JPH02254970A - 静止型電力変換器 - 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】 産業上の利用分野 本発明は直流電源が印加されるトランスの１次巻線にト
ランジスタを設け、このトランジスタをオン、オフ、さ
せてトランスの２次巻線側に出力電圧を得る静止型電力
変換器に関するものである。

従来の技術 種々の方式が従来より採用されている。ここでは自動式
の静止型電力変換器の従来例（特公昭６３−４７０７４
号公報）について、第３図に従がって説明する。トラン
ス９の１次巻線２にはトランジスタ５が接続され、トラ
ンジスタ５のベースには、トランス９の磁気回路の一部
を共有する帰還巻線６３、及び同６４が接続され、電気
回路と磁気回路による弛緩発振回路を構成している。巻
線７０はトランジスタ５のオフの期間磁気回路の不要エ
ネルギーを電源に回生させる働きをする。巻線３は前述
した弛緩発振によってトランスに発生する交流磁界によ
り電圧が発生し負荷に電流を導び（働きをする。

第４図の従来例（ＭＥ１９８９年３月８５頁　工業調査
会板）は巻線の自動によらない電力変換器の例である。

トランス９の１次巻線２にはトランジスタ５が接続され
、そのゲートは制御回路網６の出力につながっている。

５５は１次側に設けられた補助巻線でダイオード５１、
コンデンサ５２の整流回路につながっている。コンデン
サの５２の両端は制御回路！ｉ１６の電源に用いられる
。５３は電流トランス、５４はホトカプラでそれぞれ、
過電流検出、出力電圧検出を行ない制御回路１１６に入
力される。巻線３の出力はダイオード３０．３１に接続
され、コイル５４を介しコンデンサ２９に出力されてい
る。この例では制御回路網が複雑となり、しかも高速で
処理する必要があるため設計に要する労力が大であった
。

発明が解決しようとする課題 第３図による実施例は構成部品が少なく、第４図の実施
例のようではないが、それでも次に述べるような課題が
あった。

■　エネルギーを有効に伝達するため、又トランスが有
効にエネルギー伝達の働きに従事する時間割合を最良に
するための、巻線設計に多くの労力を要した。又トラン
スの巻線構造が複雑になるという問題があった。

■　発振始動のために用いる抵抗６１の電力損失が問題
となる場合があった。

■　負荷電流の急増に対して、保護装置を付加した場合
復帰までに時間がかかり負荷電流の停止時間が長くなり
問題となる場合があった。

（第４図従来例も同様であった。） ■　電力変換器より発生する電磁妨害波を少なくするた
め、例えば構成コイル両端にコンデンサを接続した場合
、トランジスタ５のオンからオフへの遷移時間が長くな
りトランジスタ５の消費電力が増大するという不都合が
生じた。また接続コンデンサの容量を小さくすると、構
成コイルの電流の切り換わりスピードが早く、２次巻線
と１次巻線の高周波成分の磁気結合を密にする必要がお
きた。それは結合を疎にした場合、電磁波の不要輻射の
増大、及び電力伝達率の低下を来たすという障害があっ
たためである。１次巻線と２次巻線の結合を密にした場
合は、両巻線間の静電結合も大きく、絶縁トランスを使
っていても、１次側からの障害波は２次側にほとんど減
衰されずに伝達してしまうという問題があった。２次側
から１次側への伝達も同様であった。

そこで本発明は容易な設計にて安定して良好な伝達効率
が得られる電力変換器を提供することを第１の目的とし
ている。

第２の目的は発振始動のための方法を提供することであ
る。

第３の目的は１次巻線に過電流が流れた場合過電流保護
を行ない外乱がなくなった場合すみやかに正常動作に戻
す手段を提供することである。

また第４の目的は電力変換器より発生する妨害波を少な
くする手段を提供することであり、また１次巻線からの
障害電波が２次巻線につながる電気回路に与える影響を
少なくする手段を提供することである。

課題を解決するための手段 そこで前記第１の目的を達成するために本発明は、トラ
ンスの一時巻線のオン・オフを行なうトランジスタの駆
動回路のトリガとし、コンデンサに充電するダイオード
の順方向電流を用いるものである。

構成としては、ダイオードによるコンデンサへの充電回
路を有し、コンデンサの放電回路抵抗は高く、発振周期
の時間では、コンデンサ電荷の大部分を維持される程度
とし、前記トランジスタの、コレクタ又はドレインの電
圧振動により、ダイオード順方向電流がコンデンサに充
電される回路接続を有するものである。このダイオード
の順方向電流により得られたトリガ信号によりトリガさ
れる２状態回路網と、その出力回路が前記トランジスタ
の駆動回路を構成している。

また第２の目的を達成するために、本発明は前記２状態
回路網が、前記トランジスタの発振動作時の発振周期の
約２倍の時間、前記トランジスタのオフとなる状態を維
持した場合、該２状態回路網の状態が変化がおこす時定
数回路を有する。

また第３の目的を達成するために、本発明は、前記トラ
ンジスタの主電流の流れる回路に電流検出器を有し、前
記トランジスタのオン時、過電流を検出した時、前記２
状態回路網の状態を反転させる信号回路を有する。

また第４の目的を達成するために本発明は、２次巻線両
端間又は前記トランジスタのコレクタまたはドレインと
、直流電源の正又は負端子との間にコンデンサを接続し
、１次巻線間に発生するリンキング波形の１回の上昇下
降が１次巻線の最大振巾と同期出来る容量値に前記コン
デンサの容量値を選ぶものである。さらには２次巻線を
１次側につながる巻線及び回路部より、１次側との静電
容量を小さくなるよう空間距離をとって配置するよう構
成するものである。

作用 本発明の電力変換器は、ダイオードとコンデンサの直列
回路を設けることにより、またコンデンサの放電回路抵
抗が高いためにダイオードに順方向電流が流れるのは、
トランジスタのコレクタ又はドレイン電圧がその包絡線
と接する時点近くの時であり、この時点でトランジスタ
のオン動作を開始させるので、はぼ理想的なトランジス
タのオン開始時点を得ることが出来る。必要な伝達電力
で決まるある期間トランジスタのオン動作が経続した後
、２状態回路網は状態変更を起こしトランジスタはオフ
となる。この後、トランジスタのコレクタ又はドレイン
電圧は上昇及び下降のいわゆるリンキング動作を行なう
、前述の動作効果を得るためには下降電圧が十分で最下
点に達するまでにコンデンサの残留電圧に達しダイオー
ドを順バイアスする必要がある０強度の外部ノイズの影
響や過度なエネルギー損快があった場合、−回目のリン
キング動作でダイオードは順バイアスされないことがあ
る。この場合トランジスタのＯＮが行なわれないでもう
一度リンキング動作が行なわれるがこの場合ダイオード
が順バイアスされるまでの電圧振巾は起こらない、この
時２状態回路網に付加された時定数回路により、状態変
更がおこりトランジスタがオンされる。リンキング周期
２倍経過近くでオンされるため、トランジスタの主電極
間電圧の低い時であるためトランジスタの過渡的電力負
荷が軽減される。またこの時定数回路は動作開始を確実
にする働きもする。更に一次側主電流の過電流検出によ
り、２状態回路網を状態反転させるので過電流防止が行
なわれる。トランジスタのオフ後、リンキング動作の上
昇・下降でトランジスタをオンするトリガ働く、すなわ
ち正常動作のシーケンスはくずれないままで過電流防止
が行なわれる。更に巻線間は巻線間開等個所にコンデン
サを接続することにより、１０ＫＨｚ〜ＩＭＨｚ程度の
周波数でも、リンキング波形の一回の上昇下降を、−次
巻線の最大振巾と同期させることが可能である。このよ
うにした場合、巻線間の上昇、下降波形は急峻さをなく
すが、トランジスタのオンからオフの動作は２状態回路
網の反転動作によっているため、トランジスタ５のオン
からオフへの遷移時間が長くなり消費電力が増大するこ
とはない、すなわち余分な電圧振動や急峻な電圧変動が
なく、電磁波の発生を少なく出来る。動作周波数を１０
０　Ｋ　Ｈｚ以上の低い値とすることにより、１次巻線
と２次巻線の高周波成分の磁気結合が浅くても、電力伝
達がコアによる磁気結合で可能となる。すなわち空間的
な巻線間の磁気結合の必要がなくなり、磁気結合の媒体
は殆んどコアに置きかわる。この根拠により２次巻線を
１次側につながる回路部よりその間の静電容量を小さく
なるよう空間距離をとって配置する。このことによって
ｌ次側と２次側の電気的分離は従来より改善され、１次
巻線につながる電気回路からの障害電波が２次巻線側に
与える影響を少なく出来る。

実施例 以下本発明の一実施例における電力変換器について図面
とともに説明する。第１の実施例について第１図に示す
ように、トランス９の１次巻線２と、トランジスタ５の
ドレイン、ソースからなる直列接続が、直流電源ＩＯに
つながっている。ダイオード６のカソードが、トランジ
スタ５のドレインに接続され、ホトダイオード１１を介
してコンデンサ７に接続され、ダイオード６はコンデン
サ７への充電回路をなしている。コンデンサ７の放電回
路は、抵抗８がその放電抵抗となっている。コンデンサ
７の容量値を０７、抵抗８の抵抗値をＲ８、とする時、
その積Ｃ７・Ｒ８となる放電時定数は、トランジスタ５
がオン・オフ動作する発振周期と比較して、３倍程度以
上の値になるよう選ぶ、増巾器１３、トランジスタ１４
．１５、抵抗１６．１７．１８、コンデンサ１９は２状
態回路Ｗ４２０を構成する。

すなわちトランジスタ５のオン状態に対応し、増巾器１
３の出力が高、トランジスタ１４．１５がオンの状態、
コンデンサ１９の電圧が高の状態である。この状態が続
く時間はトランジスタ１４のコレクタに流れる電流によ
り左右される。すなわち出力電圧がツェナーダイオード
２１の電圧を越え、ホトダイオード２２に電流が流れる
時はホトトランジスタ２３がオンとなり、前記トランジ
スタ１４のコレクタ電流は抵抗２７の電流にホトトラン
ジスタ２３の第２電流が加わり大となるので、コンデン
サ１９の放電は速く行なわれ、前記状態が続く時間は短
かくなる。

この状態の終了後２状態回路網は状態反転を行なう、こ
の時コンデンサ１９の電圧が低くなっているため、増巾
器１３の出力は低、トランジスタ１５．１４がオフの状
態となる。この期間抵抗２４を通しコンデンサ１９に充
電される。ホトトランジスタ１２がオンにならない場合
、コンデンサ１９の両端電圧が抵抗２５．２６の分割比
で決まる増巾器１３の負入力側端子２７の電圧をこえた
時に状態反転が起こる。抵抗２４．２５．２６の値を選
んでこの状態反転までの時間を、トランジスタ５のドレ
インの電圧振動周期の２倍に選んでいる。この時までに
トランジスタ５のドレインの電圧振動によってダイオー
ド６にコンデンサ７への充電電流が流れた場合、ホトダ
イオード１１に電流が流れ、ホトトランジスタ１２がオ
ンとなり、増巾器１３の負入力側端子２７の電圧がさが
るため状態反転がおこりトランジスタ５をオンさせる。

この時はトランジスタ５のドレイン電圧波形が、その下
側包路線と接する近くである。コンデンサ１は、トラン
ジスタ５のドレインの自由振動の周期を最適な値とする
ために用いる。コンデンサ２８．２９、ダイオード３０
．３１は２次側巻線３につながる整流回路をなしている
。

次に第２の実施例について第２図とともに説明する。ト
ランス９の１次巻線２と、トランジスタのドレイン、ソ
ースからなる直列接続が、抵抗３３を介して直流電源１
０につながっている。ダイオード６のカソードがトラン
ジスタ５のドレインに接続され、コンデンサへの充電回
路をなしている。

抵抗８がコンデンサ７の放電回路をなしている。

抵抗日の値は大きくコンデンサ７に対する放電時定数は
、トランジスタ５がオン・オフ動作する発振周期と比較
して十分大きく選んでいる。トランジスタ３５．３６、
コンデンサ１９、抵抗３７．３８は２状態回路′ｌ１４
２０を構成する。すなわちトランジスタ５のオン状態に
対応し、トランジスタ３５．３６がオフ、コンデンサ１
９の両正が低（上昇中）の状態である。

この状態が続く時間は、トランジスタ３４及び２３に流
れる電流により左右される。すなわち第１の場合として
トランジスタ５に流れる電流が通常値より大きく、抵抗
３３に発生する電圧でトランジスタ３４がオンする場合
である。第２の場合として、コンデンサ２９両端の出力
電圧が大きくツェナーダイオード２１の電圧を越え、ホ
トダイオード２２に電流が流れる場合でホトトランジス
タ２３がオンする場合である。この両者の場合、コンデ
ンサ１９への充電電流は、抵抗４２に流れる電流にトラ
ンジスタのオン電流が加わり、大きくなる。したがって
短時間でトランジスタ３５のエミッタ電位がベース電位
よりオン電圧（約０．ＴＶ）以上越えトランジスタ３５
．３６オンの状態に反転動作を行なう、それぞれ、第１
の場合は一次側の過電流防止動作となり、第２の場合は
出力電圧の安定化動作として働く、この状態のその後は
、コンデンサ１９の電荷が、トランジスタ３５、抵抗３
７．３８、トランジスタ３６により放電される。放電電
流は時間の経過につれ減少し、コンデンサ１９の容量値
、抵抗３７．３８の抵抗値及びトランジスタ３５．３６
の特性等で決まる時間後トランジスタ３５．３６はオフ
となり状態反転がおこる。

前の状態反転からこの状態反転までの時間はトランジス
タ５のドレイン電圧振動周期の２倍に選んである。トラ
ンジスタ２３．３４からの電流が異常に大きい場合は前
述の動作がうまく行なわれなく、トランジスタ３５．３
６のオン状態が続くことがあるが、通常動作でそのよう
になるのを防ぐことは例えばトランジスタ３４．２３の
オン時の電流値の選び方で容易に出来る。上述したトラ
ンジスタ３５．３６のオフ動作が行なわれる迄にトラン
ジスタ５のドレイン電圧の振動によって、ダイオード６
の順方向電流によってコンデンサ７への充電電流が流れ
た場合、その電流はコンデンサ１９を放電させ、トラン
ジスタ３５．３６がオフの状態になり状態反転がおこる
。コンデンサｌは、前述のトランジスタ５のドレイン電
圧の振動周期を所望する長さとするために用いる。電流
電源３２は２状態回路網２０を含む制御回路の電源であ
る。抵抗３９．４１はトランジスタ３５のベースにバイ
アス電圧を与える。

またトランス９の構造として、巻線２と巻線３の空間距
離を大きくとって配置してありその間の静電容量は１０
０ＦＦ以下の小さい値となっている。

第２図実施例の２状態回路網はトランジスタ３５．３６
の両トランジスタのオフからオンへの正帰還動作を用い
、この時の遷移時間はトランジスタの動作性質上池のモ
ード（例えばオン、オフ−オフ、オンへの移行）より短
くなっている。このスイッチ動作をトランジスタ５のオ
ン−オフへのスイッチ動作に用いているのでトランジス
タ５の消費電力は小さい、第１図、第２図実施例のドレ
イン、ゲート、ソース端子をもつトランジスタはコレク
タ、ベース、エミッタ端子をもつトランジスタに置きか
えても同様の動作が期待出来る。

発明の効果 以上のように請求項（１）の電力変換器においては、１
次側巻線のスイッチングのタイミングが、１次側巻線の
上昇、下降の主なリンキング動作が終った時点で行なわ
れる。これはトランスの消磁作用が終った時であり、こ
の瞬間より１次巻線のスイッチオンが行なわれる。すな
わち、トランスの遊び時間がなくトランスの使用効率が
高い、また−回毎に消磁が終了しているので、第４図従
来例のいわゆる他動式でおこったような、残留磁気が累
積してトランスのコアが磁気飽和をおこし電力変換が不
能になるという不具合発生はおこらない。

また第３図従来例に比しトランスの構造も簡単に出来、
設計、調整も容易である。

請求項（２）の電力変換器においては、動作開始が確実
に行なわれること、また外来ノイズ等により発振停止が
おこった場合も必ず発振が短期間に再開始される。すな
わち電力変換の停止トラブルがおこらない構成を、前述
のような簡単な構成で行なえ、主トランジスタの過渡的
消費電力ストレスも少なく出来る。

請求項（３）の電力変換器においては、出力短絡や、負
荷急増に対して保護動作が働き、また原因が取り除かれ
た場合、すぐに正常動作に戻ることが、前述のような簡
単な構成で可能である。

また請求項（４）の電力変換器においては、電力変換器
より発生する電磁妨害波を少なくすることが出来る。更
に１次巻線と２次巻線の空間距離を大きくし配置するこ
とにより、１次側と２次側と電気絶縁の程度を大きくす
ることが出来、１次側巻線につながる電気回路からの障
害電波（特にコモンモードノイズ）が２次側巻線に与え
る影響を小さくすることが出来る。

なお、請求項第１でトランジスタのコレクタ又はドレイ
ンにダイオードが接続されるがこれはトランジスタのコ
レクタ又はドレインに発生する電圧が導かれるトランス
に巻かれた巻線の一端であっても同様効果である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例における静止型電力変換器の
回路図、第２図は本発明の第２の実施例における静止型
電力変換器の回路図、第３図は従来例における静止型電
力変換器の回路図、第３図は従来例における回路図、第
４図は従来例における回路図である。 ２２・・・・・・ホトダイオード、２３・・・・・・ホ
トトランジスタ、４４・・・・・・ホトカブラ、６１．
６２・・・・・・抵抗、６４．６４・・・・・・帰還巻
線、６６．６７．６９・・・・・・ダイオード、６日・
・・・・・コンデンサ、７０・・・・・・負荷、７１．
７２・・・・・・巻線。 代理人の氏名　弁理士　粟野重孝　ほか１名ｉｌ１図 図 第 図 ５−）ランシスグ Ｉｌ、　２２−”・ホトタイオーＦ １２．２３’−ホトトランジスタ ／３−４中賂巻 Ｖ　−２２大Ｂ阿路Ｓ目 に８

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）直流電源、トランスの一次巻線、トランジスタの
   コレクタ又はドレイン、エシッタ又はソースの直列接続
   の閉回路を有し、前記トランジスタのコレクタ又はドレ
   インにはダイオードが接続され、コンデンサへの充電回
   路をなし、前記コンデンサの放電回路の回路抵抗は高く
   、前記トランジスタのコレクタ又はドレインの発振周期
   間では充電電荷は大部分維持される値とし、前記充電回
   路で前記ダイオードの順方向電流が流れる電流によりト
   リガされる２状態回路網を有し、その出力が、前記トラ
   ンジスタのベース又はゲートに加えられる静止型電力変
   換器。
2. （２）２状態回路網が、トランジスタのコレクタ又はド
   レインの電圧振動周期の約２倍の時間、前記トランジス
   タがオフする出力を維持した場合に、状態変化がおこる
   時定数回路を有する請求項（１）記載の静止型電力変換
   器。
3. （３）トランジスタの主電流が流れる回路の電流検出器
   を有し、該電流検出器の出力により、２状態回路網の状
   態変化をおこす接続を有する請求項（１）記載の静止型
   電力変換器。
4. （４）一次巻線又はトランスの主コアに巻かれる巻線間
   にコンデンサが、直接又は直流電源を介して接続され、
   前記主コアの磁束に関するコイルの誘導性と前記コンデ
   ンサの容量性より有する電気振動周期を１０μ秒以上程
   度にし、２次巻線と１次巻線の空間距離を大きくし、そ
   の間の静電容量を１００ＰＦ程度以下とする請求項（１
   ）記載の静止型電力変換器。