JP2010068629A - 電力変換装置および内燃機関用点火装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
トランスの三次巻線の励磁電力を用いて一次巻線に接続されたトランジスタを駆動して、一次巻線から二次巻線に電力を移送する電力変換装置において、三次巻線からトランジスタのベースに供給される電流を制限することで、一次巻線を流れる電流のピークを抑制する。
【解決手段】
一次巻線側の直流電力を二次巻線側に移送するトランス１１と、一次巻線に直列に接続されたトランジスタ１２と、トランス１１の三次巻線に接続されたトランジスタ１２を駆動する駆動回路１３とを備え、駆動回路１３には、トランジスタ１２がオフ状態からオン状態に移行したときに、三次巻線の起電力を電力として当該三次巻線からトランジスタに供給されるベース電流を所定値以下に制限する電流制限回路を接続した。
【選択図】 図１

Description

本発明は、トランスの三次巻線の励磁電力を用いて一次巻線に接続されたトランジスタを駆動して、一次巻線から二次巻線に電力を移送する電力変換装置に関し、三次巻線からトランジスタのベースに供給される電流を制限することで、一次巻線を流れる電流のピークを抑制する電力変換装置およびこれを用いた内燃機関用点火装置に関する。

従来、トランスの三次巻線の励磁電力を用いて一次巻線に接続されたトランジスタを駆動して、一次巻線から二次巻線に電力を位相する電力変換装置が知られている。この種の電力変換装置の中には、トランジスタのカット・オフと、三次巻線とコンデンサの共振を利用して発振を行なう駆動回路を備えたものが知られている（特許文献１参照）。図７に、この電力変換装置を用いた内燃機関用点火装置を示す。

図７において、内燃機関用点火装置８は、直流電源８１と、キースイッチ８２と、始動抵抗８３と、トランス８４と、トランジスタ８５と、駆動回路８６と、点火回路８７と、点火制御回路８８とを備えている。

内燃機関用点火装置８においてキースイッチ８２がオンされると、始動抵抗８３を介してトランジスタ８５のベースＢに電流が流れ込み、トランジスタ８５はオン状態となる（図７では、スナバコンデンサ８５１がコレクタＣ・エミッタＥ間に接続されている）。トランジスタ８５がオン状態となると、トランス８４の一次巻線８４１に電流が流れ、これにより二次巻線８４２および三次巻線８４３が励磁される。三次巻線８４３が励磁されると、第１抵抗８６１、第２抵抗８６３および第１ダイオード８６４を介して、トランジスタ８５のベースＢにさらに電流が供給される。

トランジスタ８５のコレクタ電流Ｉ_cとベース電流Ｉ_bとの間には、通常の動作では、Ｉ_c＝ｈ_FE×Ｉ_bの関係が成立する。Ｉ_cがさらに増大するとこの式の関係が成立しなくなり、Ｉ_c＞ｈ_FE×Ｉ_bとなる。この式の状態が生じると、トランジスタ８５は、カット・オフ状態となり、Ｉ_c＝０となる。

Ｉ_c＝０、すなわち一次巻線を流れる電流Ｉ₁がゼロとなると、磁束を補償する電流が二次巻線８４２と、三次巻線８４３に流れる。
二次巻線８４２に流れる電流Ｉ₂は、点火回路８７の点火コンデンサ８７２に蓄積される。

一方、グランドＧＮＤから駆動回路８６の第２ダイオード８６５、共振コンデンサ８６２、第１抵抗８６１を介して三次巻線８４３に流れる。この電流が流れる経路は、ＬＣＲ共振回路を構成しているので、共振コンデンサ８６２が所定電圧まで充電されると、共振コンデンサ８６２と三次巻線８４３とを流れる電流の向きが逆転する。これにより、トランジスタ８５のベースＢに電流が供給されるようになり、ふたたびトランジスタ８５はオン状態になる。
特開平６−１５９２０７号公報

ところで、内燃機関用点火装置には、直流電源が発電機電源の場合等、電源電圧が高くなり、一次電流Ｉ₁が急増し、トランス８４の定格によっては、トランスの損傷（巻線の破断，短絡等）といった事態に至ることがある。
このため、従来では安全を見越して、トランス８４として大電流に耐えられる（すなわち、定格電流が大きい）ものを使用せざるを得ない。

本発明の目的は、トランスの三次巻線の励磁電力を用いて一次巻線に接続されたトランジスタを駆動して、一次巻線から二次巻線に電力を移送する電力変換装置およびこれを用いた内燃機関用点火装置において、三次巻線からトランジスタのベースに供給される電流を制限することで、一次巻線を流れる電流のピークを抑制し、低定格のトランスであってもその損傷を防止することである。

本発明の電力変換装置は、〔１〕から〔３〕を要旨とする。
〔１〕
一次巻線側の直流電力を二次巻線側に移送するトランスと、
前記一次巻線に直列に接続されたトランジスタと、
前記トランスの三次巻線に接続された前記トランジスタを駆動する駆動回路と、
を備えた電力変換装置において、
前記駆動回路には、前記トランジスタがオフ状態からオン状態に移行したときに、前記三次巻線の起電力を電力として当該三次巻線から前記トランジスタに供給されるベース電流を所定値以下に制限する電流制限回路を接続したことを特徴とする電力変換装置。

〔２〕
前記駆動回路は、
前記三次巻線に接続された第１抵抗と、
前記第１抵抗と前記トランジスタのベースに接続された共振コンデンサと、
前記共振コンデンサに並列に接続された、カソードが前記ベース側を向いた第１ダイオードおよび第２抵抗との直列回路と、
前記ベースに、カソードが当該ベース側を向いて接続され、アノードがグランドに接続された第２ダイオードと、
を有することを特徴とする〔１〕に記載の電力変換装置。

〔３〕
前記電流制限回路は、互いに逆極性で配置された第３ダイオードとツェナーダイオードとの直列回路からなり、前記ツェナーダイオードのアノード側がグランド側を向いている定電圧回路であることを特徴とする〔１〕または〔２〕に記載の電力変換装置。

本発明の内燃機関用点火装置は、〔４〕を要旨とする。
〔４〕
請求項１から３の何れかに記載の電力変換装置を用いた内燃機関用点火装置であって、
前記トランジスタの入力側と前記ベースとの間に始動抵抗が設けられるとともに、
前記二次巻線側に、点火コンデンサを充電し、点火スイッチにより充電電荷を放電させて点火コイルを駆動することで、プラグの点火を行なう内燃機関用の点火回路が設けられていることを特徴とする内燃機関用点火装置。

三次巻線からトランジスタのベースに供給される電流を制限する電流制限回路を設けることで、一次巻線を流れる電流のピークを制限し、定格電流値が低いトランスであってもその損傷を防止することができる。

本発明の電力変換装置の基本的実施形態を図１に示す。図１において、電力変換装置１Ａは、トランス１１と、トランジスタ１２と、駆動回路１３と、電流制限回路１４とを備えている。
トランス１１は、一次巻線１１１、二次巻線１１２、三次巻線１１３を有している。図１では、一次巻線１１１の電圧、電流をＶ₁，Ｉ₁で、二次巻線１１２の電圧、電流をＶ₂，Ｉ₂で、三次巻線１１３の電圧、電流をＶ₃，Ｉ₃でそれぞれ示す。
一次巻線１１１の一方端子には直流電源２が接続され、他方端子にはＮＰＮ型のトランジスタ１２のコレクタＣが接続されている。トランジスタ１２のエミッタＥはグランドＧＮＤに接続されている。

二次巻線１１２は、負荷回路３に接続されている。負荷回路３は、後述するように内燃機関の点火回路（図３参照）とすることができる。
三次巻線１１３には駆動回路１３が接続されている。駆動回路１３は、トランジスタ１２がオフ状態からオン状態に移行したときに、三次巻線１１３の起電力を電力として当該三次巻線１１３からトランジスタ１２に供給されるベース電流Ｉ_bを所定値以下に制限する。これにより、直流電源２の電圧が高くなっても、一次巻線を流れる電流のピークが制限されるので、トランス１１に定格を超える電流が流れることはない。したがって、その損傷を防止することができる。

図２は、図１の電力変換装置の変形実施形態を示す図である。図２の電力変換装置１Ｂでは、駆動回路１３は、トランス１１の三次巻線１１３に直列に接続された抵抗１３１を含む。図２では、駆動回路１３のうち、抵抗１３１以外の回路を符号１３０で示してある。電流制限回路１４の一方端子は、抵抗１３１の２端子のうち、三次巻線１１３が接続されていな側の端子に接続され、他方の端子はグランドに接続されている。図２の実施形態では、電流制限回路１４として定電圧回が使用される。図２において図１の構成要素と同一の構成要素については同一符号を付してある。

図１および図２の電力変換装置１Ａ，１Ｂでは、トランジスタ１２のオフのタイミングは、駆動回路１３が生成することもできるし、後述するように、コレクタ電流Ｉ_cが増大すると、トランジスタ１２がカット・オフ状態なる性質を利用することもできる。図１および図２の電力変換装置では、ベース電流Ｉ_bを制限することで、コレクタ電流Ｉ_cを抑制できるので、トランス１１として定格電流の高いものを使用しなくてもよい。

図３は本発明の電力変換装置のより具体的な実施形態およびこの電力変換装置を用いた内燃機関用点火装置の実施形態を示す説明図である。図３において図１および図２の構成要素と同一の構成要素については同一符号を付してある。図３では、電力変換装置を符号１Ｃで示し、内燃機関用点火装置を符号４で示してある。

図３の内燃機関用点火装置４において、一次巻線１１１と直流電源２との間には始動スイッチ１５１が設けられており、始動スイッチ１５１の一次巻線１１１側の端子とトランジスタ１２のベースＢとの間には始動抵抗１５２が接続されている。また、トランジスタ１２のコレクタＣとエミッタＥとの間にはスナバコンデンサ１２１が接続されている。なお、直流電源２は、電圧が変化することを前提とするもので、典型的にはキック式の発電機であるが、バッテリーやコンデンサであることもある。また、図示はしていないが、直流電源２は、発電機，バッテリー等に並列に平滑コンデンサが接続されていてもよい。

駆動回路１３は、第１抵抗１３１と、共振コンデンサ１３２と、第２抵抗１３３と、第１ダイオード１３４と、第２ダイオード１３５とからなる。第１抵抗１３１は三次巻線１３３に接続されており、図２における抵抗１３１と同じである。共振コンデンサ１３２は、第１抵抗１３１とトランジスタ１２のベースＢとの間に接続されている。第２抵抗１３３と第１ダイオード１３４とは直列接続されており、この直列回路は第１ダイオード１３４のカソードＫがトランジスタ１２のベースＢ側を向くように、共振コンデンサ１３２に並列接続されている。

電流制限回路１４は、定電圧回路であり、互いに逆極性で配置された第３ダイオード１４１とツェナーダイオード１４２との直列回路からなり、ツェナーダイオード１４２のアノードＡ側がグランドＧＮＤ側を向いている。図３では、ツェナーダイオード１４２のカソードＫ側に第３ダイオード１４１を接続してあるが、ツェナーダイオード１４２のアノードＡ側に第３ダイオード１４１を接続（すなわち、ツェナーダイオード１４２のグランド側に第３ダイオード１４１を接続）してもよい。なお、定電圧回路として、ツェナーダイオード１４２に代えて、たとえばダイオードの直列接続等を使用することもできる。

図３では、負荷回路３は点火回路であり、二次電流逆流阻止用ダイオード３１と、点火スイッチ（サイリスタ）３２と、点火コンデンサ３３と、点火コイル３４と、点火プラグ３５とを備えている。二次電流逆流阻止用ダイオード３１は、点火コンデンサ３３の充電を担保するために設けられるもので、二次巻線１１２を流れる電流が点火コンデンサ３３を充電する向きに流れるときにのみ導通する。二次電流逆流阻止用ダイオード３１のカソードＫは点火コンデンサ３３の一端に接続されている。点火コンデンサ３３の他端は点火コイル３４の一次巻線３４１に接続され、点火コイル３４の二次巻線３４２は点火プラグ３５に接続されている。点火コイル３４の一次巻線３４１と二次巻線３４２との接続点はグランドＧＮＤに接続されている。点火スイッチ３２のアノードＡは、二次電流逆流阻止用ダイオード３１のカソードＫ（点火コンデンサ３３の前記一端側）に接続され、カソードＫがグランドＧＮＤに接続されている。

図３では、点火制御回路５が点火スイッチ３２に制御信号（ターンオン信号およびターンオフ信号）を出力する。点火制御回路５は、点火スイッチ３２をオフ状態にするときには、電力変換停止スイッチ（トランジスタ）６をオフ状態にする。点火スイッチ３２をオン状態にするときには、をオン状態にして、点火スイッチ３２のベースＢをグランドＧＮＤに接続する（ゼロ電位とする）。

まず、図３に示した電力変換装置の動作を説明する。なお、ここでは、始動スイッチ１５１がオンされ、点火制御回路５は電力変換停止スイッチ６への電流の供給を停止しているものとする。
キースイッチ１５１がオンされると、始動抵抗１５２を介してトランジスタ１２ベースＢに電流が流れ込み、トランジスタ１２はオン状態となる。トランジスタ１２がオン状態となると、トランス１１の一次巻線１１１に電流が流れ、これにより二次巻線１１２および三次巻線１１３が励磁される。
三次巻線１１３が励磁されると、第１抵抗１３１、第２抵抗１３３および第１ダイオード１３４を介して、トランジスタ１２のベースＢにさらに電流が供給される。図４（Ａ）に、一次巻線１１１を流れる電流Ｉ₁および三次巻線１１３を流れる電流Ｉ₃を示す。

以上の動作は、定常的な動作状態（トランジスタ１２が繰り返しオン・オフしている場合）においても同様である。
トランジスタ１２のコレクタ電流Ｉ_cとベース電流Ｉ_bとの間には、通常の動作では、
Ｉ_c＝ｈ_FE×Ｉ_b・・・（１）
の関係が成立する。

Ｉ_cが増大すると（１）式の関係が成立しなくなり、
Ｉ_c＞ｈ_FE×Ｉ_b・・・（２）
となる。（２）式の状態が生じると、トランジスタ１２は、カット・オフ状態となり、Ｉ_c＝０となる。

本実施形態では、直流電源２が発電機であり、たとえばリップルが生じるような場合には、電流制限回路（定電圧回路）４が、第２抵抗１３３に加えられる電圧を一定にしてトランジスタ１２のベースＢに供給する電流を制限する。これにより、トランス１１の一次巻線１１１に過剰な電流が流れる前に、トランジスタ１２はカット・オフする（Ｉ_c＝０、すなわち一次巻線を流れる電流Ｉ₁がゼロとなる）ので、トランス１１として、電流定格が低いものを採用しても、トランス１１が損傷（巻線の破断，短絡等）するといった事態は生じなくなる。

つぎに、一次巻線を流れる電流Ｉ₁がゼロとなる、磁束を補償する電流が二次巻線１１２と、三次巻線１１３に流れる。図４（Ｂ）に、二次巻線１１２を流れる電流Ｉ₂および三次巻線１１３を流れる電流Ｉ₃を示す。二次巻線１１２に流れる電流Ｉ₂は、点火回路３の点火コンデンサ３３に蓄積される。グランドＧＮＤから駆動回路１３の第２ダイオード１３５、共振コンデンサ１３２、第１抵抗１３１を介して三次巻線１１３に流れる。
この電流が流れる経路は、ＬＣＲ共振回路を構成しているので、共振コンデンサ１３２が所定電圧まで充電されると、共振コンデンサ１３２と三次巻線１１３とを流れる電流の向きが逆転する。これにより、トランジスタ１２のベースＢに電流が供給されるようになり、ふたたびトランジスタ１２はオン状態になる。

図５（ａ）にトランジスタ１２のベース電流Ｉ_bを、図５（ｂ）にトランジスタ１２のコレクタ電流Ｉ_c（一次巻線１１１を流れる電流Ｉ₁）を、図５（ｃ）に一次巻線１１１の電圧Ｖ₁を、図５（ｄ）に二次巻線１１２の電圧Ｖ₂を、図５（ｅ）に二次巻線１１２を流れる電流Ｉ₂を、図５（ｆ）に三次巻線１１３の電圧Ｖ₃を、図５（ｇ）に三次巻線１１３を流れる電流Ｉ₃を示す。
図５では、（ａ），（ｂ）に、電流制限回路（定電圧回路）４がない場合のベース電流Ｉ_b、コレクタ電流Ｉ_cを破線で示す。

つぎに、点火回路３の動作を図６の波形図を参照して説明する。
図３では、点火制御回路５が点火スイッチ３２に制御信号（ターンオン信号およびターンオフ信号）を出力する。点火制御回路５は、点火スイッチ３２をオフ状態にするときには、発振停止指示用スイッチ（トランジスタ）６をオフして電力変換装置１Ｃに変換動作を行なわせ、点火スイッチ３２をオン状態にするときには、発振停止指示用スイッチ（トランジスタ）６をオンして、電力変換装置１Ｃに電力変換を停止させる。

定常動作時において、二次巻線１１２を流れる電流Ｉ₂は、点火コンデンサ３３を逐次充電する（図６の期間Ｐ）。所定電圧まで充電されると点火制御回路５は、予め設定されたタイミングで点火スイッチ（サイリスタ）３２にターンオン信号を送出し、点火コンデンサ３３の電荷を放電する（図６のｔ₁）。これにより、点火コイル３４に電流が流れ、点火プラグ３５による点火（放電）が行なわれる。この後、点火制御回路５は、予め設定されたタイミングで点火スイッチ３２にターンオフ信号を送出し、点火コンデンサ３３の充電を開始する（図６のｔ₂）。

本発明の電力変換装置の基本的実施形態を示す図である。 図１の電力変換装置の変形実施形態を示す図であり、駆動回路が、トランスの三次巻線１１３に直列に接続された抵抗を含む場合を示す図である。 本発明の電力変換装置を用いた内燃機関用点火装置の実施形態を示す説明図、および電力変換装置の具体的な実施形態の説明図である。 （Ａ）は一次巻線を流れる電流および三次巻線を流れる電流を示す図、（Ｂ）は二次巻線を流れる電流および三次巻線を流れる電流を示す図である。 （ａ）はトランジスタのベース電流を、（ｂ）は一次巻線の電流を、（ｃ）は一次巻線の電圧を、（ｄ）は二次巻線の電圧を、（ｅ）は二次巻線を流れる電流を、（ｆ）は三次巻線の電圧を、（ｇ）は三次巻線を流れる電流を示す図である。 図３の内燃機関用点火装置の動作を示す波形図である。 従来の電力変換装置を用いた内燃機関用点火装置を示す図である。

符号の説明

１Ａ，１Ｂ，１Ｃ 電力変換装置
２ 直流電源
３ 負荷回路
４ 内燃機関用点火装置
１１ トランス
１２ トランジスタ
１３ 駆動回路
１４ 電流制限回路
３１ 二次電流逆流阻止用ダイオード
３２ 点火スイッチ（サイリスタ）
３３ 点火コンデンサ
３４ 点火コイル
３５ 点火プラグ
１１１ 一次巻線
１１２ 二次巻線
１１３ 三次巻線
１２１ スナバコンデンサ
１３０ 駆動回路のうち抵抗以外の回路
１３１ 第１抵抗１３１
１３２ 共振コンデンサ
１３３ 第２抵抗
１３４ 第１ダイオード
１３５ 第２ダイオード
１４１ 第３ダイオード
１４２ ツェナーダイオード
１５１ 始動スイッチ
３４１ 点火コイルの一次巻線
３４２ 点火コイルの二次巻線

Claims (4)

1. 一次巻線側の直流電力を二次巻線側に移送するトランスと、
   前記一次巻線に直列に接続されたトランジスタと、
   前記トランスの三次巻線に接続された前記トランジスタを駆動する駆動回路と、
   を備えた電力変換装置において、
   前記駆動回路には、前記トランジスタがオフ状態からオン状態に移行したときに、前記三次巻線の起電力を電力として当該三次巻線から前記トランジスタに供給されるベース電流を所定値以下に制限する電流制限回路を接続したことを特徴とする電力変換装置。
2. 前記駆動回路は、
   前記三次巻線に接続された第１抵抗と、
   前記第１抵抗と前記トランジスタのベースに接続された共振コンデンサと、
   前記共振コンデンサに並列に接続された、カソードが前記ベース側を向いた第１ダイオードおよび第２抵抗との直列回路と、
   前記ベースに、カソードが当該ベース側を向いて接続され、アノードがグランドに接続された第２ダイオードと、
   を有することを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記電流制限回路は、互いに逆極性で配置された第３ダイオードとツェナーダイオードとの直列回路からなり、前記ツェナーダイオードのアノード側がグランド側を向いている定電圧回路であることを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置。
4. 請求項１から３の何れかに記載の電力変換装置を用いた内燃機関用点火装置であって、
   前記トランジスタの入力側と前記ベースとの間に始動抵抗が設けられるとともに、
   前記二次巻線側に、点火コンデンサを充電し、点火スイッチにより充電電荷を放電させて点火コイルを駆動することで、プラグの点火を行なう内燃機関用の点火回路が設けられていることを特徴とする内燃機関用点火装置。

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