JP2006033723A - 電力制御用光結合素子およびこの電力制御用光結合素子を用いた電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】負荷信号の駆動を細やかに制御し、消費電力を低減する。
【解決手段】マイコン側に接続された発光ダイオード１１と、受光素子２１およびプッシュプル回路を備えたＩＧＢＴゲート制御部２０と、交流制御のための双方向スイッチ部３０とからなり、双方向スイッチ部３０は、エミッタ同士を接続するとともに、各ゲートにプッシュプル回路の出力を接続した第１ＩＧＢＴ３１および第２ＩＧＢＴ３２と、アノード同士を接続した第１ＦＲＤ３３および第２ＦＲＤ３４とからなり、第１ＩＧＢＴ３１のコレクタと第１ＦＲＤ３３のカソード、及び第２ＩＧＢＴ３２のコレクタと第２ＦＲＤ３４のカソードとをそれぞれ接続し、第１ＩＧＢＴ３１および第２ＩＧＢＴ３２のエミッタ同士の接続点と、第１ＦＲＤ３３および第２ＦＲＤ３４のアノード同士の接続点とを信号線で接続することにより、出力側の交流電流のＯＮ／ＯＦＦ制御を行う。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ＡＣ（交流）制御用光結合素子およびこの光結合素子を用いた電子機器に関する。

図７は、従来の負荷制御装置の一例を示す回路図である。

図７に示すものは交流電源と電力制御素子とを用いて構成された負荷制御装置の従来例であり、ここではソリッドステートリレーを使用した負荷制御装置を例に挙げて説明を行う。なお、ソリッドステートリレーとは、ゲート制御式双方向３端子サイリスタや逆阻止３端子サイリスタ等の電力半導体デバイスを用いた半導体無接点リレーをいい、一旦ＯＮすると、ＯＮ・ＯＦＦを制御する制御信号を印加しなくても、開閉部を流れる電流が０Ａになるまで、オン状態を保持する特徴がある。

図７に示すソリッドステートリレー１１０は、電気信号を光に変換する発光素子（主にガリウム砒素ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）やガリウムアルミニウム砒素ＬＥＤ）１１１と、光を電気信号に変換する受光素子（主にゲートに光が当たると導通するフォトゲート制御式双方向３端子サイリスタ）１１２と、電力制御素子（主にゲート制御式双方向３端子サイリスタ）１１３とから成っている。制御電流Ｉが、発光素子１１１とこの発光素子１１１に直列に接続された電流制限抵抗１２０とを流れることにより発光素子１１１が発光すると、受光素子１１２が導通し、電力制御素子１１３のゲートにトリガ電流が流れ、電力制御素子１１３が点弧する。これにより負荷１３０に電流が流れ、負荷１３０が動作する。

出力側には交流電流１４０が流れているため、やがて電流は０Ａへ向かうが、この時、入力信号が無ければサイリスタ部（受光素子１１２および電力制御素子１１３）を流れる電流が０Ａとなるため、受光素子１１２および電力制御素子１１３はＯＦＦとなる。

このようにして、入力光信号により交流電流のＯＮ/ＯＦＦを制御する。

また、近年、あらゆる機器の省エネ化が進むにつれ、負荷で消費する電力にも注目することになり、交流負荷を対象とした低消費電力での負荷制御の要望が高まっている。例えば、トランジスターを逆直列または逆並列に接続した半導体双方向スイッチの、各トランジスターのゲート・コレクタ間にツェナーダイオードとダイオードの逆直列回路を接続することにより、半導体双方向スイッチに両方向に発生するスパイク電圧を抑制できるようにした半導体双方向スイッチ用スパイク電圧抑制回路が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００１−１１１３９８号公報

しかしながら、従来のソリッドステートリレーによる負荷制御では、交流電流のＯＮ／ＯＦＦ制御はできるものの、交流電流そのものの制御はできなかった。

また、従来の負荷制御装置の他の例である上記特許文献１に開示されている半導体双方向スイッチ用スパイク電圧制御回路によれば、双方向スイッチによる回路構成が提案されているが、負荷の状態によって駆動を細やかに制御することが難しく、また入力制御信号は、通常、マイコンなどの小信号回路より供給されるため、直流小信号回路と交流大電流回路とを電気的に分離し、負荷のスイッチングノイズなどによる誤動作を防ぐ必要があることから光による絶縁が必要であった。

本発明は係る実情に鑑みてなされたもので、負荷信号の駆動を細やかに制御し、消費電力を低減することができる電力制御用光結合素子およびこの電力制御用光結合素子を用いた電子機器を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の電力制御用光結合素子は、１次側である入力側の入力信号を２次側である出力側へ出力する、光結合部としての発光ダイオードを入力側に備えており、さらに、この発光ダイオードの出力に基づき交流負荷を制御する制御部を出力側に備えている。

このような電力制御用光結合素子において、本発明では、前記制御部が、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ））とダイオードとの組合せからなる双方向スイッチ部を有するものであってもよい。例えば、図１に示すように、本発明の電力制御光結合素子１０は、入力側の入力信号を出力側へ出力する発光ダイオード１１、受光素子２１を備えたＩＧＢＴゲート制御部２０、および第１ＩＧＢＴ３１と第２ＩＧＢＴ３２とを備えた双方向スイッチ部３０から構成されている。

また、前記ＩＧＢＴの代わりに電界効果トランジスター（ＦＥＴ（ｆｉｅｌｄ−ｅｆｆｅｃｔ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ））を用いてもよく、例えば、図６に示すように、双方向スイッチ部が、第１ＦＥＴ３５と第２ＦＥＴ３６とを備えているものであってもよい。

また、前記制御部のダイオードが、高速用整流ダイオード（ＦＲＤ（Ｆａｓｔ Ｒｅｃｏｖｅｒｙ Ｄｉｏｄｅｓ））からなるものであってもよい。例えば、図１に示すように、双方向スイッチ部３０に、第１ＦＲＤ３３と第２ＦＲＤ３４とを備えている。

また、前記光結合部の１次側前段回路として、周波数変調回路を備えていてもよい。例えば、図４に示すように、発光ダイオード１１は周波数変調回路１２に並列に接続されている。

さらに、前記周波数変調回路１２に２次側の周波数信号がフィードバックされていてもよい。例えば、図４に示すように、電力制御用光結合素子１０の出力端子と周波数変調回路１２とが、光結合素子１３および周波数検出回路１４を介して接続されている。

またさらに、図４に示すように、前記周波数変調回路１２は発振回路１２ａを備えており、フィードバックされた前記２次側の周波数信号に基づいてパルス幅変調（ＰＷＭ （Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ））波形を作成するようにしてもよい。

本発明の電力制御用光結合素子によれば、１次側の入力信号を２次側へ出力する光結合部と、該光結合部の出力に基づき交流負荷を制御する制御部とを備えているため、交流出力を制御する際に、消費電流を低減することができる。また、前記制御部を、ＩＧＢＴとダイオードとの組合せからなる双方向スイッチ部を有する構成、またはＦＥＴとダイオードとの組合せからなる双方向スイッチ部を有する構成としたので、負荷信号の駆動を細やかに制御することができる。

また、前記光結合部の１次側前段回路として、周波数変調回路を備えた構成としたので、用途・負荷容量による周波数の変更を任意に、かつ容易に行うことができる。また、前記周波数変調回路に２次側の周波数信号をフィードバックする構成としたので、負荷で消費される消費電力をさらにきめ細かく制御することができる。さらに、前記周波数変調回路に発振回路を備えており、フィードバックした２次側の周波数信号に基づいてＰＷＭ波形を作成するように構成したので、負荷で消費される消費電力をさらにきめ細かく制御することができる。

また、本発明の電子機器によれば、交流出力を制御する際に、電力制御用光結合素子における消費電流を低減することができるので、その結果として電子機器の消費電流を低減することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明の電力制御用光結合素子の実施例１を示す回路図である。

本発明の電力制御用光結合素子１０は、発光ダイオード１１を備えた光結合部と、プッシュプル回路を備えたＩＧＢＴゲート制御部２０と、交流制御のための双方向スイッチ部３０とから構成されている。

前記ＩＧＢＴゲート制御部２０は、発光ダイオード１１から出力された光を受信する受光素子２１と、この受光素子２１に接続されたアンプ（ＡＭＰ）２６と、このＡＭＰ２６に接続されたインターフェース２５と、このインターフェース２５に接続されたプッシュプル回路とから構成されている。プッシュプル回路は、２個のトランジスタ（第１Ｔｒ２２および第２Ｔｒ２３）と抵抗（ＲＧ２４）とから構成されている。そして、コレクタが制御電源部に接続された第１Ｔｒ２２のエミッタと、コレクタがアース電位に接続された第２Ｔｒ２３のエミッタとが接続されており、このエミッタ同士の接続点にＲＧ２４の一方の端子が接続されている。また、第１Ｔｒ２２および第２Ｔｒ２３のベースには、一方の端子が制御部電源に接続されたインターフェース２５の他方の端子が接続されている。

双方向スイッチ部３０は、エミッタ同士が接続された２個のトランジスタ（第１ＩＧＢＴ３１および第２ＩＧＢＴ３２）と、アノード同士が接続された２個のダイオード（第１ＦＲＤ３３および第２ＦＲＤ３４）とから構成されており、第１ＩＧＢＴ３１および第２ＩＧＢＴ３２のゲート端子に前記ＲＧ２４の他方の端子が接続されている。また、第１ＩＧＢＴ３１のコレクタと第１ＦＲＤ３３のカソードとが接続されており、第２ＩＧＢＴ３２のコレクタと第２ＦＲＤ３４のカソードとが接続されている。また、第１ＩＧＢＴ３１および第２ＩＧＢＴ３２のエミッタ同士の接続点と、第１ＦＲＤ３３および第２ＦＲＤ３４のアノード同士の接続点とが信号線で接続されており、第１ＩＧＢＴ３１および第２ＩＧＢＴ３２のエミッタ同士の接続点には、ＩＧＢＴゲート制御部２０の第２Ｔｒ２３のコレクタが接続されている。さらに、第１ＩＧＢＴ３１のコレクタおよび第１ＦＲＤ３３のカソードの接続点と、第２ＩＧＢＴ３２のコレクタおよび第２ＦＲＤ３４のカソードの接続点との間に、負荷４１と交流電源４２とが接続された構成となっている。すなわち、本実施例１では、双方向スイッチ部３０の２個のダイオードには、ＩＧＢＴと同様の耐圧および応答速度をもつＦＲＤ（ファーストリカバリーダイオード）を使用している。

このような回路構成を有しているため、発光ダイオード１１への入力信号がＨレベルであれば第１Ｔｒ２２がＯＮ状態、第２Ｔｒ２３がＯＦＦ状態となり、第１ＩＧＢＴ３１および第２ＩＧＢＴ３２のゲートへ電荷が供給され、第１ＩＧＢＴ３１および第２ＩＧＢＴ３２が共にＯＮ状態となる。一方、発光ダイオード１１への入力信号がＬレベルであれば第１Ｔｒ２２がＯＦＦ状態、第２Ｔｒ２３がＯＮ状態となり、第１ＩＧＢＴ３１および第２ＩＧＢＴ３２のゲートへの電荷供給が停止され、第１ＩＧＢＴ３１および第２ＩＧＢＴ３２が共にＯＦＦ状態となる。

次に、電力制御用光結合素子１０のＯＮ／ＯＦＦ動作について図面を参照しつつ説明する。

図２は、交流電源４２から出力される交流電流の双方向スイッチ部３０内での電流経路を示す説明図であり、図３は、交流電源４２の出力電流波形を示す説明図である。

本実施例１の電力制御用光結合素子１０においては、出力側に交流電源４２が接続されているため、第１ＩＧＢＴ３１および第２ＩＧＢＴ３２が共にＯＮ状態のとき（すなわち、発光ダイオード１１への入力信号がＨレベルであるとき）、図２に示すように、交流電源４２の出力が図３に示すＡの部分では、双方向スイッチ部３０の一方の端子３０ａから、第１ＩＧＢＴ３１および第２ＦＲＤ３４を通って、他方の端子３０ｂへ電流Ａが流れ、交流電源４２の出力が図３に示すＢ部分では、他方の端子３０ｂから、第２ＩＧＢＴ３２および第１ＦＲＤ３３を通って、一方の端子３０ａに電流Ｂが流れる結果、負荷４１を駆動することができる。一方、第１ＩＧＢＴ３１および第２ＩＧＢＴ３２が共にＯＦＦ状態のときは（すなわち、発光ダイオード１１への入力信号がＬレベルであるときは）、電力制御用光結合素子１０はＯＦＦ状態となり、負荷４１には電流は流れない。すなわち、発光ダイオード１１への入力信号のＨ／Ｌを切り換えることで、交流電流のＯＮ/ＯＦＦ動作が可能となっている。従って、抵抗４３を介して発光ダイオード１１に接続されているマイコン４４からの制御信号を、特定の周期のパルス信号に変調してから発光ダイオード１１に送ることにより、出力側の消費電力制御を行うことが可能である。具体的には、出力側の交流電源４２の周波数（５０Ｈｚや６０Ｈｚ）よりも早い周期（数百Ｈｚから数ｋＨｚ）の入力信号を発光ダイオード１１へ送り、第１ＩＧＢＴ３１および第２ＩＧＢＴ３２を高速でＯＮ／ＯＦＦ動作させることにより、出力側の交流電流のＯＮ／ＯＦＦを繰り返し制御することで、トータルの消費電力を低減することが可能となる。

本実施例１の電力制御用光結合素子１０によれば、入出力間が電気的に絶縁されており、マイコンからの信号を直結することができるため、出力側の電位変動等のノイズに影響されること無く、安定した消費電力制御を行うことができる。また、用途の変更や負荷容量による周波数の変更を任意、かつ容易に行うことが可能である。

図４は、本発明の電力制御用光結合素子１０の実施例２を示す回路図である。

本実施例２の電力制御用光結合素子１０は、上記実施例１に示す電力制御用光結合素子に、出力交流電流の周期を検出して電力制御用光結合素子にフィードバックするフィードバック部と、フィードバックされた周期に基づいてパルス幅変調波形を作成する周波数変調回路とを追加したものである。

すなわち、発光ダイオード１１と抵抗４３との間に、周波数変調回路１２を設けるとともに、この周波数変調回路１２の直流電源ラインＬ２と、双方向スイッチ部３０の両出力端に接続された交流電源ラインＬ２との間に、光結合回素子（フォトカプラ）１３と交流電源の周波数を検出する周波数検出回路１４とが接続された構成となっている。電力制御用光結合素子１０の出力側と入力側とを接続する交流電源ラインＬ１と直流電源ラインＬ２とは、光結合素子１３を介して非接触で接続されているため、ノイズなどの影響を受けにくく、電力制御用光結合素子１０の動作は安定している。

本実施例２の電力制御用光結合素子１０によれば、フィードバックした周期を元に、周波数変調回路１２内に設けられている発振回路１２ａからの出力（例えば、三角波等）を変調して、出力側交流電流の周期に対応したＰＷＭ制御波形を作成し、発光ダイオード１１の制御に利用することができるので、負荷４１で消費される消費電力をさらにきめ細かく制御することが可能である。

図５は、図４に示す電力制御用光結合素子１０において用いられる電流波形の一例を示す説明図である。図５中の実線の波形は、発振回路１２ａから出力されたのこぎり波を示しており、破線の波形は、直流電源ラインＬ２から周波数変調回路１２へ出力される電流（出力電流）を示しており、太い実線のパルス波形は、ＰＷＭ制御波形を示している。

さらに、ＰＷＭ制御波形の周波数や、デューティ比を調整することで、負荷動作の強弱制御もでき、負荷を備える電子機器の他のパラメータによって負荷動作を制御することも可能である。

次に、双方向スイッチ部の他の例について説明する。

図６は、本発明の電力制御用光結合素子を構成する双方向スイッチ部の他の例を示す回路図である。

前述した実施例１および実施例２では、双方向スイッチ部を構成するトランジスタとしてＩＧＢＴを例に挙げて説明したが、電圧や電流によってはＩＧＢＴの代わりにＦＥＴ（第１ＦＥＴ３５および第２ＦＥＴ３６）を用いても同等の効果を得ることができる。

上記構成の電力制御用光結合素子１０により、交流出力を制御する際に、消費電流を低減することができ、またマイコン制御可能とすることで、決めこまやかな制御を行うことができる。

また、上記構成の電力制御用光結合素子１０を電子機器に搭載すれば、交流出力を制御する際に、電力制御用光結合素子における消費電流を低減することができるので、その結果として電子機器の消費電流を低減することができる。

本発明の電力制御用光結合素子および電子機器は、負荷として電磁弁、ファンを備えた冷蔵庫、エアコン、自動販売機などの電子機器での使用に活用できる。

本発明の電力制御用光結合素子の実施例１を示す回路図である。 交流電源から出力される交流電流の双方向スイッチ部内での電流経路を示す説明図である。 交流電源の出力電流波形を示す説明図である。 本発明の電力制御用光結合素子の実施例２を示す回路図である。 図４に示す電力制御用光結合素子において用いられる電流波形の一例を示す説明図である。 本発明の電力制御用光結合素子を構成する双方向スイッチ部の他の例を示す回路図である。 従来の負荷制御装置の一例を示す回路図である。

符号の説明

１０ 電力制御用光結合素子
１１ 発光ダイオード
２０ ＩＧＢＴゲート制御部
２１ 受光素子
２２ 第１Ｔｒ
２３ 第２Ｔｒ
２４ ＲＧ
２５ インターフェース
２６ ＡＭＰ
３０ 双方向スイッチ部
３１ 第１ＩＧＢＴ
３２ 第２ＩＧＢＴ
３３ 第１ＦＲＤ
３４ 第２ＦＲＤ
４１ 負荷
４２ 交流電源
４３ 抵抗
４４ マイコン

Claims (8)

1. １次側に接続されたマイコンからの信号にもとづき２次側に接続された交流負荷を制御する電力制御用光結合素子において、
   １次側の入力信号を２次側へ出力する光結合部と、該光結合部の出力に基づき交流負荷を制御する制御部とを備えてなることを特徴とする電力制御用光結合素子。
2. 前記制御部が、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタとダイオードとの組合せからなる双方向スイッチ部を有するものである請求項１記載の電力制御用光結合素子。
3. 前記制御部が、電界効果トランジスターとダイオードとの組合せからなる双方向スイッチ部を有するものである請求項１記載の電力制御用光結合素子。
4. 前記ダイオードが、高速用整流ダイオードからなるものである請求項２または請求項３記載の電力制御用光結合素子。
5. 前記光結合部の１次側前段回路として、周波数変調回路を備えてなる請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の電力制御用光結合素子。
6. 前記周波数変調回路に２次側の周波数信号がフィードバックされる請求項５記載の電力制御用光結合素子。
7. 前記周波数変調回路に発振回路を備えており、フィードバックされた前記２次側の周波数信号に基づいてパルス幅変調波形が作成される請求項６記載の電力制御用光結合素子。
8. 請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の電力制御用光結合素子を用いたことを特徴とする電子機器。

Images