(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
オンおよび／またはオフ時における電力損失に関係する電圧および／または電流が著しく低減されてなる無接点スイッチであって、
前記無接点スイッチが、無接点スイッチ素子と該無接点スイッチ素子の下流においてその無接点スイッチ素子からの電流を阻止する方向に接続されている一方向に電流を流す電流制限素子とからなる第１回路素片と、電源からの電流を阻止する方向に配列されている一方向に電流を流す電流制限素子と該電流制限素子の下流に接続されている無接点スイッチ素子とからなる第２回路素片とにより並列回路を構成し、この並列回路の第１回路素片の無接点スイッチ素子と電流制限素子との間に一端が接続され、第２回路素片の電流制限素子と無接点スイッチ素子との間に他端が接続されたコイルとからなるスイッチング部と、該スイッチング部に並列接続されてなるコンデンサとを備えてなることを特徴とする無接点スイッチ。
【請求項２】
オンおよび／またはオフ時における電力損失に関係する電圧および／または電流が著しく低減されてなる無接点スイッチであって、
前記無接点スイッチが、無接点スイッチ素子と該無接点スイッチ素子の下流においてその無接点スイッチ素子からの電流を阻止する方向に接続されている一方向に電流を流す電流制限素子とからなる第１回路素片と、電源からの電流を阻止する方向に配列されている一方向に電流を流す電流制限素子と該電流制限素子の下流に接続されている無接点スイッチ素子とからなる第２回路素片とにより並列回路を構成し、この並列回路の第１回路素片の無接点スイッチ素子と電流制限素子との間に一端が接続され、第２回路素片の電流制限素子と無接点スイッチ素子との間に他端が接続されたコンデンサとからなるスイッチング部と、該スイッチング部に並列接続されてなるコイルとを備えてなることを特徴とする無接点スイッチ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は無接点スイッチに関する。さらに詳しくは、オンあるいはオフ時における電力損失や電磁放射ノイズが低減されてなる無接点スイッチに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、各種電子機器においてトランジスタを用いた無接点スイッチ（以下、単にスイッチという）が用いられている。図１１および図１２は、このスイッチｓを用いた回路の例を示すものであり、また図１３はそのスイッチｓの動作特性を模式的に示すものである。そして、このスイッチｓは、通常、制御部（図示省略）からのトリガーによりオンまたはオフされているが、図１３からわかるように、回路を流れる電流はトリガーが入力されてから所定時間経過後、いわゆる過渡状態を経て所定値に到達する。また、オフ時においても同様に、過渡状態を経てゼロとなる。一方、スイッチｓ両端の電圧は、トリガーが入力されてから所定時間経過後、いわゆる過渡状態を経てゼロとなる。また、オフ時においても同様に、過渡状態を経て所定値に到達する。
【０００３】
ところで、このスイッチｓにおける電力損失ＰＬは、下記式１により算出されることが知られている。
【０００４】
ＰＬ＝Ｖｓａｔ・ＩＳ＋ｋＶＳ・ＩＳ（ＴＯＮ＋ＴＯＦＦ）／Ｔ          （１）
ここに、
Ｖｓａｔ：トランジスタの飽和コレクタ電圧
ＩＳ  ：回路電流
ｋ    ：スイッチにより定まる定数
ＶＳ  ：スイッチの端子間電圧
ＴＯＮ  ：スイッチのオン時の過渡状態時間
ＴＯＦＦ：スイッチのオフ時の過渡状態時間
Ｔ：周期
【０００５】
ところで、前記式において第１項の損失は、飽和コレクタ電圧Ｖｓａｔが極めて低い値であるところから、第２項の損失よりも非常に小さくなる。そこで、スイッチｓにおける電力損失ＰＬを少なくするためには、第２項の損失を小さくすればよいことがわかる。
【０００６】
そのため、応答速度を向上させたトランジスタ素子が開発され、実用に供されている。例えば、ＭＯＳＦＥＴ，ＩＧＢＴ，ＳＩＴなどの高速トランジスタがそれである。
【０００７】
しかしながら、前記トランジスタ素子は、応答速度が速いところから、スイッチング損失は小さくできるが、その反面スイッチング時の電圧変化率や電流変化率が大きくなり、放出される電磁ノイズが増加し、他の電子回路や無線通信に悪影響が生じているという問題がある。
【０００８】
また、図１２に示す回路においては、スイッチｓ１をオフし、続けてスイッチｓ２をオンした場合には、スイッチｓ１が完全にオフしていない時点でスイッチｓ２がオンされるおそれがある。そのため、制御部（図示省略）にディレイタイマーを設けなければならないという問題もある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はかかる従来技術の課題に鑑みなされたものであって、オンあるいはオフ時の過渡状態における電力損失に関係する電圧および／または電流を低減することにより、スイッチの電力損失が著しく低減できる無接点スイッチを提供することを主たる目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１態様は、オンおよび／またはオフ時における電力損失に関係する電圧および／または電流が著しく低減されてなる無接点スイッチであって、無接点スイッチ素子と該無接点スイッチ素子の下流においてその無接点スイッチ素子からの電流を阻止する方向に接続されている一方向に電流を流す電流制限素子とからなる第１回路素片と、電源からの電流を阻止する方向に配列されている一方向に電流を流す電流制限素子と該電流制限素子の下流に接続されている無接点スイッチ素子とからなる第２回路素片とにより並列回路を構成し、この並列回路の第１回路素片の無接点スイッチ素子と電流制限素子との間に一端が接続され、第２回路素片の電流制限素子と無接点スイッチ素子との間に他端が接続されたコイルとからなるスイッチング部と、該スイッチング部に並列接続されてなるコンデンサとを備えてなることを特徴とする無接点スイッチに関する。
【００１３】
本発明の第２態様は、オンおよび／またはオフ時における電力損失に関係する電圧および／または電流が著しく低減されてなる無接点スイッチであって、無接点スイッチ素子と該無接点スイッチ素子の下流においてその無接点スイッチ素子からの電流を阻止する方向に接続されている一方向に電流を流す電流制限素子とからなる第１回路素片と、電源からの電流を阻止する方向に配列されている一方向に電流を流す電流制限素子と該電流制限素子の下流に接続されている無接点スイッチ素子とからなる第２回路素片とにより並列回路を構成し、この並列回路の第１回路素片の無接点スイッチ素子と電流制限素子との間に一端が接続され、第２回路素片の電流制限素子と無接点スイッチ素子との間に他端が接続されたコンデンサとからなるスイッチング部と、該スイッチング部に並列接続されてなるコイルとを備えてなることを特徴とする無接点スイッチに関する。
【００１５】
【作用】
本発明のスイッチは前記のごとく構成されているので、スイッチの電力損失ＰＬに関する式（１）の第２項の電圧あるいは電流を著しく低く、例えばゼロとできる。そのため、スイッチのオンあるいはオフに起因する電力損失が著しく低減、例えばゼロとされる。
【００１６】
また、電磁放射ノイズが低減されている本発明の好ましい態様においては、ノイズにより他の電子回路が誤作動するおそれや無線通信に悪影響を与えるおそれもなくなる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しながら、本発明を実施の形態に基づいて説明するが、本発明はかかる実施の形態のみに限定されるものではない。
【００１８】
本発明のスイッチの一実施の形態を図１に示し、このスイッチ１は、Ｎ−ＭＯＳＦＥＴ２１とダイオード２２とコイル２３との組合せからなるスイッチング部２、およびこれに並列に接続されているコンデンサ３とを主要部としてなる。なお、以下で「上流」あるいは「下流」という用語を用いるが、これは電源Ｅを基準としているもので、上流とは電源Ｅに近い方をいい、下流とは電源Ｅから遠い方をいう。
【００１９】
スイッチング部２におけるＮ−ＭＯＳＦＥＴ２１とダイオード２２とコイル２３との組合せは、具体的には、図１に示すように、Ｎ−ＭＯＳＦＥＴ２１の下流にダイオード２２をＮ−ＭＯＳＦＥＴ２１からの電流Ｉを阻止する向きに接続してなる第１回路素片２ａと、電源Ｅからの電流Ｉを阻止する向きとされているダイオード２２の下流にＮ−ＭＯＳＦＥＴ２１を接続してなる第２回路素片２ｂとにより並列回路を構成し、この並列回路の各回路素片２ａ，２ｂの中間部にコイル２３を接続してなるものである。
【００２０】
以下、図２〜図６を参照しながら、かかる構成とされているスイッチ１の動作について説明する。
【００２１】
（１）スイッチ１がオンされた場合
▲１▼制御部（図示省略）からトリガーが、第１および第２回路素片２ａ，２ｂのＮ−ＭＯＳＦＥＴ２１，２１のベースに入力され、Ｎ−ＭＯＳＦＥＴ２１，２１がオンする（図２参照）。
【００２２】
▲２▼Ｎ−ＭＯＳＦＥＴ２１，２１がオンされると、スイッチング部２に電源Ｅから電流Ｉが流れ込もうとする。すなわち、過渡状態の初めには電流ＩがＮ−ＭＯＳＦＥＴ２１、コイル２３およびＮ−ＭＯＳＦＥＴ２１を通って負荷Ｆに急激に流れ込もうとする。
【００２３】
▲３▼するとコイル２３には、よく知られているように、電流Ｉの増加を妨げる方向に起電力（逆起電力）ＥＬ１が生じて負荷Ｆへの電流Ｉが減少する（図３参照）。この場合、コイル２３の初期電流（磁束）がゼロであれば、スイッチ１がオンされた後の過渡状態におけるスイッチング部２から負荷Ｆへ流れる電流Ｉを、理論的にはゼロとすることができる。
【００２４】
▲４▼過渡状態が終了すると、所定の電流Ｉがスイッチング部２から負荷Ｆに流れ込む。すなわち、スイッチ１がオンされる。
【００２５】
このように、この実施の形態のスイッチ１によれば、Ｎ−ＭＯＳＦＥＴ２１，２１がオンされた後の過渡状態における電流Ｉを、理論的にはゼロとすることができる。それにより、スイッチ１がオンされた後の過渡状態におけるスイッチ１における電力損失を理論的にはゼロとすることができる。
【００２６】
（２）スイッチ１がオフされた場合
▲１▼制御部（図示省略）からトリガーが、第１および第２回路素片２ａ，２ｂのＮ−ＭＯＳＦＥＴ２１，２１のベースに入力され、それに基づいてＮ−ＭＯＳＦＥＴ２１，２１がオフする（図４参照）。
【００２７】
▲２▼Ｎ−ＭＯＳＦＥＴ２１，２１がオフされると、スイッチング部２の電流Ｉが消滅しようとする。すなわち、過渡状態の初めには電流ＩがＮ−ＭＯＳＦＥＴ２１、コイル２３およびＮ−ＭＯＳＦＥＴ２１を流れている電流Ｉが急激に消滅しようとする。
【００２８】
▲３▼するとコイル２３には、先と同じように、電流Ｉの減少を妨げる方向に起電力（逆起電力）ＥＬ２が生じて電流Ｉが減少が妨げられる（図５参照）。しかしながら、スイッチング部２に並列に接続されたコンデンサ３の作用により、Ｎ−ＭＯＳＦＥＴ２１両端の電圧はスイッチ１がオフされた時の電圧（ほぼゼロ）から急に変化できず、Ｎ−ＭＯＳＦＥＴ２１から転移したコイル２３に流れつづけようとする電流Ｉがダイオード２２を通して流れることによって、ゆるやかに上昇する。このように、Ｎ−ＭＯＳＦＥＴ２１がオフされた後の過渡状態におけるＮ−ＭＯＳＦＥＴ２１両端の電圧をほぼゼロとすることができ、スイッチ１がオフされた後の過渡状態におけるスイッチ１における電力損失を理論的にはゼロとすることができる。
【００２９】
▲４▼過渡状態が終了するとコイル２３の逆起電力ＥＬ２も消滅するので、スイッチング部２の電流Ｉがゼロとなる。すなわち、スイッチ１がオフされ、コイル２３の電流（磁束）もゼロになる。
【００３０】
図６に、かかるスイッチにおけるＮ−ＭＯＳＦＥＴの特性を模式図的に示してある。
【００３１】
このように本実施の形態においては、確実にゼロボルト・スイッチングあるいはゼロカレント・スイッチングが実現されるので、図７に示すように、スイッチを２個用いて双方向に駆動可能とした場合においても、図１２に示す回路の場合のように、制御部にディレイタイマーを設ける必要はない。
【００３２】
【実施例】
以下、より具体的な実施例に基づいて本発明をより具体的に説明する。
【００３３】
実施例および比較例
実施例としてスイッチング部２のＮ−ＭＯＳＦＥＴ２１に６０Ｖｘ５Ａ定格のものを用い、ダイオード２２に２００Ｖｘ５Ａの高速リカバリータイプのものを用い、コイル２３に０．１ミリヘンリーのものを用い、またスイッチング部２に並列に設けられているコンデンサ３に０．２マイクロファラッドのものを用いて構成されたスイッチ１を２個用いて図７に示すように回路を構成し、その回路のオンおよびオフ時におけるスイッチ１の特性を測定するとともに、Ｎ−ＭＯＳＦＥＴ２１のオンおよびオフ時における特性も併せて測定した。その結果を図８（ａ）および図８（ｂ）にそれぞれ示す。
【００３４】
比較例として実施例のＮ−ＭＯＳＦＥＴ２１のスイッチを２個用いて図１２に示すように回路を構成し、その回路のオンおよびオフ時におけるスイッチの特性を測定した。その結果を図８（ｃ）に示す。
【００３５】
図８（ａ）より、実施例のスイッチは、スイッチ両端の電圧変化率が押さえられ、有害な高周波放出雑音レベルが低いことがわかる。また、図８（ｂ）より、オフ時におけるＮ−ＭＯＳＦＥＴ２１両端の電圧がほぼゼロであり、またオン時の電流がほゼロであるので、オンおよびオフ時の両方においてスイッチング時の損失がほぼゼロに押さえられているのがわかる。
【００３６】
なお、前記説明においては電流を基準にして説明を行ってきたが、コイルとコンデンサを置き換えれば、電圧を基準として同様のことがいえる。
【００３７】
以上、本発明を実施の形態および実施例に基づいて説明してきたが、本発明はかかる実施の形態および実施例に限定されるものではなく、種々改変が可能である。例えばスイッチング部に用いられているトランジスタはＮ−ＭＯＳＦＥＴに限定されるものではなく、Ｐ−ＭＯＳＦＥＴとされてもよく、あるいは他の種類のトランジスタとされてもよい。また、ダイオードについても、図９に示すようにＮ−ＭＯＳＦＥＴやＰ−ＭＯＳＦＥＴなどで代用できる。さらに、コンデンサの挿入個所や個数についても改変が可能である（図１０参照）。
【００３８】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば無接点スイッチのオンあるいはオフ時の電力損失を著しく低減できるという優れた効果が得られる。また、スイッチング周波数を高めてコイルやコンデンサを小型化しても損失が少ないという効果も得られる。さらに、放射雑音が少ないために本発明のスイッチが適用される機器を小型化できるととともに、ノイズにより他の電子回路に誤作動が生ずるおそれや無線通信に悪影響を与えるおそれもないという優れた効果も得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態のスイッチの回路図である。
【図２】同スイッチを用いた回路がオンされたときの動作説明図であって、スイッチがオンされた状態を示す。
【図３】同スイッチを用いた回路がオンされたときの動作説明図であって、コイルに逆起電力が生じている状態を示す。
【図４】同スイッチを用いた回路がオフされたときの動作説明図であって、スイッチがオフされた状態を示す。
【図５】同スイッチを用いた回路がオフされたときの動作説明図であって、コイルに逆起電力が生じている状態を示す。
【図６】同スイッチの特性の説明図であって、同（ａ）は時間と電圧の関係を示し、同（ｂ）は時間と電流の関係を示す。
【図７】同スイッチを２個用いて双方向駆動が可能とされている回路図の一例である。
【図８】実施例および比較例のスイッチの特性を示すグラフであって、同（ａ）および同（ｂ）は実施例の特性を示し、同（ｃ）は比較例の特性を示す。
【図９】本発明のスイッチの他の例の回路図である。
【図１０】本発明のスイッチのさらに他の例の回路図である。
【図１１】従来のスイッチを用いた回路図の一例である。
【図１２】従来のスイッチを２個用いて双方向駆動が可能とされている回路図の一例である。
【図１３】従来のスイッチの特性の説明図である。
【符号の説明】
１        スイッチ
２        スイッチング部
２ａ      第１回路素片
２ｂ      第２回路素片
２１      Ｎ−ＭＯＳＦＥＴ
２２      ダイオード
２３      コイル
３        コンデンサ
Ｅ        電圧
ＥＬ        コイルの逆起電力
Ｉ        電流
Ｆ        負荷
【図１】
0003613646.tif 000002
【図２】
0003613646.tif 000003
【図３】
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【図４】
0003613646.tif 000005
【図５】
0003613646.tif 000006
【図６】
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【図７】
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【図８】
0003613646.tif 000009
【図９】
0003613646.tif 000010
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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