專利名稱：負(fù)載控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及串聯(lián)連接在AC功率源與諸如照明設(shè)備等的負(fù)載之間的兩線負(fù)載控制器。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)上已經(jīng)使用用于采用諸如三端雙向可控硅開關(guān)元件(triac)或者晶閘管 (thyristor)的非接觸開關(guān)元件的照明設(shè)備的負(fù)載控制器。出于簡單布線連接目的，這樣的負(fù)載控制器通常是兩線類型的并且串聯(lián)連接在AC功率源與負(fù)載之間。然而，在這樣串聯(lián)連接在AC功率源與負(fù)載之間的負(fù)載控制器中，確保其自身電路功率成為要解決的重要問題。圖13中示出的第一傳統(tǒng)示例的負(fù)載控制器50串聯(lián)連接在AC功率源2和負(fù)載3 之間并且包括主斷開/閉合單元51、整流器52、控制電路53、用于向控制電路53供應(yīng)穩(wěn)定功率的第一功率源M、用于在負(fù)載3未被供電時向第一功率源M供應(yīng)功率的第二功率源 55、用于在負(fù)載3被供電時向第一功率源M供應(yīng)功率的第三功率源56、將微小電流傳導(dǎo)至負(fù)載3的輔助斷開/閉合單元57。主斷開/閉合單元51的開關(guān)元件51a由三端雙向可控硅開關(guān)元件構(gòu)成。在負(fù)載3未被供電的負(fù)載控制器50的截止(OFF)狀態(tài)下，將從AC功率源2施加到負(fù)載控制器50的電壓經(jīng)由整流器52供應(yīng)到第二功率源55。第二功率源55是包括電阻器和齊納二極管的恒壓電路。在截止?fàn)顟B(tài)下，流經(jīng)負(fù)載3的電流是微小的電流，因而不存在負(fù)載3發(fā)生故障的可能性，并且控制電路53中消耗的電流被設(shè)定為保持微小電流，同時第二功率源陽的阻抗被設(shè)定為保持高阻抗。另一方面，在負(fù)載3被供電的負(fù)載控制器50的導(dǎo)通(ON)狀態(tài)下，通過來自控制電路53的控制信號導(dǎo)通第三功率源56并且降低負(fù)載控制器50的阻抗以增加流經(jīng)負(fù)載3的電流量。流經(jīng)第三功率源56的電流也流經(jīng)第一功率源M，并且開始對緩沖電容器59充電。 在緩沖電容器59的充電電壓增加變得高于預(yù)定閾值時，包括在第三功率源56中的齊納二極管56a擊穿(break down)并且電流開始流到輔助斷開/閉合單元57的柵極，從而使輔助斷開/閉合單元57可導(dǎo)(閉合狀態(tài))。結(jié)果，從整流器52流到第三功率源56的電流開始流經(jīng)輔助斷開/閉合單元57并且也流到主斷開/閉合單元51的開關(guān)元件51a的柵極， 從而使主斷開/閉合單元51可導(dǎo)(閉合狀態(tài))。因此，幾乎全部功率被供應(yīng)到負(fù)載3。一旦使主斷開/閉合單元51可導(dǎo)(閉合狀態(tài))，電流繼續(xù)流動。然而，在交變電流達(dá)到零交叉點(diǎn)時，開關(guān)元件51a自接地或者失效(extinguished)(即本身截止)并且主斷開/閉合單元51變?yōu)榉强蓪?dǎo)。在主斷開/閉合單元51變?yōu)榉强蓪?dǎo)(斷開狀態(tài))時，電流再次從整流器52經(jīng)由第三功率源56流到第一功率源M中并且負(fù)載控制器50執(zhí)行操作以確保其自身電路功率。即，在交變電流的每1/2周期，重復(fù)負(fù)載控制器50確保其自身電路功率的操作以及使輔助斷開/閉合單元57和主斷開/閉合單元51可導(dǎo)的操作。圖14中示出的第二傳統(tǒng)示例的負(fù)載控制器60串聯(lián)連接在AC功率源2和負(fù)載3 之間并且包括主斷開/閉合單元61、整流器62、控制電路63、用于向控制電路63供應(yīng)穩(wěn)定功率的第一功率源64、用于在負(fù)載3未被供電時向第一功率源64供應(yīng)功率的第二功率源 65、用于在負(fù)載3被供電時向第一功率源64供應(yīng)功率的第三功率源66、檢測負(fù)載電流的零交叉點(diǎn)的零交叉檢測器67。主斷開/閉合單元61的開關(guān)元件61a由兩個MOSFET構(gòu)成并且采用白熾燈泡作為待控制的負(fù)載。在向負(fù)載3供應(yīng)功率時，主斷開/閉合單元61的開關(guān)元件61a在根據(jù)外部照明等級確定的時段內(nèi)變?yōu)榭蓪?dǎo)。具體地說，開關(guān)元件61a在零交叉檢測器67檢測到電壓的零交叉點(diǎn)的時刻變?yōu)榭蓪?dǎo)(閉合狀態(tài))，并且在上述時段逝去之后，開關(guān)元件61a變?yōu)榉强蓪?dǎo) (斷開狀態(tài))。在主斷開/閉合單元61非可導(dǎo)時，與第一傳統(tǒng)示例中相同，負(fù)載控制器60 確保其自身電路功率。在主斷開/閉合單元61非可導(dǎo)時，零交叉檢測器67檢測到零交叉點(diǎn)并且在交變電流的每1/2周期重復(fù)使開關(guān)元件61a可導(dǎo)。在主斷開/閉合單元51的開關(guān)元件是如第一傳統(tǒng)示例的負(fù)載控制器50中的三端雙向可控硅開關(guān)元件或者晶閘管的情況下，需要濾波器來降低在向負(fù)載3供應(yīng)功率時生成的噪聲并且避免由于在停止向負(fù)載3供應(yīng)功率時從功率源2傳送的噪聲引起的故障。然而， 由于包括在該濾波器中的線圈58的尺寸以及由線圈58生成的熱量，難以縮小負(fù)載控制器的尺寸。為了在不使用濾波器的情況下降低由于負(fù)載控制器產(chǎn)生的噪聲，例如在專利文獻(xiàn) 1中公開的負(fù)載控制器(第三傳統(tǒng)示例)包括主斷開/閉合單元的開關(guān)元件(第一切換單元)以及具有比第一切換單元的導(dǎo)通電阻更大的導(dǎo)通電阻的第二切換單元，其中在第二切換單元導(dǎo)通之后使第一切換單元導(dǎo)通。然而，在這樣的第三傳統(tǒng)示例中，由于增加了開關(guān)元件的數(shù)量以及電路配置的復(fù)雜性，導(dǎo)通時序的控制變得復(fù)雜。此外，在主斷開/閉合單元61的開關(guān)元件61a是如第二傳統(tǒng)示例的負(fù)載控制器60 中的晶體管的情況下，負(fù)載不得不限于諸如白熾燈泡這樣的負(fù)載，其中負(fù)載電流和負(fù)載電壓處于同相(in-phased)狀態(tài)(功率因數(shù)=1)。此外，通常，用作主斷開/閉合單元的開關(guān)元件的三端雙向可控硅開關(guān)元件或者晶體管由Si制成并且是電流在元件的垂直方向上流動的垂直類型。在三端雙向可控硅開關(guān)元件的情況下，由于Ρ-Π結(jié)存在于傳導(dǎo)路徑中，在電傳導(dǎo)期間克服該屏障時會發(fā)生損失。 在晶體管的情況下，由于要求兩個元件沿相反方向連接并且用作耐壓保持層的低載流子濃度層的電阻較高，因此在電傳導(dǎo)時發(fā)生損失。由于開關(guān)元件本身產(chǎn)生大的熱耗散，這反過來要求大尺寸的熱沉，因此難以實(shí)現(xiàn)大容量且小尺寸的負(fù)載控制器。通常，這樣的負(fù)載控制器容納于設(shè)置在墻壁上的金屬盒等中。然而，由于傳統(tǒng)的負(fù)載控制器難以縮小尺寸，因此難以將負(fù)載控制器與其它傳感器、開關(guān)等組合安裝在通常使用的盒子中。因此，需要尺寸更小的負(fù)載控制器以便在通常尺寸的盒子中與其它傳感器、開關(guān)等組合使用該負(fù)載控制器?，F(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)日本專利特許公開申請No. 2006-92859

發(fā)明內(nèi)容
鑒于以上所述，本發(fā)明提供一種負(fù)載控制器，其能夠通過降低在到負(fù)載的電傳導(dǎo)中生成的熱量來實(shí)現(xiàn)尺寸減小和大容量，而不限于諸如熒光燈、白熾燈泡等的負(fù)載的功率因數(shù)。根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種負(fù)載控制器，所述負(fù)載控制器包括具有晶體管結(jié)構(gòu)的開關(guān)元件并且控制到負(fù)載的功率供應(yīng)的主斷開/閉合單元、具有晶閘管結(jié)構(gòu)的開關(guān)元件并且在所述主斷開/閉合單元非可導(dǎo)時控制到所述負(fù)載的功率供應(yīng)的輔助斷開/閉合單元、以及控制所述主斷開/閉合單元和所述輔助斷開/閉合單元的斷開/閉合的控制電路。根據(jù)本發(fā)明的負(fù)載控制器還包括經(jīng)由整流器從所述主斷開/閉合單元的兩端接收功率并且向所述控制電路供應(yīng)穩(wěn)定功率的第一功率源、經(jīng)由所述整流器從所述主斷開/ 閉合單元的兩端接收功率并且在沒有向所述負(fù)載供應(yīng)功率時向所述第一功率源供應(yīng)功率的第二功率源、以及在所述主斷開/閉合單元或者所述輔助斷開/閉合單元閉合的狀態(tài)下向所述負(fù)載供應(yīng)功率時向所述第一功率源供應(yīng)功率的第三功率源。并且，根據(jù)本發(fā)明的負(fù)載控制器包括檢測輸入至所述第三功率源的電壓的電壓檢測器，其中在所述電壓檢測器檢測到輸入至所述第三功率源的所述電壓達(dá)到電壓閾值時， 所述控制電路使所述主斷開/閉合單元在第一時段內(nèi)可導(dǎo)，并且在所述主斷開/閉合單元成為非可導(dǎo)時使所述輔助斷開/閉合單元在第二時段內(nèi)可導(dǎo)。利用這樣的配置，由于所述控制電路在所述電壓檢測器檢測到輸入至所述第三功率源的所述電壓達(dá)到預(yù)定閾值時使所述主斷開/閉合單元在第一時段內(nèi)可導(dǎo)，并且在所述第一時段逝去之后，所述主斷開/閉合單元變?yōu)榉强蓪?dǎo)時使所述輔助斷開/閉合單元在第二時段內(nèi)可導(dǎo)，因此在商業(yè)功率源的半個周期的大多數(shù)時間內(nèi)功率從所述主斷開/閉合單元供應(yīng)至負(fù)載。之后，在電傳導(dǎo)電流變得更小時，從所述輔助斷開/閉合單元向所述負(fù)載供應(yīng)功率。基于所述負(fù)載電流執(zhí)行這樣的操作。因此，即使通過采用晶體管結(jié)構(gòu)的開關(guān)元件來配置所述主斷開/閉合單元，也能夠?qū)崿F(xiàn)適于熒光燈和白熾燈泡二者的兩線負(fù)載控制器，而不限于具有功率因數(shù)為1的負(fù)載。此外，由于能夠?qū)⒃谪?fù)載控制器的操作期間生成的噪聲級別抑制得很低，因此能夠?qū)崿F(xiàn)具有寬范圍適合負(fù)載的小尺寸負(fù)載控制器。本發(fā)明第一方面的負(fù)載控制器還包括檢測流經(jīng)所述輔助斷開/閉合單元的電流的電流檢測器，其中在超出電流閾值的電流流經(jīng)所述輔助斷開/閉合單元時所述控制電路使所述主斷開/閉合單元可導(dǎo)，并且之后在所述主斷開/閉合單元變?yōu)榉强蓪?dǎo)時使所述輔助斷開/閉合單元可導(dǎo)。利用這樣的配置，由于在所述電流檢測器檢測到流經(jīng)所述輔助斷開/閉合單元的電流超出能夠被所述輔助斷開/閉合單元接受的電流值時所述主斷開/閉合單元在短時間內(nèi)變得再次可導(dǎo)，因此能夠防止輔助斷開/閉合單元的開關(guān)元件損壞。并且，由于通過使用小尺寸的開關(guān)元件來構(gòu)造輔助斷開/閉合單元，因此能夠減小負(fù)載控制器的尺寸并且改善對各種商業(yè)功率源以及過載的響應(yīng)。本發(fā)明第一方面的負(fù)載控制器還包括在向所述負(fù)載供應(yīng)功率之前檢測待供應(yīng)到所述負(fù)載的功率的頻率的頻率檢測電路，其中，在頻率的該檢測之后，從用于負(fù)載控制的電路中去除所述頻率檢測電路，并且在向所述負(fù)載供應(yīng)所述功率時，所述控制電路基于所檢測的功率頻率調(diào)節(jié)所述主斷開/閉合單元在其內(nèi)可導(dǎo)的所述第一時段。
利用這樣的配置，能夠在停止向所述負(fù)載供應(yīng)功率，諸如在開始輸入功率之前的時間內(nèi)或者在功率故障之后恢復(fù)功率時，利用所述頻率檢測電路檢測功率源(商業(yè)功率源)的頻率。因而，能夠主要由具有大電傳導(dǎo)能力的主斷開/閉合單元實(shí)現(xiàn)到所述負(fù)載的電傳導(dǎo)并且能夠減小所述負(fù)載控制器的尺寸，而不增加除了所述主斷開/閉合單元之外的電容損失。此外，由于在檢測所述頻率之后從用于負(fù)載控制的電路中去除所述頻率檢測電路，因此能夠防止由于頻率檢測電路導(dǎo)致的負(fù)載控制器的功率消耗增加。具體地說，對于商業(yè)功率源的變化頻率(50Hz或者60Hz)，可以采用單個負(fù)載控制器。在本發(fā)明第一方面的負(fù)載控制器中，所述主斷開/閉合單元的所述開關(guān)元件由能夠雙向受控的橫向晶體管器件構(gòu)成，所述橫向晶體管設(shè)備包括分別連接到功率源和負(fù)載的兩個電極以及設(shè)置在所述兩個電極的中間部分的控制電極。利用這樣的配置，在所述主斷開/閉合單元成為非可導(dǎo)時，從所述控制電路向所述控制電極G施加低電平信號，并且控制電極G具有比所述主斷開/閉合單元的最低電勢高出與所述整流器的一個二極管相對應(yīng)的幅值的電勢。這里，如果確定何時在所述主斷開/ 閉合單元的可導(dǎo)/非可導(dǎo)之間切換的閾值足夠高于所述一個二極管的電勢，則能夠可靠地維持所述非電傳導(dǎo)。因此，由具有幾個伏特的控制信號驅(qū)動的控制電路能夠直接控制高電壓的商業(yè)功率源。此外，能夠?qū)崿F(xiàn)尺寸減小且高容量的兩線負(fù)載控制器。在本發(fā)明第一方面的負(fù)載控制器中，所述主斷開/閉合單元的所述開關(guān)元件具有橫向晶體管結(jié)構(gòu)，所述橫向晶體管結(jié)構(gòu)包括分別串聯(lián)連接到AC功率源和負(fù)載并且形成在襯底表面上的第一電極和第二電極，具有位于所述第一電極的電勢和所述第二電極的電勢之間的中間電勢的中間電勢部分，所述中間電勢部分的至少一部分形成在所述襯底表面上，以及執(zhí)行對于所述中間電勢部分的控制的控制電極，所述控制電極的至少一部分連接在所述中間電勢部分的頂部，其中所述中間電勢部分和所述控制電極設(shè)置在能夠相對于所述第一電極和所述第二電極維持預(yù)定耐壓的位置。利用這樣的配置，通過在能夠相對于所述第一電極和所述第二電極維持預(yù)定耐壓的位置處形成所述中間電勢部分，即使在施加到所述控制電極的信號的閾值電壓下降到最低要求電平，也能夠可靠地使所述開關(guān)元件導(dǎo)通/截止并且能夠?qū)崿F(xiàn)低的導(dǎo)通電阻。此外，通過將控制信號的基準(zhǔn)電勢(GND)設(shè)置為等于所述中間電勢部分的電勢， 能夠通過由具有幾個伏特的控制信號驅(qū)動的控制電路13直接控制高電壓商業(yè)功率源。此外，所述主斷開/閉合單元不受所述整流器的二極管的壓降的影響。因此，即使使得在所述主斷開/閉合單元的電傳導(dǎo)和非電傳導(dǎo)之間切換的閾值電壓降低，也能夠可靠維持非電傳導(dǎo)。而且，在采用形成于異質(zhì)界面的二維電子氣層作為溝道層的橫向晶體管元件中，使所述元件非可導(dǎo)的閾值電壓與所述電傳導(dǎo)的導(dǎo)通電阻具有關(guān)系。因此，降低閾值電壓可以導(dǎo)致導(dǎo)通電阻降低，這使得能夠?qū)崿F(xiàn)尺寸減小且高容量的負(fù)載控制器。根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種負(fù)載控制系統(tǒng)，所述負(fù)載控制系統(tǒng)包括如在本發(fā)明第一方面所述的多個負(fù)載控制器以及將包括對于每一個所述負(fù)載控制器給出的地址信號的控制信號傳輸?shù)较鄳?yīng)的負(fù)載控制器的總控制單元。利用這樣的配置，通過從所述總控制單元向相對應(yīng)的負(fù)載控制器傳輸包括對于每一個負(fù)載控制器給出的地址信號的控制信號，能夠單獨(dú)地控制連接到所述負(fù)載控制器的負(fù)載。具體地說，對于商用的負(fù)載控制系統(tǒng)，通過使用電子控制的負(fù)載控制器能夠單獨(dú)或者整體地控制多個負(fù)載。


通過以下對結(jié)合附圖給出的實(shí)施例的描述，本發(fā)明的目的和特征將變得明顯，在附圖中圖1是示出根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的負(fù)載控制器的配置的電路圖；圖2是示出根據(jù)第一實(shí)施例的負(fù)載控制器的各種部件的信號波形的時序圖；圖3A和圖:3B示出根據(jù)第一實(shí)施例的負(fù)載控制器的操作中的波形，圖3A示出在功率因數(shù)為1時的波形并且圖3B示出在功率因數(shù)不為1時的波形；圖4是示出根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的負(fù)載控制器的配置的電路圖；圖5示出根據(jù)第二實(shí)施例的負(fù)載控制器的操作中的波形；圖6是示出根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的負(fù)載控制器的配置的電路圖；圖7是示出根據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施例的負(fù)載控制器的配置的電路圖；圖8是示出在根據(jù)第四實(shí)施例的負(fù)載控制器的主斷開/閉合單元中使用的開關(guān)元件的配置的示意性截面圖；圖9是示出根據(jù)本發(fā)明第五實(shí)施例的負(fù)載控制器的配置的電路圖；圖10是示出在根據(jù)第五實(shí)施例的負(fù)載控制器的主斷開/閉合單元中使用的開關(guān)元件的配置的平面圖；圖11是沿著圖10所示的線XI-XI提取的截面圖；圖12是示出根據(jù)本發(fā)明第六實(shí)施例的負(fù)載控制系統(tǒng)的配置的電路圖；圖13是示出根據(jù)第一傳統(tǒng)示例的負(fù)載控制器的配置的電路圖；以及圖14是示出根據(jù)第二傳統(tǒng)示例的負(fù)載控制器的配置的電路圖。
具體實(shí)施例方式(第一實(shí)施例)以下，將描述根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的負(fù)載控制器。圖1是示出根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的負(fù)載控制器IA的配置的電路圖，并且圖2是示出負(fù)載控制器IA的各種部件的信號波形的時序圖。圖1中示出的第一實(shí)施例的負(fù)載控制器IA串聯(lián)連接在AC功率源2和負(fù)載3之間并且包括用于控制到負(fù)載3的功率供應(yīng)的主斷開/閉合單元11、整流器12、用于整體控制負(fù)載控制器IA的控制電路13、用于向控制電路13供應(yīng)穩(wěn)定功率的第一功率源14、用于在停止到負(fù)載3的功率供應(yīng)時向第一功率源14供應(yīng)功率的第二功率源15、用于在向負(fù)載3供應(yīng)功率時向第一功率源14供應(yīng)功率的第三功率源16、用于向負(fù)載傳導(dǎo)微小電流的輔助斷開/閉合單元17，等等。第三功率源16還設(shè)置有電壓檢測器18，用以檢測輸入至第三功率源16的電壓。主斷開/閉合單元11具有晶體管結(jié)構(gòu)的開關(guān)元件Ila并且輔助斷開/閉合單元17具有晶閘管結(jié)構(gòu)的開關(guān)元件17a。即使在不向負(fù)載3供應(yīng)功率的負(fù)載控制器IA的截止?fàn)顟B(tài)下，由于電流從功率源2 經(jīng)由整流器12流入到第二功率源15，微小電流流經(jīng)負(fù)載3。然而，該電流被抑制到不會導(dǎo)致負(fù)載故障的低水平并且使第二功率源15的阻抗保持在高值。在向負(fù)載3供應(yīng)功率時，使第三功率源16的阻抗變低并且使電流在位于負(fù)載控制器IA內(nèi)的電路中流動，緩沖電容器四開始充電。如上所述，電壓檢測器(充電監(jiān)視單元)18 設(shè)置在第三功率源16中以檢測輸入至其的電壓。在電壓檢測器18檢測到輸入至第三功率源16的電壓達(dá)到預(yù)定閾值時，電壓檢測器18輸出預(yù)定的檢測信號。在從電壓檢測器18接收到檢測信號時，控制電路13在第一時段內(nèi)使主斷開/閉合單元11可導(dǎo)(閉合狀態(tài))。圖1示出了將第一脈沖輸出單元19設(shè)置為控制電路13的一部分的示例性配置，該第一脈沖輸出單元19通過使用專用IC等的硬件進(jìn)行配置以基于來自電壓檢測器18的檢測信號而直接輸出第一脈沖信號?？蛇x地，并不限于所示的配置，可以進(jìn)行配置以使得將來自電壓檢測器18的輸出輸入至諸如CPU等的主控制單元20并且通過軟件輸出第一脈沖信號。優(yōu)選地，將使主斷開/閉合單元11可導(dǎo)的第一時段設(shè)置為稍微短于商業(yè)頻率功率源的半周期的時段。接下來，在第一時段逝去之后，主斷開/閉合單元11變?yōu)榉强蓪?dǎo)(斷開狀態(tài))時， 控制電路13使輔助斷開/閉合單元17在第二時段內(nèi)(例如幾百微秒)可導(dǎo)(閉合狀態(tài))。 該操作可以通過使輔助斷開/閉合單元17比主斷開/閉合單元11稍晚地不可導(dǎo)(斷開狀態(tài))來實(shí)現(xiàn)。圖1示出了設(shè)置為控制電路13的一部分的第二脈沖輸出單元21的示例，所述第二脈沖輸出單元21在第二時段內(nèi)輸出第二脈沖信號以使得輔助斷開/閉合單元17在檢測到主斷開/閉合單元11變?yōu)榉强蓪?dǎo)(斷開狀態(tài))之后的第二時段內(nèi)變?yōu)榭蓪?dǎo)。優(yōu)選地，將第一時段和第二時段之和的最大值設(shè)置為稍短于半周期?？蛇x地，可以從主控制單元20向輔助斷開/閉合單元17輸出比輸出到主斷開/ 閉合單元11的第一脈沖信號長第二時段的脈沖信號。作為另一替代，可以采用使用二極管或者電容器的延遲電路。參照圖2，在緩沖電容器四的充電完成之后，執(zhí)行上述操作，以使得在商業(yè)功率源的半周期的大多數(shù)時間內(nèi)從主斷開/閉合單元11向負(fù)載3供應(yīng)功率之后，電傳導(dǎo)電流降低時，從輔助斷開/閉合單元17向負(fù)載3供應(yīng)功率。由于輔助斷開/閉合單元17具有晶閘管結(jié)構(gòu)的開關(guān)元件17a，輔助斷開/閉合單元17在電流值為0 (零交叉點(diǎn))時變?yōu)榉强蓪?dǎo) (斷開狀態(tài))。在輔助斷開/閉合單元17變?yōu)榉强蓪?dǎo)(斷開狀態(tài))時，電流再次流入第三功率源16并且在商業(yè)功率源的每個半周期重復(fù)上述操作?；谪?fù)載電流執(zhí)行這樣的操作。因此，即使通過采用晶體管結(jié)構(gòu)的開關(guān)元件Ila 配置主斷開/閉合單元11，也可能實(shí)現(xiàn)適合于熒光燈和白熾燈泡二者的兩線負(fù)載控制器， 而不限于具有功率因數(shù)1的負(fù)載3。圖3A示出在功率因數(shù)為1時的波形并且圖:3B示出在功率因數(shù)不為1時的波形。(第二實(shí)施例)接下來，將描述根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的負(fù)載控制器。圖4是示出根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的負(fù)載控制器IB的配置的電路圖。將圖4與圖1進(jìn)行比較，第二實(shí)施例的負(fù)載控制器IB具有與第一實(shí)施例的負(fù)載控制器IA相同的配置，除了第二實(shí)施例的負(fù)載控制器IB 還包括用以檢測流經(jīng)輔助斷開/閉合單元17的電流的電流檢測器22之外。如在圖14的第二傳統(tǒng)示例中所描述的，輔助斷開/閉合單元基本上旨在檢測電流的零交叉點(diǎn)，并不進(jìn)行實(shí)質(zhì)的電傳導(dǎo)，并且因此期望通過小尺寸的開關(guān)元件配置該輔助斷開/閉合單元。然而，如果商業(yè)功率源的頻率漂移或者改變，或者要求負(fù)載控制器在50Hz 以及60Hz下操作，則在使主斷開/閉合單元非可導(dǎo)之后達(dá)到電流的零交叉點(diǎn)的時段變長， 導(dǎo)致輔助斷開/閉合單元在負(fù)載電流變得足夠小之前就可導(dǎo)。此外，如果連接過載作為負(fù)載，則即使在主斷開/閉合單元中的電傳導(dǎo)時間相同時，電傳導(dǎo)損失也會增加。因此，存在輔助斷開/閉合單元的開關(guān)元件損壞的可能性。因此，在當(dāng)前第二實(shí)施例中，電流檢測器22檢測流經(jīng)輔助斷開/閉合單元17的電流，并且如果流經(jīng)該斷開/閉合單元17的電流超過能夠被該輔助斷開/閉合單元17接受的閾值，則電流檢測器22經(jīng)由或門80向主斷開/閉合單元11發(fā)出導(dǎo)通信號，以使得主斷開/閉合單元11在短時間內(nèi)再次變?yōu)榭蓪?dǎo)。之后，在主斷開/閉合單元11變?yōu)榉强蓪?dǎo)時 (例如通過在短時間逝去之后電流檢測器22發(fā)出截止信號來實(shí)現(xiàn))，輔助斷開/閉合單元 17再次變?yōu)榭蓪?dǎo)。通過在第一脈沖輸出單元19經(jīng)由或門80向開關(guān)元件Ila發(fā)出截止信號的同時按照這種方式交替地重復(fù)導(dǎo)通主斷開/閉合單元11和輔助斷開/閉合單元17，能夠防止輔助斷開/閉合單元17的開關(guān)元件損壞并且改善了對各種類型的商業(yè)功率源和過載的響應(yīng)。 圖5示出在根據(jù)第二實(shí)施例的負(fù)載控制器IB的操作中的波形。(第三實(shí)施例)接下來，將描述根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的負(fù)載控制器。圖6是示出根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的負(fù)載控制器IC的配置的電路圖。將圖6與圖4進(jìn)行比較，第三實(shí)施例的負(fù)載控制器IC具有與第二實(shí)施例的負(fù)載控制器IB相同的配置，除了第三實(shí)施例的負(fù)載控制器IC 還包括在負(fù)載控制器IC處于沒有向負(fù)載3供應(yīng)功率的截止?fàn)顟B(tài)時檢測功率源(商業(yè)功率源)2的頻率的頻率檢測電路23之外，并且在完成頻率檢測之后，頻率檢測電路23與主控制單元20無關(guān)。例如，一旦完成頻率檢測，主控制單元20的開關(guān)82截止，從而停止頻率檢測電路23的操作。具體地說，基于由頻率檢測電路23獲得的頻率信息，主控制單元20調(diào)節(jié)在向負(fù)載 3供應(yīng)功率時主斷開/閉合單元11變?yōu)榭蓪?dǎo)的時段(第一時段)。這使得主斷開/閉合單元11的電傳導(dǎo)時間取決于商業(yè)功率源的頻率(50HZ或者60Hz)來優(yōu)化。因而，主要由具有大的電傳導(dǎo)能力的主斷開/閉合單元11進(jìn)行到負(fù)載3的電傳導(dǎo)并且除了主斷開/閉合單元11之外，在不增加電容損失的情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)負(fù)載控制器IC的尺寸減小。具體而言， 對于商業(yè)功率源的變化頻率(50Hz或者60Hz)，可以采用單個負(fù)載控制器。在開始輸入功率之前或者在功率故障之后恢復(fù)功率時，臨時執(zhí)行頻率檢測電路23 和主控制單元20的頻率檢測；并且之后，通過去除頻率檢測電路23，即不使用頻率檢測電路23，防止負(fù)載控制器IC中的功率消耗增加。這對于要求低功率消耗的兩線負(fù)載控制器尤其重要。例如，通過提供用于檢測頻率的時序與電流由諸如LED顯示器的其它功能元件消耗時的時序之間的時間差，能夠避免由于兩線負(fù)載控制器的功率消耗導(dǎo)致的負(fù)載故障。(第四實(shí)施例)接下來，將描述根據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施例的負(fù)載控制器。圖7是示出根據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施例的負(fù)載控制器ID的配置的電路圖。基本上，第四實(shí)施例的負(fù)載控制器ID具有與第一到第三實(shí)施例的負(fù)載控制器1A-1C相同的配置，除了第四實(shí)施例的負(fù)載控制器ID中的主斷開/閉合單元11的開關(guān)元件lib由可以雙向受控的、圖8所示的橫向(lateral)晶體管構(gòu)成之外。雖然圖7依照圖6所示的第三實(shí)施例的負(fù)載控制器IC的配置，但是并不限于此，圖7所示的第四實(shí)施例的負(fù)載控制器ID可以具有與圖1所示的第一實(shí)施例的負(fù)載控制器IA或者圖4所示的第二實(shí)施例的負(fù)載控制器IB相同的配置。圖8示出能夠雙向受控的橫向晶體管器件的通常配置。被稱為HEMT(高電子遷移率晶體管)的這樣的橫向晶體管包括形成于MGaN/GaN異質(zhì)界面(hetero-interface)、用作溝道層的二維電子氣(gas)層；分別串聯(lián)連接到功率源2和負(fù)載3的電極Dl和D2 ；以及用于在電傳導(dǎo)截止時維持電極Dl和D2的高耐壓的控制電極(柵極)G。例如，使用肖特基 (Schottky)電極作為控制電極G。在使主斷開/閉合單元11非可導(dǎo)時，從控制電路13向控制電極G施加低電平信號，并且控制電極G具有比主斷開/閉合單元11的最低電勢高出與整流器12的一個二極管相對應(yīng)的幅值的電勢。這里，如果用于確定何時在主斷開/閉合單元11的可導(dǎo)/非可導(dǎo)之間切換的閾值足夠高于該一個二極管的電勢，則能夠可靠地維持非電傳導(dǎo)。同時，如果主斷開/閉合單元11變?yōu)榭蓪?dǎo)，則執(zhí)行與第一到第三實(shí)施例相同的操作。因此，由具有幾個伏特的控制信號驅(qū)動的控制電路13能夠直接控制高電壓的商業(yè)功率源。此外，通過使用具有高電子遷移率的HEMT，能夠?qū)崿F(xiàn)小尺寸且高容量的兩線負(fù)載控制器。(第五實(shí)施例)接下來，將描述根據(jù)本發(fā)明第五實(shí)施例的負(fù)載控制器。圖9是示出根據(jù)本發(fā)明第五實(shí)施例的負(fù)載控制器IE的配置的電路圖。第五實(shí)施例的負(fù)載控制器IE具有與第三和第四實(shí)施例的負(fù)載控制器IC和ID基本上相同的配置，除了第五實(shí)施例的負(fù)載控制器IE中主斷開/閉合單元11的開關(guān)元件Ilc由能夠雙向受控的新穎的橫向晶體管構(gòu)成之外。盡管圖9依照圖6所示的第三實(shí)施例的負(fù)載控制器IC的配置或者圖7所示的第四實(shí)施例的負(fù)載控制器ID的配置，但是并不限于此，圖9所示的第五實(shí)施例的負(fù)載控制器 IE可以具有與圖1所示的第一實(shí)施例的負(fù)載控制器IA或者圖4所示的第二實(shí)施例的負(fù)載控制器IB相同的配置。圖10是示出開關(guān)元件Ilc的配置的平面圖，并且圖11是沿著圖10中的線XI-XI 提取的截面圖。如圖11所示，開關(guān)元件Ilc的襯底120包括導(dǎo)體層120a，以及依次形成在導(dǎo)體層120a上的GaN層120b和ALGaN層120c。在開關(guān)元件1 Ic中，將形成于AlGaN/GaN 異質(zhì)界面的二維電子氣層用作溝道層。如圖10所示，形成在襯底120的表面120d上的是分別串聯(lián)連接到功率源2和負(fù)載3的第一電極Dl和第二電極D2，以及中間電勢部分S，該中間電勢部分具有位于第一電極Dl的電勢和第二電極D2的電勢之間的中間電勢。此外，控制電極(柵極)G形成在該中間電勢部分S上。例如肖特基電極用作控制電極G。第一電極Dl和第二電極D2分別具有第一組多個電極部分111、112、113，…以及第二組多個電極部分121、122、123，…。平行設(shè)置第一和第二組中每一組的電極部分以呈梳齒狀彼此面對，并且相對設(shè)置第一組和第二組電極部分。中間電勢部分S以及控制電極G 位于設(shè)置為梳齒狀的多個電極部分111、112、113…以及121、122、123，…之間并且具有與形成在電極之間的空間的平面形狀一致的形狀(大致為魚背骨形狀)。接下來，將描述開關(guān)元件Ilc的橫向晶體管的結(jié)構(gòu)。如圖10所示，第一電極Dl的電極部分111以及第二電極D2的電極部分121被設(shè)置為其寬度方向上的中心線彼此重合， 并且與中間電勢部分S和控制電極G的相應(yīng)部分平行地設(shè)置第一電極Dl的電極部分111以及第二電極D2的電極部分121。沿寬度方向從第一電極Dl的電極部分111和第二電極 D2的電極部分121到中間電勢部分S和控制電極G的相應(yīng)部分的距離被設(shè)置為能夠?qū)㈩A(yù)定的耐壓維持在二者之間。 這也同樣適用于與寬度方向垂直的方向，即第一電極Dl的電極部分111和第二電極D2的電極部分121的縱向方向。此外，這些關(guān)系同樣適用于電極部分的剩余對112/122、 113/123，…。即，將中間電勢部分S和控制電極G設(shè)置在能夠相對于第一電極Dl和第二電極D2維持預(yù)定耐壓的位置。 如上所述，將具有位于第一和第二電極Dl和D2的電勢之間的中間電勢的中間電勢部分S以及用于對中間電勢部分S執(zhí)行控制的控制電極G設(shè)置在能夠相對于第一和第二電極Dl和D2維持預(yù)定耐壓的位置。因此，如果第一電極Dl處于高電勢并且第二電極D2 處于低電勢而且雙向開關(guān)元件Ilc截止(即在將0伏特信號施加到控制電極G時)，則至少位于第一電極Dl和控制電極G/中間電勢部分S之間的電流被阻擋(位于控制電極(柵極)G正下方的電流被阻擋)。另一方面，在雙向開關(guān)元件Ilc導(dǎo)通時，即在將超出預(yù)定閾值的電壓信號施加到控制電極G時，如由圖10中的箭頭所表明的，電流沿著從第一電極Dl (電極部分111、112、 113，…)到第二電極D2(電極部分121、122、123，…)的路徑流經(jīng)中間電勢部分S。這也同樣適用于相反的情況。如上所述，通過將中間電勢部分S形成在能夠相對于第一和第二電極Dl和D2維持預(yù)定耐壓的位置，即使在施加到控制電極G的信號的閾值電壓降低到最低要求電平時， 也能夠可靠地使開關(guān)元件Ilc導(dǎo)通/截止并且能夠?qū)崿F(xiàn)低導(dǎo)通電阻。此外，通過在構(gòu)造主斷開/閉合單元11中使用該新穎的開關(guān)元件Ilc將控制信號的基準(zhǔn)電勢(GND)設(shè)置為等于中間電勢部分S的電勢，能夠由具有幾個伏特的控制信號驅(qū)動的控制電路13直接控制高電壓商業(yè)功率源。此外，與第四實(shí)施例相比，第五實(shí)施例的負(fù)載控制器IE不受整流器12的二極管的壓降的影響。因此，即使實(shí)現(xiàn)主斷開/閉合單元11的電傳導(dǎo)和非電傳導(dǎo)之間切換的閾值電壓被降低，也能夠可靠地維持該非電傳導(dǎo)。并且，在使用形成于異質(zhì)界面的二維電子氣層作為溝道層的橫向晶體管元件中，使元件非可導(dǎo)的閾值電壓與電傳導(dǎo)的導(dǎo)通電阻有關(guān)。因而，降低閾值電壓能夠?qū)е聦?dǎo)通電阻降低，這使得能夠?qū)崿F(xiàn)尺寸減小且高容量的負(fù)載控制器IE0(第六實(shí)施例)接下來，將描述根據(jù)本發(fā)明第六實(shí)施例的負(fù)載控制系統(tǒng)。圖12是示出根據(jù)本發(fā)明第六實(shí)施例的負(fù)載控制系統(tǒng)的配置的方框圖。第六實(shí)施例的負(fù)載控制系統(tǒng)30包括多個負(fù)載控制器IA以及用于遠(yuǎn)程控制多個負(fù)載控制器IA的總控制單元31?？梢赃m當(dāng)設(shè)置連接到總控制單元31的負(fù)載控制器IA的數(shù)量?？梢允褂貌季€或者無線地將每一個負(fù)載控制器IA連接到總控制單元31。每一個負(fù)載控制器IA接收從總控制單元31傳輸?shù)目刂菩盘柌⑶一谠摽刂菩盘柨刂七B接到負(fù)載控制器IA的負(fù)載3?？偪刂茊卧?1向每一個負(fù)載控制器IA的主控制單元20傳輸控制信號。從總控制單元31傳輸?shù)目刂菩盘柊ㄅc負(fù)載控制器IA的其中之一相對應(yīng)的地址信號。在接收到對于其給出的包括地址信號的控制信號時，每一個負(fù)載控制器IA對該控制信號做出響應(yīng)而控制負(fù)載3。盡管圖12示出第一實(shí)施例的負(fù)載控制器IA作為連接到總控制單元31的負(fù)載控制器的示例，但是并不限于此，該實(shí)施例中的負(fù)載控制器可以是第二到第五實(shí)施例的負(fù)載控制器IB到IE中的任意一個。而且，可以將這些負(fù)載控制器IA到 IE的適當(dāng)組合連接到總控制單元31。如上所述，通過從總控制單元31向相應(yīng)的負(fù)載控制器IA傳輸包括對于每一個負(fù)載控制器IA給出的地址信號的控制信號，能夠單獨(dú)地控制連接到其的負(fù)載。具體地說，對于商用的負(fù)載控制系統(tǒng)，通過使用電子控制的負(fù)載控制器1A，能夠單獨(dú)或者整體地控制多個負(fù)載3。盡管已經(jīng)針對所述實(shí)施例示出和描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)該理解，在不偏離由所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的范圍的情況下可以做出各種改變和變型。
權(quán)利要求
1.一種負(fù)載控制器，包括主斷開/閉合單元，其具有晶體管結(jié)構(gòu)的開關(guān)元件并且控制到負(fù)載的功率供應(yīng)； 輔助斷開/閉合單元，其具有晶閘管結(jié)構(gòu)的開關(guān)元件并且在所述主斷開/閉合單元非可導(dǎo)時控制到所述負(fù)載的功率供應(yīng)；控制電路，其控制所述主斷開/閉合單元和所述輔助斷開/閉合單元的斷開/閉合； 第一功率源，其經(jīng)由整流器從所述主斷開/閉合單元的兩端接收功率并且向所述控制電路供應(yīng)穩(wěn)定功率；第二功率源，其經(jīng)由所述整流器從所述主斷開/閉合單元的兩端接收功率并且在沒有向所述負(fù)載供應(yīng)功率時向所述第一功率源供應(yīng)功率；第三功率源，其在所述主斷開/閉合單元或者所述輔助斷開/閉合單元閉合的狀態(tài)下， 在向所述負(fù)載供應(yīng)功率時向所述第一功率源供應(yīng)功率；以及電壓檢測器，其檢測輸入至所述第三功率源的電壓，其中，在所述電壓檢測器檢測到輸入至所述第三功率源的所述電壓達(dá)到電壓閾值時， 所述控制電路使所述主斷開/閉合單元在第一時段內(nèi)可導(dǎo)，并且在所述主斷開/閉合單元成為非可導(dǎo)時，所述控制電路使所述輔助斷開/閉合單元在第二時段內(nèi)可導(dǎo)。
2.如權(quán)利要求1所述的負(fù)載控制器，還包括電流檢測器，其檢測流經(jīng)所述輔助斷開/閉合單元的電流，其中，在超出電流閾值的電流流經(jīng)所述輔助斷開/閉合單元時，所述控制電路使所述主斷開/閉合單元可導(dǎo)，并且之后在所述主斷開/閉合單元變?yōu)榉强蓪?dǎo)時，所述控制電路使所述輔助斷開/閉合單元可導(dǎo)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的負(fù)載控制器，還包括頻率檢測電路，其在向所述負(fù)載供應(yīng)功率之前檢測待供應(yīng)至所述負(fù)載的所述功率的頻率，其中，在頻率的該檢測之后，從用于負(fù)載控制的電路中去除所述頻率檢測電路，并且在向所述負(fù)載供應(yīng)所述功率時，所述控制電路基于所檢測的功率頻率，調(diào)節(jié)使所述主斷開/ 閉合單元在其內(nèi)可導(dǎo)的所述第一時段。
4.如權(quán)利要求1到3中任一項(xiàng)所述的負(fù)載控制器，其中，所述主斷開/閉合單元的所述開關(guān)元件由能夠雙向受控的橫向晶體管器件構(gòu)成，所述橫向晶體管器件包括分別連接到功率源和負(fù)載的兩個電極以及設(shè)置在所述兩個電極的中間部分的控制電極。
5.如權(quán)利要求1到3中任一項(xiàng)所述的負(fù)載控制器，其中，所述主斷開/閉合單元的所述開關(guān)元件具有橫向晶體管結(jié)構(gòu)，所述橫向晶體管結(jié)構(gòu)包括第一電極和第二電極，其分別串聯(lián)連接到AC功率源和負(fù)載并且形成在襯底表面上； 中間電勢部分，具有位于所述第一電極的電勢和所述第二電極的電勢之間的中間電勢，所述中間電勢部分的至少一部分形成在所述襯底表面上；以及控制電極，其執(zhí)行對于所述中間電勢部分的控制，所述控制電極的至少一部分連接在所述中間電勢部分的頂部，其中，所述中間電勢部分和所述控制電極設(shè)置在能夠相對于所述第一電極和所述第二電極維持預(yù)定耐壓的位置。
6.一種負(fù)載控制系統(tǒng)，包括如權(quán)利要求1到5中任一項(xiàng)所述的多個負(fù)載控制器；以及總控制單元，其將包括對于每一個所述負(fù)載控制器給出的地址信號的控制信號傳輸?shù)较鄳?yīng)的負(fù)載控制器。
全文摘要
一種負(fù)載控制器，包括具有晶體管結(jié)構(gòu)的開關(guān)元件并且控制到負(fù)載的功率供應(yīng)的主斷開/閉合單元；具有晶閘管結(jié)構(gòu)的開關(guān)元件并且在所述主斷開/閉合單元非可導(dǎo)時控制到所述負(fù)載的功率供應(yīng)的輔助斷開/閉合單元；控制所述主斷開/閉合單元和所述輔助斷開/閉合單元的斷開/閉合的控制電路；檢測輸入至第三功率源的電壓的電壓檢測器，其中在所述電壓檢測器檢測到輸入至所述第三功率源的所述電壓達(dá)到電壓閾值時所述控制電路使所述主斷開/閉合單元在第一時段內(nèi)可導(dǎo)，并且在所述主斷開/閉合單元成為非可導(dǎo)時使所述輔助斷開/閉合單元在第二時段內(nèi)可導(dǎo)。
文檔編號G05F1/45GK102171623SQ200980132321
公開日2011年8月31日 申請日期2009年8月18日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月21日
發(fā)明者后藤潔 申請人:松下電工株式會社