JP3556641B2 - 電力変換装置におけるスイッチング素子の駆動方法及び装置 - Google Patents

Description

技術分野
本発明は、スイッチング型電力変換装置におけるスイッチング回路及びその駆動方法に関する。特に本発明は、制御信号に応じて電流制御型半導体スイッチング素子にオン・オフ駆動のための駆動電力が供給され、該スイッチング素子にカレントトランスからなる補助電源が接続されたスイッチング回路を有する電力変換装置及びその駆動方法に関する。
従来の技術
半導体スイッチング素子を使用する電力変換装置は、電力変換効率に優れた特性を有するため、エネルギの効率的利用の観点から極めて広い範囲で利用されている。この電力変換装置の分野において、一層の効率の向上をはかるため、種々の提案がなされている。その一例として、電気学会論文誌Ｄ分冊116巻12号（平成８年）の1205ページないし1210ページには、スイッチング回路のスイッチング素子として、導通損失の小さいトランジスタを使用し、２つのトランジスタをダーリントン接続してその初段のトランジスタを駆動用トランジスタとし、駆動用トランジスタとスイッチングトランジスタとの間にカレントトランスからなる補助電源を挿入することが提唱されている。この回路構成により、導通損失を従来の約1/3に低減できることが、この論文において報告されている。
この論文に記載された回路によれば、補助電源のために、スイッチング素子のオン状態における電圧降下がスイッチング素子の飽和電圧と等しくなり、通常のダーリントン接続したトランジスタのオン状態での電圧降下より低い電圧降下で動作可能となり、効率が改善される。この場合、カレントトランスは、スイッチング素子の出力電流に応じて補助電源から供給する電流を変化させるように作用する。
この公知の回路では、スイッチング素子の駆動電流がカレントトランスの巻線比で決まることになり、カレントトランスは、スイッチング素子の電流増幅率の最小値で設計を行う必要がある。したがって、軽負荷時には過飽和まで駆動されることになり、損失の最適化がなされない、という問題がある。
発明の開示
本発明は、上掲の電気学会論文誌において提唱された上述の回路における問題点を解決し、導通損失の一層の低減を図って高効率化による小型化及び軽量化を可能にする電力変換装置及びその駆動方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明は、電流制御型スイッチング素子にカレントトランスの一次側巻線を接続し、該カレントトランスの二次側巻線と該二次側巻線に接続した整流回路により形成される駆動電流発生回路に発生する出力電流を前記スイッチング素子の駆動電流として該スイッチング素子に供給するスイッチング素子駆動回路を備える電力変換装置におけるスイッチング素子の駆動方法を提供する。この方法は、スイッチング素子の出力電流を検出し、該スイッチング素子の出力電流に応じてスイッチング素子の駆動電流が可変制御されるように、駆動電流発生回路の出力電流の一部をスイッチング素子駆動回路の外に取り出すことからなる。この場合、スイッチング素子駆動回路の外に取り出される駆動電流発生回路の出力電流は、回生電力として他の補助電源に供給されることが好ましい。
本発明の好ましい態様においては、スイッチング素子の導通損失と該スイッチング素子の駆動に必要な駆動電力とを考慮した総合導通損失が最小となる最適駆動電流値がほぼ達成されるように、スイッチング素子駆動回路の外に取り出す出力電流の値が決められる。スイッチング素子の駆動電流は、該スイッチング素子の温度に応じて可変制御することが好ましい。
また、本発明は、別の態様において、電力変換装置を提供する。この電力変換装置は、電流制御型スイッチング素子と、一次側巻線と二次側巻線を有し、該一次側巻線がスイッチング素子に直列に接続されたカレントトランスと、該カレントトランスの二次側巻線と該二次側巻線に接続した整流回路により形成される駆動電流発生回路と、駆動電流発生回路に発生する駆動電流発生回路出力電流をスイッチング素子の駆動電流として該スイッチング素子に供給するスイッチング素子駆動回路と、を備える。本発明の特徴として、スイッチング素子の出力電流を検出する出力電流検出手段と、検出された該スイッチング素子の出力電流の値に応じてスイッチング素子の駆動電流を可変制御するための制御信号を形成する制御手段と、制御信号に応じて作動し、該制御信号に対応する値の電流を駆動電流発生回路の出力電流からスイッチング素子駆動回路の外に取り出す電流取り出し回路と、が設けられる。この場合、電流取り出し回路は、スイッチング素子駆動回路の外に取り出された電流を回生電流として他の補助電源に供給する回生回路とすることが好ましい。また、この回生回路は、スイッチング動作よって電力回生する形式とすることが好ましい。
本発明によれば、スイッチング素子の出力電流を検出し、該スイッチング素子の出力電流に応じてスイッチング素子の駆動電流が可変制御されるように、駆動電流発生回路の出力電流の一部をスイッチング素子駆動回路の外に取り出すようにしているので、スイッチング素子の出力電流に応じた最適の駆動電流をスイッチング素子に供給することができ、スイッチング素子の導通損失を最小にすることが可能になる。例えば、スイッチング素子の導通損失と該スイッチング素子の駆動に必要な駆動電力とを考慮した総合導通損失が最小となる最適駆動電流値がほぼ達成されるように、スイッチング素子駆動回路の外に取り出す出力電流の値が決めることにより、スイッチング素子の駆動電流を最適化することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の一実施形態を示す電力変換装置のスイッチング回路の回路図である。
図２は、トランジスタにおけるベース電流と導通損失及び駆動電力との関係を示す図表である。
図３は、トランジスタにおけるコレクタ電流と最適ベース電流との関係を示す図表である。
図４は、図３に示す曲線を種々のトランジスタ温度について示す図表である。
図５は、図１のスイッチング回路におけるコレクタ電流、ベース電流及び回生電流を示す波形図である。
図６は、本発明の別の実施形態によるスイッチング回路を示す回路図である。
図７は、本発明のさらに別の実施形態によるスイッチング回路を示す回路図である。
図８は、本発明のさらに別の実施形態によるスイッチング回路を示す回路図である。
図９は、本発明のさらに別の実施形態によるスイッチング回路を示す回路図である。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明の実施の形態を図について説明する。図１は、本発明の一実施例による電力変換装置のスイッチング回路の構成を示すもので、このスイッチング回路には、半導体スイッチング素子として、コレクタ１ａ、エミッタ１ｂ及びベース１ｃを有する電流制御型トランジスタ１が設けられる。トランジスタ１には、コレクタ１ａからエミッタ１ｂに向けて、スイッチング回路の出力電流が流れる。
スイッチング素子に駆動電流を供給する駆動回路は、２つの直列接続された半導体スイッチ２、３を備え、これら半導体スイッチ２、３の接続点がトランジスタ１のベース１ｃに接続されている。トランジスタ１の駆動電流を発生するための駆動電流発生回路として、一次側巻線４ａと二次側巻線４ｂとを有するカレントトランス４が設けられる。このカレントトランス４は、一次側巻線がトランジスタ１のコレクタ１ａに接続されている。カレントトランス４の二次側巻線４ｂの両端は、ダイオード５及びコンデンサ６からなる整流回路に接続される。さらに、カレントトランス４の二次側巻線４ｂは、その一端が半導体スイッチ２に接続され、他端がトランジスタ１のエミッタ１ｂに接続されている。したがって、半導体スイッチ２がオン状態のとき、カレントトランス４の二次側巻線４ｂにはトランジスタ１からの出力電流Icに比例する電流が発生し、該トランジスタ１のベース１ｃに出力電流Icに比例する電流が流れる。
このスイッチング回路には、補助電源トランス７を備える起動回路８が設けられる。補助電源トランス７は、直列接続された第１及び第２の二次側巻線７ａ、７ｂを備え、第１二次側巻線７ａの両端は、カレントトランス４の二次側巻線４ｂの両端にそれぞれ接続されている。第２二次側巻線７ｂの両端は、コンデンサ９とダイオード１０とからなる整流回路に接続されている。第２二次側巻線７ｂは、トランジスタ１のための逆バイアス回路の一部を構成するもので、一端がトランジスタ１のエミッタ１ｂに、他端が半導体スイッチ３に接続されている。
本発明の特徴として、このスイッチング回路には、カレントトランス４の二次側巻線４ｂに発生する電流の一部を取り出すための回生回路１１が設けられる。この回生回路１１は、インダクタ１２を介してカレントトランス４の二次側巻線４ｂの両端に接続される半導体スイッチ１３を備え、該半導体スイッチ１３は、整流素子１４及びコンデンサ１５からなる整流回路を介して回生出力端子１６、１７に接続されている。回生出力端子１６、１７は、例えば補助電源等に接続され、半導体スイッチ１３のオン・オフ動作に応じて、該回生回路から取り出された電力を他の回路に供給する。
半導体スイッチ２、３の動作と半導体スイッチ１３の動作を制御するために、制御回路１８が設けられる。制御回路１８に必要な信号を送るために、幾つかの検出手段が備えられる。これらの検出手段としては、トランジスタ１からの出力電流Ｉｃを検出する出力電流検出器１９及びトランジスタ１の温度を検出するための温度検出器２０が設けられ、それぞれの検出信号は、制御回路１８に入力される。また、カレントトランス４の二次側巻線４ｂとトランジスタ１のエミッタ１ｂを結ぶ線には抵抗器２１が接続され、この抵抗器２１の両端電圧を検出することによってトランジスタ１のベース電流を検出し、ベース電流信号を制御回路１８に供給するベース電流検出器２２が設けられる。
トランジスタ１をオン状態にするためには、半導体スイッチ２をオンとし、半導体スイッチ３をオフとする。トランジスタ１のベース１ｃにカレントトランス４の二次側巻線４ｂからベース電流Ｉ_Bが供給され、トランジスタ１はオン状態を維持する。電流検出器１９がトランジスタ１の出力電流としてコレクタ電流を検出し、検出信号を制御回路１８に送る。同時に、トランジスタ１の温度が温度検出器２０により検出され、トランジスタ１のベース電流がベース電流検出器２０により検出され、それぞれ制御回路１８に送られる。
カレントトランス４の二次側巻線４ｂに発生する電流は、該カレントトランス４の巻数比とトランジスタ１の出力電流すなわちコレクタ電流Ｉ_Cによって定まる値である。制御回路１８は、入力スイッチング信号に応じて半導体スイッチ２をオン・オフ作動させるスイッチング信号を出力する。
図２を参照すると、トランジスタのオン状態で、コレクタ電流を一定とし、ベース電流を変化させた場合の駆動電力を曲線Ａにより、コレクタ・エミッタ間の導通損失を曲線Ｂにより、それぞれ示す図表である。両方の損失Ａ、Ｂを合わせた値が総合損失として曲線Ｃにより示してある。この図表から分かるように、コレクタ電流一定の条件のもとでは、ベース電流がＯＰの値にあるとき、総合損失Ｃが最小となる。図３は、コレクタ電流を変化させながら同様な測定を行って、それぞれのコレクタ電流における最適なベース電流値を求めた結果を示す図表である。図４に、図３に示す曲線を種々の温度について求めた結果を示す。
制御回路１８は、図４に示すデータを予めストアしており、入力信号に応じて最適なベース電流値を演算する。そして、ベース電流検出器２２の検出値に基づき、最適なベース電流が得られるように、回生回路１１の半導体スイッチ１３のオン・オフ動作を制御する制御信号を発生する。この制御により、カレントトランス４の二次側巻線４ｂに発生する電流のうち、最適ベース電流値を越える電流が回生電流Ｉ_Dとして回生回路１１から取り出される。
図５は、図１のスイッチング回路における各部の電流を示す波形図である。トランジスタ１のコレクタ電流Ｉ_Cの変化に対応して最適のベース電流Ｉ_Bが変化し、余剰の電流が回生電流Ｉ_Dとして取り出される。したがって、トランジスタ１には、そのコレクタ電流に応じて最適のベース電流が供給されることになり、オン状態におけるトランジスタ１の総合損失を最小にすることができる。
トランジスタ１のオフ状態では、半導体スイッチ３をオンとし、半導体スイッチ２をオフにする。この状態では、トランジスタ１のベースに逆バイアスが印加され、トランジスタ１内の蓄積電荷が短時間で引き抜かれるため、トランジスタ１を高速でオフさせることができる。したがって、オフ状態におけるノイズマージンを大きくすることができる。
トランジスタ１を最初にオフ状態からオン状態にする起動時においては、半導体スイッチ２をオン状態として、先ず起動用補助電源８からコンデンサ６に充電が始まる。コンデンサ６が充電されると、トランジスタ１にベース電流が流れ、トランジスタ１がオン状態となる。その後は、カレントトランス４によってトランジスタ１の出力電流の応じた電流が半導体スイッチ２を介してトランジスタ１のベース１ｃに供給される。
図６は、本発明の他の実施例を示すのもで、この実施例の回路では、図１の回路におけるダイオード５及びダイオード１４に代えて、電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）５ａ、１４ａをそれぞれ使用して、そのオン・オフ動作を半導体スイッチ２及び半導体スイッチ１３の作動に同期して行わせる同期整流型の回路としたものである。
図７に図６の実施例の変形例を示す。この例では、起動用補助電源８の補助電源トランス７の第１二次側巻線７ａをカレントトランス４の二次側巻線４ｂに接続する線に整流素子として電界効果型トランジスタ２３を配置することにより、同期整流構成を達成している。
図８は、本発明のさらに別の実施例を示すもので、この実施例の回路では、回生回路が、半導体スイッチ１３の他に、巻線２４ａ、２４ｂからなるトランス２４と、ダイオード１４及びコンデンサ１５を備えるフライバックコンバータを備える。その他の構成は、図７の回路と同様である。
図９に図６の実施例のさらに別の変形例を示す。この例では、図６の回路における起動用の巻線７ａが省略されている。この回路では、半導体スイッチ１４ａを起動時にオン作動させることにより、起動用の巻線７ａがなくても起動電力を供給することができる。起動後は、半導体スイッチ１４ａは回生回路を形成するように動く。この点は、図６、図７の回路における半導体スイッチ１４ａの動作と同じである。

Claims (7)

1. 電流制御型スイッチング素子にカレントトランスの一次側巻線を接続し、該カレントトランスの二次側巻線と該二次側巻線に接続した整流回路により形成される駆動電流発生回路に発生する出力電流を前記スイッチング素子の駆動電流として該スイッチング素子に供給するスイッチング素子駆動回路を備える電力変換装置におけるスイッチング素子の駆動方法であって、前記スイッチング素子の出力電流を検出し、該スイッチング素子の出力電流に応じてスイッチング素子の駆動電流が可変制御されるように、前記駆動電流発生回路の出力電流の一部を前記スイッチング素子駆動回路の外に取り出すことを特徴とする電力変換装置におけるスイッチング素子の駆動方法。
2. 請求項１に記載したスイッチング素子の駆動方法であって、前記スイッチング素子駆動回路の外に取り出される前記駆動電流発生回路の出力電流は、回生電力として他の補助電源に供給されることを特徴とするスイッチング素子の駆動方法。
3. 請求項１又は請求項２に記載したスイッチング素子の駆動方法であって、前記スイッチング素子の導通損失と該スイッチング素子の駆動に必要な駆動電力とを考慮した総合導通損失が最小となる最適駆動電流値がほぼ達成されるように前記スイッチング素子駆動回路の外に取り出す出力電流の値が決められることを特徴とするスイッチング素子の駆動方法。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載したスイッチング素子の駆動方法であって、該スイッチング素子の駆動電流を該スイッチング素子の温度に応じて可変制御することを特徴とするスイッチング素子の駆動方法。
5. 電流制御型スイッチング素子と、
   一次側巻線と二次側巻線を有し、前記一次側巻線が前記スイッチング素子に直列に接続されたカレントトランスと、
   該カレントトランスの前記二次側巻線と該二次側巻線に接続した整流回路により形成される駆動電流発生回路と、
   前記駆動電流発生回路に発生する駆動電流発生回路出力電流を前記スイッチング素子の駆動電流として該スイッチング素子に供給するスイッチング素子駆動回路と、
   を備える電力変換装置であって、
   前記スイッチング素子の出力電流を検出する出力電流検出手段と、
   検出された該スイッチング素子の出力電流の値に応じてスイッチング素子の駆動電流を可変制御するための制御信号を形成する制御手段と、
   前記制御信号に応じて作動し、該制御信号に対応する値の電流を前記駆動電流発生回路の出力電流から前記スイッチング素子駆動回路の外に取り出す電流取り出し回路と、
   が設けられたことを特徴とする電力変換装置。
6. 請求項５に記載した電力変換装置であって、前記電流取り出し回路は、前記スイッチング素子駆動回路の外に取り出された電流を回生電流として他の補助電源に供給する回生回路であることを特徴とする電力変換装置。
7. 請求項６に記載した電力変換装置であって、前記回生回路はスイッチング動作によって電力回生するものであることを特徴とする電力変換装置。

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