JP3572456B2 - 電流制御型素子用駆動回路 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、電流制御型素子、例えばパワートランジスタをパルス電流で駆動する際に、制御指令に対する制御性を向上させる技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来のパワートランジスタ用駆動回路としては、「SITを用いたフォークリフト用コントローラ」、保田 保、吉澤 敏夫、(株)豊田自動織機製作所、電気学会電子デバイス研究会資料vol.EDD−90−64、pp.57−64、1990に示すものが知られている。この従来例では小電流領域から大電流領域までパワートランジスタが過飽和にならないように工夫が施され、ベース電流の最適化が図られている。しかし、この従来例ではDC−DCコンバータのスイッチオフの間に供給するエネルギーをチョークコイル中に蓄積する必要がある。チョークコイルの単位体積当たりに蓄積できる最大のエネルギーは磁性材の特性で決まるため、大きなエネルギーの蓄積には大きなチョークコイルが必要となる。その結果、電源の小型化が制限される。さらにDC−DCコンバータの出力を安定な直流にするため、一般的にはフィードバックによる制御回路が用いられている。この制御回路によってもDC−DCコンバータの大きさおよびコストが制限され、小型・低コスト化の妨げとなる。
【0003】
上記のごとき問題を解決するため本出願人は、DC−DCコンバータを用いずに、直流電源から直接に最適なレベルのパルス電流を作り、それをパワートランジスタのベースに供給するように構成したパワートランジスタ駆動電源回路を発明し、既に出願している(特願2001−68382:未公開)。この回路においては、DC−DCコンバータを用いず直流電源から直接に最適なパルス電流を作り、パワートランジスタのベースに供給するようにしているので、回路の構成要素を従来よりも少なくでき、その結果として回路を小型・低コスト化することができる。しかし、上記の回路においては、パルス電流を作るためにスイッチをオン・オフを制御するパルス信号とパワートランジスタの動作・停止を制御する駆動指令との間の位相差によって、パワートランジスタがオン抵抗の高い状態になる時間が存在することがあり、それによってスイッチング損失が大きくなるという問題が残った。
【0004】
そのため、本出願人はパルス電流を作るためのパルス信号とパワートランジスタの動作・停止を制御する駆動指令とを同期させることにより、スイッチング損失の増大を防止した電流制御型素子用駆動回路を発明し、既に出願している(特願2001−163782:未公開)。
図9は、上記の電流制御型素子用駆動回路の構成を示すブロック図であり、図10は回路各部の電圧、電流波形図である。図9の回路は、基本クロック発生部1と駆動指令生成部2とパルス発生手段3から成る駆動コントローラ4と、信号を絶縁して伝達するフォトカプラPCと、直流電源VsとダイオードDs1およびDs2とスイッチSW1およびSW2とトランスTから構成されるパルス電源5と、MOSトランジスタMSと一端が或る電位Vdにつながれた抵抗R1によって構成されるパルス周期センス回路6と、D−FFから構成されるタイミング制御回路7と、ダイオードD1と、MOSトランジスタM1と、パワートランジスタT1とで構成される。なお、パワートランジスタT1で駆動する負荷8は、パワートランジスタT1と電源Vccとの間、または接地との間に接続される。また、駆動コントローラ4の機能は、マイクロコンピュータを用いれば、基本クロックとしてマイクロコンピュータ用クロックを用いることができ、その他の機能はソフトウェアで実現可能である。
次に、図10に基づいて動作を説明する。パルス電源5は、パルス発生手段3の出力でスイッチSW1およびスイッチSW2をある周期でオン・オフさせることにより、図10のV2に示すようなパルスをトランスTの2次側に出力するものとする。パルス周期センス回路6は、パルス電源5の出力に応じてMOSトランジスタMSをオン・オフすることにより、パルス電源5の周期と同期した信号PTを出力するものとする。また、D−FFはクロック端子CKにつながれたパルス周期センス回路6の信号PTの立ち上がりで駆動指令instをラッチするものとし、パワートランジスタT1はパルス電源5の出力パルス1個分でフルオン状態に至るものとする。
図10の時点t1までは、駆動指令instをタイミング制御回路7でパルス電源5出力の周期と同期させた結果、MOSトランジスタM1のゲート信号レベルはLレベルで、MOSトランジスタM1はオフである。よって、パワートランジスタT1に対してはベース電流が流れず、パワートランジスタT1はオフ状態である。時点t1以降はMOSトランジスタM1のゲート信号レベルはHレベルとなり、MOSトランジスタM1はオンし、パワートランジスタT1に対してまずパルス一つ分のベース電流が流れ、パワートランジスタT1は速やかにフルオン状態に至る。MOSトランジスタM1がオンしている間はダイオードD1により半波整流されたベース電流が流れる。MOSトランジスタM1がオフするとパワートランジスタT1はやがてオフ状態となる。
上記のように、図9の回路では、パワートランジスタT1へのベース電流の供給源であるパルス電源5のパルス出力の周期と、パワートランジスタT1へのベース電流をコントロールするMOSトランジスタM1のオン時点とを同期させることにより、先行技術にみられたようにパルス周期の途中でMOSトランジスタM1がオンすることはなく、パワートランジスタT1がターンオンする際には必ずパルス1個分のベース電流が流れ、速やかにパワートランジスタT1をフルオン状態にすることができる。そのためスイッチング損失が増大することを防ぐことが可能になる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図9のような例においては、以下の問題点が残る。すなわち、図9のベース電流供給経路には、図に示すような寄生インダクタンスLsが存在する。したがってMOSトランジスタM1がオンし、ベース電流経路にパルス電源5の2次側電圧が印加されても、短い時間軸でみると、図10のI2に示すような傾きを持ってパルス状の電流が流れることになる。前述したようにスイッチング損失を増やさないためには、パワートランジスタに対してターンオン時に十分な電荷を注入し、速やかにフルオン状態にする必要がある。上記パルス状の電荷量は図10中のA部の面積分に相当し、この面積分の電荷量が速やかにフルオン状態にできる量だけあることが必要になる。図9の回路では、ターンオン時に必要な電荷量とパルス電圧V2と寄生インダクタンスLsとから、電流パルスの幅すなわち周波数は或る値に決まり、それ以下にはすることができない。
一方、パルス電流での駆動は、制御性という観点から電流パルスの周波数は高くしたいという要求がある。高周波数化を図るには、パルス電源5の2次側電圧を上昇させ、時間当たりに注入される電荷量を増やせばよいが、パルス電源5の2次側電圧が上昇すると、ベース電流経路での損失が上昇してしまう、という問題が生じる。
【0006】
本発明は上記のごとき従来技術および本出願人による先行技術の問題点を解決するためになされたものであり、スイッチング損失の増大を防止し、かつ、制御性を改善した電流制御型素子用駆動回路を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明においては特許請求の範囲に記載するように構成している。すなわち、請求項1に記載の発明においては、電流制御素子のスイッチング時に供給するパルス電流1周期分の電荷量を、オン定常時に供給する電流パルス1周期分の電荷量よりも大きい値とすることにより、前記第2のスイッチング回路の一回のオン時間内に供給する電荷量においてスイッチング時に供給する電荷量のみを増加させるように構成している。なお、オン定常時とは、スイッチング時を除いたオン時(電流制御素子がオン状態のとき)を意味する。
【0008】
また、請求項2に記載の発明においては、電流制御型素子のスイッチング時に供給するパルス電流のパルス幅を、オン定常時のパルス幅よりも大きくすることにより、電荷量を大きな値にするように構成している。
【0009】
また、請求項3に記載の発明においては、電流制御型素子のスイッチング時にパルス電流を供給する際に1次巻線に印加する直流電源の電圧を、オン定常時に印加する電圧よりも高くすることより、電荷量を大きな値にするように構成している。
【0010】
また、請求項4に記載の発明においては、請求項2において、複数の電流制御型素子を駆動する回路であって、それぞれの回路におけるトランスの一次側は共通とし、それぞれの電流制御型素子のスイッチング時のタイミングの論理和で、パルス電流のパルス幅の切り替えを行うように構成している。
【0011】
また、請求項5に記載の発明においては、請求項3において、複数の電流制御型素子を駆動する回路であって、それぞれの回路におけるトランスの一次側は共通とし、それぞれの電流制御型素子のスイッチング時のタイミングの論理和で、1次巻線に印加する直流電源の電圧の切り替えを行うように構成している。
【0012】
また、請求項6に記載の発明においては、第2のスイッチング回路は、電流制御型素子の主電流経路間の電圧降下分に応じて、電流制御型素子の制御端子に供給する電流を制御する手段を備えている。
【0013】
【発明の効果】
本発明によれば、スイッチング時にのみパルス電流1周期分の電荷量を増加させ、オン定常時には従来と同様の電荷量とするので、ベース電流経路の損失をほとんど上昇させることなく、かつ、パルス電源の周波数を従来よりも高くすることが可能になる。そのため電流制御型素子の駆動指令に対する制御性を向上させることが出来る、という効果が得られる。
【0014】
また、請求項2においては、パルス幅を変更するだけなので、比較的簡単な回路で実現可能である。特に制御系をマイクロコンピュータ等で実現した場合には、ソフトウェアの改良のみで実現できる。また、印加する電圧を変更しないので、第2のスイッチング回路を構成するトランジスタの耐圧を上げる必要がない、という利点がある。
【0015】
また、請求項4および請求項5においては、複数の電流制御型素子を駆動する際の全体構成を簡略化することが出来る。
【0016】
また、請求項6においては、電流制御型素子の主電流経路間の電圧降下分(負荷電流)に応じて電流制御型素子の制御端子に供給する電流を制御することにより、常に最適の負荷電流を流すことが出来る。
【0017】
【発明の実施の形態】
(第1の実施例)
図1は本発明の第1の実施例を示す回路図、図2は回路各部の波形図である。 まず、図1の構成を説明する。本実施例は、基本クロック発生部1と駆動指令生成部2とパルス発生手段3から成る駆動コントローラ4と、フォトカプラPCと、ダイオードDs1およびダイオードDs2とスイッチSW1およびスイッチSW2とトランスTと直流電源VSHと直流電源VSとスイッチSW3から構成されるパルス電源9と、前記本出願人による先行出願と同様な構成のパルス周期センス回路6およびタイミング制御回路7と、ダイオードD1と、MOSトランジスタM1と、パワートランジスタT1とで構成される。なお、パワートランジスタT1で駆動する負荷8は、パワートランジスタT1と電源Vccとの間、または接地との間に接続される。また、駆動コントローラ4の機能は、マイクロコンピュータを用いれば、基本クロックとしてマイクロコンピュータ用クロックを用いることができ、その他の機能はソフトウェアで実現可能である。また、ダイオードD1はトランスの1次巻線に正または負の何れか一方向の電流が流れるときに前記トランスの2次巻線に電流が流れるような方向の半波整流回路を構成しているが、1次巻線に正負どちらの方向に電流が流れるときでも前記トランスの2次巻線に電流が流れるような全波整流回路を用いてもよい。
【0018】
以下、図2に基づいて動作を説明する。
ここで、パルス電源9の出力周波数は、前記図9の回路よりも高くなっているものとする。また、直流電源VSHの出力電圧は、直流電源VSの出力電圧(図9と同じとする)よりも高いものとする。また切り替え指令s1は、駆動指令instと基本クロックを参照して、駆動指令生成部2から図2のs1に示すようなタイミングで出力されるものとする。この切り替え指令s1がHレベルのときは直流電源VSHを、Lレベルのときは直流電源VSを選択するものとする。
【0019】
駆動指令instのオン指令が入ると、図2のタイミングで、パワートランジスタT1へのベース電流供給を制御するMOSトランジスタM1がオンするのと同時に、切り替え指令s1により、直流電源VSHを選択する。その結果、ベース電流経路には高い電圧が印加され、図9の回路に比べて、周波数が高くなっているにも関わらず、ターンオンに十分な電荷量が供給され、パワートランジスタT1は速やかにオン状態に至る。この時、図2中のA部の面積は、図10中のA部の面積と同じになるように、直流電源VSHとパルス電源9の出力周波数を設定する。つまり、直流電源VSよりも直流電源VSHの出力電圧を高くした分だけ、出力周波数を高くしても同じ量の電荷を供給することが出来ることになる。
【0020】
その後のオン定常時には、直流電源VSに切り替わり、ベース電流を引きつづき供給する。つまり、本発明によれば、ターンオン時の1パルス分だけ直流電源の電圧を高くし、その後のオン定常時は従来と同じ電圧にするので、ベース電流経路の損失をほとんど上昇させることなく、パルス電源9の周波数を高くすることが可能になり、それによってパワートランジスタT1の駆動指令instに対する制御性を向上させることが出来る、という効果が得られる。
【0021】
なお、本実施例では、パルス電源9に対して2つの電圧を供給するのに、2つの電源と切り替えスイッチを用いて説明したが、出力電圧を可変できるDC/DCコンバータを用いても同様な効果が得られる。
【0022】
(第2の実施例)
図3は本発明の第2の実施例を示す回路図、図4は回路各部の波形図である。まず、図3の構成を説明する。第1の実施例との違いは、パルス電源5は図9と同じとし、駆動コントローラ4内のパルス発生手段3を可変パルス発生手段10に変更し、発生するパルスの周波数を駆動指令発生手段2からの切り替え指令s1により、可変にした点である。すなわち、ターンオン時にパルス電源5の周波数を従来と同じとなるよう設定してターンオン時に必要な電荷量を供給し(図4中のA部の面積=図10中のA部の面積)、ターンオンした後のオン定常時は周波数を高くするよう動作させる。これにより第1の実施例と同様な効果が得られる。
【0023】
更に本実施例は、第1の実施例に比べて以下に示す利点がある。
まず第1の利点は、構成が簡単であるという点である。第1の実施例では、2つの電圧を用意するのに2つの直流電源と切り替え手段を必要としたが、本実施例ではそれらが必要なくなるので構成が簡単である。特に、この構成によれば、駆動コントローラ4をマイクロコンピュータ等で実現した場合、ソフトウェアの改良のみで実現できる。
第2の利点は、ターンオン時に、オン定常時よりも高い電圧を印加する必要がないので、ベース電流を制御するMOSトランジスタM1の耐圧が、第1の実施例より低くて良いという点である。これにより第1の実施例に比べてMOSトランジスタM1の小型化、低コスト化が図れる。
【0024】
(第3の実施例)
図5は本発明の第3の実施例を示す回路図、図6は回路各部の波形図である。
まず、図5の構成を説明する。大まかな動作は第2の実施例と同じである。第2の実施例との違いは、パワートランジスタT1のメイン電流値(負荷電流)に対応したベース電流を供給するコレクタキャッチャ11を追加した点にある。コレクタキャッチャ11はダイオードDC1と抵抗RC1から構成され、ダイオードDC1の一端がパワートランジスタT1のコレクタに接続されている。
【0025】
以下、コレクタキャッチャ11の動作について説明する。センス手段であるダイオードDC1によってコレクタ電圧が検出され、コレクタ電圧が高いとき(負荷電流が少なく、パワートランジスタT1にとってベース電流が足りない状態)にはMOSトランジスタM1のゲートに大きい電圧が加えられ、逆に、コレクタ電圧が低くなる(パワートランジスタT1にとってベース電流が多い状態)とMOSトランジスタM1のゲート電圧が低くなるように調整される。つまりパワートランジスタT1のメイン電流に応じてMOSトランジスタM1のゲートに印加されるVg2のレベルが変わり、パワートランジスタT1の負荷電流が設定値になるような最適なベース電流が供給されるように動作する。
【0026】
(第4の実施例)
図7は本発明の第4の実施例を示す回路図、図8は回路各部の波形図である。
この実施例は、複数のパワートランジスタ(この場合はT1とT2の2個、さらに多数でも可能)を駆動する場合を示す。構成上の特徴は、第3の実施例を基にして、図示したようにトランスTの1次側を共通にしていることと、パワートランジスタT1に対する切り替え指令(ターンオン時のみにHレベル)とトランジスタT2に対する切り替え指令(ターンオン時のみにHレベル)との論理和で、パルス電源5の周波数を切り替えている点である。つまり、駆動コントローラ4内において、駆動指令生成部12は、パワートランジスタT1とパワートランジスタT2のそれぞれに対する駆動指令inst1と駆動指令inst2を出力する。また、駆動指令inst1に対応する切り替え指令1と駆動指令inst2に対応する切り替え指令2とをオア回路13に入力し、その論理和の信号を切り替え指令として可変パルス発生手段10へ送るように構成している。
【0027】
以下、動作を説明する。
まず、時点t1で、パワートランジスタT1に対する駆動指令inst1がオン(Hレベル)になると、ターンオン時にパルス電源5の周波数が低くなり、パワートランジスタT1がターンオンするのに必要な電荷が注入され、パワートランジスタT1は速やかにフルオン状態に至る。その後、コレクタキャッチャ11によって、メイン電流に応じた最適なパルス電流がベースに供給される。次に、時点t2で、パワートランジスタT2に対する駆動指令inst2がオン(Hレベル)になると、上記と同様にターンオン時にパルス電源5の周波数が低くなり、パワートランジスタT2がターンオンするのに必要な電荷が注入され、パワートランジスタT2は速やかにフルオンに至る。この時、パワートランジスタT1に供給されるパルス電流I21の周波数は、1次側が共通なので低くなり(パルスの幅が広くなる)、多くのベース電流が流れようとするが、コレクタキャッチャによりVg21が抑えられ、A部のような形となる。このような波形の形となってもパワートランジスタT1に対しては、最適なベース電流が供給されているので、動作には何ら問題はない。つまり複数のトランジスタを駆動する際、図示したような1次側構成とし、それぞれのターンオン時の周波数切り替え指令の論理和を取ることにより、パルス電源5の1次側を共通化によってコスト低減を図り、なおかつ複数のトランジスタの制御性を向上させることが出来るという効果が得られる。
【0028】
なお、本実施例では駆動するトランジスタは2つとして説明したが、例えばINVなど、2つ以上でも同様な構成を実現することができ、同様な効果が得られる。
また、図7の回路は、図5の回路において複数のパワートランジスタを駆動する構成を示したが、図3の回路にも同様に適用出来る。つまり、それぞれのターンオン時の周波数切り替え指令の論理和の信号に応じて、直流電源VSHと直流電源VSを切り替えるように構成すればよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例の回路図。
【図2】図1の回路各部における波形図。
【図3】本発明の第2の実施例の回路図。
【図4】図3の回路各部における波形図。
【図5】本発明の第3の実施例の回路図。
【図6】図5の回路各部における波形図。
【図7】本発明の第4の実施例の回路図。
【図8】図7の回路各部における波形図。
【図9】先行技術の一例の回路図。
【図10】図9の回路各部における波形図。
【符号の説明】
1…基本クロック発生部 2…駆動指令生成部
3…パルス発生手段 4…駆動コントローラ
5…パルス電源 6…パルス周期センス回路
7…タイミング制御回路 8…負荷
9…パルス電源 10…可変パルス発生手段
11…コレクタキャッチャ 12…駆動指令生成部
13…オア回路
VS、VSH…直流電源 SW1、SW2、SW3…スイッチ
T…トランス MS、M1…MOSトランジスタ
D1…ダイオード Ds1、Ds2…ダイオード
DC1、DC2…ダイオード R1…抵抗
RC1、RC2…抵抗 T1、T2…パワートランジスタ
PC…フォトカプラ
Claims (6)
- 直流電源とトランスを備えた電流制御型素子の駆動回路であって、
前記直流電源の出力両端と前記トランスの1次巻線の両端とを正、負方向に交互に接続することによって前記トランスの1次巻線にパルス電流を流す第1のスイッチング回路と、
前記トランスの1次巻線に正または負の何れか一方向の電流が流れるときに前記トランスの2次巻線に電流が流れるような方向の半波整流回路、または前記1次巻線に正負どちらの方向に電流が流れるときでも前記トランスの2次巻線に電流が流れるような全波整流回路と、
前記電流制御型素子の制御端子に対する電流供給をオンオフ制御する第2のスイッチング回路と、
前記トランスの1次巻線または2次巻線にパルス電流が流れるタイミングを検出するタイミング検出手段と、
外部から与えられる駆動信号と前記タイミング検出手段の検出結果とに応じて前記第2のスイッチング回路の開閉タイミングを制御するタイミング制御手段と、を備え、
前記トランスの2次巻線の両端と前記電流制御型素子の制御端子および一方の電源端子との間に、前記半波整流回路または前記全波整流回路の出力を前記第2のスイッチング回路を介して前記電流制御型素子の制御端子へ与えるように、前記半波整流回路または前記全波整流回路を接続し、
かつ、前記トランスの1次巻線または2次巻線にパルス電流が流れるタイミングと前記第2のスイッチング回路がオンするタイミングとを同期させる手段と、
前記電流制御型素子のスイッチング時に供給するパルス電流1周期分の電荷量を、オン定常時に供給する電流パルス1周期分の電荷量よりも大きい値とすることにより、前記第2のスイッチング回路の一回のオン時間内に供給する電荷量においてスイッチング時に供給する電荷量のみを増加させるように制御する電荷制御手段と、
を備えたことを特徴とする電流制御型素子用駆動回路。 - 前記電荷制御手段は、前記電流制御型素子のスイッチング時に供給する前記パルス電流のパルス幅を、オン定常時のパルス幅よりも大きくすることにより、電荷量を大きな値にすることを特徴とする請求項1に記載の電流制御型素子用駆動回路。
- 前記電荷制御手段は、前記電流制御型素子のスイッチング時に前記パルス電流を供給する際に前記1次巻線に印加する前記直流電源の電圧を、オン定常時に印加する電圧よりも高くすることより、電荷量を大きな値にすることを特徴とする請求項1に記載の電流制御型素子用駆動回路。
- 複数の前記電流制御型素子を駆動する回路であって、それぞれの回路における前記トランスの一次側は共通とし、それぞれの前記電流制御型素子のスイッチング時のタイミングの論理和で、前記パルス電流のパルス幅の切り替えを行うことを特徴とする請求項2に記載の電流制御型素子用駆動回路。
- 複数の前記電流制御型素子を駆動する回路であって、それぞれの回路における前記トランスの一次側は共通とし、それぞれの前記電流制御型素子のスイッチング時のタイミングの論理和で、前記1次巻線に印加する前記直流電源の電圧の切り替えを行うことを特徴とする請求項3に記載の電流制御型素子用駆動回路。
- 前記第2のスイッチング回路は、前記電流制御型素子の主電流経路間の電圧降下分に応じて、前記電流制御型素子の制御端子に供給する電流を制御する手段を有することを特徴とする請求項1乃至請求項5の何れかに記載の電流制御型素子用駆動回路。
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