JP2684221B2 - チョッパ電源装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、チョッパ電源装置に関するものであり、
特に、商用電源を整流した直流高電圧を変圧器を用いる
ことなく低電圧に落し直流低電圧電源として機能するチ
ョッパ電源装置に関するものである。

［従来の技術］ 従来より直流低電圧電源は各種の装置に用いられてお
り、例えば、ブラシレスモータの駆動装置等に使用され
ている。従来のブラシレスモータの駆動装置には、特開
昭62−185584号公報に示された技術等がある。第４図は
従来の電源装置を用いたブラシレスモータの駆動装置の
回路構成を示す回路図である。

図において、31は直流電源で駆動するブラシレス形の
モータ、32はモータ31のロータのマグネット位置を検出
するホール素子等からなる検出器、33は交流電源、34は
交流を直流に整流する整流回路、35は整流後の直流を平
滑化するコンデンサ、36はモータ31の駆動を直接制御す
るモータドライブ回路である。37は交流電源33を低電圧
の交流に変換する変圧器、38はその低電圧の交流を直流
に整流する整流回路、39は整流後の直流を平滑化するコ
ンデンサ、40は出力電圧を安定化する３端子レギュレー
タ、41はプリドライブ回路として機能する制御ICであ
り、通常、30V以下の低電圧で作動する。そして、この
制御IC41によりモータドライブ回路36を駆動する。

上記のような構成の従来のブラシレスモータの駆動装
置では、AC100V（或いはAC200V）の交流を直流に変換
し、モータドライブ回路36に印加するとともに、このモ
ータドライブ回路36の駆動を直流の低電圧電源で作動す
る制御IC41で適宜制御することにより、モータ31の回転
を可変速制御している。

したがって、制御IC41を作動させるための電源として
直流の低電圧電源が必要であり、この直流低電圧を供給
するために、変圧器37、整流回路38、コンデンサ39、及
び３端子レギュレータ40で電源装置を構成している。

［発明が解決しようとする課題］ 上記のような従来のブラシレスモータの駆動装置で
は、制御IC用の低電圧電源（12V或いは24V等）が必要で
あり、この低電圧電源を生成するために変圧器37を使用
した特別の回路が必要であった。したがって、回路構成
が大掛りとなり、電源装置も大型化せざるを得なかっ
た。

また、変圧器37を使用することなく、商用交流電源を
整流した直流高電圧から低電圧電源をつくるには、高耐
電圧ICを使用したり、或いは、スイッチングレギュレー
タ等により実現することも可能ではあるが、専用の特別
な補助低電圧電源等を必要としていた。さらに、電圧降
下による低電圧化も可能ではあるが、例えば、DC280Vの
高電圧からDC12Vの低電圧を生成する場合には、抵抗で
消費される電力が大き過ぎて発熱による過熱の問題や、
或いは許容損失に耐え得る抵抗を選定する必要性から、
やはり電源装置の小型化は困難であった。

一方、他の先行技術として、実開昭64−2584号公報に
掲載の技術がある。この技術は、入力端から出力端に至
る電力ラインに直列に挿入した制御素子と、直流出力電
圧を監視し、直流出力電圧が安定する方向に前記制御素
子を制御する制御回路とを備える電源回路によって、前
記制御回路の動作電源を前記出力端から得たものであ
る。しかし、この種の電源回路によれば、スイッチング
回路とは別回路の起動回路、更に、直流低電圧の立上り
後はその起動動作を停止させるという機能が別に必要と
なり、回路規模が増大する問題がある。

そこで、この発明は、変圧器及び補助低電圧電源等を
用いることなく、直流高電圧を直流低電圧に変換でき、
しかも、回路を起動する別回路を必要とすることなく、
回路構成が簡単で装置全体を小型化できるチョッパ電源
装置の提供を課題とするものである。

［課題を解決するための手段］ この発明にかかるチョッパ電源装置は、直流高電圧源
に直列に接続された高耐電圧形の第１のトランジスタ
と、前記第１のトランジスタのベースを駆動する高耐電
圧形の第２のトランジスタと、前記直流高電圧源と前記
第２のトランジスタのベースとの間に設けられたバイア
ス用の抵抗とを有するスイッチング回路と、前記スイッ
チング回路の第１のトランジスタのコレクタに直列に接
続したコイル及びコンデンサと、前記コイル及びコンデ
ンサに並列に接続した還流用のダイオードとを有する平
滑回路とからなり直流低電圧を生成するチョッパ回路
と、前記直流低電圧で作動し、オン時に前記第２のトラ
ンジスタのベースに印加されているバイアス電流をオフ
時にバイパスさせて前記直流低電圧が所定の電圧になる
ように前記スイッチング回路を制御する制御回路とを備
えたものである。

［作用］ この発明のチョッパ電源装置においては、高耐電圧形
の第１のトランジスタと、この第１のトランジスタのベ
ースを駆動する高耐電圧形の第２のトランジスタとを有
するスイッチング回路で直流高電圧をスイッチングによ
り低電圧に落し、この直流低電圧の平滑化を前記スイッ
チング回路の第１のトランジスタのコレクタに直列に接
続したコイル及びコンデンサと、このコイル及びコンデ
ンサに並列に接続した還流用のダイオードとで構成した
平滑回路で行い、この直流低電圧で制御回路を作動し
て、この直流低電圧が所定の電圧になるようにする前記
スイッチング回路を、前記直流高電圧の立上り時に直流
高電圧源と前記第２のトランジスタのベースとの間に設
けたバイアス用の抵抗により前記スイッチング回路をオ
ンさせて前記直流低電圧を立上げ、その後制御回路によ
り第２のトランジスタのベースへのバイアス電流をオン
時には印加状態を維持し、オフ時にはバイアス電流をバ
イパスしてスイッチング回路をオン／オフ制御すること
によって前記所定の電圧を維持する。

［実施例］ 第１図はこの発明の一実施例であるチョッパ電源装置
を示す回路図である。

図において、１はAC100V（或いはAC200V）の交流電
源、２はダイオードブリッジからなる整流回路であり、
前記交流をDC140（或いはDC280V）の直流に整流する。
３は整流後の直流を平滑化するコンデンサであり、この
コンデンサ３と整流回路２とにより交流は所定の高圧の
直流に変換される。４は還流用のダイオード、５は低電
圧の直流を平滑化するコンデンサ、６はエネルギー貯留
用のコイル、７はスイッチング用の高耐電圧素子である
PNPトランジスタ、８はPNPトランジスタ７のベースを駆
動する高耐電圧素子であるNPNトランジスタ、９から12
は各々抵抗である。13は上記の両トランジスタ7,8及び
各抵抗9,10,11,12で構成したスイッチング回路、14は上
記のダイオード4,コンデンサ５、及びコイル６で構成し
た平滑回路、15はこのスイッチング回路13と平滑回路14
とからなるチョッパ回路である。16はスイッチング回路
13のスイッチング動作を制御する制御回路であり、この
制御回路16は前記チョッパ回路15で生成された直流低電
圧を電源として作動する。

ここで、この制御回路16の構成について簡単に説明す
る。この制御回路16は、例えば、過電圧保護回路、起動
基準電圧回路、不足電圧保護回路、エラーアンプ回路、
及びチョッパ用PWM回路により構成されている。これら
の各回路は次のような動作をする。過電圧保護回路はチ
ョッパ回路15の出力電圧が所定の電圧以上になったとき
に、スイッチング回路13へ非同期でオフ指令を出す。起
動基準電圧回路はこのチョッパ回路15の出力電圧から安
定した定電圧を生成する。不足電圧保護回路はチョッパ
回路15の出力電圧が所定の電圧よりも低いときに、スイ
ッチング回路13にオン指令を出す。エラーアンプ回路は
チョッパ回路15の出力電圧の所定電圧を中心にして変動
分を増幅してチョッパ用PWM回路用の比較電圧とする。
チョッパ用PWM回路は三角波とエラーアンプ回路の出力
を各々比較して、スイッチング回路13用のオン／オフ指
令を生成する。

この実施例のチョッパ電源装置は上記のように構成さ
れており、スイッチング回路13を所定の周期でスイッチ
ングすることにより高電圧を所定の低電圧に変換する。
つぎに、この動作について説明する。

まず、スイッチング回路13に直流の高電圧が印加され
ると、抵抗９を介してNPNトランジスタ８のベースに電
流が流れ、NPNトランジスタ８はオン状態となり、PNPト
ランジスタ７もオン状態となる。このPNPトランジスタ
７がオンすることにより、コイル６に電圧が印加され
る。そして、このコイル６とコンデンサ５との間の電位
が所定の電位以上になると、制御回路16が作動して、NP
Nトランジスタ８をオフさせ、PNPトランジスタ７をオフ
状態にする。このPNPトランジスタ７がオフになること
により、コイル６には電流を流そうとするエネルギーが
作用しているから、ダイオード４を通して還流電流が補
給されて出力される。また、このチョッパ回路15の出力
電圧が低下すると、これを制御回路16が検知して、再
び、スイッチング回路13のNPNトランジスタ８はオン状
態となり、PNPトランジスタ７もオン状態となって、上
記の動作を繰返す。こうして、スイッチング回路13がオ
ン／オフのスイッチングを繰返すことにより、チョッパ
回路15は所の直流低電圧を出力する。なお、このときコ
ンデンサ５はこの直流低電圧を平滑化する。

このように、この実施例のチョッパ電源装置では、高
耐電圧形の第１のトランジスタ、即ち、PNPトランジス
タ７と、PNPトランジスタ７のベースを駆動する高耐電
圧形の第２のトランジスタ、即ち、NPNトランジスタ８
とを有するスイッチング回路13と、前記スイッチング回
路13のPNPトランジスタ７のコレクタに直列に接続した
コイル６及びコンデンサ５と、前記コイル６及びコンデ
ンサ５に並列に接続した還流用のダイオード47とで、前
記直流低電圧を平滑化する平滑回路14からなるチョッパ
回路15と、前記スイッチング回路13及び平滑回路14から
なるチョッパ回路15で生成された直流低電圧で作動し、
前記直流低電圧が所定の電圧になるように前記スイッチ
ング回路13を制御する制御回路16とを具備し、前記スイ
ッチング回路13は、前記直流高電圧の立上り時に前記ス
イッチング回路13をオンさせて、前記直流低電圧を立上
げるようにしたものである。

したがって、PNPトランジスタ７のエミッタに直流高
電圧が印加されると同時に、このPNPトランジスタ７の
ベースを駆動する高耐電圧形のNPNトランジスタ８のベ
ースにも抵抗９を介して直流高電圧が印加されるので、
制御回路16が不動作状態においては、スイッチング回路
13に高電圧が印加されることにより、このスイッチング
回路13は常に作動する。そして、制御回路16がスイッチ
ング回路13及び平滑回路14からなるチョッパ回路15で生
成される直流低電圧の大きさを検知して、一定の電圧に
維持するようにNPNトランジスタ８のベース電位をシャ
ントすることにより、所定の低電圧電源として機能す
る。

このチョッパ回路15の出力電圧と制御回路16の動作と
の関係を図で示すと、第３図のようになる。第３図はこ
の発明の実施例におけるチョッパ電源装置のチョッパ回
路の出力電圧と制御回路の動作との関係を示す特性図で
ある。

第３図のように、制御回路16が動作することにより、
チョッパ回路15の出力電圧は平均電圧Vccの直流電圧と
なる。

上記のように、この実施例のチョッパ電源装置は、高
耐電圧形のPNPトランジスタ７と、このPNPトランジスタ
７のベースを駆動する高耐電圧形のNPNトランジスタ８
とを有するスイッチング回路13と、このスイッチング回
路13のPNPトランジスタ７のコレクタに直列に接続した
コイル６及びコンデンサ５と、このコイル６及びコンデ
ンサ５に並列に接続した還流用のダイオード４とを有す
る平滑回路14とで直流高電圧を直流低電圧に落すチョッ
パ回路15を構成している。そして、このチョッパ回路15
で生成された直流低電圧で制御回路16を作動させ、この
直流低電圧が所定の電圧になるように前記スイッチング
回路13を制御する。

したがって、従来例で述べたように変圧器37を用いる
ことなく直流高電圧を直流低電圧に変換できる。また、
制御回路16用の専用の特別な補助電源等も不要である。
このため、回路構成が簡素化でき、装置全体を小型化で
きる。加えて、装置の製造コストが低減でき、経済的で
ある。

続いて、他の実施例について説明をする。第２図はこ
の発明の他の実施例であるチョッパ電源装置を示す回路
図である。図中、第１図と同一符号及び同一記号は、同
一または相当する構成部分を示す。

図において、21はNPNトランジスタ８のベースと接地G
NDとの間に挿入したツェナーダイオードである。22は小
信号用のダイオード、23は小信号用のPNPトランジス
タ、24は小容量のコンデンサ、25は抵抗であり、PNPト
ランジスタ７のベース側にPNPトランジスタ23のコレク
タを接続し、PNPトランジスタ７のエミッタ側にPNPトラ
ンジスタ23のエミッタを接続し、このPNPトランジスタ2
3のベースとPNPトランジスタ７のエミッタとの間にダイ
オード22をアノード側をPNPトランジスタ23のベース側
にして挿入し、PNPトランジスタ７のコレクタとPNPトラ
ンジスタ23のベースとの間にコンデンサ24を挿入してい
る。

この実施例のチョッパ電源装置による直流高電圧を直
流低電圧に変換する基本的な動作自体は、上記実施例の
チョッパ電源装置と同一である。したがって、ここで
は、その動作の説明は省略して相違点を中心に説明す
る。

この実施例では、上記実施例のチョッパ電源装置のス
イッチング回路13を改良し、制御回路16及びPNPトラン
ジスタ７の保護手段を附加したものである。

まず、制御回路16の保護について述べる。例えば、上
述の実施例では、NPNトランジスタ８が焼損したり、或
いはNPNトランジスタ８部で断線等が起こり、このNPNト
ランジスタ８のベースが解放状態になった場合に、制御
回路16に高電圧が直接印加される虞れがあった。

そこで、この実施例では、ツェナーダイオード21によ
り制御回路16を保護している。すなわち、ツェナーダイ
オード21をNPNトランジスタ８のベースと接地GNDとの間
に挿入したことにより、仮に、NPNトランジスタ８のベ
ースが解放状態になっても、ツェナーダイオード21が正
常に機能する限り制御回路16には高電圧が直接印加され
ることはない。したがって、低電圧回路で構成されてい
る制御回路16が高電圧で破壊されることを防止できる。

つぎに、スイッチング回路13のPNPトランジスタ７の
保護について説明する。上述の実施例のチョッパ電源装
置では、PNPトランジスタ７がオフ状態になるとダイオ
ード４を通して還流電流が流れるものの、Ａ点の電位は
急激に低下する。このため、PNPトランジスタ７のベー
ス電位がコレクタに対して相対的に高くなり、本来、PN
Pトランジスタ７はオフとなるべきところPNPトランジス
タ７の浮遊容量等の影響を受けてオン状態に維持され
る。このため、PNPトランジスタ７が完全にオフ状態に
なりきれず、ここでの消費電力が増大し、発熱等を起こ
す。

そこで、この実施例では、Ａ点の電位が急激に低下し
たときに、コンデンサ24を介してPNPトランジスタ23を
オンさせることにより、PNPトランジスタ７に逆バイア
スを掛けて、PNPトランジスタ７を正常に作動させて、
この結果、PNPトランジスタ７を保護できるとともに、
スイッチング効率が向上する。また、PNPトランジスタ
７のターンオフを高速で行うことができ、スイッチング
ロスを減少できる。

一方、PNPトランジスタ７がオンするとＡ点の電位は
逆に急激に上昇する。そこで、今度はコンデンサ24を介
してPNPトランジスタ23に逆バイアスが掛かるので、ダ
イオード22を介して電流を流すことにより、PNPトラン
ジスタ23に高電圧が掛らないようにして、このPNPトラ
ンジスタ23を保護している。

しかも、これらのダイオード22、PNPトランジスタ2
3、及びコンデンサ24は小信号用の比較的安価な素子で
あり、安価な回路構成により保護回路を構成している。
したがって、この実施例においても、上記実施例と同様
の効果を奏し、変圧器37及び補助電源を用いることなく
直流高電圧を直流低電圧に変換できるので、回路構成が
簡素化でき、装置全体を小型化できる。加えて、制御回
路16及びPNPトランジスタ７の保護手段が附加されてお
り、安全性が高く、効率のよいスイッチングができる。

なお、上記実施例の高耐電圧形のPNPトランジスタ７
と、高耐電圧形のNPNトランジスタ８は、その極性を逆
にすることもできる。

［発明の効果］ 以上説明したとおり、この発明のチョッパ電源装置
は、直流高電圧源に直列に接続された高耐電圧形の第１
のトランジスタと、前記第１のトランジスタのベースを
駆動する高耐電圧形の第２のトランジスタと、前記直流
高電圧源と前記第２のトランジスタのベースとの間に設
けられたバイアス用の抵抗とを有するスイッチング回路
と、前記スイッチング回路の第１のトランジスタのコレ
クタに直列に接続したコイル及びコンデンサと、前記コ
イル及びコンデンサに並列に接続した還流用のダイオー
ドとを有する平滑回路とからなり直流低電圧を生成する
チョッパ回路と、前記直流低電圧で作動し、オン時に前
記第２のトランジスタのベースに印加されているバイア
ス電流をオフ時にバイパスさせて前記直流低電圧が所定
の電圧になるように前記スイッチング回路を制御する制
御回路とを備えたので、チョッパ回路で生成した直流低
電圧で制御回路を作動させ、この直流低電圧が所定の電
圧になるように前記スイッチング回路を制御することに
より、変圧器を用いることなく、また、制御回路用の専
用の補助電源も使用することなく、直流高電圧を直流低
電圧に変換できるので、回路構成が簡素化でき、装置全
体を小型化でき、経済的である。故に、変圧器及び補助
低電圧電源等を用いることなく、直流高電圧を直流低電
圧に変換でき、しかも、回路を起動する別回路を必要と
することなく、回路構成が簡単で装置全体を小型化でき
る効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例であるチョッパ電源装置を
示す回路図、第２図はこの発明の他の実施例であるチョ
ッパ電源装置を示す回路図、第３図は第２図のチョッパ
電源装置のチョッパ回路の出力電圧と制御回路の動作と
の関係を示す特性図、第４図は従来の電源装置を用いた
ブラシレスモータの駆動装置の回路構成を示す回路図で
ある。 図において、 1:交流電源、2:整流回路、4:ダイオード、5:コンデン
サ、6:コイル、7:PNPトランジスタ、8:NPNトランジス
タ、13:スイッチング回路、14:平滑回路、15:チョッパ
回路、16:制御回路、21:ツェナーダイオード、22:ダイ
オード、23:PNPトランジスタ、24:コンデンサ である。 なお、図中、同一符号及び記号は同一または相当する構
成部分を示すものである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小宮山 菊夫 岐阜県中津川市駒場町１番３号 三菱電 機株式会社中津川製作所内 (56)参考文献 実開 昭64−2584（ＪＰ，Ｕ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】直流高電圧源に直列に接続された高耐電圧
   形の第１のトランジスタと、前記第１のトランジスタの
   ベースを駆動する高耐電圧形の第２のトランジスタと、
   前記直流高電圧源と前記第２のトランジスタのベースと
   の間に設けられたバイアス用の抵抗とを有するスイッチ
   ング回路と、前記スイッチング回路の第１のトランジス
   タのコレクタに直列に接続したコイル及びコンデンサ
   と、前記コイル及びコンデンサに並列に接続した還流用
   のダイオードとを有する平滑回路とからなり直流低電圧
   を生成するチョッパ回路と、 前記直流低電圧で作動し、オン時に前記第２のトランジ
   スタのベースに印加されているバイアス電流をオフ時に
   バイパスさせて前記直流低電圧が所定の電圧になるよう
   に前記スイッチング回路を制御する制御回路とを備えた
   ことを特徴とするチョッパ電源装置。