JP2014519217A - 信頼性が高い停止動作及び低制御電力を有する半導体スイッチ - Google Patents

Abstract

本発明は、極めて低い制御電力消費を伴う双方向性半導体スイッチＭ１，Ｍ２、並びに、メイン停止の無制限の期間の後のスイッチ及びホスティングデバイスの動作の信頼性が高い開始を可能にするブートストラップ回路に関する。高機能な制御オプションは、小さなエネルギストレージから動作することにより提供され、減少したエネルギストレージ状態から回復するために追加の手段は必要とされない。また、可聴ノイズ及び機械的摩耗の非存在は、より頻繁な再充電サイクルを可能にし、より小さく及びそれ故により安価なエネルギストレージコンポーネントを可能にする。

Description

本発明は、器具及びデバイスを電力網に対して接続及び分離するためのスイッチング装置に関する。

待機電力の消費削減は、消費者向けライフスタイル器具又はネットワーク化された照明バラストのような、ユーティリティ網から供給される、器具及びデバイスに関して大きな問題になっている。過去において、エネルギストレージ要素及び双安定又はラッチリレーと組み合わせて超低電力コントローラ回路を用いることにより上記の問題を解決したソリューションが提案された。リレーの大きな不利益は、可聴のスイッチングノイズ、限られた寿命、大きな物理的サイズ、機械的ショックに基づく限られた信頼性及び最終的に高いコストである。スイッチング命令の間の可聴ノイズ及び機械的摩耗は、エネルギストレージの頻繁な充電を回避し、それ故、ストレージ要素のかなりの容量を必要とし、より高いコストをもたらす。停止後の主電圧の回復は、全ての接続されたデバイスの同期流入電流をもたらし、これは、遮断器を妨害し、それ故、他の停止をもたらし得る。

半導体スイッチによる機械的リレーの単純な交換は、結果としてメイン停止及びエネルギストレージ要素の減少の後のデッドロック状況の危険を冒すという不利益を有する。ラッチ又は双安定リレーソリューションと比較して、所望の状態に維持する一定の労力も存在する。

本発明の目的は、極めて低い制御電力消費を有するスイッチング装置を提供することにあり、これは、メイン停止の無制限の期間の後のスイッチング装置及びホストデバイスの動作の信頼性が高い開始を可能にする。

この目的は、請求項１に記載の装置により達成される。

従って、極めて低い制御電力消費を伴う双方向性半導体スイッチ、並びに、メイン停止の無制限の期間の後のスイッチ及びホスティングデバイスの動作の信頼性が高い開始を可能にする超低電力バイアス供給回路が提案される。これは、ホスティングアプリケーションがメインまでの電気接続を全く伴うことなくスタンバイ状況において動作することを可能にし、小さなエネルギストレージから動作する高機能な制御オプションを提供し、減少したエネルギストレージ状態から回復するためにもはや追加の手段を必要としない。また、可聴ノイズ及び機械的摩耗の非存在は、より頻繁な再充電サイクルを可能にし、より小さく及びそれ故により安価なエネルギストレージコンポーネントを可能にする。

第１の態様によれば、追加的なランダマイザが設けられ、これは、（例えば、ゼロと許容可能な最大時間遅延との間において）ランダムな手段で、メイン停止の後にスイッチング装置の動作を遅延させ、それ故、接続されたデバイスの非同期動作を実施し、遮断器の繰り返される引き外しを回避する。

前記第１の態様と組み合わせられ得る第２の態様によれば、半導体スイッチは、少なくとも２つの金属酸化物半導体電界効果トランジスタ又は少なくとも２つの絶縁ゲートバイポーラトランジスタを有してもよい。故に、半導体スイッチの制御電力が最小限に抑えられることが保証され得る。

前記第１の又は第２の態様と組み合わせられ得る第３の態様によれば、バイアス供給回路は、電力網から導出される供給電圧を制限するように適合されたツェナーダイオード及び少なくとも１つのキャパシタの直列接続と、浮遊補助電圧を得るために制限された供給電圧を整流するためのダイオードとを有してもよい。これにより、少なくとも１つのキャパシタ間の放電抵抗が省略され、これは、電力消費を低減するのを支援する。

第１から第３の態様のうち少なくとも１つと組み合わせられ得る第４の態様によれば、バッファキャパシタは、浮遊補助電圧をバッファリングするために設けられ得る。この手段は、スイッチング制御回路の供給電圧が或る期間の間バッファリングされることを保証する。

第１から第４の態様のうち少なくとも１つと組み合わせられ得る第５の態様によれば、スイッチング制御回路は、（例えばフリップフロップ又は他の双安定性のリアリゼーションのような）ラッチ回路を有してもよく、絶縁回路は、少なくとも１つの制御信号を、ラッチ回路に供給されるべき制御コマンドを生成するための信号処理回路に供給するための分離信号変圧器又は光学カプラを有する。

第１から第５の態様のうち少なくとも１つと組み合わせられ得る第６の態様によれば、監視回路が設けられてもよく、これは、浮遊補助電圧を検知し、浮遊補助電圧が予め決められた閾値よりも低い場合に制御信号をラッチ回路に供給するように適合され、制御信号は、半導体スイッチのドミナントなリセットをトリガする。これにより、過剰な電力消散による半導体スイッチに対する損傷が阻止され得る。追加的なオプションとして、他の監視回路が設けられてもよく、これは、装置における少なくとも幾つかのエネルギストレージ要素の状況（例えば、エネルギレベル）を決定するように適合され、出力信号は、装置の前述したエネルギストレージ要素の後の再充電によりターンオンサイクルを開始するために制御信号をラッチ回路に供給してもよい。

第１のから第６の態様のうち少なくとも１つと組み合わせられ得る第７の態様によれば、監視回路は、前記補助電圧がその公称値に達すると浮遊補助電圧により活性化されるトランジスタを有してもよく、トランジスタのコレクタ電圧は、ラッチ回路の入力端子に供給される。これにより、単純な供給電圧検出及び監視機能が実装され得る。

本発明のこれらの及び他の態様は、以下で述べられる実施形態から明らかになり、これらの実施形態を参照して説明されるだろう。

実施形態のスイッチング装置の概略ブロック図を示す。 第１の実施形態のスイッチング装置のより詳細なブロック図を示す。 第２の実施形態のスイッチング装置のより詳細なブロック図を示す。 第３の実施形態のスイッチング装置のより詳細なブロック図を示す。 第４の実施形態のスイッチング装置のより詳細な図を示す。

以下の実施形態は、極めて低い制御電力消費を有する双方向性半導体スイッチ、並びに、メイン停止の無制限の期間の後にスイッチ及びホスティングデバイスの動作の信頼性が高い開始を可能にする超低電力バイアス供給回路を有するスイッチング装置に基づいている。

図１は、本発明の以下の実施形態のスイッチング装置の基本コンポーネントを有する概略ブロック図を示す。パワートランジスタ（例えば、Ｎ−ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）又はＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor））Ｍ１及びＭ２は、双方向性メインスイッチを形成する。ＭＯＳＦＥＴの共通ソースＧＮＤａｕｘに参照される制御電圧は、オン／オフコントローラ２０により生成される。オン／オフ制御ブロック又はコントローラ２０は、超低電力バイアス電源１０により供給され、これは、例えば、１ｍＷ未満の極めて低い電力消費のために設計され得る。スイッチの起動は、オン／オフコントローラ２０により行われ、これは、メイン障害の後、及び、信号分離ブロック３０を介して供給される制御信号Ｃｔｒｌの要求に基づき、スイッチをオン又はオフにする。信号分離ブロック３０は、制御回路（図示省略）からスイッチング装置を分離するのに役に立ち、これは、制御信号Ｃｔｒｌを供給し、１又はそれ以上のオプトカプラ又は誘導的なリンク（例えば分離変圧器）を含んでもよい。

ＭＯＳＦＥＴは、酸化物で絶縁されたゲート電極上の電圧がソース及びドレインと呼ばれる２つの他の接点間の導電チャネルを誘発し得るトランジスタである。チャネルはｎ型又はｐ型であってもよく、それに応じて、トランジスタは、Ｎ−ＭＯＳＦＥＴ又はＰ−ＭＯＳＦＥＴと呼ばれる。

図１のＭＯＳＦＥＴＳは絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）に置換されてもよく、これは、高効率で速いスイッチングのための三端子パワー半導体デバイスである。ＩＧＢＴは、単一のデバイスにおいて制御入力のための分離されたゲートＦＥＴとスイッチとしてのバイポーラパワートランジスタとを組み合わせることにより、ＭＯＳＦＥＴの単純なゲートドライブ特性をバイポーラトランジスタの高電流及び低飽和電圧機能と組み合わせる。

Ｎ−ＭＯＳＦＥＴ又はＩＧＢＴは、オンにするためにゲートに印加される相当な正電荷を必要とする。Ｎ−ＭＯＳＦＥＴ／ＩＧＢＴデバイスを用いることは、ダイサイズ削減（他の利点が同様に存在する）に大きく起因した共通コスト削減方法である。

ＭＯＳＦＥＴ／ＩＧＢＴは、理論的には、任意の直接的なゲート電流を有さない電圧制御されたデバイスである。これは、制御目的のためにキャパシタ内部の電荷を利用することを可能にする。しかしながら、最終的に、キャパシタは、（寄生ゲート電流及び非理想的な（即ち、無限の）内部抵抗により）その電荷を失うだろう。

図２は、超低電力バイアス電源１０のより詳細な実装を有するスイッチング装置の第１の実施形態の概略ブロック図を示す。ノードＶａｕｘとＧＮＤａｕｘとの間の浮遊補助電圧は、ツェナーダイオードＤＺにより制限され、ダイオードＤ１により及び整流される、２つの小さなキャパシタＣ１及びＣ２を用いてメイン電圧から生成される。浮遊補助電圧は、キャパシタＣ３によりバッファリングされる。キャパシタＣ１及びＣ２の値は、例えば、６０Ｈｚでの１１５Ｖ又は５０Ｈｚでの２３０Ｖの典型的なＡＣメイン電圧での数ナノファラッド（ｎＦ）であり得る。これらのキャパシタ値は、非常に低く、キャパシタＣ１，Ｃ２のそれぞれに対して並列の放電抵抗が必要とされない。これは、電力消費を低減するのを支援する。

キャパシタＣ１及びＣ２の値は等しい必要はない。最適化された事例において、オン／オフコントローラ２０の電力消費は、キャパシタＣ１及びＣ２が１００ｐＦより低い範囲において選択され得るように低くなる。この場合、キャパシタＣ２は省略され得る。

本実施形態で使用される超低電力バイアス電源において、パワートランジスタＭ１及びＭ２により形成される双方向性スイッチのデューティサイクルに対する要求はないことに留意されたい。（Ｃ１，Ｃ２，ＤＺ，Ｄ１を伴う）容量電源は、双方向性スイッチの状態から独立している端子Ｍの間にＡＣメイン電圧が存在する限り、ストレージキャパシタＣ３を再充電する。

図３は、バイアス電源１０のより詳細な実装を有するスイッチング装置の第２の実施形態の概略ブロック図を示しており、ここで、キャパシタＣ２は、メインスイッチのＭＯＳＦＥＴ Ｍ２及びＭ１が寄生静電容量（図示省略）のいくらかの量を供給するという事実を考慮して除去されている。

図４は、バイアス電源１０及び信号分離ブロック３０のより詳細な実装を有するスイッチング装置の第３の実施形態の概略ブロック図を示す。信号分離ブロック３０は、制御ユニット（図示省略）、例えば、ＤＡＬＩ（digital addressable lighting interface）、ＤＭＸ（digital multiplexing）又は分離信号変圧器を含む他の制御システムから出力される短い信号パルスからの設定された（Ｓ）及びリセットされた（Ｒ）コマンドを抽出する信号処理回路２４を備えている。ブロック２４における信号処理機能性は、例えば信号変圧器における容量性結合に起因して共通モードイベントを抑制し、妨害、トランジェント、サージ等に対する信号拒絶を供給する。信号変圧器は、ＩＳＤＮ（Integrated Services Digital Network）アプリケーションにおいて使用されるものに似ていてもよい。また、シグナリングチェーンは、オプトカプラ（フォトトランジスタ及びアクティブなモードにおけるフォトダイオード）（図示省略）又は１つを超えるオプトカプラにより実装されてもよい。

抽出されたパルスは、双安定ラッチ回路（例えば、出力ドライバを有する１ビットのフリップフロップ）を設定又はリセットするために用いられ、これは、パワートランジスタＭ１及びＭ２にゲート制御信号を供給する信号処理ブロック２６に取り込まれる。既に上述したように、この種類のトランジスタはスイッチング状態を維持するためにゲート―ソース入力ポートにおける無視できるエネルギの消費を（漏出を除いて）有する。エネルギは、ターンオン又はターンオフの間にのみ信号処理ブロック２６において消失される。それ自体は、定常状態動作の間、制御エネルギ消費が実質的にないか又はごく僅かである。

他の要素は、監視回路２２であり、これは、ＶａｕｘノードとＧＮＤａｕｘノードとの間の差動電圧を常に検知し、信号処理ブロック２６に信号を出力する。監視回路２２の出力信号は、差動電圧が予め決められたレベルと交差するときに状態を変える。それ故、監視出力信号は、連続的に存在し、差動浮遊電圧が閾値より高いか又は低いかを示す。ホスティングデバイスのエネルギストレージ要素の後の再充電によるターンオンサイクルが必要かどうかは、述べられた監視回路２２の出力信号に依存しないが、ホスティングデバイスにおける別個の監視回路により開始されてもよく、ホスティングデバイスにおける少なくとも幾つかのエネルギストレージ要素のエネルギレベルをモニタする。故に、他の監視回路は、少なくとも幾つかのエネルギストレージ要素の状態を決定するように適合され、エネルギストレージ要素のエネルギレベルが予め決められた閾値より低い場合に他の制御信号をラッチ回路２６に供給する。そして、制御信号は、少なくとも幾つかのエネルギストレージ要素の後の再充電によりパワートランジスタＭ１，Ｍ２のターンオンサイクルをトリガし得る。

監視回路２２の目的は、過剰な電力消散によるパワートランジスタＭ１及びＭ２の電圧低下を阻止するために、ＶａｕｘノードとＧＮＤａｕｘノードとの間の差動電圧が十分に高くないときに、出力トランジスタＭ１及びＭ２が決して導通しないこと（ドミナントなリセット）を保証することにある。別個の監視回路（図示省略）がホスティングデバイス内に加えられてもよく、ホスティングデバイスにおけるエネルギストレージ要素のエネルギをモニタする。その目的は、システムを、エネルギストレージが完全に消費される状況から回復させることにある。これは、アプリケーションが暫定的なターンオンサイクルを自動的に実行するのを可能にし、（制御ユニット内のものを含む）エネルギストレージ要素を再充電する後の期間を可能にする。適切な制御信号が受信されない限り器具（即ち、図４中の負荷Ｌ）の通常作動は始まらず、エネルギストレージ要素が再び再充電される場合に器具が再びメインから切断されるという点で、ターンオンサイクルは暫定的である。

図５は、スイッチング装置の第４の実施形態の概略ブロック図を示しており、超低電力バイアス電源１０は、抵抗Ｒ１及びＲ２を伴う単純な超低電力バイアス電源生成及び補助供給電圧検出（監視機能）を有し、静的なエネルギ消費をセーブする他の電圧基準を加えることを伴わないトランジスタＱ１を有する。トランジスタＱ１のベースがツェナーダイオードＤＺを介して電流を受けることができる場合、Ｒ１は省略され得る。キャパシタＣ３が通常作動電圧まで充電されると、一部の電流はツェナーダイオードＤＺを介して正方向に流れ始め、これは、トランジスタＱ１を活性化させる。トランジスタＱ１のコレクタ電圧は、監視回路の出力信号であり、オン／オフコントローラ２０への入力信号を形成する。この回路は、ヒステリシス機能を加えることにより（例えば、フィードバック回路又は要素（図示省略）を介して）拡張され得る。図５に示すように、信号分離ブロック３０は、スイッチング回路と制御回路との間の必要とされる分離を達成するための信号変圧器Ｕ１を有する。

監視機能を実装する他の手段は、市販の入手可能な集積回路（ＩＣ）を用いることである。斯様な市販の入手可能なＩＣは、マイクロパワー低電圧コンパレータ（例えば、Ｌｉｎｅａｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＬＴ６７０３）であってもよく、これは、監視回路として接続され得る。通常動作（例えば、１．４Ｖより高い供給電圧）におけるその電流消費がかなり低い（例えば、１０ｍＡより低い）にもかかわらず、スタートアップ（例えば、１Ｖより低い供給電圧）の間、ＩＣは３０ｍＡを超える値により供給電流を引き込む。補助電源が充分な電流を供給することを保証するために、この場合、キャパシタＣ１及びＣ２の値は、５０Ｈｚでの２３０Ｖの典型的な二乗平均平方根（ＲＭＳ）メイン電圧の各々で、より高くなるように選択されること（例えば、３．３ｎＦ）を必要とする。更に、信号処理電子装置は、分離変圧器の二次側に接続されてもよい。より詳しくは、ＣＭＯＳ ＩＣのデジタル構成単位が用いられてもよい。

前記実施形態の他の変形例において、例えばＤＡＬＩ又はＤＭＸデコーダインタフェースにより生成される、オン／オフ入力信号を入力するための入力回路が設けられてもよく、これは、オン／オフ入力信号を、分離変圧器の一次側端子に供給される短いオン／オフパルスに変換するように、ＣＭＯＳ論理セルによって構築される回路を含む。入力回路は、例えばＤＣ１０Ｖで供給され、毎秒１回より少ないオン／オフスイッチ周波数で１ｍＡ未満を消費してもよい。

追加的な特徴は、回路分岐における全てのデバイスにおける、及び、応答トリップ回路遮断器における、同期突入電流を阻止するために、メイン停止及びストレージ要素の減少の後、パワートランジスタＭ１及びＭ２のターンオンを遅延させるランダム化機能又はランダマイザであってもよく、これは、他の停止状態をもたらし得る。これは、とりわけ、多くの安定器回路を有する大きな照明装置及び電源における大きなバッファ容量において役立つ。

本発明は、例えば、器具の遠隔制御を提供するとともに、拡張されたスタンバイ期間を有する一方で依然として遠隔制御装置コマンドに応答する器具に適用され得る。これは、例えばＤＡＬＩ、ＺｉｇＢｅｅ、ＤＭＸ若しくは他の照明又はビル制御ソリューションによる遠隔制御される照明システム、及び、テレビ（ＴＶ）装置、セットトップボックス、家庭用器具又は消費者向け照明ソリューションのような消費者向けライフスタイル器具を含む。

要約すると、極めて低い制御電力消費を有する双方向性半導体スイッチ、並びに、メイン停止の無制限の期間の後のスイッチ及びホスティングデバイスの動作の信頼性が高い開始を可能にする超低電力バイアス供給回路が述べられる。高機能な制御オプションは、小さなエネルギストレージから動作することにより提供され、減少したエネルギストレージ状態から回復するために追加の手段は必要とされない。可聴ノイズ及び機械的摩耗の非存在は、ホスティングデバイスにおけるエネルギストレージ要素のより頻繁な再充電サイクルを可能にし、より小さく及びそれ故により安価なエネルギストレージコンポーネントを可能にする。

開示された実施形態に対する他のバリエーションは、図面、開示及び添付の特許請求の範囲の研究から、当業者によって理解され、実施され得る。

請求項において、"有する"という用語は他の要素又はステップを除外するものではなく、単数表記は複数を除外するものではない。単一のプロセッサ、検知ユニット又は他のユニットは、請求項に記載された幾つかのアイテムの機能を満たしてもよい。特定の手段が相互に異なる従属請求項に記載されるという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが有効に用いられ得ないことを示すものではない。

請求項中の任意の参照符号は、その範囲を限定するものとして解釈されるべきでない。

Claims (10)

1. 電力網に対して器具又はデバイスを接続／切断するためのスイッチング装置であって、
   双方向性半導体スイッチと、
   少なくとも１つのキャパシタを用いて浮遊補助電圧を生成するためのバイアス供給回路と、
   前記浮遊補助電圧により給電され、前記電力網から導出される供給電圧の出現、又は、分離回路を介して供給される少なくとも１つの制御信号に応答して、前記双方向性半導体スイッチをオンにするように適合されるスイッチング制御回路とを有する、スイッチング装置。
2. 前記供給電圧の停止に応答して前記半導体スイッチの動作を遅延させるランダマイザを更に有する、請求項１に記載のスイッチング装置。
3. 前記半導体スイッチは、少なくとも２つの金属酸化物半導体電界効果トランジスタ又は少なくとも２つの絶縁ゲートバイポーラトランジスタを有する、請求項１に記載のスイッチング装置。
4. 前記バイアス供給回路は、前記電力網から導出される前記供給電圧を制限するように適合されたツェナーダイオード及び前記少なくとも１つのキャパシタの直列接続と、前記浮動補助電圧を得るために制限された供給電圧を整流するためのダイオードとを有する、請求項１に記載のスイッチング装置。
5. 前記浮動補助電圧をバッファリングするためのバッファキャパシタを更に有する、請求項４に記載のスイッチング装置。
6. 前記スイッチング制御回路は、ラッチ回路を有し、
   前記分離回路は、前記ラッチ回路に供給されるべき制御コマンドを生成するための信号処理回路に前記少なくとも１つの制御信号を供給するための信号変圧器又は光学カプラを有する、請求項１に記載のスイッチング装置。
7. 前記ラッチ回路は、双安定フリップフロップを有する、請求項６に記載のスイッチング装置。
8. 前記浮動補助電圧を検知し、前記浮動補助電圧が予め決められた閾値よりも低い場合に前記ラッチ回路に制御信号を提供するように適合された監視回路を更に有し、
   前記制御信号は、前記半導体スイッチのドミナントなリセットをトリガする、請求項６に記載のスイッチング装置。
9. 当該装置におけるエネルギストレージ要素の状態を決定し、前記エネルギストレージ要素のエネルギレベルが予め決められた閾値よりも低い場合に他の制御信号を前記ラッチ回路に供給するように適合された他の監視回路を更に有し、
   前記制御信号は、当該装置のエネルギストレージ要素の後の再充電により前記半導体スイッチのターンオンサイクルをトリガする、請求項８に記載のスイッチング装置。
10. 前記監視回路は、前記補助電圧がその公称値に達すると前記補助電圧により活性化されるトランジスタを有し、
    前記トランジスタのコレクタ電圧は、前記ラッチ回路の入力端子に供給される、請求項８に記載のスイッチング装置。

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