負荷制御装置
【課題】制御部及びゲート駆動部によって消費される電力を抑制しつつ、負荷の起動時に突入電流を流しきることが可能な荷制御装置を提供する。
【解決手段】商用電源６と負荷７に直列接続され、トランジスタ構造を有するスイッチ素子を用いた開閉部１１と、負荷の起動及び停止を制御する制御部１２と、制御部１２とは絶縁され、スイッチ素子のゲート電極にゲート駆動信号を出力するゲート駆動部１３と、制御部１２及びゲート駆動部１３を動作させるための電力を確保する電源部１４を備え、制御部１２は、負荷７の起動時に、ゲート駆動部１３に、所定時間だけスイッチ素子のゲート電極に対して、定常安定動作時よりも多くの駆動電力を供給させる。
【解決手段】商用電源６と負荷７に直列接続され、トランジスタ構造を有するスイッチ素子を用いた開閉部１１と、負荷の起動及び停止を制御する制御部１２と、制御部１２とは絶縁され、スイッチ素子のゲート電極にゲート駆動信号を出力するゲート駆動部１３と、制御部１２及びゲート駆動部１３を動作させるための電力を確保する電源部１４を備え、制御部１２は、負荷７の起動時に、ゲート駆動部１３に、所定時間だけスイッチ素子のゲート電極に対して、定常安定動作時よりも多くの駆動電力を供給させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば照明装置など、起動時に突入電流が流れる負荷に適した負荷制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば特許文献１に記載されているように、照明装置などの負荷のオン／オフを制御するために、トライアックなどのスイッチ素子を開閉部とする負荷制御装置（電子スイッチ）が用いられている。このような電子スイッチは、開閉部が商用電源と負荷に対して直列に接続されている。例えば、ユーザによってスイッチの操作ハンドルが操作されると、制御部からゲート駆動信号が出力され、スイッチ素子が導通される。それによって、商用電源から負荷に電力が供給され、負荷が起動される。スイッチ素子がトライアックの場合、トライアックは自己消弧形の素子であるため、商用電源の電圧ゼロクロスにより非導通となる。そのため、制御部からは、操作ハンドルが再操作されるまで、商用電源の１／２周期ごとにゲート駆動信号が出力される。
【０００３】
ところで、ユーザによって操作ハンドルが操作された直後、すなわち、負荷の起動開始時には、突入電流と呼ばれる大電流が一時的に負荷に流れる。例えば、負荷が白熱電球を用いた照明装置であると仮定すると、常温時におけるフィラメントの抵抗値は、定常点灯時における抵抗値よりも遙かに小さいため、突入電流として定常点灯時の電流値の１０倍以上の電流が流れる。一方、トランジスタ特性は、例えばＭＯＳＦＥＴに代表されるように、ゲート電圧に応じてソース−ドレイン間に流れうる電流値が制限される。そのため、仮にスイッチ素子のゲート電極に入力されるゲート駆動信号の電圧が低く、突入電流よりも小さな電流しか流し得ないとすると、操作ハンドルを操作しても直ちに照明装置は直ちには定常点灯せず、フィラメントの温度が上昇に応じて徐々に明るさを増す。そこで、操作ハンドルを操作した後、速やかに照明装置を定常点灯させるためには、負荷の起動時に突入電流をスムーズに流すように、スイッチ素子のゲート電極に印加されるゲート駆動信号の電圧を高くすればよい。
【０００４】
上記特許文献１に記載された負荷制御装置では、制御部から出力される制御信号に応じて、ゲート駆動部が商用電源の１／２周期毎にゲート駆動信号を発生させている。このゲート駆動部は、制御部を駆動するための電力を確保するための電源と同じ電源を用いてゲート駆動信号を発生させているため、ゲート駆動信号の電圧を、負荷に流れる電流に合わせて任意に変化させることは事実上不可能である。また、特許文献１に記載された負荷制御装置は、商用電源と負荷に直列接続される、いわゆる２線式の電子スイッチであり、その内部電源を確保するために、常時負荷に電流を流している。照明装置が消灯しているときにも負荷には電流が流れるため、負荷が誤点灯しないようにするため、この電源確保のための電流はきわめて微弱でなければならない。従って、制御部及びゲート駆動部によって消費される電力をできるだけ少なくしたいという要請がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−１７２５４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
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、制御部及びゲート駆動部によって消費される電力を抑制しつつ、負荷の起動時に突入電流を流しきることが可能な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】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明の一態様に係る負荷制御装置は、商用電源と負荷に直列接続され、トランジスタ構造を有するスイッチ素子を用いた開閉部と、前記負荷の起動及び停止を制御する制御部と、前記制御部とは絶縁され、前記スイッチ素子のゲート電極にゲート駆動信号を出力するゲート駆動部と、前記制御部及び前記ゲート駆動部を動作させるための電力を確保する電源部を備え、前記制御部は、前記負荷の起動時に、前記ゲート駆動部に、所定時間だけ前記スイッチ素子のゲート電極に対して、定常安定動作時よりも多くの駆動電力を供給させることを特徴とする。
【０００８】
前記ゲート駆動部は、発光部と受光部を備えた光絶縁方式によって前記制御部と絶縁されており、前記制御部は、前記負荷の起動時に、所定時間だけ前記発光部を発光させるための発光電流量を定常安定動作時よりも多く流すことが好ましい。
【０００９】
前記ゲート駆動部は、トランスを備えた磁気絶縁方式によって前記制御部と絶縁されており、前記制御部は、前記負荷の起動時に、所定時間だけ前記トランスの一次巻線をスイッチングする駆動信号のオンデューティを定常安定動作時よりも高くすることが好ましい。
【００１０】
前記スイッチ素子は、２つの縦型構造を有するトランジスタ素子を、それらの寄生ダイオードが互いに逆向きとなるように直列接続した構造を有することが好ましい。
【００１１】
前記スイッチ素子は、２つの横型構造を有するトランジスタ素子を、それらの寄生ダイオードが互いに逆向きとなるように直列接続した構造を有することが好ましい。
【００１２】
前記スイッチ素子は、ＧａＮ／ＡｌＧａＮを用い、２つのゲート電極を備えた横型トランジスタ構造を有する双方向スイッチ素子であることが好ましい。
【００１３】
前記ゲート駆動部は、前記スイッチ素子のゲート電極部に蓄積された残留電荷を引き抜く電荷引き抜き部と、前記電荷引き抜き部を駆動するための駆動電源部と、前記トランスの一次巻線をスイッチングする際に前記電荷引き抜き部を動作させないための遅延回路をさらに備えたことが好ましい。
【００１４】
この負荷制御装置は、前記商用電源と前記負荷との間に直列接続される２線式の負荷制御装置であり、前記電源部は、前記開閉部の両端子に並列に接続され、前記負荷が非稼働状態にあるときでも前記商用電源の１／２周期毎に、内部電源を確保する動作を行うことが好ましい。
【００１５】
前記電源部の出力電圧を監視する電圧監視部をさらに備え、前記制御部は、前記負荷の起動時に、定常安定動作時よりも高くした駆動信号のオンデューティを、前記電源部の出力電圧の変化に基づいて、定常安定動作時のオンデューティに変化させることが好ましい。
【００１６】
前記ゲート駆動部は、前記負荷の起動時に、所定時間だけ前記ゲート電極を定電流駆動し、定常安定動作時は前記ゲート電極を定電圧駆動することが好ましい。
【発明の効果】
【００１７】
トランジスタ構造を有するスイッチ素子は、ゲート駆動電圧を高くするなど、ゲート電極に入力する電力を多くするほど、より多くの電流を流す特性を有している。本発明によれば、ゲート駆動部が、負荷の起動時に、所定時間だけスイッチ素子のゲート電極に、定常安定動作時よりも多くの駆動電力を供給するので、スイッチ素子を流れうる電流量が増加し、負荷起動時の突入電流を流しきることができる。また、所定時間経過後は、定常安定動作時に負荷に流れる電流に相応した駆動電力がスイッチ素子のゲート電極に供給されるので、制御部及びゲート駆動部によって消費される電力を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施形態に係る負荷制御装置の構成を示す図。
【図２】２線式の負荷制御装置のブロック構成を示す図。
【図３】３線式の負荷制御装置のブロック構成を示す図。
【図４】上記負荷制御装置におけるゲート駆動電力の変化を示す図。
【図５】スイッチ素子として縦型ＭＯＳＦＥＴを用いた構成例を示す図。
【図６】スイッチ素子としてＧａＮ／ＡｌＧａＮ横型トランジスタ構造のスイッチ素子を用いた構成例を示す図。
【図７】ＧａＮ／ＡｌＧａＮ横型トランジスタ構造のスイッチ素子の構成を示す平面図。
【図８】図７のＡ−Ａ断面図。
【図９】スイッチ素子としてＧａＮ／ＡｌＧａＮ横型トランジスタ構造の双方向スイッチ素子を用いた構成例を示す図。
【図１０】ＧａＮ／ＡｌＧａＮ横型トランジスタ構造の双方向スイッチ素子の構成を示す平面図。
【図１１】図１０のＢ−Ｂ断面図。
【図１２】開閉部のスイッチ素子としてＭＯＳＦＥＴを用い、ゲート駆動部を光絶縁方式としたゲート駆動部の構成例を示す図。
【図１３】開閉部のスイッチ素子として双方向スイッチ素子を用い、ゲート駆動部を磁気絶縁方式とした構成例を示す図。
【図１４】図１３に示す構成例における駆動信号などの波形を示す図。
【図１５】スイッチ素子のゲート電極に対して、負荷の起動後の所定時間は定電流駆動を行い、定常安定動作時は定電圧駆動を行うようにしたゲート駆動部の構成例を示す。
【図１６】図１５に示すゲート駆動部に、さらに残留電荷を引き抜くための電荷引き抜き部を設けた構成例を示す図。
【図１７】図２に示す構成に、さらに電源部の出力電圧を監視する電圧監視部１５を備えた変形例を示す図。
【図１８】図１７に示す構成例における駆動信号などの波形を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明の一実施形態に係る負荷制御装置１について説明する。この負荷制御装置１は、トランジスタ構造を有するスイッチ素子を開閉部とする電子スイッチであり、例えば照明装置などの負荷の起動（オン）及び停止（オフ）を制御するために用いられる。図１は、この負荷制御装置１を建築物の壁面などに取り付けた状態を示す。負荷制御装置１の本体２は、建築物の壁面に設置された取り付け枠３に取り付けられ、さらに本体２に操作ハンドル４が装着される。
【００２０】
負荷制御装置１の本体２の正面２１には、プッシュオン／プッシュオフ・スイッチ２２と、操作ハンドル４と連結されるヒンジ２３が設けられている。操作ハンドル４の背面４１には、プッシュオン／プッシュオフ・スイッチ２２と接触するための突起４２及びヒンジ２３に連結されるヒンジ４３が形成されている。操作ハンドル４は、プッシュオン／プッシュオフ・スイッチ２２のバネによって、通常は壁面から外向きに突出するように、通常は一方向に偏って保持されている。そして、ユーザが操作ハンドル４を操作するたびに、プッシュオン／プッシュオフ・スイッチ２２がサイクリックにオン／オフされる。
【００２１】
負荷制御装置１の本体２の背面２４には、例えばＶＶＦ(Vinyl insulated Vinyl sheathed Flat-type cable:６００Ｖビニル絶縁ビニルシースケーブル平型)などの電線５の心線５１が挿入されるインレット２５を備えている。なお、図１では、負荷制御装置１として２線式のものを例示しているが、３線式のものであってもよい。負荷制御装置１の本体２の内部には回路基板２６が設けられており、回路基板２６上に開閉部、制御部、ゲート駆動部、電源部などが実装されている。
【００２２】
図２は、２線式の負荷制御装置１のブロック構成を示す。また、図３は３線式の負荷制御装置１のブロック構成を示す。負荷制御装置１は、商用電源６と負荷７に直列接続された開閉部１１と、負荷７の起動及び停止を制御する制御部１２と、制御部１２とは絶縁されたゲート駆動部と、制御部１２及びゲート駆動部１３を動作させるための電力を確保する電源部１４を備える。開閉部１１は、トランジスタ構造を有するスイッチ素子を有しており、ゲート駆動部１３は、制御部１２からの制御信号などに応じて、このスイッチ素子のゲート電極に入力されるゲート駆動信号を発生させる。
【００２３】
図２に示す２線式の負荷制御装置１の場合、電源部１４は、商用電源６と負荷７に直列接続された整流部１４ａと、負荷７への電力停止時に電力を確保するオフ電源部１４ｂと、負荷７への電力供給時に電力を確保するオン電源部１４ｃなどで構成されている。オフ電源部１４ｂ及びオン電源部１４ｃの具体的な構成は上記特許文献１に詳細に示されているため、ここではその説明を省略する。一方、図３に示す３線式の負荷制御装置１の場合、電源部１４は、整流部と電圧変換部など（図示せず）で構成され、商用電源６から常時電力を得ている。
【００２４】
制御部１２は、ＣＰＵなどで構成され、プッシュオン／プッシュオフ・スイッチ２２がオン又はオフされたこと又はプッシュオン／プッシュオフ・スイッチ２２から信号が出力されたことを検出する。プッシュオン／プッシュオフ・スイッチ２２は、オン状態又はオフ状態を維持するような構成であってもよいし、あるいは、操作ハンドル４が操作されるたびにパルス信号を出力するような構成であってもよい。
【００２５】
開閉部１１を構成するスイッチ素子は特に限定されず、トライアックなどの双方向スイッチ素子であってもよいし、サイリスタやＭＯＳＦＥＴなどの一方向性スイッチ素子を２つ組み合わせて構成してもよい。ＭＯＳＦＥＴの場合、ゲート駆動信号の電圧が高くなるほど、ドレイン−ソース間に流れうる電流値が高くなる特性を有している。図４に、この負荷制御装置１におけるゲート駆動電力の変化を示す。本実施形態では、負荷７の起動時に、スイッチ素子のゲート電極に対して、一定時間、定常安定動作時よりも多くの駆動電力を供給し、それによってスイッチ素子を流れうる電流量を増加させ、負荷起動時の突入電流を流しきるようにしている。また、所定時間経過後は、定常安定動作時に負荷に流れる電流に相応した駆動電力をスイッチ素子のゲート電極に供給し、それによって制御部１２及びゲート駆動部１３によって消費される電力を抑制している。
【００２６】
図５は、トランジスタ構造を有するスイッチ素子として、２つの縦型ＭＯＳＦＥＴＱ１，Ｑ２を、それらの寄生ダイオードが互いに逆向きとなるように直列接続した構成例を示す。この場合、ゲート駆動部１３は、２つの縦型ＭＯＳＦＥＴＱ１，Ｑ２の中間の電圧を基準にして、電圧信号、すなわちゲート駆動信号の電圧を制御して、開閉部１１の開閉制御を行う。
【００２７】
図６は、トランジスタ構造を有するスイッチ素子として、ＧａＮ／ＡｌＧａＮ横型トランジスタ構造のスイッチ素子１０１を２つ直列接続した構成例を示す。この場合も、ゲート駆動部１３は、２つのスイッチ素子１０１の中間の電圧を基準にして、電圧信号、すなわちゲート駆動信号の電圧を制御して、開閉部１１の開閉制御を行う。このスイッチ素子１０１は、横型のシングルゲートトランジスタ素子であり、図７はスイッチ素子１０１の構成を示す平面図であり、図８はそのＡ−Ａ断面図である。
【００２８】
図８に示すように、スイッチ素子１０１の基板１２０は、基材層１０１ａと、基材層１０１ａの上に積層されたＧａＮ層１０１ｂ及びＡｌＧａＮ層１０１ｃで構成されている。このスイッチ素子１０１では、チャネル層としてＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ界面に生じる２次元電子ガス層を利用している。図７に示すように、基板１２０の表面１２０ｄには、電源６又は負荷７に対して接続される第１電極Ｄ１及び第２電極Ｄ２と、第１電極Ｄ１の電位及び第２電極Ｄ２の電位に対して中間電位となる中間電位部Ｓが形成されている。さらに、中間電位部Ｓの上には、ゲート電極Ｇが積層形成されている。ゲート電極Ｇとして、例えばショットキ電極を用いる。第１電極Ｄ１及び第２電極Ｄ２は、それぞれ互いに平行に配列された複数の電極部１１１，１１２，１１３・・・及び１２１，１２２，１２３・・・を有する櫛歯状であり、櫛歯状に配列された電極部同士が互いに対向するように配置されている。中間電位部Ｓ及びゲート電極Ｇは、櫛歯状に配列された電極部１１１，１１２，１１３・・・及び１２１，１２２，１２３・・・の間にそれぞれ配置されており、電極部の間に形成される空間の平面形状に相似した形状を有している。
【００２９】
図７に示すように、第１電極Ｄ１の電極部１１１と第２電極Ｄ２の電極部１１２は、それらの幅方向における中心線が同一線上に位置するように配列されている。また、中間電位部Ｓの対応部分及びゲート電極Ｇの対応部分は、それぞれ第１電極Ｄ１の電極部１１１及び第２電極Ｄ２の電極部１２１の配列に対して平行に設けられている。上記幅方向における第１電極Ｄ１の電極部１１１と第２電極Ｄ２の電極部１１２と中間電位部Ｓの対応部分及びゲート電極Ｇの対応部分の距離は、所定の耐電圧を維持しうる距離に設定されている。上記幅方向に直交する方向、すなわち第１電極Ｄ１の電極部１１１と第２電極Ｄ２の電極部１１２の長手方向においても同様である。また、これらの関係は、その他の電極部１１２及び１２２，１１３及び１２３・・・についても同様である。すなわち、中間電位部Ｓ及びゲート電極Ｇは、第１電極Ｄ１及び第２電極Ｄ２に対して所定の耐電圧を維持しうる位置に配置されている。
【００３０】
第１電極Ｄ１の電位及び第２電極Ｄ２の電位に対して中間電位となる中間電位部Ｓ及びこの中間電位部Ｓに接続され、中間電位部Ｓに対して制御を行うためのゲート電極Ｇが、第１電極Ｄ１及び第２電極Ｄ２に対して所定の耐電圧を維持しうる位置に配置されている。そのため、例えば第１電極Ｄ１が高電位側、第２電極Ｄ２が低電位側である場合、スイッチ素子１０１がオフ、すなわちゲート電極Ｇに０Ｖの信号が印加されたときには、少なくとも第１電極Ｄ１と、ゲート電極Ｇ及び中間電位部Ｓの間で、電流は確実に遮断される。すなわち、ゲート電極Ｇの直下で電流が阻止される。一方、スイッチ素子１０１がオンの時、すなわちゲート電極Ｇに所定の閾値以上の電圧の信号が印加されたときは、図７中矢印で示すように、第１電極Ｄ１、中間電位部Ｓ、第２電極Ｄ２の経路で電流が流れる。逆の場合も同様である。
【００３１】
このように、第１電極Ｄ１及び第２電極Ｄ２に対して所定の耐電圧を維持しうる位置に中間電位部Ｓを形成したので、ゲート電極Ｇに印加する信号の閾値電圧を必要最低限のレベルまで低下させても、スイッチ素子１０１を確実にオン／オフさせることができる。その結果、スイッチ素子の低オン抵抗を実現することができる。そして、このスイッチ素子１０１を用いて開閉部１１を構成することにより、制御信号の基準（ＧＮＤ）を中間電位部Ｓと同電位とすることで、数Ｖの制御信号で駆動される制御部１２によって、高電圧の商用電源６を直接制御することができる。また、チャネル層としてヘテロ界面に生じる２次元電子ガス層を利用している横型のトランジスタ素子においては、素子を非導通にさせる閾値電圧の高電位化と導通時のオン抵抗は相反関係にある。そのため、閾値電圧を低くすることができることは、オン抵抗を低く維持することができることにつながり、負荷制御装置１の小型高容量化を実現することができる。
【００３２】
図９は、トランジスタ構造を有するスイッチ素子として、ＧａＮ／ＡｌＧａＮ横型トランジスタ構造の双方向スイッチ素子３００を１つだけ用いた構成例を示す。双方向スイッチ素子３００は、２つのゲート電極を有しており、電源６及び負荷７に対して直列に接続される。図１０は双方向スイッチ素子３００の構成を示す平面図であり、図１１はそのＢ−Ｂ断面図である。
【００３３】
図１１に示すように、双方向スイッチ素子３００は、基板表面上に形成された第１電極Ｄ１及び第２電極Ｄ２と、少なくともその一部分が基板表面上に形成され、それぞれ独立した制御信号が入力される第１ゲート電極Ｇ１及び第２ゲート電極Ｇ２を備えている。また、第１ゲート電極Ｇ１と第２ゲート電極Ｇ２は、所定の耐電圧を維持しうる位置に配置されている。耐圧を維持する箇所が、第１ゲート電極Ｇ１と第２ゲート電極Ｇ２の間の１箇所であるので、損失の少ない双方向スイッチ素子を実現することができる。この構成の双方向スイッチ素子３００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）。この双方向スイッチ素子３００の等価回路は、図５に示すように、１つのＭＯＳＦＥＴを寄生ダイオードの向きが互いに逆になるように直列接続したものとほぼ同じである。
【００３４】
図１２は、開閉部１１のスイッチ素子として、例えば図５に示すＭＯＳＦＥＴを用い、ゲート駆動部１３を光絶縁方式とした構成例を示す。より具体的には、スイッチ素子として光ＭＯＳＦＥＴを用いており、開閉部１１とゲート駆動部１３が一体化されている。制御部１２は、７負荷の起動時に、所定時間だけ発光素子を発光させるための発光電流量を定常安定動作時よりも多く流す。なお、スイッチ素子として、図６や図９に示すようなＧａＮ／ＡｌＧａＮ横型トランジスタ構造のスイッチ素子を用いた場合は、これらのスイッチ素子のゲート電極にフォトカプラを接続してもよい。ゲート駆動部１３を光絶縁方式とし、一次側（発光素子側）の電流を制御することにより、二次側（ゲート電極側）に発生される電力を容易に制御することができる。
【００３５】
図１３は、開閉部１１のスイッチ素子として、例えば図９に示す双方向スイッチ素子を用い、ゲート駆動部１３を磁気絶縁方式とした構成例を示す。図１３に示す構成例では、トランス１３１の一次巻線側と２つの二次巻線側が電気的に絶縁されている。トランス１３１の二次巻線にはダイオードブリッジなどの整流回路と整流された電圧を安定させるコンデンサなどの安定化回路が接続されている。図１４は、ゲート駆動部１３を磁気絶縁方式とした場合の駆動信号などの波形を示す。制御部１２は、ＰＷＭ制御により、負荷７の起動時に、所定時間だけトランス１３１の一次巻線をスイッチングする駆動信号のオンデューティを定常安定動作時よりも高くする。ゲート駆動部１３を磁気絶縁方式とし、トランス１３１の一次巻線のスイッチングデューティを制御することにより、二次巻線に発生される電力を容易に制御することができる。
【００３６】
図１５は、スイッチ素子のゲート電極に対して、負荷７の起動後の所定時間は定電流駆動を行い、定常安定動作時は定電圧駆動を行うようにした構成例を示す。前述のように、制御部１２は、負荷７の起動時に、所定時間だけトランス１３１の一次巻線をスイッチングする駆動信号のオンデューティを定常安定動作時よりも高くしている。すなわち、負荷７の起動後の所定時間、トランス１３１の二次側に流れる電流が、定常安定動作時よりも多くなり、抵抗Ｒ１３による電圧降下が発生する。この抵抗Ｒ１３による電圧降下がダイオードＤ１３の順電圧よりも大きくなると、ダイオードＤ１３にも電流が流れるので、スイッチ素子のゲート電極に流れる電流は一定になる（定電流駆動）。一方、定常安定動作時にオンデューティを低下させると、電流は抵抗Ｒ１３にのみ流れ、一定の電圧がスイッチ素子のゲート電極に印加される（定電圧駆動）。このような構成にすれば、スイッチ素子のゲート電極に必要以上の電流が流れず、スイッチ素子のゲート駆動による電力消費を抑制することができる。
【００３７】
図１６は、図１５に示すゲート駆動部１３に、さらにスイッチ素子の寄生容量やゲート駆動部１３を構成するコンデンサなどに蓄積された残留電荷を引き抜くための電荷引き抜き部１３２及び電荷引き抜き部を駆動するための駆動電源部１３３を設けた構成例を示す。周知のように、トランジスタ構造を有するスイッチ素子は、寄生ダイオードを有しており、ゲート駆動時にこの寄生ダイオードに電荷が蓄積される。また、ゲート駆動部１３もその構成部品としてコンデンサＣ１３などを有している。ゲート駆動信号の電圧がローレベルになったとしても、これらの静電容量に蓄積された残留電荷により、すぐにはスイッチ素子のゲート電圧が下がらず、スイッチ素子は導通状態を維持する。この構成例では、商用電源のゼロクロス点で電荷引き抜き部１３２が作動し、スイッチ素子のゲート電極部から残留電荷を急速に引き抜き、スイッチ素子を速やかに非導通にさせることができる。電荷引き抜き部は、ノーマリー・オンのトランジスタＴ１３を備えており、コンデンサＣ１３に電荷が蓄積されると、トランジスタＴ１３がオフし、電荷引き抜き部１３２は働かない。商用電源６の電圧が零になると（ゼロクロス点）、トランジスタＴ１３がオンし、スイッチ素子の寄生容量やコンデンサＣ１３に蓄積された残留電荷を速やかに引き抜く。なお、駆動電源部１３３は、商用電源６の１／２周期では電力が零にならないような時定数（遅延回路）を有している。
【００３８】
図１７は、図２に示す構成にさらに電源部１４の出力電圧を監視する電圧監視部１５を備えた変形例を示す。負荷制御装置１が、図２に示すような２線式負荷制御装置の場合、制御部１２やゲート駆動部１３を駆動するための電力は、専ら電源部１４のバッファコンデンサ（図示せず）に蓄積された電荷を電源としている。負荷制御装置１では、負荷７の起動時に駆動信号のオンデューティを定常安定動作時よりも高くしているので、その分だけ定常動作時よりも電力消費量が多く、バッファコンデンサに充電された電力が速く消費されてしまう。そこで、電源部１４の出力電圧を監視する電圧監視部１５をさらに設け、制御部１２は、電源部１４の出力電圧の変化に基づいて、負荷７の起動時に定常安定動作時よりも高くした駆動信号のオンデューティを、定常安定動作時のオンデューティに変化させる。図１８に示すように、電源部１４の出力電圧は、制御部１２などの待機電力によって徐々に低下するが、ゲート駆動信号を発生させるときに、その消費量が増大する。従って、電源部１４の出力電圧に閾値を設定し、その閾値以下になったときに、駆動信号のオンデューティを定常安定動作時の値に戻せばよい。それによって、バッファコンデンサの電力消費を抑制することができる。なお、この電圧監視部１５は、３線式の負荷制御装置においても、ゲート駆動信号による電力消費を低減させるために有効である。
【００３９】
なお、本発明は、上記実施形態の記載に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。例えば各構成例及び図面に記載された特徴を、矛盾しない範囲で組み合わせることができる。また、開閉部１１を構成するスイッチ素子の種類、制御部１２及びゲート駆動部１３の構成も、特に限定されるものではない。
【符号の説明】
【００４０】
１ 負荷制御装置
６ 商用電源
７ 負荷
１１ 開閉部
１２ 制御部
１３ ゲート駆動部
１４ 電源部
１０１ ＧａＮ／ＡｌＧａＮ横型トランジスタ構造のスイッチ素子
３００ ＧａＮ／ＡｌＧａＮ横型トランジスタ構造の双方向スイッチ素子
Ｑ１，Ｑ２ ＭＯＳＦＥＴ
Ｇ，Ｇ１，Ｇ２ ゲート電極
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば照明装置など、起動時に突入電流が流れる負荷に適した負荷制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば特許文献１に記載されているように、照明装置などの負荷のオン／オフを制御するために、トライアックなどのスイッチ素子を開閉部とする負荷制御装置（電子スイッチ）が用いられている。このような電子スイッチは、開閉部が商用電源と負荷に対して直列に接続されている。例えば、ユーザによってスイッチの操作ハンドルが操作されると、制御部からゲート駆動信号が出力され、スイッチ素子が導通される。それによって、商用電源から負荷に電力が供給され、負荷が起動される。スイッチ素子がトライアックの場合、トライアックは自己消弧形の素子であるため、商用電源の電圧ゼロクロスにより非導通となる。そのため、制御部からは、操作ハンドルが再操作されるまで、商用電源の１／２周期ごとにゲート駆動信号が出力される。
【０００３】
ところで、ユーザによって操作ハンドルが操作された直後、すなわち、負荷の起動開始時には、突入電流と呼ばれる大電流が一時的に負荷に流れる。例えば、負荷が白熱電球を用いた照明装置であると仮定すると、常温時におけるフィラメントの抵抗値は、定常点灯時における抵抗値よりも遙かに小さいため、突入電流として定常点灯時の電流値の１０倍以上の電流が流れる。一方、トランジスタ特性は、例えばＭＯＳＦＥＴに代表されるように、ゲート電圧に応じてソース−ドレイン間に流れうる電流値が制限される。そのため、仮にスイッチ素子のゲート電極に入力されるゲート駆動信号の電圧が低く、突入電流よりも小さな電流しか流し得ないとすると、操作ハンドルを操作しても直ちに照明装置は直ちには定常点灯せず、フィラメントの温度が上昇に応じて徐々に明るさを増す。そこで、操作ハンドルを操作した後、速やかに照明装置を定常点灯させるためには、負荷の起動時に突入電流をスムーズに流すように、スイッチ素子のゲート電極に印加されるゲート駆動信号の電圧を高くすればよい。
【０００４】
上記特許文献１に記載された負荷制御装置では、制御部から出力される制御信号に応じて、ゲート駆動部が商用電源の１／２周期毎にゲート駆動信号を発生させている。このゲート駆動部は、制御部を駆動するための電力を確保するための電源と同じ電源を用いてゲート駆動信号を発生させているため、ゲート駆動信号の電圧を、負荷に流れる電流に合わせて任意に変化させることは事実上不可能である。また、特許文献１に記載された負荷制御装置は、商用電源と負荷に直列接続される、いわゆる２線式の電子スイッチであり、その内部電源を確保するために、常時負荷に電流を流している。照明装置が消灯しているときにも負荷には電流が流れるため、負荷が誤点灯しないようにするため、この電源確保のための電流はきわめて微弱でなければならない。従って、制御部及びゲート駆動部によって消費される電力をできるだけ少なくしたいという要請がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−１７２５４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
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、制御部及びゲート駆動部によって消費される電力を抑制しつつ、負荷の起動時に突入電流を流しきることが可能な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】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明の一態様に係る負荷制御装置は、商用電源と負荷に直列接続され、トランジスタ構造を有するスイッチ素子を用いた開閉部と、前記負荷の起動及び停止を制御する制御部と、前記制御部とは絶縁され、前記スイッチ素子のゲート電極にゲート駆動信号を出力するゲート駆動部と、前記制御部及び前記ゲート駆動部を動作させるための電力を確保する電源部を備え、前記制御部は、前記負荷の起動時に、前記ゲート駆動部に、所定時間だけ前記スイッチ素子のゲート電極に対して、定常安定動作時よりも多くの駆動電力を供給させることを特徴とする。
【０００８】
前記ゲート駆動部は、発光部と受光部を備えた光絶縁方式によって前記制御部と絶縁されており、前記制御部は、前記負荷の起動時に、所定時間だけ前記発光部を発光させるための発光電流量を定常安定動作時よりも多く流すことが好ましい。
【０００９】
前記ゲート駆動部は、トランスを備えた磁気絶縁方式によって前記制御部と絶縁されており、前記制御部は、前記負荷の起動時に、所定時間だけ前記トランスの一次巻線をスイッチングする駆動信号のオンデューティを定常安定動作時よりも高くすることが好ましい。
【００１０】
前記スイッチ素子は、２つの縦型構造を有するトランジスタ素子を、それらの寄生ダイオードが互いに逆向きとなるように直列接続した構造を有することが好ましい。
【００１１】
前記スイッチ素子は、２つの横型構造を有するトランジスタ素子を、それらの寄生ダイオードが互いに逆向きとなるように直列接続した構造を有することが好ましい。
【００１２】
前記スイッチ素子は、ＧａＮ／ＡｌＧａＮを用い、２つのゲート電極を備えた横型トランジスタ構造を有する双方向スイッチ素子であることが好ましい。
【００１３】
前記ゲート駆動部は、前記スイッチ素子のゲート電極部に蓄積された残留電荷を引き抜く電荷引き抜き部と、前記電荷引き抜き部を駆動するための駆動電源部と、前記トランスの一次巻線をスイッチングする際に前記電荷引き抜き部を動作させないための遅延回路をさらに備えたことが好ましい。
【００１４】
この負荷制御装置は、前記商用電源と前記負荷との間に直列接続される２線式の負荷制御装置であり、前記電源部は、前記開閉部の両端子に並列に接続され、前記負荷が非稼働状態にあるときでも前記商用電源の１／２周期毎に、内部電源を確保する動作を行うことが好ましい。
【００１５】
前記電源部の出力電圧を監視する電圧監視部をさらに備え、前記制御部は、前記負荷の起動時に、定常安定動作時よりも高くした駆動信号のオンデューティを、前記電源部の出力電圧の変化に基づいて、定常安定動作時のオンデューティに変化させることが好ましい。
【００１６】
前記ゲート駆動部は、前記負荷の起動時に、所定時間だけ前記ゲート電極を定電流駆動し、定常安定動作時は前記ゲート電極を定電圧駆動することが好ましい。
【発明の効果】
【００１７】
トランジスタ構造を有するスイッチ素子は、ゲート駆動電圧を高くするなど、ゲート電極に入力する電力を多くするほど、より多くの電流を流す特性を有している。本発明によれば、ゲート駆動部が、負荷の起動時に、所定時間だけスイッチ素子のゲート電極に、定常安定動作時よりも多くの駆動電力を供給するので、スイッチ素子を流れうる電流量が増加し、負荷起動時の突入電流を流しきることができる。また、所定時間経過後は、定常安定動作時に負荷に流れる電流に相応した駆動電力がスイッチ素子のゲート電極に供給されるので、制御部及びゲート駆動部によって消費される電力を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施形態に係る負荷制御装置の構成を示す図。
【図２】２線式の負荷制御装置のブロック構成を示す図。
【図３】３線式の負荷制御装置のブロック構成を示す図。
【図４】上記負荷制御装置におけるゲート駆動電力の変化を示す図。
【図５】スイッチ素子として縦型ＭＯＳＦＥＴを用いた構成例を示す図。
【図６】スイッチ素子としてＧａＮ／ＡｌＧａＮ横型トランジスタ構造のスイッチ素子を用いた構成例を示す図。
【図７】ＧａＮ／ＡｌＧａＮ横型トランジスタ構造のスイッチ素子の構成を示す平面図。
【図８】図７のＡ−Ａ断面図。
【図９】スイッチ素子としてＧａＮ／ＡｌＧａＮ横型トランジスタ構造の双方向スイッチ素子を用いた構成例を示す図。
【図１０】ＧａＮ／ＡｌＧａＮ横型トランジスタ構造の双方向スイッチ素子の構成を示す平面図。
【図１１】図１０のＢ−Ｂ断面図。
【図１２】開閉部のスイッチ素子としてＭＯＳＦＥＴを用い、ゲート駆動部を光絶縁方式としたゲート駆動部の構成例を示す図。
【図１３】開閉部のスイッチ素子として双方向スイッチ素子を用い、ゲート駆動部を磁気絶縁方式とした構成例を示す図。
【図１４】図１３に示す構成例における駆動信号などの波形を示す図。
【図１５】スイッチ素子のゲート電極に対して、負荷の起動後の所定時間は定電流駆動を行い、定常安定動作時は定電圧駆動を行うようにしたゲート駆動部の構成例を示す。
【図１６】図１５に示すゲート駆動部に、さらに残留電荷を引き抜くための電荷引き抜き部を設けた構成例を示す図。
【図１７】図２に示す構成に、さらに電源部の出力電圧を監視する電圧監視部１５を備えた変形例を示す図。
【図１８】図１７に示す構成例における駆動信号などの波形を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明の一実施形態に係る負荷制御装置１について説明する。この負荷制御装置１は、トランジスタ構造を有するスイッチ素子を開閉部とする電子スイッチであり、例えば照明装置などの負荷の起動（オン）及び停止（オフ）を制御するために用いられる。図１は、この負荷制御装置１を建築物の壁面などに取り付けた状態を示す。負荷制御装置１の本体２は、建築物の壁面に設置された取り付け枠３に取り付けられ、さらに本体２に操作ハンドル４が装着される。
【００２０】
負荷制御装置１の本体２の正面２１には、プッシュオン／プッシュオフ・スイッチ２２と、操作ハンドル４と連結されるヒンジ２３が設けられている。操作ハンドル４の背面４１には、プッシュオン／プッシュオフ・スイッチ２２と接触するための突起４２及びヒンジ２３に連結されるヒンジ４３が形成されている。操作ハンドル４は、プッシュオン／プッシュオフ・スイッチ２２のバネによって、通常は壁面から外向きに突出するように、通常は一方向に偏って保持されている。そして、ユーザが操作ハンドル４を操作するたびに、プッシュオン／プッシュオフ・スイッチ２２がサイクリックにオン／オフされる。
【００２１】
負荷制御装置１の本体２の背面２４には、例えばＶＶＦ(Vinyl insulated Vinyl sheathed Flat-type cable:６００Ｖビニル絶縁ビニルシースケーブル平型)などの電線５の心線５１が挿入されるインレット２５を備えている。なお、図１では、負荷制御装置１として２線式のものを例示しているが、３線式のものであってもよい。負荷制御装置１の本体２の内部には回路基板２６が設けられており、回路基板２６上に開閉部、制御部、ゲート駆動部、電源部などが実装されている。
【００２２】
図２は、２線式の負荷制御装置１のブロック構成を示す。また、図３は３線式の負荷制御装置１のブロック構成を示す。負荷制御装置１は、商用電源６と負荷７に直列接続された開閉部１１と、負荷７の起動及び停止を制御する制御部１２と、制御部１２とは絶縁されたゲート駆動部と、制御部１２及びゲート駆動部１３を動作させるための電力を確保する電源部１４を備える。開閉部１１は、トランジスタ構造を有するスイッチ素子を有しており、ゲート駆動部１３は、制御部１２からの制御信号などに応じて、このスイッチ素子のゲート電極に入力されるゲート駆動信号を発生させる。
【００２３】
図２に示す２線式の負荷制御装置１の場合、電源部１４は、商用電源６と負荷７に直列接続された整流部１４ａと、負荷７への電力停止時に電力を確保するオフ電源部１４ｂと、負荷７への電力供給時に電力を確保するオン電源部１４ｃなどで構成されている。オフ電源部１４ｂ及びオン電源部１４ｃの具体的な構成は上記特許文献１に詳細に示されているため、ここではその説明を省略する。一方、図３に示す３線式の負荷制御装置１の場合、電源部１４は、整流部と電圧変換部など（図示せず）で構成され、商用電源６から常時電力を得ている。
【００２４】
制御部１２は、ＣＰＵなどで構成され、プッシュオン／プッシュオフ・スイッチ２２がオン又はオフされたこと又はプッシュオン／プッシュオフ・スイッチ２２から信号が出力されたことを検出する。プッシュオン／プッシュオフ・スイッチ２２は、オン状態又はオフ状態を維持するような構成であってもよいし、あるいは、操作ハンドル４が操作されるたびにパルス信号を出力するような構成であってもよい。
【００２５】
開閉部１１を構成するスイッチ素子は特に限定されず、トライアックなどの双方向スイッチ素子であってもよいし、サイリスタやＭＯＳＦＥＴなどの一方向性スイッチ素子を２つ組み合わせて構成してもよい。ＭＯＳＦＥＴの場合、ゲート駆動信号の電圧が高くなるほど、ドレイン−ソース間に流れうる電流値が高くなる特性を有している。図４に、この負荷制御装置１におけるゲート駆動電力の変化を示す。本実施形態では、負荷７の起動時に、スイッチ素子のゲート電極に対して、一定時間、定常安定動作時よりも多くの駆動電力を供給し、それによってスイッチ素子を流れうる電流量を増加させ、負荷起動時の突入電流を流しきるようにしている。また、所定時間経過後は、定常安定動作時に負荷に流れる電流に相応した駆動電力をスイッチ素子のゲート電極に供給し、それによって制御部１２及びゲート駆動部１３によって消費される電力を抑制している。
【００２６】
図５は、トランジスタ構造を有するスイッチ素子として、２つの縦型ＭＯＳＦＥＴＱ１，Ｑ２を、それらの寄生ダイオードが互いに逆向きとなるように直列接続した構成例を示す。この場合、ゲート駆動部１３は、２つの縦型ＭＯＳＦＥＴＱ１，Ｑ２の中間の電圧を基準にして、電圧信号、すなわちゲート駆動信号の電圧を制御して、開閉部１１の開閉制御を行う。
【００２７】
図６は、トランジスタ構造を有するスイッチ素子として、ＧａＮ／ＡｌＧａＮ横型トランジスタ構造のスイッチ素子１０１を２つ直列接続した構成例を示す。この場合も、ゲート駆動部１３は、２つのスイッチ素子１０１の中間の電圧を基準にして、電圧信号、すなわちゲート駆動信号の電圧を制御して、開閉部１１の開閉制御を行う。このスイッチ素子１０１は、横型のシングルゲートトランジスタ素子であり、図７はスイッチ素子１０１の構成を示す平面図であり、図８はそのＡ−Ａ断面図である。
【００２８】
図８に示すように、スイッチ素子１０１の基板１２０は、基材層１０１ａと、基材層１０１ａの上に積層されたＧａＮ層１０１ｂ及びＡｌＧａＮ層１０１ｃで構成されている。このスイッチ素子１０１では、チャネル層としてＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ界面に生じる２次元電子ガス層を利用している。図７に示すように、基板１２０の表面１２０ｄには、電源６又は負荷７に対して接続される第１電極Ｄ１及び第２電極Ｄ２と、第１電極Ｄ１の電位及び第２電極Ｄ２の電位に対して中間電位となる中間電位部Ｓが形成されている。さらに、中間電位部Ｓの上には、ゲート電極Ｇが積層形成されている。ゲート電極Ｇとして、例えばショットキ電極を用いる。第１電極Ｄ１及び第２電極Ｄ２は、それぞれ互いに平行に配列された複数の電極部１１１，１１２，１１３・・・及び１２１，１２２，１２３・・・を有する櫛歯状であり、櫛歯状に配列された電極部同士が互いに対向するように配置されている。中間電位部Ｓ及びゲート電極Ｇは、櫛歯状に配列された電極部１１１，１１２，１１３・・・及び１２１，１２２，１２３・・・の間にそれぞれ配置されており、電極部の間に形成される空間の平面形状に相似した形状を有している。
【００２９】
図７に示すように、第１電極Ｄ１の電極部１１１と第２電極Ｄ２の電極部１１２は、それらの幅方向における中心線が同一線上に位置するように配列されている。また、中間電位部Ｓの対応部分及びゲート電極Ｇの対応部分は、それぞれ第１電極Ｄ１の電極部１１１及び第２電極Ｄ２の電極部１２１の配列に対して平行に設けられている。上記幅方向における第１電極Ｄ１の電極部１１１と第２電極Ｄ２の電極部１１２と中間電位部Ｓの対応部分及びゲート電極Ｇの対応部分の距離は、所定の耐電圧を維持しうる距離に設定されている。上記幅方向に直交する方向、すなわち第１電極Ｄ１の電極部１１１と第２電極Ｄ２の電極部１１２の長手方向においても同様である。また、これらの関係は、その他の電極部１１２及び１２２，１１３及び１２３・・・についても同様である。すなわち、中間電位部Ｓ及びゲート電極Ｇは、第１電極Ｄ１及び第２電極Ｄ２に対して所定の耐電圧を維持しうる位置に配置されている。
【００３０】
第１電極Ｄ１の電位及び第２電極Ｄ２の電位に対して中間電位となる中間電位部Ｓ及びこの中間電位部Ｓに接続され、中間電位部Ｓに対して制御を行うためのゲート電極Ｇが、第１電極Ｄ１及び第２電極Ｄ２に対して所定の耐電圧を維持しうる位置に配置されている。そのため、例えば第１電極Ｄ１が高電位側、第２電極Ｄ２が低電位側である場合、スイッチ素子１０１がオフ、すなわちゲート電極Ｇに０Ｖの信号が印加されたときには、少なくとも第１電極Ｄ１と、ゲート電極Ｇ及び中間電位部Ｓの間で、電流は確実に遮断される。すなわち、ゲート電極Ｇの直下で電流が阻止される。一方、スイッチ素子１０１がオンの時、すなわちゲート電極Ｇに所定の閾値以上の電圧の信号が印加されたときは、図７中矢印で示すように、第１電極Ｄ１、中間電位部Ｓ、第２電極Ｄ２の経路で電流が流れる。逆の場合も同様である。
【００３１】
このように、第１電極Ｄ１及び第２電極Ｄ２に対して所定の耐電圧を維持しうる位置に中間電位部Ｓを形成したので、ゲート電極Ｇに印加する信号の閾値電圧を必要最低限のレベルまで低下させても、スイッチ素子１０１を確実にオン／オフさせることができる。その結果、スイッチ素子の低オン抵抗を実現することができる。そして、このスイッチ素子１０１を用いて開閉部１１を構成することにより、制御信号の基準（ＧＮＤ）を中間電位部Ｓと同電位とすることで、数Ｖの制御信号で駆動される制御部１２によって、高電圧の商用電源６を直接制御することができる。また、チャネル層としてヘテロ界面に生じる２次元電子ガス層を利用している横型のトランジスタ素子においては、素子を非導通にさせる閾値電圧の高電位化と導通時のオン抵抗は相反関係にある。そのため、閾値電圧を低くすることができることは、オン抵抗を低く維持することができることにつながり、負荷制御装置１の小型高容量化を実現することができる。
【００３２】
図９は、トランジスタ構造を有するスイッチ素子として、ＧａＮ／ＡｌＧａＮ横型トランジスタ構造の双方向スイッチ素子３００を１つだけ用いた構成例を示す。双方向スイッチ素子３００は、２つのゲート電極を有しており、電源６及び負荷７に対して直列に接続される。図１０は双方向スイッチ素子３００の構成を示す平面図であり、図１１はそのＢ−Ｂ断面図である。
【００３３】
図１１に示すように、双方向スイッチ素子３００は、基板表面上に形成された第１電極Ｄ１及び第２電極Ｄ２と、少なくともその一部分が基板表面上に形成され、それぞれ独立した制御信号が入力される第１ゲート電極Ｇ１及び第２ゲート電極Ｇ２を備えている。また、第１ゲート電極Ｇ１と第２ゲート電極Ｇ２は、所定の耐電圧を維持しうる位置に配置されている。耐圧を維持する箇所が、第１ゲート電極Ｇ１と第２ゲート電極Ｇ２の間の１箇所であるので、損失の少ない双方向スイッチ素子を実現することができる。この構成の双方向スイッチ素子３００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）。この双方向スイッチ素子３００の等価回路は、図５に示すように、１つのＭＯＳＦＥＴを寄生ダイオードの向きが互いに逆になるように直列接続したものとほぼ同じである。
【００３４】
図１２は、開閉部１１のスイッチ素子として、例えば図５に示すＭＯＳＦＥＴを用い、ゲート駆動部１３を光絶縁方式とした構成例を示す。より具体的には、スイッチ素子として光ＭＯＳＦＥＴを用いており、開閉部１１とゲート駆動部１３が一体化されている。制御部１２は、７負荷の起動時に、所定時間だけ発光素子を発光させるための発光電流量を定常安定動作時よりも多く流す。なお、スイッチ素子として、図６や図９に示すようなＧａＮ／ＡｌＧａＮ横型トランジスタ構造のスイッチ素子を用いた場合は、これらのスイッチ素子のゲート電極にフォトカプラを接続してもよい。ゲート駆動部１３を光絶縁方式とし、一次側（発光素子側）の電流を制御することにより、二次側（ゲート電極側）に発生される電力を容易に制御することができる。
【００３５】
図１３は、開閉部１１のスイッチ素子として、例えば図９に示す双方向スイッチ素子を用い、ゲート駆動部１３を磁気絶縁方式とした構成例を示す。図１３に示す構成例では、トランス１３１の一次巻線側と２つの二次巻線側が電気的に絶縁されている。トランス１３１の二次巻線にはダイオードブリッジなどの整流回路と整流された電圧を安定させるコンデンサなどの安定化回路が接続されている。図１４は、ゲート駆動部１３を磁気絶縁方式とした場合の駆動信号などの波形を示す。制御部１２は、ＰＷＭ制御により、負荷７の起動時に、所定時間だけトランス１３１の一次巻線をスイッチングする駆動信号のオンデューティを定常安定動作時よりも高くする。ゲート駆動部１３を磁気絶縁方式とし、トランス１３１の一次巻線のスイッチングデューティを制御することにより、二次巻線に発生される電力を容易に制御することができる。
【００３６】
図１５は、スイッチ素子のゲート電極に対して、負荷７の起動後の所定時間は定電流駆動を行い、定常安定動作時は定電圧駆動を行うようにした構成例を示す。前述のように、制御部１２は、負荷７の起動時に、所定時間だけトランス１３１の一次巻線をスイッチングする駆動信号のオンデューティを定常安定動作時よりも高くしている。すなわち、負荷７の起動後の所定時間、トランス１３１の二次側に流れる電流が、定常安定動作時よりも多くなり、抵抗Ｒ１３による電圧降下が発生する。この抵抗Ｒ１３による電圧降下がダイオードＤ１３の順電圧よりも大きくなると、ダイオードＤ１３にも電流が流れるので、スイッチ素子のゲート電極に流れる電流は一定になる（定電流駆動）。一方、定常安定動作時にオンデューティを低下させると、電流は抵抗Ｒ１３にのみ流れ、一定の電圧がスイッチ素子のゲート電極に印加される（定電圧駆動）。このような構成にすれば、スイッチ素子のゲート電極に必要以上の電流が流れず、スイッチ素子のゲート駆動による電力消費を抑制することができる。
【００３７】
図１６は、図１５に示すゲート駆動部１３に、さらにスイッチ素子の寄生容量やゲート駆動部１３を構成するコンデンサなどに蓄積された残留電荷を引き抜くための電荷引き抜き部１３２及び電荷引き抜き部を駆動するための駆動電源部１３３を設けた構成例を示す。周知のように、トランジスタ構造を有するスイッチ素子は、寄生ダイオードを有しており、ゲート駆動時にこの寄生ダイオードに電荷が蓄積される。また、ゲート駆動部１３もその構成部品としてコンデンサＣ１３などを有している。ゲート駆動信号の電圧がローレベルになったとしても、これらの静電容量に蓄積された残留電荷により、すぐにはスイッチ素子のゲート電圧が下がらず、スイッチ素子は導通状態を維持する。この構成例では、商用電源のゼロクロス点で電荷引き抜き部１３２が作動し、スイッチ素子のゲート電極部から残留電荷を急速に引き抜き、スイッチ素子を速やかに非導通にさせることができる。電荷引き抜き部は、ノーマリー・オンのトランジスタＴ１３を備えており、コンデンサＣ１３に電荷が蓄積されると、トランジスタＴ１３がオフし、電荷引き抜き部１３２は働かない。商用電源６の電圧が零になると（ゼロクロス点）、トランジスタＴ１３がオンし、スイッチ素子の寄生容量やコンデンサＣ１３に蓄積された残留電荷を速やかに引き抜く。なお、駆動電源部１３３は、商用電源６の１／２周期では電力が零にならないような時定数（遅延回路）を有している。
【００３８】
図１７は、図２に示す構成にさらに電源部１４の出力電圧を監視する電圧監視部１５を備えた変形例を示す。負荷制御装置１が、図２に示すような２線式負荷制御装置の場合、制御部１２やゲート駆動部１３を駆動するための電力は、専ら電源部１４のバッファコンデンサ（図示せず）に蓄積された電荷を電源としている。負荷制御装置１では、負荷７の起動時に駆動信号のオンデューティを定常安定動作時よりも高くしているので、その分だけ定常動作時よりも電力消費量が多く、バッファコンデンサに充電された電力が速く消費されてしまう。そこで、電源部１４の出力電圧を監視する電圧監視部１５をさらに設け、制御部１２は、電源部１４の出力電圧の変化に基づいて、負荷７の起動時に定常安定動作時よりも高くした駆動信号のオンデューティを、定常安定動作時のオンデューティに変化させる。図１８に示すように、電源部１４の出力電圧は、制御部１２などの待機電力によって徐々に低下するが、ゲート駆動信号を発生させるときに、その消費量が増大する。従って、電源部１４の出力電圧に閾値を設定し、その閾値以下になったときに、駆動信号のオンデューティを定常安定動作時の値に戻せばよい。それによって、バッファコンデンサの電力消費を抑制することができる。なお、この電圧監視部１５は、３線式の負荷制御装置においても、ゲート駆動信号による電力消費を低減させるために有効である。
【００３９】
なお、本発明は、上記実施形態の記載に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。例えば各構成例及び図面に記載された特徴を、矛盾しない範囲で組み合わせることができる。また、開閉部１１を構成するスイッチ素子の種類、制御部１２及びゲート駆動部１３の構成も、特に限定されるものではない。
【符号の説明】
【００４０】
１ 負荷制御装置
６ 商用電源
７ 負荷
１１ 開閉部
１２ 制御部
１３ ゲート駆動部
１４ 電源部
１０１ ＧａＮ／ＡｌＧａＮ横型トランジスタ構造のスイッチ素子
３００ ＧａＮ／ＡｌＧａＮ横型トランジスタ構造の双方向スイッチ素子
Ｑ１，Ｑ２ ＭＯＳＦＥＴ
Ｇ，Ｇ１，Ｇ２ ゲート電極
【特許請求の範囲】
【請求項１】
商用電源と負荷に直列接続され、トランジスタ構造を有するスイッチ素子を用いた開閉部と、
前記負荷の起動及び停止を制御する制御部と、
前記制御部とは絶縁され、前記スイッチ素子のゲート電極にゲート駆動信号を出力するゲート駆動部と、
前記制御部及び前記ゲート駆動部を動作させるための電力を確保する電源部を備え、
前記制御部は、前記負荷の起動時に、前記ゲート駆動部に、所定時間だけ前記スイッチ素子のゲート電極に対して、定常安定動作時よりも多くの駆動電力を供給させることを特徴とする負荷制御装置。
【請求項２】
前記ゲート駆動部は、発光部と受光部を備えた光絶縁方式によって前記制御部と絶縁されており、
前記制御部は、前記負荷の起動時に、所定時間だけ前記発光部を発光させるための発光電流量を定常安定動作時よりも多く流す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】
前記ゲート駆動部は、トランスを備えた磁気絶縁方式によって前記制御部と絶縁されており、
前記制御部は、前記負荷の起動時に、所定時間だけ前記トランスの一次巻線をスイッチングする駆動信号のオンデューティを定常安定動作時よりも高く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４】
前記スイッチ素子は、２つの縦型構造を有するトランジスタ素子を、それらの寄生ダイオードが互いに逆向きとなるように直列接続した構造を有することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の負荷制御装置。
【請求項５】
前記スイッチ素子は、２つの横型構造を有するトランジスタ素子を、それらの寄生ダイオードが互いに逆向きとなるように直列接続した構造を有することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の負荷制御装置。
【請求項６】
前記スイッチ素子は、ＧａＮ／ＡｌＧａＮを用い、２つのゲート電極を備えた横型トランジスタ構造を有する双方向スイッチ素子であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の負荷制御装置。
【請求項７】
前記ゲート駆動部は、前記スイッチ素子のゲート電極部に蓄積された残留電荷を引き抜く電荷引き抜き部と、前記電荷引き抜き部を駆動するための駆動電源部と、前記トランスの一次巻線をスイッチングする際に前記電荷引き抜き部を動作させないための遅延回路をさらに備えたことを特徴とする請求項３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】
この負荷制御装置は、前記商用電源と前記負荷との間に直列接続される２線式の負荷制御装置であり、前記電源部は、前記開閉部の両端子に並列に接続され、前記負荷が非稼働状態にあるときでも前記商用電源の１／２周期毎に、内部電源を確保する動作を行うことを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の負荷制御装置。
【請求項９】
前記電源部の出力電圧を監視する電圧監視部をさらに備え、前記制御部は、前記負荷の起動時に、定常安定動作時よりも高くした駆動信号のオンデューティを、前記電源部の出力電圧の変化に基づいて、定常安定動作時のオンデューティに変化させ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】
前記ゲート駆動部は、前記負荷の起動時に、所定時間だけ前記ゲート電極を定電流駆動し、定常安定動作時は前記ゲート電極を定電圧駆動することを特徴とする請求項３乃至請求項７のいずれか一項に記載の負荷制御装置。
【請求項１】
商用電源と負荷に直列接続され、トランジスタ構造を有するスイッチ素子を用いた開閉部と、
前記負荷の起動及び停止を制御する制御部と、
前記制御部とは絶縁され、前記スイッチ素子のゲート電極にゲート駆動信号を出力するゲート駆動部と、
前記制御部及び前記ゲート駆動部を動作させるための電力を確保する電源部を備え、
前記制御部は、前記負荷の起動時に、前記ゲート駆動部に、所定時間だけ前記スイッチ素子のゲート電極に対して、定常安定動作時よりも多くの駆動電力を供給させることを特徴とする負荷制御装置。
【請求項２】
前記ゲート駆動部は、発光部と受光部を備えた光絶縁方式によって前記制御部と絶縁されており、
前記制御部は、前記負荷の起動時に、所定時間だけ前記発光部を発光させるための発光電流量を定常安定動作時よりも多く流す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】
前記ゲート駆動部は、トランスを備えた磁気絶縁方式によって前記制御部と絶縁されており、
前記制御部は、前記負荷の起動時に、所定時間だけ前記トランスの一次巻線をスイッチングする駆動信号のオンデューティを定常安定動作時よりも高く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４】
前記スイッチ素子は、２つの縦型構造を有するトランジスタ素子を、それらの寄生ダイオードが互いに逆向きとなるように直列接続した構造を有することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の負荷制御装置。
【請求項５】
前記スイッチ素子は、２つの横型構造を有するトランジスタ素子を、それらの寄生ダイオードが互いに逆向きとなるように直列接続した構造を有することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の負荷制御装置。
【請求項６】
前記スイッチ素子は、ＧａＮ／ＡｌＧａＮを用い、２つのゲート電極を備えた横型トランジスタ構造を有する双方向スイッチ素子であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の負荷制御装置。
【請求項７】
前記ゲート駆動部は、前記スイッチ素子のゲート電極部に蓄積された残留電荷を引き抜く電荷引き抜き部と、前記電荷引き抜き部を駆動するための駆動電源部と、前記トランスの一次巻線をスイッチングする際に前記電荷引き抜き部を動作させないための遅延回路をさらに備えたことを特徴とする請求項３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】
この負荷制御装置は、前記商用電源と前記負荷との間に直列接続される２線式の負荷制御装置であり、前記電源部は、前記開閉部の両端子に並列に接続され、前記負荷が非稼働状態にあるときでも前記商用電源の１／２周期毎に、内部電源を確保する動作を行うことを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の負荷制御装置。
【請求項９】
前記電源部の出力電圧を監視する電圧監視部をさらに備え、前記制御部は、前記負荷の起動時に、定常安定動作時よりも高くした駆動信号のオンデューティを、前記電源部の出力電圧の変化に基づいて、定常安定動作時のオンデューティに変化させ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】
前記ゲート駆動部は、前記負荷の起動時に、所定時間だけ前記ゲート電極を定電流駆動し、定常安定動作時は前記ゲート電極を定電圧駆動することを特徴とする請求項３乃至請求項７のいずれか一項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】
【公開番号】特開２０１２−１２８７４２（Ｐ２０１２−１２８７４２Ａ）
【公開日】平成２４年７月５日（２０１２．７．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２８０９８０（Ｐ２０１０−２８０９８０）
【出願日】平成２２年１２月１６日（２０１０．１２．１６）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年７月５日（２０１２．７．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月１６日（２０１０．１２．１６）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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