JPH02168859A - スイッチング装置およびインバータ - 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】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明はたどえば放電灯点灯装置に用いるスイッチング
装置およびインバータに関する。

（従来の技術） 従来の、この種のスイッチング装置としては、たとえば
特開昭６０−２３６４．９８号公報記載の構成が知られ
ている。

これは、バイポーラトランジスタおよび電界効果トラン
ジスタをカスコード接続してスイッチング素子とし、こ
れらスイッチング素子の駆動のために変流器を設け、そ
して、この変流器で駆動してバイポーラトランジスタお
よび電界効果トランジスタを同時にオン・オフして発振
制御を行なうものである。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、バイポーラトランジスタがオフする際に
コレクタおにびベースに過大な引き抜き電流が流れ、大
ぎなスイッチング・ロスとなる。

本発明は、上記問題点に鑑みなされたもので、スイッチ
ング・ロスの低減を図ることができるスイッチング装置
およびインバータを提供することを目的とする。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 請求項１の発明は、バイポーラトランジスタおよび電界
効果トランジスタがカスコード接続されたスイッチング
装置において、電界効果トランジスタのオフよりバイポ
ーラトランジスタのオフを早くするものである。

請求項２のインバータは、請求項１のスイッチング装置
を備えたものである。

（作用） 請求項１のスイッチング装置は、バイポーラトランジス
タおにび電界効果１−ランジスタをオフするときに、電
界効果トランジスタをオフするより前にバイポーラ１ヘ
ランジスタを特徴する請求項２のインバータは、請求項
１のスイッチング装置を用いて、直流を交流に変換する
ものである。

（実施例） 以下、本発明のスイッチング装置を用いた−６式インバ
ータによる放電灯点灯回路を図面を参照して説明する。

第１図において、１は商用交流電源で、この商用交流電
源１には整流回路２が接続され、この整流回路２の直流
出力端間には平滑用の］ンデンザ３が接続されている。

また、整流回路２の直流出力端にはバイアス抵抗４およ
びコンテン４ノ５が直列に接続され、このコンデンサ５
には並列にツェナダイオード６が接続されている。これ
らバイアス抵抗４、コンデンサ５およびツェナダイオー
ド６の接続点には、並列に接続された抵抗７おにびダイ
オード８のカソードが接続され、このダイオード９を介
して変流器１０の一次巻線に接続され、この−次巻線の
両端にはトランジスタ１１のコレクタおＪ：び１ミツタ
がそれぞれ接続され、このコレクタは抵抗１２を介して
整流回路２の負出力端に接続されでいる。

また、整流回路２と共通接地で直流電源１３が接続され
ており、この直流電源１３の正負極間にはそれぞれたと
えばテキサス・インスツルメンツ社製タイマＩＣ，型式
ＴＡ　７５５５を用いた第１および第２の発振制御部１
４．１５の電源端子が接続されて、ｌＩ３す、第１の発
振制御部１４は電圧・周波数（Ｖ−Ｆ）変換機能を有し
、第２の発振制御部１５は第１発振制御部１４よりある
時間の遅れを持つて出力するようになっている。さらに
、第１の発振制御部１４は第２の発振制御部１５および
前記トランジスタ１１のベースに接続されている。

そうして、これら電源および制御用の回路には、−６式
インバータによる放電灯点灯回路１６が接続されている
。この放電灯点灯回路１６は整流回路２の直流出力端間
に鉄心入りのコイル１７、変流器１０の二次巻線、逆流
防止用のダイオード１８、バイポーラトランジスター９
のエミッタ・コレクタおよびＭＯＳ型の電界効果トラン
ジスタ２ｏのドレイン・ソースが接続され、ずなわちバ
イポーラトランジスタ１９および電解効果トランジスタ
２ｏがカスコード接続されている。そして、バイポーラ
トランジスタ１９のベースは、抵抗７、ダイオード８お
よびダイオード９の接続点に接続され、電界効果トラン
ジスタ２０のゲートは第２の発振制御部１５に接続され
ている。また、コイル１７および整流回路２の正側の直
流出力端の接続部にはコンデンサ２１の一端が接続され
、このコンデンサ２１の他端はコイル１７の中間部に接
続されている。このコイル１７の両端は鉄心入りのりア
クドル２２を介して、たどえば螢光灯などの放電灯２３
のそれぞれのフィラメントが接続され、さらに、この放
電灯２３の両フィラメン１−間にはコンデンサ２４が接
続されている。

また、変流器１０の二次巻線およびダイオード１８の接
続点と整流回路２の負側の直流出力端との間には直列に
接続された帰還用のダイオード２５および抵抗２６が接
続され、ダイオード２５ど抵抗２６の接続点は第１の発
振制御部１４に接続されている。

次に上記実施例の動作について説明づる。

まず、バイポーラトランジスター９おにび電界効果トラ
ンジスタ２０をオンにするに際しては、最初に第１の発
振制御部１４にハイレベル出力させ、トランジスタ１１
のベース電流を停止し、このトランジスタ１１をオフし
、一定時開運れて第２の発振制御部１５にハイレベル出
力させ電界効果トランジスタ２０のゲートに電圧を印加
することにより、バイポーラトランジスタ１９ｄ３よび
電界効果］・ランジスタ２０をオンする。なお、バイポ
ーラトランジスタ１９はバイアス抵抗４を介してバイア
スされているが、ベース電流が不足であるとともに、電
界効果トランジスタ２０のオフ時にはコレクタ電流が流
れないので、電界効果１ヘランジスタ２０がオンするま
で、バイポーラトランジスタ１９はオンしない。

バイポーラトランジスタ１９および電界効果トランジス
タ２０がオンすると、整流回路２から、コイル１１およ
びコンデンサ２１、変流器１０、ダイオード１８、バイ
ポーラトランジスタ１９および電界効果トランジスタ２
０の経路で電流が流れる。このとぎ、変流器１０の一次
巻線に誘起される電流がバイポーラトランジスタ１９の
ベース電流として流れ、バイボラトランジスタ１９のコ
レクタ電流が対応した適正なベース電流が供給される。

次に、バイポーラトランジスタ１９および電界効果ｌ・
ランジスタ２０をオフするときは、まず、第１の発振制
御部１４の出力をローレベルとしてトランジスタ１１に
ベース電流を与え、１−ランジスタ１１をオンして、バ
イポーラトランジスタ１９のベース電流をバイパスする
ことにＪ：リバイボーラトランジスタ１９をオフする。

次に、第２の発振制御部１５の出力がローレベルになる
ことにより電界効果トランジスタ２０がオフされる。そ
して、これらバイポーラトランジスタ１９および電界効
果トランジスタ２０がオフすることにより、コンデンサ
２４およびリアクトル２２等が共振する。

このように、バイポーラトランジスタ１９および電界効
果トランジスタ２０のオン・オフを繰り返すことにより
発振し、交流波形を形成し、放電灯２３を点灯する。

また、抵抗２６にて帰還用のダイオードに流れる電流を
電圧値どして検出し、この検出された電圧値に応じて、
第１の発振制御部１４の出力周波数を制御し、インバー
タの出力を一定に保つ。

上記実施例によれば、第２図に示すように、本発明（２
）は従来例（ハ）に比較し、コレクタ・エミッタ間に同
じ電圧（Ｖｏ−を印加した場合でもコレクタ電流（Ｉｃ
）およびベース電流（ＩＢ＞の弓ぎ抜ぎ電流（α）　（
β）を抑制できるので、スイッチング・ロスを少なくす
ることができる。ざらに、高耐圧のバイポーラトランジ
スタ１９おＪ：び低耐圧の電界効果トランジスタ２０を
使用することにより、高耐圧のＭＯＳ型の電界効果トラ
ンジスタを１つ使用する場合にりもスイッチング素子に
よる損失を少なくすることができる。

また、上記実施例では、発振制御部１４．１５等と電源
として直流電源１３を用いたが、直流電源１３に代えて
インバータの入力電圧を印加することができる。

次に他の実施例を第３図を参照して説明する。

なお、第１図に示す実施例と対応する部分には同一符号
を付して説明する。

この回路は、交流電源１の両端間に、整流回路２の交流
入力端が接続され、直流出力端には、平滑用の電解コン
デンサ３が接続され、さらに、整流回路２および電解コ
ンデンサ３の負側と負極を共通電位とした直流電源１３
．１３が接続され、これら直流電源１３．１３には、そ
れぞれ第１の発振制御部１４および第２の発振制御部１
５が接続されている。

第１の発振制御部１４は、直流電源１３の両端間に可変
抵抗３１、抵抗３２およびコンデンサ３３が直列に接続
されるとともに、抵抗３４、抵抗３５および抵抗３６が
直列に接続され、また、直流電源１３の正側の出力端が
、フリップフロップ回路３７の反転回路を有する入力端
子に接続されている。そして、このノリツブフロップ回
路３７のリセット端子にはオペアンプ３８の出力端が接
続され、このオペアンプ３８の一方の入力端子は抵抗３
２どコンデンサ−３３との接続点に、反転回路を有する
使方の入力端子が抵抗３４と抵抗３５との接続点に接続
され、また、フリップフロップ回路３７のレット端子に
はオペアンプ３９の出力端子が接続され、このオペアン
プ３９の一方の入力端子は抵抗３５と抵抗３６の接続点
に接続され、さらに、フリップフロップ３７の反転側の
出力端子はオペアンプ４０の反転回路を有する入力端子
に接続される。また、抵抗３２の接続点と直流電源１３
の負極との間には、トランジスタ４１の］レクタ・エミ
ッタが接続されている。なａ３、これら抵抗３４、抵抗
３５、抵抗３６、フリップフロップ３７、オペアンプ３
８、オペアンプ３９およびＡペアンプ４０は、たとえば
テキサス・インスツルメンツ社製のタイマＩＣ４２、型
式ＴＡ７５５５にて形成されている、。

また、このタイマＩＣ４２にはコンデンサ４３が接続さ
れ、オペアンプ４０の出力端はベース・コレクタ間に抵
抗４４が接続されたトランジスタ４５が接続され、この
トランジスタ４５のコレクタは直流電源１３の負極に接
続されている。さらに、直流電源１３の正極は抵抗４６
を介して、ベース・］コレクタにバイアス抵抗４７を有
するトランジスタ４８のコレクタが接続されている。

また、第２の発振制御部１５は、直流電源１３の両端間
に、直列に接続された抵抗５１、抵抗５２および抵抗５
３と、直列に接続された抵抗５４および抵抗５５とが並
列に接続されている。そして、抵抗５２Ｊ３よび抵抗５
３の接続点にトランジスタ５６のベースが接続され、こ
のトランジスタ５６のコレクタはベース・］コレクタが
短絡されたトランジスタ５７のコレクタ・エミッタを介
して直流電源１３の正極に、エミッタは抵抗５８を介し
て、直流電源１３の負極に接続されている。また、抵抗
５４および抵抗５５の接続点にはトランジスタ５９のベ
ースが接続され、このトランジスタ５９のコレクタは直
流電源１３の正極に、エミッタは、抵抗５８おにびトラ
ンジスタのエミッタの接続点に接続されている。さらに
、トランジスタ５７のベースにトランジスタ６０のベー
スが接続され、このトランジスタ６０のエミッタは直流
電源１３の正極に、コレクタは直列に接続されたダイオ
ード６１およびコンデンサ６２を介して直流電源１３の
負極に接続され、ダイオード６１には、直列に接続され
た抵抗６３および可変抵抗６４が接続されている。また
、可変抵抗６４およびダイオード６１の接続点には、２
つのダイオー−ドロ５．６６を介してトランジスタ６７
のエミッタが接続され、このトランジスタロ７のベース
は抵抗６８を介して直流電源１３の正極に、コレクタは
抵抗６９を介して１ヘランジスタ７０のベースに接続さ
れ、このトランジスタ７０の］レクタは抵抗７１を介し
てトランジスタ６７のベースに接続されている。さらに
、直流電源１３の両端間には抵抗７２、抵抗７３および
抵抗７４が直列に接続され抵抗７２および抵抗７３の接
続点にオペアンプ７５の反転回路を有する一方の入力端
子が接続され、このオペアンプ７５の他方の入力端子は
ダイオード６１およびコンデンサ６２の接続点に接続さ
れ、また、抵抗１３および抵抗７４の接続点には、オペ
アンプ７６の一方の入力端子が接続され、このオペアン
プ７６の反転回路を有する他方の入力端子はダイオード
６１およびコンデンサ６２の接続点に接続されている。

そして、オペアンプ１５の出力端子はフリップフロップ
回路７７のリセット端子に、オペアンプ７６の出力端子
はフリップフロップ回路７７のセット端子に接続され、
このフリップフロップ回路７７の反転出力端子は、オペ
アンプ１８の反転回路を有づる入力端子に接続されると
ともに、直流電源１３の負極に接続されており、トラン
ジスタ６０の」レクタおにびダイオード６１の接続点と
直流電源１３の負極との間にはトランジスタ７９のコレ
クタ・エミッタが接続されている。また、オペアンプ７
６の他方の入力端子は、オペアンプ７５の他方の入力端
子に接続されている。なお、抵抗７２、抵抗７３、抵抗
７４、オペアンプ１５、オペアンプ７６、フリップフロ
ップ回路７７、オペアンプ７８おＪ：びトランジスタ７
９は、たとえばテキ勺ス・インスツルメンツ社製のタイ
マＩＣ８０、型式Ｔ△７５５５にて形成されている。

さらに、整流回路２の直流用ツノ端間には、コンデンサ
２１、ダイオード１８、バイポーラトランジスタ１９の
コレクタ・エミッタ、電界効果トランジスタ２０のドレ
イン・ソースが接続され、すなわちバイポーラトランジ
スタ１９および電解効果トランジスタ２０がカスコード
接続されている。ぞして、トランジスタ１９のベースに
は、トランジスタ４８のエミッタに接続されたダイオー
ド９が接続されるとともに、整流回路２の負極に直列に
接続された抵抗７おにびツェナダイオード６が接続され
、抵抗７はダイオード８を並列に有し、ツェナダイオー
ド６はコンデンサ５を並列に有している。また、電界効
果ｉ〜ランジスタ２０のゲートは抵抗８１を介してオペ
アンプ７８の出力端子に接続されている。ざらに、コン
デンサ２１およびダイオード１８の接続点からは直列に
接続されたダイオード２５および抵抗２６を介して整流
回路２の負側の直流出力端に接続され、ダイオード２５
および抵抗２６の接続点は、１ヘランジスタ７０のエミ
ッタに接続されている。

また、整流回路２の直流出力端には、コイル１７の一端
が接続され、このコイル１１の一端とりアクドル２２を
介した他端とにはそれぞれ放電灯２３のフィラメントが
接続され、これらフイラメン］・の間にはコンデンサ２
４が接続され、さらに、コイル１１の中間タップにはコ
ンデンサ２１およびダイオード１８の接続点に接続され
ている。

次に上記第３図に示す実施例の動作について説明する。

バイポーラトランジスタ１９および電界効果トランジス
タ２０をオンにりるに際しては、タイマＩＣ４２のオペ
アンプ４０にハイレベル出力させ、トランジスタ４５に
ベース電流を与えずトランジスタ４５をオフし、トラン
ジスタ４８にバイアス抵抗４７を介してベース電流を供
給し、トランジスタ４８のオン状態を保ち、最初に第１
の発振制御部１４にハイレベル出力させ、トランジスタ
１９にベース電流を供給し、一定時開運れてタイマＩＣ
８０のオペアンプ７８にハイレベル出力させ第２の発振
制御部１５にハイレベル出力させ電界効果トランジスタ
２０のゲートに電圧を印加することにより、バイポーラ
トランジスタ１９および電界効果トランジスタ２０をオ
ンする。なお、バイポーラトランジスタ１９は、電界効
果トランジスタ２０のオフ時にはコレクタ電流が流れな
いので、電界効果トランジスタ２０がオンするまで、バ
イポーラトランジスタ１９はオンしない。

このように、バイポーラトランジスタ１９および電界効
果トランジスタ２０がオンすると、整流回路２から、コ
イル１７および］ンデンザ２１、ダイオード１８、バイ
ポーラトランジスタ１９および電界効果トランジスタ２
０の経路で電流が流れる。

次に、バイポーラトランジスタ１９おにび電界効果トラ
ンジスタ２０をオフするときは、まず、タイマＩＣ４２
のオペアンプ４０にローレベル出力させ、トランジスタ
４５にベース電流を与えてトランジスタ４５をオンし、
トランジスタ４８のベース電流をバイパスして、トラン
ジスタ４８をオフし、第１の発振制御部１４の出力をロ
ーレベルとして、バイボーラトランジスタ１９のベース
電流をオフすることによりバイポーラトランジスタ１９
をオフする。次に、タイマＩＣ８０のオペアンプ１８の
出力をローレベルとして第２の発振制御部１５の出力が
ローレベルにすることにより電界効果トランジスタ２０
のゲート電圧が失われ、電界効果トランジスタ２０がオ
フする。

このように、バイポーラトランジスタ１９ａ３よび電界
効果トランジスタ２０のオン・オフを繰り返すことによ
り発振し、交流波形を形成し、放電灯２３を点灯する。

上記実施例によれば、バイポーラトランジスタ１９およ
び電界効果トランジスタ２０を駆動するｌ〔めの変流器
を設けていないので、装置全体の小型化が図れるととも
に、安価に形成でき、ざらに、高周波化を図ることがで
きる。

次に、第４図に示す回路は、第３図に示す回路の簡易回
路で、スイッチング・ロスについて考える。

この回路は、第１の発振制御部１４のトランジスタ４８
を、機械的スイッチ８２に置き換え、第２の発振制御部
１！１を除去したものであり、バイポーラトランジスタ
１９には、２８Ｃ２５３５−０、電界効果トランジスタ
２０には２８に６７３を用いている。

そして、スイッチ８２をオン・オフして、第５図に示す
にうに、バイポーラトランジスタ１９０ベースに供給す
る電流を制御する。したがって、バイポーラトランジス
タ１９０ベース電流を遮断Ｊるタイミングは任意に設定
できる。なお、τはバイポーラトランジスタ１９のベー
ス電流の遮断のタイミングと、コレクタ電流の遮断のタ
イミング（電界効果トランジスタ２０のグー１へ電圧が
Ｏとなるタイミング）どの差を表わす。

まず、バイポーラトランジスタ１９のベース電流の遮断
のタイミングとコレクタ電流の遮断のタイミングが等し
いτ−〇の場合のスイッチング・ロスおよびバイポーラ
トランジスタ１９の温度上昇について考える。

第６図は、エミッタ接地直流増幅率り１．の異なる３つ
のバイポーラトランジスタの、ベース電流を変化させた
場合のバイポーラトランジスタの湿度上昇を示すもので
ある。この場合、ベース電流が小さいと、ドライブ不足
が生じコレクタ・エミッタ間電圧Ｖ。Ｅが高くなり損失
が増加して、バイポーラトランジスタの温度が上昇する
。特に、エミッタ接地直流電流増幅率ｈＦＥが小ざくな
る程、顕著な傾向を示す。反対に、ベース電流を大きく
すると、ドライブ不足によるスイッチング・ロスは低減
するものの、第７図（ハ）に示ずように］レクタ電流Ｉ
Ｃのターン・オフ時のテール電流Ｉｔが第７図（９）に
示すベース電流が小ざいときに比べて大きくなり、ゾー
ル電流■ｔによる損失でバイボラトランジスタの温度上
昇が生ずる。

したがって、以上の結果より、ベース電流を０．２１〜
０．２４　ＡＯ−１１の範囲に設定ずれば、エミッタ接
地直流電流増幅率ｈＦＩＥのばらつき（ｈ、Ｅ−１５〜
３０）を考慮しても、バイポーラトランジスタの温度上
昇を１４℃以下に抑制することができる。

１　つ 次にバイポーラトランジスタのベース電流Ｉ８の遮断の
タイミングより、コレクタ電流１ｃの遮断のタイミング
を早クツ゛る場合について考える。

第８図ないし第１１図は、それぞれ異なるベース電流１
Ｂの条件下で、エミッタ接地直流電流増幅率ｈＦＥの異
なるバイポーラトランジスタのベス電流１）３およびコ
レクタ電流１ｃの遮断のタイミングの差τと、温庇上Ｒ
との関係を表わすグラフである。そして、第８図はベー
ス電流ＩＢ＝０．１６　Ａｏ−ｐ　、第９図はベース電
流Ｉｎ　＝　０．２１△０−ｐ、第１０図はベース電流
１ｒｌ＝　０．２１１Ａｏ−ｐ、第１１図はベース電流
Ｉｓ　＝　０．３０Ａ　ｏ−ｐの場合である。第８図で
は、エミッタ接地直流電流増幅率ｈ　１１＝　３０では
、温度上昇を抑えることができるものの、エミッタ接地
直流電流増幅率り、１＝１５ではドライブ不足のためタ
イミング差τが大きくなるに従って急激に温度上昇値が
大きくなる。反対に、第１１図に示づ゛ように、ベース
電流ＩＢを大きく覆ると、コレクタ電流１ｃのゾール電
流Ｉｔによる損失で、温度上昇値が人ぎくなる。ところ
が、ベース電流ＩＢを遮断するタイミングをコレクタ電
流１ｃを遮断するタイミングより早くすれば、バイポー
ラ１−ランジスタ１９のベースに蓄積される過剰な電荷
が低減されるため、コレクタ電流ｌｃのテール電流Ｉｔ
を小さくでき、損失による温度上昇を抑制できる。

たとえば、第１０図に示すように、ベース電流Ｉｓ　＝
　０．２４　ＡＯ−ｐのときは、タイミング差τ−２〜
４Ｊｉｓに設定すればいずれの場合もバイポーラトラン
ジスタ１９の温度上昇を動作に悪影響を与えない１２℃
以下にすることができる。

上述のタイミング差τで、電界効果トランジスタ２０を
オフするよりバイポーラトランジスタ２０のオフを早く
すれば、バイポーラトランジスタ１９のエミッタ接地直
流増幅率ｈＦＥのばらつきにかかわらず、バイポーラト
ランジスタ１９の損失による温度の増大を極力抑えるこ
とができる。

さらに、上記いずれの実施例でも一石式インバータに応
用した例を示したが、−６式インパー夕に限らず、バイ
ポーラトランジスタおよび電界効果トランジスタをカス
コード接続したものであれば、適用できる。

〔発明の効果］ 本発明によれば、電界効果トランジスタをオフするより
も早く、バイポーラトランジスタをオフすることにより
、バイポーラトランジスタの弓ぎ扱き電流を小ざくでき
るので、スイッチング・ロスを少なくでき、（ｆｆｌ頼
性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す回路図、第２図（ロ）
は本発明の第２図に）は従来例の波形図、第３図は他の
実施例を示す回路図、第４図は同上回路の簡易回路図、
第５図は第４図に示す回路の動作波形図、第６図はパイ
ボーラド・ランジスタのベース電流と温度上昇を示すグ
ラフ、第７図はバイポーラトランジスタのターン・オフ
時のベース電流のグラフ、第８図ないし第１１図はタイ
ミング差と温度上昇のグラフである。 １９・ ・バイポーラトランジスタ、 ２０・ ・電界 効果トランジスタ。 平成元年１月３０日 発 明 者 垣 谷 勉

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）バイポーラトランジスタおよび電界効果トランジ
   スタがカスコード接続されたスイッチング装置において
   、 電界効果トランジスタのオフよりバイポーラトランジス
   タのオフを早くすることを特徴とするスイッチング装置
   。
2. （２）請求項１記載のスイッチング装置を用いたことを
   特徴とするインバータ。