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JP5501667B2 - 交流・直流両用スイッチ - Google Patents

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Description

本発明は、交流又は直流電力を負荷に供給し、その電力供給を停止するために用いられる交流・直流両用スイッチに関する。
従来、一般家庭において、各種電気機器へ電力を供給するために、商用電源を中心とした交流配電システムが使用されている。近年、一般家庭用の太陽電池（太陽光発電）、燃料電池あるいは蓄電池などを利用した直流分散電源が普及しつつある。また、個々の電気機器における交流電力を直流電力に変換する際の電力損失を低減するために、家庭用直流配電システムの導入も提案されている。それらの場合、従来からの交流配電システムに加えて、直流配電システムを併設させる必要がある。
交流配電システムの場合、半周期に一度電流零点（ゼロクロス点）が存在するため、接点を開閉させるタイプのスイッチを用いても、容易に電流を遮断することができる。ところが、直流配電システムの場合、電流零点が存在せず、比較的低圧（例えば４０Ｖ程度）であっても遮断時にアークが発生するため、接点距離を長くしたり、あるいは電磁石などの消弧機能を備えたりする必要があり、交流配電システム用のスイッチに比べて直流配電システム用のスイッチ自体が大型化する。さらに、太陽光発電や燃料電池などの場合、数百Ｖの高電圧であるため、電流を有効に遮断するには、単に接点距離を長くするだけでは足りず、高性能の消弧機能が要求される。そのため、既存の交流配電システム用のスイッチを直流配電システム用のスイッチに置き換えたり、あるいは既存の交流配電システム用のスイッチに直流配電システム用のスイッチを併設したりすることは容易ではない。また、大きさの異なるスイッチが混在することは見栄えの低下をもたらし、インテリアデザインの面からも好ましくない。
そこで、特許文献１では、図１６に示すようなＭＯＳＦＥＴを用いて、アークを発弧させない直流スイッチが提案されている。この従来の直流スイッチでは、ＭＯＳＦＥＴＱ１のソースを必ず直流電源の負極に接続しなければならず、電流経路を切り離しできるのは負極側に限定される。ところが、感電などからの人的保護を考慮すると、電流経路を有電位側で切り離しできることが好ましい。また、直流電源の極性を間違えて誤結線されると、ＭＯＳＦＥＴ部に存在するダイオードを経由して電流が流れるため、スイッチとして機能しなくなる。さらに、直流電源が蓄電池であり、且つ、この直流スイッチが充放電される箇所に用いられた場合、電圧は直流であるが、充電時と放電時に電流の流れる方向が反転するため、ＭＯＳＦＥＴのような開閉機能が片側だけでは、スイッチとして機能が不完全である。さらに、この直流スイッチは、半周期ごとに電流の流れる方向が反転する交流電源システムには使用することができない。
特開２００５−２９３３１７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、交流配電システム及び直流配電システムのいずれにも使用可能であり、直流配電システムに使用された場合に、アークを発弧させることなく開閉が可能であり、且つ、容易に既存の交流配電システム用スイッチとの置き換えが可能な交流・直流両用スイッチ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、交流電源又は直流電源と負荷の間に接続され、負荷への電力供給を制御する交流・直流両用スイッチであって、電源に接続される入力側の第１端子と負荷に接続される出力側の第１端子との間に直列接続されたトランジスタ構造の双方向半導体スイッチ素子と、前記入力側の第１端子と入力側の第２端子の間に並列に接続された整流部と、前記整流部からの出力電圧を安定した所定の電圧に変換するための電源部と、前記電源部から供給される電力によってこの交流・直流両用スイッチの全体を制御する制御部と、前記制御部からの制御信号に応じて前記双方向半導体スイッチ素子を導通させる駆動部とを備え、前記整流部は、半波整流回路であり、前記整流部を構成するダイオードのアノードが前記入力側の第１端子に接続され、前記入力側の第１端子と前記入力側の第２端子の間に直流電源が接続されたときに、前記直流電源の正極が前記入力側の第１端子に接続されたときにのみ動作可能であることを特徴とする。
請求項２の発明は、交流電源又は直流電源と負荷の間に接続され、負荷への電力供給を制御する交流・直流両用スイッチであって、電源に接続される入力側の第１端子と負荷に接続される出力側の第１端子との間に直列接続されたトランジスタ構造の双方向半導体スイッチ素子と、前記入力側の第１端子と入力側の第２端子の間に並列に接続された整流部と、前記整流部からの出力電圧を安定した所定の電圧に変換するための電源部と、前記電源部から供給される電力によってこの交流・直流両用スイッチの全体を制御する制御部と、前記制御部からの制御信号に応じて前記双方向半導体スイッチ素子を導通させる駆動部と、前記入力側の第１端子と前記入力側の第２端子に接続された電源の種類が交流か直流かを判別する電源種類判別部とを備えたことを特徴とする。
請求項３の発明は、請求項２に記載の交流・直流両用スイッチにおいて、前記電源種類判別部は、交流電圧のゼロクロスを検出したときに、電源の種類が交流であると判断することを特徴とする。
請求項４の発明は、請求項３に記載の交流・直流両用スイッチにおいて、前記電源種類判別部により電源の種類が交流であると判断された場合、前記制御部は、前記電源種類判別部によるゼロクロス検出と同期させて前記双方向半導体スイッチ素子を導通させるための制御信号を出力す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交流・直流両用スイッチにおいて、前記双方向半導体スイッチ素子は、２つの高耐圧縦型トランジスタ構造のスイッチ素子を逆接続した構造を有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４のいずれか一項に記載の交流・直流両用スイッチにおいて、前記双方向半導体スイッチ素子は、電源及び負荷に対してそれぞれ直列に接続され、基板表面上に形成された第１電極及び第２電極と、少なくともその一部分が前記基板表面上に形成され、前記第１電極の電位及び前記第２電極の電位に対して中間電位となる中間電位部と、少なくともその一部分が前記中間電位部上に接続され、前記中間電位部に対して制御を行うための制御電極を備えた横型のシングルゲートトランジスタ構造を有し、前記中間電位部及び前記制御電極が、前記第１電極及び前記第２電極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４のいずれか一項に記載の交流・直流両用スイッチにおいて、前記双方向半導体スイッチ素子は、電源及び負荷に対してそれぞれ直列に接続され、基板表面上に形成された第１電極及び第２電極と、少なくともその一部分が前記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制御電極及び第２制御電極を備えた横型のデュアルゲートトランジスタ構造を有し、前記第１制御電極と前記第２制御電極が所定の耐電圧を維持しうる位置に配置されていることを特徴とする。
請求項８の発明は、請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の交流・直流両用スイッチにおいて、前記出力側の第１端子と出力側の第２端子の間に並列に接続された第２整流部と、該第２整流部からの出力電圧を安定した所定の電圧に変換ための第２電源部をさらに備えたことを特徴とする。
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交流・直流両用スイッチにおいて、前記双方向半導体スイッチ素子に開閉接点を有する補助スイッチ素子が並列接続されていることを特徴とする。
請求項１０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交流・直流両用スイッチにおいて、前記双方向半導体スイッチ素子に開閉接点を有する補助スイッチ素子が直列接続されていることを特徴とする。
請求項１１の発明は、請求項１乃至請求項１０のいずれか一項に記載の交流・直流両用スイッチにおいて、前記入力側の第２端子と出力側の第２端子との間に直列接続された第２双方向半導体スイッチ素子をさらに備えたことを特徴とする。
請求項１の発明によれば、トランジスタ構造の双方向半導体スイッチを用いて負荷への電力供給を制御するので、入力される電流や電圧に対する方向依存性を持たず、交流電源と直流電源のいずれにも接続して使用可能である。また、直流電源の正極と負極を逆接続された場合でも、開閉（導通／遮断）可能であり、スイッチ機能が確保される。さらに、直流配電システムに使用された場合であっても、機械的な開閉スイッチを用いていないので、アークを発弧させることなく開閉が可能である。さらに、アークを消弧させるための機構が不要であり、且つ、半導体素子の小型化により、既存の交流配電システム用スイッチとの置き換えが可能である。また、整流部として半波整流回路を用いているので、交流・直流両用スイッチが交流電源に接続されている場合、半波整流回路により整流された電力が電源部を介して制御部に正常に電力が供給される。一方、交流・直流両用スイッチが直流電源に接続されている場合、直流電源の正極と負極が逆に誤結線されていると、半波整流回路によって制御部には電力が供給されず、この交流・直流両用スイッチは動作せず、負荷に電力は供給されない。その結果、配線工事の際に誤結線であることがわかる。
請求項２の発明によれば、電源種類判別部及び電源種類表示部により、個々のスイッチに接続されている電源の種類を識別することができ、ユーザによる認識が容易になると共に、メンテナンス時における対応も容易になる。
請求項３の発明によれば、交流電圧のゼロクロスが検出されたときに交流電源に接続されていると判断するので、電源種類判別部の構成が簡単になり、且つ、判断処理も容易になる。
請求項４の発明によれば、電源種類判別部によるゼロクロス検出と同期させて双方向半導体スイッチ素子を導通させるので、電圧が低い段階で双方向半導体スイッチ素子を導通させるため、突入電流を低減させることができる。
請求項５の発明によれば、双方向半導体スイッチを高耐圧型の縦型トランジスタ構造の素子を逆接続して構成したので、一般的な構造のスイッチ素子、例えば、入手が容易で安価なＳｉ−ＭＯＳＦＥＴなどを使用して双方向半導体スイッチを構成することができる。あるいは、同様の構造で低損失のＳｉＣなどのスイッチ素子を使用すれば、制御可能な負荷の大容量化も可能となる。
請求項６の発明によれば、第１電極及び第２電極に対して所定の耐電圧を維持しうる位置に中間電位部を形成することにより、制御電極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、双方向半導体スイッチ素子を確実にオン／オフさせることができ、低オン抵抗を実現することができる。その結果、通電時の発熱を低く抑えることができ、小型・大容量の交流・直流両用スイッチを実現することができる。
請求項７の発明によれば、独立した制御信号が入力される第１制御電極及び第２制御電極が所定の耐電圧を維持しうる位置に配置されているので、耐圧を維持する箇所が１箇所であり、損失の少ない双方向素子を実現することができる。
請求項８の発明によれば、交流・直流両用スイッチの入力側と出力側の双方に整流部と電源部が設けられているので、入力側と出力側が限定されず、いずれの側に負荷または電源を接続してもスイッチとして機能させることができる。さらに、例えば、直流電源として蓄電池を用い、負荷としてモータを制御する場合など、負荷自体が電源となりうるようなシステムに適用させることも可能である。
請求項９の発明によれば、双方向半導体スイッチ素子に開閉接点を有する補助スイッチ素子が並列接続されているので、通電能力の高いリレーなどの補助スイッチ素子を併用することにより、負荷電流の容量を大幅に増大させることができる。また、開閉部を遮断させる場合、先に補助スイッチを遮断させた後、双方向半導体スイッチ素子を遮断させる。それによって、補助スイッチ素子の開閉接点は、電流が遮断された後から開かれるので、直流電源に接続された場合に問題となるアークが発弧せず、開閉接点の劣化による寿命短縮は生じない。
請求項１０の発明によれば、双方向半導体スイッチ素子に開閉接点を有する補助スイッチ素子が直列接続されているので、交流・直流両用スイッチがオフされているとき、開閉部は完全に遮断され、負荷に電流は流れない。
請求項１１の発明によれば、開閉部が電力線の両極側にそれぞれ配置されているので、交流２００Ｖ系や直流３００Ｖの太陽光発電など、より高い対地電圧を有し、複数箇所での電力線の断路が要求される電源システムに適したスイッチを実現することができる。
本発明の一実施形態に係る交流・直流両用スイッチの基本構成を示すブロック図。 上記交流・直流両用スイッチにおける開閉部の具体例として、高耐圧型の縦型トランジスタ構造の素子を逆接続した構成を示す図。 上記交流・直流両用スイッチにおける開閉部の具体例として、本出願人が提案している新規な双方向半導体スイッチ素子を用いた構成を示す図。 図３の双方向半導体スイッチ素子の具体的構成を示す平面図。 図４におけるＡ−Ａ断面図。 上記交流・直流両用スイッチにおいて、整流部として半波整流回路を用いた構成例を示す図。 上記交流・直流両用スイッチにおいて、電源種類判別部及び電源種類表示部をさらに備えた構成例を示す図。 （ａ）は上記電源種類判別部として、入力電圧のゼロクロスを検出するように構成された具体例を示す図、（ｂ）は交流電源に接続された場合の入力電圧とモニタされる端子電圧の波形を示す図、（ｃ）は直流電源に接続された場合の入力電圧とモニタされる端子電圧の波形を示す図、（ｄ）はゼロクロス検出に同期して開閉部の導通させる場合における各電圧の波形を示す図。 上記交流・直流両用スイッチにおいて、双方向半導体スイッチ素子に機械的な開閉接点を備えた補助スイッチ素子を並列接続した構成例を示す図。 上記交流・直流両用スイッチにおいて、双方向半導体スイッチ素子に機械的な開閉接点を備えた補助スイッチ素子を直列接続した構成例を示す図。 上記交流・直流両用スイッチにおいて、外部装置との間で信号の送受信が可能な通信機能部を備えた構成例を示す図。 上記交流・直流両用スイッチにおいて、外部装置から電力に制御信号を重畳させて送信し、信号検出部によって制御信号を検出するようにした構成例を示す図。 上記交流・直流両用スイッチにおいて、開閉部を電力線の両極側にそれぞれ配置した構成例を示す図。 上記交流・直流両用スイッチにおいて、出力側端子をコンセントタイプとした構成例を示す図。 （ａ）及び（ｂ）は、それぞれ交流・直流両用スイッチの入力側と出力側のそれぞれに整流部及び電源部を設け、いずれの側に負荷または電源を接続してもスイッチとして機能するようにした構成例を示す図。 従来の直流スイッチの構成を示す回路図。
本発明の一実施形態に係る交流・直流両用スイッチについて、図面を参照しつつ説明する。図１は、本実施形態に係る交流・直流両用スイッチ１の基本構成を示すブロック図である。図１において、交流・直流両用スイッチ１は、交流電源２又は直流電源３のいずれか一方と負荷４の間に接続されて使用される。交流・直流両用スイッチ１は、交流電源２の一方又は直流電源３の正極側が接続される入力側の第１端子２１と負荷４が接続される出力側の第１端子４１との間に直列接続される双方向半導体スイッチで構成された開閉部５と、この第１端子２１と交流電源２の他方又は直流電源３の負極側が接続される入力側の第２端子２２との間に接続された整流部６と、整流部６からの出力電圧を安定した所定の電圧に変換ための電源部７と、電源部７から供給される電力によってこの交流・直流両用スイッチ１の全体を制御する制御部８と、制御部７からの制御信号に応じて開閉部５を駆動させる駆動部９と、壁面などに設置され、ユーザによって操作される操作部１０などで構成されている。なお、符号４２は負荷４が接続される出力側の第２端子を示す。
この交流・直流両用スイッチ１の内部電源は、整流部６と電源部７で構成されているので、交流電源２に接続されている場合は整流部６を介して、また直流電源３に接続されている場合は直流電源３から直接電源部７に電力が供給されるので、交流配電システム又は直流配電システムのいずれにも使用することができる。なお、交流・直流両用スイッチ１の内部電源は、これに限定されるものではなく、スイッチング電源などその他の電源構成であってもよい。
操作部１０としては、開閉接点を有する機械的なスイッチでもよいし、赤外線や電波による小電力無線などを利用したリモコンスイッチなどであってもよい。あるいは、操作部１０は、焦電効果を利用した人体感知センサなどのセンサやタイマーなどであってよい。要するに、操作部１０から負荷４をオン又はオフさせるための信号が出力されればよい。
開閉部５として、入力される電流や電圧に対する方向依存性を持たないトランジスタ構造の双方向半導体スイッチを使用しているため、仮に直流電源３の正極と負極を逆接続された場合でも、電流経路を切り離しできるのは負極側になるものの、開閉（導通／遮断）可能であり、スイッチ機能が確保される。また、上記のように、交流電源２と直流電源３のいずれにも接続して使用可能である。図２は、図１における開閉部５の具体例として、双方向半導体スイッチを高耐圧型の縦型トランジスタ構造の素子を逆接続して構成したものである。このような構造によれば、一般的な構造のスイッチ素子、例えば、入手が容易で安価なＳｉ−ＭＯＳＦＥＴなどを使用して双方向半導体スイッチを構成することができる。あるいは、同様の構造で低損失のＳｉＣなどのスイッチ素子を使用すれば、制御可能な負荷の大容量化も可能となる。
図３は、開閉部５として本出願人が提案している新規な双方向半導体スイッチ素子５１を用い、且つ、駆動部９としてトランスなどの絶縁構造を有する構成例を示す。この双方向半導体スイッチ素子５１は、双方向制御可能な横型のシングルゲートトランジスタ素子で構成されている。図４は双方向半導体スイッチ素子５１の構成を示す平面図であり、図５（ａ）はそのＡ−Ａ断面図である。
図５（ａ）に示すように、双方向半導体スイッチ素子５１の基板１２０は、導体層１２０ａと、導体層１２０ａの上に積層されたＧａＮ層１２０ｂ及びＡｌＧａＮ層１２０ｃで構成されている。この双方向半導体スイッチ素子５１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４に示すように、基板１２０の表面１２０ｄには、電源２又は３及び負荷４に対してそれぞれ直列に接続された第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、制御電極（ゲート）Ｇが積層形成されている。制御電極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及び制御電極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（略魚背骨状）を有している。
次に、双方向半導体スイッチ素子５１を構成する横型のトランジスタ構造について説明する。図４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、中間電位部Ｓの対応部分及び制御電極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の対応部分及び制御電極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及び制御電極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。
このように、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制御電極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ので、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に、双方向半導体スイッチ素子５１がオフの時、すなわち制御電極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、制御電極Ｇ及び中間電位部Ｓの間で、電流は確実に遮断される（制御電極（ゲート）Ｇの直下で電流が阻止される）。一方、双方向半導体スイッチ素子５１がオンの時、すなわち制御電極Ｇに所定の閾値以上の電圧の信号が印加されたときには、図４中矢印で示すように、第１電極Ｄ１（電極部１１１，１１２，１１３・・・）、中間電位部Ｓ、第２電極Ｄ２（電極部１２１，１２２，１２３・・・）の経路で電流が流れる。逆の場合も同様である。
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を形成することにより、制御電極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、双方向半導体スイッチ素子５１を確実にオン／オフさせることができ、低オン抵抗を実現することができる。そして、この新規な双方向半導体スイッチ素子５１を用いて開閉部５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８によって、高電圧の交流電源２や直流電源３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、交流・直流両用スイッチ１の小型高容量化を実現することができる。
図６は、図３に示す構成の変形例を示す。図３に示す構成例では、双方向半導体スイッチ素子５１として、双方向制御可能な横型のシングルゲートトランジスタ素子を用い、整流部６として全波整流回路を用いているが、図６に示す構成例では、双方向半導体スイッチ素子５１として、双方向制御可能な横型のデュアルゲートトランジスタ素子を用い、整流部６として半波整流回路を用いている。図５（ｂ）に示すように、横型のデュアルゲートトランジスタ素子は、電源２又は３及び負荷４に対してそれぞれ直列に接続され、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制御電極（第１ゲート電極）Ｇ１及び第２制御電極（第２ゲート電極）Ｇ２を備え、第１制御電極Ｇ１と第２制御電極Ｇ２が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１箇所であるので、損失の少ない双方向素子を実現することができる。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）。


また、直流電源３の正極が接続される端子２１には、ダイオード６１のアノードが接続されている。交流・直流両用スイッチ１が交流電源２に接続されている場合、整流部６として全波整流回路又は半波整流回路のいずれであっても、整流部６及び電源部７を介して制御部８には正常に電力が供給される。一方、交流・直流両用スイッチ１が直流電源３に接続されている場合、直流電源３の正極と負極が逆に誤結線されていると、半波整流回路の場合制御部８には電力が供給されず、この交流・直流両用スイッチ１は動作せず、負荷４に電力は供給されない。その結果、配線工事の際に誤結線であることがわかる。なお、図６に示す変形例では、直流電源３の負極が接続される端子２２にもダイオード６２が接続されているが、直流電源３の正極が接続される端子２１にのみダイオード６１を接続しても、同様に機能する。
また、上記のように、駆動部９はトランスなどの絶縁構造を有しており、その１次側が制御部８に、２次側が双方向半導体スイッチ素子５１の制御電極Ｇ１，Ｇ２に接続されている。制御部８は、操作部１０からの負荷４をオンさせるための信号を受信すると、駆動部９のトランスの１次側に所定の電力を供給する。そうすると、トランスの２次側に所定の電圧が発生し、双方向半導体スイッチ素子５１の制御電極Ｇに制御電圧が印加され、双方向半導体スイッチ素子５１、すなわち開閉部５が導通（閉）される。トランスの１次側と２次側の間が絶縁されているので、制御部８が破壊されることなく、開閉部５に高電圧で、且つ、大電流を流すことができる。なお、絶縁構造は上記トランスに限定されず、フォトカプラなどの発光素子と受光素子などを用いても実現することができる。
図７は、電源種類判別部７１及び電源種類表示部７２を備えた構成例を示す。電源種類判別部７１の具体的な構成や判別方法は特に限定されないが、入力電圧を所定の倍率に降圧してアナログ値を制御部８により所定の閾値と比較したり、あるいはコンデンサやコイルなどを用いた直流と交流を分離するフィルタなどを用いたりすることができる。電源種類表示部７２の具体的な構成や表示方法も特に限定されないが、例えば発光色の異なる２種類のＬＥＤを用いて、交流か直流かに応じて点灯させるＬＥＤを切り換えたり、あるいは単一のＬＥＤを用いて、交流か直流かに応じて常時点灯又は点滅に切り換えたりすることができる。このように、電源種類判別部７１及び電源種類表示部７２を設けることにより、交流電源２と直流電源３が併存する配電システムであっても、個々のスイッチに接続されている電源の種類を識別することができ、ユーザによる認識が容易になると共に、メンテナンス時における対応も容易になる。
図８は、電源種類判別部７１として、入力電圧のゼロクロスを検出するように構成された具体例を示す。すなわち、図８（ａ）に示すように、整流部６からの入力電圧を抵抗７３，７４によって分圧し、分圧した電圧をトランジスタ７５のエミッタとベースの間に印加する。そして、トランジスタ７５のコレクタの端子電圧をモニタする。交流・直流両用スイッチ１が交流電源２に接続されている場合、電源種類判別部７１には、整流部６によって整流された脈流が入力され、入力電圧がトランジスタの閾値よりも大きいときにトランジスタ７５がオンし、コレクタの端子電圧が判断用閾値よりも低くなり（ＬＯＷ）、入力電圧がトランジスタの閾値よりも小さいときにトランジスタ７５がオフし、コレクタの端子電圧が判断用閾値よりも高くなる（ＨＩＧＨ）（図８（ｂ）参照）。従って、電源種類判別部７１が、検出信号（パルス）を出力するのは、入力電圧がゼロクロスする前後の一定の時間だけである。一方、交流・直流両用スイッチ１が直流電源３に接続されている場合、入力電圧は常に一定であるので、トランジスタ７５は常にオンし、コレクタの端子電圧は常に判断用閾値よりも低いままである（常時ＬＯＷ）。従って、コレクタの端子電圧が閾値よりも高い状態（ＨＩＧＨ）を定期的に示すようであれば、交流・直流両用スイッチ１が交流電源２に接続されていると判断することができる。このようにゼロクロスを検出するような構成によれば、回路構成を比較的簡単にすることができると共に、制御部８における判断もディジタル化された信号によって行うことができ、制御部８における処理も容易にすることができる。
また、図８（ｄ）に示すように、双方向半導体スイッチ素子５１をオンさせるタイミング（駆動部９を駆動させるタイミング）として、操作部１０からのオン信号ではなく、電源種類判別部７１によるゼロクロス検出と同期させるように構成してもよい。そうすることによって、電圧が低い段階で双方向半導体スイッチ素子５１を導通させるため、突入電流を低減させることができる。
図９は、開閉部５を構成する双方向半導体スイッチ素子５１に機械的な開閉接点を備えた補助スイッチ素子５２を並列接続した構成例を示す。補助スイッチ素子５２としては、例えばリレーなどを用いることができる。制御部８は、開閉部５を導通させる場合、駆動部９に所定の電力を供給し又は所定の駆動信号を出力し、開閉部５の双方向半導体スイッチ素子５１を先に導通させた後、補助スイッチ素子５２を導通させる。このように、通電能力の高いリレーなどの補助スイッチ素子５２を併用することにより、負荷電流の容量を大幅に増大させることができる。開閉部５を遮断させる場合、先に補助スイッチ素子５２を遮断させた後、双方向半導体スイッチ素子５１を遮断させる。それによって、補助スイッチ素子５２の開閉接点は、電流が遮断された後から開かれるので、直流電源３に接続された場合に問題となるアークが発弧せず、開閉接点の劣化による寿命短縮は生じない。
図１０は、開閉部５を構成する双方向半導体スイッチ素子５１に機械的な開閉接点を備えた補助スイッチ素子５３を直列接続した構成例を示す。補助スイッチ素子５３としても、例えばリレーなどを用いることができる。制御部８は、開閉部５を導通させる場合、駆動部９に所定の電力を供給し又は所定の駆動信号を出力し、開閉部５の補助スイッチ素子５３の開閉接点を先に導通させた後、双方向半導体スイッチ素子５１を導通させる。また、開閉部５を遮断させる場合、開閉部５の双方向半導体スイッチ素子５１を先に遮断させた後、補助スイッチ素子５３を遮断させる。それによって、開閉部５は完全に遮断され、負荷４に電流は流れない。すなわち、この交流・直流両用スイッチ１がオフされているとき、負荷４は絶縁される。
図１１は、例えばリモコン装置などの外部装置８２との間で信号の送受信が可能な通信機能部（又は信号受信部）８１を備えた構成例を示す。また、図１２は、図１１の変形例であり、電力線に接続された外部装置８３から、制御信号を電力に重畳させて送信し、信号検出部８４によって制御信号を検出するように構成されている。これらの構成によれば、ユーザは、例えば壁面に設けられた操作部１０を直接操作することなく、照明装置などの負荷４のオン又はオフを遠隔制御又は自動制御することができる。特に、後者の場合、専用の通信線や無線送受信器が不要とすることができる。
図１３は、開閉部５を電力線の両極側にそれぞれ配置した構成例を示す。この構成においては、駆動部９として上記絶縁構造を採用することにより、２つの双方向半導体スイッチ素子５１に同時に駆動信号を供給することができると共に、２つの双方向半導体スイッチ素子５１の設置箇所の自由度を高くすることができる。さらに、開閉部５を２箇所に設けることにより、交流２００Ｖ系や直流３００Ｖの太陽光発電など、より高い対地電圧を有し、複数箇所での電力線の断路が要求される電源システムに適したスイッチを実現することができる。また、特に図示しないが、例えば単相３線や三相電源の各線に、それぞれ双方向半導体スイッチ素子による開閉部を設け、３つの開閉部を同時に開閉させるように構成することも可能である。
図１４は、交流・直流両用スイッチ１を負荷４に直接結線せずに、いわゆるコンセントタイプとした構成例を示す。このような構成によれば、移動可能な照明装置など、任意の負荷の制御が可能となる。この交流・直流両用スイッチ１は、既存のコンセントに差し込んで使用されるアダプタタイプであってもよいし、壁面に埋設されるタイプであってもよい。すなわち、出力側の第１端子４１と第２端子４２は、汎用のコンセント形状を有していればよい。
図１５は、交流・直流両用スイッチ１の入力側と出力側のそれぞれに整流部６及び電源部７を設けた構成例を示す。このような構成によれば、また、交流・直流両用スイッチ１の入力側と出力側が限定されず、いずれの側に負荷または電源を接続してもスイッチとして機能させることができる。さらに、例えば、直流電源３として蓄電池を用い、負荷４としてモータを制御する場合など、負荷自体が電源となりうるようなシステムに適用させることも可能である。すなわち、通常、モータは蓄電池からの電力で駆動されるが、空転時には発電機として電力を発生させることができる。その時は、モータが電源となり、蓄電池が負荷となって、モータで発電された電力で蓄電池を充電することができる。
以上説明したように、本実施形態に係る交流・直流両用スイッチ１によれば、開閉部を構成するスイッチ素子として、入力される電流や電圧に対する方向依存性を持たない双方向半導体スイッチ素子５１を用いたので、交流配電システム及び直流配電システムのいずれにも使用可能である。また、直流配電システムに使用された場合であっても、機械的な開閉スイッチを用いていないので、アークを発弧させることなく開閉が可能である。さらに、アークを消弧させるための機構が不要であり、且つ、半導体素子の小型化により、既存の交流配電システム用スイッチとの置き換えが可能である。なお、本発明は、上記実施形態の構成に限定されるものではなく、図示された各構成例を任意に組み合わせうることは言うまでもない。
１ 交流・直流両用スイッチ
２ 交流電源
３ 直流電源
４ 負荷
５ 開閉部
６ 整流部
７ 電源部
８ 制御部
９ 駆動部
１０ 操作部
２１ 入力側の第１端子
２２ 入力側の第２端子
４１ 出力側の第１端子
４２ 出力側の第２端子
５１ 双方向半導体スイッチ素子
５２，５３ 補助スイッチ素子
６１，６２ 半波整流回路のダイオード
７１ 電源種類判別部
７２ 電源種類表示部
８２，８３ 外部装置

Claims (11)

  1. 交流電源又は直流電源と負荷の間に接続され、負荷への電力供給を制御する交流・直流両用スイッチであって、
    電源に接続される入力側の第１端子と負荷に接続される出力側の第１端子との間に直列接続されたトランジスタ構造の双方向半導体スイッチ素子と、
    前記入力側の第１端子と入力側の第２端子の間に並列に接続された整流部と、
    前記整流部からの出力電圧を安定した所定の電圧に変換するための電源部と、
    前記電源部から供給される電力によってこの交流・直流両用スイッチの全体を制御する制御部と、
    前記制御部からの制御信号に応じて前記双方向半導体スイッチ素子を導通させる駆動部と
    を備え、
    前記整流部は、半波整流回路であり、前記整流部を構成するダイオードのアノードが前記入力側の第１端子に接続され、
    前記入力側の第１端子と前記入力側の第２端子の間に直流電源が接続されたときに、前記直流電源の正極が前記入力側の第１端子に接続されたときにのみ動作可能であることを特徴とする交流・直流両用スイッチ。
  2. 交流電源又は直流電源と負荷の間に接続され、負荷への電力供給を制御する交流・直流両用スイッチであって、
    電源に接続される入力側の第１端子と負荷に接続される出力側の第１端子との間に直列接続されたトランジスタ構造の双方向半導体スイッチ素子と、
    前記入力側の第１端子と入力側の第２端子の間に並列に接続された整流部と、
    前記整流部からの出力電圧を安定した所定の電圧に変換するための電源部と、
    前記電源部から供給される電力によってこの交流・直流両用スイッチの全体を制御する制御部と、
    前記制御部からの制御信号に応じて前記双方向半導体スイッチ素子を導通させる駆動部と、
    前記入力側の第１端子と前記入力側の第２端子に接続された電源の種類が交流か直流かを判別する電源種類判別部と
    を備えたことを特徴とする交流・直流両用スイッチ。
  3. 前記電源種類判別部は、交流電圧のゼロクロスを検出したときに、電源の種類が交流であると判断することを特徴とする請求項２に記載の交流・直流両用スイッチ。
  4. 前記電源種類判別部により電源の種類が交流であると判断された場合、前記制御部は、前記電源種類判別部によるゼロクロス検出と同期させて前記双方向半導体スイッチ素子を導通させるための制御信号を出力することを特徴とする請求項３に記載の交流・直流両用スイッチ。
  5. 前記双方向半導体スイッチ素子は、２つの高耐圧縦型トランジスタ構造のスイッチ素子を逆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４のいずれか一項に記載の交流・直流両用スイッチ。
  6. 前記双方向半導体スイッチ素子は、
    電源及び負荷に対してそれぞれ直列に接続され、基板表面上に形成された第１電極及び第２電極と、
    少なくともその一部分が前記基板表面上に形成され、前記第１電極の電位及び前記第２電極の電位に対して中間電位となる中間電位部と、
    少なくともその一部分が前記中間電位部上に接続され、前記中間電位部に対して制御を行うための制御電極を備えた横型のシングルゲートトランジスタ構造を有し、
    前記中間電位部及び前記制御電極が、前記第１電極及び前記第２電極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
    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交流・直流両用スイッチ。
  7. 前記双方向半導体スイッチ素子は、
    電源及び負荷に対してそれぞれ直列に接続され、基板表面上に形成された第１電極及び第２電極と、
    少なくともその一部分が前記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制御電極及び第２制御電極を備えた横型のデュアルゲートトランジスタ構造を有し、
    前記第１制御電極と前記第２制御電極が所定の耐電圧を維持しうる位置に配置されている
    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交流・直流両用スイッチ。
  8. 前記出力側の第１端子と出力側の第２端子の間に並列に接続された第２整流部と、該第２整流部からの出力電圧を安定した所定の電圧に変換するための第２電源部をさらに備えた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交流・直流両用スイッチ。
  9. 前記双方向半導体スイッチ素子に開閉接点を有する補助スイッチ素子が並列接続されてい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交流・直流両用スイッチ。
  10. 前記双方向半導体スイッチ素子に開閉接点を有する補助スイッチ素子が直列接続されてい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交流・直流両用スイッチ。
  11. 前記入力側の第２端子と出力側の第２端子との間に直列接続された第２双方向半導体スイッチ素子をさらに備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項１０のいずれか一項に記載の交流・直流両用スイッチ。
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