JP5219208B2 - 負荷制御装置 - Google Patents

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１５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１６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し、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２つ設けられ、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４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つ設けられ、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つの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、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７の発明は、請求項６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、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、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。

請求項４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安定して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５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６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７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１（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。

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。

図７及び図８は、図５及び図６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。

（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９及び図１０を参照しつつ説明する。図９は、第２実施形態に係る負荷制御装置１Ｂの回路図であり、図１０は、図９における駆動回路１０の拡大図である。

第２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、主制御部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、商用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。なお、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。

このように、第２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。

（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１１及び図１２を参照しつつ説明する。図１１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１２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（駆動許可信号出力部）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１３を参照しつつ説明する。図１４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る。負荷制御装置１Ｄ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４実施形態に係る負荷制御装置１Ｄ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１４は、第４実施形態に係る負荷制御装置１Ｄ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。 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回路図。 第４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〜１Ｄ ：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
１０１，１０２ ：光絶縁半導体スイッチ素子
１０１ａ，１０２ａ ：発光部
１０１ｂ，１０２ｂ ：受光部
１０３ ：トランス
１０３ａ ：１次側コイル
１０３ｂ，１０３ｃ ：２次側コイル
１０４ａ，１０４ｂ ：整流回路
１０５ ：発振回路

Claims (7)

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、
   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し、
   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。
2. 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つ設けられ、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１に記載の負荷制御装置。
3. 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２記載の負荷制御装置。
4. 前記前記駆動回路は、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つ設けられ、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つの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１に記載の負荷制御装置。
5. 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４のいずれか一項に記載の負荷制御装置。
6. 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５のいずれか一項に記載の負荷制御装置。
7. 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６に記載の負荷制御装置。

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