JP5412417B2

JP5412417B2 - Electronic relay

Info

Publication number: JP5412417B2
Application number: JP2010278316A
Authority: JP
Inventors: 潔後藤
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2010-12-14
Filing date: 2010-12-14
Publication date: 2014-02-12
Anticipated expiration: 2030-12-14
Also published as: JP2012129729A

Description

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電子リレーに関する。 The present invention relates to an electronic relay suitable for a load through which an inrush current flows at startup, such as a lighting device.

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半導体スイッチ素子を開閉部とする電子リレーが用いられている。このような電子リレーは、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。 For example, as described in Patent Document 1, an electronic relay having a semiconductor switch element such as a triac as an opening / closing unit is used to control on / off of a load such as a lighting device. In such an electronic relay, an opening / closing part is connected in series with a commercial power source and a load. For example, when the operation handle of the switch is operated by the user, a gate drive signal is output from the control unit, and the switch element is turned on. Thereby, electric power is supplied from the commercial power source to the load, and the load is activated. When the switch element is a triac, since the triac is a self-extinguishing element, it becomes non-conductive due to a voltage zero cross of the commercial power supply. Therefore, a gate drive signal is output from the control unit every half cycle of the commercial power supply until the operation handle is operated again.

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。しかしながら、ゲート駆動信号の電圧を高くすると、ゲート駆動部によって消費される電力が多くなる。 By the way, immediately after the operation handle is operated by the user, that is, at the start of starting the load, a large current called an inrush current temporarily flows to the load. For example, assuming that the load is an illuminating device using an incandescent bulb, the resistance value of the filament at normal temperature is much smaller than the resistance value at steady lighting. 10 times more current flows. On the other hand, as represented by a MOSFET, for example, a current value that can flow between a source and a drain is limited in accordance with a gate voltage. Therefore, if the voltage of the gate drive signal input to the gate electrode of the switch element is low and only a current smaller than the inrush current can flow, the lighting device does not immediately steadily light even if the operation handle is operated. As the filament temperature rises, the brightness gradually increases. Therefore, in order to steadily turn on the lighting device immediately after operating the operation handle, the voltage of the gate drive signal applied to the gate electrode of the switch element is increased so that the inrush current flows smoothly when the load is started. do it. However, when the voltage of the gate drive signal is increased, more power is consumed by the gate drive unit.

上記特許文献１に記載された電子スイッチでは、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に記載された電子リレーは、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。 In the electronic switch described in Patent Document 1, the gate driving unit generates a gate driving signal every half cycle of the commercial power supply in accordance with a control signal output from the control unit. Since this gate drive unit generates a gate drive signal using the same power source as that for securing power for driving the control unit, the voltage of the gate drive signal is adjusted to the current flowing through the load. It is virtually impossible to change it arbitrarily. The electronic relay described in Patent Document 1 is a so-called two-wire electronic switch that is connected in series with a commercial power supply and a load. In order to secure the internal power supply, a current is always passed through the load. . Since a current flows through the load even when the lighting device is turned off, the current for securing the power supply must be very weak in order to prevent the load from being turned on erroneously. Accordingly, there is a demand for reducing the power consumed by the control unit and the gate driving unit as much as possible.

特開２００７−１７４５７６号公報JP 2007-174576 A

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電子リレーを提供することを目的とする。 The present invention has been made in order to solve the above-described problems of the conventional example, and can suppress the electric power consumed by the control unit and the gate driving unit while allowing the inrush current to flow through at the start of the load. The purpose is to provide a relay.

上記目的を達成するため、本発明の一態様に係る電子リレーは、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。 In order to achieve the above object, an electronic relay according to one aspect of the present invention includes an open / close unit using a switch element that is connected in series with a commercial power source and a load and has a transistor structure, and a control that controls start and stop of the load. And a gate drive unit that outputs a gate drive signal to the gate electrode of the switch element, and a power supply unit that secures power for operating the control unit and the gate drive unit. The control unit causes the gate drive unit to supply more drive power to the gate electrode of the switch element for a predetermined time than when the steady operation is performed when the load is started.

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。 The gate driving unit is insulated from the control unit by an optical isolation method including a light emitting unit and a light receiving unit, and the control unit emits light for causing the light emitting unit to emit light for a predetermined time when the load is activated. It is preferable to flow a photoelectric flow rate higher than that in steady stable operation.

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。 The gate drive unit is insulated from the control unit by a magnetic insulation system including a transformer, and the control unit turns on a drive signal for switching the primary winding of the transformer for a predetermined time when the load is started. It is preferable to set the duty higher than that in the steady stable operation.

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。 The switch element preferably has a structure in which transistor elements having two vertical structures are connected in series so that their parasitic diodes are opposite to each other.

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。 The switch element preferably has a structure in which transistor elements having two lateral structures are connected in series so that their parasitic diodes are opposite to each other.

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。 The switch element is preferably a bidirectional switch element using GaN / AlGaN and having a lateral transistor structure including two gate electrodes.

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。 The gate driving unit is configured to switch a charge extracting unit that extracts residual charges accumulated in the gate electrode unit of the switch element, a driving power source unit for driving the charge extracting unit, and a primary winding of the transformer. It is preferable to further include a delay circuit for preventing the charge extraction unit from operating.

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。 A voltage monitoring unit that monitors the output voltage of the power supply unit; and the control unit changes the output voltage of the power supply unit with an on-duty of a drive signal that is higher than that during steady-state operation when the load is started. Based on the above, it is preferable to change to the on-duty at the time of steady stable operation.

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。 It is preferable that the gate driving unit drives the gate electrode at a constant current for a predetermined time when the load is activated, and drives the gate electrode at a constant voltage during a steady operation.

前記スイッチ素子は、トランジスタ素子と、接点を有する開閉素子が直列接続した構造を有することが好ましい。 The switch element preferably has a structure in which a transistor element and a switching element having a contact are connected in series.

前記スイッチ素子は、トランジスタ素子と、接点を有する開閉素子が並列接続した構造を有することが好ましい。 The switch element preferably has a structure in which a transistor element and a switching element having a contact are connected in parallel.

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。 A switch element having a transistor structure has a characteristic of causing a larger amount of current to flow as the power input to the gate electrode is increased, such as increasing the gate drive voltage. According to the present invention, the gate drive unit supplies more drive power to the gate electrode of the switch element for a predetermined time at the time of starting the load than during steady stable operation, so the amount of current that can flow through the switch element increases. Thus, the inrush current at the time of starting the load can be passed. In addition, after a predetermined time has elapsed, drive power corresponding to the current flowing through the load during steady stable operation is supplied to the gate electrode of the switch element, so that power consumed by the control unit and the gate drive unit can be suppressed. .

本発明の一実施形態に係る電子リレーの構成を示す図。The figure which shows the structure of the electronic relay which concerns on one Embodiment of this invention. ２線式の電子リレーのブロック構成を示す図。The figure which shows the block structure of a 2-wire type electronic relay. ３線式の電子リレーのブロック構成を示す図。The figure which shows the block configuration of a 3-wire type electronic relay. 上記電子リレーにおけるゲート駆動電力の変化を示す図。The figure which shows the change of the gate drive electric power in the said electronic relay. スイッチ素子として縦型ＭＯＳＦＥＴを用いた構成例を示す図。The figure which shows the structural example using vertical MOSFET as a switch element. 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。The figure which shows the structural example using the switch element of a GaN / AlGaN lateral transistor structure as a switch element. 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。The top view which shows the structure of the switch element of a GaN / AlGaN lateral type transistor structure. 図７のＡ−Ａ断面図。AA sectional drawing of FIG. 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。The figure which shows the structural example using the bidirectional | two-way switch element of a GaN / AlGaN lateral transistor structure as a switch element. 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。The top view which shows the structure of the bidirectional | two-way switch element of a GaN / AlGaN lateral type transistor structure. 図１０のＢ−Ｂ断面図。BB sectional drawing of FIG. 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。The figure which shows the structural example of the gate drive part which used MOSFET as the switch element of an opening-and-closing part, and made the gate drive part the optical insulation system. 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。The figure which shows the structural example which used the bidirectional | two-way switch element as the switch element of an opening-and-closing part, and made the gate drive part the magnetic insulation system. 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。The figure which shows waveforms, such as a drive signal, in the structural example shown in FIG. 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。A configuration example of a gate drive unit in which constant current driving is performed for a predetermined time after the load is activated with respect to the gate electrode of the switch element, and constant voltage driving is performed during steady stable operation is shown. 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。The figure which shows the structural example which provided the charge extraction part for extracting a residual charge further in the gate drive part shown in FIG. 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。The figure which shows the modification provided with the voltage monitoring part 15 which further monitors the output voltage of a power supply part in the structure shown in FIG. 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。The figure which shows waveforms, such as a drive signal, in the structural example shown in FIG. 図９に示す構成例の変形例の構成を示す図。The figure which shows the structure of the modification of the structural example shown in FIG. 図９に示す構成例の別の変形例の構成を示す図。The figure which shows the structure of another modification of the structural example shown in FIG. 上記電子リレーの用途の一例を示すブロック図。The block diagram which shows an example of the use of the said electronic relay.

本発明の一実施形態に係る電子リレー１について説明する。この電子リレー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。また、電子リレー１は、電気自動車のバッテリの充放電制御のためのリレーとして、さらには工場の配電盤に組み込まれるリレーとして用いられる。図１は、この電子リレー１を建築物の壁面などに取り付けた状態を示す。電子リレー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。 An electronic relay 1 according to an embodiment of the present invention will be described. The electronic relay 1 is an electronic switch having a switching element having a transistor structure as an opening / closing part, and is used for controlling the start (on) and stop (off) of a load such as a lighting device, for example. The electronic relay 1 is used as a relay for charge / discharge control of a battery of an electric vehicle, and further as a relay incorporated in a switchboard of a factory. FIG. 1 shows a state in which the electronic relay 1 is attached to a wall surface of a building. A main body 2 of the electronic relay 1 is attached to a mounting frame 3 installed on a wall surface of the building, and an operation handle 4 is attached to the main body 2.

電子リレー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。 A push-on / push-off switch 22 and a hinge 23 connected to the operation handle 4 are provided on the front face 21 of the main body 2 of the electronic relay 1. On the rear surface 41 of the operation handle 4, a protrusion 42 for contacting the push-on / push-off switch 22 and a hinge 43 connected to the hinge 23 are formed. The operation handle 4 is normally held biased in one direction by the spring of the push-on / push-off switch 22 so as to normally protrude outward from the wall surface. Each time the user operates the operation handle 4, the push-on / push-off switch 22 is cyclically turned on / off.

電子リレー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、電子リレー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。電子リレー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。 The rear surface 24 of the body 2 of the electronic relay 1 is provided with an inlet 25 into which a core wire 51 of an electric wire 5 such as VVF (Vinyl insulated Vinyl sheathed Flat-type cable) is inserted. . In FIG. 1, a two-wire type is illustrated as the electronic relay 1, but a three-wire type may also be used. A circuit board 26 is provided inside the main body 2 of the electronic relay 1, and an opening / closing part, a control part, a gate driving part, a power supply part, and the like are mounted on the circuit board 26.

図２は、２線式の電子リレー１のブロック構成を示す。また、図３は３線式の電子リレー１のブロック構成を示す。電子リレー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。 FIG. 2 shows a block configuration of the two-wire electronic relay 1. FIG. 3 shows a block configuration of the three-wire electronic relay 1. The electronic relay 1 includes an open / close unit 11 connected in series to a commercial power source 6 and a load 7, a control unit 12 that controls activation and stop of the load 7, a gate drive unit that is insulated from the control unit 12, and a control unit 12 and a power supply unit 14 for securing electric power for operating the gate drive unit 13. The open / close unit 11 includes a switch element having a transistor structure, and the gate drive unit 13 generates a gate drive signal input to the gate electrode of the switch element in response to a control signal from the control unit 12. Let

図２に示す２線式の電子リレー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線式の電子リレー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。 In the case of the two-wire electronic relay 1 shown in FIG. 2, the power supply unit 14 includes a rectification unit 14 a connected in series to the commercial power supply 6 and the load 7, and an off power supply unit 14 b that secures power when power to the load 7 is stopped. And an on-power supply unit 14c for securing power when power is supplied to the load 7. Since specific configurations of the off-power supply unit 14b and the on-power supply unit 14c are described in detail in the above-described Patent Document 1, description thereof is omitted here. On the other hand, in the case of the three-wire electronic relay 1 shown in FIG. 3, the power supply unit 14 includes a rectification unit and a voltage conversion unit (not shown), and constantly obtains electric power from the commercial power supply 6.

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。 The control unit 12 includes a CPU and detects that the push-on / push-off switch 22 is turned on or off or that a signal is output from the push-on / push-off switch 22. The push-on / push-off switch 22 may be configured to maintain an on state or an off state, or may be configured to output a pulse signal each time the operation handle 4 is operated. Also good.

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、この電子リレー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。 The switch element constituting the opening / closing part 11 is not particularly limited, and may be a bidirectional switch element such as a triac, or may be configured by combining two unidirectional switch elements such as a thyristor and a MOSFET. In the case of a MOSFET, the higher the voltage of the gate drive signal, the higher the value of the current that can flow between the drain and source. FIG. 4 shows changes in the gate drive power in the electronic relay 1. In the present embodiment, when the load 7 is activated, a larger amount of driving power is supplied to the gate electrode of the switch element for a certain period of time than during steady operation, thereby increasing the amount of current that can flow through the switch element, The inrush current at the start of the load is allowed to flow. In addition, after a predetermined time has elapsed, driving power corresponding to the current flowing through the load during steady stable operation is supplied to the gate electrode of the switch element, thereby suppressing power consumed by the control unit 12 and the gate driving unit 13. Yes.

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。 FIG. 5 shows a configuration example in which two vertical MOSFETs Q1 and Q2 are connected in series as switch elements having a transistor structure so that their parasitic diodes are opposite to each other. In this case, the gate drive unit 13 controls the voltage signal, that is, the voltage of the gate drive signal with reference to the voltage between the two vertical MOSFETs Q1 and Q2, thereby performing the open / close control of the open / close unit 11.

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。 FIG. 6 shows a configuration example in which two switch elements 101 having a GaN / AlGaN lateral transistor structure are connected in series as a switch element having a transistor structure. Also in this case, the gate driving unit 13 controls the voltage signal, that is, the voltage of the gate driving signal with reference to an intermediate voltage between the two switch elements 101 to perform the opening / closing control of the opening / closing unit 11. The switch element 101 is a horizontal single gate transistor element. FIG. 7 is a plan view showing the configuration of the switch element 101, and FIG.

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。 As shown in FIG. 8, the substrate 120 of the switch element 101 includes a base layer 101a and a GaN layer 101b and an AlGaN layer 101c stacked on the base layer 101a. The switch element 101 uses a two-dimensional electron gas layer generated at the AlGaN / GaN hetero interface as a channel layer. As shown in FIG. 7, on the surface 120d of the substrate 120, the first electrode D1 and the second electrode D2 connected to the power source 6 or the load 7, and the potential of the first electrode D1 and the potential of the second electrode D2 are provided. An intermediate potential portion S that is an intermediate potential is formed. Further, a gate electrode G is stacked on the intermediate potential portion S. As the gate electrode G, for example, a Schottky electrode is used. The first electrode D1 and the second electrode D2 are comb teeth having a plurality of electrode portions 111, 112, 113... And 121, 122, 123. The electrode parts arranged in the are arranged so as to face each other. The intermediate potential portion S and the gate electrode G are respectively disposed between the electrode portions 111, 112, 113... And 121, 122, 123. It has a shape similar to the planar shape of the space to be formed.

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。 As shown in FIG. 7, the electrode part 111 of the first electrode D1 and the electrode part 112 of the second electrode D2 are arranged so that the center lines in the width direction are located on the same line. The corresponding portion of the intermediate potential portion S and the corresponding portion of the gate electrode G are provided in parallel to the arrangement of the electrode portion 111 of the first electrode D1 and the electrode portion 121 of the second electrode D2, respectively. The distance between the corresponding electrode portion 111 of the first electrode D1, the electrode portion 112 of the second electrode D2, the corresponding portion of the intermediate potential portion S, and the corresponding portion of the gate electrode G in the width direction is a distance that can maintain a predetermined withstand voltage. Is set. The same applies to the direction perpendicular to the width direction, that is, the longitudinal direction of the electrode portion 111 of the first electrode D1 and the electrode portion 112 of the second electrode D2. Moreover, these relationships are the same also about the other electrode parts 112 and 122, 113, 123 .... That is, the intermediate potential portion S and the gate electrode G are disposed at positions where a predetermined withstand voltage can be maintained with respect to the first electrode D1 and the second electrode D2.

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。 An intermediate potential portion S that is an intermediate potential with respect to the potential of the first electrode D1 and the second electrode D2, and a gate electrode G that is connected to the intermediate potential portion S and controls the intermediate potential portion S is provided. The first electrode D1 and the second electrode D2 are disposed at positions where a predetermined withstand voltage can be maintained. Therefore, for example, when the first electrode D1 is on the high potential side and the second electrode D2 is on the low potential side, when the switch element 101 is off, that is, when a signal of 0 V is applied to the gate electrode G, at least the first electrode D1 The current is reliably interrupted between the gate electrode G and the intermediate potential portion S. That is, current is blocked directly under the gate electrode G. On the other hand, when the switch element 101 is on, that is, when a signal having a voltage equal to or higher than a predetermined threshold is applied to the gate electrode G, the first electrode D1, the intermediate potential portion S, the first potential as shown in FIG. A current flows through the path of the two electrodes D2. The same applies to the reverse case.

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、電子リレー１の小型高容量化を実現することができる。 As described above, since the intermediate potential portion S is formed at a position where the predetermined withstand voltage can be maintained with respect to the first electrode D1 and the second electrode D2, the threshold voltage of the signal applied to the gate electrode G is set to the minimum necessary level. Even if the level is lowered to the level, the switch element 101 can be reliably turned on / off. As a result, a low on-resistance of the switch element can be realized. Then, the control unit 12 driven by the control signal of several V is obtained by configuring the opening / closing unit 11 using the switch element 101 to set the control signal reference (GND) to the same potential as the intermediate potential unit S. Thus, the high-voltage commercial power supply 6 can be directly controlled. Further, in a lateral transistor element using a two-dimensional electron gas layer generated at a hetero interface as a channel layer, there is a reciprocal relationship between increasing the threshold voltage that makes the element non-conductive and on-resistance during conduction. Therefore, the ability to lower the threshold voltage leads to the ability to keep the on-resistance low, and the electronic relay 1 can be reduced in size and capacity.

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。 FIG. 9 shows a configuration example in which only one bidirectional switch element 300 having a GaN / AlGaN lateral transistor structure is used as a switch element having a transistor structure. The bidirectional switch element 300 has two gate electrodes and is connected in series with the power source 6 and the load 7. FIG. 10 is a plan view showing the configuration of the bidirectional switch element 300, and FIG. 11 is a sectional view taken along the line BB.

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。 As shown in FIG. 11, the bidirectional switch element 300 has a first electrode D1 and a second electrode D2 formed on the substrate surface, and at least a part of the first electrode D1 and the second electrode D2 formed on the substrate surface. The first gate electrode G1 and the second gate electrode G2 are provided. Further, the first gate electrode G1 and the second gate electrode G2 are arranged at positions where a predetermined withstand voltage can be maintained. Since the place where the breakdown voltage is maintained is one place between the first gate electrode G1 and the second gate electrode G2, a bidirectional switch element with little loss can be realized. The bidirectional switch element 300 having this configuration needs to be controlled with reference to the voltages of the drain electrodes D1 and D2, and different drive signals need to be input to the two gate electrodes G1 and G2, respectively. Called transistor structure). As shown in FIG. 5, the equivalent circuit of the bidirectional switch element 300 is almost the same as that in which one MOSFET is connected in series so that the directions of the parasitic diodes are opposite to each other.

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。 FIG. 12 shows a configuration example in which, for example, the MOSFET shown in FIG. 5 is used as the switching element of the opening / closing unit 11 and the gate driving unit 13 is an optically insulating type. More specifically, an optical MOSFET is used as the switch element, and the opening / closing part 11 and the gate driving part 13 are integrated. The control unit 12 causes a larger amount of light emission current for causing the light emitting element to emit light for a predetermined time when starting the seven loads than in the steady state operation. When switch elements having a GaN / AlGaN lateral transistor structure as shown in FIGS. 6 and 9 are used as the switch elements, photocouplers may be connected to the gate electrodes of these switch elements. The power generated on the secondary side (gate electrode side) can be easily controlled by using the gate drive unit 13 as an optical isolation system and controlling the current on the primary side (light emitting element side).

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。 FIG. 13 shows a configuration example in which, for example, the bidirectional switch element shown in FIG. 9 is used as the switch element of the opening / closing part 11, and the gate drive part 13 is a magnetic insulation system. In the configuration example shown in FIG. 13, the primary winding side and the two secondary winding sides of the transformer 131 are electrically insulated. A rectifier circuit such as a diode bridge and a stabilization circuit such as a capacitor for stabilizing the rectified voltage are connected to the secondary winding of the transformer 131. FIG. 14 shows waveforms of drive signals and the like when the gate drive unit 13 is a magnetic insulation system. The control unit 12 increases the on-duty of the drive signal for switching the primary winding of the transformer 131 for a predetermined time when the load 7 is started up by PWM control, compared with that in the steady operation. By using the gate drive unit 13 as a magnetic insulation system and controlling the switching duty of the primary winding of the transformer 131, the power generated in the secondary winding can be easily controlled.

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。 FIG. 15 shows a configuration example in which the gate electrode of the switch element is driven with constant current for a predetermined time after the load 7 is started, and is driven with constant voltage during steady stable operation. As described above, the control unit 12 sets the on-duty of the drive signal for switching the primary winding of the transformer 131 for a predetermined time when the load 7 is started to be higher than that in the steady state operation. In other words, the current flowing on the secondary side of the transformer 131 for a predetermined time after the load 7 is started becomes larger than that in the steady state operation, and a voltage drop due to the resistor R13 occurs. When the voltage drop due to the resistor R13 becomes larger than the forward voltage of the diode D13, a current also flows through the diode D13, so that the current flowing through the gate electrode of the switch element becomes constant (constant current driving). On the other hand, when the on-duty is reduced during steady stable operation, current flows only through the resistor R13, and a constant voltage is applied to the gate electrode of the switch element (constant voltage drive). With such a configuration, current more than necessary does not flow through the gate electrode of the switch element, and power consumption due to gate drive of the switch element can be suppressed.

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。 16 further drives the charge extracting unit 132 and the charge extracting unit for extracting the residual charge accumulated in the parasitic capacitance of the switch element and the capacitor constituting the gate driving unit 13 in the gate driving unit 13 shown in FIG. An example of a configuration in which a drive power supply unit 133 is provided for the purpose. As is well known, a switch element having a transistor structure has a parasitic diode, and charges are accumulated in the parasitic diode when the gate is driven. The gate drive unit 13 also includes a capacitor C13 as a component. Even if the voltage of the gate drive signal becomes a low level, the gate voltage of the switch element does not drop immediately due to the residual charge accumulated in these capacitances, and the switch element maintains a conductive state. In this configuration example, the charge extraction unit 132 operates at the zero crossing point of the commercial power supply, and the residual charge can be rapidly extracted from the gate electrode unit of the switch element, so that the switch element can be quickly turned off. The charge extraction unit includes a normally-on transistor T13. When charge is accumulated in the capacitor C13, the transistor T13 is turned off and the charge extraction unit 132 does not work. When the voltage of the commercial power supply 6 becomes zero (zero cross point), the transistor T13 is turned on, and the parasitic charge of the switch element and the residual charge accumulated in the capacitor C13 are quickly extracted. The drive power supply unit 133 has a time constant (delay circuit) so that the power does not become zero in a half cycle of the commercial power supply 6.

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。電子リレー１が、図２に示すような２線式電子リレーの場合、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。電子リレー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線式の電子リレーにおいても、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。 FIG. 17 shows a modification in which the configuration shown in FIG. 2 is further provided with a voltage monitoring unit 15 that monitors the output voltage of the power supply unit 14. When the electronic relay 1 is a two-wire electronic relay as shown in FIG. 2, the power for driving the control unit 12 and the gate driving unit 13 is exclusively accumulated in a buffer capacitor (not shown) of the power supply unit 14. The electric charge is the power source. In the electronic relay 1, the on-duty of the drive signal is set higher when the load 7 is activated than during the steady operation. Therefore, the power consumption is larger than that during the steady operation, and the power charged in the buffer capacitor is increased accordingly. It is consumed quickly. Therefore, a voltage monitoring unit 15 that monitors the output voltage of the power supply unit 14 is further provided, and the control unit 12 drives the load 7 to be higher than at the time of steady stable operation when the load 7 is started based on the change in the output voltage of the power supply unit 14. The on-duty of the signal is changed to the on-duty during steady stable operation. As shown in FIG. 18, the output voltage of the power supply unit 14 gradually decreases due to standby power from the control unit 12 or the like, but when the gate drive signal is generated, the amount of consumption increases. Therefore, a threshold value is set for the output voltage of the power supply unit 14, and when the voltage falls below the threshold value, the on-duty of the drive signal may be returned to the value at the time of steady stable operation. Thereby, the power consumption of the buffer capacitor can be suppressed. The voltage monitoring unit 15 is effective in reducing power consumption due to the gate drive signal even in a three-wire electronic relay.

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。例えば負荷７に電力を供給する電源は、商用電源６などの交流電源に限られることなく、直流電源であってもよい。直流電源の例としては、ソーラーパネル等を用いた太陽光発電装置などが挙げられ、このような直流電源に接続される負荷７の例としては、電気自動車用のバッテリなどが挙げられる。 In addition, this invention is not limited to description of the said embodiment, A various deformation | transformation is possible in the range which does not deviate from the meaning of invention. For example, the power source that supplies power to the load 7 is not limited to an AC power source such as the commercial power source 6 and may be a DC power source. Examples of the DC power source include a solar power generation device using a solar panel or the like, and examples of the load 7 connected to such a DC power source include a battery for an electric vehicle.

図２１は、本発明に係る電子リレー１の用途の一例を示している。電子リレー１は、直流電源３０と負荷７に電力を供給する電力変換回路３１に直列接続され、電力変換回路３１に供給する直流電力を制御するためのリレーとして機能する。このように、電子リレー１は、一般的なリレーと同様に、電力変換回路３１又は直接負荷７に供給する電力を制御するためのリレーとして用いることができる。 FIG. 21 shows an example of the use of the electronic relay 1 according to the present invention. The electronic relay 1 is connected in series to a power conversion circuit 31 that supplies power to the DC power supply 30 and the load 7, and functions as a relay for controlling the DC power supplied to the power conversion circuit 31. As described above, the electronic relay 1 can be used as a relay for controlling the power supplied to the power conversion circuit 31 or the load 7 in the same manner as a general relay.

また、電源部１４は、図２及び図３に示すように、商用電源６から常時電力を得る形態に限られることなく、別系統の電源から電力を得るように構成されていてもよい。 2 and 3, the power supply unit 14 is not limited to a mode in which electric power is always obtained from the commercial power supply 6, and may be configured to obtain electric power from a power supply of another system.

また、図１９は、図９に示したＧａＮ／ＡｌＧａＮ横型トランジスタ構造の双方向スイッチ素子をスイッチ素子として用いた構成の変形例を示す。この変形例においては、トランジスタ構造のスイッチ素子に接点を有する機械式リレー（開閉素子）４００が直列に接続されている。機械式リレー４００は、制御部１２から出力された制御信号に応じて開閉動作する。本変形例においては、トランジスタ構造の双方向スイッチ素子３００を閉じる際には、先に開閉素子４００を閉じた後、双方向スイッチ素子３００を閉じる。一方、双方向スイッチ素子３００を開く際には、先に双方向スイッチ素子３００を開いた後、開閉素子４００を開く。この変形例によれば、スイッチ素子として、トランジスタ構造の双方向スイッチ素子３００と接点を有する開閉素子を直列接続し、両者の開閉タイミングを適宜制御することにより、開閉時のアークの発生を抑制することができる。また、電力供給遮断時における電力供給遮断部３の絶縁性を高めることができる。 FIG. 19 shows a modification of the configuration in which the bidirectional switch element having the GaN / AlGaN lateral transistor structure shown in FIG. 9 is used as a switch element. In this modification, a mechanical relay (open / close element) 400 having a contact point with a switch element having a transistor structure is connected in series. The mechanical relay 400 opens and closes according to a control signal output from the control unit 12. In the present modification, when closing the bidirectional switch element 300 having a transistor structure, the open / close element 400 is closed first, and then the bidirectional switch element 300 is closed. On the other hand, when opening the bidirectional switch element 300, the bidirectional switch element 300 is opened first, and then the switching element 400 is opened. According to this modification, the bidirectional switching element 300 having a transistor structure and a switching element having a contact are connected in series as a switching element, and the occurrence of arcing at the time of switching is suppressed by appropriately controlling the switching timing of both. be able to. Moreover, the insulation of the power supply interruption | blocking part 3 at the time of electric power supply interruption | blocking can be improved.

また、図２０は、図９に示したＧａＮ／ＡｌＧａＮ横型トランジスタ構造の双方向スイッチ素子をスイッチ素子として用いた構成の別の変形例を示す。この変形例においては、トランジスタ構造のスイッチ素子に接点を有する機械式リレー（開閉素子）４００が並列に接続されている。機械式リレー４００は、制御部１２から出力された制御信号に応じて開閉動作する。本変形例においても、トランジスタ構造の双方向スイッチ素子３００を閉じる際には、先に双方向スイッチ素子３００を閉じた後、機械式リレー４００を閉じる。一方、双方向スイッチ素子３００を開く際には、先に機械式リレー４００を開いた後、双方向スイッチ素子３００を開く。この変形例によれば、スイッチ素子として、トランジスタ構造の双方向スイッチ素子３００と接点を有する機械式リレー４００を並列接続し、両者の開閉タイミングを適宜制御することにより、開閉時のアークの発生を抑制することができる。また、負荷７に大電流を流すことができる。 FIG. 20 shows another modification of the configuration in which the bidirectional switch element having the GaN / AlGaN lateral transistor structure shown in FIG. 9 is used as a switch element. In this modification, a mechanical relay (open / close element) 400 having a contact point with a switch element having a transistor structure is connected in parallel. The mechanical relay 400 opens and closes according to a control signal output from the control unit 12. Also in this modification, when the bidirectional switch element 300 having a transistor structure is closed, the bidirectional relay switch element 300 is first closed and then the mechanical relay 400 is closed. On the other hand, when opening the bidirectional switch element 300, the bidirectional relay switch element 300 is opened after the mechanical relay 400 is opened first. According to this modification, a bidirectional switch element 300 having a transistor structure and a mechanical relay 400 having a contact are connected in parallel as a switch element, and an arc is generated at the time of opening and closing by appropriately controlling the opening and closing timing of both. Can be suppressed. In addition, a large current can flow through the load 7.

また、本発明は、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。 Further, the present invention can combine the features described in the respective configuration examples and drawings within a consistent range. Further, the types of switch elements constituting the opening / closing unit 11 and the configurations of the control unit 12 and the gate driving unit 13 are not particularly limited.

１電子リレー
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
１０１ＧａＮ／ＡｌＧａＮ横型トランジスタ構造のスイッチ素子
３００ＧａＮ／ＡｌＧａＮ横型トランジスタ構造の双方向スイッチ素子
Ｑ１，Ｑ２ＭＯＳＦＥＴ
Ｇ，Ｇ１，Ｇ２ゲート電極 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Electronic relay 6 Commercial power supply 7 Load 11 Opening and closing part 12 Control part 13 Gate drive part 14 Power supply part 101 Switch element of GaN / AlGaN lateral transistor structure 300 Bidirectional switch element of GaN / AlGaN lateral transistor structure Q1, Q2 MOSFET
G, G1, G2 Gate electrode

Claims

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電子リレー。 An open / close unit using a switch element connected in series to a power source and a load and having a transistor structure
A control unit for controlling start and stop of the load;
A gate drive unit that is insulated from the control unit and outputs a gate drive signal to the gate electrode of the switch element;
The control unit causes the gate drive unit to supply more drive power to the gate electrode of the switch element for a predetermined time than when the steady operation is performed when the load is started. .

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に記載の電子リレー。 The gate driving unit is insulated from the control unit by an optical insulation method including a light emitting unit and a light receiving unit,
2. The electronic relay according to claim 1, wherein when the load is activated, the control unit causes a light emission current amount for causing the light emitting unit to emit light for a predetermined time more than that during a steady state operation.

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に記載の電子リレー。 The gate driving unit is insulated from the control unit by a magnetic insulation system including a transformer,
2. The electronic relay according to claim 1, wherein when the load is started, the control unit increases an on-duty of a drive signal for switching the primary winding of the transformer for a predetermined time as compared with that during a steady state operation. .

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電子リレー。 4. The switch element according to claim 1, wherein the switch element has a structure in which transistor elements having two vertical structures are connected in series so that their parasitic diodes are opposite to each other. The electronic relay according to item.

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電子リレー。 4. The switch element according to claim 1, wherein the switch element has a structure in which transistor elements having two lateral structures are connected in series so that their parasitic diodes are opposite to each other. The electronic relay described in 1.

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電子リレー。 The electron according to any one of claims 1 to 3, wherein the switch element is a bidirectional switch element using GaN / AlGaN and having a lateral transistor structure including two gate electrodes. relay.

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電子リレー。 The gate driving unit is configured to switch a charge extracting unit that extracts residual charges accumulated in the gate electrode unit of the switch element, a driving power source unit for driving the charge extracting unit, and a primary winding of the transformer. The electronic relay according to claim 3, further comprising a delay circuit for preventing the charge extracting unit from operating.

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１乃至請求項７のいずれか一項に記載の電子リレー。 A voltage monitoring unit that monitors the output voltage of the power supply unit; and the control unit changes the output voltage of the power supply unit with an on-duty of a drive signal that is higher than that during steady-state operation when the load is started. The electronic relay according to claim 1, wherein the electronic relay is changed to an on-duty during steady-state stable operation.

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電子リレー。 8. The gate driving unit according to claim 3, wherein the gate driving unit drives the gate electrode at a constant current for a predetermined time when the load is activated, and drives the gate electrode at a constant voltage during a steady operation. The electronic relay as described in any one.

前記スイッチ素子は、トランジスタ素子と、接点を有する開閉素子が直列接続した構造を有することを特徴とする請求項４乃至請求項６のいずれか一項に記載の電子リレー。 The electronic relay according to any one of claims 4 to 6, wherein the switch element has a structure in which a transistor element and a switching element having a contact are connected in series.

前記スイッチ素子は、トランジスタ素子と、接点を有する開閉素子が並列接続した構造を有することを特徴とする請求項４乃至請求項６のいずれか一項に記載の電子リレー。 The electronic relay according to claim 4, wherein the switch element has a structure in which a transistor element and a switching element having a contact point are connected in parallel.