JPS5951176B2 - 切換え回路 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は切換え回路、更に具体的に言えば、大電力ス
イッチング・トランジスタ回路のオフ転化の際、パルス
・エネルギを抑圧することに関する。

電力トランジスタは、トランジスタが完全な導電状態と
カットオフとの間で動作すすると、消費電力が最小限で
済むので、調整器、インバータ等にスイッチング様式で
広く用いられている。

然し、トランジスタ内部の実質的な電位勾配を横切って
電流が流れている場合に、これらの２つの状態の間の動
作領域で変化がある時、トランジスタには必ず幾分かの
電力消費がある。

変圧器を休止状態にリセットする際にエネルギを散逸さ
せなければならない変圧器結合のトランジスタ・スイッ
チング形調整器では、変圧器の１次側にクランプ回路を
設け、変圧器の１次側に流れる電流をトランジスタが突
然に遮断する時、変圧器の漏洩磁束及び磁化エネルギの
大部分を吸収すると共に、トランジスタに印加される変
化を制限することが出来る。

然し、こういうクランプ回路は作用するまでにいくらか
の時間がか・るのが普通であり、変圧器のリセット動作
に電圧を必要とするので、どんな場合でも、オフ転化の
変化の際、スイッチング・トランジスタを高電位から完
全に隔離することは出来ない。

全般的にこういう形式のトランジスタ・スイッチング形
調整器の典型的な例が米国特許第３６９７８５２号及び
同第３８５９５９０号に記載されている。

電力トランジスタのオフ転化及びオン転化の変化の様子
は広く研究されている。

この問題に関連して提案された幾つかの技術をまとめた
文献の１例として、１９７２年ＩＥＥＥ Ｉｎｄｕｓｔ
ｒｙ ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓＳｏｃｉｅｔｙ Ｃｏ
ｎｆｅｖｅｎｃｅ Ｒｅｃｏｒｄ 第４４７頁乃至４
８４頁所載ノＥ、Ｔ、 Ｃａ１ｋｉｎ及びり、Ｈ，Ｈａ
ｍｉｌｔｏｎ （７）論文“Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｔｅｃ
ｈｎｉｑｕｅｓ ｆｏｒ Ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｔｈｅ
Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ Ｌｏｃｉ ｏｆ Ｔｒｏｎ
ｓｉｓｔｓ ５ｗ１ｔｃｈｅｓ ｉｎＳｗｉｔｃｈ
ｉｎｇ Ｒｅｇｕｌａｔｏｒｓ” （スイッチング形調
整器のトランジスタ・スイッチの切換え動作の軌跡を改
善する電流方式）がある。

この論文には、コンデンサを使ってスイッチング・トラ
ンジスタのコレクタ電位をクランプし、こうしてその上
昇を抑制し、オフ転化の際の電力消費を少なくする方法
が示されている。

然し、コンデンサの両端の過渡状態はその電荷の関数で
あり、その為クランプ作用は不完全であって、スイッチ
ングに伴う電力消費の減少は部分的でしかない。

この発明の主な目的は、トランジスタ・スイッチング回
路に使う改良されたオフ転化パルス・エネルギ抑圧手段
を提供することである。

この為、トランジスタ内部のオフ転化エネルギ散逸電流
通路と並列に回復の遅いダイオードを接続し、このダイ
オードはトランジスタを通る電流の向きと反対の極性に
接続され、バイアス手段によって順方向に導電するよう
にバイアスされる。

このバイアス手段は、トランジスタが導電している時、
２つの回路の共通の節点に於いてトランジスタに印加さ
れる電位より高く、トランジスタが完全にオフに転じた
時のこの節点に於ける電位より低い値を持ち、この為、
トランジスタのオフ転化動作の際、その結果前記節点に
生じる電位の上昇によって、順バイアス状態から逆バイ
アス状態に移る。

ダイオードの逆方向回復時間の間、逆方向電流に対して
小さいインピーダンスを持ち、クランプ作用をするか゛
、このクランプ作用はトランジスタのオフ転化の変化が
持続する間は非常に平坦にすることが出来、これに続い
て高インピーダンス状態に急速に上昇する。

この発明の別の面では、新規なパルス・エネルギ抑圧手
段が限時作用を持ち、これがトランジスタ・スイッチン
グ形調整器回路に於て前述の変圧器リセット用クランプ
と協働し、一方でスイッチング・トランジスタをそのオ
フ転化の変化の際保護すると共に、他方でオフ転化が完
了した後に変圧器用クランプの両端の電圧が急激に上昇
出来るようにし、新しい動作サイクルに備えて、変圧器
を出来るだけ速くリセット出来るようにする。

この為、この発明の目的は、改良されたパルス・エネル
ギ抑圧回路を提供することである。

この発明の目的は、前述のような回路として、トランジ
スタのオフ転化の変化の際、スイッチング・トランジス
タを過大な電力消費状態から保護するように作用する回
路を提供することである。

この発明の目的は、前述の様な回路として、スイッチン
グ・トランジスタと直列に接続された誘導性回路のリセ
ット用エネルギの幾分かを吸収するように作用する回路
を提供することである。

この発明の目的は、前述の様なパルス・エネルギ抑圧回
路として、変圧器結合のスイッチング形調整器に見られ
るような変圧結合のスイッチング回路に使われる改良さ
れたパルス・エネルギ抑圧回路を提供することである。

この発明の目的は、前述の様な変圧器結合のトランジス
タ・スイッチング回路に、クランプ回路と組合せて用い
られる改良されたパルス・エネルギ抑圧回路を提供する
ことである。

第１図の回路では、正の直流電圧源Ｅ１が変圧器１２の
１次巻線１０とトランジスタ１４のコレクタ・エミッタ
回路との直列回路の両端に接続される。

回路の動作中、制御信号源１６が１〜ランジスタ１４の
ベース接続部１８に対して循環的にオン及びオフ駆動信
号を供給する。

トランジスタ１４が完全な導電状態にある時、そのコレ
クタ端子２０の電位（従って節Ｎの電位）は、殆んどト
ランジスタ１４のエミッタ端子２２の電位まで下がる。

トランジスタ１４が導電している間、変圧器１２の１次
側１０から２次側２６にエネルギが伝達され、トランジ
スタ１４がそのベース端子１８に加えられたオフ駆動信
号によってオフに転すると、１次巻線１０の電流が消滅
し、節点Ｎ及びコレクタ端子２０の電位が上昇する。

この回路を直列−直流用トランジスタ・スイッチング形
調整器等に用いる典型的な用途では、ダイオード２４が
変圧器１２の２次側２６と接続され、端子２８゜３０の
出力が適当なＰ波器を介して有用な負荷に接続される。

制御信号手段１６は適当な饋還回路によって作動され、
負荷に対する出力を安定化する。

前掲米国特許第３８５９５９０号には、この種の調整器
に於ける饋還制御の１例が示されている。

フライバック形変圧器回路では、負荷の動作によって変
圧器１２をリセットすることが出来る。

然し、図示の実施例の様に、ダイオード２４がトランジ
スタ１４のオン時間の間導電するような極性に接続され
ている場合、トランジスタ１４のオフ時間の間、変圧器
１２をリセットする為に何等かの手段を設けなければな
らない。

この目的に適した１つの手段がクランプ回路４０である
。

クランプ回路４０は、ダイオード４６を介して１次巻線
１００両端に接続された抵抗４２及びコンテ゛ンサ４４
で構成し得る。

節点Ｎの電位がコンデンサ４４の電荷より高い値に上昇
すると、ダイオード４６が順バイアスされ、巻線１０か
らコンテ゛ンサ４４にエネルギが伝達される。

このエネルギが抵抗４２で散逸され、次の動作サイクル
に備える。

実際問題として、トランジスタ１４のオフ時間の間に、
変圧器１２をリセットするのに必要な電圧一時間の積が
得られるように、節点Ｎの電位は十分高い値まで上昇す
ることが必要である。

この為、この発明による改良を用いなければ、トランジ
スタ１４のオフ転化動作の開始直後から、このオフ転化
の過渡状態が完了するまでの間、トランジスタ１４のコ
レクタ端子２２はかなりの電位が生ずる。

このオフ転化の過渡状態の最初の部分の間、節点Ｎがダ
イオード４６をかなり導電させるように順バイアスする
程上昇する期間にわたって、トランジスタ１４のコレク
タ２０に流れ込む電流が依然としてかなり大きく、その
為、トランジスタ１４の内部で破壊的になる惧れもある
電力消費が起り得る。

パルス・エネルギ抑圧回路５０を設けてこの散逸エネル
ギの一部を吸収し、更に重要なことは、この重要な期間
の間散逸電力のピークが発生しないようにすることが、
この発明の特徴である。

回路５０はダイオード５２とバイアス電源とで構成され
ることが示されている。

このバイアス電源は、節点Ｎの電位が予定の値より小さ
い時、ダイオード５２に対して順方向電流を供給し、節
点Ｎの過渡状態によってダイオード５２が逆バイアスさ
れた時、ダイオード５２から逆方向電流を受取るように
作用する。

図示の回路では、このバイアス電源が、逆方向にダイ
オード５５によって分路されている抵抗５４の様なイン
ピーダンスと、電圧源Ｅ２との直列回路で構成される。

回路５０が保護しようとするトランジスタ１４内の回路
、今の場合はコレクタ・エミッタ回路２０．２２と並列
に接続される。

ダイオード５２は節点Ｎに向って順方向に導電するよう
な極性に接続されている。

即ち、節点から離れる向きの、トランジスタ１４の正常
の導電方向とは反対向きである。

電圧源Ｅ２の値はトランジスタ１４が完全な導電状態に
ある時のトランジスタ１４のコレクタ・エミッタ間電圧
より大きく、且つトランジスタ１４が完全にオフである
時のトランジスタ１４のコレクタ・エミッタ間電圧より
小さくする。

この為、トランジスタ１４のオフ転化の過渡状態が始ま
る前、ダイオード５２は順方向に導電しているが、トラ
ンジスタ１４のオフ転化作用の際、その結果コレクタ端
子２０及び節点Ｎの電位が上昇することにより、逆バイ
アスされる。

ダイオード５２は回復の遅いダイオードであるから、節
点Ｎから電流５６を受取り、こうしてこの電流の幾分か
を、１次側１０からコレクタ端子２０に至る通路５８か
ら側路する。

回路５０の効果は第２図及び第３図を比較すれば判る。

第２図は、第１図と同様であるが、回路５０を省略した
回路に於けるトランジスタ１４のオフ転化の変化期間を
示している。

この変化期間は、ベース端子１８に対する制御信号が負
に駆動される時刻Ｔ１に始まり、トランジスタ１４のオ
フ転化の変化が略完了する時刻Ｔ４に終る。

この期間中、コレクタ端子２０及び節点Ｎの電位Ｖｃｅ
は殆んど大地レベルに近い数値６０から、クランプ回路
４０によって設定された電位であるレベル６２まで上昇
する。

同時にコレクタ電流Ｉｃはピーク６４から６６の所に示
した略ゼロの値まで下がる。

第２図は、この発明のパルス・エネルギ抑圧回路がない
場合、電流の減小が６８に示す経過をたどり、コレクタ
電位Ｖｃｅが既にかなりの値７０、今の場合は完全なカ
ットオフの値まで上昇した時に、まだ相当の値を持つこ
とを示している。

Ｔ２からＴ３までの期間が、トランジスタ１４に於ける
電力消費が著しい時間であることが判る。

然し、この発明のパルス・エネルギ抑圧回路５０を使う
と、回路の作用は第３図に示す様に変わる。

オフ転化動作が時刻ＴＩ’に始まる。ＴＩ’からＴ２’
まで訃うンジスタ１４のＶｃｅ、即ち節点Ｎの電位は６
０′に示した略ゼロの値から、Ｅ２によて設定されたク
ランプ・レベルに向かって上昇する。

このレベルでダイオード５２が逆転し始める。

この時間の間、ダイオード５２を通る順方向電流がゼロ
まで下がり、その後逆方向回復電流５６がトランジスタ
１４のＩｃの急激な低下７０によって示す様に、通路５
８から電流を側路する。

その間、Ｖｃｅは、ダイオード５２の逆方向の回復がＴ
３’に略完了するまで、適度のレベルにクランプされた
ま・でいる。

この時までに、Ｉｃは非常に低いレベル７４に下がって
いる。

ダイオード５２が回路５０のクランプ作用を妨げ始める
と、節点Ｎの電位、従ってトランジスタ１４のＶｃｅが
、７６の経過によって示す様に、クランプ回路４０によ
って設定されるレベル６２′まで急速に上昇する。

この時間の間、Ｉｃは低いま・である。これは、Ｔ２’
及びＴ３’の間に、トランジスタ１４は略完全にカット
オフになる時間があったからである。

Ｖｃｅが上昇する前にＩｃが下がっているから、トラン
ジスタ１４で著しい電力消費が起る時がない。

第２図及び第３図の曲線は、全般的に第１図に示す様な
形式の回路で用いた場合の、この発明のパルス・エネル
ギ抑圧回路の作用の典型例である。

これらの曲線はこの発明で取上げるスイッチング現象の
様子を説明する為に示したものであり、便宜上、実際の
調整器でとったのではなく、試験装置で得られたもので
ある。

この試験装置では、クランプ回路４０の抵抗４２とコン
デンサ４４の部分の代りに電源を用い、変圧器１２の代
りに大きな誘導子を用い、第１図の饋還及び制御回路１
６の代りにオシロスコープを取入れた手動制御装置を用
いた。

次の表はこの試験装置のパラメータの値を示す。

電源Ｅ１：４０ボルト クランプ４０ ： ３００ボルト Ｖｃｅの振幅：３４０ボルト Ｉｃの振幅：２．８アンペア トランジスタ１４：松下２ＳＤ３８０ ダイオード５２及び５５ ： Ｍｏｔｏｒｏｌａ２２５
ＤＯ９５インピーダンス５４：１４オーム バイアス電源Ｅ２：１２ボルト 同じ試験装置を用いたが、上に述べた松下２ＳＤ３８０
）ランジスタの代りにモータローラ２Ｎ６３０８スイ
ツチング・トランジスタを使った別の試験では、Ｉｃの
低下は更に急速であり、回路５０が十分に作用を発揮す
るまでの短時間にＶｃｅがその一杯の値の約１７４まで
上昇した。

この急激な変化の後、Ｉｃ及びＶｃｅに数個の小さな振
動があったが、回路５０による改善が得られたことは変
わりがなかった。

実用的な回路では、バイアス電源Ｅ２． ５４゜５５は
種々の形にすることが出来るが、要はダイ；オード５２
が大体時刻ＴＩ’に順方向に導電し、時刻Ｔ３’に逆方
向にまだかなり導電する程度にその回復が遅いことであ
る。

この為、電圧Ｅ２はこの目的で必要な時、制御装置１６
によってオンにゲートしてもよいし、或いは、トランジ
スタ１′４がそのオフ転化の変化を開始する少し前に、
制御装置１６の過渡状態から電圧を取出してもよい。

こういう設計変更は、それ自体がこの発明の一部を構成
するものではない。

ＮＰＮ）ランジスタ１４の代りにＰＮＰ）−ランジスタ
を使う場合、それに印加されるコレクタ電圧Ｅ１は正で
゛なく負になることは明らかである。

バイアス電源Ｅ２も負になり、ダイオード４６，５２．
５５の極性を反転すれば、図示の回路と同様に動作する
。

全ての電圧並びに電流は単に向きが反転するだけである
。

この為、以上の説明で、特定の実施例について述べた場
合を除き、電圧及び電流は成る値を持つというだけで、
符号については言わなかった。

第１図の回路では、節点Ｎの電位は大地レベルから、Ｅ
ｌとクランプ回路４０との和によって設定される正の限
界まで変化する。

ダイオード５２の逆方向回復電流は節点Ｎから遠ざかる
向きである。

ＮＰＮ形の代りにＰＮＰ形のスイッチング・トランジス
タを使って回路を変更した場合、全ての電流は反対向き
になり、全ての電圧は反対の符号を持つが、動作原理は
全く同じま・である。

この動作原理とは、トランジスタ１４の蓄積特性に対す
るダイオード５２の蓄積特性の為、トランジスタ１４の
オフ転化の変化の際にトランジスタ１４のＩｃが低い値
に下がるまで、パルス・エネルギ抑圧回路５０か斗うン
ジスタ１４のｖｃｅを低い値にクランプするように作用
し、この為トランジスタ１４の内部でピーク状の大きな
電力消費が起る時がないようにする、ということである
。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の改良されたパルス・エネルギ抑圧回
路を用いたトランジスタ・スイッチング回路の回路図、
第２図及び第３図はこの回路にこの発明のエネルギ抑圧
回路を用いない場合並びに用いた場合の第１図のトラン
ジスタのオフ転化時に於けるそのコレクタの電流並びに
電位の変化を示す波形図である。 １４：トランジスタ、１０：変圧器の１次巻線、５０：
パルス・エネルギ抑圧回路、５２：ダイオード、Ｅ２：
バイアス源。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 導電状態及び開路状態を持つスイッチ素子と、該素
   子が導電状態にある時に該素子に電流の流れを設定する
   電位手段と、導電状態から開路状態へのオフ転化の変化
   の際、スイッチ素子の両端の電位上昇を拘束するための
   パルス・エネルギ抑圧回路とを有し、該パルス・エネル
   ギ抑圧回路は、一端が前記電流の方向と反対の極性で、
   前記スイッチ素子及び前記電位手段の接続接点に接続さ
   れたダイオード、及び前記変化の前にダイオードを通る
   順方向電流を設定するバイアス手段を持ち、該ダイオー
   ドの他端及び該バイアス手段は直列接続されて前記スイ
   ッチ素子の両端に並列状に接続され、該バイアス手段は
   前記変化の際にダイオードが前記電位手段によって逆バ
   イアスされる時、ダイオードから回復電流を受取るよう
   になっており、前記ダイオードは前記変化の際、ダイオ
   ードがスイッチ素子の両端の限時クランプとして作用す
   るように前記変化時間の実質的な部分に少なくとも等し
   い逆方向回復時間特性を有することを特徴とする切換え
   回路。