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JP2732155B2 - スイッチング素子の制御装置およびこれを用いた装置 - Google Patents

スイッチング素子の制御装置およびこれを用いた装置

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Publication number
JP2732155B2
JP2732155B2 JP3163313A JP16331391A JP2732155B2 JP 2732155 B2 JP2732155 B2 JP 2732155B2 JP 3163313 A JP3163313 A JP 3163313A JP 16331391 A JP16331391 A JP 16331391A JP 2732155 B2 JP2732155 B2 JP 2732155B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
switching element
capacitor
control
control device
switching
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
JP3163313A
Other languages
English (en)
Other versions
JPH04363909A (ja
Inventor
和彦 今川
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shibaura Mechatronics Corp
Original Assignee
Shibaura Engineering Works Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shibaura Engineering Works Co Ltd filed Critical Shibaura Engineering Works Co Ltd
Priority to JP3163313A priority Critical patent/JP2732155B2/ja
Publication of JPH04363909A publication Critical patent/JPH04363909A/ja
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Publication of JP2732155B2 publication Critical patent/JP2732155B2/ja
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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  • Direct Current Feeding And Distribution (AREA)
  • Electronic Switches (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、トランジスタ等のスイ
ッチング素子の制御入力端に正電圧および負電圧を印加
することにより高速でのオン・オフ制御を行うようにし
たスイッチング素子の制御装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】バイポーラトランジスタなどのスイッチ
ング素子を高速でオン・オフ制御するために、制御入力
端であるベースに正および負の電圧を印加することが行
われている。この場合にはベースに印加する正および負
の電源が必要である。
【0003】図7は従来装置の回路図であり、このベー
スの電源回路に交流電源とトランスとを用いたものであ
る。この図で符号10はNPNバイポーラトランジスタ
である。このトランジスタ10は例えば複数個が組合さ
れてブリッジ回路を形成し、サーボモータやインバータ
などの高速スイッチングによる制御回路に用いられるも
のである。12は交流電源、14は絶縁トランスであ
り、このトランス14の2次側の交流電圧がダイオード
16、18で整流され、コンデンサ20、22を図示の
極性に充電する。コンデンサ20は正電圧源用のもので
あり、その正電極電圧がベース回路24に入力される。
同様にコンデンサ22は負電圧源用のものであり、その
負電極電圧がベース回路24に入力される。このベース
回路24は図示しない回路から入力される制御指令信号
により決まるデューティ比でトランジスタ10をオン・
オフするが、オンする時にはコンデンサ20の正電圧
が、オフする時にはコンデンサ22の負電圧が用いられ
る。
【0004】このように従来回路では、トランジスタ1
0によりオン・オフ制御される主回路と、交流電源12
とを絶縁する必要があるため、トランス14が必要で、
装置が大型化し重くなるという問題があった。またこの
従来回路を用いてブリッジ回路を構成した場合には、ト
ランス14の浮遊容量のために高速スイッチング時にト
ランス14の2次側同志間でクロストークが発生し易
く、これにより誤動作が発生し易いという問題もあっ
た。
【0005】
【発明の目的】本発明はこのような事情に鑑みなされた
ものであり、スイッチング素子を高速でオン・オフする
ためにその制御入力端に正および負の電圧を印加する場
合に、トランスを用いることなく小型化、軽量化が図れ
るようにし、また誤動作が発生しにくくしたスイッチン
グ素子の制御装置を提供することを目的とする。
【0006】
【発明の構成】本発明によればこの目的は、制御入力端
子に正電圧および負電圧を印加することによりオン・オ
フ制御するスイッチング素子において、前記スイッチン
グ素子に直列接続された直流電源と、前記スイッチング
素子のオフ時に前記直流電源により充電される互いに直
列接続された正電圧源用コンデンサおよび制御用コンデ
ンサと、前記スイッチング素子のオン時にこのスイッチ
ング素子を介して放電される前記制御用コンデンサの放
電電流により充電される負電圧源用コンデンサと、前記
正電圧源用コンデンサの正電極電圧および前記負電圧源
用コンデンサの負電極電圧を用いて前記スイッチング素
子の制御入力端を制御する制御入力端回路とを備えるこ
とを特徴とするスイッチング素子の制御装置により達成
される。
【0007】
【実施例】図1は本発明の基本回路図である。この図で
符号30はスイッチング素子としての絶縁ゲートNPN
型バイポーラトランジスタであり、そのコレクタ(C)
は直流電源の正極(+)に、エミッタ(E)は接地
(−)されている。32は正電圧源用コンデンサであ
り、その正極(+)は抵抗34およびダイオード36を
介してコレクタ(C)に接続され、その負極(−)はエ
ミッタ(E)に接続されている。
【0008】38は制御用コンデンサであり、その正極
(+)はコレクタ(C)に接続され、負極(−)はダイ
オード40を介してコンデンサ32の正極(+)に接続
されている。42は負電圧源用コンデンサであり、その
正極はエミッタ(E)に接続され、負極(−)はダイオ
ード44を介してコンデンサ38の負極(−)に接続さ
れている。なおコンデンサ32、42にはツェナーダイ
オード46、48が並列接続され、これらコンデンサ3
2、42の充電電圧を一定に保っている。
【0009】ベース回路50にはコンデンサ32の正極
(+)とコンデンサ42の負極(−)とがそれぞれ入力
され、またコンデンサ32と42の接続点がコモン電圧
として入力される。このベース回路50は図示しない回
路から入力される指令信号iに基づいて所定のデューテ
ィ比でトランジスタ30をオン・オフするが、オン時に
はコンデンサ32の正極電圧を用い、オフの瞬間にはコ
ンデンサ42の負極電圧を印加してオン中にベースにた
まった電流を吸い出すことによりスイッチング速度を高
速にする。
【0010】次にこの回路の動作を説明する。まずトラ
ンジスタ30のオフ中には、ダイオード36、抵抗34
を介してコンデンサ32の充電電流が流れ、このコンデ
ンサ32が図示の極性に充電される。またコンデンサ3
8にもダイオード40、ツェナーダイオード46あるい
はコンデンサ32を介して充電電流が流れ、図示の極性
に充電される。図の実線矢印がこの時の電流の流れを示
している。ベース回路50は制御指令信号に基づいてト
ランジスタ30をオンにする際には、このコンデンサ3
2の正電極電圧(+)を用いてベースに正電圧を印加す
る。
【0011】トランジスタ30がオンになる瞬間には、
コンデンサ38はトランジスタ30、コンデンサ42、
ダイオード44を介して放電され、コンデンサ42が図
示の極性に充電される。図の破線矢印がこの時の電流の
流れ方向を示している。そしてベース回路50がトラン
ジスタ30をオフにする時にはベースにこのコンデンサ
42の負電極電圧(−)を印加し、トランジスタ30の
高速なオフ動作を可能にする。以上の動作を繰り返すこ
とにより極めて高速のスイッチングが可能になる。なお
ダイオード36は、トランジスタ30のオンの瞬間にコ
ンデンサ32が放電されるのを防ぎ電池の無駄な消耗を
防止するものである。
【0012】図2は図1の基本回路に基づいた実用回路
を示す図である。この回路では高速スイッチングに適す
るMOSFET(絶縁ゲート電界効果トランジスタ)3
0Aを用いている。また抵抗34の損失を低減するため
にNPNトランジスタ60を用いてシリーズレギュレー
タを構成した。すなわちトランジスタ60の電流増幅率
により抵抗34の電流値を下げてこの損失を減らすもの
である。コンデンサ32の充電が完了するとトランジス
タ60のエミッタ電圧が上昇するのでトランジスタ60
はオフする。
【0013】62、64はツェナーダイオード46、4
8の許容損失を大きくするためのトランジスタである。
66、68はコンデンサ32、42に並列接続したバイ
パスコンデンサであり、コンデンサ32、42のインピ
ーダンスを低減する。
【0014】以上の説明から明らかなように、この発明
の装置は複数組合せて単相あるいは3相のブリッジ回路
を構成することができ、これを用いてサーボモータの速
度制御装置やインバータ装置等種々の装置に使用でき
る。またスイッチングレギュレータなどの電源にも適用
できる。要するにスイッチング素子を高速でスイッチン
グする回路に適用可能であり、本発明はこれらを包含す
る。
【0015】図3は図1、2に示した制御装置を用いた
例としての3相ブリッジ回路のブロック図である。この
図において符号30は図1のトランジスタ30と同一で
あり、またCは図1、2のベース回路50あるいはゲー
ト回路50Aとコンデンサ32、38、42等を含む回
路全体を示す。各回路Cには、各相に対する指令信号u
+ 、u- 、v+ 、v- 、w+ 、w- が所定のタイミング
に入力されて、各トランジスタ30が選択的にオン・オ
フ制御される。
【0016】図4は図1、2に示した制御回路を用いた
サーボモータの速度制御装置を示す回路図である。この
図で符号100は例えば直流サーボモータであり、その
ロータの回転速度vがタコジュネレータ102により検
出される。この回転速度vと速度指令vi との偏差(v
i −v)が差動増幅器104で求められ、この速度偏差
(vi −v)に対応してパルス幅制御回路(PWM)1
06は所定のタイミングで所定パルス幅の指令信号iを
出力する。108は三角波発振器でありPWM106は
この発振器108が出力する三角波を速度偏差(vi
v)と比較することにより指令信号iの出力位相と、パ
ルス幅を決定するものである。
【0017】この指令信号iは各相の正相の制御回路C
に、またインバータ110を介して得た指令信号iの反
転信号iは各相の逆相の制御回路Cに入力され、各相の
トランジスタ30をオン・オフする。この図で112は
電池、114は各トランジスタ30に逆並列接続された
ダイオードである。なおこの図では単相として説明して
いるが、三相であってもよいのは勿論である。
【0018】図5は図1、2の回路を用いたインバータ
回路を示す図である。この図で120は発振器であり、
所定の周波数で所定のパルス幅の指令信号iを正相の制
御回路Cに、その反転信号iを逆相の制御回路Cに供給
する。この結果出力トランス122の一次側には指令信
号iの周波数で一次電流が流れ、二次側に同一周波数の
交流電圧v0 が得られる。なおこの図では図4と同一部
分に同一符号を付した。
【0019】図6は図1、2の回路を用いたスイッチン
グレギュレーターを示す図である。この図で130はコ
ンパレータであり、その非反転入力端には定電圧ダイオ
ード132により得た基準電圧v1 が、また反転入力端
には出力電圧v0 に比例する電圧v2 が入力されてい
る。従ってv1 >v2 になるとコンパレータ130は正
の指令信号iを回路Cに出力し、トランジスタ30がオ
ンとなる。逆にv1 <v2 になるとトランジスタ30が
オフとなり、出力電圧v0 が一定に制御される。
【0020】
【発明の効果】本発明は以上のように、スイッチング素
子のオフ時に正電圧源用コンデンサと制御用コンデンサ
を充電し、スイッチング素子のオンの瞬間にこのスイッ
チング素子を介して制御用コンデンサを放電させること
により負電圧源用コンデンサを充電し、これら正・負電
圧源用コンデンサの正・負極電圧を用いてスイッチング
を行うものであるから、トランスを用いることなく高速
スイッチングを行うことが可能となる。従って装置が小
型・軽量化できる。またトランスを用いないのでトラン
スの2次側の出力コイル間のクロストークの問題がな
く、クロストークによる誤動作の心配がない(請求項
1)。また請求項2の発明によればスイッチング素子の
オン時に正電圧源用コンデンサの放電が規制されるの
で、消費電力が少なくなり、効率が向上する。スイッチ
ング素子はNPN型トランジスタやMOS型FETが適
する(請求項3、4)。またこの制御装置を用いてブリ
ッジ回路、サーボモータの速度制御装置、インバータ装
置、スイッチングレギュレータ等を構成することができ
る(請求項5〜8)。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の基本回路図
【図2】本願発明の実用回路図
【図3】本発明の制御装置を用いたブリッジ回路図
【図4】同じくサーボモータの速度制御装置の回路図
【図5】同じくインバータ回路図
【図6】同じくスイッチングレギュレータ回路図
【図7】従来装置の回路図
【符号の説明】
30 スイッチング素子としてのトランジスタ 30A スイッチング素子としてのFET 38 制御用コンデンサ 42 負電圧源用コンデンサ 50 制御入力端回路としてのベース回路 50A 制御入力端回路としてのゲート回路 C 本発明の制御装置

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 制御入力端子に正電圧および負電圧を印
    加することによりオン・オフ制御するスイッチング素子
    において、前記スイッチング素子に直列接続された直流
    電源と、前記スイッチング素子のオフ時に前記直流電源
    により充電される互いに直列接続された正電圧源用コン
    デンサおよび制御用コンデンサと、前記スイッチング素
    子のオン時にこのスイッチング素子を介して放電される
    前記制御用コンデンサの放電電流により充電される負電
    源用コンデンサと、前記正電圧源用コンデンサの正電
    極電圧および前記負電圧源用コンデンサの負電極電圧を
    用いて前記スイッチング素子の制御入力端を制御する制
    御入力端回路とを備えることを特徴とするスイッチング
    素子の制御装置。
  2. 【請求項2】 前記正電圧源用コンデンサの正極充電端
    と前記スイッチング素子の正極端との間に介在され、前
    記スイッチング素子のオン時に前記正電圧源用コンデン
    サの放電を規制するダイオードを備える請求項1のスイ
    ッチング素子の制御装置。
  3. 【請求項3】 前記スイッチング素子がNPN型トラン
    ジスタである請求項1または2のスイッチング素子の制
    御装置。
  4. 【請求項4】 前記スイッチング素子がMOS型電界効
    果トランジスタである請求項1または2のスイッチング
    素子の制御装置。
  5. 【請求項5】 請求項1のスイッチング素子により形成
    されたブリッジ回路。
  6. 【請求項6】 請求項5のブリッジ回路を用いたサーボ
    モータの速度制御装置。
  7. 【請求項7】 請求項4のブリッジ回路を用いたインバ
    ータ装置。
  8. 【請求項8】 請求項1の制御装置を用いたスイッチン
    グレギュレータ。
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JPH04363909A JPH04363909A (ja) 1992-12-16
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPS5937898A (ja) * 1982-08-24 1984-03-01 Mitsubishi Electric Corp 同期電動機の運転装置
JPS6477220A (en) * 1987-09-17 1989-03-23 Mitsubishi Electric Corp Driving circuit for mos-fet

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