JP2860544B2

JP2860544B2 - Converter surge voltage absorption circuit

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Publication number: JP2860544B2
Application number: JP62169878A
Authority: JP
Inventors: 精一木嶋
Original assignee: Kijima Co Ltd
Current assignee: Kijima Co Ltd
Priority date: 1987-07-09
Filing date: 1987-07-09
Publication date: 1999-02-24
Anticipated expiration: 2014-02-24
Also published as: JPS6416270A

Description

【発明の詳細な説明】「産業上の利用分野」この発明は、ブロッキング発振回路、プッシュプル発
振回路、フライバック発振回路などからなるコンバータ
に利用するところのサージ電圧吸収回路に関する。「従来の技術」コンバータとして、ブロッキング、プッシュプル、フ
ライバックなどの各発振回路からなるものが知られてい
るが、その一例として第３図にフライバックコンバータ
の回路図を示す。このコンバータは他励発振構成のもので、スイッチン
グ作用のトランジスタ１を繰返しON,OFFさせることによ
って電池電源２から昇圧トランス３の一次コイル3pに流
れる一次電流i₁が断続し、二次コイル3sから二次電流i₂
が出力される。この回路では出力電流i₂が整流用ダイオ
ード４を通って負荷としてのコンデンサ５を充電する構
成となっている。第５図は上記コンバータの各部電圧、電流を示すタイ
ムチャートである。すなわち、トランジスタ１のベースに第５図（ａ）に
示すようなパルス電圧Vsを与えると、t₁の間ONし、t₂の
間OFFし、このON、OFFを繰返す。トランジスタONにより
一次電流i₁が第５図（ｂ）のように流れ、トランジスタ
OFF時には最大電流im₁によってトランスコアが励磁され
る。したがって、トランジスタOFFにより、二次コイル3
sにはトランスコアの励磁勢力によって電圧E₂が表わ
れ、最大の二次電流im₂が直ちに流れる。このように、フライバックコンバータは高い出力で電
圧E₂と大きな二次電流i₂とが出力するので、早期にコン
デンサ充電を行なう電源回路などとして適当である。「発明が解決しようとする問題点」上記したフアイバックコンバータの場合、トランジス
タOFFによって二次電流i₂が流れることにより、二次コ
イル3Sには第５図（ｄ）のようなフライバック電圧Efが
表われる。一方、この種のコンバータでは、トランスコアを小形
にして磁気飽和を抑制する目的から、一般に磁気路にエ
アギャップを形成するため、一次、二次コイル間の結合
度を充分に取ってもリーケージインダクタンスが大きく
なる。その結果、トランジスタOFF時に大きな一次電流i
m₁が流れる上記のコンバータではリーケージインダクタ
ンスに原因してスパイク状の高電圧が発生する。つま
り、トランジスタOFF時に急峻なパルス状サージ電圧Vp
が生ずる。このことから、トランジスタ１のコレクタ〜エミッタ
間には、電池電源２の電圧Eb、フライバック電圧Ef、サ
ージ電圧Vpの重合電圧Vceが第５図（ｅ）に示すように
加わる。加えて、サージ電圧Vpは、数10Vにも達するため、ト
ランジスタ１の耐圧規格を越え、このトランジスタの破
壊事故を起す。上記したコンバータ回路の各部の電圧、電流を数式を
もって示せば次のようになる。 ∴ L₁:一次コイル3pのインダクタンス L₂:二次コイル3sのインダクタンス n₁:一次コイルの巻数 n₂:二次コイルの巻数次に、第４図に示す実装回路について説明する。この
フライバックコンバータ回路は写真撮影用の電源回路と
して装備されている自励発振構成のもので、昇圧トラン
ス６には一次、二次コイルの他に三次コイルを設け、こ
の三次コイルの誘導電圧によってスイッチング作用のト
ランジスタ７をOFFさせる構成となっている。また、このトランジスタ７はベースに接続した抵抗８
とコンデンサ９の時定数にしたがってONする。なお、電
池電源２に並列接続したコンデンサ10は入力電圧安定用
のコンテンサ、11はトランジスタ７のベース抵抗であ
り、その他の構成は上記した第３図と同じである。このコンバータ回路では次のような各回路部品が使用
されている。電池電源電圧Eb:8V 昇圧トランス6 :フライバックトランスコンデンサ10 :200μＦコンデンサ９ :1μＦコンデンサ５ :300μＦ抵抗８ :10kΩ 抵抗11 :200Ω 上記コンバータ回路においてコンデンサ５を充電電圧
Vc＝270Vに充電するときの一次電流i₁と、トランジスタ
７のコレクタ〜エミッタ間電圧Vceとの実測波形を第６
図（ａ）、（ｂ）に示す。この実測波形において、t₁＝
25μsec、t₂＝12μsec、im₁＝4.3（Ａ）、i₁′＝−７
（Ａ）となった。また、Eb＝7.8（Ｖ）、Eb＋Ef＝28（Ｖ）、Vce＝65
（Ｖ）となることが確認された。サージ電圧Vpは、既に述べたようにリーケージインダ
クタンスによるもので、等価内部インピーダンスの強い
強力なサージ電圧電源を有すると考えることができ、従
来では、抵抗、コンデンサ、ダイオードなどを使ってこ
れを吸収することが試みられているが、効果的な吸収手
段は今だ開発されていない。Ｒ、Ｃ、Ｄを使ったような吸収手段ではコンバータの
熱効率、伝送効率を低下させることがあるばかりでな
く、閃光放電発光器のような負荷変動の激しい回路に組
み込まれたコンバータでは動作周波数が変わるために、
そのサージ電圧の吸収が非常に困難となる。「問題点を解決するための手段」本発明は上記した問題点にかんがみ開発したもので、
トランスの一次コイルにコレクタを接続させたスイッチ
ング作用のトランジスタを繰返しON、OFFさせ、トラン
スの一次コイルに入力する電源電流を断続させ、トラン
スの発振動作によって出力させるコンバータにおいて、
トランスの一次コイルに接続した上記トランジスタのコ
レクタとこのトランジスタのベースとの間を所定値以上
の電圧を受けて導通する半導体素子をもって接続し、上
記トランジスタがOFFしたときこのトランジスタのコレ
クタとエミッタ間に加わるサージ電圧によって導通する
上記半導体素子の導通電流により上記トランジスタをON
させるようにしてサージ電圧を吸収する構成としたこと
を特徴とするコンバータのサージ電圧吸収回路を提案す
る。「作用」トランジスタがOFFするとき、このトランジスタのコ
レクタとエミッタ間に加わるサージ電圧が発生すると、
半導体素子が上記サージ電圧を受けて導通し、スイッチ
ング作用のトランジスタを半導体素子の導通時間にした
がってONさせ、また、ONの状態を継続させるように働
く。このことから、上記トランジスタのONによってサージ
電圧が確実に吸収される。「実施例」次に、本発明の実施例について図面に沿って説明す
る。第１図は第４図に示した実装回路にサージ電圧吸収手
段としてツエナー・ダイオード12を設けたコンバータ回
路である。図示するように、スイッチング作用のトランジスタ７
のコレクタにカソードを、そのベースにアノードを接続
したツエナー・ダイオード12が設けてあり、このツエナ
ー電圧Vdzは、トランジスタ７のVceの使用可能規格値＞Vdz Vce（OFF）＝Eb＋Ef＞Vzd の条件にしたがって定めることが必要で、この実施例で
は34（Ｖ）、0.5（Ｗ）のものが使用してある。上記実施例の回路において、トランジスタ７がOFFに
よって一次電流i₁₂が遮断された時、トランジスタ７の
コレクタ〜エミッタ間電圧Vceにはサージ電圧Vpが加わ
るが、Vce−（Vbe＋Vdz）の電圧はツエナー・ダイオー
ド12の導通によってスライスされ、その導通電流がトラ
ンジスタ７のベースに流れ込み、このトランジスタ７の
電流増幅倍されて一次電流i₁の一部となり吸収される。この場合、バックスイングのリンギング性のスパイク
電流i₁′は上記した一次、電流i₁の増幅分と打ち消し合
って減少する。この実施例回路ではi₁′＝−７（Ａ）か
らi₁′＝−１（Ａ）に減少する。第２図（ｃ）、（ｄ）
はツエナー・ダイオード12を設けた場合の一次電流i₁と
トランジスタ７のVceの実測波形を示し、第２図
（ａ）、（ｂ）はツエナー・ダイオード12を設けない場
合の同様の実測波形（第６図と同じ）を示している。これらの図から分かるように、im₁は4.3（Ａ）を維持
し、トランジスタのVceをツエナー電圧Vdzである35
（Ｖ）に抑えることができ、また、i₁′が−１（Ａ）と
なる。なお、従来ではサージ電圧Vpの発生時間tpとして
0.7μsec程度であったが、ツエナー・ダイオード12でス
ライスした時の時間tp′は約1.8μsecとなることが確認
された。なお、ツエナー・ダイオード12の導通電流によってト
ランジスタ７のOFF時点が僅か（0.5μsec程度）遅れる
が、トランジスタ７は数10μsec〜数100μsecでON、OFF
するのでコンバータの動作には影響がない。また、ツエナー・ダイオード12を設けてもトランジス
タ７の発熱には大差がなく、２℃程度温度が下がること
が確認された。第１図に示した抵抗13とダイオード14の直列回路体は
一種の帰還回路を形成するものである。実際には、フラ
イバックコンバータはブロッキングコンバータのように
負荷の電流帰還を行なうことができないが、図示するよ
うにCRの直列回路体を設けると、負荷電流が流れている
間（トランジスタ７のOFFの間）にコンデンサ14が三次
コイルの発生するフライバック電圧によって図示極性に
充電される。そしてこの充電々圧は負荷コンデンサ５の
充電々圧に対応して高くなるため、この充電々圧による
電荷をトランジスタ７のベース電流として帰還させるこ
とにより、コンバータ出力をアップしコンデンサ５の充
電時間を早めることができる。上記抵抗13の抵抗値を変えれば充電時間を任意に調節
することができる。上記実施例ではフライバックコンバータについて説明
したが、ブロッキング発振器、プッシュプル発振器を使
ったコンバータなどについてもサージ電圧吸収手段とし
て有効に実施することができると共に、スイッチング作
用のトランジスタがPNPタイプにかぎらず、PNPを使用し
たコンバータについても同様に実施し得、ツエナー・ダ
イオード12については同様に動作する他の回路部品によ
って置換えることができる。「発明の効果」上記した通り、本発明では、トランスの一次コイル電
流を断続させるトランジスタのコレクタとベースとの間
にサージ電圧を受けて導通する半導体素子を接続し、こ
の半導体素子の導通電流によって上記トランジスタをON
させる構成としたので、コンバータ回路内に発生したサ
ージ電圧の他に、電源ライン、負荷ラインから伝わるサ
ージ電圧についても効果的に吸収される。また、リンギ
ング性のサージ電流が減少するから、他の回路及び回路
部品に対する雑音電力の影響が少なく、特に、唯一つの
半導体素子を使用して構成されるので、ローコストのサ
ージ電圧吸収回路となって実用的である。Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a surge voltage absorbing circuit used for a converter including a blocking oscillation circuit, a push-pull oscillation circuit, a flyback oscillation circuit, and the like. 2. Description of the Related Art As a converter, a converter having various oscillation circuits such as blocking, push-pull, and flyback is known. As an example, a circuit diagram of a flyback converter is shown in FIG. This converter has a separately excited oscillation configuration. By repeatedly turning on and off the transistor 1 having a switching action, the primary current i ₁ flowing from the battery power source 2 to the primary coil 3p of the step-up transformer 3 is intermittent, and from the secondary coil 3s. Secondary current i ₂
Is output. In this circuit, the output current i ₂ passes through the rectifying diode 4 to charge the capacitor 5 as a load. FIG. 5 is a time chart showing the voltage and current of each part of the converter. That is, given a pulse voltage Vs as shown in FIG. 5 (a) to the base of the transistor 1, and ON during the t _1, and OFF during t _2, the ON, repeated means OFF. When the transistor is turned on, the primary current i ₁ flows as shown in FIG.
OFF transformer core is excited sometimes by the maximum current im _1. Therefore, the secondary coil 3
The s We voltage E ₂ Table by the excitation force of the transformer core, flows up the secondary current im ₂ immediately. Thus, since the flyback converter and the voltage E ₂ at a high output and a large secondary current i ₂ is output, is suitable as such as a power supply circuit for performing a capacitor charging early. For Huai back converter with the "invention problems to be solved", by flowing the secondary current i ₂ by the transistor OFF, flyback voltage Ef like Figure 5 in the secondary coil 3S (d) Appears. On the other hand, in this type of converter, an air gap is generally formed in the magnetic path for the purpose of suppressing the magnetic saturation by downsizing the transformer core, so that even if the degree of coupling between the primary and secondary coils is sufficient, the leakage inductance Becomes larger. As a result, when the transistor is turned off, a large primary current i
In the above converter m ₁ flows spike-like high voltage to cause the leakage inductance is generated. In other words, when the transistor is turned off, the steep pulsed surge voltage Vp
Occurs. From this, the voltage Eb of the battery power supply 2, the flyback voltage Ef, and the superimposed voltage Vce of the surge voltage Vp are applied between the collector and the emitter of the transistor 1 as shown in FIG. 5 (e). In addition, since the surge voltage Vp reaches several tens of volts, the surge voltage Vp exceeds the withstand voltage standard of the transistor 1 and a breakdown accident of the transistor occurs. The voltages and currents of the respective parts of the converter circuit described above can be expressed by the following equations. ∴ L _1: the primary coil 3p inductance L _2: secondary coil 3s inductance n _1: one primary coil turns n _2: number of turns of the secondary coil will be described mounting circuit shown in Figure 4. This flyback converter circuit has a self-excited oscillation configuration provided as a power supply circuit for photographing. The boosting transformer 6 is provided with a tertiary coil in addition to the primary and secondary coils, and the induced voltage of the tertiary coil is used. In this configuration, the switching transistor 7 is turned off. The transistor 7 is connected to a resistor 8 connected to the base.
And ON according to the time constant of the capacitor 9. Note that a capacitor 10 connected in parallel to the battery power supply 2 is a capacitor for stabilizing the input voltage, 11 is a base resistor of the transistor 7, and other configurations are the same as those in FIG. The following circuit components are used in this converter circuit. Battery power supply voltage Eb: 8V Step-up transformer 6: Flyback transformer Capacitor 10: 200μF Capacitor 9: 1μF Capacitor 5: 300μF Resistance 8: 10kΩ Resistance 11: 200Ω Charge voltage of capacitor 5 in the above converter circuit
The measured waveforms of the primary current i ₁ when charging to Vc = 270 V and the collector-emitter voltage Vce of the transistor 7 are shown in FIG.
These are shown in FIGS. In this measured waveform, t ₁ =
25 μsec, t ₂ = 12 μsec, im ₁ = 4.3 (A), i ₁ ′ = −7
(A). Also, Eb = 7.8 (V), Eb + Ef = 28 (V), Vce = 65
(V) was confirmed. The surge voltage Vp is due to the leakage inductance as described above, and can be considered to have a strong surge voltage power supply with a strong equivalent internal impedance, and conventionally, this is absorbed by using a resistor, a capacitor, a diode, etc. Have been attempted, but no effective absorption means have yet been developed. Absorbing means using R, C, and D not only reduce the thermal efficiency and transmission efficiency of the converter, but also reduce the operating frequency of a converter incorporated in a circuit with a large load fluctuation such as a flash discharge light emitter. To change
Absorption of the surge voltage becomes very difficult. "Means for solving the problems" The present invention has been developed in view of the above problems,
In a converter that turns on and off a switching transistor with a collector connected to the primary coil of the transformer repeatedly, intermits the power supply current input to the primary coil of the transformer, and outputs the power by the oscillation operation of the transformer,
A semiconductor element is connected between the collector of the transistor connected to the primary coil of the transformer and the base of the transistor with a semiconductor element that receives a voltage of a predetermined value or more and conducts.When the transistor is turned off, the collector and the emitter of the transistor are connected. The transistor is turned on by the conduction current of the semiconductor element that conducts due to the applied surge voltage
A surge voltage absorbing circuit for a converter, characterized in that a surge voltage is absorbed in such a manner as to be absorbed. "Operation" When a transistor turns off and a surge voltage is applied between the collector and emitter of this transistor,
The semiconductor element is rendered conductive by receiving the surge voltage, and functions to turn on the switching transistor in accordance with the conduction time of the semiconductor element, and to keep the ON state. Thus, the surge voltage is reliably absorbed by turning on the transistor. "Example" Next, an example of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows a converter circuit in which a zener diode 12 is provided as a surge voltage absorbing means in the mounting circuit shown in FIG. As shown, the switching transistor 7
A Zener diode 12 having a cathode connected to the collector and an anode connected to the base is provided. The Zener voltage Vdz is determined by the following condition: usable standard value of Vce of the transistor 7> Vdz Vce (OFF) = Eb + Ef> Vzd. Therefore, it is necessary to determine it. In this embodiment, a voltage of 34 (V) and a voltage of 0.5 (W) are used. In the circuit of the above embodiment, when the transistor 7 primary current i ₁₂ is interrupted by the OFF, but a surge voltage Vp is applied to the collector-emitter voltage Vce of the transistor 7, the voltage of Vce- (Vbe + Vdz) zener sliced by conduction of the diode 12, the conduction current flows to the base of the transistor 7 are absorbed becomes part of the current amplification times has been the primary current i ₁ of the transistor 7. In this case, the spike current i ₁ ′ of the ringing property of the backswing is reduced by canceling out the amplification of the primary current i ₁ . In this embodiment the circuit is reduced i ₁ '= -7 from (A) i _1' = -1 to (A). FIG. 2 (c), (d)
Shows the primary current i ₁ and the actually measured waveform of the Vce of the transistor 7 when provided with a zener diode 12, FIG. 2 (a), (b) is similar the measured waveforms in the case without the zener diode 12 ( (Same as FIG. 6). As can be seen from these figures, im ₁ maintains 4.3 (A), and the transistor Vce is set to the Zener voltage Vdz 35
(V), and i ₁ ′ becomes −1 (A). Conventionally, the generation time tp of the surge voltage Vp is
Although it was about 0.7 μsec, it was confirmed that the time tp ′ when slicing with the Zener diode 12 was about 1.8 μsec. Although the turning-off time of the transistor 7 is slightly delayed (approximately 0.5 μsec) due to the conduction current of the Zener diode 12, the transistor 7 is turned ON and OFF in several tens μsec to several hundred μsec.
Therefore, the operation of the converter is not affected. Further, it was confirmed that even when the Zener diode 12 was provided, the heat generation of the transistor 7 did not vary much and the temperature was lowered by about 2 ° C. The series circuit of the resistor 13 and the diode 14 shown in FIG. 1 forms a kind of feedback circuit. Actually, a flyback converter cannot perform load current feedback like a blocking converter, but if a CR series circuit is provided as shown in the figure, while a load current is flowing (when the transistor 7 is turned off). During this period, the capacitor 14 is charged to the polarity shown by the flyback voltage generated by the tertiary coil. Since the charging voltage increases in response to the charging voltage of the load capacitor 5, the charge generated by the charging voltage is fed back as the base current of the transistor 7, thereby increasing the converter output and reducing the charging time of the capacitor 5. Can be hastened. By changing the resistance value of the resistor 13, the charging time can be arbitrarily adjusted. Although the flyback converter has been described in the above embodiment, a blocking oscillator, a converter using a push-pull oscillator, and the like can also be effectively implemented as surge voltage absorbing means, and the transistor having a switching action is not limited to a PNP type. The same can be applied to a converter using a PNP, and the zener diode 12 can be replaced by another circuit component that operates similarly. [Effects of the Invention] As described above, according to the present invention, a semiconductor element that receives a surge voltage and is connected between a collector and a base of a transistor that interrupts the primary coil current of a transformer is connected. Turn on the above transistor
With this configuration, in addition to the surge voltage generated in the converter circuit, the surge voltage transmitted from the power supply line and the load line can be effectively absorbed. In addition, since the ringing surge current is reduced, the influence of noise power on other circuits and circuit components is small. In particular, since only one semiconductor element is used, a low-cost surge voltage absorption circuit is obtained. It is practical.

【図面の簡単な説明】第１図は本発明の一実施例であるサージ電圧吸収回路を
備えたフライバックコンバータの回路図、第２図
（ａ）、（ｂ）は従来のフライバックコンバータの一次
電流とトランジスタのコレクタ〜エミッタ間電圧を、第
２図（ｃ）、（ｄ）は第１図に示すフライバックコンバ
ータの同電流と同電圧を各々示す波形図、第３図は他励
式のフライバックコンバータの従来例を示す回路図、第
４図は従来のフライバックコンバータの実装回路を示す
回路図、第５図（ａ）〜（ｅ）は第３図に示すコンバー
タ回路の各部分電圧、電流を示すタイムチャート、第６
図（ａ）、（ｂ）は第４図に従来例として示した実装回
路の一次電流とトランジスタのコレクタ〜エミッタ間電
圧を示す波形図である。２……電池電源４……整流用ダイオード５……負荷としてのコンデンサ６……昇圧トランス７……スイッチング作用のトランジスタ 12……ツエナー・ダイオードBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a circuit diagram of a flyback converter having a surge voltage absorbing circuit according to an embodiment of the present invention, and FIGS. 2 (a) and (b) are diagrams of a conventional flyback converter. FIGS. 2 (c) and 2 (d) are waveform diagrams showing the primary current and the voltage between the collector and the emitter of the transistor, FIGS. 2 (c) and 2 (d) show the same current and the same voltage of the flyback converter shown in FIG. 1, respectively. FIG. 4 is a circuit diagram showing a conventional example of a flyback converter, FIG. 4 is a circuit diagram showing a circuit for mounting the conventional flyback converter, and FIGS. 5 (a) to 5 (e) are partial voltages of the converter circuit shown in FIG. , Time chart showing current, sixth
4 (a) and 4 (b) are waveform diagrams showing the primary current and the voltage between the collector and the emitter of the transistor shown in FIG. 2 ... Battery power supply 4 ... Rectifier diode 5 ... Capacitor 6 as load ... Step-up transformer 7 ... Switching transistor 12 ... Zener diode

Claims

(57) [Claims] The converter that connects the collector to the primary coil of the transformer, repeatedly turns on and off the switching transistor, interrupts the power supply current input to the primary coil of the transformer, and outputs the output by the oscillation operation of the transformer. The collector of the transistor and the base of the transistor are connected by a semiconductor element that receives and receives a voltage equal to or higher than a predetermined value, and is connected by a surge voltage applied between the collector and the emitter of the transistor when the transistor is turned off. A surge voltage absorbing circuit for a converter, wherein a surge voltage is absorbed by turning on the transistor by a conduction current of the semiconductor element.