JP2004007908A - スイッチング回路およびそれを用いた電子装置 - Google Patents

Abstract

【課題】主電流経路に設けられたスイッチ素子のターンオフ時の余剰キャリアを素早く放電させてスイッチング損失を低減することのできるスイッチング回路およびそれを用いた電子装置を提供する。
【解決手段】第１のスイッチ素子であるトランジスタＱ１のベース・エミッタ間に第２のスイッチ素子であるトランジスタＱ２のコレクタ・エミッタ間を接続し、トランジスタＱ２のコレクタ・ベース間に抵抗Ｒ１を接続する。そして、トランジスタＱ２のターンオフ時の余剰キャリアの自己放電を利用して、トランジスタＱ１のターンオフ時の余剰キャリアをトランジスタＱ２のコレクタ・エミッタ間を介して放電し、トランジスタＱ１のターンオフ時間を短縮する。
【選択図】　　　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スイッチング回路およびそれを用いた電子装置、特にスイッチング損失の少ない高効率なスイッチング回路およびそれを用いた電子装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
スイッチング方式のＤＣ−ＤＣコンバータ等の電源装置においては、主電流経路に流れる直流電流を断続するスイッチング回路が用いられる。スイッチング回路のスイッチ素子としてはトランジスタが用いられることが多い。トランジスタにおいてはターンオフ時にベース・エミッタ間の寄生容量に余剰キャリアが発生する。その余剰キャリアがトランジスタのベース・エミッタ間を流れる電流として放電するのには時間がかかるために、トランジスタのコレクタ・エミッタ間はすぐには遮断状態にならず、しばらくの間は電流が流れる。この、余剰キャリアがトランジスタのベース・エミッタ間を流れる電流によって放電することを、本願においては自己放電と称する。そして、この自己放電の間にコレクタ・エミッタ間を流れる電流によってスイッチング損失が発生し、このスイッチング損失がスイッチング回路の効率低下の原因になる。
【０００３】
損失を低減するためにはターンオフ時間を短縮すればよい。そのための方法として、スイッチ素子（第１のスイッチ素子という）に発生する余剰キャリアを、スイッチ素子のベース・エミッタ間に別途設けたスイッチ素子（第２のスイッチ素子という）を介してバイパスさせて放電するという方法がある。具体的な方法は、例えば登録実用新案第３００８０２９号公報（以下、従来例１とする）や特開２００１−１１２２４３号公報（以下、従来例２とする）などに開示されている。この方法によれば、第１のスイッチ素子においては余剰キャリアを自己放電しないために第１のスイッチ素子のターンオフが速くなり、第１のスイッチング素子におけるスイッチング損失を低減することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来例１においては、第１のスイッチ素子がオン状態の時には第２のスイッチ素子はオフ状態にある。そして、第１のスイッチ素子がターンオフするときに、それをきっかけとして第２のスイッチ素子がターンオンして第１のスイッチ素子のベース・エミッタ間のバイパスを形成する。そのため、第１のスイッチ素子がターンオフし始めても、第２のスイッチ素子のターンオンにかかる時間だけはバイパスがきちんと形成されない。すなわち、バイパスがきちんと形成され、第１のスイッチ素子の余剰キャリアの放電が始まるまでに時間がかかる。そのため、従来例１においてはスイッチング損失を十分に低減することができないという問題がある。
【０００５】
また、従来例２においても、従来例１とは回路構成は異なるものの、同様に第１のスイッチ素子がターンオフするときに、それをきっかけとして第２のスイッチ素子がターンオンしてバイパスを形成する。そのため、従来例２においてもバイパスが形成されるまでに時間がかかり、スイッチング損失を十分に低減することができないという問題がある。
【０００６】
本発明は上記の問題点を解決することを目的とするもので、主電流経路に設けられたスイッチ素子のターンオフ時の余剰キャリアを素早く放電させてスイッチング損失を低減することのできるスイッチング回路およびそれを用いた電子装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のスイッチング回路は、主電流経路に直列にコレクタ・エミッタ間が接続されたトランジスタからなる第１のスイッチ素子と、該第１のスイッチ素子のベースに接続されるとともに前記第１のスイッチ素子をオン・オフする制御回路と、コレクタ・エミッタ間が前記第１のスイッチ素子のベース・エミッタ間に接続されるとともに前記第１のスイッチ素子に連動してオン・オフするトランジスタからなる第２のスイッチ素子とを備えてなり、前記第１のスイッチ素子のターンオフ時に前記第１のスイッチ素子のベース・エミッタ間に発生する余剰キャリアを、前記第２のスイッチ素子のターンオフ時に前記第２のスイッチ素子のベース・エミッタ間に発生する余剰キャリアの自己放電を利用して前記第２のスイッチ素子のコレクタ・エミッタ間を経由して放電させることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明の電子装置は、上記のスイッチング回路を用いたことを特徴とする。
【０００９】
このように構成することにより、本発明のスイッチング回路およびそれを用いた電子装置においては、低損失化、小型化、低価格化、および信頼性の向上が可能になる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１に、本発明のスイッチング回路の一実施例を用いた電子装置である電源装置の回路図を示す。図１において、電源装置１は、第１のスイッチ素子であるＰＮＰ型のトランジスタＱ１、第２のスイッチ素子であるＮＰＮ型のトランジスタＱ２、抵抗Ｒ１、制御回路２、チョークコイルＬ１、フライホイールダイオードＤ１、平滑コンデンサＣ１から構成されている。電源装置１は、本発明のスイッチング回路を用いた電子装置の１つで、例えば絶縁基板に各回路素子を搭載したハイブリッドＩＣ構造のモジュールとして構成される。
【００１１】
トランジスタＱ１は、エミッタが入力端子Ｖｉｎに接続され、コレクタがチョークコイルＬ１を介して出力端子Ｖｏｕｔに接続され、ベースが制御回路２に接続されている。トランジスタＱ２は、コレクタがトランジスタＱ１のエミッタに接続され、エミッタがトランジスタＱ１のベースに接続され、ベースが抵抗Ｒ１を介して自身のコレクタに接続されている。トランジスタＱ１のコレクタとチョークコイルＬ１との接続点はフライホイールダイオードＤ１を介してグランドに接続されている。そして、出力端子Ｖｏｕｔは平滑コンデンサＣ１を介してグランドに接続されている。
【００１２】
電源装置１において、入力端子ＶｉｎからトランジスタＱ１のコレクタ・エミッタ間とチョークコイルＬ１を介して出力端子Ｖｏｕｔに至る経路が主電流経路である。そのため、トランジスタＱ１、トランジスタＱ２、抵抗Ｒ１、および制御回路２でスイッチング回路３が構成されることがわかる。
【００１３】
このように構成された電源装置１は、基本構成は一般的な降圧型のＤＣ−ＤＣコンバータである。入力端子Ｖｉｎに印加される入力電圧をトランジスタＱ１でスイッチングして、チョークコイルＬ１とフライホイールダイオードＤ１と平滑コンデンサＣ１で整流平滑して、入力電圧より低い出力電圧として出力端子Ｖｏｕｔから出力する。その際、トランジスタＱ１は制御回路２でオン・オフ制御される。制御回路２は、等価的には一端がトランジスタＱ１のベースに接続され、他端がグランドに接続されたスイッチで、図示を省略しているが、出力端子Ｖｏｕｔの電圧を検知して、それが所望の値になるように、トランジスタＱ１のオン・オフのデューティを制御する。
【００１４】
次に、スイッチング回路３の動作を説明する。トランジスタＱ１は、制御回路２の等価的なスイッチがオンになることによってベース電圧が略接地されるとオン状態になり、エミッタからベースおよびエミッタからコレクタへと電流が流れる。トランジスタＱ１のベース・エミッタ間には寄生容量Ｃａが存在し、約０．６Ｖのベース・エミッタ間電圧で充電される。このとき、トランジスタＱ２も、エミッタ電圧が略接地されることによってオン状態になり、ベース・エミッタ間およびコレクタ・エミッタ間に電流が流れる。トランジスタＱ２のベース・エミッタ間にも寄生容量Ｃｂが存在し、これも約０．６Ｖのベース・エミッタ間電圧で充電される。なお、抵抗Ｒ１はトランジスタＱ２のバイアスのためのもので、ベース・エミッタ間の電流を制御してコレクタ・エミッタ間に所定の電流が流れるような値に設定される。
【００１５】
ここで、制御回路２の等価的なスイッチがオフになってトランジスタＱ１のベース電流が流れるようになってトランジスタＱ１がターンオフする場合を考える。このとき、寄生容量Ｃａに充電された電荷はトランジスタＱ１における余剰キャリアになる。同時にトランジスタＱ２のエミッタ電流も流れなくなるため、トランジスタＱ２もターンオフしようとする。そのため、寄生容量Ｃｂに充電された電荷もトランジスタＱ２における余剰キャリアになる。
【００１６】
このとき、寄生容量Ｃｂに充電された電荷の放電経路はトランジスタＱ２のベース・エミッタ間しかないため、ベース・エミッタ間を流れる電流として自己放電される。トランジスタＱ２のベース・エミッタ間に電流が流れると、それによってトランジスタＱ２のコレクタ・エミッタ間が導通する。より正確には、それまでも導通していたものがすぐにターンオフせずに導通し続ける。トランジスタＱ２のコレクタ・エミッタ間を通る経路はトランジスタＱ１のベース・エミッタ間に対するバイパスになるため、トランジスタＱ１の寄生容量Ｃａに充電された電荷はこのバイパスを経由して放電される。そのため、トランジスタＱ１においては、余剰キャリアがベース・エミッタ間を流れることがないため、それによってコレクタ・エミッタ間の導通状態が維持されることがなく、すぐに遮断状態になる。すなわち、トランジスタＱ１のターンオフ時間が短くなる。しかも、トランジスタＱ１がターンオフしようとするときにはトランジスタＱ２はもともとオン状態にあるため、従来例１や２のようにバイパスが形成されるのに時間がかかるということもない。そのため、トランジスタＱ１におけるスイッチング損失の発生を大幅に低減することができる。
【００１７】
なお、上記のように、スイッチング回路３においては、トランジスタＱ１をターンオフするときにあらかじめそのベース・エミッタ間のバイパスができているように、トランジスタＱ１がオン状態にある時にトランジスタＱ２もオン状態になるようにしている。すなわち、バイパスが必要なトランジスタＱ１のターンオフのときだけでなく、不要なときにもトランジスタＱ２のベース・エミッタ間やコレクタ・エミッタ間には電流が流れている。この電流はスイッチング回路３の損失の原因になる。しかしながら、トランジスタＱ２に流れる電流はトランジスタＱ１に流れる電流に比べて十分に小さいため、トランジスタＱ２に流れる電流による損失はトランジスタＱ１におけるスイッチング損失に比べて十分に小さく、スイッチング回路３の効率を低下させることにはならない。但し、そのためにも、抵抗Ｒ１は、トランジスタＱ２のコレクタ・エミッタ間電流が、トランジスタＱ１の余剰キャリアを流すのに必要かつ十分な程度になるような値に設定する必要がある。
【００１８】
以上の説明のように、スイッチング回路３においては、１つのトランジスタと１つの抵抗という小型化の可能な非常に簡単な回路であるにもかかわらずスイッチング損失の低減を図ることができる。そして、スイッチング損失の低減によってスイッチ素子からの発熱を抑えることができるので、放熱機能を簡素化した小型で安価なパッケージのスイッチ素子の利用が可能になる。また、同じ理由で信頼性も向上する。以上をまとめると、本発明のスイッチング回路においては、低損失化、小型化、低価格化、および信頼性の向上が可能になる。そして、これらの効果は、スイッチング回路３を用いた電源装置１においても同様に得ることができる。特に、ハイブリッドＩＣ構造のモジュールのような、小型で特別な放熱機能を備えるのが難しい電源装置においては、その効果が明確になる。
【００１９】
なお、本発明の電子装置としては、本発明のスイッチング回路を用いたものであれば電源装置に限定されるものではない。また、このような電源装置を内部に組み込んだ、例えばプリンタのような装置も本発明の電子装置に含まれるものである。
【００２０】
【発明の効果】
本発明のスイッチング回路によれば、主電流経路に直列にコレクタ・エミッタ間が接続されたトランジスタからなる第１のスイッチ素子と、そのベースに接続されるとともに第１のスイッチ素子をオン・オフする制御回路と、コレクタ・エミッタ間が第１のスイッチ素子のベース・エミッタ間に接続されるとともに第１のスイッチ素子に連動してオン・オフするトランジスタからなる第２のスイッチ素子とを備え、第２のスイッチ素子のターンオフ時に第２のスイッチ素子のベース・エミッタ間に発生する余剰キャリアの自己放電を利用して、第１のスイッチ素子のターンオフ時に第１のスイッチ素子のベース・エミッタ間に発生する余剰キャリアを、第２のスイッチ素子のコレクタ・エミッタ間を経由して放電させることによって、低損失化、小型化、低価格化、および信頼性の向上が可能になる。
【００２１】
そして、本発明の電子装置においても、本発明のスイッチング回路を用いることによって同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のスイッチング回路の一実施例を用いた電源装置を示す回路図である。
【符号の説明】
１…電源装置（電子装置）
２…制御回路
３…スイッチング回路
Ｑ１…トランジスタ（第１のスイッチ素子）
Ｑ２…トランジスタ（第２のスイッチ素子）
Ｒ１…抵抗
Ｃａ、Ｃｂ…寄生容量
Ｄ１…フライホイールダイオード
Ｌ１…チョークコイル
Ｃ１…平滑コンデンサ

Claims (2)

1. 主電流経路に直列にコレクタ・エミッタ間が接続されたトランジスタからなる第１のスイッチ素子と、該第１のスイッチ素子のベースに接続されるとともに前記第１のスイッチ素子をオン・オフする制御回路と、コレクタ・エミッタ間が前記第１のスイッチ素子のベース・エミッタ間に接続されるとともに前記第１のスイッチ素子に連動してオン・オフするトランジスタからなる第２のスイッチ素子とを備えてなり、
   前記第１のスイッチ素子のターンオフ時に前記第１のスイッチ素子のベース・エミッタ間に発生する余剰キャリアを、前記第２のスイッチ素子のターンオフ時に前記第２のスイッチ素子のベース・エミッタ間に発生する余剰キャリアの自己放電を利用して前記第２のスイッチ素子のコレクタ・エミッタ間を経由して放電させることを特徴とするスイッチング回路。
2. 請求項１に記載のスイッチング回路を用いたことを特徴とする電子装置。

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