JP7300636B2 - 負荷制御回路、負荷制御方法、及びプログラム - Google Patents

Description

本開示は、一般に負荷制御回路、負荷制御方法、及びプログラムに関する。より詳細には、本開示は、双方向スイッチにより負荷を制御する負荷制御回路、負荷制御方法、及びプログラムに関する。

特許文献１には、商用電源と負荷との間に直列に接続される２線式の負荷制御装置が開示されている。この負荷制御装置は、主開閉部と、操作スイッチと、制御部と、を備える。主開閉部は、商用電源及び負荷に対し直列に接続された主スイッチ素子（トライアック）を有し、負荷に対して電力の供給を制御する。操作スイッチは、ユーザによって操作され、少なくとも負荷を起動するための起動信号を出力する。制御部は、操作スイッチに接続され、操作スイッチから送信される信号に応じて、主開閉部の開閉を制御する。

特開２０１１－８７２６０号公報

本開示は、使用可能な負荷の制限を受けにくい負荷制御回路、負荷制御方法、及びプログラムを提供することを目的とする。

本開示の一態様に係る負荷制御回路は、双方向スイッチと、電圧駆動型の第１スイッチ素子と、自己保持型の第２スイッチ素子と、制御部と、を備える。前記双方向スイッチは、電源と負荷との間に電気的に接続されて前記電源と前記負荷との間の導通／非導通を切り替える。前記第１スイッチ素子及び前記第２スイッチ素子は、前記電源から前記双方向スイッチへ駆動電力を供給するか否かを切り替える。前記制御部は、前記第１スイッチ素子及び前記第２スイッチ素子の各々のオン／オフを、前記第１スイッチ素子のオン期間において前記第２スイッチ素子をオンさせ、かつ前記第１スイッチ素子のオフ期間において前記第２スイッチ素子をオフさせるように、同期させて、前記双方向スイッチを制御する。前記第１スイッチ素子及び前記第２スイッチ素子は、前記第１スイッチ素子及び前記第２スイッチ素子が非導通であれば、前記双方向スイッチが非導通となり、前記第１スイッチ素子及び前記第２スイッチ素子のうちの少なくとも一方が導通すれば、前記双方向スイッチが導通するように、前記双方向スイッチの制御端子と接地端子との間に並列に電気的に接続される。

本開示の一態様に係る負荷制御方法は、双方向スイッチを、電圧駆動型の第１スイッチ素子及び自己保持型の第２スイッチ素子の各々のオン／オフを、前記第１スイッチ素子のオン期間において前記第２スイッチ素子をオンさせかつ前記第１スイッチ素子のオフ期間において前記第２スイッチ素子をオフさせるように同期させて、制御する。前記双方向スイッチは、電源と負荷との間に電気的に接続されて前記電源と前記負荷との間の導通／非導通を切り替える。前記第１スイッチ素子及び前記第２スイッチ素子は、前記電源から前記双方向スイッチへ駆動電力を供給するか否かを切り替える。前記第１スイッチ素子及び前記第２スイッチ素子は、前記第１スイッチ素子及び前記第２スイッチ素子が非導通であれば前記双方向スイッチが非導通となり、前記第１スイッチ素子及び前記第２スイッチ素子のうちの少なくとも一方が導通すれば前記双方向スイッチが導通するように、前記双方向スイッチの制御端子と接地端子との間に並列に電気的に接続される。

本開示の一態様に係るプログラムは、１以上のプロセッサに、上記の負荷制御方法を実行させるためのプログラムである。

本開示は、使用可能な負荷の制限を受けにくい、という利点がある。

図１は、本開示の一実施形態に係る負荷制御回路の構成を示す概略回路図である。 図２は、同上の負荷制御回路の動作例を示すフローチャートである。 図３は、同上の負荷制御回路の第１スイッチ素子及び第２スイッチ素子の動作例の説明図である。 図４は、同上の負荷制御回路の動作の説明図である。 図５は、第２比較例の負荷制御回路の動作の説明図である。

（１）概要
本実施形態に係る負荷制御回路１０は、図１に示すように、電源１１と負荷１２との間に電気的に接続され、電源１１から負荷１２への通電状態を切り替えるために用いられる。電源１１は、例えば、単相１００〔Ｖ〕、６０〔Ｈｚ〕の商用電源である。負荷１２は、例えば、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）等の固体発光素子を有する光源と、換気扇と、を含み得る。換気扇は、ＡＣモータ式の換気扇、ＤＣモータ式の換気扇の他、電子回路が搭載された換気扇、又は電気式シャッタ付きの換気扇等を含み得る。つまり、負荷１２は、誘導負荷を含み得る。

負荷制御回路１０は、例えば住宅の壁等に取り付けられるスイッチの筐体に収納される。スイッチは、一例として、設定した時刻に応じて電源１１から負荷１２への通電状態を切り替えるタイマ機能を有するスイッチを含む。その他、スイッチは、例えば人感センサ又は明るさセンサでの検知結果に応じて電源１１から負荷１２への通電状態を切り替えるスイッチを含む。また、上記に挙げたスイッチは、いずれもユーザからの操作を受け付けることで、電源１１から負荷１２への通電状態を切り替える機能も有している。

負荷制御回路１０は、双方向スイッチＱ０と、電圧駆動型の第１スイッチ素子Ｑ１と、自己保持型の第２スイッチ素子Ｑ２と、制御部１と、を備えている。双方向スイッチＱ０は、電源１１と負荷１２との間に電気的に接続されて、電源１１と負荷１２との間の導通／非導通を切り替える。

ここで、双方向スイッチＱ０は、負荷制御回路１０の接続端子１０１と接続端子１０２との間に接続されている。言い換えれば、負荷制御回路１０の内部において、接続端子１０１と接続端子１０２とは、双方向スイッチＱ０を介して電気的に接続されている。したがって、双方向スイッチＱ０がオン状態にあれば、接続端子１０１と接続端子１０２との間が双方向スイッチＱ０を介して導通する。また、双方向スイッチＱ０がオフ状態にあれば、接続端子１０１と接続端子１０２との間が非導通となる。つまり、双方向スイッチＱ０が導通していれば、電源１１と負荷１２との間が導通し、電源１１から負荷１２に電力が供給される。本実施形態では、双方向スイッチＱ０のオン状態とは、双方向スイッチＱ０が連続的に導通している状態だけではなく、双方向スイッチＱ０が間欠的に導通している状態を含む。つまり、双方向スイッチＱ０のオン状態とは、電源１１から負荷１２への電力供給が行われる状態であり、双方向スイッチＱ０のオフ状態とは、電源１１から負荷１２への電力供給が遮断される状態である。

第１スイッチ素子Ｑ１は、電圧駆動型、つまり第１スイッチ素子Ｑ１の制御端子に印加される電圧の大きさに応じてオン／オフを切り替えるスイッチである。本実施形態では、第１スイッチ素子Ｑ１は、ＦＥＴ（Field Effect Transistor：電界効果トランジスタ）である。第２スイッチ素子Ｑ２は、自己保持型、つまり一度ターンオンすると、保持電流が零になるまでオン状態を維持するスイッチである。本実施形態では、第２スイッチ素子Ｑ２は、サイリスタである。

第１スイッチ素子Ｑ１及び第２スイッチ素子Ｑ２は、双方向スイッチＱ０の制御端子Ｔ１に並列に電気的に接続されている。また、第１スイッチ素子Ｑ１及び第２スイッチ素子Ｑ２は、後述するように、いずれも電源１１から双方向スイッチＱ０に駆動電力を供給するか否かを切り替えるためのスイッチである。

制御部１は、第１スイッチ素子Ｑ１及び第２スイッチ素子Ｑ２の各々のオン／オフを同期させることにより、双方向スイッチＱ０を制御する。具体的には、制御部１は、電源１１から負荷１２に印加される負荷電圧Ｖ１のゼロクロスを検出したタイミングを基準として、第１スイッチ素子Ｑ１及び第２スイッチ素子Ｑ２の各々のオン／オフを制御する。

上述のように、本実施形態では、電圧駆動型の第１スイッチ素子Ｑ１と、自己保持型の第２スイッチ素子Ｑ２との両方を用いて双方向スイッチＱ０を制御している。このため、本実施形態では、第１スイッチ素子Ｑ１のみを用いて双方向スイッチＱ０を制御する場合には使用することが難しい種類の負荷１２を使用することが可能である。同様に、本実施形態では、第２スイッチ素子Ｑ２のみを用いて双方向スイッチＱ０を制御する場合には使用することが難しい種類の負荷１２を使用することが可能である。つまり、本実施形態では、使用可能な負荷１２の制限を受けにくい、という利点がある。

（２）詳細
以下、本実施形態の負荷制御回路１０の構成について図１を用いて詳細に説明する。以下では、負荷制御回路１０は、タイマ機能を有するスイッチに用いられていると仮定する。また、以下では、負荷制御回路１０に接続される負荷１２は、上述の固体発光素子を有する光源、又は換気扇であると仮定する。

負荷制御回路１０は、既に述べたように、２つの接続端子１０１，１０２と、双方向スイッチＱ０と、第１スイッチ素子Ｑ１と、第２スイッチ素子Ｑ２と、制御部１と、を備えている。２つの接続端子１０１，１０２の各々は、配線が電気的かつ機械的に接続される部品である。これらの２つの接続端子１０１，１０２、双方向スイッチＱ０、第１スイッチ素子Ｑ１、第２スイッチ素子Ｑ２、及び制御部１は、１つの筐体に収容されている。本実施形態における「接続端子」等の「端子」は、電源線を接続するための部品（端子）でなくてもよく、例えば、電子部品のリード、又は回路基板に含まれる導体の一部であってもよい。

２つの接続端子１０１，１０２の間には、コンデンサＣ１及びバリスタＶＲ１の並列回路が電気的に接続されている。また、２つの接続端子１０１，１０２のうち一方の接続端子１０１は、インダクタＬ１を介して、整流器ＤＢ１の一対の交流入力端子Ａ１，Ａ２のうちの一方の交流入力端子Ａ１に電気的に接続されている。

整流器ＤＢ１は、ダイオードブリッジからなり、一対の交流入力端子Ａ１，Ａ２と、一対の直流出力端子Ｂ１，Ｂ２と、を有している。整流器ＤＢ１は、双方向スイッチＱ０の両端間に印加される電圧（以下、「スイッチ間電圧」ともいう）を全波整流し、全波整流後の電圧を一対の直流出力端子Ｂ１，Ｂ２から出力する。

双方向スイッチＱ０は、電源１１と負荷１２との間に電気的に接続され、電源１１と負荷１２との間の導通／非導通を切り替える。本実施形態では、双方向スイッチＱ０は、３端子の双方向サイリスタ（トライアック）にて構成されている。双方向スイッチＱ０は、接続端子１０１と接続端子１０２との間に電気的に接続されており、接続端子１０１と接続端子１０２との間における双方向の電流の通過／遮断を切り替える。双方向スイッチＱ０の制御端子Ｔ１（ゲート端子）は、整流器ＤＢ１の一対の交流入力端子Ａ１，Ａ２のうちの一方の交流入力端子Ａ２に電気的に接続されている。

また、双方向スイッチＱ０の制御端子Ｔ１は、抵抗Ｒ１，Ｒ２及びコンデンサＣ２からなる回路を介して接続端子１０２に電気的に接続されている。抵抗Ｒ１，Ｒ２の接続点は、整流器ＤＢ１の交流入力端子Ａ１，Ａ２のうちの一方の交流入力端子Ａ２に電気的に接続されている。コンデンサＣ２及び抵抗Ｒ１の接続点は、双方向スイッチＱ０の制御端子Ｔ１に電気的に接続されている。また、コンデンサＣ２及び抵抗Ｒ２の接続点は、接続端子１０２に電気的に接続されている。

第１スイッチ素子Ｑ１は、抵抗Ｒ６を介して、整流器ＤＢ１の一対の直流出力端子Ｂ１，Ｂ２のうちの高電位側の直流出力端子Ｂ１に電気的に接続されている。言い換えれば、第１スイッチ素子Ｑ１は、整流器ＤＢ１を介して双方向スイッチＱ０の制御端子Ｔ１に電気的に接続されている。本実施形態では、第１スイッチ素子Ｑ１は、エンハンスメント形のｎチャネルＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor）にて構成されている。言い換えれば、第１スイッチ素子Ｑ１は、電界効果トランジスタである。

第１スイッチ素子Ｑ１のドレイン端子は、抵抗Ｒ６を介して整流器ＤＢ１の高電位側の直流出力端子Ｂ１に電気的に接続されている。第１スイッチ素子Ｑ１のソース端子は、整流器ＤＢ１の低電位側の直流出力端子Ｂ２（グランド）に電気的に接続されている。第１スイッチ素子Ｑ１のゲート端子は、抵抗Ｒ３及びコンデンサＣ３の並列回路を介して、制御部１に電気的に接続されている。そして、第１スイッチ素子Ｑ１は、ゲート端子に制御部１から電圧信号である第１制御信号Ｓｉｇ１が入力されることにより、整流器ＤＢ１の一対の直流出力端子Ｂ１，Ｂ２間の導通／非導通を切り替える。

第２スイッチ素子Ｑ２は、抵抗Ｒ５を介して、整流器ＤＢ１の一対の直流出力端子Ｂ１，Ｂ２のうちの高電位側の直流出力端子Ｂ１に電気的に接続されている。言い換えれば、第２スイッチ素子Ｑ２は、整流器ＤＢ１を介して双方向スイッチＱ０の制御端子Ｔ１に電気的に接続されている。本実施形態では、第２スイッチ素子Ｑ２は、サイリスタ（逆阻止３端子サイリスタ）にて構成されている。

第２スイッチ素子Ｑ２のアノードは、抵抗Ｒ５を介して整流器ＤＢ１の高電位側の直流出力端子Ｂ１に電気的に接続されている。第２スイッチ素子Ｑ２のカソードは、整流器ＤＢ１の低電位側の直流出力端子Ｂ２（グランド）に電気的に接続されている。第２スイッチ素子Ｑ２のゲートは、抵抗Ｒ４及びコンデンサＣ４の並列回路を介して、制御部１に電気的に接続されている。そして、第２スイッチ素子Ｑ２は、ゲートに制御部１から電流信号である第２制御信号Ｓｉｇ２が入力されることにより、整流器ＤＢ１の一対の直流出力端子Ｂ１，Ｂ２間の導通／非導通を切り替える。

ここで、第１スイッチ素子Ｑ１及び第２スイッチ素子Ｑ２が非導通であれば、双方向スイッチＱ０の制御端子Ｔ１に十分な大きさの制御電圧（ゲート電圧）が印加されず、双方向スイッチＱ０は非導通の状態を維持する。一方、第１スイッチ素子Ｑ１及び第２スイッチ素子Ｑ２のうちの少なくとも一方が導通していれば、整流器ＤＢ１を介して電流が流れることにより、双方向スイッチＱ０の制御端子Ｔ１に十分な大きさの制御電圧が印加され、双方向スイッチＱ０が導通する。つまり、第１スイッチ素子Ｑ１及び第２スイッチ素子Ｑ２は、双方向スイッチＱ０の制御端子Ｔ１に並列に電気的に接続され、電源１１から双方向スイッチＱ０に駆動電力を供給するか否かを切り替える。なお、双方向スイッチＱ０は、自己保持型のスイッチであるため、負荷１２に印加される負荷電圧Ｖ１がゼロクロスする、つまり双方向スイッチＱ０を流れる保持電流が零になると、非導通状態に切り替わる。

制御部１は、一例として、１以上のプロセッサ及び１以上のメモリを有するコンピュータシステムを主構成とする。プロセッサは、メモリに記録されているプログラムを実行することにより、制御部１の機能を実現する。プログラムは、予めメモリに記録されていてもよいし、メモリカードのような非一時的記録媒体に記録されて提供されたり、電気通信回線を通して提供されたりしてもよい。

制御部１は、第１スイッチ素子Ｑ１及び第２スイッチ素子Ｑ２を制御することで、双方向スイッチＱ０を間接的に制御する機能を有している。具体的には、制御部１は、第１スイッチ素子Ｑ１の制御端子（ゲート端子）に第１制御信号Ｓｉｇ１を出力することにより、第１スイッチ素子Ｑ１の導通／非導通を切り替える。また、制御部１は、第２スイッチ素子Ｑ２の制御端子（ゲート）に第２制御信号Ｓｉｇ２を出力することにより、第２スイッチ素子Ｑ２の導通／非導通を切り替える。上述したように、第１スイッチ素子Ｑ１及び第２スイッチ素子Ｑ２の少なくとも一方が導通すれば、双方向スイッチＱ０が導通状態に切り替わる。また、第１スイッチ素子Ｑ１及び第２スイッチ素子Ｑ２の両方が非導通状態であって、双方向スイッチＱ０を流れる保持電流が零になれば、双方向スイッチＱ０が非導通状態に切り替わる。

制御部１は、ユーザの操作によるオン制御指示を受ける、又はあらかじめユーザにより設定された時刻になると、双方向スイッチＱ０をオン状態に切り替える制御を実行する。これにより、電源１１から負荷１２へ電力が供給され、負荷１２が駆動する。

ここで、制御部１は、双方向スイッチＱ０の両端間に印加される電圧（スイッチ間電圧）の大きさを監視することにより、スイッチ間電圧（間接的には、負荷１２に印加される負荷電圧Ｖ１）のゼロクロスを監視している。具体的には、制御部１は、接続端子１０１－グランド（基準電位点）間電圧の大きさと基準値（例えば、１２〔Ｖ〕）とを比較することにより、接続端子１０１，１０２のうち接続端子１０１の方が高電位となる際のスイッチ間電圧のゼロクロスを検出する。また、制御部１は、接続端子１０２－グランド間電圧の大きさと基準値とを比較することにより、接続端子１０１，１０２のうち接続端子１０２の方が高電位となる際のゼロクロスを検出する。なお、制御部１で検出されるゼロクロスのタイミングと、厳密な意味でのゼロクロスのタイミング（負荷電圧Ｖ１が０〔Ｖ〕となるタイミング）との間には、僅かなずれが生じ得る。

そして、制御部１は、スイッチ間電圧（間接的には、負荷１２に印加される負荷電圧Ｖ１）のゼロクロスを検出するごとに、第１スイッチ素子Ｑ１をオン／オフさせている。つまり、本実施形態では、制御部１は、負荷１２に印加される負荷電圧Ｖ１のゼロクロスに基づいて、第１スイッチ素子Ｑ１を制御している。そして、本実施形態では、制御部１は、負荷１２に印加される負荷電圧Ｖ１の半周期ごとに第１スイッチ素子Ｑ１をオンさせている。

ここで、制御部１は、第１スイッチ素子Ｑ１がオン状態にある場合に、スイッチ間電圧のゼロクロスを検出すると、第１スイッチ素子Ｑ１をオフ状態に切り替える前に、第２スイッチ素子Ｑ２をオンさせている。つまり、本実施形態では、制御部１は、第１スイッチ素子Ｑ１のオン期間において、第２スイッチ素子Ｑ２をオンさせている。そして、第２スイッチ素子Ｑ２は、自己保持型のスイッチであるため、第２スイッチ素子Ｑ２を流れる保持電流、つまり負荷１２に印加される負荷電圧Ｖ１が零になると、オフ状態に切り替わる。第２スイッチ素子Ｑ２がオフ状態に切り替わるタイミングは、第１スイッチ素子Ｑ１のオフ期間である。つまり、制御部１は、第２スイッチ素子Ｑ２をオンするタイミングを調整することにより、第１スイッチ素子Ｑ１のオフ期間において、第２スイッチ素子Ｑ２をオフさせている。

このように、制御部１は、電源１１から負荷１２に印加される負荷電圧Ｖ１のゼロクロスを検出したタイミングを基準として、第１スイッチ素子Ｑ１及び第２スイッチ素子Ｑ２の各々のオン／オフを制御する。そして、第１スイッチ素子Ｑ１及び第２スイッチ素子Ｑ２の各々のオン／オフに応じて、双方向スイッチＱ０の導通／非導通が切り替わる。つまり、制御部１は、第１スイッチ素子Ｑ１及び第２スイッチ素子Ｑ２の各々のオン／オフを同期させることで、双方向スイッチＱ０を制御している。

（３）動作
以下、本実施形態の負荷制御回路１０の動作について図２及び図３を用いて説明する。以下では、制御部１は、ユーザの操作によるオン制御指示を受けており、双方向スイッチＱ０をオン状態とする制御を実行している、と仮定する。また、図３における「Ｑ１」及び「Ｑ２」は、それぞれ第１スイッチ素子Ｑ１のオン／オフ、及び第２スイッチ素子Ｑ２のオン／オフの状態を表している。

まず、制御部１は、スイッチ間電圧の大きさを監視し続けている。そして、制御部１は、スイッチ間電圧（間接的には、負荷電圧Ｖ１）のゼロクロスを検出する（Ｓ１）。そして、制御部１は、ゼロクロスを検出した時点で第１スイッチ素子Ｑ１がオフ状態であれば（Ｓ２：Ｙｅｓ）、第１制御信号Ｓｉｇ１を第１スイッチ素子Ｑ１の制御端子に与えることで、第１スイッチ素子Ｑ１をオン状態に切り替える（Ｓ３）。これにより、双方向スイッチＱ０の制御端子Ｔ１に十分な大きさの制御電圧が印加され、双方向スイッチＱ０が導通する。

図３に示す例では、制御部１は、時刻ｔ０においてスイッチ間電圧のゼロクロスを検出している。その後、制御部１は、時刻ｔ０から第１時間が経過した時点である時刻ｔ１において、第１スイッチ素子Ｑ１をオン状態に切り替えている。第１時間は、一例として、スイッチ間電圧のゼロクロスを検出したタイミングと、スイッチ間電圧が実際にゼロクロスすると想定されるタイミングとの差分を考慮して設定される。

その後、負荷電圧Ｖ１の半周期に相当する時間が経過すると、制御部１は、スイッチ間電圧のゼロクロスを再び検出する（Ｓ１）。そして、制御部１は、ゼロクロスを検出した時点で第１スイッチ素子Ｑ１がオン状態であるため（Ｓ２：Ｎｏ）、第２制御信号Ｓｉｇ２を第２スイッチ素子Ｑ２の制御端子に与えることで、第２スイッチ素子Ｑ２をオン状態に切り替える（Ｓ４）。つまり、既に述べたように、制御部１は、第１スイッチ素子Ｑ１のオン期間において、第２スイッチ素子Ｑ２をオンさせている。

また、制御部１は、第２スイッチ素子Ｑ２をオン状態に切り替えた後に、第１制御信号Ｓｉｇ１を第１スイッチ素子Ｑ１の制御端子に与えるのを止めることにより、第１スイッチ素子Ｑ１をオフ状態に切り替える（Ｓ５）。その後、第２スイッチ素子Ｑ２は、負荷電圧Ｖ１が実際にゼロクロスする、つまり第２スイッチ素子Ｑ２を流れる保持電流が零になると、オフ状態に切り替わる（Ｓ６）。つまり、既に述べたように、制御部１は、第１スイッチ素子Ｑ１のオフ期間において、第２スイッチ素子Ｑ２をオフさせている。これにより、第１スイッチ素子Ｑ１及び第２スイッチ素子Ｑ２の両方がオフした状態となる。この状態で、双方向スイッチＱ０を流れる保持電流が零になることで、双方向スイッチＱ０が非導通状態に切り替わる。

図３に示す例では、制御部１は、時刻ｔ２においてスイッチ間電圧のゼロクロスを検出している。その後、制御部１は、時刻ｔ２から第２時間が経過した時点である時刻ｔ３において、第２スイッチ素子Ｑ２をオン状態に切り替えている。また、制御部１は、時刻ｔ２から第３時間（＞第２時間）が経過した時点である時刻ｔ４において、第１スイッチ素子Ｑ２をオフ状態に切り替えている。第２時間及び第３時間は、一例として、いずれもスイッチ間電圧のゼロクロスを検出したタイミングと、スイッチ間電圧が実際にゼロクロスすると想定されるタイミングとの差分を考慮して設定される。その後、時刻ｔ５において、第２スイッチ素子Ｑ２を流れる保持電流が零になることにより、第２スイッチ素子Ｑ２がオフ状態に切り替わっている。

制御部１は、上記のステップＳ１～Ｓ６の処理を繰り返すことにより、双方向スイッチＱ０を間欠的に導通させる。これにより、負荷１２は、電源１１から間欠的に電力を供給されることで、駆動する。一例として、負荷１２が光源である場合、制御部１は、上記のステップＳ１～Ｓ６の処理を繰り返すことにより、光源を点灯させることになる。また、一例として、負荷１２が換気扇である場合、制御部１は、上記のステップＳ１～Ｓ６の処理を繰り返すことにより、換気扇を駆動させることになる。

以下、本実施形態の負荷制御回路１０の利点を説明するに当たり、まず、第１比較例の負荷制御回路、及び第２比較例の制御回路について説明する。第１比較例の負荷制御回路は、第１スイッチ素子を備えておらず、第２スイッチ素子のオン／オフのみで双方向スイッチを制御する点で、本実施形態の負荷制御回路１０と相違する。第１比較例の制御回路は、基本的に、ＡＣモータ式の換気扇を負荷とする場合に用いられる。また、第２比較例の負荷制御回路は、第２スイッチ素子を備えておらず、第１スイッチ素子のオン／オフのみで双方向スイッチを制御する点で、本実施形態の負荷制御回路１０と相違する。第２比較例の負荷制御回路は、基本的に、固体発光素子を有する光源、ＤＣモータ式の換気扇、電子回路が搭載された換気扇、又は電気式シャッタ付きの換気扇を負荷とする場合に用いられる。

第１比較例の負荷制御回路では、制御部は、第２スイッチ素子の制御端子に第２制御信号を与えることにより、第２スイッチ素子をオン状態に切り替える。第２スイッチ素子は、第２スイッチ素子を流れる保持電流が零になると、オフ状態に切り替わる。第１比較例の負荷制御回路では、第２スイッチ素子を流れる保持電流が零とならず、第２スイッチ素子がオフ状態に切り替わらずにオン状態を維持する場合が生じ得る。この場合、双方向スイッチもオン状態を維持するため、例えば負荷が光源であれば、光源を消灯させなければならないにも関わらず、光源が点灯状態を維持してしまう等の問題が生じ得る。また、第１比較例の負荷制御回路では、電源の出力電圧にノイズが重畳していると、第２スイッチ素子がオン／オフを繰り返すことで、双方向スイッチも導通／非導通を繰り返してしまい、負荷の動作が不安定になる場合が生じ得る。

第２比較例の負荷制御回路では、制御部は、第１スイッチ素子の制御端子に第１制御信号を与えることにより、第１スイッチ素子をオン状態に切り替える。また、制御部は、第１スイッチ素子の制御端子に第１制御信号を与えるのを止めることにより、第１スイッチ素子をオフ状態に切り替える。第２比較例の負荷制御回路では、電圧駆動型の第１スイッチ素子を用いて双方向スイッチを制御するため、第１比較例の負荷制御回路で起こり得た上記の問題は生じにくい。ただし、第２比較例の負荷制御回路では、例えばＡＣモータ式の換気扇等の誘導負荷を使用した場合に、以下のような問題が生じ得る。

すなわち、第２比較例の負荷制御回路では、制御部は、スイッチ間電圧のゼロクロスを検出したタイミングに基づいて第１スイッチ素子をオフ状態に切り替えている。このため、第１スイッチ素子は、必ずしも負荷電圧が実際にゼロクロスするタイミングでオフ状態に切り替わるとは限らない。そして、負荷電圧が実際にゼロクロスする前後のタイミングで、つまり負荷に電流が流れている状態で第１スイッチ素子がオフ状態に切り替わると、負荷に流れる電流が急峻に変化し、負荷に含まれるインダクタンス成分にて逆起電圧が生じ得る（図５参照）。図５に示す例では、「Ｑ１０」は第２比較例の負荷制御回路における第１スイッチ素子のオン／オフの状態、「Ｖ１０」は第２比較例の負荷制御回路において負荷に印加される負荷電圧の波形を表している。この逆起電圧の発生により、換気扇のモータの回転バランスが崩れ、うなり等の異音が生じ得る。

上述のように、第１比較例の負荷制御回路では、使用可能な負荷がＡＣモータ式の換気扇に制限され、固体発光素子を有する光源、又はＤＣモータ式の換気扇等を負荷として使用することが難しい。また、第２比較例の負荷制御回路では、使用可能な負荷が固体発光素子を有する光源、ＤＣモータ式の換気扇等に制限され、ＡＣモータ式の換気扇を負荷として使用することが難しい。つまり、第１比較例の負荷制御回路、及び第２比較例の負荷制御回路では、いずれも上記の問題が生じにくい負荷を選択する必要があり、使用可能な負荷の制限を受けやすい、という問題があった。

一方、本実施形態の負荷制御回路１０では、電圧駆動型の第１スイッチ素子Ｑ１及び自己保持型の第２スイッチ素子Ｑ２の各々のオン／オフを同期させて双方向スイッチＱ０を制御することにより、上記の問題を解決している。すなわち、本実施形態では、制御部１が基本的に第１スイッチ素子Ｑ１を用いて双方向スイッチＱ０を制御することにより、上記の第１比較例の負荷制御回路で起こり得た問題を生じにくくしている。そして、本実施形態では、制御部１が、第１スイッチ素子Ｑ１をオフ状態に切り替えるタイミングに同期して、第２スイッチ素子Ｑ２をオン状態に切り替えることで、上記の第２比較例の負荷制御回路で起こり得た問題を生じにくくしている。

具体的には、本実施形態では、制御部１は、第１スイッチ素子Ｑ１をオフ状態に切り替える前に、第２スイッチ素子Ｑ２をオン状態に切り替えている。つまり、本実施形態では、第１スイッチ素子Ｑ１がオフ状態に切り替わるタイミングにおいて、第２スイッチ素子Ｑ２がオン状態にある。このため、本実施形態では、負荷電圧Ｖ１が実際にゼロクロスする前後のタイミングで、つまり負荷１２に電流が流れている状態で第１スイッチ素子Ｑ１がオフ状態に切り替わっても、負荷１２に流れる電流が急峻に変化しない。したがって、本実施形態では、負荷１２に含まれるインダクタンス成分にて逆起電圧が生じにくい（図４参照）。図４に示す例では、「Ｑ１」は第１スイッチ素子Ｑ１のオン／オフの状態、「Ｑ２」は第２スイッチ素子Ｑ２のオン／オフの状態、「Ｖ１」は負荷電圧Ｖ１の波形を表している。

上述のように、本実施形態では、第１比較例の負荷制御回路では使用することが難しい種類の負荷１２を使用することが可能である。同様に、本実施形態では、第２比較例の負荷制御回路では使用することが難しい種類の負荷１２を使用することが可能である。つまり、本実施形態では、使用可能な負荷１２の制限を受けにくい、という利点がある。

（４）変形例
上述の実施形態は、本開示の様々な実施形態の一つに過ぎない。上述の実施形態は、本開示の目的を達成できれば、設計等に応じて種々の変更が可能である。また、負荷制御回路１０と同様の機能は、負荷制御方法、（コンピュータ）プログラム、又はプログラムを記録した非一時的記録媒体等で具現化されてもよい。

一態様に係る負荷制御方法は、双方向スイッチＱ０を、電圧駆動型の第１スイッチ素子Ｑ１及び自己保持型の第２スイッチ素子Ｑ２の各々のオン／オフを同期させて制御する。双方向スイッチＱ０は、電源１１と負荷１２との間に電気的に接続されて電源１１と負荷１２との間の導通／非導通を切り替える。第１スイッチ素子Ｑ１及び第２スイッチ素子Ｑ２は、双方向スイッチＱ０の制御端子Ｔ１に並列に電気的に接続される。

一態様に係るプログラムは、１以上のプロセッサに、上記の負荷制御方法を実行させるためのプログラムである。

以下、上述の実施形態の変形例を列挙する。以下に説明する変形例は、適宜組み合わせて適用可能である。

本開示における負荷制御回路１０は、例えば、制御部１等に、コンピュータシステムを含んでいる。コンピュータシステムは、ハードウェアとしてのプロセッサ及びメモリを主構成とする。コンピュータシステムのメモリに記録されたプログラムをプロセッサが実行することによって、本開示における負荷制御回路１０としての機能が実現される。プログラムは、コンピュータシステムのメモリに予め記録されてもよく、電気通信回線を通じて提供されてもよく、コンピュータシステムで読み取り可能なメモリカード、光学ディスク、ハードディスクドライブ等の非一時的記録媒体に記録されて提供されてもよい。コンピュータシステムのプロセッサは、半導体集積回路（ＩＣ）又は大規模集積回路（ＬＳＩ）を含む１ないし複数の電子回路で構成される。ここでいうＩＣ又はＬＳＩ等の集積回路は、集積の度合いによって呼び方が異なっており、システムＬＳＩ、ＶＬＳＩ（Very Large Scale Integration）、又はＵＬＳＩ（Ultra Large Scale Integration）と呼ばれる集積回路を含む。さらに、ＬＳＩの製造後にプログラムされる、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）、又はＬＳＩ内部の接合関係の再構成若しくはＬＳＩ内部の回路区画の再構成が可能な論理デバイスについても、プロセッサとして採用することができる。複数の電子回路は、１つのチップに集約されていてもよいし、複数のチップに分散して設けられていてもよい。複数のチップは、１つの装置に集約されていてもよいし、複数の装置に分散して設けられていてもよい。ここでいうコンピュータシステムは、１以上のプロセッサ及び１以上のメモリを有するマイクロコントローラを含む。したがって、マイクロコントローラについても、半導体集積回路又は大規模集積回路を含む１ないし複数の電子回路で構成される。

また、負荷制御回路１０の少なくとも一部の機能が、１つの筐体内に集約されていることは負荷制御回路１０に必須の構成ではなく、負荷制御回路１０の構成要素は、複数の筐体に分散して設けられていてもよい。さらに、負荷制御回路１０の少なくとも一部の機能、例えば、制御部１の機能がクラウド（クラウドコンピューティング）等によって実現されてもよい。

上述の実施形態において、電源１１は、単相１００〔Ｖ〕、５０〔Ｈｚ〕の商用電源であってもよい。また、電源１１の電圧値は、１００〔Ｖ〕に限らない。

上述の実施形態において、双方向スイッチＱ０は、双方向サイリスタに限らず、接続端子１０１と接続端子１０２との間に電気的に直列に接続された２つのＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）であってもよい。２つのＭＯＳＦＥＴは、ソース端子同士が互いに接続される、つまり、いわゆる逆直列に接続されることにより、双方向の電流の通過／遮断を切り替える。また、双方向スイッチＱ０は、例えばＧａＮ（窒化ガリウム）等のワイドバンドギャップの半導体材料を用いたダブルゲート（デュアルゲート）構造の半導体素子であってもよい。

上述の実施形態において、第１スイッチ素子Ｑ１は、ＦＥＴに限らず、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）であってもよい。

上述の実施形態において、制御部１は、１つの回路である必要はなく、２以上の回路で実現されてもよい。一例として、制御部１は、第１スイッチ素子Ｑ１を制御する回路と、第２スイッチ素子Ｑ２を制御する回路と、で構成されていてもよい。

（まとめ）
以上述べたように、第１の態様に係る負荷制御回路（１０）は、双方向スイッチ（Ｑ０）と、電圧駆動型の第１スイッチ素子（Ｑ１）と、自己保持型の第２スイッチ素子（Ｑ２）と、制御部（１）と、を備える。双方向スイッチ（Ｑ０）は、電源（１１）と負荷（１２）との間に電気的に接続されて電源（１１）と負荷（１２）との間の導通／非導通を切り替える。第１スイッチ素子（Ｑ１）及び第２スイッチ素子（Ｑ２）は、双方向スイッチ（Ｑ０）の制御端子（Ｔ１）に並列に電気的に接続され、電源（１１）から双方向スイッチ（Ｑ０）へ駆動電力を供給するか否かを切り替える。制御部（１）は、第１スイッチ素子（Ｑ１）及び第２スイッチ素子（Ｑ２）の各々のオン／オフを同期させて、双方向スイッチ（Ｑ０）を制御する。

この態様によれば、使用可能な負荷（１２）の制限を受けにくい、という利点がある。

第２の態様に係る負荷制御回路（１０）では、第１の態様において、第２スイッチ素子（Ｑ２）は、サイリスタである。

この態様によれば、負荷（１２）に流れる負荷電流が零になったときに、第２スイッチ素子（Ｑ２）をオフさせやすい、という利点がある。

第３の態様に係る負荷制御回路（１０）では、第１又は第２の態様において、第１スイッチ素子（Ｑ１）は、電界効果トランジスタである。

この態様によれば、第１スイッチ素子（Ｑ１）の導通状態を維持させやすい、という利点がある。

第４の態様に係る負荷制御回路（１０）では、第１～第３のいずれかの態様において、制御部（１）は、第１スイッチ素子（Ｑ１）のオン期間において、第２スイッチ素子（Ｑ２）をオンさせる。

この態様によれば、第１スイッチ素子（Ｑ１）及び第２スイッチ素子（Ｑ２）の両方がオフとなるデッドタイムが生じないので、デッドタイムに起因する負荷（１２）への影響が生じにくい、という利点がある。

第５の態様に係る負荷制御回路（１０）では、第１～第４のいずれかの態様において、制御部（１）は、負荷（１２）に印加される負荷電圧（Ｖ１）の半周期ごとに第１スイッチ素子（Ｑ１）をオンさせる。

この態様によれば、負荷電圧（Ｖ１）の１周期ごとに第１スイッチ素子（Ｑ１）をオンさせる場合と比較して、双方向スイッチ（Ｑ０）を制御する精度が向上しやすい、という利点がある。

第６の態様に係る負荷制御回路（１０）では、第１～第５のいずれかの態様において、制御部（１）は、第１スイッチ素子（Ｑ１）のオフ期間において、第２スイッチ素子（Ｑ２）をオフさせる。

この態様によれば、負荷（１２）に印加される負荷電圧（Ｖ１）が実際にゼロクロスするタイミングで第２スイッチ素子（Ｑ２）をオフさせやすい、という利点がある。

第７の態様に係る負荷制御回路（１０）では、第１～第６のいずれかの態様において、制御部（１）は、負荷（１２）に印加される負荷電圧（Ｖ１）のゼロクロスに基づいて、第１スイッチ素子（Ｑ１）を制御する。

この態様によれば、負荷電圧（Ｖ１）のゼロクロスに依らず第１スイッチ素子（Ｑ１）をオンさせる場合と比較して、双方向スイッチ（Ｑ０）を制御する精度が向上しやすい、という利点がある。

第８の態様に係る負荷制御回路（１０）では、第１～第７のいずれかの態様において、負荷（１２）は、誘導負荷を含む。

この態様によれば、誘導負荷に含まれるインダクタンス成分に起因する逆起電圧が発生しにくい、という利点がある。

第９の態様に係る負荷制御回路（１０）では、第１～第８のいずれかの態様において、負荷（１２）は、固体発光素子を有する光源と、換気扇と、を含む。

この態様によれば、１つの負荷制御回路（１０）で固体発光素子を有する光源と換気扇との両方を使用することが可能である、という利点がある。

第１０の態様に係る負荷制御方法は、双方向スイッチ（Ｑ０）を、電圧駆動型の第１スイッチ素子（Ｑ１）及び自己保持型の第２スイッチ素子（Ｑ２）の各々のオン／オフを同期させて制御する。双方向スイッチ（Ｑ０）は、電源（１１）と負荷（１２）との間に電気的に接続されて電源（１１）と負荷（１２）との間の導通／非導通を切り替える。第１スイッチ素子（Ｑ１）及び第２スイッチ素子（Ｑ２）は、双方向スイッチ（Ｑ０）の制御端子（Ｔ１）に並列に電気的に接続されて電源（１１）から双方向スイッチ（Ｑ０）へ駆動電力を供給するか否かを切り替える。

この態様によれば、使用可能な負荷（１２）の制限を受けにくい、という利点がある。

第１１の態様に係るプログラムは、１以上のプロセッサに、第１０の態様に係る負荷制御方法を実行させるためのプログラムである。

この態様によれば、使用可能な負荷（１２）の制限を受けにくい、という利点がある。

第２～第９の態様に係る構成については、負荷制御回路（１０）に必須の構成ではなく、適宜省略可能である。

１ 制御部
１０ 負荷制御回路
１１ 電源
１２ 負荷
Ｑ０ 双方向スイッチ
Ｑ１ 第１スイッチ素子
Ｑ２ 第２スイッチ素子
Ｔ１ 制御端子
Ｖ１ 負荷電圧

Claims (9)

1. 電源と負荷との間に電気的に接続されて前記電源と前記負荷との間の導通／非導通を切り替える双方向スイッチと、
   前記電源から前記双方向スイッチへ駆動電力を供給するか否かを切り替える電圧駆動型の第１スイッチ素子及び自己保持型の第２スイッチ素子と、
   前記第１スイッチ素子及び前記第２スイッチ素子の各々のオン／オフを、前記第１スイッチ素子のオン期間において前記第２スイッチ素子をオンさせ、かつ前記第１スイッチ素子のオフ期間において前記第２スイッチ素子をオフさせるように、同期させて、前記双方向スイッチを制御する制御部と、を備え、
   前記第１スイッチ素子及び前記第２スイッチ素子は、
   前記第１スイッチ素子及び前記第２スイッチ素子が非導通であれば、前記双方向スイッチが非導通となり、
   前記第１スイッチ素子及び前記第２スイッチ素子のうちの少なくとも一方が導通すれば、前記双方向スイッチが導通する
   ように、前記双方向スイッチの制御端子と接地端子との間に並列に電気的に接続される、
   負荷制御回路。
2. 前記第２スイッチ素子は、サイリスタである、
   請求項１記載の負荷制御回路。
3. 前記第１スイッチ素子は、電界効果トランジスタである、
   請求項１又は２に記載の負荷制御回路。
4. 前記制御部は、前記負荷に印加される負荷電圧の半周期ごとに前記第１スイッチ素子をオンさせる、
   請求項１～３のいずれか１項に記載の負荷制御回路。
5. 前記制御部は、前記負荷に印加される負荷電圧のゼロクロスに基づいて、前記第１スイッチ素子を制御する、
   請求項１～４のいずれか１項に記載の負荷制御回路。
6. 前記負荷は、誘導負荷を含む、
   請求項１～５のいずれか１項に記載の負荷制御回路。
7. 前記負荷は、固体発光素子を有する光源と、換気扇と、を含む、
   請求項１～６のいずれか１項に記載の負荷制御回路。
8. 電源と負荷との間に電気的に接続されて前記電源と前記負荷との間の導通／非導通を切り替える双方向スイッチを、前記電源から前記双方向スイッチへ駆動電力を供給するか否かを切り替える電圧駆動型の第１スイッチ素子及び自己保持型の第２スイッチ素子であって前記第１スイッチ素子及び前記第２スイッチ素子が非導通であれば前記双方向スイッチが非導通となり前記第１スイッチ素子及び前記第２スイッチ素子のうちの少なくとも一方が導通すれば前記双方向スイッチが導通するように前記双方向スイッチの制御端子と接地端子との間に並列に電気的に接続される前記第１スイッチ素子及び前記第２スイッチ素子の各々のオン／オフを、前記第１スイッチ素子のオン期間において前記第２スイッチ素子をオンさせかつ前記第１スイッチ素子のオフ期間において前記第２スイッチ素子をオフさせるように同期させて、制御する、
   負荷制御方法。
9. １以上のプロセッサに、
   請求項８記載の負荷制御方法を実行させるための、
   プログラム。

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