間だけ導通させて補助開閉部１７を保護する。このように主開閉部１１と補助開閉部１７を繰り返し切り換えることにより、補助開閉部１７のスイッチ素子の破損を防止する。
【００６９】
本第２実施形態に係る負荷制御装置１Ｂによれば、負荷電流のゼロクロス点の検出から半周期未満の第３所定時間の経過後、主開閉部１１が非導通とされるので、例えば低負荷時においてバッファコンデンサ２９の充電完了が遅れ主開閉部１１の導通が開始されるタイミングが遅延しても、負荷電流が零となる前に主開閉部１１を確実に非導通とすることができる。これにより、主開閉部１１が負荷電流のゼロクロスを越えて導通されることがなくなり、負荷制御装置の半周期ごとの動作が安定する。また、主開閉部１１が非導通になるとき、補助開閉部１７を所定時間だけ導通させるので、高負荷時において、商用電源の１／２周期のうち、ほとんどの時間を主開閉部１１から負荷３に電力を供給した後、通電電流が少なくなってから、補助開閉部１７から負荷に電力を供給することになる。これらの動作は負荷電流に対して行われるため、主開閉部１１がトランジスタ構造を有するスイッチ素子で構成されていても、負荷は力率１のものに限定されず、蛍光灯及び白熱灯のいずれにも適した２線式の負荷制御装置を実現することができる。また、負荷制御装置の動作時に発生するノイズのレベルが低く抑えられるため、小型で、かつ適合負荷範囲の広い負荷制御装置を実現することができる。
【００７０】
また、電流検出部２６が、補助開閉部１７に許容値を超える電流が流れることを検出すると、主開閉部１１を一旦導通させ（閉状態にさせ）、その後非導通状態にする。これにより、補助開閉部１７のスイッチ素子の破損を防止すると共に、小型のスイッチ素子で補助開閉部１７を構成することができ、負荷制御装置の小型化が可能となり、商用電源の種類に対する対応性や過負荷に対する対応性が向上する。
【００７１】
（第３実施形態）
本発明の第３実施形態に係る負荷制御装置について説明する。第３実施形態に係る負荷制御装置は、第１実施形態に係る負荷制御装置１Ａ及び第２実施形態に係る負荷制御装置１Ｂにおいて、デュアルゲートトランジスタ構造の主スイッチ素子（図９に示す）とその駆動回路１０を適用したものである。
【００７２】
はじめに、以下に説明する負荷制御装置において使用される主スイッチ素子について説明する。この主スイッチ素子は、耐電圧部を１箇所とする横型のデュアルゲートトランジスタ構造の主スイッチ素子である点で、上記従来例とは異なる。図９（ａ）は、耐電圧部を１カ所とする横型のデュアルゲートトランジスタ構造の主スイッチ素子の回路図を示し、図９（ｂ）は参考例として上記第２従来例のように２つのＭＯＳＦＥＴ型トランジスタ素子を逆方向接続した場合の回路図を示す。また、図１０は、横型のデュアルゲートトランジスタ構造の主スイッチ素子の縦断面構成を示す。
【００７３】
図９（ｂ）に示す従来の構成では、２つのトランジスタ素子のソース電極Ｓ同士が接続され、かつアースされており（最低電位部）、ソース電極Ｓとゲート電極Ｇ１，Ｇ２の間は耐電圧が不要であり、ゲート電極Ｇ１，Ｇ２とドレイン電極Ｄ１，Ｄ２の間に耐電圧が必要であるため、耐電圧部（例えば、耐電圧距離を開ける）を２箇所必要としている。２つのトランジスタ素子はソース電極を基準にしたゲート信号で動作するので、各トランジスタ素子のゲート電極Ｇ１，Ｇ２に同じ駆動信号を入力して駆動することができる。それに対して、図１０に示すように、横型のデュアルゲートトランジスタ構造の主スイッチ素子では、耐圧を維持する箇所を１箇所とした損失の少ない双方向素子を実現する構造である。このような構成にあっては、負荷３への通電時における主スイッチ素子自体の発熱量を少なくして、負荷制御装置の小型化及び大容量化を同時に実現することができる。一方、この構成の素子はドレイン電極Ｄ１，Ｄ２の電圧を基準として制御する必要があり、２つのゲート電極Ｇ１，Ｇ２にそれぞれ異なった駆動信号を入力する必要がある（そのため、デュアルゲートトランジスタ構造と呼ぶ）。
【００７４】
次に、本第３実施形態に係る負荷制御装置において適用される駆動回路１０について、図１１を参照しつつ説明する。主開閉部１１を駆動するための駆動回路１０は、主スイッチ素子１１ａのデュアルゲートに対応して２組設けられたフォトカプラなどの光絶縁半導体スイッチ素子１０１，１０２などで構成されている。光絶縁半導体スイッチ素子１０１，１０２の発光部１０１ａ，１０２ａには、それぞれ制御部１３からの駆動信号が入力される。光絶縁半導体スイッチ素子１０１，１０２の発光部１０１ａ，１０２ａは、駆動信号が入力されると、その電力を光エネルギーに変換して出力する。光絶縁半導体スイッチ素子１０１，１０２の受光部１０１ｂ，１０２ｂに、発光部１０１ａ，１０２ａからの光が入射すると、受光部１０１ｂ，１０２ｂで光電変換を行い、光エネルギーを電気エネルギーに変換（すなわち発電）する。受光部１０１ｂ，１０２ｂは、そこで発電された電力が、交流電源（商用電源）及び負荷が接続される点をそれぞれ基準として（図９（ａ）参照）、主開閉部１１の主スイッチ素子１１ａのゲート部に正の電位が印加されるように接続されている。
【００７５】
制御部１３から駆動信号を出力して光絶縁半導体スイッチ素子１０１，１０２の発光部１０１ａ，１０２ａを発光させることにより、容易に基準電位の異なる主開閉部１１の主スイッチ素子１１ａのゲート電極に駆動信号を入力することができ、主開閉部１１の主スイッチ素子１１ａを導通状態（閉状態）にすることができる。なお、光絶縁半導体スイッチ素子１０１，１０２の発光部１０１ａ，１０２ａと受光部１０１ｂ，１０２ｂは、電気的に絶縁されているため、発光部１０１ａ，１０２ａから光が出力されない限り、主スイッチ素子１１ａのゲート電極には駆動信号は入力されない。すなわち、主スイッチ素子１１ａのゲート電極には、制御部１３から出力された駆動信号とは異なる制御部１３（又は負荷制御装置１Ａの第１電源部１４）から電気的に絶縁された電力が供給される。また、制御部１３からの駆動信号を基に、絶縁を維持しながら容易に、且つ確実に主スイッチ素子１１ａのゲート電極に接続された光絶縁半導体スイッチ素子１０１，１０２をオン・オフすることができる。
【００７６】
図１２は、図１１に示す駆動回路１０の変形例を示す。この変形例では、フォトカプラなどの光絶縁半導体スイッチ素子１０１，１０２の発光部１０１ａ，１０２ａが直列に接続されている。それにより、駆動回路１０に流れる電流値を約１／２にすることができ、駆動回路１０での電力消費量を低減させることが可能となる。
【００７７】
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態に係る負荷制御装置について説明する。本第４実施形態に係る負荷制御装置は、図１１に示した駆動回路１０に代えて、図１３に示す駆動回路１０を適用した点で第３実施形態に係る負荷制御装置とは異なる。
【００７８】
第４実施形態では、主開閉部１１の駆動回路１０が、高周波絶縁トランスなど電磁的結合によって電力を伝達するトランス（電磁結合素子）１０３、整流回路１０４ａ，１０４ｂ、発振回路１０５などによって構成されている。トランス１０３の１次側コイル１０３ａは発振回路１０５に接続され、さらに発振回路１０５は制御部１３に接続されている。発振回路１０５に制御部１３からの駆動信号が入力されると、駆動信号が印加されている間だけ、発振回路１０５は発振を行い、交流電力を発生させる。トランス１０３の１次側コイル１０３ａに発振回路１０５により発生された交流電流が流れると、電磁誘導により２次側コイル１０３ｂ，１０３ｃに起電力が発生する。トランス１０３の２次側にコイル１０３ｂ、１０３ｃに発生する起電力は交流であるため、整流回路１０４ａ，１０４ｂにより整流された後、主開閉部１１の主スイッチ素子１１ａのゲート電極に入力される。なお、整流回路１０４ａ，１０４ｂは、交流電源及び負荷が接続される点を基準として、主スイッチ素子１１ａのゲート電極に正の電位が印加されるように接続されている。また、トランス１０３の１次側コイル１０３ａと２次側コイル１０３ｂ，１０３ｃは電気的に絶縁されているため、トランス１０３の１次側コイル１０３ａに電流が流れない限り、主スイッチ素子１１ａのゲート電極には駆動信号は入力されない。すなわち、主スイッチ素子１１ａのゲート電極には、制御部１３から出力された駆動信号とは異なる制御部１３から電気的に絶縁された電力が供給される。
【００７９】
このように、第４実施形態では、制御部１３から出力される駆動信号をトリガとして発振回路１０５により交流電力を発生させているので、発振回路１０５での発振周波数及び振幅、トランス１０３の１次側コイル１０３ａと２次側コイル１０３ｂ，１０３ｃの巻き線数などを適宜設定することにより、トランス１０３の２次側コイル１０３ｂ，１０３ｃに所望する電力を発生させることができる。そのため、主開閉部１１の主スイッチ素子１１ａのゲート部が一定以上の電流値を必要とする電流型の主スイッチ素子である場合であっても安定して駆動することができる。なお、発振回路１０５の駆動電力は、負荷制御装置のいずれかの電源部から供給されることは言うまでもない。あるいは、図示していないが、発振回路１０５を省略して、制御部１３から所定周波数及び所定振幅のパルス信号を直接出力するように構成してもよい。
【００８０】
（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態に係る負荷制御装置について説明する。本第５実施形態に係る負荷制御装置は、図１１に示した駆動回路１０に代えて、図１４に示す駆動回路１０を適用した点で第３実施形態に係る負荷制御装置とは異なる。
【００８１】
図１４に示すように、主開閉部１１を駆動するための駆動回路１０は、主スイッチ素子１１ａのデュアルゲートに対応してそれぞれ２組設けられ、負荷制御装置の第１電源部１４に接続されたダイオード２０１ａ，２０１ｂと、一端がそれぞれの電力線に接続され、他端がダイオード２０１ａ，２０１ｂに接続されたコンデンサ２０２ａ，２０２ｂと、ダイオード２０１ａ，２０１ｂとコンデンサ２０２ａ，２０２ｂの接続点と主開閉部１１の主スイッチ素子１１ａの各ゲート端子との間に接続された駆動スイッチ素子２０３ａ，２０３ｂで構成されている。駆動スイッチ素子２０３ａ，２０３ｂは、制御部１３からの信号によりオン／オフされる。さらに、この駆動スイッチ素子２０３ａ，２０３ｂは、スイッチ部と操作部が絶縁された構成である。駆動スイッチ素子２０３ａ，２０３ｂの構成は特に限定されるものではなく、以下に述べるように、様々なタイプのものを使用することができる。
【００８２】
この構成によれば、負荷制御装置の第１電源部１４を一端が電力線に接続されたコンデンサ２０２ａ，２０２ｂの他端にダイオード２０１ａ，２０１ｂを経由して接続することにより、電力線の電位を基準とする簡易電源がこのコンデンサ２０２ａ，２０２ｂにより構成される。このコンデンサ２０２ａ，２０２ｂへの充電は、電力線のうち電源電圧の高い側から、負荷制御装置の内部電源を経由して、電圧の低い側の電力線に流れる電流が、電圧の低い側に接続されたコンデンサを充電することによって行われる。そのとき、電圧の高い側に接続されたコンデンサには充電されないため、電源周波数の一周期毎にコンデンサに充電が繰り返される。反対側のコンデンサには、電力線の電位の関係が前述と逆のタイミングで充電される。
【００８３】
横型のデュアルゲートトランジスタ構造の主スイッチ素子１１ａをオフからオンにする場合、主スイッチ素子１１ａのゲートに対して、電力線が接続される点（図９参照）を基準として電圧を印加する必要がある。ここで、制御部１３からの信号により主開閉部１１の主スイッチ素子１１ａのゲート電極に接続される駆動スイッチ素子２０３ａ又は２０３ｂを導通させると、主スイッチ素子１１ａのゲート端子には、それぞれ電力線を基準とするコンデンサに充電された電圧が印加されるため、主スイッチ素子１１ａは導通状態（閉状態）になる。主スイッチ素子１１ａが一旦導通状態になると、主スイッチ素子１１ａの端子間電圧が非常に小さくなるため、負荷制御装置の電源からダイオード２０１ａ，２０１ｂ及び駆動スイッチ素子２０３ａ，２０３ｂを経由して印加される電圧で導通を維持することができる。
【００８４】
この実施形態では、駆動回路１０が第１電源部１４と非絶縁に構成されているため、高効率で駆動電力を供給することが可能である。コンデンサ２０２ａ，２０２ｂは、主スイッチ素子１１ａがオフからオンになるときのゲート電極の電位を一時的に確定すればよいので、その形状や容量は小型なものでもよい。なお、駆動回路１０への電源供給は、第１電源部１４の入力又は出力などの比較的安定した電源部からなされる。
【００８５】
図１５は、駆動回路１０の具体的構成例を示し、駆動スイッチ素子２０３ａ，２０３ｂとして、フォトカプラやフォトリレーなどの光絶縁半導体スイッチ素子を用いている。制御部１３からの駆動信号が入力されると、光絶縁半導体スイッチ素子の発光部から光信号が出力され、その光信号が受光部に入射すると、受光部が導通し、第１電源部１４からの電流（駆動信号）が流れる。発光部と受光部は電気的に絶縁されているため、発光部から光が出力されない限り、主スイッチ素子１１ａのゲート電極には駆動信号は入力されない。そのため、制御部１３からの駆動信号を基に、絶縁を維持しながら容易に、且つ確実に主スイッチ素子１１ａのゲート電極に接続された駆動スイッチ素子２０３ａ，２０３ｂをオン・オフすることができる。
【００８６】
図１６は、図１５に示す駆動回路１０の変形例を示す。この変形例では、フォトカプラやフォトリレーなどの光絶縁半導体スイッチ素子を用いた駆動スイッチ素子２０３ａ，２０３ｂの発光部が直列に接続されている。それにより、駆動回路１０に流れる電流値を約１／２にすることができ、駆動回路１０での電力消費量を低減させることが可能となる。
【００８７】
図１７は、図１５に示す駆動回路１０の他の変形例を示す。この変形例では、フォトカプラやフォトリレーなどの光絶縁半導体スイッチ素子を用いた駆動スイッチ素子２０３ａ，２０３ｂの発光部が直列に接続されていると共に、主開閉部１１の主スイッチ素子１１ａのゲート電極と駆動スイッチ素子２０３ａ，２０３ｂが接続される接続点と、そのゲート電極の基準となる電力線との間にコンデンサ２０４ａ，２０４ｂが接続されている。なお、図１５に示す駆動回路１０の構成例に、コンデンサ２０４ａ，２０４ｂを追加してもよい。
【００８８】
この変形例に示すように、コンデンサ２０４ａ，２０４ｂを追加することにより、駆動スイッチ素子２０３ａ，２０３ｂがオン・オフされる際に、コンデンサ２０４ａ，２０４ｂにより、主スイッチ素子１１ａのゲート電極に印加される電圧の急激な変化を緩和することができ、主スイッチ素子１１ａが急峻にオン・オフすることを防止することができる。その結果、主開閉部１１の主スイッチ素子１１ａがオン・オフすることで発生するノイズを低減することができるため、ノイズフィルタを小さくしたり、あるいは省略したりすることが可能となる。すなわち、図２０又は図２１に示す従来例の構成と比較して、ノイズフィルタとして機能するコイルやコンデンサを省略することができる。
【００８９】
ノイズフィルタを構成するコイルに関しては、負荷制御装置の定格電流が大きくなるにつれて、このコイルも大型になるため、コイルを省略することができれば、負荷制御装置の小型化を実現することができる。また、ノイズフィルタを構成するコンデンサに関しては、コイルに比べて負荷制御装置の大きさに対する制約は少ないが、このコンデンサが存在することにより、負荷制御装置がオフの状態での負荷制御装置のインピーダンスを下げることにつながり、負荷制御装置のオフ状態として好ましくない。また、負荷制御装置がオフの状態でもコンデンサを介して交流電流が流れ、それによってオフ時に負荷が誤動作したりする可能性がある。従って、負荷制御装置からノイズフィルタ用のコンデンサを省略することができれば、２線式負荷制御装置にとって好ましい形態となる。
【００９０】
（第６実施形態）
次に、本発明の第６実施形態に係る負荷制御装置について説明する。上記第５実施形態に係る負荷制御装置では、主開閉部１１の主スイッチ素子１１ａに駆動信号を印加する際、整流部１２のダイオードによって電流が流れない回路構成であるため、主スイッチ素子１１ａのゲート部（ゲート端子）が一定以上の電流値を必要としない電圧型のものにしか対応できない。そこで、第６実施形態では、主開閉部１１の主スイッチ素子１１ａが一定以上の電流値を必要とする電流型の主スイッチ素子である場合であっても安定して駆動できるようにしたものである。
【００９１】
図１８に示すように、第６実施形態に係る負荷制御装置１Ｃでは、整流部１２の交流ラインと回路基準となる整流部のマイナス側出力間に同期スイッチ素子１２０ａ，１２０ｂが接続されており、主開閉部１１が閉となる動作に同期して同期スイッチ素子１２０ａ、１２０ｂがオンとなる動作を行う。主開閉部１１が閉となる動作に同期してこの同期スイッチ素子１２０ａ、１２０ｂを閉とすると、負荷制御装置１Ｃ内の第１電源部１４から主開閉部１１の主スイッチ素子１１ａのゲート部に電流を流す経路が形成される。そのため、主スイッチ素子１１ａゲート部が電流を必要とするデュアルゲート素子であっても安定して駆動することができる。なお、その他の構成や基本動作は上記第５実施形態の場合と同様であり、駆動回路１０の構成は特に限定されず、上記第５実施形態の基本構成や各変形例を応用することができる。
【００９２】
（第７実施形態）
次に、本発明の第７実施形態に係る負荷制御装置について説明する。本第７実施形態に係る負荷制御装置は、図１８に示した駆動回路１０に代えて、図１９に示す駆動回路１０を適用した点で第６実施形態に係る負荷制御装置とは異なる。
【００９３】
第７実施形態に係る負荷制御装置において、主開閉部１１の駆動回路１０は、負荷制御装置の第１電源部１４に接続された高耐圧のダイオード２０１ａ，２０１ｂと、一端がそれぞれの電力線に接続され、他端がダイオード２０１ａ，２０１ｂに接続されたコンデンサ２０２ａ，２０２ｂと、ダイオード２０１ａ，２０１ｂとコンデンサ２０２ａ，２０２ｂの接続点と主開閉部１１の主スイッチ素子１１ａの各ゲート端子との間に接続されたフォトサイリスタ又はフォトトライアックなどの自己消弧型の駆動スイッチ素子２０５ａ，２０５ｂで構成されている。
【００９４】
補助開閉部１７に接続されている電流検出部２６にて過電流の検出を行うと、主開閉部１１を閉とする動作に移る。そのとき、主開閉部１１の主スイッチ素子１１ａのゲート電極に接続された駆動スイッチ素子２０５ａ，２０５ｂを導通させるために信号を入力するが、これら駆動スイッチ素子２０５ａ，２０５ｂがサイリスタ又はトライアック構造であるため、駆動スイッチ素子２０５ａ，２０５ｂの駆動はトリガ信号のみでよい。そのため、駆動スイッチ素子２０５ａ，２０５ｂの駆動電力は、上記各実施形態のものに比べて小さくすることができる。また、駆動スイッチ素子２０５ａ，２０５ｂを非導通にするには、整流部１２に設けた同期スイッチ素子１２０ａ，１２０ｂを開とするだけでよく、主開閉部１１を開閉させるための駆動電力を小さくすることが可能になる。２線式負荷制御装置にとっては如何に安定して電源を確保しながら負荷制御を可能とするかが重要な課題であるため、負荷制御装置の駆動電力が少ないことは、その負荷の安定動作にとって望ましい。
【００９５】
なお、本発明は上記実施形態の構成に限られることなく、少なくとも負荷へ電力を供給しているとき、第３電源部１６に入力される電圧が所定の閾値に達したことを電圧検出部１８が検出すると、まず補助開閉部１７が導通され、その後、補助開閉部１７に流れる電流が所定の閾値に達したことを電流検出部２６が検出すると主開閉部１１を導通させ、補助開閉部１７に流れる電流が所定の閾値に達しない場合には、補助開閉部１７の導通を継続させるように構成されていればよい。
【符号の説明】
【００９６】
１Ａ、１Ｂ、１Ｃ 負荷制御装置
２ 電源
３ 負荷
１１ 主開閉部
１１ａ 主スイッチ素子
１２ 整流部
１３ 制御部
１４ 第１電源部
１５ 第２電源部
１６ 第３電源部
１７ 補助開閉部
１７ａ 補助スイッチ素子
１８ 電圧検出部
１９ ゼロクロス検出部
２０ 主制御部
２１ 第１パルス出力部
２２ 第２パルス出力部
２３ 第３パルス出力部
２６ 電流検出部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流電源と照明装置などの負荷の間に直列に接続される２線式の負荷制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、トライアックやサイリスタなどの無接点スイッチ素子を用いた照明装置用の負荷制御装置が実用化されている。これらの負荷制御装置は、省配線の見地から、２線式結線が一般的であり、商用の交流電源と負荷との間に直列に接続される。このように交流電源と負荷との間に直列に接続される負荷制御装置においては、如何にして自己の回路電源を確保するかが問題となる。
【０００３】
図２０に示す第１従来例の負荷制御装置５０は、交流電源２と負荷３との間に直列に接続され、主開閉部５１と、整流部５２と、制御部５３と、制御部５３に安定した電源を供給するための第１電源部５４と、負荷３への電力停止状態のときに第１電源部５４へ電力を供給する第２電源部５５と、負荷３への電力供給が行われているときに第１電源部５４へ電力を供給する第３電源部５６と、負荷電流のうち微小電流の通電を行う補助開閉部５７などで構成されている。主開閉部５１のスイッチ素子５１ａは、トライアックで構成されている。
【０００４】
負荷３へ電力供給が行われていない負荷制御装置５０のオフ状態では、交流電源２から負荷制御装置５０に印加される電圧は、整流部５２を介して第２電源部５５に供給される。第２電源部５５は、抵抗とツェナーダイオードで構成された定電圧回路である。このときに負荷３に流れる電流は、負荷３が誤動作しない程度の微小電流であり、制御部５３の消費電流は小さく、第２電源部５５のインピーダンスは高く維持されるように設定されている。
【０００５】
一方、負荷３へ電力供給が行われている負荷制御装置５０のオン状態では、制御部５３からの制御信号により第３電源部５６がオンし、負荷制御装置５０のインピーダンスが低下して負荷３に流れる電流量が増加すると共に、第３電源部５６に流れる電流は第１電源部５４にも流れ、バッファコンデンサ５９の充電を開始する。バッファコンデンサ５９の充電電圧が所定の閾値よりも高くなると、第３電源部５６を構成するツェナーダイオード５６ａがブレークダウンして電流が流れ始め、補助開閉部５７のゲートに電流が流れ込み、補助開閉部５７が導通する（閉状態）。その結果、整流部５２から第３電源部５６に流れていた電流は補助開閉部５７へ転流し、さらに主開閉部５１のスイッチ素子５１ａのゲートに流れ込み、主開閉部５１が導通する（閉状態）。そのため、負荷６１に対してほぼ全ての電力が供給される。一旦、主開閉部５１が導通する（閉状態）と電流を流し続けるが、交流電流がゼロクロス点に達したときにスイッチ素子５１ａは自己消弧し、主開閉部５１が非導通（開状態）になる。主開閉部５１が非導通（開状態）になると、再び整流部５２から第３電源部５６を経て第１電源部５４に電流が流れ、負荷制御装置５０の自己回路電源を確保する動作を行う。すなわち、交流の１／２周期ごとに、負荷制御装置５０の自己回路電源確保、補助開閉部５７の導通及び主開閉部５１の導通動作が繰り返される。
【０００６】
図２１に示す第２従来例の負荷制御装置６０は、交流電源２と負荷３との間に直列に接続され、主開閉部６１と、整流部６２と、制御部６３と、制御部６３に安定した電源を供給するための第１電源部６４と、負荷３への電力停止状態のときに第１電源部６４へ電力を供給する第２電源部６５と、負荷３への電力供給が行われているときに第１電源部６４へ電力を供給する第３電源部６６と、負荷電流のゼロクロス点を検出するゼロクロス検出部６７などで構成されている。主開閉部６１のスイッチ素子６１ａとしてＭＯＳＦＥＴを用いており、白熱灯を制御対象負荷としている。
【０００７】
負荷３に電力を供給する場合、外部入力される調光レベルに応じた期間だけ主開閉部６１のスイッチ素子６１ａを導通させるが、ゼロクロス検出部６７が電圧のゼロクロス点を検出するタイミングでスイッチ素子６１ａを導通させ（閉状態）、上記期間経過後にスイッチ素子６１ａを非導通（開状態）にさせる。主開閉部６１が非導通（開状態）の間、上記第１従来例と同様に負荷制御装置６０の自己回路電源が確保される。主開閉部６１が非導通（開状態）にされると、再びゼロクロス検出部６７がゼロクロス点を検出し、スイッチ素子６１ａを導通（閉状態）にさせる動作を交流の１／２周期ごとに繰り返す。
【０００８】
第１従来例の負荷制御装置５０のように主開閉部５１のスイッチ素子がトライアックやサイリスタの場合、負荷３に電力を供給する際に発生するノイズを低減するため、及び負荷３への電力供給を停止する際に電源２から伝播されるノイズによる誤動作を防止するために、フィルタを設ける必要があるが、フィルタを構成するコイル５８の大きさやコイルによる発熱が問題となり、負荷制御装置の小型化が困難である。
【０００９】
フィルタを用いずに負荷制御装置によるノイズを低減するために、例えば特許文献１に記載された負荷制御装置（第３従来例）では、主開閉部のスイッチ素子の他に、このスイッチ素子（第１スイッチ部）よりもオン抵抗の大きい第２スイッチ部を設け、第２スイッチ部をオンさせた後第１スイッチ部をオンさせるようにしている。しかしながら、このような第３従来例では、スイッチ素子の数が多くなり、回路構成が複雑になると共に、スイッチオンのタイミングの制御が複雑になる。
【００１０】
また、第２従来例の負荷制御装置６０のように主開閉部６１のスイッチ素子６１ａがトランジスタの場合、負荷が白熱灯のような負荷電流と負荷電圧が同位相（力率１）になる負荷に限定される。
【００１１】
さらに、主開閉部のスイッチ素子として用いられるトライアックやトランジスタはＳｉで構成され、素子の縦方向に電流が流れる縦型が一般的である。トライアックの場合、通電経路にＰＮジャンクションが存在するため、通電時にこの障壁を乗り越えるために損失が発生する。また、トランジスタの場合、２つの素子を逆方向に接続する必要があること、及び耐電圧維持層となる低キャリア濃度層の抵抗が高いため、通電時に損失が発生する。これらの損失によりスイッチ素子自体の発熱が大きく、大型のヒートシンクを必要とするため、負荷制御装置の大容量化や小型化の妨げとなっていた。一般的に、このような負荷制御装置は、壁面に設けられた金属製のボックスなどに収納されて使用されるが、従来の負荷制御装置では小型化には限界があるため、現在一般的に使用されているボックスの大きさでは、負荷制御装置と他のセンサやスイッチなどとの併用ができない。従って、一般的な大きさのボックスにおいて、負荷制御装置と他のセンサやスイッチなどの併設を可能にするために、負荷制御装置のさらなる小型化が求められている。
【００１２】
また、上記従来の負荷制御装置において、例えば負荷が照明装置である場合、豆電球等の低容量の負荷を制御する際にも、消費電力の大きい主開閉部が導通されるため、負荷制御装置内において消費される電力が大きくなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００６−９２８５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明は、上記従来例の問題を解決するためになされたものであり、スイッチ素子の点数を削減しつつ、開閉タイミングを正確に制御し、かつ消費電力の低減を図ることができる負荷制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記目的を達成するために請求項１の発明は、交流電源と負荷の間に直列に接続される２線式の負荷制御装置であって、トランジスタ構造のスイッチ素子を有し、負荷に対して電源の供給を制御する主開閉部と、サイリスタ構造のスイッチ素子を有し、前記主開閉部が非導通のときに、負荷に対して電源の供給を制御する補助開閉部と、前記主開閉部及び前記補助開閉部の開閉を制御する制御部と、前記主開閉部の両端から整流部を介して電力供給され、前記制御部に安定した電圧を供給する第１電源部と、前記主開閉部の両端から整流部を介して電力供給され、負荷への電力供給を停止しているときに、前記第１電源部への電源を供給する第２電源部と、前記主開閉部又は前記補助開閉部が閉状態で、負荷への電力供給を行っているときに、前記第１電源部への電源を供給する第３電源部と、前記第３電源部に入力される電圧を検出する電圧検出部と、前記補助開閉部に流れる電流を検出する電流検出部を備え、負荷へ電力を供給しているとき、前記第３電源部に入力される電圧が所定の閾値に達したことを前記電圧検出部が検出すると、前記補助開閉部は導通され、前記制御部は、前記補助開閉部に流れる電流が所定の閾値に達したことを前記電流検出部が検出すると前記主開閉部を導通させることを特徴とする。
【００１６】
請求項２の発明は、請求項１に記載の負荷制御装置において、負荷電流のゼロクロス点を検出するゼロクロス検出部をさらに備え、前記制御部は、前記主開閉部を導通させた後、前記ゼロクロス検出部が負荷電流のゼロクロス点を検出してから負荷電流の半周期未満の所定時間の経過後、前記主開閉部を非導通とすることを特徴とする。
【００１７】
請求項３の発明は、請求項２に記載の負荷制御装置において、前記制御部は、前記主開閉部を非導通とした後、前記補助開閉部を所定時間導通させることを特徴とする。
【００１８】
請求項４の発明は、前記制御部は、前記補助開閉部に流れる電流が所定の閾値に達したことを前記電流検出部が検出すると、一旦前記主開閉部を導通状態とし、その後、前記主開閉部が非導通となる際に、前記補助開閉部を導通させることを特徴とする請求項３に記載の負荷制御装置。
【００１９】
請求項５の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の負荷制御装置において、前記電流検出部は、積分回路を有することを特徴とする。
【００２０】
請求項６の発明は、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の負荷制御装置において、前記制御部は、負荷へ電力を供給しているとき、所定の待ち限度時間内に前記電圧検出部が前記第３電源部に入力される電圧が所定の閾値に達したことを検出しなかった場合、前記待ち限度時間が経過した後前記補助開閉部を導通させることを特徴とする。
【００２１】
請求項７の発明は、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の負荷制御装置において、前記主開閉部を駆動する駆動回路をさらに備え、前記主開閉部は、前記交流電源及び前記負荷に対し直列に接続され、それぞれ接続点に対し制御電圧が印加されるゲートを１箇所ずつ有し、耐電圧部を１箇所とする横型のデュアルゲートトランジスタ構造の主スイッチ素子を有することを特徴とする。
【００２２】
請求項８の発明は、請求項７に記載の負荷制御装置において、前記駆動回路は、前記制御部からの駆動信号に応じて、前記交流電源及び前記負荷にそれぞれ接続される点の電位を基準にして、前記制御部とは電気的に絶縁された電力を、前記主スイッチ素子のゲート部に供給し、前記主スイッチ素子を駆動することを特徴とする。
【００２３】
請求項９の発明は、請求項８に記載の負荷制御装置において、前記駆動回路は、前記主スイッチ素子のデュアルゲートに対応して２組設けられ、発光部及び受光部を有する光絶縁半導体スイッチ素子で構成され、前記発光部は前記制御部に接続されて駆動信号が入力され、前記受光部は、前記発光部から出力された光が入射すると光電変換を行い、前記受光部で発電された電力が、前記交流電源及び前記負荷が接続される点をそれぞれ基準として、前記主スイッチ素子のゲート端子に正の電位が印加されるように接続されていることを特徴とする。
【００２４】
請求項１０の発明は、請求項８に記載の負荷制御装置において、前記駆動回路は、前記制御部に接続された１次側コイルと、前記主スイッチ素子のデュアルゲートに対応して２組設けられ、整流回路を介して前記主スイッチ素子のゲート電極に接続された２組の２次側コイルを有するトランスで構成され、前記制御部からの駆動信号に応じて前記１次側コイルに交流電流が流れたときに、前記２次側コイルに発生した起電力を整流した電力により、前記交流電源及び前記負荷が接続される点をそれぞれ基準として、前記主スイッチ素子のゲート端子に正の電位が印加されることを特徴とする。
【００２５】
請求項１１の発明は、請求項７に記載の負荷制御装置において、前記駆動回路は、前記主スイッチ素子のデュアルゲートに対応してそれぞれ２組設けられ、第１電源部に接続されたダイオードと、一端がそれぞれの電力線に接続され、他端が前記ダイオードに接続されたコンデンサと、前記ダイオードと前記コンデンサの接続点と前記主開閉部の主スイッチ素子の各ゲート端子との間に接続された駆動スイッチ素子で構成され、前記駆動スイッチ素子を前記制御部からの信号により導通させることで、前記主開閉部に駆動電力を供給することを特徴とする。
【００２６】
請求項１２の発明は、請求項１１に記載の負荷制御装置において、前記駆動回路における駆動スイッチ素子は、前記制御部から駆動信号によって光を出力する発光部と、前記発光部から出力された光を受光して導通する受光部で構成された光絶縁半導体スイッチ素子であり、前記受光部が導通することによって、前記第１電源の電力を利用して前記主開閉部に駆動電力を供給することを特徴とする。
【００２７】
請求項１３の発明は、請求項９又は請求項１２に記載の負荷制御装置において、前記駆動回路における２つの前記光絶縁半導体スイッチ素子の発光部が直列に接続されていることを特徴とする。
【００２８】
請求項１４の発明は、請求項１１乃至請求項１３のいずれか一項に記載の負荷制御装置において、前記駆動回路は、前記主スイッチ素子のゲート電極と前記駆動スイッチ素子が接続される接続点と、前記ゲート電極の基準となる電力線との間に接続されたコンデンサをさらに備えたことを特徴とする。
【００２９】
請求項１５の発明は、請求項７又は請求項１１乃至請求項１４のいずれか一項に記載の負荷制御装置において、前記整流部の交流ラインが接続される点と、そのマイナス出力点との間に接続された同期スイッチ素子を有し、前記主開閉部が閉となる動作に同期して、前記同期スイッチ素子が閉となる動作を行うことを特徴とする。
【００３０】
請求項１６の発明は、請求項１５に記載の負荷制御装置において、前記駆動スイッチ素子は、サイリスタ又はトライアック構造を有し、前記駆動スイッチ素子は、前記負荷制御装置のいずれかの電源部とは絶縁された信号で駆動されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００３１】
請求項１の発明によれば、第３電源部に入力される電圧が所定の閾値に達すると、制御部は、まず補助開閉部を導通させ（閉状態にさせ）、その後補助開閉部に流れる電流が所定の閾値に達すると主開閉部を導通させるので、高負荷時においては、交流電源の１／２周期のうち、ほとんどの時間を主開閉部から負荷に電力を供給することができる。一方、低負荷時においては補助開閉部に流れる電流が所定の閾値に達しないため、消費電力の大きい主開閉部を導通させることなく補助開閉部によって通電させる。これにより、例えば負荷として照明器具を適用する場合、低負荷である豆電球を点灯させる場合等における負荷制御装置の内部で消費される電力を低減することが可能となる。
【００３２】
請求項２の発明によれば、負荷電流のゼロクロス点の検出から半周期未満の所定時間の経過後、主開閉部が非導通とされるので、主開閉部の導通が開始されるタイミングが遅延しても、負荷電流が零となる前に主開閉部を確実に非導通とすることができる。これにより、主開閉部が負荷電流のゼロクロスを越えて導通されることがなくなり、負荷制御装置の半周期ごとの動作が安定する。
【００３３】
請求項３の発明によれば、主開閉部が非導通になるとき、補助開閉部を所定時間だけ導通させるので、高負荷時において商用電源の１／２周期のうち、ほとんどの時間を主開閉部から負荷に電力を供給した後、通電電流が少なくなってから、補助開閉部から負荷に電力を供給することになる。これらの動作は負荷電流に対して行われるため、主開閉部がトランジスタ構造を有するスイッチ素子で構成されていても、負荷は力率１のものに限定されず、蛍光灯及び白熱灯のいずれにも適した２線式の負荷制御装置を実現することができる。また、負荷制御装置の動作時に発生するノイズのレベルが低く抑えられるため、小型で、かつ適合負荷範囲の広い負荷制御装置を実現することができる。
【００３４】
請求項４の発明によれば、電流検出部が、補助開閉部に許容値を超える電流が流れたことを検出すると、一旦主開閉部を導通させるので、補助開閉部のスイッチ素子の破損を防止すると共に、小型のスイッチ素子で補助開閉部を構成することができ、負荷制御装置の小型化が可能であり、商用電源の種類に対する対応性や過負荷に対する対応性が向上する。
【００３５】
請求項５の発明によれば、積分回路によって電流検出部を通過する電流のエネルギーを検出することができる。従って、例えば負荷として低容量のインバータが接続される場合等のように補助開閉部を通過する電流値自体は小さいがピーク値は大きくなる場合にあっても、主開閉部への導通の切り替えを抑制し、消費電力のより一層の低減を図ることが可能となる。
【００３６】
請求項６の発明によれば、補助開閉部の導通開始の待ち時間に制限を設けているので、例えば極低負荷時において第３電源部に入力される電圧が所定の閾値に達するのが過度に遅延する場合であっても、待ち限度時間の経過後補助開閉部が導通される。これにより、補助開閉部を１／２周期ごとに安定して開閉動作させることが可能となり、豆電球等のゆらぎ点灯を防止できるようになる。
【００３７】
請求項７の発明によれば、２線式負荷制御装置の主開閉部の主スイッチ素子の構造が、交流制御において、低損失（低抵抗）化に対して効率のよい半導体チップ構成となるデュアルゲートトランジスタ構造であるため、負荷制御装置の小型・大容量化が実現できる。
【００３８】
請求項８の発明によれば、容易に基準電位の異なる主開閉部の主スイッチ素子のゲート電極に駆動信号を入力することができ、主開閉部の主スイッチ素子を導通状態にすることができる。
【００３９】
請求項９の発明によれば、電力線の電位を基準とする簡易電源を小型で安価な部品で構成することができる。さらに、主スイッチ素子を駆動する電力を、発光部と受光部が電気的に絶縁された光絶縁半導体スイッチ素子を介して、電力変化することなく高効率で送ることができるため、デュアルゲートトランジスタ構成の主スイッチ素子を容易に駆動することが可能となる。
【００４０】
請求項１０の発明によれば、主開閉部を駆動する際に、主開閉部の主スイッチ素子がゲート部に電流を流す必要がある素子であっても、負荷制御装置の内部電源とは絶縁された電力を安定してゲート部に供給することができる。そのため、低損失であるデュアルゲートスイッチ素子を搭載した小型・高容量の２線式負荷制御装置を実現することが可能となる。
【００４１】
請求項１１の発明によれば、電力線の電位を基準とする簡易電源を小型で安価な部品で構成することができる。さらに、主スイッチ素子を駆動する電力を、電力変化することなく高効率で送ることができるため、デュアルゲートトランジスタ構成の主スイッチ素子を容易に駆動することが可能となる。
【００４２】
請求項１２の発明によれば、主開閉部を駆動するためのタイミングを、光絶縁された半導体スイッチ素子で信号伝達することができ、デュアルゲートトランジスタ構成の主スイッチ素子を容易に駆動することが可能となる。
【００４３】
請求項１３の発明によれば、駆動回路における光絶縁半導体スイッチ素子の発光部での消費電流を約半分にすることができるため、負荷へ電力を供給する時に確保しなければならない電力を低減でき、安定した動作を実現することができる。
【００４４】
請求項１４の発明によれば、主開閉部の動作による発生ノイズを低く抑えることができ、ノイズフィルタを不要とできるので、安価かつ小型で、しかも負荷制御装置のオフ時に高インピーダンスを維持することが可能となる。
【００４５】
請求項１５の発明によれば、主開閉部を駆動する際に、主開閉部の主スイッチ素子がゲート部に電流を流す必要がある素子であっても、安定してゲート部に電力を供給することができる。そのため、低損失であるデュアルゲートスイッチ素子を搭載した小型・高容量の２線式負荷制御装置を実現することが可能となる。
【００４６】
請求項１６の発明によれば、主開閉部の主スイッチ素子のゲート部に駆動電力を送るための駆動スイッチ素子を駆動するための電力を低く抑えることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の第１実施形態に係る負荷制御装置の構成を示す回路図。
【図２】同装置に適用される主開閉部の構成を示す回路図。
【図３】第１実施形態に係る負荷制御装置の高負荷時における各部の信号波形を示すタイムチャート。
【図４】第１実施形態に係る負荷制御装置の低負荷時における各部の信号波形を示すタイムチャート。
【図５】第１実施形態に係る負荷制御装置に適用される電流検出部の構成の一例を示す回路図。
【図６】本発明の第２実施形態に係る負荷制御装置の構成を示す回路図。
【図７】第２実施形態に係る負荷制御装置の高負荷時における各部の信号波形を示すタイムチャート。
【図８】第２実施形態に係る負荷制御装置の低負荷時における各部の信号波形を示すタイムチャート。
【図９】（ａ）は、本発明の第３実施形態に係る負荷制御装置に適用される耐電圧部を１カ所とする横型デュアルゲートトランジスタ構造の主スイッチ素子の回路図、（ｂ）は参考例として２つのＭＯＳＦＥＴ型トランジスタ素子を逆方向接続した場合の回路図。
【図１０】横型デュアルゲートトランジスタ構造の主スイッチ素子の縦断面図。
【図１１】本発明の第３実施形態に係る負荷制御装置に適用される駆動回路の構成を示す回路図。
【図１２】本発明の第３実施形態に係る負荷制御装置に適用される駆動回路の変形例を示す回路図。
【図１３】本発明の第４実施形態に係る負荷制御装置に適用される駆動回路の構成を示す回路図。
【図１４】本発明の第５実施形態に係る負荷制御装置に適用される駆動回路の概略構成を示す回路図。
【図１５】本発明の第５実施形態に係る負荷制御装置に適用される駆動回路の具体的構成例を示す回路図。
【図１６】本発明の第５実施形態に係る負荷制御装置に適用される駆動回路の変形例を示す回路図。
【図１７】本発明の第５実施形態に係る負荷制御装置に適用される駆動回路の他の変形例を示す回路図。
【図１８】本発明の第６実施形態に係る負荷制御装置の構成を示す回路図。
【図１９】本発明の第７実施形態に係る負荷制御装置に適用される駆動回路の構成を示す回路図。
【図２０】第１従来例に係る負荷制御装置の構成を示す回路図。
【図２１】第２従来例に係る負荷制御装置の構成を示す回路図。
【発明を実施するための形態】
【００４８】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態に係る負荷制御装置について説明する。図１は、第１実施形態に係る負荷制御装置１Ａの構成を示す回路図である。図２は、負荷制御装置１Ａに適用される主開閉部１１の構成の一例を示す回路図である。また、図３及び図４は、負荷制御装置１Ａの各部における信号波形を示すタイムチャートである。
【００４９】
図１に示す第１実施形態の負荷制御装置１Ａは、交流電源２と負荷３との間に直列に接続され、駆動回路１０と、負荷３に対して電源の供給を制御する主開閉部１１と、整流部１２と、負荷制御装置１Ａ全体を制御する制御部１３と、制御部１３に安定した電源を供給するための第１電源部１４と、負荷３への電力停止状態のときに第１電源部１４へ電力を供給する第２電源部１５と、負荷３への電力供給が行われているときに第１電源部１４へ電力を供給する第３電源部１６と、負荷電流のうち微小電流の通電を行う補助開閉部１７などで構成されている。駆動回路１０は、制御部１３から出力されるパルス信号に応じて主開閉部１１を駆動する。また、第３電源部１６には、第３電源部１６に入力される電圧を検出する電圧検出部１８が設けられている。主開閉部１１は、シングルゲートトランジスタ構造の主スイッチ素子１１ａを有し（図２参照）、補助開閉部１７は、サイリスタ構造の補助スイッチ素子１７ａを有している。電圧検出部１８は、ツェナーダイオードとトランジスタ等によって構成されている。第３電源部１６に入力される電圧がツェナーダイオードのツェナー電圧を超えると、トランジスタが導通して補助開閉部１７にその旨の検出信号が入力される。また、制御部１３には、ＣＰＵなどで構成された主制御部２０と、第１パルス出力部２１が設けられている。図１において、第１パルス出力部２１は、専用のＩＣなどを用いてハードウェア的に構成されたものを適用しているが、図示した構成に限定されず、主制御部２０によってソフトウェア的に各パルス信号を出力するように構成してもよい。
【００５０】
負荷３への電力供給が行われていない負荷制御装置１Ａのオフ状態においても、電源２から整流部１２を介して第２電源部１５に電流が流れるため、負荷３にも微小電流が流れているが、その電流は負荷３を誤動作させない程度に低く抑えられており、第２電源部１５のインピーダンスが高い値に維持されている。
【００５１】
負荷３へ電力供給が行われているとき、第３電源部１６のインピーダンスを低くし、負荷制御装置１Ａの内部の回路側に電流を流し、バッファコンデンサ２９を充電する。上記のように、第３電源部１６には、電圧検出部（充電監視部）１８が設けられており、第３電源部１６に入力される電圧すなわちバッファコンデンサ２９の充電電圧を検出する。
【００５２】
図３に示すように、負荷３として高容量の負荷が接続された場合には、第３電源部１６に流れる電流が大きくなるので、バッファコンデンサ２９は短時間で充電される。そして、電圧検出部１８が、第３電源部１６に入力される電圧（すなわちバッファコンデンサ２９の端子電圧）が所定の閾値（充電完了電圧）に達したことを検出すると、電圧検出信号が補助開閉部１７の補助スイッチ素子１７ａに入力され、補助開閉部１７が導通される。補助開閉部１７に流れる電流は電流検出部２６によって検出される。電流検出部２６が補助開閉部１７に流れる電流が所定の過電流閾値に達したことを検出すると、過電流検出信号を第１パルス出力部２１に出力する。
【００５３】
補助開閉部１７は、本来電流のゼロクロス点を検出して交流の１／２周期毎に確実に負荷電流を零にすることを目的としており、通電を主目的とはしておらず、小型のスイッチ素子で構成されることが期待されている。従って、補助開閉部１７に流れる電流が過大となると補助開閉部１７を構成するスイッチ素子が破損する可能性がある。そのため、本発明においては、電流検出部２６により補助開閉部１７に流れる電流値を検出し、高容量の負荷３が接続され、補助開閉部１７が許容できる電流値を超える電流が流れたときに、補助開閉部１７から主開閉部１１に導通を切り替えて負荷３に電力を供給すると共に、補助開閉部１７を過電流から保護する。
【００５４】
すなわち、過電流検出信号を受けた第１パルス出力部２１は、直ちに主開閉部１１を導通させるための第１パルス信号を主開閉部１１の主スイッチ素子１１ａのゲート端子に出力する。第１パルス信号は、過電流検出信号を受けた後、第１所定時間に亘って出力され主開閉部１１を駆動する。こうして主開閉部１１が導通されることにより、補助開閉部１７は非導通とされ、補助開閉部１７が過電流から保護される。また、商用電源の１／２周期のうち、ほとんどの時間である第１所定時間に亘って主開閉部１１から負荷３に電力を供給することになる。このとき、電流値が零となる時点（ゼロクロス点）の前に主開閉部１１が非導通とされるように第１所定時間が設定されているので、ゼロクロス点を越えて主開閉部１１が導通状態とされることはない。
【００５５】
一方、図４に示すように、負荷３として低容量の負荷が接続された場合には、補助開閉部１７に流れる電流が所定の過電流閾値に達しないため、消費電力の大きい主開閉部１１を導通させることなく引き続き補助開閉部１７によって通電させる。そして、補助開閉部１７は、次のゼロクロス点で非導通とされ、再び第３電源部１６に電流が流れ込むため、上記の動作が商用電源の１／２周期ごとに繰り返される。
【００５６】
図５は、第１実施形態に係る負荷制御装置１Ａに適用される電流検出部２６の構成の一例を示している。負荷３として例えば低容量のインバータが接続される場合にあっては、電流検出部２６を通過する電流値自体は小さいがピーク値は大きくなる。このような場合、電流検出部２６として単に電流値を検出する構成とした場合、補助開閉部１７から主開閉部１１への切り替えが頻繁に起こり、消費電力を効果的に低減することができないことがある。そこで、本実施形態では、図５に示す抵抗２６ｅ、コンデンサ２６ｆを有するＲＣ積分回路及びトランジスタ２６ｇ等によって電流検出部２６を構成し、補助開閉部１７を通過する電流の波形をなまらせて通過電流のエネルギーを検出する。
【００５７】
本第１実施形態に係る負荷制御装置１Ａによれば、高負荷時において第３電源部１６に入力される電圧が所定の閾値に達すると、制御部１３は、まず補助開閉部１７を導通させ（閉状態にさせ）、その後補助開閉部１７に流れる電流が所定の過電流閾値に達すると主開閉部１１を導通させるので、交流電源の１／２周期のうち、ほとんどの時間を主開閉部１１から負荷に電力を供給することができる。一方、低負荷時においては補助開閉部１７に流れる電流が所定の過電流閾値に達しないため、消費電力の大きい主開閉部１１を導通させることなく補助開閉部１７によって通電させる。これにより、例えば負荷３として照明器具を適用する場合、豆電球を点灯させる際における負荷制御装置の内部で消費される電力を低減することが可能となる。
【００５８】
また、電流検出部２６として図５に示した回路を適用する場合には、ＲＣ積分回路によって電流検出部２６を通過する電流のエネルギーを検出することができる。従って、例えば負荷３として低容量のインバータが接続される場合等の補助開閉部１７を通過する電流値自体は小さいがピーク値は大きくなる場合にあっても、主開閉部１１への頻繁な導通の切り替えを抑制し、消費電力のより一層の低減を図ることが可能となる。
【００５９】
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態に係る負荷制御装置について説明する。図６は、第２実施形態に係る負荷制御装置１Ｂの構成を示す回路図である。また、図７及び図８は、負荷制御装置１Ｂの各部における信号波形を示すタイムチャートである。負荷制御装置１Ｂは、ゼロクロス検出部１９と、第２パルス出力部２２、第３パルス出力部２３と、ＡＮＤ回路２５ａと、電流検出部２６と、ＯＲ回路２５ｂをさらに備えている点で第１実施形態に係る負荷制御装置１Ａと異なり、その他は同様である。図６において、第２パルス出力部２２及び第３パルス出力部２３は、専用のＩＣなどを用いてハードウェア的に構成されたものを適用しているが、図示した構成に限定されず、ＣＰＵなどで構成された主制御部２０によってソフトウェア的に各パルス信号を出力するように構成してもよい。
【００６０】
ゼロクロス検出部１９は、負荷電流のゼロクロスを検出し、ゼロクロス検出信号を第３パルス出力部２３に出力する。第２パルス出力部２２は、電圧検出部１８から出力された電圧検出信号を受け、補助開閉部１７の補助スイッチ素子１７ａに補助開閉部駆動信号として第２所定時間の第２パルス信号を出力する。第３パルス出力部２３は、ゼロクロス検出部１９から出力されたゼロクロス検出信号を受け、第１パルス出力部２１及びＡＮＤ回路２５ａに第３所定時間の第３パルス信号を出力する。第１パルス出力部２１は、第１実施形態における第１パルス出力部２１と同様に、電流検出部２６から補助開閉部１７の過電流検出信号を受けた後、第１所定時間だけ主開閉部１１を導通させるよう、第１パルスを出力する。また、バッファコンデンサ２９の充電完了が遅延する場合、第１パルス出力部２１は、第１所定時間が経過する前であっても第３パルス出力部２３からの第３パルスの入力を受けた場合には、第１パルスを立ち下げる。
【００６１】
ＡＮＤ回路２５ａは、第１パルス出力部２１から出力される第１パルス信号及び第３パルス出力部２３から出力される第３パルス信号の論理積をとり、ＯＲ回路２５ｂに出力する。ＯＲ回路２５ｂは、電流検出部２６から出力される過電流検出信号及びＡＮＤ回路２５ａから出力される信号の論理和をとり、主開閉部駆動信号として駆動回路１０及び第２パルス出力部２２に出力する。
【００６２】
図７に示すように、負荷３として高容量の負荷が接続された場合には、第１実施形態の負荷制御装置１Ａと同様に、バッファコンデンサ２９は短時間で充電される。そして、電圧検出部１８が、第３電源部１６に入力される電圧が充電完了電圧に達したことを検出すると、電圧検出信号が第２パルス出力部２２に出力される。この電圧検出信号を受けた第２パルス出力部２２は、補助開閉部駆動信号としての第２パルス信号を補助開閉部１７の補助スイッチ素子１７ａに出力し、これにより補助開閉部１７が導通される。その後、電流検出部２６は、補助開閉部１７に流れる電流が所定の過電流閾値に達したことを検出すると、過電流検出信号を第１パルス出力部２１に出力する。
【００６３】
過電流検出信号を受けた第１パルス出力部２１は、主開閉部１１を導通させるための第１パルス信号をＡＮＤ回路２５ａに出力する。ＡＮＤ回路２５ａには、第１パルス出力部２１からの第１パルス信号及び第３パルス出力部２３からの第３パルス信号が入力され、ＡＮＤ回路２５ａはこれらの論理積をとり、主開閉部駆動信号としてＯＲ回路２５ｂに出力する。ＡＮＤ回路２５ａから出力された主開閉部駆動信号は、ＯＲ回路２５ｂ及び駆動回路１０を経由して主開閉部１１の主スイッチ素子１１ａのゲート端子に入力され、第１所定時間と第３所定時間の重複する間、主開閉部１１が導通される。
【００６４】
また、ＡＮＤ回路２５ａから出力された主開閉部駆動信号は、ＯＲ回路２５ｂを経由して第２パルス出力部２２に入力される。第２パルス出力部２２は、主開閉部１１が非導通とされることを示す主開閉部駆動信号の立ち下がりを受け、補助開閉部駆動信号としての第２パルスを補助開閉部１７の補助スイッチ素子１７ａに出力し、これにより補助開閉部１７が再び導通される。すなわち、上記第１所定時間の経過後、主開閉部１１が非導通になる動作を開始する際、制御部１３は、補助開閉部１７を第２所定時間（例えば、数百μ秒）だけ導通させる。この動作は、補助開閉部１７が主開閉部１１よりも少し遅れて非導通になればよい。なお、補助スイッチ素子１７ａはサイリスタ構造を有することから、補助開閉部１７は、次のゼロクロス点で非導通とされる。補助開閉部１７が非導通（開状態）になると、再び第３電源部１６に電流が流れ込むため、上記の動作を商用電源の１／２周期ごとに繰り返す。
【００６５】
一方、図８に示すように、負荷３として低容量の負荷が接続された場合には、補助開閉部１７に流れる電流が所定の過電流閾値に達しないため、消費電力の大きい主開閉部１１を導通させることなく補助開閉部１７によって通電させる。そして、補助開閉部１７は、次のゼロクロス点で非導通とされ、再び第３電源部１６に電流が流れ込むため、上記の動作を商用電源の１／２周期ごとに繰り返す。
【００６６】
また、負荷３として極めて低容量の負荷が接続された場合には、バッファコンデンサ２９の充電速度が低下し、商用電源の１／２周期の間に電圧検出部１８から電圧検出信号が出力されない場合が想定される。そこで本実施形態においては、第２パルス出力部２２が電圧検出部１８から出力される電圧検出信号を待つ時間に制限を設け、電圧検出信号の有無に関わらず、所定の待ち限度時間の経過後第２パルス出力部２２から第２パルスを出力するように構成してもよい。この構成によれば、第３電源部１６に入力される電圧が所定の閾値に達するのが過度に遅延する場合であっても、待ち限度時間の経過後補助開閉部１７が導通される。これにより、補助開閉部１７を１／２周期ごとに安定して開閉動作させることが可能となり、豆電球等のゆらぎ点灯を防止できるようになる。
【００６７】
第１実施形態において既に述べたように、補助開閉部１７は、本来電流のゼロクロス点を検出することを目的としており、通電を主目的とはしておらず、小型のスイッチ素子で構成されることが期待されている。しかしながら、商用電源において周波数がずれたり、あるいは負荷制御装置を５０Ｈｚと６０Ｈｚの共用で動作させようとしたりすると、主開閉部１１が非導通になってから電流のゼロクロス点までの時間が長くなり、負荷電流が十分に小さくなる前に補助開閉部１７に通電が開始されてしまう。また、負荷３として過負荷が接続された場合、補助開閉部１７での通電時間は同じであっても、通電損失が大きくなり、補助開閉部１７を構成するスイッチ素子が破損する可能性がある。そのため、第２実施形態では、図７において、主開閉部１１の駆動から補助開閉部１７の駆動に切り替えた後においても、電流検出部２６により補助開閉部１７に流れる電流値を検出し、補助開閉部１７が許容できる過電流閾値を超える電流が流れたときに、さらに再び短時間（第４所定時間）だけ主開閉部１１を導通させ（閉状態にさせ）、その後主開閉部１１が非導通（開状態）になるときに、補助開閉部１７を再び導通させる。
【００６８】
より具体的には、補助開閉部１７が許容できる過電流閾値を超える電流が流れることを検知した電流検出部２６は、過電流検出信号をＯＲ回路２５ｂに出力する。ＯＲ回路２５ｂは、上述したＡＮＤ回路２５ａからの出力信号又は電流検出部２６からの出力信号のいずれかの入力を受けたとき、主開閉部１１を短時間だけ導通させて補助開閉部１７を保護する。このように主開閉部１１と補助開閉部１７を繰り返し切り換えることにより、補助開閉部１７のスイッチ素子の破損を防止する。
【００６９】
本第２実施形態に係る負荷制御装置１Ｂによれば、負荷電流のゼロクロス点の検出から半周期未満の第３所定時間の経過後、主開閉部１１が非導通とされるので、例えば低負荷時においてバッファコンデンサ２９の充電完了が遅れ主開閉部１１の導通が開始されるタイミングが遅延しても、負荷電流が零となる前に主開閉部１１を確実に非導通とすることができる。これにより、主開閉部１１が負荷電流のゼロクロスを越えて導通されることがなくなり、負荷制御装置の半周期ごとの動作が安定する。また、主開閉部１１が非導通になるとき、補助開閉部１７を所定時間だけ導通させるので、高負荷時において、商用電源の１／２周期のうち、ほとんどの時間を主開閉部１１から負荷３に電力を供給した後、通電電流が少なくなってから、補助開閉部１７から負荷に電力を供給することになる。これらの動作は負荷電流に対して行われるため、主開閉部１１がトランジスタ構造を有するスイッチ素子で構成されていても、負荷は力率１のものに限定されず、蛍光灯及び白熱灯のいずれにも適した２線式の負荷制御装置を実現することができる。また、負荷制御装置の動作時に発生するノイズのレベルが低く抑えられるため、小型で、かつ適合負荷範囲の広い負荷制御装置を実現することができる。
【００７０】
また、電流検出部２６が、補助開閉部１７に許容値を超える電流が流れることを検出すると、主開閉部１１を一旦導通させ（閉状態にさせ）、その後非導通状態にする。これにより、補助開閉部１７のスイッチ素子の破損を防止すると共に、小型のスイッチ素子で補助開閉部１７を構成することができ、負荷制御装置の小型化が可能となり、商用電源の種類に対する対応性や過負荷に対する対応性が向上する。
【００７１】
（第３実施形態）
本発明の第３実施形態に係る負荷制御装置について説明する。第３実施形態に係る負荷制御装置は、第１実施形態に係る負荷制御装置１Ａ及び第２実施形態に係る負荷制御装置１Ｂにおいて、デュアルゲートトランジスタ構造の主スイッチ素子（図９に示す）とその駆動回路１０を適用したものである。
【００７２】
はじめに、以下に説明する負荷制御装置において使用される主スイッチ素子について説明する。この主スイッチ素子は、耐電圧部を１箇所とする横型のデュアルゲートトランジスタ構造の主スイッチ素子である点で、上記従来例とは異なる。図９（ａ）は、耐電圧部を１カ所とする横型のデュアルゲートトランジスタ構造の主スイッチ素子の回路図を示し、図９（ｂ）は参考例として上記第２従来例のように２つのＭＯＳＦＥＴ型トランジスタ素子を逆方向接続した場合の回路図を示す。また、図１０は、横型のデュアルゲートトランジスタ構造の主スイッチ素子の縦断面構成を示す。
【００７３】
図９（ｂ）に示す従来の構成では、２つのトランジスタ素子のソース電極Ｓ同士が接続され、かつアースされており（最低電位部）、ソース電極Ｓとゲート電極Ｇ１，Ｇ２の間は耐電圧が不要であり、ゲート電極Ｇ１，Ｇ２とドレイン電極Ｄ１，Ｄ２の間に耐電圧が必要であるため、耐電圧部（例えば、耐電圧距離を開ける）を２箇所必要としている。２つのトランジスタ素子はソース電極を基準にしたゲート信号で動作するので、各トランジスタ素子のゲート電極Ｇ１，Ｇ２に同じ駆動信号を入力して駆動することができる。それに対して、図１０に示すように、横型のデュアルゲートトランジスタ構造の主スイッチ素子では、耐圧を維持する箇所を１箇所とした損失の少ない双方向素子を実現する構造である。このような構成にあっては、負荷３への通電時における主スイッチ素子自体の発熱量を少なくして、負荷制御装置の小型化及び大容量化を同時に実現することができる。一方、この構成の素子はドレイン電極Ｄ１，Ｄ２の電圧を基準として制御する必要があり、２つのゲート電極Ｇ１，Ｇ２にそれぞれ異なった駆動信号を入力する必要がある（そのため、デュアルゲートトランジスタ構造と呼ぶ）。
【００７４】
次に、本第３実施形態に係る負荷制御装置において適用される駆動回路１０について、図１１を参照しつつ説明する。主開閉部１１を駆動するための駆動回路１０は、主スイッチ素子１１ａのデュアルゲートに対応して２組設けられたフォトカプラなどの光絶縁半導体スイッチ素子１０１，１０２などで構成されている。光絶縁半導体スイッチ素子１０１，１０２の発光部１０１ａ，１０２ａには、それぞれ制御部１３からの駆動信号が入力される。光絶縁半導体スイッチ素子１０１，１０２の発光部１０１ａ，１０２ａは、駆動信号が入力されると、その電力を光エネルギーに変換して出力する。光絶縁半導体スイッチ素子１０１，１０２の受光部１０１ｂ，１０２ｂに、発光部１０１ａ，１０２ａからの光が入射すると、受光部１０１ｂ，１０２ｂで光電変換を行い、光エネルギーを電気エネルギーに変換（すなわち発電）する。受光部１０１ｂ，１０２ｂは、そこで発電された電力が、交流電源（商用電源）及び負荷が接続される点をそれぞれ基準として（図９（ａ）参照）、主開閉部１１の主スイッチ素子１１ａのゲート部に正の電位が印加されるように接続されている。
【００７５】
制御部１３から駆動信号を出力して光絶縁半導体スイッチ素子１０１，１０２の発光部１０１ａ，１０２ａを発光させることにより、容易に基準電位の異なる主開閉部１１の主スイッチ素子１１ａのゲート電極に駆動信号を入力することができ、主開閉部１１の主スイッチ素子１１ａを導通状態（閉状態）にすることができる。なお、光絶縁半導体スイッチ素子１０１，１０２の発光部１０１ａ，１０２ａと受光部１０１ｂ，１０２ｂは、電気的に絶縁されているため、発光部１０１ａ，１０２ａから光が出力されない限り、主スイッチ素子１１ａのゲート電極には駆動信号は入力されない。すなわち、主スイッチ素子１１ａのゲート電極には、制御部１３から出力された駆動信号とは異なる制御部１３（又は負荷制御装置１Ａの第１電源部１４）から電気的に絶縁された電力が供給される。また、制御部１３からの駆動信号を基に、絶縁を維持しながら容易に、且つ確実に主スイッチ素子１１ａのゲート電極に接続された光絶縁半導体スイッチ素子１０１，１０２をオン・オフすることができる。
【００７６】
図１２は、図１１に示す駆動回路１０の変形例を示す。この変形例では、フォトカプラなどの光絶縁半導体スイッチ素子１０１，１０２の発光部１０１ａ，１０２ａが直列に接続されている。それにより、駆動回路１０に流れる電流値を約１／２にすることができ、駆動回路１０での電力消費量を低減させることが可能となる。
【００７７】
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態に係る負荷制御装置について説明する。本第４実施形態に係る負荷制御装置は、図１１に示した駆動回路１０に代えて、図１３に示す駆動回路１０を適用した点で第３実施形態に係る負荷制御装置とは異なる。
【００７８】
第４実施形態では、主開閉部１１の駆動回路１０が、高周波絶縁トランスなど電磁的結合によって電力を伝達するトランス（電磁結合素子）１０３、整流回路１０４ａ，１０４ｂ、発振回路１０５などによって構成されている。トランス１０３の１次側コイル１０３ａは発振回路１０５に接続され、さらに発振回路１０５は制御部１３に接続されている。発振回路１０５に制御部１３からの駆動信号が入力されると、駆動信号が印加されている間だけ、発振回路１０５は発振を行い、交流電力を発生させる。トランス１０３の１次側コイル１０３ａに発振回路１０５により発生された交流電流が流れると、電磁誘導により２次側コイル１０３ｂ，１０３ｃに起電力が発生する。トランス１０３の２次側にコイル１０３ｂ、１０３ｃに発生する起電力は交流であるため、整流回路１０４ａ，１０４ｂにより整流された後、主開閉部１１の主スイッチ素子１１ａのゲート電極に入力される。なお、整流回路１０４ａ，１０４ｂは、交流電源及び負荷が接続される点を基準として、主スイッチ素子１１ａのゲート電極に正の電位が印加されるように接続されている。また、トランス１０３の１次側コイル１０３ａと２次側コイル１０３ｂ，１０３ｃは電気的に絶縁されているため、トランス１０３の１次側コイル１０３ａに電流が流れない限り、主スイッチ素子１１ａのゲート電極には駆動信号は入力されない。すなわち、主スイッチ素子１１ａのゲート電極には、制御部１３から出力された駆動信号とは異なる制御部１３から電気的に絶縁された電力が供給される。
【００７９】
このように、第４実施形態では、制御部１３から出力される駆動信号をトリガとして発振回路１０５により交流電力を発生させているので、発振回路１０５での発振周波数及び振幅、トランス１０３の１次側コイル１０３ａと２次側コイル１０３ｂ，１０３ｃの巻き線数などを適宜設定することにより、トランス１０３の２次側コイル１０３ｂ，１０３ｃに所望する電力を発生させることができる。そのため、主開閉部１１の主スイッチ素子１１ａのゲート部が一定以上の電流値を必要とする電流型の主スイッチ素子である場合であっても安定して駆動することができる。なお、発振回路１０５の駆動電力は、負荷制御装置のいずれかの電源部から供給されることは言うまでもない。あるいは、図示していないが、発振回路１０５を省略して、制御部１３から所定周波数及び所定振幅のパルス信号を直接出力するように構成してもよい。
【００８０】
（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態に係る負荷制御装置について説明する。本第５実施形態に係る負荷制御装置は、図１１に示した駆動回路１０に代えて、図１４に示す駆動回路１０を適用した点で第３実施形態に係る負荷制御装置とは異なる。
【００８１】
図１４に示すように、主開閉部１１を駆動するための駆動回路１０は、主スイッチ素子１１ａのデュアルゲートに対応してそれぞれ２組設けられ、負荷制御装置の第１電源部１４に接続されたダイオード２０１ａ，２０１ｂと、一端がそれぞれの電力線に接続され、他端がダイオード２０１ａ，２０１ｂに接続されたコンデンサ２０２ａ，２０２ｂと、ダイオード２０１ａ，２０１ｂとコンデンサ２０２ａ，２０２ｂの接続点と主開閉部１１の主スイッチ素子１１ａの各ゲート端子との間に接続された駆動スイッチ素子２０３ａ，２０３ｂで構成されている。駆動スイッチ素子２０３ａ，２０３ｂは、制御部１３からの信号によりオン／オフされる。さらに、この駆動スイッチ素子２０３ａ，２０３ｂは、スイッチ部と操作部が絶縁された構成である。駆動スイッチ素子２０３ａ，２０３ｂの構成は特に限定されるものではなく、以下に述べるように、様々なタイプのものを使用することができる。
【００８２】
この構成によれば、負荷制御装置の第１電源部１４を一端が電力線に接続されたコンデンサ２０２ａ，２０２ｂの他端にダイオード２０１ａ，２０１ｂを経由して接続することにより、電力線の電位を基準とする簡易電源がこのコンデンサ２０２ａ，２０２ｂにより構成される。このコンデンサ２０２ａ，２０２ｂへの充電は、電力線のうち電源電圧の高い側から、負荷制御装置の内部電源を経由して、電圧の低い側の電力線に流れる電流が、電圧の低い側に接続されたコンデンサを充電することによって行われる。そのとき、電圧の高い側に接続されたコンデンサには充電されないため、電源周波数の一周期毎にコンデンサに充電が繰り返される。反対側のコンデンサには、電力線の電位の関係が前述と逆のタイミングで充電される。
【００８３】
横型のデュアルゲートトランジスタ構造の主スイッチ素子１１ａをオフからオンにする場合、主スイッチ素子１１ａのゲートに対して、電力線が接続される点（図９参照）を基準として電圧を印加する必要がある。ここで、制御部１３からの信号により主開閉部１１の主スイッチ素子１１ａのゲート電極に接続される駆動スイッチ素子２０３ａ又は２０３ｂを導通させると、主スイッチ素子１１ａのゲート端子には、それぞれ電力線を基準とするコンデンサに充電された電圧が印加されるため、主スイッチ素子１１ａは導通状態（閉状態）になる。主スイッチ素子１１ａが一旦導通状態になると、主スイッチ素子１１ａの端子間電圧が非常に小さくなるため、負荷制御装置の電源からダイオード２０１ａ，２０１ｂ及び駆動スイッチ素子２０３ａ，２０３ｂを経由して印加される電圧で導通を維持することができる。
【００８４】
この実施形態では、駆動回路１０が第１電源部１４と非絶縁に構成されているため、高効率で駆動電力を供給することが可能である。コンデンサ２０２ａ，２０２ｂは、主スイッチ素子１１ａがオフからオンになるときのゲート電極の電位を一時的に確定すればよいので、その形状や容量は小型なものでもよい。なお、駆動回路１０への電源供給は、第１電源部１４の入力又は出力などの比較的安定した電源部からなされる。
【００８５】
図１５は、駆動回路１０の具体的構成例を示し、駆動スイッチ素子２０３ａ，２０３ｂとして、フォトカプラやフォトリレーなどの光絶縁半導体スイッチ素子を用いている。制御部１３からの駆動信号が入力されると、光絶縁半導体スイッチ素子の発光部から光信号が出力され、その光信号が受光部に入射すると、受光部が導通し、第１電源部１４からの電流（駆動信号）が流れる。発光部と受光部は電気的に絶縁されているため、発光部から光が出力されない限り、主スイッチ素子１１ａのゲート電極には駆動信号は入力されない。そのため、制御部１３からの駆動信号を基に、絶縁を維持しながら容易に、且つ確実に主スイッチ素子１１ａのゲート電極に接続された駆動スイッチ素子２０３ａ，２０３ｂをオン・オフすることができる。
【００８６】
図１６は、図１５に示す駆動回路１０の変形例を示す。この変形例では、フォトカプラやフォトリレーなどの光絶縁半導体スイッチ素子を用いた駆動スイッチ素子２０３ａ，２０３ｂの発光部が直列に接続されている。それにより、駆動回路１０に流れる電流値を約１／２にすることができ、駆動回路１０での電力消費量を低減させることが可能となる。
【００８７】
図１７は、図１５に示す駆動回路１０の他の変形例を示す。この変形例では、フォトカプラやフォトリレーなどの光絶縁半導体スイッチ素子を用いた駆動スイッチ素子２０３ａ，２０３ｂの発光部が直列に接続されていると共に、主開閉部１１の主スイッチ素子１１ａのゲート電極と駆動スイッチ素子２０３ａ，２０３ｂが接続される接続点と、そのゲート電極の基準となる電力線との間にコンデンサ２０４ａ，２０４ｂが接続されている。なお、図１５に示す駆動回路１０の構成例に、コンデンサ２０４ａ，２０４ｂを追加してもよい。
【００８８】
この変形例に示すように、コンデンサ２０４ａ，２０４ｂを追加することにより、駆動スイッチ素子２０３ａ，２０３ｂがオン・オフされる際に、コンデンサ２０４ａ，２０４ｂにより、主スイッチ素子１１ａのゲート電極に印加される電圧の急激な変化を緩和することができ、主スイッチ素子１１ａが急峻にオン・オフすることを防止することができる。その結果、主開閉部１１の主スイッチ素子１１ａがオン・オフすることで発生するノイズを低減することができるため、ノイズフィルタを小さくしたり、あるいは省略したりすることが可能となる。すなわち、図２０又は図２１に示す従来例の構成と比較して、ノイズフィルタとして機能するコイルやコンデンサを省略することができる。
【００８９】
ノイズフィルタを構成するコイルに関しては、負荷制御装置の定格電流が大きくなるにつれて、このコイルも大型になるため、コイルを省略することができれば、負荷制御装置の小型化を実現することができる。また、ノイズフィルタを構成するコンデンサに関しては、コイルに比べて負荷制御装置の大きさに対する制約は少ないが、このコンデンサが存在することにより、負荷制御装置がオフの状態での負荷制御装置のインピーダンスを下げることにつながり、負荷制御装置のオフ状態として好ましくない。また、負荷制御装置がオフの状態でもコンデンサを介して交流電流が流れ、それによってオフ時に負荷が誤動作したりする可能性がある。従って、負荷制御装置からノイズフィルタ用のコンデンサを省略することができれば、２線式負荷制御装置にとって好ましい形態となる。
【００９０】
（第６実施形態）
次に、本発明の第６実施形態に係る負荷制御装置について説明する。上記第５実施形態に係る負荷制御装置では、主開閉部１１の主スイッチ素子１１ａに駆動信号を印加する際、整流部１２のダイオードによって電流が流れない回路構成であるため、主スイッチ素子１１ａのゲート部（ゲート端子）が一定以上の電流値を必要としない電圧型のものにしか対応できない。そこで、第６実施形態では、主開閉部１１の主スイッチ素子１１ａが一定以上の電流値を必要とする電流型の主スイッチ素子である場合であっても安定して駆動できるようにしたものである。
【００９１】
図１８に示すように、第６実施形態に係る負荷制御装置１Ｃでは、整流部１２の交流ラインと回路基準となる整流部のマイナス側出力間に同期スイッチ素子１２０ａ，１２０ｂが接続されており、主開閉部１１が閉となる動作に同期して同期スイッチ素子１２０ａ、１２０ｂがオンとなる動作を行う。主開閉部１１が閉となる動作に同期してこの同期スイッチ素子１２０ａ、１２０ｂを閉とすると、負荷制御装置１Ｃ内の第１電源部１４から主開閉部１１の主スイッチ素子１１ａのゲート部に電流を流す経路が形成される。そのため、主スイッチ素子１１ａゲート部が電流を必要とするデュアルゲート素子であっても安定して駆動することができる。なお、その他の構成や基本動作は上記第５実施形態の場合と同様であり、駆動回路１０の構成は特に限定されず、上記第５実施形態の基本構成や各変形例を応用することができる。
【００９２】
（第７実施形態）
次に、本発明の第７実施形態に係る負荷制御装置について説明する。本第７実施形態に係る負荷制御装置は、図１８に示した駆動回路１０に代えて、図１９に示す駆動回路１０を適用した点で第６実施形態に係る負荷制御装置とは異なる。
【００９３】
第７実施形態に係る負荷制御装置において、主開閉部１１の駆動回路１０は、負荷制御装置の第１電源部１４に接続された高耐圧のダイオード２０１ａ，２０１ｂと、一端がそれぞれの電力線に接続され、他端がダイオード２０１ａ，２０１ｂに接続されたコンデンサ２０２ａ，２０２ｂと、ダイオード２０１ａ，２０１ｂとコンデンサ２０２ａ，２０２ｂの接続点と主開閉部１１の主スイッチ素子１１ａの各ゲート端子との間に接続されたフォトサイリスタ又はフォトトライアックなどの自己消弧型の駆動スイッチ素子２０５ａ，２０５ｂで構成されている。
【００９４】
補助開閉部１７に接続されている電流検出部２６にて過電流の検出を行うと、主開閉部１１を閉とする動作に移る。そのとき、主開閉部１１の主スイッチ素子１１ａのゲート電極に接続された駆動スイッチ素子２０５ａ，２０５ｂを導通させるために信号を入力するが、これら駆動スイッチ素子２０５ａ，２０５ｂがサイリスタ又はトライアック構造であるため、駆動スイッチ素子２０５ａ，２０５ｂの駆動はトリガ信号のみでよい。そのため、駆動スイッチ素子２０５ａ，２０５ｂの駆動電力は、上記各実施形態のものに比べて小さくすることができる。また、駆動スイッチ素子２０５ａ，２０５ｂを非導通にするには、整流部１２に設けた同期スイッチ素子１２０ａ，１２０ｂを開とするだけでよく、主開閉部１１を開閉させるための駆動電力を小さくすることが可能になる。２線式負荷制御装置にとっては如何に安定して電源を確保しながら負荷制御を可能とするかが重要な課題であるため、負荷制御装置の駆動電力が少ないことは、その負荷の安定動作にとって望ましい。
【００９５】
なお、本発明は上記実施形態の構成に限られることなく、少なくとも負荷へ電力を供給しているとき、第３電源部１６に入力される電圧が所定の閾値に達したことを電圧検出部１８が検出すると、まず補助開閉部１７が導通され、その後、補助開閉部１７に流れる電流が所定の閾値に達したことを電流検出部２６が検出すると主開閉部１１を導通させ、補助開閉部１７に流れる電流が所定の閾値に達しない場合には、補助開閉部１７の導通を継続させるように構成されていればよい。
【符号の説明】
【００９６】
１Ａ、１Ｂ、１Ｃ 負荷制御装置
２ 電源
３ 負荷
１１ 主開閉部
１１ａ 主スイッチ素子
１２ 整流部
１３ 制御部
１４ 第１電源部
１５ 第２電源部
１６ 第３電源部
１７ 補助開閉部
１７ａ 補助スイッチ素子
１８ 電圧検出部
１９ ゼロクロス検出部
２０ 主制御部
２１ 第１パルス出力部
２２ 第２パルス出力部
２３ 第３パルス出力部
２６ 電流検出部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源と負荷の間に直列に接続される２線式の負荷制御装置であって、
トランジスタ構造のスイッチ素子を有し、負荷に対して電源の供給を制御する主開閉部と、
サイリスタ構造のスイッチ素子を有し、前記主開閉部が非導通のときに、負荷に対して電源の供給を制御する補助開閉部と、
前記主開閉部及び前記補助開閉部の開閉を制御する制御部と、
前記主開閉部の両端から整流部を介して電力供給され、前記制御部に安定した電圧を供給する第１電源部と、
前記主開閉部の両端から整流部を介して電力供給され、負荷への電力供給を停止しているときに、前記第１電源部への電源を供給する第２電源部と、
前記主開閉部又は前記補助開閉部が閉状態で、負荷への電力供給を行っているときに、前記第１電源部への電源を供給する第３電源部と、
前記第３電源部に入力される電圧を検出する電圧検出部と、前記補助開閉部に流れる電流を検出する電流検出部を備え、
負荷へ電力を供給しているとき、前記第３電源部に入力される電圧が所定の閾値に達したことを前記電圧検出部が検出すると、前記補助開閉部は導通され、
前記制御部は、前記補助開閉部に流れる電流が所定の閾値に達したことを前記電流検出部が検出すると前記主開閉部を導通させる（とともに、前記補助開閉部を非導通とする）ことを特徴とする負荷制御装置。
【請求項２】
負荷電流のゼロクロス点を検出するゼロクロス検出部をさらに備え、
前記制御部は、前記主開閉部を導通させた後、前記ゼロクロス検出部が負荷電流のゼロクロス点を検出してから負荷電流の半周期未満の所定時間の経過後、前記主開閉部を非導通とすることを特徴とする請求項１に記載の負荷制御装置。
【請求項３】
前記制御部は、前記主開閉部を非導通とした後、前記補助開閉部を所定時間導通させることを特徴とする請求項２に記載の負荷制御装置。
【請求項４】
前記制御部は、前記補助開閉部に流れる電流が所定の閾値に達したことを前記電流検出部が検出すると、一旦前記主開閉部を導通状態とし、その後、前記主開閉部が非導通となる際に、前記補助開閉部を導通させることを特徴とする請求項３に記載の負荷制御装置。
【請求項５】
前記電流検出部は、積分回路を有することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の負荷制御装置。
【請求項６】
前記制御部は、負荷へ電力を供給しているとき、所定の待ち限度時間内に前記電圧検出部が前記第３電源部に入力される電圧が所定の閾値に達したことを検出しなかった場合、前記待ち限度時間が経過した後前記補助開閉部を導通させることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の負荷制御装置。
【請求項７】
前記主開閉部を駆動する駆動回路をさらに備え、
前記主開閉部は、前記交流電源及び前記負荷に対し直列に接続され、それぞれ接続点に対し制御電圧が印加されるゲートを１箇所ずつ有し、耐電圧部を１箇所とする横型のデュアルゲートトランジスタ構造の主スイッチ素子を有することを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の負荷制御装置。
【請求項８】
前記駆動回路は、前記制御部からの駆動信号に応じて、前記交流電源及び前記負荷にそれぞれ接続される点の電位を基準にして、前記制御部とは電気的に絶縁された電力を、前記主スイッチ素子のゲート部に供給し、前記主スイッチ素子を駆動することを特徴とする請求項７に記載の負荷制御装置。
【請求項９】
前記駆動回路は、前記主スイッチ素子のデュアルゲートに対応して２組設けられ、発光部及び受光部を有する光絶縁半導体スイッチ素子で構成され、前記発光部は前記制御部に接続されて駆動信号が入力され、前記受光部は、前記発光部から出力された光が入射すると光電変換を行い、前記受光部で発電された電力が、前記交流電源及び前記負荷が接続される点をそれぞれ基準として、前記主スイッチ素子のゲート端子に正の電位が印加されるように接続されていることを特徴とする請求項８に記載の負荷制御装置。
【請求項１０】
前記駆動回路は、前記制御部に接続された１次側コイルと、前記主スイッチ素子のデュアルゲートに対応して２組設けられ、整流回路を介して前記主スイッチ素子のゲート電極に接続された２組の２次側コイルを有するトランスで構成され、前記制御部からの駆動信号に応じて前記１次側コイルに交流電流が流れたときに、前記２次側コイルに発生した起電力を整流した電力により、前記交流電源及び前記負荷が接続される点をそれぞれ基準として、前記主スイッチ素子のゲート端子に正の電位が印加されることを特徴とする請求項８に記載の負荷制御装置。
【請求項１１】
前記駆動回路は、前記主スイッチ素子のデュアルゲートに対応してそれぞれ２組設けられ、第１電源部に接続されたダイオードと、一端がそれぞれの電力線に接続され、他端が前記ダイオードに接続されたコンデンサと、前記ダイオードと前記コンデンサの接続点と前記主開閉部の主スイッチ素子の各ゲート端子との間に接続された駆動スイッチ素子で構成され、前記駆動スイッチ素子を前記制御部からの信号により導通させることで、前記主開閉部に駆動電力を供給することを特徴とする請求項７に記載の負荷制御装置。
【請求項１２】
前記駆動回路における駆動スイッチ素子は、前記制御部から駆動信号によって光を出力する発光部と、前記発光部から出力された光を受光して導通する受光部で構成された光絶縁半導体スイッチ素子であり、
前記受光部が導通することによって、前記第１電源の電力を利用して前記主開閉部に駆動電力を供給することを特徴とする請求項１１に記載の負荷制御装置。
【請求項１３】
前記駆動回路における２つの前記光絶縁半導体スイッチ素子の発光部が直列に接続されていることを特徴とする請求項９又は請求項１２に記載の負荷制御装置。
【請求項１４】
前記駆動回路は、前記主スイッチ素子のゲート電極と前記駆動スイッチ素子が接続される接続点と、前記ゲート電極の基準となる電力線との間に接続されたコンデンサをさらに備えたことを特徴とする請求項１１乃至請求項１３のいずれか一項に記載の負荷制御装置。
【請求項１５】
前記整流部の交流ラインが接続される点と、そのマイナス出力点との間に接続された同期スイッチ素子を有し、前記主開閉部が閉となる動作に同期して、前記同期スイッチ素子が閉となる動作を行うことを特徴とする請求項７又は請求項１１乃至請求項１４のいずれか一項に記載の負荷制御装置。
【請求項１６】
前記駆動スイッチ素子は、サイリスタ又はトライアック構造を有し、前記駆動スイッチ素子は、前記負荷制御装置のいずれかの電源部とは絶縁された信号で駆動されることを特徴とする請求項１５に記載の負荷制御装置。
【請求項１】
交流電源と負荷の間に直列に接続される２線式の負荷制御装置であって、
トランジスタ構造のスイッチ素子を有し、負荷に対して電源の供給を制御する主開閉部と、
サイリスタ構造のスイッチ素子を有し、前記主開閉部が非導通のときに、負荷に対して電源の供給を制御する補助開閉部と、
前記主開閉部及び前記補助開閉部の開閉を制御する制御部と、
前記主開閉部の両端から整流部を介して電力供給され、前記制御部に安定した電圧を供給する第１電源部と、
前記主開閉部の両端から整流部を介して電力供給され、負荷への電力供給を停止しているときに、前記第１電源部への電源を供給する第２電源部と、
前記主開閉部又は前記補助開閉部が閉状態で、負荷への電力供給を行っているときに、前記第１電源部への電源を供給する第３電源部と、
前記第３電源部に入力される電圧を検出する電圧検出部と、前記補助開閉部に流れる電流を検出する電流検出部を備え、
負荷へ電力を供給しているとき、前記第３電源部に入力される電圧が所定の閾値に達したことを前記電圧検出部が検出すると、前記補助開閉部は導通され、
前記制御部は、前記補助開閉部に流れる電流が所定の閾値に達したことを前記電流検出部が検出すると前記主開閉部を導通させる（とともに、前記補助開閉部を非導通とする）ことを特徴とする負荷制御装置。
【請求項２】
負荷電流のゼロクロス点を検出するゼロクロス検出部をさらに備え、
前記制御部は、前記主開閉部を導通させた後、前記ゼロクロス検出部が負荷電流のゼロクロス点を検出してから負荷電流の半周期未満の所定時間の経過後、前記主開閉部を非導通とすることを特徴とする請求項１に記載の負荷制御装置。
【請求項３】
前記制御部は、前記主開閉部を非導通とした後、前記補助開閉部を所定時間導通させることを特徴とする請求項２に記載の負荷制御装置。
【請求項４】
前記制御部は、前記補助開閉部に流れる電流が所定の閾値に達したことを前記電流検出部が検出すると、一旦前記主開閉部を導通状態とし、その後、前記主開閉部が非導通となる際に、前記補助開閉部を導通させることを特徴とする請求項３に記載の負荷制御装置。
【請求項５】
前記電流検出部は、積分回路を有することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の負荷制御装置。
【請求項６】
前記制御部は、負荷へ電力を供給しているとき、所定の待ち限度時間内に前記電圧検出部が前記第３電源部に入力される電圧が所定の閾値に達したことを検出しなかった場合、前記待ち限度時間が経過した後前記補助開閉部を導通させることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の負荷制御装置。
【請求項７】
前記主開閉部を駆動する駆動回路をさらに備え、
前記主開閉部は、前記交流電源及び前記負荷に対し直列に接続され、それぞれ接続点に対し制御電圧が印加されるゲートを１箇所ずつ有し、耐電圧部を１箇所とする横型のデュアルゲートトランジスタ構造の主スイッチ素子を有することを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の負荷制御装置。
【請求項８】
前記駆動回路は、前記制御部からの駆動信号に応じて、前記交流電源及び前記負荷にそれぞれ接続される点の電位を基準にして、前記制御部とは電気的に絶縁された電力を、前記主スイッチ素子のゲート部に供給し、前記主スイッチ素子を駆動することを特徴とする請求項７に記載の負荷制御装置。
【請求項９】
前記駆動回路は、前記主スイッチ素子のデュアルゲートに対応して２組設けられ、発光部及び受光部を有する光絶縁半導体スイッチ素子で構成され、前記発光部は前記制御部に接続されて駆動信号が入力され、前記受光部は、前記発光部から出力された光が入射すると光電変換を行い、前記受光部で発電された電力が、前記交流電源及び前記負荷が接続される点をそれぞれ基準として、前記主スイッチ素子のゲート端子に正の電位が印加されるように接続されていることを特徴とする請求項８に記載の負荷制御装置。
【請求項１０】
前記駆動回路は、前記制御部に接続された１次側コイルと、前記主スイッチ素子のデュアルゲートに対応して２組設けられ、整流回路を介して前記主スイッチ素子のゲート電極に接続された２組の２次側コイルを有するトランスで構成され、前記制御部からの駆動信号に応じて前記１次側コイルに交流電流が流れたときに、前記２次側コイルに発生した起電力を整流した電力により、前記交流電源及び前記負荷が接続される点をそれぞれ基準として、前記主スイッチ素子のゲート端子に正の電位が印加されることを特徴とする請求項８に記載の負荷制御装置。
【請求項１１】
前記駆動回路は、前記主スイッチ素子のデュアルゲートに対応してそれぞれ２組設けられ、第１電源部に接続されたダイオードと、一端がそれぞれの電力線に接続され、他端が前記ダイオードに接続されたコンデンサと、前記ダイオードと前記コンデンサの接続点と前記主開閉部の主スイッチ素子の各ゲート端子との間に接続された駆動スイッチ素子で構成され、前記駆動スイッチ素子を前記制御部からの信号により導通させることで、前記主開閉部に駆動電力を供給することを特徴とする請求項７に記載の負荷制御装置。
【請求項１２】
前記駆動回路における駆動スイッチ素子は、前記制御部から駆動信号によって光を出力する発光部と、前記発光部から出力された光を受光して導通する受光部で構成された光絶縁半導体スイッチ素子であり、
前記受光部が導通することによって、前記第１電源の電力を利用して前記主開閉部に駆動電力を供給することを特徴とする請求項１１に記載の負荷制御装置。
【請求項１３】
前記駆動回路における２つの前記光絶縁半導体スイッチ素子の発光部が直列に接続されていることを特徴とする請求項９又は請求項１２に記載の負荷制御装置。
【請求項１４】
前記駆動回路は、前記主スイッチ素子のゲート電極と前記駆動スイッチ素子が接続される接続点と、前記ゲート電極の基準となる電力線との間に接続されたコンデンサをさらに備えたことを特徴とする請求項１１乃至請求項１３のいずれか一項に記載の負荷制御装置。
【請求項１５】
前記整流部の交流ラインが接続される点と、そのマイナス出力点との間に接続された同期スイッチ素子を有し、前記主開閉部が閉となる動作に同期して、前記同期スイッチ素子が閉となる動作を行うことを特徴とする請求項７又は請求項１１乃至請求項１４のいずれか一項に記載の負荷制御装置。
【請求項１６】
前記駆動スイッチ素子は、サイリスタ又はトライアック構造を有し、前記駆動スイッチ素子は、前記負荷制御装置のいずれかの電源部とは絶縁された信号で駆動されることを特徴とする請求項１５に記載の負荷制御装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【公開番号】特開２０１１−４８９７８（Ｐ２０１１−４８９７８Ａ）
【公開日】平成２３年３月１０日（２０１１．３．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１９５３９９（Ｐ２００９−１９５３９９）
【出願日】平成２１年８月２６日（２００９．８．２６）
【出願人】（０００００５８３２）パナソニック電工株式会社 (17,916)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年３月１０日（２０１１．３．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年８月２６日（２００９．８．２６）
【出願人】（０００００５８３２）パナソニック電工株式会社 (17,916)
【Ｆターム（参考）】
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