JPH01126017A - パワートランジスタのベース駆動回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 Ａ、産業上の利用分野 この発明は、高速スイッチングを要求されるパワートラ
ンジスタのベース駆動回路に関する。

Ｂ、従来技術 近時、高速スイッチングが要求されるようになってきた
パワートランジスタとして、例えばインバータ式Ｘ線装
置におけるＸ線管の管電圧制御回路に用いられるパワー
トランジスタがある。その−例を第５図に示して、以下
に説明する。

交流電源１の出力をダイオードブリッジ２で整流し、平
滑コンデンサ３とリアクタ４とで平滑して直流化し、イ
ンバータ５に送る。インバータ５は、それぞれがベース
駆動回路ＢＤ、〜ＢＤ、でスイッチング制御される４つ
のパワートランジスタＰＴ、〜ＰＴ、をブリッジに構成
したものである。

ベース駆動回路ＢＤ、〜ＢＤ、は、パワートランジスタ
ＰＴ、、ＰＴ、を同時にオンし、かつ、パワートランジ
スタＰＴ、、ＰＴ３を同時にオフする状態と、その逆の
状態とを交互に切り換える。

その結果、インバータ５から高電圧変圧器６の１次巻線
に所定周波数の交流電流が供給される。高電圧変圧器６
の２次巻線で発生した高電圧の交流出力はダイオードブ
リッジ等の高電圧整流器７で整流し、高電圧コンデンサ
８．９に蓄積することによって直流化し、その直流電圧
を管電圧ＶｘとしてＸ線管１０のアノード・カソード間
に印加する。

管電圧Ｖｘは抵抗ＲＩ、Ｒ１、Ｒｓによって検出され、
電圧比較器１１に送られ、この電圧比較器１１の比較出
力に基づいてベース駆動回路ＢＤ、〜ＢＤ、が駆動また
は停止される。

第６図に示すように、ｉｔ源投入に伴って管電圧Ｖｘが
急速に上昇していく、この段階ではパワートランジスタ
ＰＴ、〜ＰＴ４の交互のオン、オフ動作が行われている
。

第７図に示すように、電圧比較器１１において管電圧Ｖ
ｘが第１基準電圧■、に達したことが判別されると、イ
ンバータ５におけるすべてのベース駆動回路ＢＤ、〜Ｂ
Ｄ、が不動作となってすべてのパワートランジスタＰＴ
、〜ＰＴ、がオフし、インバータ５からの出力が停止す
る。その結果、管電圧Ｖｘが降下し始め、電圧比較器１
１において管電圧Ｖｘが第２基準電圧ｖ２に達したこと
が判別されると、インバータ５におけるベース駆動回路
ＢＤ、〜ＢＤ、が再び動作してインバータ５からの出力
が再開され、管電圧Ｖｘが上昇する。

以下、同様の動作を繰り返すため、管電圧Ｖｘは、第１
基準電圧■１を上限とし第２基準電圧■ｚを下限とする
一定範囲内に維持される。

なお、インバータ５は、不動作状態から動作を再開した
ときに、前回の動作時とは逆位相で動作し、高電圧変圧
器６の鉄心の飽和が防止される。

第３図は、ベース駆動回路ＢＤ、〜ＢＤ、のうちの１つ
の具体的構成を示す、以下、このベース駆動回路の動作
を説明する。

■　まず、ターンオン時の動作を説明する。

ベース制御回路２０から一定周期のパルス信号Ｓがフォ
トカプラ２１の１次側の発光ダイオードＬＥＤ１に出力
される。このパルス信号の立ち上がりがターンオン信号
Ｓ。、ｌであり、立ち下がりがターンオフ信号Ｓ０１．
である（第４図参照）。

ターンオン信号Ｓ。、によってフォトカプラ２１の１次
側の発光ダイオードＬＥＤ、が発光を開始し、２次側の
フォトトランジスタＰＴｒ、が導通ずる結果、トランジ
スタＴｒ＋が導通ずる。

したがって、それまで抵抗Ｒ９を介してトランジスタＴ
ｒ、のベースに供給されていた電流がダイオードＤ、　
　トランジスタＴｒ、に流れるため、トランジスタＴｒ
、がオフして電界効果トランジスタＦＥＴ、がターンオ
フする。同時に、それまでオフしていたＰＮＰ型のトラ
ンジスタＴｒ、に、抵抗Ｒｅ、）ランジスタＴｒ、を介
してベース電流が流れるため、トランジスタＴｒ、が導
通して電界効果トランジスタＦＥＴ、がターンオンする
。

以上の結果、直流電源Ｅ１から抵抗Ｒ？、電界効果トラ
ンジスタＦＥＴ、を介してパワートランジスタＰＴにベ
ース電流が供給され、パワートランジスタＰＴがターン
オンする。

■　次に、ターンオフ時の動作を説明する。

ターンオフ信号Ｓ　ＯＦＦによってフォトカプラ２１に
おける発光ダイオードＬＥＤ、の発光が停止し、２次側
のフォトトランジスタＰＴｒ、が遮断される結果、トラ
ンジスタＴｒ、がオフする。

したがって、トランジスタＴｒ、に抵抗Ｒ，を介してベ
ース電流が供給されトランジスタＴｒ。

がオンし、電界効果トランジスタＦＥＴ、がターンオン
する。同時にトランジスタＴｒ、のベース電流が遮断さ
れ、トランジスタＴｒ、がオフし、電界効果トランジス
タＦＥＴ、がターンオフする。

その結果、直流電源Ｅ、の頁捲に電界効果トランジスタ
ＦＥＴ、、抵抗Ｒ１ｔを介して接続されたパワートラン
ジスタＰＴのベースはエミッタ電位に対してマイナスに
バイアスされ、パワートランジスタＰＴがターンオフす
る。

Ｃ９発明が解決しようとする問題点 しかしながら、この従来のパワートランジスタのベース
駆動回路には、次のような問題がある。

ベース制御回路２０から出力されるパルス信号Ｓの周波
数、すなわちパワートランジスタＰＴのスイッチング周
波数が６０１１ｚ程度の低い周波数であれば問題はない
が、インバータ５の出力電圧ひいてはＸ線管１０の管電
圧Ｖｘを高くするためにパワートランジスタＰＴのスイ
ッチング周波数を数ｋＨｚ程度の高い周波数に上げると
、ターンオフ信号Ｓ０，２に対する応答遅れの周期に対
する割合が大きくなり、高速スイッチングに適さなくな
るという問題である。

すなわち、パルス信号Ｓの周波数が数ｋ）［ｚ、の場合
、ターンオン信号Ｓ０２．ターンオフ信号Ｓ。ＦＦに対
するフォトトランジスタＰＴｒ＋　の次段のトランジス
タＴｒ、のベース・エミッタ間電圧Ｖａｔの応答時間特
性は第４図のようになる。

つまり、ターンオン信号Ｓ。Ｈに対する応答遅れ時間ｔ
１は短いが、ベース・エミッタ間の接合容ＩＣ１のため
にターンオフ信号Ｓ。２２に対する応答遅れ時間１．が
かなり長いものとなる。

このトランジスタＴｒ＋　の応答遅れの原因はフォトカ
プラ２１の応答遅れにある。そして、トランジスタＴｒ
、における応答遅れはパワートランジスタＰＴの応答遅
れとなって、パワートランジスタのベース駆動回路とい
う系全体の高速スイッチング動作に悪影響をもたらす。

すなわち、パワートランジスタＰＴによる駆動対象が前
述のＸ線管１０である場合に、管電圧■χが第１基準電
圧Ｖ、に達して電圧比較器１１からインバータ５に動作
停止信号を出力し、その瞬間にベース制御回路２０から
の出力パルス信号Ｓが立ち下がってターンオフ信号Ｓ　
ＯＦＦがフォトカプラ２１に出力されたとしても、比較
的長い応答遅れ時間り、のためにパワートランジスタＰ
Ｔのオンの状態が続き、管電圧Ｖｘは第７図で点線で示
すように、第１基準電圧■１を超えてさらに上昇し、大
きな誤差Δ■を生じてしまう。

その結果、管電圧Ｖｘは上限■、と下限■２との範囲で
変動して管電圧Ｖｘが不安定になり、Ｘ線管１０から放
射されるＸ線強度が不安定になる。

パワートランジスタＰＴによる駆動対象がＸ線管以外の
場合であっても同様の問題が生じる。このように従来例
のパワートランジスタのベース駆動回路は数ｋＨｚの高
速スイッチングに適さないことは明らかである。

この発明は、このような事情に鑑みてなされたものであ
って、ターンオフ時の応答遅れ時間を短縮化し高速スイ
ッチングに対応できるようにすることを目的とする。

Ｄ８問題点を解決するための手段 この発明は、このような目的を達成するために、次のよ
うな構成をとる。

すなわち、この発明のパワートランジスタのベース駆動
回路は、パワートランジスタのベースを直接駆動する二
次側回路と、この二次側回路にスイッチング素子として
挿入された第１の受光素子と、この第１の受光素子とと
もに第１のフォトカプラを構成する第１の発光素子と、
前記第１の受光素子に直列接続され導通によって二次側
回路を急速遮断する第２の受光素子と、この第２の受光
素子とともに第２のフォトカプラを構成する第２の発光
素子と、前記第１の発光素子にパワートランジスタ・タ
ーンオン信号を出力するとともにパワートランジスタ・
ターンオン信号の立ち下がりに同期して立ち上がるパワ
ートランジスタ・ターンオフ信号を前記第２の発光素子
に出力する一次側回路とを備えたものである。

８６作用 この発明の構成による作用は、次のとおりである。

一次側回路からターンオン信号が出力されるときにはタ
ーンオフ信号は出力されないから、第２のフォトカプラ
における第２の受光素子は遮断しており、ターンオン信
号によって第１のフォトカプラにおける第１の受光素子
が導通する。この導通によって二次側回路が駆動されパ
ワートランジスタが導通するが、このときの応答遅れ時
間は前述のとおり短い。

また、ターンオン信号の立ち下がりに同期してターンオ
フ信号が一次側回路から第２の発光素子に出力されると
第２の受光素子が導通し、二次側回路を急速に遮断し、
パワートランジスタをターンオフする。ターンオフ信号
の出力から第２の受光素子が導通するまでの応答遅れ時
間はターンオンの場合と同様に短いから、パワートラン
ジスタのターンオフの応答遅れ時間はターンオンのとき
と同程度に短いものとなる。

Ｆ、実施例 以下、この発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明す
る。

第１図はパワートランジスタのベース駆動回路の構成図
である。

まず、パワートランジスタＰＴのベースを直接駆動する
二次側回路Ｂについて説明する。

直流電源Ｅ、、Ｅ、が直列接続され、直流電源Ｅ、の正
極と直流電源Ｅ、の負極との間に、抵抗Ｒａ　、　　Ｒ
ｓ　、　　）ランジスタＴｒ、の直列回路と、抵抗Ｒ９
＋　Ｒ１１の直列回路と、抵抗Ｒｔ、電界効果トランジ
スタＦＥＴ、、抵抗ＲＩｚ、電界効果トランジスタＦＥ
Ｔ、の直列回路とが互いに並列に接続されている。

電界効果トランジスタＦＥＴ、を制御するＰＮＰ型のト
ランジスタＴｒ、のエミッタは直流電源Ｅ、の正極に接
続され、ベースは抵抗Ｒ，，Ｒ。

の接続点に接続され、コレクタは抵抗Ｒ２を介して電界
効果トランジスタＦＥＴ、のゲートに接続され、このゲ
ートは抵抗Ｒ６を介して電界効果トランジスタＦＥＴ＋
　のソースおよびパワートランジスタＰＴのベースに接
続されている。

直流電源Ｅ、、Ｅ、の接続点にパワートランジスタＰＴ
のエミッタと、電界効果トランジスタＦＥＴ、を制御す
るトランジスタＴｒ３のコレクタとが接続され、トラン
ジスタＴｒ、のベースは抵抗Ｒｖ、Ｒ＋＋の接続点に接
続されるとともに逆流防止用のダイオードＤを介してト
ランジスタＴｒ＋のコレクタに接続されている。トラン
ジスタＴ　ｒ　ｓのエミッタは電界効果トランジスタＦ
ＥＴｔのゲートに接続され、このゲートとソースとの間
に抵抗ＲＩｆｆが挿入されている。

直ｔｉ電源Ｅ２の両極間に抵抗Ｒ６，第１のフォトトラ
ンジスタＰＴｒ＋　、抵抗Ｒ１゜の直列回路が接続され
、第１のフォトトランジスタＰ　Ｔ　ｒ　＋　のエミッ
タがトランジスタＴｒ、のベースに接続されている。

一次側回路Ａにおいては、第１のフォトトランジスタＰ
　Ｔ　ｒ　＋　とともに第１のフォトカプラ２１を構成
する第１の発光ダイオードＬＥＤ、がベース制御回路２
０に接続されている。

以上の構成は従来例（第３図）の場合と同様である。

従来例とは以下の点において異なっている。

すなわち、二次側回路Ｂにおいて、第１のフォトトラン
ジスタＰＴｒ、のエミッタと直流電源Ｅｘの負極との間
に第２のフォトトランジスタＰ　Ｔ　ｒ　ｚが接続され
ている。

また、−次側回路Ａにおいて、第２のフォトトランジス
タＰＴｒ、とともに第２のフォトカプラ２２を構成する
第２の発光ダイオードＬＥＤｚがベース制御回路２０に
接続されている。

−次側回路Ａは、ベース制御回路２０と第１．第２の発
光ダイオードＬＥＤ＋　、ＬＥＤ＊で構成されている。

ベース制御回路２０は、第１の発光ダイオードＬＥＤ、
に対して第２図に示すようなパルス信号Ｓ。

を出力するとともに、第２の発光ダイオードＬＥＤｔに
対してパルス信号ＳＩと同一周期をもちパルス信号Ｓ、
の立ち下がりのタイミングで立ち上がるパルス信号Ｓ２
を出力する。

パルス信号Ｓ１の立ち上がりがターンオン信号Ｓ　ＯＮ
であり、パルス信号Ｓ２の立ち上がりがターンオフ信号
Ｓ　ＯＦＦである。パルス信号Ｓ２のオン時間は応答遅
れ時間ｔｒ　　（第４図参照）よりも長い。

次に、この実施例の動作を説明する。

■　まず、ターンオン時の動作を説明する。

ベース制御回路２０から第１のフォトカプラ２１におけ
る第１の発光ダイオードＬＥＤ、に出力されるパルス信
号Ｓ、の立ち上がりによって得られるターンオン信号Ｓ
ｏににより第１７の発光ダイオードＬＥＤ、の発光が開
始し、短い応答遅れ時間Ｌ１の後、第１のフォトトラン
ジスタＰＴｒ＋が導通ずる。

このとき、パルス信号Ｓｔは”Ｌ″レベルあるから、第
２のフォトカプラ２２の第２の発光ダイオードＬＥＤ、
は発光しておらず、第２のフォトトランジスタＰ　Ｔ　
ｒ　ｚは遮断状態にある。

したがって、第１のフォトトランジスタＰ　Ｔ　ｒ　＋
の導通に伴ってトランジスタＴｒ＋　にベース電流が供
給され、トランジスタＴｒ＋が導通ずる。トランジスタ
Ｔｒ＋　の導通によって、それまで遮断していたトラン
ジスタＴｒ、が導通して電界効果トランジスタＦＥＴ、
が導通ずるとともに、それまで導通していたトランジス
タＴｒｓが遮断して電界効果トランジスタＦＥＴ、も遮
断する。

その結果、抵抗Ｒ１，電界効果トランジスタＦＥＴ、を
介して直流電源Ｅ、からパワートランジスタＰＴにベー
ス電流が供給され、パワートランジスタＰＴがターンオ
ンする。

■　次に、ターンオフ時の動作を説明する。

ベース制御回路２０から第２のフォトカプラ２２におけ
る第２の発光ダイオードＬＥＤ、に出力されるパルス信
号Ｓ、は、パルス信号Ｓ、の立ち下がりに同期して立ち
上がる。

パルス信号Ｓ２の立ち上がりによって得られるターンオ
フ信号Ｓ０，７により第２の発光ダイオードＬＥＤ、の
発光が開始する。第１のフォトカプラ２１と第２のフォ
トカプラ２２の特性が同じであるとすると、第２の発光
ダイオードＬＥＤｚの発光の開始からターンオンの場合
と同じ短い応答遅れ時間も１の後、第２のフォトトラン
ジスタＰ　Ｔ　ｒ　！が導通ずる。

この第２のフォトトランジスタＰ　Ｔ　ｒ　ｚの導通に
よって第１のフォトトランジスタＰ　Ｔ　ｒ　ｌ　のベ
ース・エミッタ間の接合容量に蓄積された電荷が第２の
フォトトランジスタＰ　Ｔ　ｒ　ｔを介して急速に放出
され、トランジスタＴｒ、に対するベース電流が遮断さ
れる。この電荷の放出は、パルス信号Ｓ！が立ち下がる
までに完了する。

すなわち、第２図に示すように、ターンオフ信号Ｓ　ｏ
ｙｙの出力タイミングからトランジスタＴｒ＋のベース
・エミッタ間電圧■、が立ち下がるまでの応答遅れ時間
は、ターンオン信号Ｓ。Ｈの出力タイミングからトラン
ジスタＴｒ＋　のベース・エミッタ間電圧ＶＩＩＥが立
ち上がるまでの応答遅れ時間ｔ１と同じ短い時間となる
。

このようにしてトランジスタＴｒ＋　がオフすると、そ
れまで遮断していたトランジスタＴｒ３が導通して電界
効果トランジスタＦＥＴ、が導通ずるとともに、それま
で導通していたトランジスタＴｒ、が遮断して電界効果
トランジスタＦＥＴ。

も遮断する。

したがって、直流電源Ｅｔの頁捲に電界効果トランジス
タＦＥＴ、、抵抗Ｒ１，を介して接続されたパワートラ
ンジスタＰＴのベースはエミック電位に対してマイナス
にバイアスされ、パワートランジスタＰＴがターンオフ
する。

以上のように、ターンオン信号Ｓ。Ｎから短い応答遅れ
時間ｔ、の後にパワートランジスタＰＴがターンオンす
るとともに、ターンオフ信号Ｓ。、。

から同じ応答遅れ時間ｔ、の後にパワートランジスタＰ
Ｔがターンオフする。

このように構成されたパワートランジスタのベース駆動
回路を第５図のインバータ５に組み込むと、Ｘ線管１０
の管電圧ＶＸは第７図の実線で示す第１基準電圧Ｖ、と
第２基準電圧Ｖ２との範囲内に収まり、発生するＸ線強
度は安定する。

なお、二次側回路Ｂの構成は図示のものに限る必要はな
く、第１のフォトトランジスタＰ　Ｔ　ｒ　。

の導通によってパワートランジスタＰＴをターンオンし
、第２のフォトトランジスタＰＴｒ、の導通によってパ
ワートランジスタＰＴをターンオフするものであれば、
種々の変形のもとに実施できる。

Ｇ０発明の効果 この発明によれば、次の効果が発揮される。

第１の受光素子に直列接続され、導通によって二次側回
路を急速遮断する第２の受光素子と、この第２の受光素
子とともに第２のフォトカプラを構成する第２の発光素
子とを設けるとともに、二次側回路からターンオン信号
の立ち下がりに同期して立ち上がるターンオフ信号を第
２の発光素子に出力するように構成しであるから、第２
の受光素子の導通によって二次側回路を象、速に遮断し
パワートランジスタも急速にターンオフすることができ
る。

ターンオフ信号の出力から第２の受光素子が導通ずるま
での応答遅れはターンオンの場合と同様に短いから、パ
ワートランジスタのターンオフの応答遅れをターンオン
のときと同程度に短いものにすることができる。

すなわち、パワートランジスタのベース駆動回路という
系全体の応答性を改善することができ、高速スイッチン
グに適したパワートランジスタのベース駆動回路を得る
ことができるのである。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図はこの発明の実施例に係り、第１図
はパワートランジスタのベース駆動回路の回路図、第２
図は動作説明に供するタイムチャートである。 第３図は従来例のパワートランジスタのベース駆動回路
の回路図、第４図はその動作説明に供するタイムチャー
トである。 第５図はインバータ式Ｘ線装置の回路図、第６図は管電
圧の特性図、第７図は第６図の一部を拡大した管電圧の
特性図である。 Ａ・・・−次側回路 Ｂ・・・二次側回路Ｂ ＰＴ・・・パワートランジスタ ２１・・・第１のフォトカプラ ２２・・・第２のフォトカプラ ＳＯ８・・・ターンオン信号 Ｓ０１．・・・ターンオフ信号 Ｌ　Ｅ　Ｄ　＋　・・・第１の発光ダイオード（第１の
発光素子） Ｐ　Ｔ　ｒ　＋　・・・第１のフォトトランジスタ（第
１の受光素子） ＬＥＤｔ・・・第２の発光ダイオード （第２の発光素子） Ｐ　Ｔ　ｒ　ｔ・・・第２のフォトトランジスタ（第２
の受光素子）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）パワートランジスタのベースを直接駆動する二次
   側回路と、この二次側回路にスイッチング素子として挿
   入された第１の受光素子と、この第１の受光素子ととも
   に第１のフォトカプラを構成する第１の発光素子と、前
   記第１の受光素子に直列接続され導通によって二次側回
   路を急速遮断する第２の受光素子と、この第２の受光素
   子とともに第２のフォトカプラを構成する第２の発光素
   子と、前記第１の発光素子にパワートランジスタ・ター
   ンオン信号を出力するとともにパワートランジスタ・タ
   ーンオン信号の立ち下がりに同期して立ち上がるパワー
   トランジスタ・ターンオフ信号を前記第２の発光素子に
   出力する一次側回路とを備えたパワートランジスタのベ
   ース駆動回路。