JP2797514B2 - スイッチング電源装置およびそれを用いたプラズマ放電装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は産業用や民生用の電子機器に直流安定化電源
を供給するスイッチング電源 装置およびそれを用いたプラズマ放電装置に関するもの
である。

従来の技術 従来、この種のスイッチング電源装置は第５図に示す
ような構成であった。

第５図において、１は直流電源、２は抵抗、３は第１
のスイッチ手段としてのトラン ジスタ、４はコレクタ巻線、５はベース巻線、６は抵
抗、７は抵抗、８はコンデンサ、 ９はダイオード、10はトランジスタ、11はコンデンサ、
12は２次巻線、13は電 界効果型トランジスタ、14は電界効果型トランジスタ13
の寄生ダイオード、15は 平滑コンデンサ、16,16′は出力端子、17は基準電源、1
8は誤差増幅器、19 はパルス幅変換器、20は抵抗、21は抵抗、22はコンデン
サ、23はダイオード、 33はトランスである。

第５図の動作について説明する。直流電源１が接続さ
れると抵抗２を介して起動電流 がトランジスタ３に流れ、トランジスタ３はオンする。
トランジスタ３のオンにともな ってコレクタ巻線４と電磁結合しているベース巻線５に
電圧が誘起され、抵抗６を介し てトランジスタ３に電流が流れるため、トランジスタ３
はオンを続ける。一方トランジ スタ３がオンしている時、抵抗７を介してコンデンサ８
は充電され、所定の電圧に達す るとダイオード９を介してトランジスタ10をオンさせ、
トランジスタ３はオフする。

トランジスタ３がオンしている期間にトランス33に貯え
られたエネルギーはコンデ ンサ11にその１部が充電され、コレクタ電圧の上昇を抑
えてノイズの低減を図るとと もに２次巻線12から電界効果型トランジスタ13の寄生ダ
イオード14を通じて平 滑コンデンサ15に放出され、出力端子16,16′を介して
負荷に供給される。出力 端子16,16′間の電圧は基準電源17と誤差増幅器18で比
較・増幅されパルス幅 変換器19に加わる、パルス幅変換器19は前記入力を所定
のパルス幅に変換した後抵 抗20を介して電界効果型トランジスタ13に印加し、電界
効果型トランジスタ13を オンからオフへ移行させる。もし出力端子16,16′間の
電圧が基準電源17より高 ければ２次巻線12からすべてのエネルギーが平滑コンデ
ンサ15に放出された後も 電界効果型トランジスタ13をオンさせ続け、平滑コンデ
ンサ15から電界効果型トラ ンジスタ13を通じて２次巻線12に電流を流し続ける。電
界効果型トランジスタ13 がオフした時、トランス33に貯えられていたエネルギー
はコレクタ巻線４からコンデ ンサ11を介して直流電源１へ回生される。この時コンデ
ンサ22、抵抗21で決まる 時間トランジスタ10のベースには電流が流れるため、ト
ランジスタ３は所定の時間オ ンが遅れ、コンデンサ11に貯えられたエネルギーがトラ
ンジスタ３で短絡されること を防止する。コレクタ巻線４から直流電源１へエネルギ
ーの回生が続きコンデンサ11 の両端電圧が低下して逆極性になるとダイオード23は導
通しコンデンサ11の両端 電圧をクランプする。その後トランジスタ10は再びオフ
になりトランジスタ３をオン させて再び直流電源１からコレクタ巻線４を介して電流
を流し、トランス33にエネル ギーを貯える動作を繰り返す。

もし出力端子16,16′間の電圧が低下すればパルス幅
変換器19の出力は電界効 果型トランジスタ13をオフさせるように出力されるため
寄生ダイオード14を介し て２次巻線12から平滑コンデンサ15へのエネルギー放出
が終了すれば平滑コンデ ンサ15から２次巻線12を介して電流は流れないので前記
エネルギー回生は行われ ず、出力端子16,16′間の電圧は上昇する。又、出力端
子16,16′間の電圧が 上昇すれば前記動作とは逆の動作を行い出力端子16,1
6′間の電圧を一定に保つ。

発明が解決しようとする課題 このような従来の技術では直流電源１が接続されてト
ランジスタ３が初めてオンし た時２次巻線12を介して電界効果型トランジスタ13のド
レインに電圧が印加され るが平滑コンデンサ15には何の電荷も貯えられておらず
パルス幅変換器19の動作 を停止したままであるので、電界効果型トランジスタ13
はオフしようとする。しかし ながら電界効果型トランジスタ13は第６図に示すように
そのゲート・ドレイン間は寄 生容量27があるため、ドレインに印加された電圧は寄生
容量27を介して抵抗20を 流れパルス幅変換器19に印加される。

寄生容量27の値を1500PF、ドレインに印加される電圧
の上昇率を200V/ μＳとすると寄生容量27を流れる電流は0.45Aにも達す
る。抵抗20の値は通常 20〜50Ωに選定されるので、このため （１） もしパルス幅変換器19の内部で抵抗20が等価的
に出力端子16′に接続さ れていても電界効果型トランジスタ13のゲートには９〜
22.5Vの電圧が 印加され、電界効果型トランジスタ13はオンしてしま
う。従ってトランジスタ３がオ ンしている時に、電界効果型トランジスタ13もオンする
ためコレクタ巻線４のインダ クタンスは消滅し、トランジスタ３には過大な電流が流
れ最悪の場合にはトランジスタ ３が焼損してしまうことになる。特にプラズマ放電器に
使用されるスイッチング電源装 置の出力端子16,16′間電圧は定格時150〜200Vに選定さ
れるため、電界効 果型トランジスタ13のドレインに印加される電圧の上昇
率は2000V/μＳに達 するともまれではなく、この場合には3Aの電流が流れる
ことになり、とても使用でき るものではなかった。

（２） 前記課題を防止するためトランジスタ３を大型
化すれば装置全体が高価格化と なる。

（３） パルス幅変換器19に抵抗20を介して電流が流れ
るためパルス幅変換器19 は通常の動作と異なった動作となり、パルス幅変換器19
が損傷を受けるとともに最悪 の場合には焼損する。

（４） コレクタ巻線４はそのインダクタンスが消滅し
ているため、エネルギーを貯え ることができない。従って平滑コンデンサ15へ２次巻線
12からエネルギーを放出す ることもできず、出力端子16,16′間には電圧が発生し
ないという不具合を生じる。

（５） スイッチング電源装置が起動した後の定常状態
においてもトランジスタ３がオ ンする毎にパルス幅変換器19には抵抗20を介して電流が
流れるため、パルス幅変換 器19の電流吸収能力を大きくしなければならず、装置の
大型化・高価格化となる。

（６） 電界効果型トランジスタ13をバイポーラトラン
ジスタとダイオードの並列設 属素子に置きかえればこのような課題はないが、バイポ
ーラトンランジスタはその動作 スピードが遅く、又ベース電流が必要であるのでスイッ
チング損失及びドライブ損失が 増加し、高周波動作ができないため、トランス，ヒート
シンクの大型化、駆動回路の複 雑化，内部損失の増加をまねき、装置としての大型化，
高価格化，低効率化，信頼性の 低下となっていた。

本発明は上記課題を解決するもので小型，低価格，高
信頼度，高効率のスイッチング 電源装置を提供することを目的としている。

課題を解決するための手段 本発明は上記課題を解決するために、トランスの１次
巻線の一端に入力電圧をオン・ オフする第１のスイッチ手段とコンデンサの並列回路を
接続し、前記トランスの第１の ２次巻線の両端に平滑コンデンサと電界効果型トランジ
スタの直列回路を接続し、前記 電界効果型トランジスタを前記第１のスイッチ手段と相
補的にオン・オフさせ、前記第 １のスイッチ手段がオフの時前記トランスに貯えられた
エネルギーを前記平滑コンデ ンサにすべて放出した後もオンを続ける前記電界効果型
トランジスタを介して前記平 滑コンデンサから前記トランスにエネルギーを貯え、前
記電界効果型トランジスタがオ フの時、前記トランスに貯えられたエネルギーを前記ト
ランスの１次巻線から前記第１ のスイッチ手段を介して入力電圧にエネルギーを回生す
るように構成され、前記トラン スに、一端が前記電解効果型トランジスタのソースに接
続された第２の２次巻線を設け、 前記電解効果型トランジスタのゲート・ソース間にトラ
ンジスタのエミッタ・コレクタ を各々接続し、前記トランジスタのベースと前記第２の
２次巻線の他端との間にコンデ ンサと抵抗の直列回路を接続している。

又は、前記トランジスタのベースと前記第２の２次巻
線の他端との間に抵抗を接続し ている。

作用 本発明は上記した構成により、第２の２次巻線の電圧
変化をコンデンサと抵抗の直列 素子を介してゲート・ソース間に接続されたトランジス
タのベースに与えているため第 ２の２次巻線の電圧が変化しようとすれば、ゲート・ソ
ース間はトランジスタによって 短絡され、電界効果型トランジスタが不必要にオンする
ことがなくなるものである。

実施例 以下、本発明の一実施例について第１図を参照しなが
ら説明する。第１図において従 来例の第５図と同じものは同一の符号を付して説明は省
略する。12aは第２の２次巻 線、24はトランジスタ、25は抵抗、26はコンデンサであ
る。

第１図においてトランジスタ３が初めてオンした時、
２次巻線12には電界効果型ト ランジスタ13のドレイン電圧を上昇させる極性の電圧が
誘起される。又、２次巻線１ 2aにも電圧が誘起されるがその極性は第１図注・印が＋
になるように巻回されている ためコンデンサ26、抵抗25を介してトランジスタ24のベ
ースから電流を引き出す 極性となる。

従ってトランジスタ24はオンするが、エミッタ・コレ
クタが各々電界効果型トラン ジスタ13のゲート・ソース間に接続されているため第６
図の寄生容量27を介して流 れる電流を吸収し、ゲート・ソース間の電圧の上昇を抑
制する。この結果、電界効果型 トランジスタ13はオフを続け、２次巻線12,12aの電圧が
安定した後コンデンサ 26、抵抗25を介して流れる電流も停止し、やがてトラン
ジスタ24はオフする。所 定の時間経過後２次巻線12の電圧の極性が反転すれば前
記と逆の動作でトランジス タ24はオフになり、２次巻線12から寄生ダイオード149
を介して平滑コンデンサ 15へエネルギー放出が行われる。前記動作をくり返して
出力端子16,16′間の電 圧が上昇すれば誤差増幅器18、基準電源17、パルス幅変
換器19が動作を開始し電 界効果型トランジスタ13をオン・オフさせる信号を抵抗
20を介して電界効果型トラ ンジスタ13のゲートに与えるが、電界効果型トランジス
タ13がオンしなければなら ない時にはトランジスタ24はオフしているのでその動作
に支障を与えることはない。

又、第２図は本発明の他の実施例のスイッチング電源
装置の回路図である。以下第２ 図について説明する。第２図において第１図と同じもの
は同一の符号を付し、説明を省 略する。

第２図において25はトランジスタ24のベースと電界効
果型トランジスタ13の ドレイン間に接続された抵抗である。

第２図において２次巻線12に電界効果型トランジスタ
13のドレイン電圧を上昇 させる極性の電圧が誘起されている期間２次巻線12aに
も電圧が誘起されているが その極性は第２図中の・印が＋になるよう巻回されてい
るため抵抗25を介してトラン ジスタ24のベースから電流を引き出す極性となる。

従ってトランジスタ24はオンし、そのエミッタ・コレ
クタは各々電界効果型トラン ジスタ13のゲート・ソース間に接続されているため電界
効果型トランジスタ13のゲ ート・ソース間はトランジスタ24によって短絡され、電
界効果型トランジスタ13は 前記期間オフを続ける。以後の動作は第１図と同一のた
め省略する。

第３図は本発明のさらに他の実施例のスイッチング電
源装置である。

以下第３図について説明する。第３図において28はダ
イオード、29は平滑コンデ ンサであり、２次巻線12aに発生する電圧をダイオード2
8で整流し、平滑コンデン サ29で平滑した後出力端子30から負荷へ供給するよう構
成した多出力スイッチン グ電源装置である。

第３図の動作については第２図と同一又は周知の事実
であるので省略する。

第４図は本発明のスイッチング電源装置を、プラズマ
放電装置用電源として用いた例 であり31は本発明のスイッチング電源装置、32はプラズ
マ放電装置である。

発明の効果 以上の実施例から明らかなように本発明によれば電界
効果型トランジスタのドレイ ン電圧が上昇し安定するまでの期間、又は電界効果型ト
ランジスタのドレインに電圧が 印加されている期間、ゲート・ソース間に接続されたト
ランジスタはオンし、電界効果 型トランジスタは確実にオフできる。

従って、トランジスタが初めてオンした時に生じる電
界効果型トランジスタのオン動 作を防止できるため、トランジスタに過大な電流が流れ
ることを防止でき、トランジス タに小型，安価な部品が使用でき、スイッチング電源装
置全体を小型，安価とすること ができるばかりか、加えてトランジスタの焼損を防止で
きる。

又パルス幅変換器に抵抗を介して電流が流れることが
ないため、パルス幅変換器の焼 損，損傷を防ぐとともに、その電流吸収能力も小さくで
き、この点からもスイッチング 電源装置を小型，安価，高信頼性にできる。

又、コレクタ巻線のインダクタンスが消滅することが
ないため確実にスイッチング電 源装置を起動できる。

又、２次側に電界効果型トランジスタとその内部寄生
ダイオードを使用できるため高 周波動作が可能となり、スイッチング損失の減少、トラ
ンス・ヒートシンクの小型化、 駆動回路の簡素化ができ、小型，安価，高効率，高信頼
のスイッチング電源装置とする ことができる。

又、本発明のスイッチング電源装置は従来使用不能で
あった出力電圧が150〜20 0Vと高いプラズマ放電装置用電源としても使用可能なた
め、ノイズの少ない小型，安 価，高効率，高信頼なプラズマ放電装置とすることがで
きる。

なお第３図には第２図の多出力化されたスイッチング
電源装置を図示したが第１図 の実施例でも容易に多出力化することができるのは言う
までもない。

又第１図〜第３図ではトランジスタ24をパルス幅変換
器19と独立にさせている が、このトランジスタ24のベースにパルス幅変換器19の
信号を加えて部品の共用化 を図ってもよい。この場合にはスイッチング電源装置を
より一層小型，安価とすること ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例によるスイッチング電源装置
を示す回路図、第２図は本発明 の第２の実施例によるスイッチング電源装置の回路図、
第３図は第２図によるスイッチ ング電源装置を多出力化した場合を示す回路図、第４図
は本発明のスイッチング電源装 置をプラズマ放電装置に用いた実施例を示す回路図、第
５図は従来の技術によるスイッ チング電源装置を示す回路図、第６図は電界効果型トラ
ンジスタ13の内部等価回路図 である。 １……直流電源、２……抵抗、３……トランジスタ、４
……コレクタ巻線、５……ベー ス巻線、６……抵抗、７……抵抗、８……コンデンサ、
９……ダイオード、10……ト ランジスタ、11……コンデンサ、12……２次巻線、13…
…電界効果型トランジス タ、14……寄生ダイオード、15……平滑コンデンサ、1
6,16′……出力端子、 17……基準電源、18……誤差増幅器、19……パルス幅変
換器、20……抵抗、２ １……抵抗、22……コンデンサ、23……ダイオード、24
……トランジスタ、25 ……抵抗、26……コンデンサ、27……寄生容量、28……
ダイオード、29……平 滑コンデンサ、30……出力端子、31……本発明のスイッ
チング電源装置、32…… プラズマ放電、33……トランス。

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】トランスの１次巻線の一端に入力電圧をオ
   ン・オフする第１のスイッチ手 段とコンデンサの並列回路を接続し、前記トランスの第
   １の２次巻線の両端に平滑コン デンサと電界効果型トランジスタの直列回路を接続し、
   前記電界効果型トランジスタを 前記第１のスイッチ手段と相補的にオン・オフさせ、前
   記第１のスイッチ手段がオフの 時前記トランスに貯えられたエネルギーを前記平滑コン
   デンサにすべて放出した後も オンを続ける前記電界効果型トランジスタを介して前記
   平滑コンデンサから前記トラ ンスにエネルギーを貯え、前記電界効果型トランジスタ
   がオフの時、前記トランスに貯 えられたエネルギーを前記トランスの１次巻線から前記
   第１のスイッチ手段を介して 入力電圧にエネルギーを回生するように構成され、前記
   トランスに、一端が前記電解効 果型トランジスタのソースに接続された第２の２次巻線
   を設け、前記電解効果型トラン ジスタのゲート・ソース間にトランジスタのコレクタ・
   エミッタを各々接続し、前記ト ランジスタのベースと前記第２の２次巻線の他端との間
   にコンデンサと抵抗の直列回 路を接続したスイッチング電源装置。
2. 【請求項２】トランジスタのベースと前記第２の２次巻
   線の他端との間に抵抗を接続し た請求項（１）記載のスイッチング電源装置。
3. 【請求項３】請求項（１）〜（２）のいずれかに記載の
   スイッチング電源装置を用いた プラズマ放電装置。