JP2509611B2 - 電流ドライブコンバ−タ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） この発明はスイッチングレギュレータを用いて構成さ
れる電流ドライブコンバータに関する。

（従来の技術） 一般に、電流ドライブコンバータは、第５図に示すよ
うに、主直流電源PS1から出力される第１の直流電圧Vin
をスイッチングレギュレータ11に入力し、このスイッチ
ングレギュレータ11によってドライブ信号DSに応じた矩
形波電圧に変換し、この矩形波電圧を整流平滑回路12に
よって第２の直流電圧Voutに変換するものである。スイ
ッチングレギュレータ11はスイッチングトランジスタQ
1,電流フィードバックトランスT1、副直流電源PS2、ド
ライブトランジスタQ2及び励磁電流制限抵抗R1で構成さ
れ、整流平滑回路12はタイオードD1、インダクタL1及び
コンデンサC1で構成される。

すなわち、ドライブ信号DSをローレベル（Ｌ）に反転
してドライブトランジスタQ2をオフにすると、電流フィ
ードバックトランスT1を通じてスイッチングトランジス
タQ1のベース・エミッタ間に正のトリガパルスが印加さ
れる。このため、このスイッチングトランジスタQ1は活
性領域に入り、エミッタ電流を出力する。このエミッタ
電流は電流フィードバックトランスT1によってQ1のベー
ス電流として正帰還されるので、トランジスタQ1は短時
間で飽和領域に達し、その後、外部からのドライブ信号
がなくても電流フィードバックトランスT1からの正帰還
によって飽和状態を維持することができる。

逆に、ドライブ信号DSをハイレベル（Ｈ）に反転して
ドライブトランジスタQ2をオンにすると、電流フィード
バックトランスT1を通じてスイッチングトランジスタQ1
のベース・エミッタ間に負のトリガパルスが印加され
る。このため、このスイッチングトランジスタQ1のエミ
ッタ電流は減少する。このエミッタ電流の減少は電流フ
ィードバックトランスT1によってQ1のベース電流として
正帰還されるので、トランジスタQ1は短時間で開放状態
となる。この繰返しによってスイッチングトランジスタ
Q1はオン・オフを繰返し、入力電流をスイッチング出力
するようになっている。第６図にドライブ信号DSとスイ
ッチングトランジスタQ1の電流出力Ioutとの関係を示
す。

しかしながら、上記構成では、ドライブトランジスタ
Q2のオン期間中、電流フィードバックトランスT1を励磁
しているため、その励磁電流による抵抗R1での損失が非
常に大きい。さらに、電流フィードバックトランスT1は
その被励磁時の間飽和しているため、抵抗R1にトランス
T1の飽和電流が流れ、その損失はさらに大きくなってい
る。また、ドライブ信号の立上がり、立下がりでスイッ
チングトランジスタをオン・オフ制御しているため、ス
イッチングトランジスタQ1のオン／オフ比の制御範囲を
広くとるこができない。

（発明が解決しようとする問題点） 以上述べたように、従来の電流ドライブコンバータ
は、電流フィードバックトランスの励磁期間中の損失が
大きく、またスイッチングトランジスタQ1のオン／オフ
比の制御範囲を広くとるこができないという問題を有す
る。

この発明は上記問題を解決するためになされたもの
で、電流損失が少なく、かつスイッチングのオン／オフ
比の制御範囲を広くとることのできる電流ドライブコン
バータを提供することを目的とする。

［発明の構成］ （問題点を解決するための手段） 上記目的を達成するためにこの発明に係る電流ドライ
ブコンバータは、互いに並列接続されそれぞれ入力トリ
ガに応じて電流電圧をスイッチング出力する第１及び第
２のスイッチングトランジスタと、これら第１及び第２
のスイッチングトランジスタの各スイッチング出力を一
次巻線を介して導出すると共に二次巻線を介して前記第
１のスイッチングトランジスタの制御入力端にのみ帰還
する電流フィードバックトランスィと、オンドライブ信
号を入力してオンドライブトリガを発生し、このトリガ
を前記第１及び第２のスイッチングトランジスタの制御
入力端に供給してそれぞれをオン状態にセットするオン
ドライブ回路と、オフドライブ信号を入力してオフドラ
イブトリガを発生し、このトリガを前記第１のスイッチ
ングトランジスタの制御入力端に供給してオフ状態にセ
ットするオフドライブ回路とを具備して構成される。

（作用） 上記構成による電流ドライブコンバータでは、オンド
ライブ回路にオンドライブ信号が供給されると、オンド
ライブ回路からオンドライブトリガが出力され、第１及
び第２のスイッチングトランジスタがオン状態にセット
される。第１のスイッチングトランジスタは電流フィー
ドバックトランスの帰還制御によりオン状態を継続する
が、第２のスイッチングトランジスタは帰還制御がなさ
れていないためオンドライブトリガがなくなるとオフ状
態となる。次にオフドライプ回路にオフドライブ信号が
供給されると、このオフドライブ回路からオフドライブ
トリガが出力され、第１のスイッチングトランジスタが
オフ状態にセットされる。以上の動作を繰返すことによ
り、直流電圧をスイッチング出力し、これを平滑化すれ
ば任意の直流電圧を得ることができる。各スイッチング
トランジスタのドライブはトリガによって行なうので、
消費電力は極めて少ない。

（実施例） 以下、第１図乃至第４図を参照してこの発明の一実施
例を説明する。但し、第１図において第３図と同一部分
には同一符号を付して示し、ここでは異なる部分につい
てのみ述べる。

第１図はその構成を示すもので、この回路のスイッチ
ングレギュレータ13は第１及び第２のスイッチングトラ
ンジスタQ11,Q12を有している。これらのトランジスタQ
11,Q12はコレクタ及びエミッタが共通に接続されてお
り、Q11のベース・エミッタ間はR11を介して接続され、
Q12のベース・エミッタ間は抵抗R12を介して接続されて
いる。Q11,Q12の共通コレクタは主直流電源PS1に接続さ
れ、共通エミッタは電流フィードバックトランスT11の
一次巻線を介して前記整流平滑回路12に接続され、Q12
のエミッタは電流フィードバックトランスT11の二次巻
線を介してそのベースに接続されている。

一方、前記副直流電源PS2にはドライブトランスT12の
一次巻線及びドライブトランジスタQ13が直列接続され
たオンドライブ回路、ドライブトランスT13の一次巻線
及びドライブトランジスタQ14が直列接続されたオフド
ライブ回路が並列接続されている。トランスT12の二次
巻線の両端間は逆電圧吸収用ダイオードD11を介して接
続され、一方端はトランジスタQ11,Q12の共通エミッタ
に接続され、他方端はベース電流制限抵抗R13を介して
トランジスタQ11のベースに接続されると共に、逆電圧
防止用ダイオードD12,D13及びベース電流制限抵抗R14を
介してトランジスタQ12のベースに接続される。また、
ドライブトランスT13の両端間は逆電圧吸収用ダイオー
ドD14を介して接続され、一方端はトランジスタQ11,Q12
の共通エミッタに接続され、他方端は逆電圧防止用ダイ
オードD15,D16を介してトランジスタQ12のベースに接続
されている。

ここで、逆電圧吸収用ダイオードD11,D14及び逆電圧
阻止用ダイオードD12,D13,D15,D16は、トランスT12,T13
にトランジスタQ13,Q14のスイッチング動作によるトリ
ガ信号が印加され、その信号が０になったとき、トラン
スT12,T13に蓄積されたエネルギーによって発生する逆
電圧がスイッチングトランジスタQ11,Q12に印加されな
いように吸収、阻止するものである。さらに、ダイオー
トD12〜D13はスイッチングトランジスタQ12が開放した
ときにそのベース・エミッタ間に印加される逆電圧をク
ランプする作用も有している。

上記構成において、以下第２図を参照してその動作に
ついて説明する。第２図において、（ａ）図は電流フィ
ードバックトランスT11に流れるトランジスタQ11,Q12の
合成電流波形、（ｂ）図はトランジスタQ11のエミッタ
電流波形、（ｃ）図はトランジスタQ12のエミッタ電流
波形、（ｄ）図はオンドライブ用トリガ信号波形、
（ｅ）図はオフドライブ用トリガ信号波形、（ｆ）図は
トランジスタQ12のベース・エミッタ間電圧波形を示し
ている。

まず、ドライブトランジスタQ13はベース・エミッタ
間に第２図（ｄ）に示すようにパルス幅の短いオンドラ
イブ用トリガ信号V_ONが入力されると、ドライブトラン
スT12、逆電圧防止用ダイオードD12,D13及びベース電流
制限抵抗R14を通じて、スイッチングトランジスタQ12の
ベース・エミッタ間にまたベース電流制限抵抗R13を通
じてQ11のベース・エミッタ間にそれぞれ正のトリガ信
号tr＋が印加される。この正のトリガ信号tr＋が印加さ
れると、スイッチングトランジスタQ11,Q12は活性領域
に入り、同図（ｂ），（ｃ）に示すようなエミッタ電流
I_E1,I_E2を出力するようになる。これらのエミッタ電流I
_E1＋I_E2はフィードバックトランスT11により同トランジ
スタQ12のベース電流として正帰還され、これによって
トランジスタQ12は短時間で飽和領域に達し、飽和状態
を維持する。このとき、トリガ信号tr＋としては１μse
c程度であれば、スイッチングトランジスタQ12を飽和状
態にすることができる。したがって、このトランジスタ
Q12をオンさせるための駆動電力は非常に小さくてよ
い。

しかしながら、トランジスタQ12が飽和領域に達する
までの間は素子のもつトランジション周波数（指定の電
圧及び電流におけるエミッタ接地信号電流増幅率が１
（0dB）となる周波数）及びスイッチング速度に限界が
あるため、トランジスタQ12は第３図に示すようなター
ンオン特性を有する。同図からわかるように、スイッチ
ングトランジスタQ12のターンオン時の損失はコレクタ
・エミッタ間電圧V_CEと電流I_Cの積で表わされ、スイッ
チング素子のトランジション周波数が高いほど（一般に
スイッチング速度も速くなる）その損失は低減する。換
言すれば、素子の能力向上がない限り高効率化は望めな
いことになる。

そこで、この考案に係る回路では、オン時のパルスド
ライブ法を生かし、メインのスイッチングトランジスタ
Q12と並列に補助スイッチングトランジスタQ11（Q12に
対してコレクタ損失の小さい小型のものでよい）を並列
接続している。このトランジスタQ11は電流フィードバ
ックトランスT11の帰還をかけない電圧ドライブとして
用い、オンドライブ時のみ動作させる。これにより、コ
レクタ電流I_CはQ11とQ12に分散されるため、見掛け上Q1
のトランジション周波数が向上し、第４図に示すように
飽和領域に達する時間を速くすることができる。したが
って、ターンオン時のスイッチング損失を低減すること
ができ、電源の高効率化に寄与することができる。

次に、オフ用ドライブトランジスタQ14のベース・エ
ミッタ間に第２図（ｅ）に示すタイミングでオフドライ
ブ用トリガ信号tr−を印加すると、ドライブトランスT1
3、逆電圧素子用ダイオードD15,D16を通じて、スイッチ
ングトランジスタQ12のベース・エミッタ間に負のトリ
ガ信号が印加される。負のトリガ信号が印加されると、
このスイッチングトランジスタQ12はエミッタ電流を減
少するようになる。このエミッタ電流の減少は電流フィ
ードバックトランスT11によりスイッチングトランジス
タQ12のベース電流として正帰還される。したがって、
スイッチングトランシスタQ12は開放状態となり、その
開放状態を維持するようになる。

ここで、スイッチングトランジスタQ12のベース・エ
ミッタ間に数μsec程度の負のトリガ信号を印加すれ
ば、電流フィードバックトランスT11の正帰還作用に相
乗してスイッチングトランジスタQ12のベースに飽和状
態時に蓄積された電荷を充分引出すことができるので、
スイッチングトランジスタQ12を短時間で開放状態にす
ることができる。この場合、トリガ信号が数μsec程度
でよいので、スイッチングトランジスタQ12をオフにす
るための電力を極めて少なくすることができる。さら
に、この時の負のトリガ信号としては、フィードバック
トランスT11のリセットの関係から、オン期間が短い場
合には短いトリガ信号を与え、オン期間が長い場合には
長いトリガ信号を与えるようにすれば、常に電流フィー
ドバックトランスT11（スイッチングトランジスタQ12の
ベース・エミッタ間電圧V_BE）にかかるオンとオフの電
圧時間積を第２図（ｆ）に示すようにほぼ等しくするこ
とができる。

したがって、上記のように構成した電流ドライブコン
バータは、短いパルス幅のトリガ信号によってスイッチ
ングトランジスタを駆動することができるので、そのド
ライブ電力を少なくすることができ、高効率化を図るこ
とができる。さらに、スイッチング素子のみかけ上のト
ランジション周波数を向上させることができるので、ス
イッチングトランジスタのターンオン時のスイッチング
損失を低減することができ、高効率化に寄与することが
できる。また、スイッチングトランジスタのオン／オフ
比に応じて電流フィードバックトランスにかかる電圧時
間積がほぼ等しくなるように動作させているので、一般
的に用いられる電流帰還型のスイッチングレギュレータ
と比較して制御範囲を広くとることができる。

［考案の効果］ 以上のようにこの考案によれば、電力損失が少なく、
かつスイッチングのオン／オフ比の制御範囲を広くとる
ことのできる電流ドライブコンバータを提供することが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの考案に係る電流ドライブコンバータの一実
施例を示す回路図、第２図は同実施例の動作を説明する
ためのタイミング図、第３図及び第４図はそれぞれ同実
施例のスイッチングトランジスタのターンオン特性を説
明するための特性図、第５図は従来の電流ドライブコン
バータの構成を示す回路図、第６図は従来回路の動作を
説明するためのタイミング図である。 PS1,PS2……直流電源、12……整流平滑回路、13……ス
イッチングレギュレータ、Q11,Q12……スイッチングト
ランジスタ、T11……電流フィードバックトランス、R1
3,R14……ベース電流制限抵抗、D11,D14……逆電圧吸収
用ダイオード、D12,D13,D15,D16……逆電圧防止用ダイ
オード、T12,T13……ドライブトランス、V_ON……オンド
ライブ用トリガ信号、V_OFF……オフドライブ用トリガ信
号。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】互いに並列接続されそれぞれ入力トリガに
   応じて直流電圧をスイッチング出力する第１及び第２の
   スイッチングトランジスタと、これら第１及び第２のス
   イッチングトランジスタの各スイッチング出力を一次巻
   線を介して導出すると共に二次巻線を介して前記第１の
   スイッチングトランジスタの制御入力端にのみ帰還する
   電流フィードバックトランスと、オンドライブ信号を入
   力してオンドライブトリガを発生し、このトリガを前記
   第１及び第２のスイッチングトランジスタの制御入力端
   に供給してそれぞれをオン状態にセットするオンドライ
   ブ回路と、オフドライブ信号を入力してオフドライブト
   リガを発生し、このトリガを前記第１のスイッチングト
   ランジスタの制御入力端に供給してオフ状態にセットす
   るオフドライブ回路とを具備した電流ドライブコンバー
   タ。