TWI491174B - 負載控制裝置 - Google Patents

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Masanori Hayashi
Takashi Kishida
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Description

負載控制裝置
本發明是有關於一種負載控制裝置，該負載控制裝置適合於例如照明裝置等在啟動時有突波電流(inrush current)流動的負載。
例如，如專利文獻1所述，為了對照明裝置等的負載的接通(on)/斷開(off)進行控制而使用負載控制裝置(電子繼電器(electronic relay))，該負載控制裝置(電子繼電器)以雙向三極體(triac)等的半導體開關(switch)元件作為開閉部。此種負載控制裝置的開閉部串聯地連接於商用電源與負載。例如，使用者(user)對開關的操作把手(handle)進行操作之後，閘極(gate)驅動信號自控制部輸出，開關元件被導通。藉此，電力自商用電源供給至負載，負載被啟動。於開關元件為雙向三極體的情形時，由於雙向三極體為自關斷(self-turn-off)的元件，因此，可藉由商用電源的電壓零交叉(zero cross)而成為非導通。因此，控制部於商用電源的每1/2個週期內輸出閘極驅動信號，直至再次對操作把手進行操作為止。
然而，使用者對操作把手進行操作之後，即，當負載開始啟動時，被稱為突波電流的大電流會暫時流入至負載。例如，若假設負載為使用有白熾燈泡的照明裝置，則常溫時的燈絲(filament)的電阻值遠小於常態點燈時的電阻值，因此，流動將有常態點燈時的電流值的10倍以上的 電流作為突波電流流動。另一方面，對於電晶體(transistor)特性而言，例如以金氧半場效電晶體(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET)為代表，可流入至源極(source)-汲極(drain)之間的電流值會根據閘極電壓而受到限制。因此，假設若輸入至開關元件的閘極電極的閘極驅動信號的電壓低，且僅可流動有小於突波電流的電流，則即便對操作把手進行操作，照明裝置亦不會立即進行常態點燈，而是根據燈絲的溫度的上升，逐步使亮度增加。因此，為了在對操作把手進行操作之後，迅速地使照明裝置進行常態點燈，以於負載啟動時，使突波電流平滑地流動的方式，使施加至開關元件的閘極電極的閘極驅動信號的電壓升高即可。然而，若使閘極驅動信號的電壓升高，則閘極驅動部所消耗的電力會增多。
對於上述專利文獻1所揭示的負載控制裝置而言，根據自控制部輸出的控制信號，閘極驅動部於商用電源的每1/2個週期內產生閘極驅動信號。該閘極驅動部使用與用以確保驅動控制部的電力電源相同的電源來產生閘極驅動信號，因此，事實上無法使閘極驅動信號的電壓配合流入至負載的電流任意地發生變化。又，專利文獻1所揭示的負載控制裝置是串聯地連接於商用電源與負載的所謂的雙線式的電子開關，為了確保其內部電源，總是使電流流入至負載。即便當照明裝置滅燈時，電流亦會流入至負載，因此，為了不使負載誤點燈，該用以確保電源的電流必須極其微弱。因此，存在欲儘可能地使控制部及閘極驅動部 所消耗的電力減少的要求。
[專利文獻1]日本專利特開2007-174576號公報
本發明提供如下的負載控制裝置，該負載控制裝置可抑制控制部及閘極驅動部所消耗的電力，且可於負載啟動時，使突波電流流盡。
本發明的一個實施形態的負載控制裝置的特徵在於包括：開閉部，串聯地連接於電源與負載，且使用有具有電晶體構造的開關元件；控制部，對上述負載的啟動及停止進行控制；閘極驅動部，與上述控制部電性絕緣，且將閘極驅動信號輸出至上述開關元件的閘極電極；以及電源部，確保用以使上述控制部及上述閘極驅動部進行動作的電力，上述控制部於上述負載啟動時，使上述閘極驅動部在規定時間內，將比常態穩定動作時更多的驅動電力供給至上述開關元件的閘極電極。
又，上述閘極驅動部亦可藉由包括發光部與受光部的光耦合(optical coupling)方式而與上述控制部電性絕緣，上述控制部於上述負載啟動時，在規定時間內，使比常態穩定動作時更多的發光電流量流動，以使上述發光部發光。
又，上述閘極驅動部亦可藉由包括變壓器(transformer)的磁耦合方式而與上述控制部電性絕緣，上述控制部於上述負載啟動時，在規定時間內，使對上述變壓器的一次繞組線進行切換的驅動信號的接通週期(on duty)高於常態穩定動作時的接通週期。
又，上述開關元件亦可具有如下的構造，即，以使2個具有縱型構造的電晶體元件的寄生二極體(diode)彼此朝向相反方向的方式，將該2個具有縱型構造的電晶體元件予以串聯連接。
又，上述開關元件亦可具有以如下的方式串聯連接2個具有橫型構造的電晶體元件的構造，上述方式是指可利用以上述2個具有橫型構造的電晶體元件的連接點為基準的閘極驅動信號，來驅動上述2個具有橫型構造的電晶體元件。
又，上述開關元件亦可使用GaN/AlGaN，且為具有橫型電晶體構造的雙方向開關元件，此橫型電晶體包括2個閘極電極。
又，上述閘極驅動部亦可更包括：電荷奪取部，奪取積蓄於上述開關元件的閘極電極部的殘留電荷；驅動電源部，用以將上述電荷奪取部予以驅動；以及延遲電路，用以在對上述變壓器的一次繞組線進行切換時，不使上述電荷奪取部進行動作。
又，上述負載控制裝置是串聯地連接於上述電源與上述負載之間的雙線式的負載控制裝置，上述電源為商用電源，上述負載控制裝置亦可更包括電源部，該電源部確保用以使上述控制部及上述閘極驅動部進行動作的電力，上述電源部並聯地連接於上述開閉部的兩個端子，即便當上述負載處於非工作狀態時，亦於上述商用電源的每1/2個週期內，進行確保內部電源的動作。
又，上述負載控制裝置亦可更包括電源部，該電源部確保用以使上述控制部及上述閘極驅動部進行動作的電力，且上述負載控制裝置更包括對上述電源部的輸出電壓進行監視的電壓監視部，上述控制部於上述負載啟動時，基於上述電源部的輸出電壓的變化，使比常態穩定動作時更高的驅動信號的接通週期，變化至常態穩定動作時的接通週期。
又，上述閘極驅動部亦可於上述負載啟動時，在規定時間內，對上述閘極電極進行定電流驅動，於常態穩定動作時，對上述閘極電極進行定電壓驅動。
又，上述開關元件亦可具有將電晶體元件與包括接點的開閉元件予以串聯連接的構造。
又，上述開關元件亦可具有將電晶體元件與包括接點的開閉元件予以並聯連接的構造。
具有電晶體構造的開關元件具有如下的特性，即，越使輸入至閘極電極的電力增多，例如越使閘極驅動電壓升高，則使更多的電流流動。根據本發明，閘極驅動部於負載啟動時，在規定時間內，將比常態穩定動作時更多的驅動電力供給至開關元件的閘極電極，因此，可於開關元件中流動的電流量增加，從而可使負載啟動時的突波電流流盡。又，經過規定時間之後，於進行常態穩定動作時，將與流入至負載的電流相對應的驅動電力供給至開關元件的閘極電極，因此，可抑制控制部及閘極驅動部所消耗的電力。
以下，參照構成本說明書的一部分的隨附圖式，更詳細地對本發明的實施形態進行說明。於整個圖式中，對相同或類似的部分附上相同的符號，且將對於該部分的重複說明予以省略。
使用圖1來對本發明的一個實施形態的負載控制裝置(例如電子繼電器)1進行說明。該負載控制裝置1是具有電晶體構造的開關元件作為開閉部的電子開關，該負載控制裝置1例如用以對照明裝置等的負載的啟動(on)及停止(off)進行控制。圖1表示將該負載控制裝置1安裝於建築物的壁面等的狀態。負載控制裝置1的本體2安裝於建築物的壁面所設置的安裝框3，而且於本體2安裝有操作把手4。
於負載控制裝置1的本體2的正面21，設置有按開(push on)/按關(push off)開關22、及與操作把手4連結的鉸鏈(hinge)23。於操作把手4的背面41，形成有用以與按開/按關開關22發生接觸的突起42以及連結於鉸鏈23的鉸鏈43。操作把手4藉由按開/按關開關22的彈簧，以通常自壁面朝外突出的方式，通常偏向一個方向地被保持。於是，每當使用者對操作把手4進行操作時，按開/按關開關22循環地被接通/斷開。
於負載控制裝置1的本體2的背面24，例如包括VVF(Vinyl insulated Vinyl sheathed Flat-type cable：600V乙烯絕緣乙烯包覆平型電纜)等的電線5的芯線51所***的進 口(inlet)25。再者，於圖1中，例示了雙線式的負載控制裝置1，但亦可為三線式的負載控制裝置1。於負載控制裝置1的本體2的內部設置有電路基板26，於電路基板26上安裝有開閉部、控制部、閘極驅動部、以及電源部等。
圖2表示雙線式的負載控制裝置1的區塊構成。又，圖3表示三線式的負載控制裝置1的區塊構成。負載控制裝置1包括：開閉部11，串聯地連接於商用電源6與負載7；控制部12，對負載7的啟動及停止進行控制；閘極驅動部13，與控制部12電性絕緣；以及電源部14，確保用以使控制部12及閘極驅動部13進行動作的電力。電源部14並聯地連接於開閉部11的兩個端子，即便當負載7處於非工作狀態時，亦於商用電源6的每1/2個週期內，進行確保內部電源的動作。開閉部11包括具有電晶體構造的開關元件，閘極驅動部13根據來自控制部12的控制信號等而產生輸入至上述開關元件之閘極電極的閘極驅動信號。
於圖2所示的雙線式的負載控制裝置1的情形時，電源部14包含：整流部14a，串聯地連接於商用電源6與負載7；斷開電源部14b，於停止朝負載7供給電力時確保電力；以及接通電源部14c等，該接通電源部14c於朝負載7供給電力時確保電力。斷開電源部14b以及接通電源部14c的具體構成已詳細地表示於上述專利文獻1，因此，此處將該具體構成的說明予以省略。另一方面，於圖3所示的三線式的負載控制裝置1的情形時，電源部14包含整流 部與電壓轉換部等(未圖示)，且自商用電源6獲得基本電力(firm power)。
控制部12包含中央處理單元(Central Processing Unit，CPU)等，且檢測出按開/按關開關22被接通或斷開，或者檢測出信號已自按開/按關開關22輸出。按開/按關開關22可為維持著接通狀態或斷開狀態的構成，或者亦可為每當操作把手4***作時，將脈衝(pulse)信號予以輸出的構成。
構成開閉部11的開關元件並無特別的限定，該開關元件可為雙向三極體等的雙方向開關元件，亦可將2個閘流體(thyristor)或MOSFET等的單方向性開關元件加以組合而構成該開關元件。於MOSFET的情形時，其具有閘極驅動信號的電壓越高，則可流入至汲極-源極之間的電流值越高的特性。圖4中表示上述負載控制裝置1中的閘極驅動電力的變化。於本實施形態中，當負載7啟動時，於固定時間內，將比常態穩定動作時更多的驅動電力供給至開關元件的閘極電極，藉此，使可於開關元件中流動的電流量增加，從而使負載啟動時的突波電流流盡。又，經過規定時間之後，於進行常態穩定動作時，將與流入至負載的電流相對應的驅動電力供給至開關元件的閘極電極，藉此，對控制部12及閘極驅動部13所消耗的電力進行抑制。
圖5表示以使2個縱型MOSFETQ1、Q2的寄生二極體彼此朝向相反方向的方式串聯連接該2個縱型MOSFETQ1、Q2，以作為具有電晶體構造的開關元件的構 成例。於該情形時，閘極驅動部13以2個縱型MOSFETQ1、Q2的中間的電壓為基準，對電壓信號(即閘極驅動信號的電壓)進行控制，從而對開閉部11進行開閉控制。
圖6表示將2個GaN/AlGaN橫型電晶體構造的開關元件101予以串聯連接作為具有電晶體構造的開關元件的構成例。於該情形時，閘極驅動部13亦以2個開關元件101的中間的電壓為基準，對電壓信號，即閘極驅動信號的電壓進行控制，從而對開閉部11進行開閉控制。上述開關元件101為橫型的單閘極電晶體元件，圖7是表示開關元件101的構成的平面圖，圖8是圖7的VIII-VIII剖面圖。
如圖8所示，開關元件101的基板120包含：基材層101a、積層於基材層101a上的GaN層101b及AlGaN層101c。於該開關元件101中，利用產生於AlGaN/GaN異質界面(heterointerface)的二維電子氣體層作為通道層。如圖7所示，於基板120的表面120d，形成有連接於電源6或負載7的第1電極D1及第2電極D2、與中間電位部S，該中間電位部S達到第1電極D1的電位及第2電極D2的電位的中間電位。而且，於中間電位部S上，積層形成有閘極電極G。例如使用蕭特基(Schottky)電極作為閘極電極G。第1電極D1以及第2電極D2分別包括彼此呈平行地排列的多個電極部111、112、113...及電極部121、122、123...的梳齒狀，且配置為使排列為梳齒狀的電極部彼此相對向。中間電位部S以及閘極電極G分別配置於排 列為梳齒狀的電極部111、112、113...及電極部121、122、123...之間，且具有與電極部之間所形成的空間的平面形狀相似的形狀。
如圖7所示，第1電極D1的電極部111與第2電極D2的電極部112是以使各自的寬度方向上的中心線位於同一條線上的方式來排列。又，中間電位部S的對應部分及閘極電極G的對應部分，分別與第1電極D1的電極部111及第2電極D2的電極部121的排列呈平行地設置。上述寬度方向上的第1電極D1的電極部111及第2電極D2的電極部112與中間電位部S的對應部分及閘極電極G的對應部分的距離，是設定為可維持規定的耐電壓的距離。對於與上述寬度方向正交的方向，即，第1電極D1的電極部111與第2電極D2的電極部112的長度方向而言亦相同。又，上述關係對於其他電極部112及電極部122、電極部113及電極部123...而言亦相同。亦即，中間電位部S以及閘極電極G配置於相對於第1電極D1及第2電極D2可維持規定的耐電壓的位置。
與上述達到第1電極D1的電位及第2電極D2的電位的中間電位的中間電位部S連接，並對中間電位部S進行控制的閘極電極G配置於相對於第1電極D1及第2電極D2可維持規定的耐電壓的位置。因此，例如當第1電極D1處於高電位側，且第2電極D2處於低電位側時，開關元件101斷開，即，當0V的信號施加至閘極電極G時，至少於第1電極D1與閘極電極G及中間電位部S之間， 電流確實地被阻斷。亦即，於閘極電極G正下方的電流被阻止。另一方面，當開關元件101接通時，即，當規定的臨限值以上的電壓的信號施加至閘極電極G時，如圖7中的箭頭所示，電流於第1電極D1、中間電位部S、以及第2電極D2的路徑中流動。於相反的情形下亦相同。
如此，由於在相對於第1電極D1及第2電極D2可維持規定的耐電壓的位置形成有中間電位部S，因此，即便使施加至閘極電極G的信號的臨限值電壓下降至所需的最低限度的位準(level)，亦可確實地使開關元件101接通/斷開。如此，可實現開關元件的低接通電阻。而且，使用上述開關元件101來構成開閉部11，藉此，可藉由將控制信號的基準(GND)設為與中間電位部S相同的電位，利用數伏的控制信號所驅動的控制部12來直接地對高電壓的商用電源6進行控制。又，對於利用產生於異質界面的二維電子氣體層作為通道層的橫型的電晶體元件而言，使元件不導通的臨限值電壓的高電位化與導通時的接通電阻為相反的關係。因此，若可使臨限值電壓下降，則可將接通電阻維持於低接通電阻，從而可實現負載控制裝置1的小型高容量化。
圖9表示僅使用一個GaN/AlGaN橫型電晶體構造的雙方向開關元件300作為具有電晶體構造的開關元件的構成例。雙方向開關元件300包括2個閘極電極，且串聯地連接於電源6以及負載7。圖10是表示雙方向開關元件300的構成的平面圖，圖11是圖10的XI-XI剖面圖。
如圖11所示，雙方向開關元件300包括：形成於基板表面上的第1電極D1及第2電極D2、與第1閘極電極G1及第2閘極電極G2，該第1閘極電極G1及第2閘極電極G2的至少一部分形成於基板表面上，且分別將獨立的控制信號予以輸入。又，第1閘極電極G1與第2閘極電極G2配置於可維持規定的耐電壓的位置。由於維持著耐壓的部位為第1閘極電極G1與第2閘極電極G2之間的一個部位，因此，可實現損失少的雙方向開關元件。該構成的雙方向開關元件300必須以汲極電極D1、D2的電壓為基準來進行控制，且必須將不同的驅動信號分別輸入至2個閘極電極G1、G2(因此稱為雙閘極電晶體構造)。上述雙方向開關元件300的等效電路與圖5所示的電路大致相同，以寄生二極體的彼此朝向相反方向的方式，串聯地連接一個MOSFET。
圖12表示例如使用圖5所示的MOSFET作為開閉部11的開關元件，且將閘極驅動部13設為光耦合方式的構成例。更具體而言，使用光MOSFET作為開關元件，且使開閉部11與閘極驅動部13成為一體。控制部12於負載7啟動時，在規定時間內，使比常態穩定動作時更多的發光電流量流動，以使發光元件發光。再者，當使用如圖6或圖9所示的GaN/AlGaN橫型電晶體構造的開關元件作為開關元件時，亦可將光耦合器(photo coupler)連接於上述開關元件的閘極電極。將閘極驅動部13設為光耦合方式，對一次側(發光元件側)的電流進行控制，藉此，可 容易地對二次側(閘極電極側)所產生的電力進行控制。
圖13表示例如使用圖9所示的雙方向開關元件作為開閉部11的開關元件，且將閘極驅動部13設為磁耦合方式的構成例。於圖13所示的構成例中，變壓器131的一次繞組線側與2個二次繞組線側電性絕緣。二極體橋(diode bridge)等的整流電路、及使經整流的電壓變得穩定的電容器(condenser)等的穩定化電路連接於變壓器131的二次繞組線。圖14表示將閘極驅動部13設為磁耦合方式時的驅動信號等的波形。控制部12藉由脈寬調變(Pulse Width Modulation，PWM)控制，使得於負載7啟動時，在規定時間內，對變壓器131的一次繞組線進行切換的驅動信號的接通週期高於常態穩定動作時的接通週期。藉由將閘極驅動部13設為磁耦合方式，且對變壓器131的一次繞組線的切換週期(switching duty)進行控制，可容易地對二次繞組線所產生的電力進行控制。
圖15表示如下，於負載7啟動之後的規定時間內，對開關元件的閘極電極進行定電流驅動，於常態穩定動作時，對開關元件的閘極電極進行定電壓驅動的構成例。如上所述，控制部12於負載7啟動時，在規定時間內，使對變壓器131的一次繞組線進行切換的驅動信號的接通週期高於常態穩定動作時的接通週期。亦即，於負載7啟動之後的規定時間內，流入至變壓器131的二次側的電流比常態穩定動作時更多，藉由電阻R13使電壓下降。若上述由電阻R13引起的電壓降大於二極體D13的順電壓，則電流 亦會流入至二極體D13，因此，流入至開關元件的閘極電極的電流固定(定電流驅動)。另一方面，若於常態穩定動作時使接通週期下降，則電流僅流入至電阻R13，固定的電壓施加至開關元件的閘極電極(定電壓驅動)。若採用此種構成，則不會使過量的電流流入至開關元件的閘極電極，從而可抑制由開關元件的閘極驅動引起的電力消耗。
圖16表示於圖15所示的閘極驅動部13中，用以奪取積蓄於開關元件的寄生電容或構成閘極驅動部13的電容器等的殘留電荷的電荷奪取部132，以及用以驅動電荷奪取部的驅動電源部133的構成例。眾所周知，具有電晶體構造的開關元件包括寄生二極體，於閘極驅動時，電荷積蓄於該寄生二極體。又，閘極驅動部13包括電容器C13等作為構成零件。即便閘極驅動信號的電壓達到低位準(low level)，由於積蓄於上述電容的殘留電荷，開關元件的閘極電壓不會立即下降，開關元件維持著導通狀態。於此構成例中，於商用電源的零交叉點，電荷奪取部132作動，急速自開關元件的閘極電極部奪取殘留電荷，從而可迅速地使開關元件不導通。電荷奪取部包括常接通(normally on)的電晶體T13，若電荷積蓄於電容器C13，則電晶體T13斷開，電荷奪取部132不工作。若商用電源6的電壓為零(零交叉點)，則電晶體T13接通，迅速地奪取積蓄於開關元件的寄生電容或電容器C13的殘留電荷。再者，驅動電源部133具有使得在商用電源6的1/2個週期內，電力不會為零的時間常數(延遲電路)，當對變壓器 131的一次繞組線進行切換時，不使電荷奪取部132進行動作。
圖17表示在圖2所示的構成中，進而設置對電源部14的輸出電壓進行監視的電壓監視部15的變形例。當負載控制裝置1為如圖2所示的雙線式負載控制裝置時，用以驅動控制部12或閘極驅動部13的電力，是專門將積蓄於電源部14的緩衝電容器(buffer condensor)(未繪示)的電荷作為電源。負載控制裝置1於負載7啟動時，使驅動信號的接通週期高於常態穩定動作時的接通週期，因此，電力消耗量會相應地比常態穩定動作時更多，導致充電至緩衝電容器的電力快速地被消耗。因此，進而設置對電源部14的輸出電壓進行監視的電壓監視部15，控制部12基於電源部14的輸出電壓的變化，使於負載7啟動時比常態穩定動作時更高的驅動信號的接通週期，變化至常態穩定動作時的接通週期。如圖18所示，電源部14的輸出電壓會因控制部12等的待機電力而逐步下降，但當產生閘極驅動信號時，上述輸出電壓的消耗量增大。因此，對於電源部14的輸出電壓設定臨限值，當上述輸出電壓為該臨限值以下時，使驅動信號的接通週期恢復至常態穩定動作時的值即可。藉此，可抑制緩衝電容器的電力消耗。再者，即便於三線式的負載控制裝置中，上述電壓監視部15亦可有效地使由閘極驅動信號引起的電力消耗減少。
再者，本發明並不限定於上述實施形態的記載，於不脫離發明的宗旨的範圍內可進行各種變形。例如將電力供 給至負載7的電源並不限於商用電源6等的交流電源，亦可為直流電源。作為直流電源的例子，可例如使用有太陽電池板(solar panel)等的太陽光發電裝置等，作為連接於此種直流電源的負載7的例子，可例如電動汽車用的電池(battery)等。
圖21表示本發明的負載控制裝置1的用途的一例。負載控制裝置1串聯地連接於直流電源30與將電力供給至負載7的電力轉換電路31，且作為繼電器而發揮對供給至電力轉換電路31的直流電力進行控制的功能。如此，負載控制裝置1可與一般的繼電器同樣地，作為控制供給至電力轉換電路31或直接供給至負載7的電力的繼電器。
又，如圖2以及圖3所示，電源部14並不限於總是自商用電源6獲得電力的形態，亦可構成為自其他系統的電源獲得電力。
又，圖19表示使用圖9所示的GaN/AlGaN橫型電晶體構造的雙方向開關元件作為開關元件的構成的變形例。於該變形例中，包括接點的機械式繼電器(開閉元件)400串聯地連接於電晶體構造的開關元件。機械式繼電器400根據自控制部12輸出的控制信號而進行開閉動作。於本變形例中，當將電晶體構造的雙方向開關元件300關閉時，先將開閉元件400關閉之後，將雙方向開關元件300關閉。另一方面，當將雙方向開關元件300打開時，先將雙方向開關元件300打開之後，將開閉元件400打開。根據該變形例，將電晶體構造的雙方向開關元件300與包括接點的 開閉元件予以串聯連接作為開關元件，適當地對兩者的開閉時序(timing)進行控制，藉此，可抑制開閉時的電弧(arc)的產生。又，可使電力供給被阻斷時的電力供給阻斷部3的絕緣性提高。
又，圖20表示使用圖9所示的GaN/AlGaN橫型電晶體構造的雙方向開關元件作為開關元件的構成的其他變形例。於該變形例中，包括接點的機械式繼電器(開閉元件)400並聯地連接於電晶體構造的開關元件。機械式繼電器400根據自控制部12輸出的控制信號而進行開閉動作。於本變形例中，當將電晶體構造的雙方向開關元件300關閉時，先將雙方向開關元件300關閉之後，將機械式繼電器400關閉。另一方面，當將雙方向開關元件300打開時，先將機械式繼電器400打開之後，將雙方向開關元件300打開。根據該變形例，將電晶體構造的雙方向開關元件300與包括接點的機械式繼電器400予以並聯連接作為開關元件，適當地對兩者的開閉時序進行控制，藉此，可抑制開閉時的電弧的產生。又，可使大電流流入至負載7。
又，本發明可於不矛盾的範圍內，將各構成例及圖式所揭示的特徵加以組合。又，構成開閉部11的開關元件的種類、控制部12及閘極驅動部13的構成亦無特別的限定。
以上，已對本發明的較佳實施形態進行了說明，但本發明並不限定於上述特定的實施形態，可不偏離後續的申請專利範圍的範疇而進行多種變更及變形，這些變更及變形亦屬於本發明的範疇內。
1‧‧‧負載控制裝置
2‧‧‧本體
3‧‧‧安裝框/電力供給阻斷部
4‧‧‧操作把手
5‧‧‧電線
6‧‧‧商用電源
7‧‧‧負載/直接負載
11‧‧‧開閉部
12‧‧‧控制部
13‧‧‧閘極驅動部
14‧‧‧電源部
14a‧‧‧整流部
14b‧‧‧斷開電源部
14c‧‧‧接通電源部
15‧‧‧電壓監視部
21‧‧‧正面
22‧‧‧按開/按關開關
23、43‧‧‧鉸鏈
24、41‧‧‧背面
25‧‧‧進口
26‧‧‧電路基板
30‧‧‧直流電源
31‧‧‧電力轉換電路
42‧‧‧突起
51‧‧‧芯線
101‧‧‧開關元件
101a‧‧‧基材層
101b‧‧‧GaN層
101c‧‧‧AlGaN層
111、112、113、121、122、123‧‧‧電極部
120‧‧‧基板
120d‧‧‧表面
131‧‧‧變壓器
132‧‧‧電荷奪取部
133‧‧‧驅動電源部
300‧‧‧雙方向開關元件
400‧‧‧機械式繼電器/開閉元件
C13‧‧‧電容器
D1‧‧‧第1電極/汲極電極
D2‧‧‧第2電極/汲極電極
D13‧‧‧二極體
G‧‧‧閘極電極
G1‧‧‧第1閘極電極/閘極電極
G2‧‧‧第2閘極電極/閘極電極
Q1、Q2‧‧‧縱型MOSFET
R13‧‧‧電阻
S‧‧‧中間電位部
T13‧‧‧電晶體
圖1是表示本發明的一個實施形態的負載控制裝置的構成的圖。
圖2是表示雙線式的負載控制裝置的區塊構成的圖。
圖3是表示三線式的負載控制裝置的區塊構成的圖。
圖4是表示上述負載控制裝置中的閘極驅動電力的變化的圖。
圖5是表示使用縱型MOSFET作為開關元件的構成例的圖。
圖6是表示使用GaN/AlGaN橫型電晶體構造的開關元件作為開關元件的構成例的圖。
圖7是表示GaN/AlGaN橫型電晶體構造的開關元件的構成的平面圖。
圖8是圖7的VIII-VIII剖面圖。
圖9是表示使用GaN/AlGaN橫型電晶體構造的雙方向開關元件作為開關元件的構成例的圖。
圖10是表示GaN/AlGaN橫型電晶體構造的雙方向開關元件的構成的平面圖。
圖11是圖10的XI-XI剖面圖。
圖12是表示使用MOSFET作為開閉部的開關元件，且將閘極驅動部設為光耦合方式的閘極驅動部的構成例的圖。
圖13是表示使用雙方向開關元件作為開閉部的開關元件，且將閘極驅動部設為磁耦合方式的構成例的圖。
圖14是表示圖13所示的構成例中的驅動信號等的波形的圖。
圖15表示於負載啟動之後的規定時間內，對開關元件的閘極電極進行定電流驅動，於常態穩定動作時，對開關元件的閘極電極進行定電壓驅動的閘極驅動部的構成例的圖。
圖16是表示在圖15所示的閘極驅動部，進而設置有用以奪取殘留電荷的電荷奪取部的構成例的圖。
圖17是表示在圖2所示的構成中，進而設置對電源部的輸出電壓進行監視的電壓監視部15的變形例的圖。
圖18是表示圖17所示的構成例中的驅動信號等的波形的圖。
圖19是表示圖9所示的構成例的變形例的構成的圖。
圖20是表示圖9所示的構成例的其他變形例的構成的圖。
圖21是表示上述負載控制裝置的用途的一例的區塊圖。
1‧‧‧負載控制裝置
6‧‧‧商用電源
7‧‧‧負載
11‧‧‧開閉部
12‧‧‧控制部
13‧‧‧閘極驅動部
14‧‧‧電源部
14a‧‧‧整流部
14b‧‧‧斷開電源部
14c‧‧‧接通電源部
22‧‧‧按開/按關開關

Claims (21)

  1. 一種負載控制裝置，其特徵在於包括：開閉部，串聯地連接於電源與負載，且使用具有電晶體構造的開關元件；控制部，對上述負載的啟動及停止進行控制；以及閘極驅動部，與上述控制部電性絕緣，且將閘極驅動信號輸出至上述開關元件的閘極電極，上述控制部於上述負載啟動時，使上述閘極驅動部在規定時間內，將比常態穩定動作時更多的驅動電力供給至上述開關元件的閘極電極。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之負載控制裝置，其中上述閘極驅動部藉由包括發光部與受光部的光耦合方式而與上述控制部電性絕緣，上述控制部於上述負載啟動時，在規定時間內，使比常態穩定動作時更多的發光電流量流動，以使上述發光部發光。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之負載控制裝置，其中上述閘極驅動部藉由包括以變壓器的磁耦合方式而與上述控制部電性絕緣，上述控制部於上述負載啟動時，在規定時間內，使對上述變壓器的一次繞組線進行切換的驅動信號的接通週期(on duty)高於常態穩定動作時的接通週期。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之負載控制裝置，其中上述開關元件具有如下的構造，以使2個具有縱型構造的電晶體元件的寄生二極體彼此朝向相反方向的方式， 將該2個具有縱型構造的電晶體元件予以串聯連接。
  5. 如申請專利範圍第2項所述之負載控制裝置，其中上述開關元件具有如下的構造，以使2個具有縱型構造的電晶體元件的寄生二極體彼此朝向相反方向的方式，將該2個具有縱型構造的電晶體元件予以串聯連接。
  6. 如申請專利範圍第3項所述之負載控制裝置，其中上述開關元件具有如下的構造，以使2個具有縱型構造的電晶體元件的寄生二極體彼此朝向相反方向的方式，將該2個具有縱型構造的電晶體元件予以串聯連接。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之負載控制裝置，其中上述開關元件具有以如下的方式串聯連接2個具有橫型構造的電晶體元件的構造，上述方式是指可利用以上述2個具有橫型構造的電晶體元件的連接點為基準的閘極驅動信號，來驅動上述2個具有橫型構造的電晶體元件。
  8. 如申請專利範圍第2項所述之負載控制裝置，其中上述開關元件具有以如下的方式來串聯連接2個具有橫型構造的電晶體元件的構造，上述方式是指可利用以上述2個具有橫型構造的電晶體元件的連接點為基準的閘極驅動信號，來驅動上述2個具有橫型構造的電晶體元件。
  9. 如申請專利範圍第3項所述之負載控制裝置，其中上述開關元件具有以如下的方式來串聯連接2個具有橫型構造的電晶體元件的構造，上述方式是指可利用以上述2個具有橫型構造的電晶體元件的連接點為基準的閘極驅動信號，來驅動上述2個具有橫型構造的電晶體元件。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之負載控制裝置，其中上述開關元件使用GaN/AlGaN，且為具有橫型電晶體構造的雙方向開關元件，該橫型電晶體包括2個閘極電極。
  11. 如申請專利範圍第2項所述之負載控制裝置，其中上述開關元件使用GaN/AlGaN，且為具有橫型電晶體構造的雙方向開關元件，該橫型電晶體包括2個閘極電極。
  12. 如申請專利範圍第3項所述之負載控制裝置，其中上述開關元件使用GaN/AlGaN，且為具有橫型電晶體構造的雙方向開關元件，該橫型電晶體包括2個閘極電極。
  13. 如申請專利範圍第3項至第12項中任一項所述之負載控制裝置，其中上述閘極驅動部藉由包括以變壓器的磁耦合方式而與上述控制部電性絕緣，上述閘極驅動部更包括：電荷奪取部，奪取積蓄於上述開關元件的閘極電極部的殘留電荷；驅動電源部，用以將上述電荷奪取部予以驅動；以及延遲電路，用以在對上述變壓器的一次繞組線進行切換時，不使上述電荷奪取部進行動作。
  14. 如申請專利範圍第1項至第12項中任一項所述之負載控制裝置，其中上述負載控制裝置是串聯地連接於上述電源與上述負載之間的雙線式的負載控制裝置，上述電 源為商用電源，上述負載控制裝置更包括電源部，該電源部確保用以使上述控制部及上述閘極驅動部進行動作的電力，上述電源部並聯地連接於上述開閉部的兩個端子，當上述負載處於非工作狀態時，於上述商用電源的每1/2個週期內，進行確保內部電源的動作。
  15. 如申請專利範圍第13項所述之負載控制裝置，其中上述負載控制裝置是串聯地連接於上述電源與上述負載之間的雙線式的負載控制裝置，上述電源為商用電源，上述負載控制裝置更包括電源部，該電源部確保用以使上述控制部及上述閘極驅動部進行動作的電力，上述電源部並聯地連接於上述開閉部的兩個端子，當上述負載處於非工作狀態時，於上述商用電源的每1/2個週期內，進行確保內部電源的動作。
  16. 如申請專利範圍第1項至第12項中任一項所述之負載控制裝置，更包括電源部，該電源部確保用以使上述控制部及上述閘極驅動部進行動作的電力，且上述負載控制裝置更包括對上述電源部的輸出電壓進行監視的電壓監視部，上述控制部於上述負載啟動時，基於上述電源部的輸出電壓的變化，使比常態穩定動作時更高的驅動信號的接通週期，變化至常態穩定動作時的接通週期。
  17. 如申請專利範圍第13項所述之負載控制裝置，更包括電源部，該電源部確保用以使上述控制部及上述閘極 驅動部進行動作的電力，且上述負載控制裝置更包括對上述電源部的輸出電壓進行監視的電壓監視部，上述控制部於上述負載啟動時，基於上述電源部的輸出電壓的變化，使比常態穩定動作時更高的驅動信號的接通週期，變化至常態穩定動作時的接通週期。
  18. 如申請專利範圍第3項至第12項中任一項所述之負載控制裝置，其中上述閘極驅動部於上述負載啟動時，在規定時間內，對上述閘極電極進行定電流驅動，於常態穩定動作時，對上述閘極電極進行定電壓驅動。
  19. 如申請專利範圍第13項所述之負載控制裝置，其中上述閘極驅動部於上述負載啟動時，在規定時間內，對上述閘極電極進行定電流驅動，於常態穩定動作時，對上述閘極電極進行定電壓驅動。
  20. 如申請專利範圍第4項至第12項中任一項所述之負載控制裝置，其中上述開關元件具有將電晶體元件與包括接點的開閉元件予以串聯連接的構造。
  21. 如申請專利範圍第4項至第12項中任一項所述之負載控制裝置，其中上述開關元件具有將電晶體元件與包括接點的開閉元件予以並聯連接的構造。
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