JP2536949B2 - インダクタンス負荷駆動回路 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明はインダクタンス負荷駆動回路に係り、特に駆
動時にインダクタンス負荷に流れる電流を減少させる方
向に制御する時の制御応答を改善し回路の発熱を低減さ
せるインダクタンス負荷駆動回路に関する。

（従来の技術） 第４図に従来のインダクタンス負荷駆動回路を示す。

第４図において、チョッピング信号PWM（pulsewidth
modulation）に応じて開閉されるチョッピングスイッチ
SW1により電源電圧VBは負荷（抵抗R1及びコイル（イン
ダクタンス負荷）Ｌ）に印加される。SW1が閉じている
間コイル電流ILは電源電圧VBから負荷抵抗R1による電圧
降下を除いたコイル両端電圧ELとコイルＬの有するイン
ダクタンスにより与えられる増加率によって増大し、ま
たSW1が開いている間ILはR1、Ｌおよびフライホイール
ダイオードFDより構成される回路内を流れることにより
R1での電圧降下、及びFDの順方向電圧によりコイルＬに
蓄積されたエネルギーを熱として放出しつつ減少する。

この特性を利用してSW1の開閉を制御することでILを
希望する値の近傍に管理する技法はチョッパ方式として
良く知られている。

この方式の制御回路においてILを増加しようとすれば
SW1の閉じている時間を開いている時間に比してより長
くなる方向にPWM信号を変化させれば良く、また、ILを
減少させる場合はSW1が開いている時間を長くするよう
にPWM信号を変化させれば良い。また、単位時間当りのS
W1の開閉頻度（チョッピング周波数）を高く設定するこ
とで前記ILの希望する値の近傍における変動量（リップ
ル）を小さくすることができる。しかるに、今、ILを０
でない任意の電流値から急速に減少させる目的でSW1を
開路した状態にした時、FDの順方向電圧を理想的に０
（Ｖ）と考えるとR1およびＬにより与えられる時定数で
定められる減少率以上に速やかにILを減少せしめること
は原理的に不可能である。

（発明が解決しようとする課題） そこで、本発明はこの問題に鑑みてなされたもので、
インダクタンス負荷に流れる電流を減少させる方向に制
御する時の制御応答を改善し回路の発熱を低減させるイ
ンダクタンス負荷駆動回路を提供することを目的とす
る。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 電源とインダクタンス負荷との間に設けられた第１の
スイッチを開閉することにより断続してインダクタンス
負荷に印加する電圧を制御するとともに、前記第１のス
イッチが開路している時は、前記インダクタンス負荷に
蓄積された電気エネルギーにより、電流を前記インダク
タンス負荷を含む還流経路に還流させるインダクタンス
負荷駆動回路において、 前記インダクタンス負荷駆動回路に直列に挿入され前
記負荷駆動回路を開閉する第２のスイッチと、該第２の
スイッチに並列に接続され該第２のスイッチが閉路して
いる時、前記還流経路を介して充電される容量と、該容
量が前記インダクタンス負荷に接続されている時、該容
量の両端電圧が前記電源の電圧を越えていると判定する
と前記第２のスイッチを閉路する第１の判定手段と、前
記第１のスイッチが閉路していると判定すると前記第２
のスイッチを閉路する第２の判定手段と、前記第１のス
イッチが開路される度に、前記還流している電流により
前記容量を充電し、前記容量に所定の電荷が蓄積された
後、該容量に蓄積された電荷を前記電源に回生する手段
とを具備したことを特徴とする。

（作用） 本発明のインダクタンス負荷駆動回路では、電源とイ
ンダクタンス負荷との間に設けられた第１のスイッチを
開閉することにより断続してインダクタンス負荷に印加
する電圧を制御するとともに、前記第１のスイッチが開
路している時は、前記インダクタンス負荷に蓄積された
電気エネルギーにより、電流を前記インダクタンス負荷
を含む還流経路に還流させる。そして、前記インダクタ
ンス負荷駆動回路に直列に挿入され前記インダクタンス
負荷駆動回路を開閉する第２のスイッチに並列に接続さ
れ該第２のスイッチが開路している時、前記還流経路を
介して充電される容量の両端電圧が前記電源の電圧を越
えていると判定すると、前記第２のスイッチを閉路し、
前記第１のスイッチが閉路していると判定すると前記第
２のスイッチを閉路する。そして前記第１のスイッチが
開路される度に、前記還流している電流により前記容量
を充電し、前記容量に所定の電荷が蓄積された後、該容
量に蓄積された電荷を前記電源に回生するようにしてい
る。

（実施例） 以下、添付図面を参照して本発明の実施例について詳
細に説明する。

第１図に本発明のインダクタンス負荷駆動回路に係る
基本的な回路を示す。

第１図において、負荷回路（抵抗R1、インダクタンス
Ｌ）を開閉し得るスイッチSW2、SW1の開閉をフライホイ
ールダイオードの両端電圧により検出する電圧判定手段
TH2、SW2開路時のILのバイパス通路を構成するダイオー
ドD1およびコンデンサC1、コンデンサC1の電圧を検出及
び判定する電圧判定手段TH1、C1に蓄積された電荷を電
源側に導くダイオードD2、前記電圧判定手段TH1及びTH2
の判定結果によりスイッチSW2を開閉する論理和構成手
段D3、D4、ダイオードD2により導かれた電荷を一時受容
するコンデンサC2、C2に蓄積された電荷を電源に回生す
る抵抗R2により構成されている。

今、PWM信号によりSW1が閉路している時、負荷回路に
電源電圧VBが印加されていると電圧判定手段TH2が判定
すると、SW2に対し負荷回路を閉路する信号を発生す
る。この信号は論理和手段D3によりSW2に導かれSW1は前
記第４図に示す如くの通常の負荷回路を形成する。

次に、PWM信号によりSW1が開路すると、インダクタン
スＬに蓄積されたエネルギーによってILは連続して流れ
ようとするため、その電流の経路はＬ、FD、SW2、R1と
なり前記電圧判定手段TH2に入力される電圧はVBとは極
性が異なりその絶対値はFDの順方向電圧に等しくなる。
前記電圧判定手段TH2はこの変化を検出し、SW1が開路さ
れたと判定すると前記SW2を閉路するための信号を停止
する。これによりSW2は開路される。これに伴いILはSW2
のバイパス経路であるD1、C1を流れるようになり、コン
デンサC1に電荷を蓄積することでインダクタンスＬに蓄
積されたエネルギーはC1の両端電圧を上昇せしめること
に消費される。前記判定手段TH1はこのC1の両端電圧を
検出し、予め設定された電圧（電源電圧VBを十分越える
任意の値）に達した時、SW2を再び閉路するための信号
を出力する。この信号は論理和手段D4を介してSW2に印
加されSW2は閉路する。SW2が閉じたことによりコンデン
サC1の一方はFDのカソードと同電位となる。この時電流
ILは依然として流れ続けているのでFDはオン状態を保っ
ており、従ってFDのカソード電位はVBの負極電位よりFD
の順方向電圧だけ低い値を保つこととなる。一方、この
時のC1の両端電圧は、前記電圧判定手段TH1によって規
定される「VBを十分越える値」を有しているためVBの負
極側からみたD1のカソード側の電圧もVBを越えることと
なる。従ってVBの負極側よりFD、SW2、C1、D2、R2、VB
の正極に回路が形成され、C1に蓄積された電荷はVBを充
填する方向に流れる。しかしながら、ここにC2なるコン
デンサが存在するため、上記の過程は一度に進行するこ
とはなく、C1の電荷は一時的にC1及びC2の両端電圧が等
しくなるまでCDを充電する方向に流れる。そこで、C1及
びC2の容量を適当に選定することによりC1よりVBに対す
る過度の充電電流を防止すると共に、C1が前述の充電期
間にある時にもC2よりR2を介してVBを充電することが可
能となる。

前述のC1への放電によりC1の両端電圧は減少する。前
記電圧判定手段TH1はこのC1およびC2の両端電圧を常時
検出しておりC1の両端電圧がC2のそれとほぼ等しくなっ
たことを判定すると前述したSW2の閉路のための信号を
停止する。これによりSW2は再び開路しC1は前述の充電
過程を繰り返す。

このようにSW1が開路した後インダクタンスＬに電気
エネルギーが蓄積されている間はC1は前述の充放電を繰
り返しインダクタンスＬに蓄積されたエネルギーを電源
VBに回生し続ける。

上記、C1の充放電過程中にSW1が閉路した場合、前記
電圧判定手段TH2はFD両端の電圧の上昇を検出して直ち
にSW2の閉路信号を出力し論理和手段D3を介してSW2は閉
路され、負荷回路は（前記第４図に示す）通常の状態に
戻る。このことによりC1の片側は電源VBの正極電位に等
しくなる。もし、この時、C1に電荷が蓄積されていると
D1のカソード側電位は電源電圧を越えるため、電圧判定
手段TH1の動作に関わらずC1の電荷は電源に回生され
る。

第２図に前記１図の回路に基づいて具体化された本発
明のインダクタンス負荷駆動回路の一実施例を示す。

第２図において、PWM信号によって開閉する前記第１
図のSW1として半導体スイッチTR1が採用され、前記SW2
として半導体スイッチTR4が採用されている。

第２図で半導体スイッチTR1がオンしている状態では
フライホイールダイオードFDの両端電圧は電源電圧VBと
同じであり、これにより抵抗R3を介してトランジスタTR
3はドライブされている。TR3がオンすることで抵抗R5を
介しトランジスタTR2もドライブされ、トランジスタTR4
もドライブされる。従って、負荷電流ILは電源VBの正極
からTR1、TR4、R1、Ｌを通ってVBの負極に至り、その値
は増加する。

ここで、PWM信号によりTR1がオフするとILはＬ、FD、
TR4、R1を周回する経路をとる。するとFDの両端電圧はF
Dのアノード側が正、カソード側が負でその絶対値はFD
の順方向電圧に等しくなる。この状態ではTR3はオフと
なりこれに伴いTR2、及びTR4もオフとなる。するとILは
Ｌ、FD、D1、C1、R1を周回するバイパス路を流れるよう
になり、C1を充電する。

ここでILが流れ続けている状態ではFDの両端電圧、お
よびD1の両端電圧はそれぞれの順方向電圧に等しく、従
ってTR4のエミッタ電位はFDのアノードからみたとき、C
1の電荷量の増大と共に次第に降下し、さらに負方向に
その絶対値を増大させる。TR4のエミッタ電位とFDのア
ノード電位の開きが増大し、ツェナーZDのツェナー電圧
を越えるとTR4のベースドライブ電流はFDのアノード側
からD3、ZD、R9、TR4、R1、Ｌの経路で流れ始める。こ
の時、ZDのツェナー電圧を電源電圧より十分高く設定し
ておけば前記第２図で説明したようにC1に蓄積された電
荷はFD、TR4、C1、D2、R7、C2の経路でC2に移動するこ
とができる。この過程が進行を開始するとR7に流れる電
流により発生する電圧降下によりTR2はR6を介してドラ
イブされ結果としてC1がC2またはVBを充電している間、
すなわちR7にC1の放電電流が流れている間はR8を介して
TR4はドライブされ続ける。C1の放電が完了すると放電
電流の停止と共にTR2はオフし、TR4は再びオフとなる。
以後、C1は上記のように充放電を繰り返しＬに蓄積され
たエネルギーは電源に回生される。なお、上記の過程で
PWM信号によりTR1がオンするとその結果としてFDの両端
電圧は再び電源VBに等しくなりTR3は即座にオンするた
めC1の両端電圧に関わりなくTR4はオンする。

第３図にインダクタンス負荷駆動回路の他の実施例を
示す。

第３図の実施例では前記第１図のSW2としてPNPタイプ
のトランジスタTR2が採用されており、該TR2と抵抗３よ
りなるベースドライブ回路はそれ自身で前記第１図の電
圧判定手段TH2の機能を有している。また、C1の充電電
圧の限界を決定する電圧判定手段TH1としてツェナーダ
イオードZDが、また前記第３図の説明におけるC1の放電
終了を検出する手段として抵抗R6およびTR3からなる電
流検出回路が採用されている。

第３図で、PWM信号によりTR1がオンしている状態では
FDの両端電圧は電源電圧VBに等しい。従ってTR2のエミ
ッタらベースおよびR3を介するベースドライブ回路は自
ずと成立し、TR2はオンする。この状態では負荷電流IL
は電源VBの正極側からTR1、TR2、R1、Ｌを経由してVBの
負極に至る経路を流れ、前記第１図で説明したと同様に
その値を増加させる。

TR1がオフするとILはインダクタンスＬに蓄積された
エネルギーにより流れ続けようとするため、Ｌ、FD、TR
2、R1からなる周囲回路が形成される。FDをILが流れる
ことによりFDの両端電圧は上記TR1がオンしている状態
とは極性が反対でその絶対値はFDの順方向電圧に等しく
なる。これによりTR2のベース回路は逆バイアスされ、T
R2はオフする。

TR2がオフすることによりILはＬ、FD、D1、C1、R6、R
1なる経路を流れC1を充電する。この時、R6の両端に前
記充電電流による電圧が発生するがこの電圧はTR3のベ
ース回路にとって逆バイアス方向であり、これによりTR
3がオンすることはない。

C1に電荷が蓄積されるに従いC1の両端電圧は上昇する
がC1においてD1のカソード側の電位はFDがオン、D1がオ
ンなる条件ではFDのアノード側からみてFD、およびD1の
順方向電圧の和だけ低くなるだけであるため結果的には
C1の両端電圧の上昇分はTR2のエミッタからみたコレク
タ電位の低下となって現れる。C1の電荷蓄積が進みC1の
両端電圧の上昇に伴うエミッタ、コレクタ電位の差がツ
ェナーZDのツェナー電圧を越えると、TR2のベースドラ
イブ回路、FD、TR2、ZD、R5、R1、Ｌが成立しTR2は再び
オンする。このとき、ZDのツェナー電圧を電源電圧VB以
上に設定することで前述の第２図で説明したように、C1
におけるD1のカソード側の電位はVBを越え、VBまたはC2
を充電する方向でD2を介して電流が流れる。このC1の放
電電流は前記C1の充電電流とは方向が逆となり、この電
流によりR6に生じる電圧はR8を介してTR3をオンさせ
る。TR3がオンすることで抵抗R4を介してTR2はC1の放電
が完了するまでドライブされ続ける。

C1の放電が完了し、R6の両端電圧が減少するとTR3は
オフし、これに伴いTR2も再びオフする。

インダクタンスＬに蓄積されたエネルギーによりILが
流れ続けている間はC1は前記充放電を繰り返すことによ
りＬに蓄積されたエネルギーを電源に回生し続ける。

また、上記の過程でPWM信号によりTR1がオンした場合
はFDの両端電圧は電源電圧VBに等しくなりTR2のエミッ
タからTR3を介するベースドライブ回路が直ちに形成さ
れTR2はオンする。このとき、負荷回路は前述のよう
に、通常の動作に戻る。また、C1に電荷が蓄積されてい
た場合は、第２図で説明したようにC1の両端電圧に関わ
りなくこの電荷は電源に回生される。

また、第３図、第４図で説明した以外の他の実施例と
して、負荷回路開閉用のスイッチ素子としてMOSFET、SC
R、トライアック等の半導体スイッチが利用でき、ま
た、前述の電圧判定手段としてはツェナーダイオードの
他各種のトリガー素子、あるいは電子回路によりしきい
値を決定されたトランジスタ回路等が利用可能である。

［発明の効果］ 以上説明した内容から明らかなように、本発明のイン
ダクタンス負荷駆動回路では、インダクタンス負荷に蓄
積されたエネルギーを電源に回生させるようにしている
ため、インダクタンス負荷に流れる電流を減少させる方
向に制御する時の制御応答を改善し回路の発熱を低減さ
せることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のインダクタンス負荷駆動回路に係る基
本的な回路図、第２図は本発明のインダクタンス負荷駆
動回路の一実施例の回路図、第３図は本発明の他の一実
施例の回路図、第４図は従来のインダクタンス負荷駆動
回路の回路図である。 VB……電源電圧、SW1……チョッピングスイッチ、SW2…
…負荷を開閉するスイッチ、TH1…第１の電圧判定手
段、TH2……第２の電圧判定手段、R1……抵抗負荷、Ｌ
……インダクタンス負荷、D1、D2、D3、D3、D4……ダイ
オード、FD……フライホイールダイオード、C1、C2……
コンデンサ、R2……抵抗、PWM……チョッピング信号。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電源とインダクタンス負荷との間に設けら
   れた第１のスイッチを開閉することによりインダクタン
   ス負荷両端に印加する電圧を制御するとともに、前記第
   １のスイッチが開路している時は、前記インダクタンス
   負荷に蓄積された電気エネルギーにより、電流を前記イ
   ンダクタンス負荷を含む還流経路に還流させるインダク
   タンス負荷駆動回路において、 前記インダクタンス負荷駆動回路に直列に挿入され前記
   負荷駆動回路を開閉する第２のスイッチと、 該第２のスイッチに並列に接続され該第２のスイッチが
   開路している時、前記還流経路を介して充電される容量
   と、 該容量が充電されている時、該容量の両端電圧が電気電
   源の電圧を越えていると判定すると前記第２のスイッチ
   を閉路する第１の判定手段と、 前記第１のスイッチが閉路していると判定すると前記第
   ２のスイッチを閉路する第２の判定手段と、 前記第１のスイッチが開路される度に、前記還流してい
   る電流により前記容量を充電し、前記容量に所定の電荷
   が蓄積された後、該容量に蓄積された電荷を前記電源に
   回生する手段と を具備したことを特徴とするインダクタンス負荷駆動回
   路。