JP2024002841A

JP2024002841A - バルブ駆動回路

Info

Publication number: JP2024002841A
Application number: JP2022110818A
Authority: JP
Inventors: 雅昭三原; Masaaki Mihara
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2022-06-23
Filing date: 2022-06-23
Publication date: 2024-01-11

Abstract

【課題】バルブ駆動用誘導負荷駆動する際に、ＰＷＭ制御する際の電力損失を抑制しつつ、ＰＷＭ制御を停止した際の、バルブ閉鎖時の速やかな応答時間を得られる電子回路を提供する。
【解決手段】バルブ駆動用誘導負荷回路は、第１半導体スイッチング素子がＰＷＭ制御されて、誘導負荷回路が駆動される回路であり、還流ダイオードとツェナーダイオードが直列に接続された回路が、誘導負荷回路に並列に接続され、ツェナーダイオードには第２半導体スイッチング素子が並列に接続されており、ＰＷＭ制御時は、第２半導体スイッチング素子はオン状態で動作し、ＰＷＭ制御時が停止すると、第２半導体スイッチング素子がオフ状態で動作する。
【選択図】図１

Description

本発明は、液体式ロケットエンジンのバルブ駆動回路に関し、電力損失を改善し、バルブ駆動用誘導負荷の応答速度を制御するための、半導体を用いた回路技術に関する。

従来の燃料バルブ駆動回路では、バルブ駆動用誘導負荷をスイッチング素子で駆動する際に、バルブ駆動用誘導負荷にツェナーダイオードと還流ダイオードを直列に接続した回路を、並列に接続されている。

上述の、燃料バルブ駆動用誘導負荷を駆動する回路では、ＰＷＭスイッチング時に、誘導負荷に蓄えられたエネルギーをツェナーダイオードで殆どが消費されるため、ツェナーダイオードの発熱と多くの電力が必要であり、搭載電池の重量も大きかった。
また、ツェナーダイオードを用いず、還流ダイオードだけの場合、ＰＷＭ制御を停止した時に誘導負荷に蓄えられたエネルギーの消失が遅れ、バルブ制御時間に遅れが発生し、姿勢制御には補正が必要な問題があった。

本発明は、このような従来の構成が有していた問題を解決しようとするものであり、ＰＷＭ制御時のエネルギー損失を抑制しつつ、ＰＷＭ制御が停止した場合でも、応答速度を改善する、燃料バルブ制御する駆動回路を提供することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するために、第１半導体スイッチング素子がＰＷＭ制御されて誘導負荷を駆動する回路であり、還流ダイオードとツェナーダイオードが直列接続された回路が誘導負荷に接続し、ツェナーダイオードには第２半導体スイッチング素子が並列に接続され、ＰＷＭ制御中の状態では第２半導体スイッチング素子がオン状態に駆動し、ＰＷＭ制御が停止した状態では第２半導体スイッチング素子がオフ状態で駆動する。

本発明では、ＰＷＭ制御中の損失を抑制し、ＰＷＭ制御が停止した時に充分な応答速度が得られる。

本発明の、誘導負荷を駆動する回路図である。本発明の、誘導負荷駆動回路を駆動する動作を説明するための、タイムチャートである。ＰＷＭ制御される誘導負荷に、還流ダイオードが並列接続された、誘導負荷駆動回路である。ＰＷＭ制御される誘導負荷に、還流ダイオードが並列接続された、誘導負荷駆動回路の、タイムチャートである。ＰＷＭ制御される誘導負荷に、還流ダイオードとツェナーダイオードが直列に接続された回路が、並列に接続された誘導負荷駆動回路である。ＰＷＭ制御される誘導負荷に、還流ダイオードとツェナーダイオードが直列に接続された回路が、並列に接続された誘導負荷駆動回路の、動作タイムチャートである。

以下、本発明の実施の形態を図１に基づいて説明する。

図１は、誘導負荷駆動回路の一態様を示す回路図であり、図中のＰＷＭ制御回路は、誘導負荷動作信号が、ＨｉレベルでＰＷＭ制御を開始する論理構成での説明である。

。
図１の誘導負荷駆動回路１００は、例えば、ロケットエンジンの燃料供給バルブ駆動用誘導負荷に適用される駆動回路であり、燃料供給バルブ駆動用の誘導負荷１０に対して、外部の誘導負荷駆動回路１００は、制御信号を出力することができる。
但し、本発明の誘導負荷駆動回路は、ロケットエンジンの燃料供給バルブ駆動用誘導負荷に限定されることなく、広く適用できることは明らかである。

図１において、電源ＶＢの正極側に誘導負荷１０の一端が接続され、誘導負荷１０の他端には、駆動素子である第１半導体スイッチング素子２０が接続される。
ｎチャンネル型ＦＥＴである第１半導体スイッチング素子２０は、ドレイン端子Ｄが誘導負荷１０の他端に接続され、ソース端子Ｓは接地される。
つまり、第１半導体スイッチング素子２０はローサイドスイッチである。
また、第１半導体スイッチング素子２０は、接地側から誘導負荷１０に向けて電流を流す寄生ダイオード２０ａを有する。

第１半導体スイッチング素子２０のゲート端子Ｇには、図示を省略したゲート駆動回路が、ＰＷＭ信号に基づいたゲート電圧を第１半導体スイッチング素子２０のゲート信号に供給し、第１半導体スイッチング素子２０は、誘導負荷１０の通電をＰＷＭ制御する。

第一半導体スイッチング素子２０のゲート～ソース間電圧ＶＧＳとして、閾値電圧よりも高い電圧が印加されると、第１半導体スイッチング素子２０はオン状態となり、ドレイン端子Ｄからソース端子Ｓに向かって電流（ドレイン電流）が流れ、
誘導負荷１０は磁場を発生する。

一方、第１半導体スイッチング素子２０のゲート～ソース間電圧ＶＧＳとして閾値電圧よりも低い電圧が印加されると、第１半導体スイッチング素子２０はオフ状態となり、ドレイン～ソース端子間に電流（ドレイン電流）が流れず、誘導負荷１０は磁場の発生を停止する。

ここで、ゲート電圧信号のＰＷＭ制御におけるデューティー比（ＰＷＭ周期当たりのオン時間割合）に応じて、誘導負荷１０に印加される平均電圧（誘導負荷１０に流れる平均電流）が制御される。

誘導負荷１０はインダクタンスと抵抗から構成されており、供給電源をオフしたときに、誘導負荷に流れていた向きと逆方向に電流を流そうとする還流電流が生じる。

以下で、誘導負荷還流回路４０の詳細を説明する。
誘導負荷還流回路４０は、還流ダイオード６０、ツェナーダイオード５０、還流電流を流すための第２半導体スイッチング素子３０から構成される。

誘導負荷還流回路４０は、第１半導体スイッチング素子２０をオフした時に、誘導負荷１０から流れようとする電流を、電源ＶＢの正極側に還流させるため、第１ダイオード、還流ダイオードＤ１のアノード端が、第１半導体スイッチング素子２０のドレイン端に接続され、還流ダイオードＤ１のカソード端に、ツェナーダイオードＤ２のカソード端が接続される。

ツェナーダイオードＤ２のアノード端は電源ＶＢに接続され、更にツェナーダイオードＤ２のカソード端には、ｐチャンネル型ＦＥＴ第２半導体スイッチング素子３０のソース端が接続している。ｐチャンネル型ＦＥＴ第２半導体スイッチング素子３０のドレイン端は電源ＶＢの正極に接続される。
第２半導体スイッチング素子３０は、ドレイン端からソース端に電流を流す寄生ダイオード３０ａを有する。

一方、ＰＷＭ制御時には、誘導負荷からの還流電流が、ツェナーダイオード５０に流れないように、ｐチャンネル型ＦＥＴ第２半導体スイッチング素子３０へ電流を流すため、ｐチャンネル型ＦＥＴ第２半導体スイッチング素子３０をオン状態にする。

ｐチャンネル型ＦＥＴ第２半導体スイッチング素子３０をオン状態にするため、ｐチャンネル型ＦＥＴ第２半導体スイッチング素子３０のゲート～ソース間に、ＶＧＳとして閾値電圧よりも高い電圧を印加するように、第２半導体制御スイッチ３００は、ｎチャンネル型ＦＥＴ第３半導体スイッチング素子８０で構成されている。

第３半導体スイッチング素子８０のドレインと、第２半導体スイッチング素子のソース間に抵抗器Ｒ１とＲ２が直列に接続されており、抵抗器Ｒ１とＲ２の接続点から第２半導体スイッチング素子のゲートに接続され、第３半導体スイッチング素子８０がオン状態になると、直列接続された抵抗器Ｒ１とＲ２に電圧が発生する。

抵抗器Ｒ２には、ｐチャンネル型ＦＥＴ第２半導体スイッチング素子３０が、充分にオン状態になるように電圧を発生させるため、抵抗器Ｒ１とＲ２は任意の比率で抵抗値が設定される。

ツェナーダイオード７０は、ｐチャンネル型ＦＥＴ第２半導体スイッチング素子３０のゲート～ソース電圧が許容最大値を超えないように、許容値以下のツェナーダイオードが接続される。

ＰＷＭ制御が停止し、ｎチャンネル型ＦＥＴ第１半導体スイッチング素子２０がオフ状態となり、誘導負荷１０の電流供給が停止される。誘導負荷１０に蓄えられていたエネルギーが、電流として還流ダイオードＤ１のアノードからカソード方向に流れる。この時、ＰＷＭ制御が停止と同時に、還流電流を流していたｐチャンネル型ＦＥＴ第２半導体スイッチング素子３０の制御していたｎチャンネル型ＦＥＴ第３半導体スイッチング素子８０もオフ状態となる。

そのため、ｐチャンネル型ＦＥＴ第２半導体スイッチング素子３０がオン状態になるように、ｐチャンネル型ＦＥＴ第２半導体スイッチング素子３０のゲート～ソース間に電圧を発生させていた抵抗器に電流が流れず、ｐチャンネル型ＦＥＴ第２半導体スイッチング素子３０のゲート～ソース間は同電位となり、ｐチャンネル型ＦＥＴ第２半導体スイッチング素子３０はオフ状態となる。

よって、還流ダイオードＤ１からＦＥＴ第２半導体スイッチング素子３０に流れていた還流電流は、ツェナーダイオーＤ２のカソードからアノードに流れ、ツェナーダイオーＤ２のクランプ電圧を保持した状態で還流電流が流れるために、エネルギーのほとんどはツェナーダイオードＤ２で消費される。

還流電流によるエネルギーは、ツェナーダイオードＤ２で消費されるため、誘導負荷１０に蓄えられていたエネルギーは、図２のＴ１の様に急速に消失し、燃料バルブは速やかに閉鎖される。

図３は、第１半導体スイッチング素子２０の、ドレイン側に接続された誘導負荷１０に、並列に還流ダイオードＤ１が並列に接続された例である。

図４は、図３のタイムチャートとして説明した図であり、ＰＷＭ駆動が停止した時は、誘導負荷１０の還流電流は、第１半導体スイッチング素子２０がオフ期間でも電流が流れる。

そのため、ＰＷＭ期間が終了しても、誘導負荷１０に流れる電流が、Ｔ２の長い期間維持されている。

図５は、ＰＷＭ制御される誘導負荷に、還流ダイオードとツェナーダイオードが直列に接続された回路が、並列に接続された回路例である。

図６は、図５のタイムチャートとして説明した図であり、ＰＷＭ駆動時は誘導負荷１０の還流電流は、第１半導体スイッチング素子２０がオフ期間に、還流電流がツェナーダイオードＤ２で消費される。

そのため、ＰＷＭ期間が終了すると、誘導負荷１０の還流電流はＴ３の短い期間で消失するが、ＰＷＭ期間の平均電流は低いため、より多くの電流が誘導負荷電流として必要である。

１０誘導負荷
２０第１半導体スイッチング素子
３０第２半導体スイッチング素子
４０誘導負荷還流回路
５０ツェナーダイオード
６０還流ダイオード
７０ツェナーダイオード
８０第３半導体スイッチング素子
１００誘導負荷駆動回路
２００第２半導体制御スイッチ

Claims

電源に一端が接続される誘導負荷と、前記誘導負荷の他端に接続される第１半導体スイッチング素子を有し、誘導負荷は前記第１半導体スイッチング素子がＰＷＭ制御されており、還流ダイオードとツェナーダイオードが直列に接続された回路は、誘導負荷に並列に接続され、第２半導体スイッチング素子がツェナーダイオードに並列接続されて、前記第１半導体スイッチング素子がＰＷＭ制御されており、第２半導体スイッチング素子がオン状態で動作し、還流電流は第２半導体スイッチング素子に流れる事で、還流電流がツェナーダイオードに流れる事を抑制し、前記第１半導体スイッチング素子のＰＷＭ制御が停止した時に、第２半導体スイッチング素子がオフ状態で動作して、還流電流を前記ツェナーダイオードに流す誘導負荷駆動回路。