JP5240774B2

JP5240774B2 - 負荷制御装置

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Publication number: JP5240774B2
Application number: JP2008326511A
Authority: JP
Inventors: 潔後藤
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2008-12-22
Filing date: 2008-12-22
Publication date: 2013-07-17
Anticipated expiration: 2028-12-22
Also published as: JP2010147008A

Description

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。

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、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。

図２１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の主スイッチ素子５１ａは、トライアックで構成されている。

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。

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５４ａの充電を開始する。バッファコンデンサ５４ａ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の主スイッチ素子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主スイッチ素子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。

図２２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の主スイッチ素子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。

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の主スイッチ素子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主スイッチ素子６１ａを導通させ（閉状態）、上記期間経過後に主スイッチ素子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、主スイッチ素子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。

第１従来例の負荷制御装置５０のように主開閉部５１の主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。

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、主開閉部の主スイッチ素子の他に、この主スイッチ素子（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。

また、近年省エネルギー化の要請により電灯型蛍光灯が普及しているが、第１従来例の負荷制御装置６０のように主開閉部６１の主スイッチ素子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。そのため、蛍光灯や白熱灯など、接続される負荷の種類を選ばない２線式の負荷制御装置が求められている。

さらに、主開閉部の主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主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。
特開２００６−９２８５９号公報

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、負荷への通電時における発熱量を少なくして、小型化及び大容量化を可能とし、さらに、蛍光灯や白熱灯など負荷の力率制限を必要としない負荷制御装置を提供することを目的とする。

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、商用電源及び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、サイリスタ構造の補助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、前記主開閉部を駆動する駆動回路と、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を備え、前記制御部は、負荷へ電力を供給しているときに、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すると、前記主開閉部を第１所定時間導通させると共に、前記主開閉部が非導通のときに前記補助開閉部を第２所定時間導通させることを特徴とする。

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、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４の発明は、請求項３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。

請求項５の発明は、請求項２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、前記第３電源部は、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たときに、前記主開閉部を第１所定時間導通させるためのパルス信号を出力する主開閉部駆動信号出力部と、前記第３電源部に入力される電圧のゼロクロスを検出する電圧ゼロクロス検出部と、前記電圧ゼロクロス検出部が電圧ゼロクロスを検出したときに第３所定時間だけ他のパルス信号を出力する駆動許可信号出力部をさらに備え、前記制御部は、前記主開閉部駆動信号と前記駆動許可信号が両方発せられている期間だけ、前記主開閉部が閉となるように駆動信号を出力することを特徴とする。

請求項８の発明は、請求項６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。

請求項９の発明は、請求項１乃至請求項８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、リモートコントロール信号で動作されることを特徴とする。

請求項１０の発明は、請求項９に記載の負荷制御装置において、前記第１電源部に接続され、前記リモートコントロール信号を整流する第４電源部をさらに有し、前記リモートコントロール信号が伝送されてきた時に、前記リモートコントロール信号の電力を、前記第４電源部を経由して前記第１電源部に供給し、前記制御部を起動すると共に、前記制御部が前記リモートコントロール信号に含まれる自己のアドレスを認識したときに、前記第３電源部を動作させ、前記主開閉部を駆動して負荷へ電力を供給する動作を行うことを特徴とする。

請求項１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。

請求項２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。

請求項３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。

請求項４の発明によれば、駆動回路における駆動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。

請求項５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。

請求項６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。

請求項７によれば、接続される負荷容量が小さく、負荷制御装置内部のコンデンサの充電に時間がかかったとしても、半周期に一度充電を行う動作を安定して実現することができる。

請求項８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。

請求項９の発明によれば、複数の非住宅用の負荷制御装置をリモートコントロールすることができる。

請求項１０の発明によれば、２線式負荷制御装置がオフの状態でも、負荷に流れる電流を完全に遮断することができ、待機電流による負荷の誤動作がなくなり、負荷制御装置に接続可能な負荷の範囲が拡大されると共に、第２電源部が不要となる。

（本発明の基本構成）
はじめに、以下に説明する本発明に係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１（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１（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２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。

図１（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２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。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）。

図３は、本発明に係る負荷制御装置１の基本構成を示す回路図であり、図４は負荷制御装置１の各部における信号波形を示すタイムチャートである。なお、ここでは、駆動回路１０の具体的構成は示しておらず、駆動回路１０の具体的な構成は以下の実施形態で説明する。

図１に示す第１実施形態の負荷制御装置１は、交流電源２と負荷３との間に直列に接続され、負荷３に対して電源の供給を制御する主開閉部１１と、主開閉部１１を駆動する駆動回路１０と、整流部１２と、負荷制御装置１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。また、第３電源部１６には、第３電源部に入力される電圧を検出する電圧検出部１８がさらに設けられている。主開閉部１１は、上記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（図では、略記）１１ａを有し、補助開閉部１７は、サイリスタ構造の補助スイッチ素子を有している。

負荷３への電力供給が行われていない負荷制御装置１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。

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１の内部の回路側に電流を流し、第１電源部１４のバッファコンデンサ２５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に入力される電圧を検出する。電圧検出部１８が第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検出すると、電圧検出部１８は所定の検出信号を出力する。制御部１３は、電圧検出部１８からの検出信号を受信すると、主開閉部１１を第１所定時間導通させる（閉状態にさせる）ように、駆動回路１０に対して主開閉部１１を導通させるための第１パルス信号（主開閉部駆動信号）を出力する。図３では、電圧検出部１８からの検出信号に応じて、直接的に第１パルス信号を出力するように、専用のＩＣなどを用いてハードウエア的に構成された第１パルス出力部（主開閉部駆動信号出力部）１９を制御部１３の一部として設けた構成例を示している。あるいは、図示した構成に限定されず、電圧検出部１８からの出力を、ＣＰＵなどで構成された主制御部２０に入力し、ソフトウエア的に第１パルス信号を出力するように構成してもよい。主開閉部１１を導通させる第１所定時間としては、商用周波数電源の半周期よりも少し短い時間にする設定することが好ましい。

次に、上記第１所定時間経過後、主開閉部１１が非導通（開状態）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（閉状態にさせる）。この動作は、主開閉部１１が非導通になり、負荷電流が一旦補助開閉部１７に流れ始めると、あとは負荷電流が零になるまで補助開閉部１７に流れ続けるものである。図３では、主開閉部１１が非導通（開状態）になったことを検出してから、第２所定時間だけ補助開閉部１７に駆動信号を与えるように、第２所定時間の第２パルス信号（補助開閉部駆動信号）を出力する第２パルス出力部２１を制御部１３の一部として設けた例を示す。または、ソフトウエア的に第２パルス信号を出力させてもよいし、あるいは、ダイオードやコンデンサを用いて遅延回路で同様の動作を実現してもよい。

図２を参照すると、これらの動作により、バッファコンデンサ２５の充電完了後、商用電源の半周期のうち、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３に電力を供給することになる。なお、補助開閉部１７は、サイリスタ構造の補助スイッチ素子１７ａを有しているので、電流値が零となる時点（ゼロクロス点）で非導通（開状態）となる。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半周期ごとに繰り返す。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主スイッチ素子１１ａで構成されていても、負荷３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、主開閉部１１が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で構成されているので、トランジスタ素子の耐電圧が必要な箇所は１箇所に限定され、負荷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。

また、図３では、補助開閉部１７に流れる電流を検出するための電流検出部２２を設けた例を示しているが、これは、周波数ずれや過負荷が接続された場合に、補助開閉部１７から再度主開閉部１１に負荷電流経路を切り替える動作を行うことにより、補助開閉部１７を破壊から保護することためのものである。従って、電流検出部２２は必ずしも必要ではなく、必要に応じて設けられていればよい。

（第１実施形態）
次に、本発明の第１実施形態に係る負荷制御装置１Ａについて、図５及び図６を参照しつつ説明する。図５は、第１実施形態に係る負荷制御装置１Ａの回路図であり、図６は、図５における駆動回路１０の拡大図である。

第１実施形態は、上記負荷制御装置１における駆動回路１０を具体化したものであり、図５及び図６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１Ａの第１電源部１４に接続されたダイオード１０１ａ，１０１ｂ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１０１ａ，１０１ｂに接続されたコンデンサ１０２ａ，１０２ｂと、ダイオード１０１ａ，１０１ｂとコンデンサ１０２ａ，１０２ｂ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１０３ａ，１０３ｂで構成されている。駆動スイッチ素子１０３ａ，１０３ｂ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１０３ａ，１０３ｂ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１０３ａ，１０３ｂ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。

この構成によれば、負荷制御装置１Ａの第１電源部１４をダイオード１０１ａ，１０１ｂを経由して、一端が電力線に接続されたコンデンサ１０２ａ，１０２ｂの他端に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１０２ａ，１０２ｂにより構成される。このコンデンサ１０２ａ，１０２ｂ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１Ａ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。

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１（ｂ）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１０３ａ又は１０３ｂ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１の電源からダイオード１０１ａ，１０１ｂ及び駆動スイッチ素子１０３ａ，１０３ｂ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。

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１０２ａ，１０２ｂ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、図５では第１電源部１４の出力から駆動回路１０へ電源供給しているが、第１電源部１４の入力などの比較的安定した電源部から電力を供給してもよい。

図７及び図８は、駆動回路１０の具体的構成例を示し、駆動スイッチ素子１０３ａ，１０３ｂ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１０３ａ，１０３ｂをオン・オフすることができる。

図９及び図１０は、図７及び図８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１０３ａ，１０３ｂ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。

図１１及び図１２は、図７及び図８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１０３ａ，１０３ｂ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１０３ａ，１０３ｂ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１０４ａ，１０４ｂが接続されている。なお、図７及び図８に示す駆動回路１０の構成例に、コンデンサ１０４ａ，１０４ｂを追加してもよい。

この変形例に示すように、コンデンサ１０４ａ，１０４ｂを追加することにより、駆動スイッチ素子１０３ａ，１０３ｂがオン・オフされる際に、コンデンサ１０４ａ，１０４ｂ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２１又は図２２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。

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。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係る負荷制御装置１Ｂについて、図１３を参照しつつ説明する。上記第１実施形態に係る負荷制御装置１Ａ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出来ない。第２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。

図１３に示すように、第２実施形態に係る負荷制御装置１Ｂ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１Ｂ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１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１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。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態に係る負荷制御装置１Ｃについて、図１４及び図１５を参照しつつ説明する。図１４は、第３実施形態に係る負荷制御装置１Ｃの基本構成を示す回路図であり、図１５は、負荷制御装置１Ｃの各部における信号波形を示すタイムチャートである。第３実施形態に係る負荷制御装置１Ｃは、図３に示す負荷制御装置１の基本構成に、負荷に電力を供給する状態で機能する第３電源部１６内に設けられた電圧ゼロクロス検出部（ゼロ検出と略記）２３と第３パルス出力部２４をさらに有している。なお、駆動回路１０の具体的な構成は、上記第１実施形態及び第２実施形態に例示したいずれのものであってもよい。

電圧ゼロクロス検出部２３が電圧ゼロクロスを検出すると、第３パルス出力部２４は第３所定時間第３パルス信号（駆動許可示信号）を出力する。図１５に示すように、この第３パルスの第３所定時間は、電源周期の半周期より少し短い時間に相当する。主開閉部１１の主スイッチ素子１１ａのゲート電極には、第１パルス（主開閉部駆動信号）と第３パルス（駆動許可信号）が両方発せられている期間だけ、閉となるように駆動信号が入力される。

２線式の負荷制御装置においては、接続される負荷が小さい場合にはコンデンサ２５の充電に要する時間が長くなる。その場合、図４に示す動作では、充電完了後を基準に主開閉部１１の駆動を行うと、主開閉部１１の駆動信号が電流ゼロクロス点を越える時間まで印加されることがある。その状態で主開閉部１１を開にし、補助開閉部１７を閉にすると、主電流である負荷電流が補助開閉部１７で通電されることになり、前述した商用電源の半周期に一度充電を行う安定した動作が失われる。

しかしながら、第３実施形態のように、電圧ゼロクロスと充電完了信号を組合せ、電圧ゼロクロス信号を基準に商用電源の半周期以上にわたって、主開閉部が駆動されないように制御することができ、負荷制御装置１Ｃに接続される負荷の容量に関わらず、商用電源の半周期に一度、電源を確保する動作を安定して実現することができる。

（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１Ｄについて、図１６乃至図１８を参照しつつ説明する。図１６は、第４実施形態に係る負荷制御装置１Ｄの構成を示す回路図であり、図１７は、図１６における駆動回路１０の拡大図であり、図１８は、負荷制御装置１Ｄの各部における信号波形を示すタイムチャートである。

第４実施形態に係る負荷制御装置１Ｄにおいて、主開閉部１１の駆動回路１０は、負荷制御装置１Ｄの第１電源部１４に接続された高耐圧のダイオード１０１ａ，１０１ｂ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１０１ａ，１０１ｂに接続されたコンデンサ１０２ａ，１０２ｂと、ダイオード１０１ａ，１０１ｂとコンデンサ１０２ａ，１０２ｂ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１０５ａ，１０５ｂで構成されている。

第３電源部１６に設けられた電圧検出部１８にて充電完了検出を行うと、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１０５ａ，１０５ｂ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１０５ａ，１０５ｂ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１０５ａ，１０５ｂ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１０５ａ，１０５ｂ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１０５ａ，１０５ｂ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。

（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１Ｄについて、図１９を参照しつつ説明する。図１９は、第５実施形態に係る負荷制御装置１Ｅの構成を示す回路図である。負荷制御装置１Ｅの基本構成は上記各実施形態及びその変形例のいずれの構成を採用することもできる。

第５実施形態に係る負荷制御装置１Ｅは、例えばオフィスビルや商業施設などの非住宅において、複数の照明器具を制御するために用いられ、例えば照明装置とは離れた場所に設置された制御盤などに複数配設されている。そして、制御盤とは離れた場所に設置された操作スイッチ（図示せず）などからのリモートコントロール信号２７を受けて、負荷制御装置１Ｅのオン・オフを制御するように構成されている。そのため、主制御部２０には、配線を介して操作スイッチが接続されており、リモートコントロール信号２７に重畳される自己のアドレスを主制御部２０で認識した場合に、主制御部２０から制御信号を出力させる。

図２０は、第５実施形態に係る負荷制御装置１Ｅの変形例の構成を示す。この変形例では、主制御部２０にさらに整流回路で構成された第４電源部２６が接続されており、リモートコントロール信号２７から得られる電力を整流して主制御部２０（又は制御部１３）の電源を確保している。前述のように、２線式負荷制御装置では、負荷制御装置がオフの状態でも、主制御部２０の電源を確保するために第２電源部１５を設け、それによって常時負荷３に微弱な電流が流れている。ところが、この変形例のように、主制御部２０の電源を別に確保することにより、第２電源部１５が不要になり、それによって、負荷制御装置１Ｅがオフの状態では、負荷３に電流が全く流れず、負荷３の劣化や誤動作を防止することができる。

（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、（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。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図。本発明に係る負荷制御装置の基本構成を示す回路図。負荷制御装置の各部における信号波形を示すタイムチャート。本発明の第１実施形態に係る負荷制御装置の回路図。図５における駆動回路の拡大図。第１実施形態に係る負荷制御装置の駆動回路の具体的構成例を示す回路図。図７における駆動回路の拡大図。第１実施形態に係る負荷制御装置の駆動回路の変形例を示す回路図。図９における駆動回路の拡大図。第１実施形態に係る負荷制御装置の駆動回路の他の変形例を示す回路図。図１１における駆動回路の拡大図。本発明の第２実施形態に係る負荷制御装置の回路図。本発明の第３実施形態に係る負荷制御装置の回路図。第３実施形態における負荷制御装置の各部における信号波形を示すタイムチャート。本発明の第４実施形態に係る負荷制御装置の構成を示す回路図。図１６における駆動回路の拡大図。第４実施形態における負荷制御装置の各部における信号波形を示すタイムチャート。本発明の第５実施形態に係る負荷制御装置の回路図。第５実施形態に係る負荷制御装置の変形例を示す回路図。第１従来例に係る負荷制御装置の構成を示す回路図。第２従来例に係る負荷制御装置の構成を示す回路図。

符号の説明

１，１Ａ〜１Ｅ：負荷制御装置
２：電源
３：負荷
１０：駆動回路
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
１８：電圧検出部
１９：第１パルス出力部（主開閉部駆動信号出力部）
２０：主制御部
２１：第２パルス出力部
２２：電流検出部
２３：ゼロクロス検出部
２４：第３パルス出力部（駆動許可信号出力部）
２５：バッファコンデンサ
２６：第４電源部
２７：リモートコントロール信号
１０１ａ，１０１ｂ：ダイオード
１０２ａ，１０２ｂ：コンデンサ
１０３ａ，１０３ｂ：駆動スイッチ素子
１０４ａ，１０４ｂ：コンデンサ
１０５ａ，１０５ｂ：駆動スイッチ素子
１２０ａ，１２０ｂ：同期スイッチ素子

Claims

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、
商用電源及び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、
サイリスタ構造の補助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、
前記主開閉部を駆動する駆動回路と、
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を備え、
前記制御部は、負荷へ電力を供給しているときに、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すると、前記主開閉部を第１所定時間導通させると共に、前記主開閉部が非導通のときに前記補助開閉部を第２所定時間導通させることを特徴とする負荷制御装置。
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１に記載の負荷制御装置。
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２に記載の負荷制御装置。
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３記載の負荷制御装置。
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２乃至請求項４のいずれか一項に記載の負荷制御装置。
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１乃至請求項５のいずれか一項に記載の負荷制御装置。
前記第３電源部は、
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たときに、前記主開閉部を第１所定時間導通させるためのパルス信号を出力する主開閉部駆動信号出力部と、
前記第３電源部に入力される電圧のゼロクロスを検出する電圧ゼロクロス検出部と、
前記電圧ゼロクロス検出部が電圧ゼロクロスを検出したときに第３所定時間だけ他のパルス信号を出力する駆動許可信号出力部をさらに備え、
前記制御部は、前記主開閉部駆動信号と前記駆動許可信号が両方発せられている期間だけ、前記主開閉部が閉となるように駆動信号を出力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。
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６に記載の負荷制御装置。
前記制御部は、リモートコントロール信号で動作されることを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の負荷制御装置。
前記第１電源部に接続され、前記リモートコントロール信号を整流する第４電源部をさらに有し、
前記リモートコントロール信号が伝送されてきた時に、前記リモートコントロール信号の電力を、前記第４電源部を経由して前記第１電源部に供給し、前記制御部を起動すると共に、前記制御部が前記リモートコントロール信号に含まれる自己のアドレスを認識したときに、前記第３電源部を動作させ、前記主開閉部を駆動して負荷へ電力を供給する動作を行うことを特徴とする請求項９に記載の負荷制御装置。