JP5129763B2 - 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１４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２電源部５５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。

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２電源部５５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２電源部５５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２電源部５５を構成するツェナーダイオード５５ａ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２電源部５５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３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２電源部５５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、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。

一方、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３電源部５６に供給される。第３電源部５６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３電源部５６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。

図１５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２電源部６５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。

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。

しかしながら、上記いずれの負荷制御装置５０、６０にあっても、負荷３への電力停止状態のとき制御部５３、６３を動作させるために、第３電源部５６、６６を設け、第１電源部５４、６４に電力を供給し続ける必要がある。そのため、微小ながら負荷３に電流が流れ続けることになり、接続可能な負荷３の仕様が制限される。

また第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。

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。

また、第１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。

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。

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、上記第３電源部に相当する構成を廃すると共に、非動作時の負荷に微少電流が流れることを防止できる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、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２電源部を備えた負荷制御装置において、外部から前記負荷制御装置に伝送される制御信号を受信する受信部と、前記受信部によって受信された制御信号を整流して、前記第１電源部に電力を供給する独立電源部をさらに備えたことを特徴とする。

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、前記第２電源部に入力される電圧を検出する電圧検出部をさらに備え、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２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、前記補助開閉部に流れる電流を検出する電流検出部をさらに備え、前記制御部は、所定の閾値以上の電流が前記補助開閉部に流れると、第３所定時間だけ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４の発明は、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において、前記主開閉部のスイッチ素子は、双方向制御可能な横型トランジスタ素子で構成され、前記横型トランジスタ素子は、電源及び負荷にそれぞれ接続される２つの電極と、前記２つの電極の中間電位部に配置された制御電極を有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３のいずれか一項に記載の負荷制御装置において、前記主開閉部のスイッチ素子は、交流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６の発明は、請求項２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、前記第１所定時間と、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計数される負荷電流の半周期未満の第４所定時間とが重複している時間だけ、前記主開閉部を導通させることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、受信部によって受信された制御信号を独立電源部が整流して、第１電源部に電力を供給するので、上記特許文献１及び特許文献２における第３電源部に相当する構成を廃することができる。また、この独立電源部が負荷への電力供給とは独立して第１電源部に電力を供給するので、非動作時の負荷に微少電流が流れることを防止でき、接続可能な負荷の使用の範囲を拡大できる。

請求項２の発明によれば、電圧検出部が第２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、制御部は、主開閉部を第１所定時間導通させ、第１所定時間経過後、主開閉部が非導通（開状態）になるとき、補助開閉部を第２所定時間だけ導通させる（閉状態にさせる）ので、商用電源の半周期のうち、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。又、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、且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。

請求項３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、再び短時間だけ主開閉部を導通させ（閉状態にさせ）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。

請求項４の発明によれば、主開閉部が非導通（開状態）のとき、スイッチ素子の制御電極には、制御部からＬｏｗレベルの信号が印加されるが、主開閉部の最低電位よりは整流部のダイオード１個分だけ高い電位となる。主開閉部の導通（閉状態）／非導通（開状態）を切り換える閾値が、上記ダイオード１個分の電位よりも十分に高ければ、確実に非導通（開状態）を維持することができる。そのため、数Ｖの制御信号で駆動される制御部によって、高電圧の商用電源を直接制御することができ、２線式負荷制御装置の小型高容量化を実現することができる。

請求項５の発明によれば、双方向スイッチ素子の第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。そのため、制御信号に基準（ＧＮＤ）を中間電位部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によって、高電圧の商用電源を直接制御することができる。また、整流部のダイオードによる電圧降下の影響を受けないので、主開閉部の導通（閉状態）／非導通（開状態）を切り換える閾値電圧を低くしても、確実に非導通（開状態）を維持することができる。さらに、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により、オン抵抗を低く維持することができ、負荷制御装置の小型高容量化を実現することができる。

請求項６の発明によれば、第１所定時間内であっても第２所定時間が経過すると、制御部が主開閉部を非導通とさせる（開状態にさせる）ので、例えば低負荷時において第１所定時間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が確実に非導通とされる。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る。

本発明の第１実施形態に係る負荷制御装置を用いた負荷制御システムのブロック図。 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。 第１実施形態に係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。 第１実施形態に係る負荷制御装置の動作時の波形を示す図であり、（ａ）は力率が１の場合の波形、（ｂ）は力率が１でない場合の波形を示す。 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。 第２実施形態に係る負荷制御装置の動作時の波形を示す図。 本発明の第３実施形態に係る負荷制御装置の構成を示す回路図。 第３実施形態に係る負荷制御装置の主開閉部で用いられるスイッチ素子の概略構成を示す断面図。 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。 第４実施形態に係る負荷制御装置の主開閉部で用いられるスイッチ素子の構成を示す平面図。 図１０のＡ−Ａ断面図。 本発明の第５実施形態に係る負荷制御の構成を示す回路図。 第５実施形態に係る負荷制御装置の低負荷時において、主開閉部の制御に第４所定時間を用いた場合の各部の信号波形を示すタイムチャート。 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。

（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、本発明の第１実施形態に係る負荷制御装置を用いた負荷制御システムを示している。負荷制御システム３０は、複数の負荷制御装置１と、それらを遠隔制御する親制御部３１等によって構成されている。親制御部３１に接続される負荷制御装置１の数は、適宜設定することができる。各負荷制御装置１と親制御部３１とは、有線によって接続されているが、無線によって接続されていてもよい。各負荷制御装置１は、親制御部３１から送信された制御信号を受信して、その信号に応じて、それぞれに接続されている負荷３を制御する。親制御部３１は、各負荷制御装置１の主制御部２０に対して制御信号を送信する。親制御部３１から送信される制御信号には、いずれかの負荷制御装置１に対応するアドレス信号が添付されている。各負荷制御装置１は、自己に付与されたアドレス信号が添付されて送信された制御信号を受信すると、その制御信号に応じて動作して負荷３を制御する。図１においては、親制御部３１に接続される負荷制御装置１としては、第１実施形態に係る負荷制御装置１Ａに限られることなく後述する第２実施形態に係る負荷制御装置１Ｂ乃至第５実施形態に係る負荷制御装置１Ｅであってもよい。また、これらの負荷制御装置１Ａ乃至１Ｅが適宜組み合わせて親制御部３１に接続される構成であってもよい。

図２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り、図３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。図２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、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２電源部１５と、負荷３への電力停止状態のときに第１電源部１４へ電力を供給する独立電源部１６と、親制御部３１から送信された制御信号を受信する受信部１６ａ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２電源部１５には、第２電源部１５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、トランジスタ構造のスイッチ素子１１ａを有し、補助開閉部１７は、サイリスタ構造のスイッチ素子１７ａを有している。

親制御部３１からは、いずれかの負荷制御装置１Ａを遠隔制御するための制御信号（パルス信号）が常時送出されている。負荷制御装置１Ａの受信部１６ａは、この制御信号を受信して主制御部２０に伝送する。受信部１６ａによって受信された制御信号は、独立電源部１６にも伝送される。独立電源部１６は、制御信号を構成するパルス電流を整流し、第１電源部１４（すなわち主制御部２０）へ電力を供給する。この制御信号は負荷３の動作に関わらず親制御部３１から常時送出されるため、負荷３へ電力供給が行われていないときにも独立電源部１６から第１電源部１４に電力が供給される。すなわち、独立電源部１６は、負荷３と直列に接続される交流電源２とは独立して第１電源部１４に電力を供給する。

一方、負荷３へ電力供給が行われているとき、第２電源部１５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、第１電源部１４のバッファコンデンサ２９を充電する。上記のように、第２電源部１５には、電圧検出部（充電監視部）１８が設けられており、第２電源部１５に入力される電圧を検出する。電圧検出部１８が第２電源部１５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）。図２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、補助開閉部１７が主開閉部１１よりも少し遅れて非導通（開状態）になればよく、図２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を導通させるように、所定時間の第２パルス信号を出力する第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、上記主制御部２０から、主開閉部１１に対して出力する第１パルス信号よりも第２所定時間分だけ長いパルス信号を補助開閉部１７に対して出力するようにしてもよい。あるいは、ダイオードやコンデンサを用いて遅延回路を構成してもよい。

図３を参照すると、これらの動作により、バッファコンデンサ２９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２電源部１５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。なお、力率が１の場合の波形を図４（ａ）に、力率が１でない場合の波形を図４（ｂ）に示す。

（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について説明する。図５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。図２と図５を比較して、第２実施形態に係る負荷制御装置１Ｂ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１５に示す第２従来例で説明したように、補助開閉部は、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に通電が開始されてしまう。また、負荷として過負荷接続された場合、補助開閉部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、電流検出部２２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が許容できる電流値を超える電流が流れたときに、再び短時間だけ主開閉部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。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と共に、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。図６に、第２実施形態に係る負荷制御装置１Ｂの動作時の波形を示す。

（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について説明する。図７は、第３実施形態に係る負荷制御装置１Ｃの構成を示す回路図である。図５と図７を比較して、第３実施形態に係る負荷制御装置１Ｃは、基本的に上記第１及び第２実施形態に係る負荷制御装置１Ａ、１Ｂと同様であるが、主開閉部１１を構成するスイッチ素子１１ｂが、双方向制御可能な横型トランジスタ素子で構成されている点が異なる。なお、図７は図５に示す第２実施形態に係る負荷制御装置１Ｂの構成に準じているが、これに限定されるものではなく、図２に示す第１実施形態に係る負荷制御装置１Ａと同様に構成されていてもよい。

図８は、双方向制御可能な横型トランジスタ素子の概略構成を示す。このような横型トランジスタ素子はＨＥＭＴ(High Electron Mobility Transistor)と称され、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、基板の表面には、電源２及び負荷３に対してそれぞれ直列に接続された電極Ｄ１及び電極Ｄ２と、電極Ｄ１及び電極Ｄ２に対して、通電オフ時に高耐電圧が維持できるように制御電極（ゲート）Ｇが形成されている。制御電極Ｇとして、例えばショットキ電極を用いる。

主開閉部１１が非導通（開状態）のとき、制御電極Ｇには、制御部１３からＬｏｗレベルの信号が印加されるが、主開閉部１１の最低電位よりは整流部１２のダイオード１個分だけ高い電位となる。ここで、主開閉部１１の導通（閉状態）／非導通（開状態）を切り換える閾値が、上記ダイオード１個分の電位よりも十分に高ければ、確実に非導通（開状態）を維持することができる。一方、主開閉部１１の導通状態（閉状態）の場合は、上記第１乃至３実施形態の場合と同様の動作を行う。そのため、数Ｖの制御信号で駆動される制御部１３によって、高電圧の商用電源を直接制御することができる。また、このように、電子移動度の高いＨＥＭＴを用いることにより、２線式負荷制御装置１Ｃの小型高容量化を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について説明する。図９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。第４実施形態に係る負荷制御装置１Ｄは、基本的に上記第１乃至第３実施形態に係る負荷制御装置１Ａ〜１Ｃと同様であるが、主開閉部１１を構成するスイッチ素子１１ｃが、双方向制御可能な新規な横型トランジスタ素子で構成されている点が異なる。なお、図９は図７に示す第３実施形態に係る負荷制御装置１Ｃの構成に準じているが、これに限定されるものではなく、図１に示す第１実施形態に係る負荷制御装置１Ａ又は図５に示す第２実施形態に係る負荷制御装置１Ｂと同様に構成されていてもよい。

図１０は、スイッチ素子１１ｃの構成を示す平面図であり、図１１はそのＡ−Ａ断面図である。図１１に示すように、スイッチ素子１１ｃ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。このスイッチ素子１１ｃ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１０に示すように、基板１２０の表面１２０ｄには、電源２及び負荷３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、スイッチ素子１１ｃ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１０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、双方向スイッチ素子１１ｃ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、双方向スイッチ素子１１ｃ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２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、スイッチ素子１１ｃ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、この新規なスイッチ素子１１ｃを用いて主開閉部１１を構成することにより、制御信号に基準（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１３によって、高電圧の商用電源を直接制御することができる。また、上記第４実施形態の場合と比較すると、整流部１２のダイオードによる電圧降下の影響を受けないので、主開閉部１１の導通（閉状態）／非導通（開状態）を切り換える閾値電圧を低くしても、確実に非導通（開状態）を維持することができる。さらに、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、負荷制御装置１Ｅの小型高容量化を実現することができる。

（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。図１２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。第５実施形態に係る負荷制御装置１Ｅは、基本的に上記第１乃至第４実施形態に係る負荷制御装置１Ａ〜１Ｄと同様であるが、第２電源部１５にゼロクロス検出部２６を、制御部１３に第４パルス出力部２７をそれぞれ備えている点等が異なる。なお、図１２は図５に示す第２実施形態に係る負荷制御装置１Ｂの構成に準じているが、これに限定されるものではなく、図１に示す第１実施形態に係る負荷制御装置１Ａ、図７に示す第３実施形態に係る負荷制御装置１Ｃ又は図９に示す第４実施形態に係る負荷制御装置１Ｄと同様に構成されていてもよい。

ゼロクロス検出部２６は、負荷電流のゼロクロス点を検出し、その旨のゼロクロス検出信号を第４パルス出力部２７に出力する。第４パルス出力部２７は、ゼロクロス検出部２６から上記ゼロクロス検出信号の入力を受けると、第４パルスを出力する。第４パルスは、ゼロクロス検出部２６からゼロクロス検出信号を受けて立上がり、第４所定時間経過後立ち下がる。第４所定時間は、負荷電流の半周期未満となるように設定されている。

第１パルス出力部２６から出力される第１パルス及び第４パルス出力部２７から出力される第４パルスは、主開閉制御部２５に入力される。主開閉制御部２５は、ＡＮＤ回路２５ａを有し、第１パルス及び第２パルスの論理積をとり、ＯＲ回路２２ｂを介して主開閉部１１に出力する。ＯＲ回路２５ｂは、主開閉制御部２５のＡＮＤ回路２５ａの後段に設けられている。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２２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。

上述したように、主開閉部１１は、第１パルスが立ち上がっている第１所定時間と第４パルスが立ち上がっている第４所定時間の重複している時間だけ閉じる。第４パルスは、ゼロクロス検出部２６がゼロクロス点を検出したタイミングで立ち上がり、負荷電流の半周期よりも短い第４所定期間で立ち下がるため、バッファコンデンサ２９の充電完了を検出するタイミング、すなわち第１所定時間が開始するタイミングが後にずれても、電源周波数のゼロクロス点を越えて主開閉部１１を閉状態にすることが無くなる。これにより、確実に半周期毎に充電を行うことができ、動作の安定が図られる。

１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ 負荷制御装置
２ 電源
３ 負荷
１１ 主開閉部
１１ａ、１１ｂ、１１ｃ 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 独立電源部
１６ａ 受信部
１７ 補助開閉部
１７ａ スイッチ素子
１８ 電圧検出部
２０ 主制御部
２２ 電流検出部
２６ ゼロクロス検出部
３０ 負荷制御システム
３１ 親制御部

Claims (6)

1. 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２電源部を備えた負荷制御装置において、
   外部から前記負荷制御装置に伝送される制御信号を受信する受信部と、前記受信部によって受信された制御信号を整流して、前記第１電源部に電力を供給する独立電源部をさらに備えたことを特徴とする負荷制御装置。
2. 前記第２電源部に入力される電圧を検出する電圧検出部をさらに備え、
   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２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１に記載の負荷制御装置。
3. 前記補助開閉部に流れる電流を検出する電流検出部をさらに備え、
   前記制御部は、所定の閾値以上の電流が前記補助開閉部に流れると、第３所定時間だけ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２に記載の負荷制御装置。
4. 前記主開閉部のスイッチ素子は、双方向制御可能な横型トランジスタ素子で構成され、前記横型トランジスタ素子は、電源及び負荷にそれぞれ接続される２つの電極と、前記２つの電極の中間電位部に配置された制御電極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。
5. 前記主開閉部のスイッチ素子は、交流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３のいずれか一項に記載の負荷制御装置。
6. 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、前記第１所定時間と、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計数される負荷電流の半周期未満の第４所定時間とが重複している時間だけ、前記主開閉部を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。

Images