TWI440287B - 交流-直流兩用開關 - Google Patents

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Description

交流-直流兩用開關
本發明是有關於一種交流-直流兩用開關,特別是有關於一種用來將交流或直流電力供應至負載、且可停止負載的電力供應的交流-直流兩用開關。
先前,一般家庭中為了將電力供應至各種電氣機器,使用以商用電源為中心的交流配電系統。近年,利用一般家庭用的太陽電池(太陽光發電)、燃料電池或蓄電池等的直流分散電源已逐漸普及。又,為了使各別的電氣機器中的交流電力轉換為直流電力時的電力損失減低,亦建議導入家庭用直流配電系統。此種情況下,除了先前的交流配電系統以外,也需要同時設置直流配電系統。
在交流配電系統的情況下,由於半週期中存在一次電流零點(零穿越(zero cross)點),使用一種使接點開閉之類型的開關,可容易地切斷電流。然而,在直流配電系統中,電流零點不存在,由於在比較低壓(例如,40V左右)下切斷時會發生電弧(arc),所以須使接點距離變長、或具備電磁石等的消弧功能;在與交流配電系統用的開關比較下,直流配電系統用的開關本身需大型化。又,在太陽光發電或燃料電池等場合,由於是具有數百伏特的高電壓,若要有效地切斷電流,只有使接點距離變長是不夠的,亦要求高性能的消弧功能。因此,現存的交流配電系統用的開關不容易置換成直流配電系統用的開關,或直流配電系統用的開關不容易併設至現存的交流配電系統用的開關。另外,混合著不同大小的開關將使外觀的美感下降,由內部設計的觀點而言亦不佳。
此處,專利文獻1中建議一種不發生電弧的直流開關,其使用如圖16所示的金屬氧化矽電場效應電晶體(MOSFET)。此種先前的直流開關中,MOSFET Q1的源極必須連接至直流電源的負極,只限定在負極側才可將電流路徑切離。然而,若考慮由於感電性等而需要對人的保護,則較佳是可在具有電流路徑的電位側將電流路徑切離。又,若錯誤地將直流電源的極性予以誤連接,由於電流將經由MOSFET部中所存在的二極體而流動,則此MOSFET部在功能上不能用作開關。又,直流電源是蓄電池,並且,使用在此直流開關進行充放電的位置時,雖然電壓是直流,但由於充電和放電時電流的流動方向相反,則MOSFET之類的開關功能只有在單側進行,作為開關時功能不完全。又,此種直流開關不能使用在每個半週期中電流的流動方向相反的交流電源系統。
【專利文獻1】日本專利特開2005-293317號公報
本發明是為了解決上述先前例的問題而設計,目的是提供一種交流-直流兩用開關,可使用在交流配電系統和直流配電系統的任一種。使用在直流配電系統時,可不發生電弧而開閉,且可容易地與現存的交流配電系統用開關進行置換。
為了達成上述目的,本發明提供一種交流-直流兩用開關,連接在交流電源或直流電源和負載之間,以控制對該負載的電力供應。此交流-直流兩用開關包括:電晶體構造的雙向半導體開關元件,串聯在連接至電源的第1輸入側端子和連接至負載的第1輸出側端子之間;整流部,並聯在所述第1輸入側端子和第2輸入側端子之間;電源部,將由所述整流部而來的輸出電壓轉換成穩定的規定的電壓;控制部,藉由所述電源部所供應的電力,以控制該交流-直流兩用開關的全體;以及驅動部,依據由所述控制部而來的控制信號,使所述雙向半導體開關元件導通。
依據本發明,由於使用電晶體構造的雙向半導體開關來控制對負載的電力供應,因此,對輸入的電流或電壓的方向依存性並不存在,可連接至交流電源和直流電源的任一個來使用。又,即使直流電源的正極和負極反接時,亦可開閉(導通/切斷),以確保開關的功能。又,即便使用在直流配電系統中時,由於使用雙向半導體開關元件,則亦可不發生電弧而進行開閉。又,並不需要用來消除電弧的機構,且藉由半導體元件的小型化,則可與現有的交流配電系統用開關進行置換。
本發明的交流-直流兩用開關中,上述雙向半導體開關元件亦可具有:由2個高耐壓縱型電晶體構造的開關元件反向連接而成的構造。
依據此種發明,由於將高耐壓型的縱型電晶體構造的元件反向連接來構成雙向半導體開關,則可使用一般構造的開關元件,例如,可使用容易取得且便宜的矽-MOSFET等,以構成雙向半導體開關。或是,同樣的構造下,若使用低損耗的SiC等的開關元件,則可控制的負載亦可大容量化。
本發明的交流-直流兩用開關中,上述雙向半導體開關元件具有橫型的單閘極電晶體構造,包括:第1電極和第2電極,串聯在第1輸入側端子和第1輸出側端子之間且形成在基板表面上;中間電位部,至少一部份形成在所述基板表面上,且對所述第1電極的電位和所述第2電極的電位成為中間電位;以及控制電極,至少一部份連接至所述中間電位部上,且用來進行對所述中間電位部的控制。所述中間電位部和所述控制電極配置在對所述第1電極和所述第2電極維持在規定的耐電壓的位置處。
據此,由於中間電位部形成在對第1電極和第2電極維持在規定的耐電壓的位置處,則即使施加至控制電極的信號的門限(threshold)值電壓下降至所需的最低限的位準為止,亦可確實地使雙向半導體開關元件導通或關閉,可實現低的導通電阻。結果是,可將導通時的發熱量抑制成較低,可實現小型.大容量的交流-直流兩用開關。
本發明的交流-直流兩用開關中,上述雙向半導體開關元件亦可具有橫型的雙閘極(dual gate)電晶體構造,包括:第1電極和第2電極,分別串聯至電源和負載且形成在基板表面上;以及第1控制電極和第2控制電極,至少一部份形成在所述基板表面上,且各別輸入有獨立的控制信 號。所述第1控制電極和所述第2控制電極配置在可維持規定的耐電壓的位置處。
據此,由於第1控制電極和第2控制電極配置在可維持規定的耐電壓的位置處,且維持耐壓的場所位於一個場所,則可實現損失少的雙向元件。又,通電時的發熱量可抑制成較低,可實現小型.大容量的交流-直流兩用開關。
本發明的交流-直流兩用開關中,亦可形成為如下的構成:即,所述整流部是半波整流電路,構成所述整流部的二極體的陽極連接至所述第1輸入側端子,所述直流電源的正極只有在連接至所述第1輸入側端子時才可動作。
據此,由於使用半波整流電路作為整流部,在交流-直流兩用開關連接至交流電源時,由半波整流電路所整流的電力經由電源部而正常地將電力供應至控制部。另一方面,在交流-直流兩用開關連接至直流電源時,若直流電源的正極和負極反向地誤連接,則藉由半波整流電路而使電力不供應至控制部,使該交流-直流兩用開關不動作,電力未供應至負載。結果是,可知道配線過程時的誤連接。
本發明的交流-直流兩用開關亦可更包括:第2整流部,並聯在所述第1輸出側端子和一第2輸出側端子之間;以及第2電源部,將該第2整流部而來的輸出電壓轉換成穩定的規定的電壓。
據此,由於整流部和電源部設置在交流-直流兩用開關的輸入側和輸出側的雙方,則輸入側和輸出側不受限定,負載或電源連接至任一側都可達成開關的功能。又,例如,在使用蓄電池作為直流電源,且以馬達作為負載而控制馬達的情況等,本發明亦可適用於負載本身成為電源而得到的系統中。
本發明的交流-直流兩用開關亦可更包括:電源種類判別部,判別連接至所述第1輸入側端子和第2輸入側端子的電源的種類是交流或直流;以及電源種類顯示部,顯示出判別結果。
據此,藉由電源種類判別部和電源種類顯示部,則可判別連接至各別開關的電源的種類,使用者可容易地認識電源且維護時的應對亦變得容易。
本發明的交流-直流兩用開關中,所述電源種類判別部在偵測出交流電源的零穿越時,將電源的種類判斷成交流。
據此,由於偵測出交流電源的零穿越時判斷成連接至交流電源,則電源種類判別部的構成變成較簡單,且判斷處理亦較容易。
本發明的交流-直流兩用開關中,藉由所述電源種類判別部而判斷電源的種類為交流時,所述控制部輸出一控制信號,所述控制信號與所述電源種類判別部所進行的零穿越偵測為同步、且用來使所述雙向半導體開關元件導通。
據此,由於與所述電源種類判別部所進行的零穿越偵測同步地使雙向半導體開關元件導通,則在電壓是低的階段時、雙向半導體開關元件導通,這樣可使突入電流減低。
本發明的交流-直流兩用開關中,具有開閉接點的輔助開關元件亦可並聯至所述雙向半導體開關元件。
據此,由於具有開閉接點的輔助開關元件並聯至雙向半導體開關元件,則藉由併用通電能力高的繼電器(relay)等的輔助開關元件,可大幅地增加負載電流的容量。又,在開閉部斷開的情況下,首先將輔助開關斷開,然後將雙向半導體開關元件斷開。藉此,由於輔助開關元件的開閉接點在雙向半導體開關元件導通的狀態(即,輔助開關元件的開閉接點兩端為等電位的狀態)下打開,則連接至直流電源的情況下成為問題的電弧不會發生,開閉接點的劣化所造成的壽命縮短亦不會發生。
本發明的交流-直流兩用開關中,具有開閉接點的輔助開關元件亦可串聯至所述雙向半導體開關元件。
據此,由於具有開閉接點的輔助開關元件串聯至雙向半導體開關元件,則在交流-直流兩用開關被關閉時,開閉部完全斷開,電流不流經負載。
本發明的交流-直流兩用開關中,亦可更包括通信功能部,與外部裝置之間進行發信和受信。
據此,由於具備用來與外部裝置之間進行發信和受信的通信功能部,則使用者不用直接操作例如設置在壁面的操作部(壁面開關),即可對照明裝置等的負載的導通或關閉進行遙控或自動控制。
本發明的交流-直流兩用開關中,所述通信功能部亦可偵測出由連接至電力線的外部裝置而來之重疊在電力上而發送的控制信號。
據此,由連接至電力線的外部裝置將電力重疊而發送控制信號,藉由信號偵測部來偵測該控制信號,因此可不需要專用的通信線或無線收發信器。
本發明的交流-直流兩用開關中,亦可更包括第2雙向半導體開關元件,其串聯在所述第2輸入側端子和一第2輸出側端子之間。
據此,由於開閉部各別配置在電力線的兩極側,則可實現一種具有交流200伏(V)系統或直流300伏的太陽光發電等、更高的對地電壓的開關,其適用於多個場所之電力線的斷路所要求的電源系統。
本發明的交流-直流兩用開關中,所述第1輸出側端子和第2輸出側端子亦可具有共同中心(concentric type)的形狀。
據此,第1輸出側端子和第2輸出側端子由於具有共同中心的形狀,則交流-直流兩用開關不直接連接至負載,可控制能移動的照明裝置等任意的負載。
為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂,下文特舉較佳實施例,並配合所附圖式,作詳細說明如下。
以下,將參照圖面來說明本發明之一實施形式的交流-直流兩用開關。圖1顯示本發明之一實施形式的交流-直流兩用開關1的基本構成的方塊圖。在圖1中,交流-直流兩用開關1連接在交流電源2或直流電源3的任一方和負載4之間來使用。交流-直流兩用開關1在構成上包括:開閉 部5,其由串聯在連接有交流電源2的一方或直流電源3的正極側的第1輸入側端子21、和連接有負載4的第1輸出側端子41之間的雙向半導體開關所構成;整流部6,其連接在該第1輸入側端子21、和連接有交流電源2的另一方或直流電源3的負極側的第2輸入側端子22之間;電源部7,其將由整流部6而來的輸出電壓轉換成穩定的規定的電壓;控制部8,藉由電源部7所供應的電力,以控制該交流-直流兩用開關1的全體;驅動部9,依據由控制部8而來的控制信號,使開閉部5受到驅動;以及操作部10,設置在壁面等且由使用者來操作。又,符號42表示連接有負載4的第2輸出側端子。
該交流-直流兩用開關1的內部電源是由整流部6和電源部7所構成。當連接至交流電源2時,經由整流部6而供應電力至電源部7;或,當連接至直流電源3時,由直流電源3直接將電力供應至電源部7,因此,該交流-直流兩用開關1可使用在交流配電系統或直流配電系統的任一方。又,該交流-直流兩用開關1的內部電源不限定於上述形式,亦可由切換式(switching)電源等的其它電源來構成。
作為操作部10,其可以是具有開閉接點的機械式開關、亦可以是利用了由紅外線或電磁波的小型電力無線等的遙控開關等。或是,操作部10亦可以是利用了熱電(pyro-electric)效果的人體感測式感測器等的感測器或定時器(timer)等。重要的是,可由操作部10輸出用來使負載4導通或關閉的信號即可。
作為開閉部5,由於使用對輸入的電流或電壓不具有方向依存性的電晶體構造的雙向半導體開關,則即使假設直流電源3的正極和負極反向連接,亦可將電流路徑切離,在變為負極側時仍然可開閉(導通/斷開),以確保開關功能。又,如上所述,使用時可連接至交流電源2和直流電源3的任一方。圖2顯示將高耐壓型的縱型電晶體構造的元件反向連接而構成雙向半導體開關,以作為圖1的開閉部5的具體例。依據此種構造,可使用一般構造的開關元件,例如,容易取得且便宜的矽-MOSFET,以構成雙向半導體開關。或是,同樣的構造下若使用低損耗的SiC等的開關元件,則可控制的負載亦可大容量化。
圖3顯示使用本案申請人所提出的新穎的雙向半導體開關元件51的構成例,以作為開閉部5。該雙向半導體開關元件51是以可雙向控制的橫型之單閘極電晶體元件來構成。圖4是雙向半導體開關元件51的構成的平面圖。圖5(a)是圖4中沿A-A方向的切面圖。
如圖5(a)所示,雙向半導體開關元件51的基板120是由導體層120a、以及積層在導體層120a上的GaN層120b與AlGaN層120c所構成。該雙向半導體開關元件51中,使用AlGaN/GaN異質(hetero)界面中所生成的2維電子氣體層來作為通道(channel)層。如圖4所示,基板120的表面120d上形成有:第1電極D1和第2電極D2,其分別串聯於電源2或3以及負載4;以及中間電位部S,其相對於第1電極D1的電位和第2電極D2的電位而成為中間電位。又,中間電位部S上以積層形式形成有控制電極(閘極)G。例如,使用蕭特基(Schottky)電極作為此控制電極G。第1電極D1和第2電極D2呈現梳齒狀,其具有多個分別互相平行而排列的電極部111、112、113…和121、122、123…,且第1電極D1和第2電極D2配置成使排列成梳齒狀的電極部相互之間互相對向。中間電位部S及控制電極G分別配置在排列成梳齒狀的電極部111、112、113…和121、122、123…之間,且具有與形成在電極部之間的空間的平面形狀相似的形狀(大致成魚背骨狀)。
其次,對構成雙向半導體開關元件51之橫型的電晶體構造進行說明。如圖4所示,第1電極D1的電極部111和第2電極D2的電極部121配置成使其寬度方向中的中心線定位在同一線上,且中間電位部S的對應部份及控制電極G的對應部份分別對第1電極D1的電極部111和第2電極D2的電極部121的排列成平行而設置著。上述寬度方向中,第1電極D1的電極部111、第2電極D2的電極部121、中間電位部S的對應部份、以及控制電極G的對應部份的距離是:設定成可維持規定的耐電壓的距離。與上述寬度方向正交的方向,即,第1電極D1的電極部111和第2電極D2的電極部121的長度方向,亦屬同樣情況。又,這些關係就其它的電極部112和122、113和123…而言亦相同。即,中間電位部S和控制電極G相對於第1電極D1和第2電極D2而言,亦配置在可維持規定的耐電壓的位置。
於是,對第1電極D1的電位和第2電極D2的電位成為中間電位的中間電位部S、以及連接至該中間電位部S的用來控制該中間電位部S的控制電極G,相對於第1電極D1和第2電極D2而言,配置在可維持規定的耐電壓的位置,因此,例如在第1電極D1處於高電位側、且第2電極D2處於低電位側的情況下,雙向半導體開關元件51關閉時,即,0伏的信號施加至該控制電極G時,至少第1電極D1、控制電極G以及中間電位部S之間,電流確實地被切斷(電流在控制電極(閘極)G的下方被阻止)。另一方面,雙向半導體開關元件51導通時,即,施加規定的門限值(threshold value)以上的電壓的信號至控制電極G時,如圖4的箭頭所示,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…)的路徑中有電流流動。即使相反的情況下亦相同。
於是,藉由將中間電位部S形成在對第1電極D1和第2電極D2而言可維持規定的耐電壓的位置,則即使將施加至控制電極G的信號的門限值電壓下降至必要的最低限度的位準,雙向半導體開關元件51仍可確實地導通/斷開,可實現低導通電阻。然後,使用該新穎的雙向半導體開關元件51來構成開閉部5,使控制信號的基準(GND)成為與中間電位部S同電位,於是,藉由數伏的控制信號所驅動的控制部8,可直接控制高電壓的交流電源2或直流電源3。又,橫型的電晶體元件利用異質界面中所生的2維電子氣體層以作為通道層,此種橫型的電晶體元件中,由於使元件不導通的門限值電壓的高電位化和導通時的導通電阻具有相反關係,則可使門限值電壓變低,這是指:可將導通電阻維持於較低值,以實現交流-直流兩用開關1的小型高容量化。
圖6是圖3所示的構成的變形例。在圖3所示的構成例中,使用可雙向控制的橫型的單閘極電晶體元件作為雙向半導體開關元件51,且使用全波整流電路作為整流部6;然而,圖6所示的構成例中,亦可使用可雙向控制的橫型的雙閘極電晶體元件作為雙向半導體開關元件51,且使用半波整流電路作為整流部6。如圖5(b)所示,橫型的雙閘極電晶體元件具備:第1電極D1和第2電極D2,其分別串聯至電源2或3和負載4且形成於基板表面上;以及第1控制電極(第1閘極)G1和第2控制電極(第2閘極)G2,其至少一部份形成在基板表面上,且分別輸入有獨立的控制信號,第1控制電極G1和第2控制電極G2配置在可維持規定的耐電壓的位置。由於可維持耐壓的場所是一個場所,因此可實現損耗少的雙向元件。此種構成的元件須要以汲極D1、D2的電壓作為基準來進行控制,須將不同的驅動信號分別輸入至2個閘極G1、G2(因此稱為雙閘極電晶體構造)。
又,直流電源3的正極所連接的端子21連接著二極體61的陽極。在交流-直流兩用開關1連接至交流電源2時,即使以全波整流電路或半波整流電路的任一方作為整流部6,亦可經由整流部6和電源部7而正常地將電力供應至控制部8。另一方面,在交流-直流兩用開關1連接至直流電源3時,若直流電源3的正極和負極相反地形成錯誤連接,則在半波整流電路的情況下,電力將不供應至控制部8,該交流-直流兩用開關1不動作,電力未供應至負載4。結果,可知道配線過程時的錯誤連接。又,在圖6所示的變形例中,直流電源3的負極所連接的端子22亦連接著二極體62,但亦可只將二極體61連接至直流電源3的正極所連接的端子21,此時功能相同。
又,如上所述,驅動部9具有變壓器等的絕緣構造,變壓器的1次側連接至控制部8,而2次側連接至雙向半導體開關元件51的控制電極G1、G2。控制部8若接收由操作部10而來的、用來使負載4導通之信號,則規定的電力將供應至驅動部9之變壓器的1次側。這樣,變壓器的2次側將產生規定的電壓,控制電壓將施加至雙向半導體開關元件51的控制電極G1、G2,使雙向半導體開關元件51(即,開關部5)導通(閉合)。變壓器的1次側和2次側之間由於已絕緣,則控制部8未被破壞。開閉部5中存在高電壓且可流過大電流。又,絕緣構造不限於上述變壓器,亦可使用光耦合器(photo coupler)等的發光元件和受光元件等來實現。
圖7顯示具備電源種類判別部71和電源種類顯示部72的構成例。電源種類判別部71的具體構成或判別方法雖然未特別限定,但可以使輸入電壓下降至規定的倍率,藉由控制部8而將類比值與規定的門限值作比較,或使用濾波器等而將使用了電容器或線圈的直流或交流予以分離。電源種類顯示部72的具體構成或顯示方法雖然未特別限定,但可使用發光色不同的2種類的LED,依據直流或交流而將已點燈的LED切換,或使用單一的LED,且依據直流或交流而經常點燈或點滅地進行切換。因此,藉由設置電源種類判別部71和電源種類顯示部72,則即使在交流電源2和直流電源3併存的配電系統中,亦可識別連接至各別開關的電源的種類,使用者容易地認識電源,且維護時的應對變得容易。
圖8(a)至圖8(d)顯示作為電源種類判別部71以偵測出輸入電壓的零穿越而構成的具體例。即,如圖8(a)所示,由整流部6而來的輸入電壓藉由電阻73、74而被分壓,且分壓後的電壓施加至電晶體75之射極(emitter)和基極(base)之間。然後,監視該電晶體75之集極(collector)的端子電壓。在交流-直流兩用開關1連接至交流電源2的情況下,藉由整流部6而整流後的脈流輸入至電源種類判別部71,輸入電壓較電晶體的門限值大時,電晶體75導通,且集極的端子電壓成為較判斷用門限值還低(LOW);輸入電壓較電晶體的門限值小時,電晶體75關閉,且集極的端子電壓成為較判斷用門限值還高(HIGH)(請參閱圖8(b))。因此,電源種類判別部71只在輸入電壓在零穿越的前後的一定時間中才將偵測信號(脈波)輸出。另一方面,在交流-直流兩用開關1連接至直流電源3的情況下,由於輸入電壓經常為一定,電晶體75因此經常導通,集極的端子電壓經常較判斷用門限值還低(經常LOW)。因此,集極的端子電壓若定期地顯示較門限值還高的狀態(HIGH),則可判斷該交流-直流兩用開關1連接至交流電源2。這樣,依據可偵測出零穿越的構成,則可較簡單地實現電路構成,且亦可藉由已數位化的信號來進行該控制部8中的判斷,可使該控制部8中的處理變得容易。
又,如圖8(d)所示,作為使雙向半導體開關元件51導通的時序(使驅動部9驅動的時序),其不是由操作部10而來的導通信號、而是亦可構成為與電源種類判別部71所進行的零穿越偵測同步。這樣,由於電壓在低階段時使雙向半導體開關元件51導通,則可使突入電流下降。
圖9是具備機械式開閉接點的輔助開關元件52並列連接至構成開閉部5的雙向半導體開關元件51而得到的構成例。例如,可使用繼電器(relay)等以作為輔助開關元件52。在使開閉部5導通時,控制部8將規定的電力供應至驅動部9或輸出規定的驅動信號,且在開閉部5的雙向半導體開關元件51首先導通之後,輔助開關元件52才導通。這樣,藉由併用通電能力高的繼電器等的輔助開關元件52,可使負載電流的容量大幅地增大。在該開閉部5切斷時,首先將輔助開關元件52切斷之後,使雙向半導體開關元件51切斷。於是,輔助開關元件52的開閉接點在雙向半導體開關元件導通的狀態(即,輔助開關元件的開閉接點兩端為等電位的狀態)下打開,因此,連接至直流電源3時,有問題的電弧不會發生,開閉接點之由於劣化所造成的壽命縮短亦不會發生。
圖10是具備機械式開閉接點的輔助開關元件53串聯連接至構成開閉部5的雙向半導體開關元件51而得到的構成例。例如,可使用繼電器等以作為輔助開關元件53。在使開閉部5導通時,控制部8將規定的電力供應至驅動部9或輸出規定的驅動信號,且在開閉部5的輔助開關元件53的開閉接點首先導通之後,雙向半導體開關元件51才導通。又,在該開閉部5切斷時,首先將開閉部5的雙向半導體開關元件51切斷之後,使輔助開關元件53切斷。於是,開閉部5完全切斷,電流未流至負載4。即,交流-直流兩用開關1關閉時,負載4被絕緣。
圖11顯示具備可與例如遙控裝置等的外部裝置82之間進行信號的收發信的通信功能部(或信號接收部)81的構成例。又,圖12是圖11的變形例,其構成為:由連接至電力線的外部裝置83將控制信號重疊至電力而進行發送,且藉由信號偵測部84來偵測出控制信號。依據此種構成,使用者不用直接操作例如設置在壁面上的操作部10,而可遠端控制或自動控制照明裝置等的負載4的導通或關閉。特別是,在自動控制的情況下,專用的通信線或無線收發信器可以不需要。
圖13顯示電力線的兩側分別配置開閉部5而得到的構成例。此種構成中,採用上述絕緣構造作為驅動部9,藉此可同時將驅動信號供應至2個雙向半導體開關元件51,且可使2個雙向半導體開關元件51的設置場所的自由度提高。又,藉由將開閉部5設置在2個場所,則可實現一種以下的開關:具有交流200伏(V)系統或直流300伏的太陽光發電等、更高的對地電壓,且適用於多個場所之電力線的斷路所要求的電源系統。又,特別是圖13雖然未顯示,但構成上亦可為:例如單相3線或三相電源的各線可分別設置由該雙向半導體開關元件來操作的開閉部,使3個開閉部可同時開閉。
圖14顯示上述交流-直流兩用開關1未直接連接至負載4的構成例,其成為所謂共同中心(concentric)型的構成例。依據此種構成,能控制可移動的照明裝置等任意的負載。該交流-直流兩用開關1亦可為***至現有的共同中心而使用的配接器(adapter)類型、或亦可為埋設於壁面的類型。即,第1輸出側端子41和第2輸出側端子42亦可具有通用的共同中心形狀。
圖15(a)和圖15(b)分別顯示將整流部6和電源部7分別設置在交流-直流兩用開關1的輸入側和輸出側而得到的構成例。依據此種構成,交流-直流兩用開關1的輸入側和輸出側並未受到限定,即使將負載或電源連接至任一側亦可達成開關的功能。又,例如,在使用蓄電池作為直流電源3,且以馬達作為負載4來控制該馬達的情況等,此種構成亦可適用於負載本身成為電源而得到的系統中。即,通常,馬達是由蓄電池而來的電力所驅動,但馬達空轉時可用作發電機而產生電力。此時,馬達成為電源,蓄電池成為負載,馬達發電而得的電力可對蓄電池進行充電。
就像以上所說明者,依據本實施形式的交流-直流兩用開關1,作為構成開閉部的開關元件,由於使用了對所輸入的電流或電壓不具有方向依存性的雙向半導體開關元件51,則可使用在交流配電系統和直流配電系統的任一方。 又,即便使用在直流配電系統時,由於使用雙向半導體開關元件,則可進行不會發生電弧的開閉。又,用來消除電弧的機構已不需要,且藉由半導體元件的小型化,則可與現有的交流配電系統用開關進行置換。又,本發明不限定於上述實施形式的構成,圖式中的各構成例當然可任意地組合。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上,然其並非用以限定本發明,任何熟習此技藝者,在不脫離本發明之精神和範圍內,當可作些許之更動與潤飾,因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
1...交流-直流兩用開關
2...交流電源
3...直流電源
4...負載
5...開閉部
6...整流部
7...電源部
8...控制部
9...驅動部
10...操作部
21...第1輸入側端子
22...第2輸入側端子
41...第1輸出側端子
42...第2輸出側端子
51...雙向半導體開關元件
52、53‧‧‧輔助開關元件
61、62‧‧‧半波整流電路的二極體
71‧‧‧電源種類判別部
72‧‧‧電源種類顯示部
73、74‧‧‧電阻
75‧‧‧電晶體
81‧‧‧通信功能部
82、83‧‧‧外部裝置
84‧‧‧信號偵測部
111、112、113、121、122、123‧‧‧電極部
120‧‧‧基板
120a‧‧‧導體層
120b‧‧‧GaN層
120c‧‧‧AlGaN層
120d‧‧‧基板的表面
D1‧‧‧第1電極
D2‧‧‧第2電極
G、G1、G2‧‧‧控制電極
S‧‧‧中間電位部
圖1顯示本發明的一實施形式的交流-直流兩用開關的基本構成的方塊圖。
圖2顯示將高耐壓型的縱型電晶體構造的元件反向連接而成的構成,以作為上述交流-直流兩用開關中的開閉部的具體例。
圖3顯示使用本案申請人所提出的新穎的雙向半導體開關元件的構成,以作為上述交流-直流兩用開關中的開閉部的具體例。
圖4是圖3的雙向半導體開關元件的具體構成的平面圖。
圖5(a)和圖5(b)是圖4中沿A-A方向的切面圖。
圖6是上述交流-直流兩用開關中使用半波整流電路作為整流部的構成例的圖。
圖7是上述交流-直流兩用開關中另具備電源種類判別部和電源種類顯示部的構成例的圖。
圖8(a)是作為上述電源種類判別部以偵測出輸入電壓的零穿越而構成的具體例的圖;圖8(b)是連接至交流電源時的輸入電壓和受監視的端子電壓的波形的圖;圖8(c)是連接至直流電源時的輸入電壓和受監視的端子電壓的波形的圖;圖8(d)是與零穿越偵測同步地使開閉部導通時的各電壓的波形的圖。
圖9是上述交流-直流兩用開關中具備機械式開閉接點的輔助開關元件並列連接至雙向半導體開關元件而得到的構成例的圖。
圖10是上述交流-直流兩用開關中具備機械式開閉接點的輔助開關元件串聯連接至雙向半導體開關元件而得到的構成例的圖。
圖11是上述交流-直流兩用開關中具備可與外部裝置之間進行信號的收發信的通信功能部的構成例的圖。
圖12是上述交流-直流兩用開關中由外部裝置將電力重疊而發送控制信號以便藉由信號偵測部來偵測該控制信號而形成的構成例的圖。
圖13是上述交流-直流兩用開關中在電力線的兩側分別配置開閉部而得到的構成例的圖。
圖14是上述交流-直流兩用開關中輸出側端子作成共同中心型而得到的構成例的圖。
圖15(a)和圖15(b)分別顯示將整流部和電源部分別設置在交流-直流兩用開關的輸入側和輸出側,以便即使將負載或電源連接至任一側亦可達成開關的功能之構成例的圖。
圖16顯示先前的直流開關的構成的電路圖。
1...交流-直流兩用開關
2...交流電源
3...直流電源
4...負載
5...開閉部
6...整流部
7...電源部
8...控制部
9...驅動部
10...操作部
21...第1輸入側端子
22...第2輸入側端子
41...第1輸出側端子
42...第2輸出側端子

Claims (14)

  1. 一種交流-直流兩用開關,連接在交流電源或直流電源和負載之間,以控制對所述負載的電力供應,該交流-直流兩用開關包括:電晶體構造的雙向半導體開關元件,串聯在連接至電源的第1輸入側端子和連接至負載的第1輸出側端子之間;整流部,並聯在所述第1輸入側端子和一第2輸入側端子之間;電源部,將由所述整流部而來的輸出電壓轉換成穩定的規定的電壓;控制部,藉由所述電源部所供應的電力,以控制所述交流-直流兩用開關的全體;以及驅動部,依據由所述控制部而來的控制信號,使所述雙向半導體開關元件導通;所述的交流-直流兩用開關,更包括:電源種類判別部,判別連接至所述第1輸入側端子和所述第2輸入側端子的電源的種類是交流或直流;以及電源種類顯示部,顯示出所述電源種類判別部所作成的判別結果。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的交流-直流兩用開關,其中所述雙向半導體開關元件具有:由2個高耐壓縱型電晶體構造的開關元件反向連接而成的構造。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的交流-直流兩用開關,其中所述雙向半導體開關元件具有橫型的單閘極電晶體構 造,包括:第1電極和第2電極,串聯在所述第1輸入側端子和一第1輸出側端子之間且形成在基板表面上;中間電位部,至少一部份形成在所述基板表面上,且對所述第1電極的電位和所述第2電極的電位成為中間電位;以及控制電極,至少一部份連接至所述中間電位部上,且用來進行對所述中間電位部的控制,所述中間電位部和所述控制電極配置在對於所述第1電極和所述第2電極維持在規定的耐電壓的位置處。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的交流-直流兩用開關,其中所述雙向半導體開關元件具有橫型的雙閘極電晶體構造,包括:第1電極和第2電極,分別串聯至電源和負載且形成在基板表面上;以及第1控制電極和第2控制電極,至少一部份形成在所述基板表面上,且各別輸入有獨立的控制信號,所述第1控制電極和所述第2控制電極配置在維持規定的耐電壓的位置處。
  5. 如申請專利範圍第1至4項中任一項所述的交流-直流兩用開關,其中所述整流部是半波整流電路,構成所述整流部的二極體的陽極連接至所述第1輸入側端子,所述直流電源的正極只有在連接至所述第1輸入側端子時才可動作。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的交流-直流兩用開關,更包括:第2整流部,並聯在所述第1輸出側端子和一第2輸出側端子之間;以及第2電源部,將所述第2整流部而來的輸出電壓轉換成穩定的規定的電壓。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的交流-直流兩用開關,其中所述電源種類判別部在偵測出交流電源的零穿越時,將電源的種類判斷成交流。
  8. 如申請專利範圍第7項所述的交流-直流兩用開關,其中藉由所述電源種類判別部而判斷電源的種類為交流時,所述控制部輸出一控制信號,該控制信號與所述電源種類判別部所進行的零穿越偵測為同步、且用來使所述雙向半導體開關元件導通。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的交流-直流兩用開關,其中具有開閉接點的輔助開關元件並聯至所述雙向半導體開關元件。
  10. 如申請專利範圍第1項所述的交流-直流兩用開關,其中具有開閉接點的輔助開關元件串聯至所述雙向半導體開關元件。
  11. 如申請專利範圍第1項所述的交流-直流兩用開關,更包括:通信功能部,與外部裝置之間進行發信和受信。
  12. 如申請專利範圍第11項所述的交流-直流兩用開 關,其中所述通信功能部偵測出由連接至電力線的外部裝置而來之重疊在電力上而發送的控制信號。
  13. 如申請專利範圍第1項所述的交流-直流兩用開關,更包括:第2雙向半導體開關元件,串聯在所述第2輸入側端子和一第2輸出側端子之間。
  14. 如申請專利範圍第1項所述的交流-直流兩用開關,其中所述第1輸出側端子和第2輸出側端子具有共同中心的形狀。
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