开关装置的制作方法

文档序号:13742339阅读:161来源:国知局
开关装置的制作方法

本发明总地涉及开关装置,更详细地,涉及具有机械继电器和半导体继电器的开关装置。



背景技术:

过去,已知使流过直流电流的直流电流流路成为开路或闭路的直流开关,例如在文献1(日本专利申请公开编号2012-28193)中进行了公开。该直流开关具备插入到直流电流流路的电子开闭开关和与电子开闭开关并联连接的机械开闭开关。另外,该直流开关具备开关控制电路,其对机械开闭开关与电子开闭开关相互的开闭的时间差进行控制。

并且开关控制电路进行控制,以使得在电子开闭开关被设为闭路的给定时间后将机械开闭开关设为闭路。由此,该直流开关减小了将直流电流流路设为导通的情况下的电子开闭开关的电力损耗。

但在上述现有例中,为了设置电子开闭开关(半导体继电器)与机械开闭开关(机械继电器)相互的开闭的时间差,需要对电子开闭开关和机械开闭开关个别给出控制信号来进行控制。为此,现有例有难以用1个控制信号控制组合了半导体继电器以及机械继电器的混合继电器的问题。



技术实现要素:

本发明鉴于上述的点而提出,目的在于,能用1个控制信号容易地控制组合了半导体继电器以及机械继电器的混合继电器。

本发明的一个方式所涉及的开关装置具备半导体继电器、机械继电器和控制电路。所述半导体继电器开闭从电源向负载的供电路。所述机械继电器具有与所述半导体继电器并联电连接的触点部,通过对应于从外部输入的控制信号将所述触点部接通/断开来开闭所述供电路。所述控制电路接收所述控制信号来控制所述半导体继电器。所述半导体继电器具有半导体开关。所述半导体开关对应于积蓄于电容组件的电荷进行接通/断开来开闭所述供电路。所述控制电路构成为:通过控制所述半导体开关,来使所述半导体开关从接通成为断开的定时比所述机械继电器的所述触点部从接通成为断开的时机滞后。

附图说明

图1是表示本发明的实施方式1所涉及的开关装置的概略图。

图2是利用同上的开关装置的电路的概略图。

图3是同上的开关装置的动作说明图。

图4是表示本发明的实施方式1的变形例所涉及的开关装置的概略图。

图5是同上的开关装置的动作说明图。

图6是表示本发明的实施方式2所涉及的开关装置的概略图。

图7是表示同上的开关装置中的充放电路径的一例的图。

图8是表示同上的开关装置中的阻抗电路的一例的图。

图9是电源为交流电源的情况下的同上的开关装置的动作说明图。

图10是电源为直流电源的情况下的同上的开关装置的动作说明图。

图11是表示同上的开关装置中的阻抗电路的一例的图。

图12是表示同上的开关装置中的阻抗电路其他一例的图。

具体实施方式

以下详细说明本发明的实施方式1、实施方式1的变形例以及实施方式2所涉及的开关装置。但以下说明的构成只是本发明的一例,本发明并不限定于下述的构成,即使是这些构成以外,只要是不脱离本发明所涉及的技术思想的范围,就能对应于设计等进行种种变更。

(实施方式1)

本发明的实施方式1所涉及的开关装置1如图1、图2所示那样具备半导体继电器2、机械继电器3和控制电路4。半导体继电器2对从电源a1向负载b1的供电路进行开闭。机械继电器3具有与半导体继电器2并联电连接的触点部32,对应于从外部输入的控制信号来将触点部32接通/断开,由此开闭供电路。控制电路4接受控制信号来控制半导体继电器2。

半导体继电器2具有半导体开关2b。半导体开关2b对应于积蓄于电容组件(电容器42)的电荷来进行接通/断开,由此开闭供电路。控制电路4构成为:通过控制半导体开关2b,来使半导体开关2b从接通成为断开的时机(timing)比机械继电器3的触点部32从接通成为断开的时机滞后。

<构成>

以下详细说明本实施方式的开关装置1。在以下的说明中,所谓「被输入控制信号当中的接通信号」,意味着「控制信号成为高电平」。另外,所谓「被输入控制信号当中的断开信号」,意味着「控制信号成为低电平」。

本实施方式的开关装置1如图1所示那样,具备一对输入端子101、102(第1输入端子101、第2输入端子102)和一对输出端子111、112(第1输出端子111、第2输出端子112)。在一对输入端子101、102经由控制电路4电连接半导体继电器2的一对输入端201、202(第1输入端201、第2输入端202)。另外,在一对输入端子101、102电连接机械继电器3的一对输入端301、302(第1输入端301、第2输入端302)。另外,在一对输出端子111、112电连接半导体继电器2的一对输出端211、212(第1输出端211、第2输出端212)和机械继电器3的一对输出端311、312(第1输出端311、第2输出端312)。即,机械继电器3与半导体继电器2并联电连接。

本实施方式的开关装置1通过半导体继电器2以及机械继电器3的至少任意一方接通而成为接通。另外,本实施方式的开关装置1通过半导体继电器2以及机械继电器3的两方断开而成为断开。

对一对输入端子101、102从例如微机(微型计算机)输入控制信号。另外,在一对输入端子101、102间电连接齐纳二极管zd1,使得不会被输入过大的电压。

在一对输出端子111、112如图2所示那样电连接电源a1以及负载b1。因此,若一对输出端子111、112间为非导通(开关装置1断开),就不会从电源a1对负载b1提供电力。另外,若一对输出端子111、112间导通(开关装置1接通),就会从电源a1对负载b1提供电力。即,本实施方式的开关装置1开闭从电源a1向负载b1的供电路。另外,在本实施方式的开关装置1中,作为电源a1而使用直流电源,但也可以使用交流电源。

负载b1例如是电动汽车(electricvehicle:ev)。其他,负载b1例如也可以是安全设备、娱乐设备、医疗设备或蓄电池系统、加热器、dc电动机等。若电源a1是交流电源,则负载b1由通过被提供交流电力而动作的负载构成。另外,若电源a1是直流电源,则负载b1由通过被提供直流电力而动作的负载构成。另外,负载b1既可以是电阻负载,也可以是感性负载。在本实施方式中,负载b1例如是开闭器所具有的线圈,是感性负载。

半导体继电器2是所谓的无触点继电器,具备发光元件2a、半导体开关2b和受光元件2c。发光元件2a和半导体开关2b相互电绝缘。即,在本实施方式的开关装置1中,半导体继电器2通过使用发光元件2a以及受光元件2c来将一对输入端201、202与一对输出端211、212之间电绝缘。换言之,半导体继电器2可以说具备将初级侧(一对输入端子101、102侧)和次级侧(一对输出端子111、112侧)电绝缘的绝缘部2a、2c。

该绝缘部2a、2c也可以是其他构成。例如半导体继电器2也可以是通过取代发光元件2a以及受光元件2c而使用电容器来将一对输入端201、202与一对输出端211、212之间电绝缘的构成。另外,在使用电容器的情况下,半导体继电器2需要进一步具备用于驱动半导体开关2b的驱动电路。

发光元件2a构成为将输入到一对输入端201、202的电信号变换成光。在本实施方式中,发光元件2a是发光二极管。发光二极管的阳极与第1输入端201电连接,阴极与第2输入端202电连接。发光元件2a接受输入到一对输入端201、202的控制信号当中的接通信号来进行发光。另外,发光元件2a在正接受控制信号当中的断开信号的期间不发光。另外,构成发光元件2a的发光二极管的数量并不限定于1个,也可以是多个。

在此,若将用于驱动机械继电器3的控制信号当中的接通信号直接输入到半导体继电器2,则有可能会在发光元件2a流过过大的电流。为此,在本实施方式的开关装置1中,电流调整用的电阻11与发光元件2a串联电连接。由该电阻11防止在发光元件2a流过过大的电流。

受光元件2c构成为接受发光元件2a发出的光而产生光电动势。在本实施方式中,受光元件2c由将多个光电二极管串联电连接而形成的光电二极管阵列构成。

半导体开关2b是n沟道的增强型mosfet(metal-oxide-semiconductorfield-effecttransistor,金属氧化物半导体场效应晶体管)。半导体开关2b的栅极与受光元件2c的高电位侧的一端电连接。另外,半导体开关2b的漏极与第1输出端子111电连接。另外,半导体开关2b的源极与受光元件2c的低电位侧的一端以及第2输出端子112电连接。半导体开关2b构成为对应于积蓄于栅极电容的电荷来接通/断开。另外,所谓「栅极电容」,是存在于半导体开关2b的栅极-源极间的电容器(一般称作「栅极输入电容」)以及存在于栅极-漏极间的电容器(一般称作「栅极输出电容」)。

另外,在本实施方式中,半导体开关2b既可以是1个,也可以是2个。即,在电源a1是交流电源的情况下,开关装置1需要2个半导体开关2b。另外,在本实施方式中,半导体开关2b是增强型mosfet,例如可以是igbt(insulatedgatebipolartransistor,绝缘栅双极型晶体管)等半导体元件。

半导体继电器2还具备半导体元件2d和电阻2e,作为用于对半导体开关2b的栅极电容进行充电以及放电的充放电路径。半导体元件2d是n沟道的耗尽型mosfet。半导体元件2d的漏极与受光元件2c的高电位侧的一端电连接。半导体元件2d的栅极与受光元件2c的低电位侧的一端电连接。另外,半导体元件2d的源极经由电阻2e与受光元件2c的低电位侧的一端电连接。换言之,电阻2e与半导体元件2d的栅极-源极间电连接。

开关装置1还具备控制电路4和变阻器(varistor)vr1。变阻器vr1与一对输出端211、212间电连接。变阻器vr1在开关装置1断开时从施加在一对输出端211、212间的过大的反电动势保护半导体开关2b。另外,在负载b1是电阻负载的情况下不需要变阻器vr1。

控制电路4具有延迟电路5和缓冲电路6。延迟电路5具备电阻41和电容器42。电阻41电连接到第1输入端子101与缓冲电路6的输入端之间。电容器42电连接到电阻41以及缓冲电路6的输入端的连接点与第2输入端子102之间。延迟电路5构成为:使输入到一对输入端子101、102的控制信号延迟,将延迟的控制信号输入到半导体继电器2的一对输入端201、202。为此,在本实施方式的开关装置1中,能使控制信号输入到半导体继电器2的时机比控制信号输入到机械继电器3的时机滞后。

缓冲电路6电连接到延迟电路5的高压侧的输出端与半导体继电器2的第1输入端201之间。对缓冲电路6输入通过延迟电路5而延迟的控制信号。然后,缓冲电路6直到输入的控制信号的电压达到阈值电压为止都不输出控制信号,若达到阈值电压,就输出控制信号。例如,在控制信号当中的接通信号输入到缓冲电路6的情况下,若接通信号的电压高于阈值电压,则缓冲电路6输出接通信号。另外,在控制信号当中的断开信号输入到缓冲电路6的情况下,若断开信号的电压低于阈值电压,则缓冲电路6输出断开信号。

即,缓冲电路6构成为:经由延迟电路5被输入控制信号,若控制信号的电压达到阈值电压,就输出控制信号。因此,缓冲电路6将对应于延迟电路5的时间常数而电压平缓地变化的控制信号变换成矩形波状的控制信号,将变换的控制信号输出到发光元件2a。为此在本实施方式的开关装置1中,由于不对半导体继电器2输入伴随时间经过而电压平缓地变化的控制信号,因此能缩短半导体开关2b在能动区域动作的时间。其结果,在本实施方式的开关装置1中,能提升半导体开关2b的动作的稳定性。

以下说明半导体继电器2的动作。若对一对输入端子101、102输入控制信号当中的接通信号,则开始在延迟电路5的电容器42积蓄电荷。为此,经由延迟电路5的控制信号的电压从低电平向高电平伴随时间经过而平缓上升。然后,若在电容器42充分积蓄了电荷,经由延迟电路5的接通信号的电压达到缓冲电路6的阈值电压,则缓冲电路6输出接通信号,由此发光元件2a发光。

于是,接受发光元件2a发出的光而受光元件2c产生光电动势。然后,通过从受光元件2c向半导体元件2d以及电阻2e流过电流,从而在电阻2e产生电压降,通过该电压降而半导体元件2d断开。为此,电流从受光元件2c流入到半导体开关2b的栅极,半导体开关2b的栅极电容被充电,半导体开关2b接通。由此一对输出端子111、112间导通。

若对一对输入端子101、102输入控制信号当中的断开信号,延迟电路5的电容器42就开始放电。为此,经由延迟电路5的控制信号的电压从高电平向低电平伴随时间经过而平缓下降。然后,若电容器42充分放电,经由延迟电路5的断开信号的电压达到缓冲电路6的阈值电压,则通过缓冲电路6输出断开信号而发光元件2a不再发光。

于是,由于受光元件2c不再产生光电动势,因此不再产生电阻2e中的电压降,半导体元件2d接通。由此,由于半导体开关2b的栅极电容在经由半导体元件2d的路径放电,因此半导体开关2b断开。由此一对输出端子111、112间成为非导通。

即,半导体开关2b通过对应于积蓄于电容组件(电容器42)的电荷而接通/断开,来开闭从电源a1向负载b1的供电路。换言之,半导体继电器2对应于从外部输入的控制信号来开闭从电源a1向负载b1的供电路。

如上述那样,半导体继电器2具备发光元件2a和受光元件2c。并且半导体开关2b构成为通过受光元件2c产生的光电动势而接通/断开。为此在本实施方式的开关装置1中,有输入输出间的电位差难以影响到半导体开关2b的接通/断开的优点。另外,是否在半导体继电器2采用该构成是任意的。

另外,半导体继电器2并不限定于图1所示的电路构成。例如在半导体继电器2中,半导体开关2b构成为对应于发光元件2a发出的光的有无而接通/断开即可。

机械继电器3是所谓的有触点继电器(例如电磁继电器),具备线圈31和触点部32。线圈31使其第1端与第1输入端301电连接,使其第2端与第2输入端302电连接。线圈31若在一对输入端301、302被输入控制信号,就进行励磁。

触点部32使其第1端与第1输出端311电连接,使其第2端与第2输出端312电连接。触点部32具备固定触点和可动触点。固定触点与可动触点之间对应于线圈31的励磁、非励磁而开闭。在本实施方式中,由于在线圈31未被励磁时,可动触点与固定触点分开,因此触点部32断开。并且触点部32构成为:若线圈31被励磁,则可动触点与固定触点接触,由此切换成接通。

即,机械继电器3通过对应于输入到一对输入端301、302的控制信号来机械地切换触点部32的接通/断开,从而切换一对输出端子111、112间的导通、非导通。换言之,机械继电器3通过对应于控制信号而触点部32接通/断开来开闭从电源a1向负载b1的供电路。

<动作>

以下使用图3来说明本实施方式的开关装置1的动作。在此,图3所示的「触点电压」是在一对输出端子111、112间施加的电压。另外,图3所示的「第1电流」是流过半导体继电器2的一对输出端211、212的电流。并且图3所示的「第2电流」是流过机械继电器3的一对输出端311、312的电流。

首先在时刻t10,若对一对输入端子101、102输入控制信号当中的接通信号,则在时刻t10起给定时间后的时刻t11(>t10),机械继电器3的触点部32接通。为此一对输出端311、312间导通,流过第2电流。于是,由于一对输出端子111、112间也导通,因此从电源a1向负载b1的供电路闭合,电流流向负载b1。在本实施方式中,由于负载b1是感性负载,因此第2电流从时刻t11到时刻t12(>t11)慢慢增大。另外,在负载b1是电阻负载的情况下,第2电流在时刻t11陡峭地上升。

在时刻t12,通过控制电路4而接通信号延迟,因此在半导体继电器2尚未输入接通信号,半导体继电器2的半导体开关2b不接通。之后,若从时刻t12起进一步经过时间成为时刻t13(>t12),则经由控制电路4对半导体继电器2输入接通信号,由此半导体继电器2的半导体开关2b接通。这时,由于触点部32的接触电阻与半导体开关2b的接通电阻比较更小,因此从电源a1流向负载b1的电流几乎都经由触点部32流动。为此,在本实施方式的开关装置1中,与不使用机械继电器3而仅用半导体继电器2将供电路闭合的情况比较,半导体开关2b的接通电阻中的电力损耗以及发热变小,能增大通电电流。另外,所谓「通电电流」,是从电源a1向负载b1的供电路闭合时流过一对输出端子111、112间的电流。

接下来,若在时刻t14(>t13)对一对输入端子101、102输入控制信号当中的断开信号,则在时刻t14起给定时间后的时刻t15(>t14),机械继电器3的触点部32断开。于是,由于一对输出端311、312间成为非导通,因此不再流过第2电流,流过第1电流。在该时间点,通过控制电路4而断开信号延迟,因此在半导体继电器2尚未输入断开信号,半导体继电器2的半导体开关2b不断开。

之后,若从时刻t15起进一步经过时间成为时刻t16(>t15),则经由控制电路4对半导体继电器2输入断开信号,由此半导体继电器2的半导体开关2b断开。于是,由于一对输出端子111、112间成为非导通,因此从电源a1向负载b1的供电路打开,电流不再流到负载b1。在本实施方式中,由于负载b1是感性负载,因此虽然瞬间产生反电动势,但从时刻t16到时刻t17(>t16)变阻器vr1发挥功能,由此触点电压不会成为过大的电压。

在此,在机械继电器3的触点部32断开时,由于半导体开关2b不断开,因此在一对输出端子111、112间不施加电源电压。为此在本实施方式的开关装置1中,与半导体继电器2的半导体开关2b比机械继电器3的触点部32先断开的情况比较,难以在触点部32的断开时产生电弧。

如上述那样,在本实施方式的开关装置1中,在对一对输入端子101、102输入控制信号当中的断开信号时,期望控制得与半导体开关2b相比触点部32先断开。以下将该控制称作「优先断开控制」。在此,通常的话,由于半导体开关2b的断路时间短于触点部32的复原时间,因此半导体开关2b会比触点部32先断开。

为此在本实施方式中,控制电路4构成为:通过控制半导体开关2b,使半导体开关2b从接通成为断开的时机比机械继电器3的触点部32从接通成为断开的时机滞后。为此在本实施方式的开关装置1中,即使不个别地控制半导体继电器2以及机械继电器3,也能用1个控制信号实现优先断开控制。

另外,在本实施方式中,控制电路4构成为:通过控制半导体开关2b,使半导体开关2b从断开成为接通的时机比机械继电器3的触点部32从断开成为接通的时机滞后。为此在本实施方式的开关装置1中,能防止在一对输出端子111、112间导通时在半导体开关2b瞬间流过过大的电流。另外,是否采用该构成是任意的。

<效果>

如上述那样,在本实施方式的开关装置1中,由于具备控制电路4,因此不需要个别地控制半导体继电器2以及机械继电器3并错开各个断开时机这样复杂的控制。即,本实施方式的开关装置1能用1个控制信号容易地控制组合了半导体继电器2以及机械继电器3的混合继电器。

另外,本实施方式的开关装置1是控制信号为高电平时半导体开关2b(触点部32)接通的构成,但也可以是其他构成。即,本实施方式的开关装置1也可以构成为:在控制信号为低电平时,半导体开关2b(触点部32)接通。在该情况下,所谓「被输入控制信号当中的接通信号」,意味着「控制信号成为低电平」。进而,所谓「不再被输入控制信号当中的断开信号」,意味着「控制信号成为高电平」。

(实施方式1的变形例)

以下使用图4来说明发明的实施方式1的变形例所涉及的开关装置1a。本变形例的开关装置1a在取代控制电路4而具备控制电路4a这点上与实施方式1的开关装置1相异。另外,由于除了本变形例的开关装置1a当中的控制电路4a以外的构成与实施方式1的开关装置1相同,因此在此省略说明。

<构成>

如图4所示那样,控制电路4a取代延迟电路5而具有延迟电路5a。延迟电路5a除了具备延迟电路5的电阻41和电容器42以外,还具备二极管43和电阻44、45。另外,在延迟电路5a中,电阻41的电阻值小于实施方式1的延迟电路5中的电阻41的电阻值。二极管43的阳极与第1输入端子101电连接,阴极与电阻41电连接。电阻44与电容器42并联电连接。电阻44的电阻值与电阻41的电阻值相比变大。电阻45与电容器42串联电连接。电阻45的电阻值与电阻41的电阻值相同程度。

在此,由于在对一对输入端子101、102间输入控制信号当中的接通信号时,在延迟电路5a中,电阻41的电阻值与实施方式1的延迟电路5中的电阻41的电阻值相比变小,因此与延迟电路5相比,时间常数小。因此,控制电路4a引起的接通信号的延迟时间短于实施方式1的控制电路4引起的接通信号的延迟时间。

另外,在对一对输入端子101、102间输入控制信号当中的断开信号时,在延迟电路5a中,通过二极管43防止积蓄于电容器42的电荷向机械继电器3放电。进而在延迟电路5a中,通过与电容器42并联连接的电阻44以及与电容器42串联连接的电阻45而使积蓄于电容器42的电荷进行放电的时间比较长。因此,控制电路4a引起的断开信号的延迟时间变得长于控制电路4a引起的接通信号的延迟时间。

在本变形例的开关装置1a中,利用半导体继电器2的半导体开关2b的通路(turnon)时间与机械继电器3的触点部32的动作时间比较要短这一特性。即,使控制电路4a引起的接通信号的延迟时间短于半导体开关2b的通路时间与触点部32的动作时间的差分。为此在本变形例的开关装置1a中,即使接通信号通过控制电路4a而延迟,电能使半导体开关2b从断开成为接通的时机早于触点部32从断开成为接通的时机。另外,在本变形例的开关装置1a中,通过控制电路4a而使断开信号的延迟时间长于接通信号的延迟时间。为此在本变形例的开关装置1a中,与实施方式1的控制电路4同样地,都能使半导体开关2b从接通成为断开的时机与触点部32从接通成为断开的时机相比滞后。

<动作>

以下使用图5来说明本变形例的开关装置1a的动作。首先在时刻t20,若对一对输入端子101、102输入控制信号当中的接通信号,则在从时刻t20起给定时间后的时刻t21(>t20),半导体继电器2的半导体开关2b接通。为此一对输出端311、312间导通,流过第1电流。于是,由于一对输出端子111、112间也导通,因此从电源a1向负载b1的供电路闭合,电流流向负载b1。在本实施方式中,由于负载b1是感性负载,因此第1电流从时刻t21到时刻t22(>t21)慢慢增大。另外,在负载b1是电阻负载的情况下,第1电流在时刻t21陡峭地上升。

在该时间点,机械继电器3的触点部32不接通。之后,在时刻t22起给定时间后的时刻t23(>t22),机械继电器3的触点部32接通。在此,在机械继电器3的触点部32接通时,触点电压由于成为与半导体开关2b的漏极-源极间的接通电阻中的电压降相应的电压,因此与电源电压的最大电压比较要小。为此在本变形例的开关装置1a中,与不使用半导体继电器2而仅用机械继电器3来闭合供电路的情况比较,能减小会在触点部32的接通时产生的浪涌电流。

接下来,在时刻t24(>t23),若对一对输入端子101、102输入控制信号当中的断开信号,则在从时刻t24起给定时间后的时刻t25(>t24),机械继电器3的触点部32断开。于是,由于一对输出端311、312间成为非导通,因此不再流过第2电流,流过第1电流。在该时间点,由于通过控制电路4a而断开信号延迟,因此在半导体继电器2尚未输入断开信号,半导体继电器2的半导体开关2b不断开。

之后,若从时刻t25起进一步经过时间成为时刻t26(>t25),则经由控制电路4a对半导体继电器2输入断开信号,由此半导体继电器2的半导体开关2b断开。于是,由于一对输出端子111、112间成为非导通,因此从电源a1向负载b1的供电路打开,电流不再流到负载b1。另外,从时刻t26到时刻27(>t26)为止是变阻器vr1发挥功能的时间。

如上述那样,在本变形例的开关装置1a中,在对一对输入端子101、102输入控制信号当中的接通信号时,期望控制得与机械继电器3的触点部32相比而半导体继电器2的半导体开关2b先接通。以下将该控制称作「优先接通控制」。

在本变形例的开关装置1a中,利用半导体开关2b的通路时间与触点部32的动作时间比较要短这一特性,并使用控制电路4a,来实现优先接通控制。即,在本变形例中,控制电路4a构成为:通过控制半导体开关2b,来使半导体开关2b从断开成为接通的时机早于机械继电器3的触点部32从断开成为接通的时机。为此在本变形例的开关装置1a中,即使不个别地控制半导体继电器2以及机械继电器3,也能用1个控制信号实现优先接通控制。另外,在本变形例的开关装置1a中,与实施方式1的控制电路4同样,也通过使用控制电路4a来实现优先断开控制。

<效果>

如上述那样,在本变形例的开关装置1a中,由于具备控制电路4a,因此不需要个别地控制半导体继电器2以及机械继电器3并使各个接通/断开的时机错开这样复杂的控制。即,本变形例的开关装置1a能用1个控制信号容易地控制组合了半导体继电器2以及机械继电器3的混合继电器。

(实施方式2)

本发明的实施方式2所涉及的开关装置1b如图6所示那样具备半导体继电器2、机械继电器3和控制电路4b。半导体继电器2与从电源a1向负载b1的供电路电连接,对应于从外部输入的第1控制信号来开闭供电路。机械继电器3与半导体继电器2并联电连接,对应于从外部输入的第2控制信号来开闭供电路。

半导体继电器2具有半导体开关23、24。半导体开关23、24通过对应于第1控制信号进行接通/断开来开闭供电路。另外,半导体开关23、24构成为对应于积蓄于电容组件(栅极电容)的电荷来接通/断开。

控制电路4b具有充放电路径25和阻抗电路26。充放电路径25对半导体开关23、24的栅极电容进行充电以及放电。阻抗电路26与充放电路径25电连接。另外,阻抗电路26构成为:具有阻抗元件261,若被输入控制信号(第1控制信号)当中的接通信号,就将第1路径s1连接到充放电路径25。进而,阻抗电路26构成为:若被输入控制信号(第1控制信号)当中的断开信号,就将充放电路径25连接到包含阻抗元件261的第2路径s2。

<构成>

以下详细说明本实施方式的开关装置1b。但在本实施方式的开关装置1b中,对与实施方式1的开关装置1共通的部分省略说明。另外,在本实施方式的开关装置1b中,作为电源a1而使用交流电源,但也可以使用直流电源。

另外,在以下的说明中,所谓「被输入第1控制信号(第2控制信号)当中的接通信号」,是指「第1控制信号(第2控制信号)成为高电平」。进而,所谓「被输入第1控制信号(第2控制信号)当中的断开信号」,是指「第1控制信号(第2控制信号)成为低电平」。

在本实施方式中,控制信号作为第1控制信号被输入到半导体继电器2的一对输入端201、202。另外,在本实施方式中,控制信号作为第2控制信号被输入到机械继电器3的一对输入端301、302。即,在本实施方式的开关装置1b中,第1控制信号和第2控制信号相同。换言之,第1控制信号以及第2控制信号的周期相互相同且相位相互相同。当然第1控制信号和第2控制信号也可以是相互不同的控制信号。

半导体继电器2是所谓的无触点继电器,具有发光元件21、受光元件22和2个半导体开关23、24。

发光元件21构成为将输入到一对输入端201、202的电信号变换成光。在本实施方式的开关装置1中,发光元件21是发光二极管。发光二极管的阳极与第1输入端201电连接,阴极与第2输入端202电连接。发光元件21接收输入到一对输入端201、202的第1控制信号并发光。另外,构成发光元件21的发光二极管的数量并不限定于1个,也可以是多个。

在此,在本实施方式的开关装置1b中,如上述那样,第1控制信号以及第2控制信号相同。为此在本实施方式的开关装置1b中,在第1输入端子101与半导体继电器2的第1输入端201之间电连接电流调整用的电阻11。由该电阻11防止在发光元件21流过过大的电流。另外,在使第1控制信号和第2控制信号个别地输入到半导体继电器2以及机械继电器3的情况下,不需要电阻11。

受光元件22构成为接收发光元件21发出的光来产生光电动势。在本实施方式的开关装置1b中,受光元件22由将多个光电二极管串联电连接而形成的光电二极管阵列构成。光电二极管阵列的阳极与充放电路径25的高电位侧的一端电连接,阴极与充放电路径25的低电位侧的一端电连接。

半导体开关23、24都是n沟道的增强型mosfet。半导体开关23、24的栅极与受光元件22的高电位侧的一端电连接。半导体开关23、24的源极经由阻抗电路26与受光元件22的低电位侧的一端电连接。另外,半导体开关23的漏极与第1输出端子111电连接。半导体开关24的漏极与第2输出端子112电连接。即,半导体开关23、24与一对输出端子111、112间串联电连接。

半导体开关23、24均构成为:对应于积蓄于电容组件(栅极电容)的电荷来接通/断开。另外,所谓「栅极电容」,是存在于半导体开关23、24的栅极-源极间的电容器以及存在于栅极-漏极间的电容器。

另外,在本实施方式的开关装置1b中,半导体开关(23、24)是2个,但也可以是1个。即,在电源a1是交流电源的情况下,开关装置1需要2个半导体开关(23、24)。另一方面,在电源a1是直流电源的情况下,开关装置1b需要1个高电位侧的半导体开关(23、24的任一者)。另外,在本实施方式的开关装置1b中,半导体开关(23、24)是增强型mosfet,例如是igbt等半导体元件。

控制电路4b具有充放电路径25和阻抗电路26。充放电路径25构成为对半导体开关23、24的栅极电容进行充电以及放电。在本实施方式的开关装置1b中,充放电路径25包含与受光元件22并联电连接的电阻251而构成。

以下简单说明充放电路径25的功能。若在受光元件22产生光电动势,电流就会从受光元件22流入半导体开关23、24的栅极,半导体开关23、24的栅极电容被充电。若在受光元件22不再产生光电动势,就经由充放电路径25的电阻251将半导体开关23、24的栅极电容放电。

然而在本实施方式的开关装置1b中,虽然充放电路径25包含电阻251而构成,但也可以是其他构成。例如充放电路径25可以如图7所示那样包含半导体元件252和电阻253而构成。半导体元件252是n沟道的耗尽型mosfet。半导体元件252的漏极与受光元件22的高电位侧的一端电连接。半导体元件252的栅极与受光元件22的低电位侧的一端电连接。另外,半导体元件252的源极经由电阻253与受光元件22的低电位侧的一端电连接。换言之,电阻253与半导体元件252的栅极-源极间电连接。

简单说明该充放电路径25的功能。若在受光元件22产生光电动势,则电流从受光元件22流到半导体元件252以及电阻253。于是在电阻253中产生电压降,由于该电压降而半导体元件252断开。为此电流从受光元件22流入半导体开关23、24的栅极,半导体开关23、24的栅极电容被充电。若在受光元件22不再产生光电动势,则不再产生电阻253中的电压降,半导体元件252接通。为此半导体开关23、24的栅极电容在经由半导体元件252的路径放电。

阻抗电路26具有阻抗元件261和开关262。阻抗元件261电连接到受光元件22的低电位侧的一端与半导体开关23、24的源极之间。开关262与阻抗元件261并联电连接。阻抗电路26构成为:若对一对输入端201、202输入第1控制信号当中的接通信号,就将电流流过的路径切换成经由开关262的第1路径s1。另外,阻抗电路26构成为:若对一对输入端201、202输入第1控制信号当中的断开信号,就将电流流过的路径切换成经由阻抗元件261的第2路径s2。换言之,阻抗电路26构成为:若被输入第1控制信号当中的接通信号,就将对半导体开关23、24的栅极电容进行充电以及放电的充放电路径25与第1路径s1连接。另外,阻抗电路26构成为:若被输入第1控制信号当中的断开信号,就将充放电路径25与包含阻抗元件261的第2路径s2连接。

在图8示出阻抗电路26的具体的电路构成的一例。该阻抗电路26由电阻r1(阻抗元件261)和二极管d1(开关262)构成。电阻r1电连接到受光元件22的低电位侧的一端与半导体开关23、24的源极之间。二极管d1与电阻r1并联电连接。另外,二极管d1的阳极与半导体开关23、24的源极电连接,阴极与受光元件22的低电位侧的一端电连接。

在该构成中,若对一对输入端201、202输入第1控制信号当中的接通信号,就会流过电流,来对半导体开关23、24的栅极电容进行充电,因此在经由二极管d1的路径(即第1路径s1)流过电流。另外,若对一对输入端201、202输入第1控制信号当中的断开信号,就会流过电流,来对半导体开关23、24的栅极电容进行放电,在经由电阻r1的路径(即第2路径s2)流过电流。

以下说明半导体继电器2的动作。若对一对输入端201、202输入第1控制信号当中的接通信号,发光元件21就会发光。于是接收发光元件21发出的光而受光元件22产生光电动势。然后,电流从受光元件22经由阻抗电路26的第1路径s1流入半导体开关23、24的栅极,由此半导体开关23、24的栅极电容被充电,半导体开关23、24接通。由此一对输出端子111、112间导通。

若对一对输入端201、202输入第1控制信号当中的断开信号,则发光元件21不再发光。为此受光元件22不再产生光电动势。于是,半导体开关23、24的栅极电容经由充放电路径25的电阻251以及阻抗电路26的第2路径s2放电,半导体开关23、24断开。由此一对输出端子111、112间成为非导通。

即,半导体继电器2通过对应于输入到一对输入端201、202的第1控制信号切换半导体开关23、24的接通/断开,来切换一对输出端子111、112间的导通、非导通。换言之,通过对应于第1控制信号而半导体开关23、24接通/断开,半导体继电器2开闭从电源a1向负载b1的供电路。

另外,在本实施方式的开关装置1b中,半导体继电器2通过使用发光元件21以及受光元件22来将一对输入端201、202与一对输出端211、212之间电绝缘。即,半导体继电器2具备将初级侧(一对输入端子101、102侧)和次级侧(一对输出端子111、112侧)电绝缘的绝缘部21、22。该绝缘部21、22也可以是其他构成。例如半导体继电器2也可以是如下构成:通过取代发光元件21以及受光元件22而使用电容器来将一对输入端201、202与一对输出端211、212之间电绝缘。另外,在使用电容器的情况下,半导体继电器2需要进一步具备用于驱动半导体开关23、24的驱动电路。

<动作>

以下使用图9来说明本实施方式的开关装置1b的动作。另外,在图10示出电源a1是直流电源的情况下的本实施方式的开关装置1b的动作,但由于与电源a1是交流电源的情况同样,因此这里省略说明。在此,图9、图10所示的「电源电压」是电源a1的输出电压。另外,图9、图10所示的「控制信号」是第1控制信号以及第2控制信号的总称。

首先,若在时刻t0对一对输入端子101、102输入控制信号当中的接通信号,则半导体继电器2的半导体开关23、24接通。为此一对输出端211、212间导通,流过第1电流。于是,由于一对输出端子111、112间也导通,因此从电源a1向负载b1的供电路闭合,电流流向负载b1。在该时间点,机械继电器3的触点部32不接通。之后,在时刻t0起给定时间后的时刻t1(>t0),机械继电器3的触点部32接通。

在此,在机械继电器3的触点部32接通时,触点电压由于成为与半导体开关23、24的漏极-源极间的接通电阻中的电压降相应的电压,因此与电源电压的最大电压比较要小。为此在本实施方式的开关装置1b中,与不使用半导体继电器2而仅用机械继电器3来闭合供电路的情况比较,能减小会在触点部32的接通时产生的浪涌电流。另外,由于触点部32的接触电阻与半导体开关23、24的接通电阻比较要小,因此从电源a1流向负载b1的电流几乎都经由触点部32流动。为此在本实施方式的开关装置1b中,与不使用机械继电器3而仅用半导体继电器2来闭合供电路的情况比较,半导体开关23、24的接通电阻中的电力损耗以及发热变小,能增大通电电流。

接下来若在时刻t2(>t1)对一对输入端子101、102输入控制信号当中的断开信号,则在从时刻t2起给定时间后的时刻t3(>t2),机械继电器3的触点部32断开。于是,由于一对输出端311、312间成为非导通,因此不再流过第2电流,流过第1电流。在该时间点,半导体继电器2的半导体开关23、24不断开。之后,在时刻t3起进一步给定时间后的时刻t4(>t3),半导体继电器2的半导体开关23、24断开。于是,由于一对输出端子111、112间成为非导通,因此从电源a1向负载b1的供电路打开,电流不再流到负载b1。

在此,由于在机械继电器3的触点部32断开时半导体开关23、24不断开,因此不对一对输出端子111、112间施加电源电压。为此在本实施方式的开关装置1b中,与半导体继电器2的半导体开关23、24比机械继电器3的触点部32先断开的情况比较,在触点部32的断开时难以产生电弧。这在电源a1是直流电源的情况下特别有效。

如上述那样,本实施方式的开关装置1b期望控制成:在对一对输入端子101、102输入控制信号当中的接通信号时,与机械继电器3的触点部32相比半导体继电器2的半导体开关23、24先接通。即,本实施方式的开关装置1b期望能执行优先接通控制。为此在本实施方式的开关装置1b中,利用半导体继电器2的半导体开关23、24的通路时间与机械继电器3的触点部32的动作时间比较要短这一特性。为此在本实施方式的开关装置1b中,即使不个别地控制半导体继电器2以及机械继电器3,也能用1个控制信号实现优先接通控制。

另外,在本实施方式的开关装置1b中,如上述那样期望控制成:在对一对输入端子101、102输入控制信号当中的断开信号时,与半导体开关23、24相比而触点部32先断开。即,本实施方式的开关装置1b期望能执行优先断开控制。在此,通常的话,由于半导体开关23、24的断路时间短于触点部32的复原时间,因此半导体开关23、24会比触点部32先断开。

因而在本实施方式的开关装置1b中,若被输入控制信号(第1控制信号)当中的断开信号,就会经由阻抗电路26的第2路径s2将半导体开关23、24的栅极电容放电。即,通过经由阻抗元件261将半导体开关23、24的栅极电容放电,从而加大了时间常数,使半导体开关23、24的通路时间长于触点部32的复原时间。为此在本实施方式的开关装置1b中,不个别地控制半导体继电器2以及机械继电器3,也能用1个控制信号实现优先断开控制。

但若经由阻抗元件261使半导体开关23、24的栅极电容充电,有可能会使半导体开关23、24的通路时间长于触点部32的动作时间。为此在本实施方式的开关装置1b中,在被输入控制信号(第1控制信号)当中的接通信号时,经由阻抗电路26的第1路径s1将半导体开关23、24的栅极电容充电。即,由于在被输入控制信号当中的接通信号时,不经由阻抗元件261地将半导体开关23、24的栅极电容充电,因此能防止半导体开关23、24的通路时间变长。

即在本实施方式中,控制电路4b构成为:通过控制半导体开关23、24,来使半导体开关23、24从接通成为断开的时机比机械继电器3的触点部32从接通成为断开的时机滞后。另外,在本实施方式中,控制电路4b构成为:通过控制半导体开关23、24,使半导体开关23、24从断开成为接通的时机早于机械继电器3的触点部32从断开成为接通的时机。

当然本实施方式的开关装置1b也可以构成为:在被输入控制信号(第1控制信号)当中的接通信号时,经由阻抗电路26的第2路径s2对半导体开关23、24的栅极电容进行充电。在该构成中,控制电路4b成为如下构成:通过控制半导体开关23、24,使半导体开关23、24从断开成为接通的时机比机械继电器3的触点部32从断开成为接通的时机滞后。

<效果>

如上述那样,本实施方式的开关装置1b具备有充放电路径25以及阻抗电路26的控制电路4b。并且在本实施方式的开关装置1b中,通过具备控制电路4b,不个别地控制半导体继电器2以及机械继电器3,也能用1个控制信号实现优先接通控制以及优先断开控制。并且在本实施方式的开关装置1b中,也可以用第1控制信号个别地控制半导体继电器2,用第2控制信号个别地控制机械继电器3。即,本实施方式的开关装置1b提高了控制的自由度。

特别在本实施方式的开关装置1b中,半导体继电器2以及机械继电器3通过1个控制信号控制。换言之,在本实施方式的开关装置1b中,第1控制信号以及第2控制信号相同。在该构成中,不需要将分别对半导体继电器2以及机械继电器3进行控制的时机错开这样复杂的控制,有控制变得容易这样的优点。即,在该构成中,能用1个控制信号容易地控制组合了半导体继电器2以及机械继电器3的混合继电器。另外,是否采用该构成是任意的。

另外,在本实施方式的开关装置1b中,半导体继电器2具备发光元件21和受光元件22。并且半导体开关23、24构成为通过受光元件22所产生的光电动势来接通/断开。为此在本实施方式的开关装置1b中,有输入输出间的电位差难以影响到半导体开关23、24的接通/断开的优点。另外,是否在半导体继电器2采用该构成是任意的。

然而阻抗电路26并不限定于图8所示的构成,也可以是其他构成。例如阻抗电路26可以如图11所示那样由电阻r1(阻抗元件261)和开关元件q1(开关262)构成。

电阻r1与图8所示的构成同样,电连接在受光元件22的低电位侧的一端与半导体开关23、24的源极之间。开关元件q1是n沟道的增强型mosfet。开关元件q1的栅极与受光元件22的高电位侧的一端电连接。开关元件q1的漏极与半导体开关23、24的源极电连接。开关元件q1的源极与受光元件22的低电位侧的一端电连接。

在该构成中,由于若对一对输入端201、202输入第1控制信号当中的接通信号,则开关元件q1接通,因此在经由开关元件q1的路径(即第1路径s1)流过电流。另外,由于若对一对输入端201、202输入第1控制信号当中的断开信号则开关元件q1断开,因此在经由电阻r1的路径(即第2路径s2)流过电流。

另外,阻抗电路26例如可以如图12所示那样由电阻r1(阻抗元件261)、电容器c1(阻抗元件261)和二极管d1(开关262)构成。电阻r1以及二极管d1与图8所示的构成同样。电容器c1与电阻r1并联电连接。

即,阻抗元件261可以包含电容元件(在此为电容器c1)。在该构成中,与仅由电阻构成阻抗元件261的情况比较,能更有效果地拉长半导体开关23、24的断路时间。另外,在图12所示的构成中,阻抗元件261由电阻r1以及电容器c1构成,但也可以仅由电容器c1构成。

另外,本实施方式的开关装置1b是第1控制信号(第2控制信号)为高电平时半导体开关23、24(触点部32)接通的构成,但也可以是其他构成。即,本实施方式的开关装置1b也可以构成为:在第1控制信号(第2控制信号)为低电平时半导体开关23、24(触点部32)接通。在该情况下,所谓「被输入第1控制信号(第2控制信号)当中的接通信号」,意味着「第1控制信号(第2控制信号)成为低电平」。进而,所谓「被输入第1控制信号(第2控制信号)当中的断开信号」,意味着「第1控制信号(第2控制信号)成为高电平」。

然而本实施方式的开关装置1b也可以进一步具备实施方式1的控制电路4、实施方式1的变形例的控制电路4a。在该情况下,也是不个别地控制半导体继电器2以及机械继电器3,就能用1个控制信号实现优先接通控制以及优先断开控制。

如从以上叙述的实施方式所明确的那样,本发明的第1方式所涉及的开关装置(1、1a、1b)具备半导体继电器(2)、机械继电器(3)和控制电路(4、4a、4b)。半导体继电器(2)开闭从电源(a1)向负载(b1)的供电路。机械继电器(3)具有与半导体继电器(2)并联电连接的触点部(32),通过对应于从外部输入的控制信号将触点部(32)接通/断开,来开闭供电路。控制电路(4、4a、4b)接收控制信号来控制半导体继电器(2)。

半导体继电器(2)具有半导体开关(2b、23、24)。半导体开关(2b、23、24)通过对应于积蓄于电容组件的电荷而接通/断开来开闭供电路。控制电路(4、4a、4b)构成为:通过控制半导体开关(2b、23、24),使半导体开关(2b、23、24)从接通成为断开的时机比机械继电器(3)的触点部(32)从接通成为断开的时机滞后。

另外,在本发明的第2方式所涉及的开关装置(1a、1b)中,在第1方式中,控制电路(4a、4b)构成为:通过控制半导体开关(2b、23、24),使半导体开关(2b、23、24)从断开成为接通的时机早于机械继电器(3)的触点部(32)从断开成为接通的时机。

另外,在本发明的第3方式所涉及的开关装置(1)中,在第1方式中,控制电路(4)构成为:通过控制半导体开关(2b),来使半导体开关(2b)从断开成为接通的时机比机械继电器(3)的触点部(32)从断开成为接通的时机滞后。

另外,在本发明的第4方式所涉及的开关装置(1、1a、1b)中,在第1~第3任意方式中,半导体继电器(2)还具有将初级侧和次级侧电绝缘的绝缘部(2a、2c、21、22)。

另外,在本发明的第5方式所涉及的开关装置(1、1a)中,在第4方式中,控制电路(4、4a)具有延迟电路(5、5a),其设于初级侧,使控制信号延迟,将进行了延迟的控制信号输出到半导体继电器(2)。

另外,在本发明的第6方式所涉及的开关装置(1、1a)中,在第5方式中,控制电路(4、4a)还具有缓冲电路(6),其构成为经由延迟电路(5、5a)被输入控制信号,若控制信号的电压达到阈值电压,就输出控制信号。

另外,本发明的第7方式所涉及的开关装置(1b)在第4~第6任意的方式中,还具备对应于控制信号对电容组件进行充电以及放电的充放电路径(25)。控制电路(4b)具有阻抗电路(26),其设于次级侧,与充放电路径(25)电连接。阻抗电路(26)具有阻抗元件(261)。并且阻抗电路(26)构成为:若被输入控制信号当中的接通信号,就将充放电路径(25)与第1路径(s1)连接,若被输入控制信号当中的断开信号,就将充放电路径(25)与包含阻抗元件(261)的第2路径(s2)连接。

另外,本发明的第8方式所涉及的开关装置(1b)中,在第7方式中,阻抗元件(261)包含电容元件(电容器(c1))。

另外,在本发明的第9方式所涉及的开关装置(1b)中,在第7或第8方式中,绝缘部(21、22)具备:接受控制信号而发光的发光元件(21);和对应于发光元件(21)发出的光而产生光电动势的受光元件(22)。

开关装置(1、1a、1b)通过具备控制电路(4、4a、4b),即使不个别地对半导体继电器(2)和机械继电器(3)给出控制信号,也能设置半导体继电器(2)与机械继电器(3)相互的开闭的时间差。因此,本发明能用1个控制信号容易地控制组合了半导体继电器(2)以及机械继电器(3)的混合继电器。

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