JPH0398462A - スイッチング電源装置およびそれを用いたプラズマ放電装置 - 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 ものである。

従来の技術 従来、この種のスイッチング電源装置は第７図に示すよ
うな構成であった。

第７図において、ｌは直流電源、２は抵抗、３は第１の
スイッチ手段としてのトランジスタ、４はコレクタ巻線
、５はベース巻一線、６は抵抗、７は抵抗、８はコンデ
ンサ、９はダイオード、１０はトランジスタ、１１はコ
ンデンサ、１２は２次巻線、１３は電界効果型トランジ
スタ、１４は電界効果型トランジスタｌ３の寄生ダイオ
ード、１５は平滑コンデンサ、１６．１６’は出力端子
、１７は基準電源、ｌ８は誤差増幅器、１９はパルス幅
変換器、２０は抵抗、２１は抵抗、２２はコンデンサ、
２３はダイオード、３３はトランスである。

第２図の動作について説明する。直流電源１が接続され
ると抵抗２を介して起動電流がトランジスタ３に流れ、
トランジスタ３はオンする。トランジスタ３のオンにと
もなってコレクタ巻線４と電磁結合しているベース巻線
′５に電圧が誘起され、抵抗６を介してトランジスタ３
に電流が流れるため、トランジスタ３はオンを続ける。

一方トランジスタ３がオンしている時、抵抗７を介して
コンデンサ８は充電され、所定の電圧に達するとダイオ
ード９を介してトランジスタ１０をオンさせ、トランジ
スタ３はオフする。トランジスタ３がオンしている期間
にトランス３３に貯えられたエネルギーはコンデンサ１
１にその１部が充電され、コレクタ電圧の上昇を抑えて
ノイズの低減をはかるとともに２次巻線１２から電界効
果型トランジスタ１３の寄生ダイオード１４を通じて平
滑コンデンサ１５に放出され、出力端子１６．１６’を
介して負荷に供給される。出力端子１６．１６’間の電
圧は基準電源１７と誤差増幅器１８で比較・増幅されパ
ルス幅変換器１９に加わる。パルス幅変換器１９は前記
入力を所定のパルス幅に変換した後抵抗２０を介して電
界効果型トランジスタ１３に印加し、電界効果型トラン
ジスタ１３をオンからオフへ移行させる。もし出力端子
１６．１６゜間の電圧が基準電源１７より高ければ２次
巻線１２からすべてのエネルギーが平滑コンデンサ１５
に放出された後も電界効果型トランジスタ１３をオンさ
せ続け、平滑コンデンサ１５から電界効果型トランジス
タ１３を通じて２次巻線ｌ２に電流を流し続ける。電界
効果型トランジスタ１３がオフした時、トランス３３に
貯えられていたエネルギーはコレクタ巻線４からコンデ
ンサｌ１を介して直流電源１へ回生される。この時コン
デンサ２２，抵抗２１で決まる時間トランジスタ１０の
ベースには電流が流れるため、トランジスタ３は所定の
時間オンが遅れ、コンデンサｌ１に貯えられたエネルギ
ーがトランジスタ３で短絡されることを防止する。コレ
クタ巻線４から直流電源１ヘエネルギーの回生が続きコ
ンデンサ１１の両端電圧が低下して逆極性になるとダイ
オード２３は導通しコンデンサ１１の両端電圧をクラン
ブする。その後トラン゛ジスタ１０は再びオフになりト
ランジスタ３をオンさせて再び直流電源１からコレクタ
巻徐４を介して電流を流し、トランス３３にエネルギー
を貯える動作を繰り返す。

もし出力端子１６．１６“間の電圧が低下すればパルス
幅変換器１９の出力は電界効果型トランジスタ１３をオ
フさせるように出力されるため寄生ダイオード１４を介
して２次巻線１２から平滑コンデンサｌ５へのエネルギ
ー放出が終了すれば平滑コンデンサ１５から２次巻線ｌ
２を介して電流は流れないので前記エネルギー回生は行
われず、出力端子１６．１６’間の電圧は上昇する。

又、出力端子１６，１６゜間の電圧が上昇すれば前記動
作とは逆の動作を行い出力端子１６．１６’間の電圧を
一定に保つ。

発明が解決しようとする課題 このような従来の技術では直流電源ｌが接続されてトラ
ンジスタ３が初めてオンした時２次巻線１２を介して電
界効果型トランジスタ１３のドレインに電圧が印加され
るが平滑コンデンサ１５には何の電荷も貯えられておら
ずパルス幅変換器１９の動作も停止したままであるので
、電界効果型トランジスタ１３はオンしようとする。し
かしながら電界効果型トランジスタ１３は第８図に示す
ようにそのゲート・ドレイン間は寄生容量２７があるた
め、ドレインに印加された電圧は寄生容量２７を介して
抵抗２０を流れパルス幅変換器１９に印加される。

寄生容量２７の値を１５００ＰＦ、ドレインに印加され
る電圧の上昇率を２００Ｖ／μＳとすると寄生容量２７
を流れる電流は０．４５Ａにも達する。抵抗２０の値は
通常２０〜５０Ωに選定されるので、このため （１）　　もしパルス幅変換器ｌ９の内部で抵抗２０が
等価的に出力端子１６′に接続されていても電界効果型
トランジスタ１３のゲートには９〜２２．５Ｖの電圧が
印加され、電界効果型トランジスタｌ３はオンしてしま
う。従ってトランジスタ３がオンしている時に、電界効
果型トランジスタ１３もオンするためコレクタ巻線４の
インダクタンスは消滅し、トランジスタ３には過大な電
流が流れ最悪の場合にはトランジスタ３が焼損してしま
うことになる。特にプラズマ放電器に使用されるスイッ
チング電源装置の出力端子１６．１６’間電圧ハ定格時
ｌ５０〜２００ｖに選定されるため、電界効果型トラン
ジスタｌ３のドレインに印加される電圧の上昇率は２　
０　０　０　Ｖ／μＳに達することもまればはなく、こ
の場合には３Ａの電流が流れることになり、とても使用
できるものではなかった。

（２）　　前記課題を防止するためトランジスタ３を大
型化すれば装置全体の高価格化となる。

（３）パルス幅変換器１９に抵抗２０を介して電流が流
れるためパルス幅変換器１９は通常の動作と異った動作
となり、パルス幅変換器ｌ９が損傷を受けるとともに最
悪の場合には焼損する。

（４）　　コレクタ巻線４はそのインダクタンスが消滅
しているため、エネルギーを貯えることができない。従
って平滑コンデンサ１５へ２次巻線１２からエネルギー
を放出することもできず、出力端子１６．１６’間には
電圧が発生しないという不具合を生じる。

（５）スイッチング電源装置が起動した後の定常状態に
おいてもトランジスタ３がオンする毎にパルス幅変換器
１９には抵抗２０を゛介して電流が流れるため、パルス
幅変換器１９の電流吸収能力を大きくしなければならず
、装置の大型化・高価格化となる。

（６）　　電界効果型トランジスタ１３をバイボーラト
ランジスタとダイオードの並列接続素子に置きかえれば
このような課題はないが、バイボーラトランジスタはそ
の動作スピードが遅く、又ベース電流が必要であるので
スイッチング損失及びドライブ損失が増加し、高周波動
作ができないため、トランス，ヒートシンクの大型化，
駆動回路の複雑化，内部損失の増加をまねき、装置とし
ての大型化，高価格化，低効率化，信頼性の低下となっ
ていた。

本発明は上記課題を解決するもので小型，低価格，高信
頼度，高効率のスイッチング電源装置を提供す゛ること
を目的としている。

課題を解決するための手段 本発明は上記課題を解決するためにトランスの１次巻線
の一端に人力電圧をオン・オフする第１のスイッチ手段
とコンデンサの並列回路を接続し、前記トランスの第１
の２次巻線の両端に平滑コンデンサと電界効果型トラン
ジスタの直列接続素子を接続し、前記電界効果型トラン
ジスタを前記第１のスイッチ手段と相補的にオン・オフ
させ、前記第１のスイッチ手段がオフの特前記トランス
に貯えられたエネルギーを前記平滑コンデンサにすべて
放出した後もオンを続ける前記電界効果型トランジスタ
を介して前記平滑コンデンサから前記トランスにエネル
ギーを貯え、前記電界効果型トランジスタがオフの時、
前記トランスに貯えられたエネルギーを前記トランスの
ｌ次在線から前記第１のスイッチ手段を介して人力電圧
にエネルギーを回生ずるように構成され、前記電界効果
型トランジスタのゲート・ソース間にトランジスタのコ
レクタ・エミッタを各々接続し、前記トランジスタのベ
ースと前記電界効果型トランジスタのドレイン間にコン
デンサと抵抗の直列回路を接続して構威されている。

又は前記のスイッチング電源装置において前記トランス
に一端が前記電界効果型トランジスタのソースに接続さ
れた第２の２次巻線を設け、前記電界効果型トランジス
タのゲート・ソース間にトランジスタのエミッタ・コレ
クタを各々接続し、前記トランジスタのベースと前記第
２の２次巻線の他端との間にコンデンサと抵抗の直列回
路を接続して構威されている。

作用 本発明は上記した構威により、ドレイン電圧の上昇又は
第２の２次巻線の電圧変化をコンデンサと抵抗の直列素
子を介してゲート・ソース間に接続されたトランジスタ
のベースに与えているためドレイン電圧が上昇しようと
するか、又は第２の２次巻線の電圧が変化しようとすれ
ば、ゲート・ソース間はトランジスタによって短絡され
、電界効果型トランジスタが不必要にオンすることがな
くなるものである。

実施例 以下、本発明の一実施例について第１図を参照しながら
説明する。第１図において従来例の第７図と同じものは
同一の符号を付して説明は省略する。２４はトランジス
タ、２５は抵抗、２６はコンデンサであり、抵抗２５と
コンデンサ２６で微分回路を構威し電界効果型トランジ
スタ１３のドレイン電圧の変化のみをトランジスタ２４
のベースに加える。

第ｌ図においてトランジスタ３が初めてオンした時２次
巻線１２には電界効果型トランジスタ１３のドレイン電
圧を上昇させる極性の電圧が誘起される。この電圧はコ
ンデンサ２６，抵抗２５を介してトランジスタ２４のベ
ースに流れ、トランジスタ２４をオンさせる。

トランジスタ２４はそのコレクタ・エミッタが電界効果
型トランジスタ１３のゲート・ソース間に各々接続され
ているため第８図で示した寄生容量２７を介して流れる
電流を吸収し、ゲート・ソース間の電圧上昇を抑制する
。この結果、電界効果型トランジスタ１３はオフを続け
、２次巻線１２の電圧が安定した後コンデンサ２６，抵
抗２５を介して流れる電流も停止しトランジスタ２４は
オフする。所定の時間経過後２次巻線１２の電圧の極性
が反転すれば前記と逆の動作でトランジスタ２４はオフ
になり２次巻１１１２から寄生ダイオード１４を介して
平滑コンデンサ１５ヘエネルギー放出が行われる。前記
動作をくり返して出力端子１６．１６’間の電圧が上昇
すれば誤差増幅器１８、基準電源１７、パルス幅変換器
１９が動作を開始し電界効果型トランジスタ１３をオン
・オフさせる信号を抵抗２０を介して電界効果型トラン
ジスタ１３のゲートに与えるが、電界効果型トランジス
タ１３がオンしなければならない時にはトランジスタ２
４はオフしているのでその動作に支障を与えることはな
い。

第２図は本発明の他の実施例のスイッチング電源装置で
ある。以下、第２図について説明する。

第４図において第１図と同じものは同一の符号で付し説
明は省略する。１２ａは２次巻線である。

第２図においてトランジスタ３が初めてオンした時、２
次巻線１２には電界効果型トランジスタ１３のドレイン
電圧を上昇させる極性の電圧が誘起される。又２次巻線
１２ａにも電圧が誘起されるがその極性は第２図の図中
・印が十になるよう巻回されているためコンデンサ２６
，抵抗２５を介してトランジスタ２４のベースから電流
を引出す極性となる。

従って、トランジスタ２４はオンする。トランジスタ２
４はそのエミッタ・コレクタが各々電界効果型トランジ
スタ１３のゲート・ソース間に接続されているため第８
母の寄生容量２７を介して流れる電流を吸収しゲート・
ソース間の電圧の上昇を抑制する。この結果、電界効果
型トランジスタＩ３はオフを続け、２次巻．１１２．１
２ａの電圧が安定した後コンデンサ２６，抵抗２５を介
して流れる電流も停止しトランジスタ２４はオフする。

所定の時間経過後の動作は前記第１図の説明と同一のた
め省略する。

又、第３図は本発明のさらに他の実施例のスイッチング
電源装置である。以下第３図について説明する。第３図
において第１図と同じものは同一の符号を付し、説明を
省略する。

第３図において２５はトランジスタ２４のベースと電界
効果型トランジスタｌ３のドレイン間に接続された抵抗
である。

第３図において２次巻線１２に電界効果型トランジスタ
１３のドレイン電圧を上昇させる極性の電圧が誘起され
ている期間抵抗２５を介してトランジスタ２４のベース
に加わるため電界効果型トランジスタ１３のドレインに
電圧が誘起されている期間中電界効果型トランジスタ１
３のゲート・ソース間はトランジスタ２４によって短絡
され、電界効果型トランジスタｌ３はオフを続ける。以
後の動作は第１図と同一のため省略する。

又、第４図は本発明のさらに他の実施例のスイッチング
電源装置である。以下、第４図について説明する。第４
図において第１図と同じものは同一の符号を付し、説明
を省略する。

第４゛図において２５はトランジスタ２４のベースと電
界効果型トランジスタ１３のドレイン間に接続された抵
抗である。

第４図において２次巻線ｌ２に電界効果型トランジスタ
１３のドレイン電圧を上昇させる極性の電圧が誘起され
ている期間２次巻線１２ａにも電圧が誘起されているが
その極性は第４図中の・印が十になるよう巻回されてい
るため抵抗２５を介してトランジスタ２４のベースから
電流を引出す極性となる。

従ってトランジスタ２４はオンし、そのエミッタ・コレ
クタは各々電界効果型トランジスタ１３のゲート・ソー
ス間に接続されているため電界効果型トランジスタ１３
のゲート・ソース間はトランジスタ２４によって短絡さ
れ、電界効果型トランジスタ１３は前記期間オフを続け
る。以後の動作は第ｌ図と同一のため省略する。

第５図は本発明のさらに他の実施例のスイッチング電源
装置である。

以下第５図について説明する。第５図において２８はダ
イオード、２９は平滑コンデンサであり、２次巻線１２
ａに発生する電圧をダイオード２８で整流し、平滑コン
デンサ２９で平滑した後出力端子３０から負荷へ供給す
る様構成した多出力スイッチング電源装置である。

第５図の動作については第４図と同一又は周知の事実で
あるので省略する。

第６図は本発明のスイッチング電源装置を、プラズマ放
電装置用電源として用いた例であり３１は本発明のスイ
ッチング電源装置、３２はプラズマ放電装置である。

発明の効果 以上の実施例から明らかなように本発明によれば電界効
果型トランジスタのドレイン電圧が上昇し安定するまで
の期間、又は電界効果型トランジスタのドレインに電圧
が印加されている期間、ゲート・ソース間に接続された
トランジスタはオンし、電界効果型トランジスタは確実
にオフできる。

従って、トランジスタが初めてオンした時に生じる電界
効果型トランジスタのオン動作を防止できるため、トラ
ンジスタに過大な電流が流れることを防止でき、トラン
ジスタに小型，安価な部品が使用でき、スイッチング電
源装置全体を小型，安価とすることができるばかりか、
加えてトランジスタの焼損を防止できる。

又パルス幅変換器に抵抗を介して電流が流れることがな
いため、パルス幅変換器の焼損，損傷を防ぐとともに、
その電流吸収能力も小さくでき、この点からもスイッチ
ング電源装置を小型，安価，高信頼性にできる。

又、コレクタ巻線のインダクタンスが消滅ずろことがな
いため確実にスイッチング電源装置を誘起できる。

又、２次側に電界効果型トランジスタとその内部寄生ダ
イオードを使用できるため高周波動作が可能となり、ス
イッチング損失の減少、トランス・ヒートシンクの小型
化、駆動回路の簡素化ができ、小型，安価，高効率，高
信頼のスイッチング電源装置とすることができる。

又、本発明のスイッチング電源装置は従来使用不能であ
った出力電圧が１５０〜２００Ｖと高いプラズマ放電装
置用電源としても使用可能なため、ノイズの少ない小型
，安価，高効率，高信頼なプラズマ放電装置とすること
ができる。

なお第５図には第４図の多出力化されたスイッチング電
源装置を図示したが第２図の実施例でも容易に多出力化
することができるのは言うまでもない。

又第１図〜第５図ではトランジスタ２４をパルス幅変換
器１９と独立にさせているが、このトランジスタ２４の
ベースにパルス幅変換器１９の信号を加えて部品の共用
化を図ってもよい。この場合にはスイッチング電源装置
をより一層小型，安価とすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例によるスイッチング電源装置
を示す回路図、第２図は本発明の第２の実施例によるス
イッチング電源装置の回路図、第３図は本発明の第３の
実施例によるスイッチング電源装置の回路図、第４図は
本発明の第４の実施例によるスイッチング電源装置の回
路図、第５図は第４図によるスイッチング電源装置を多
出力化した場合を示す回路図、第６図は本発明のスイッ
チング電源装置をプラズマ放電装置に用いた実施例を示
す回路図、第７図は従来の技術によるスイッチング電源
装置を示す回路図、第８図は電界効果型トランジスタ１
３の内部等価回路図である。 ｌ・・・・・・直流電源、２・・・・・・抵抗、３・・
・・・・トランジスタ、４・・・・・・コレクタ巻線、
５・・・・・・ベース巻線、６・・・・・・抵抗、７・
・・・・・抵抗、８・・・・・・コンデンサ、９・・・
・・・ダイオード、１０・・・・・・トランジスタ、１
１・・・・・・ダイオード、ｌ２・・・・・・２次巻線
、１３・・・・・・電界効果型トランジスタ、１４・・
・・・・寄生ダイオード、１５・・・・・・平滑コンデ
ンサ、１６．１６’・・・・・・出力端子、１７・・・
・・・基準電源、１８・・・・・・誤差増幅器、１９・
・・・・・パルス幅変換器、２０・・・・・・抵抗、２
１・・・・・・抵抗、２２・・・・・・コンデンサ、２
３・・・・・・ダイオード、２４・・・・・・トランジ
スタ、２５・・・・・・抵抗、２６・・・・・・コンデ
ンサ、２７・・・・・・寄生容量、２８・・・・・・ダ
イオード、２９・・・・・・平滑コンデンサ、３０・・
・・・・出力端子、３１・・・・・・本発明のスイッチ
ング電源装置、３２・・・・・・プラズマ放電装置、３
３・・・・・・トランス。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）トランスの１次巻線の一端に入力電圧をオン・オ
   フする第１のスイッチ手段とコンデンサの並列回路を接
   続し、前記トランスの第１の２次巻線の両端に平滑コン
   デンサと電界効果型トランジスタの直列回路を接続し、
   前記電界効果型トランジスタを前記第１のスイッチ手段
   と相補的にオン・オフさせ、前記第１のスイッチ手段が
   オフの時前記トランスに貯えられたエネルギーを前記平
   滑コンデンサにすべて放出した後もオンを続ける前記電
   界効果型トランジスタを介して前記平滑コンデンサから
   前記トランスにエネルギーを貯え、前記電界効果型トラ
   ンジスタがオフの時、前記トランスに貯えられたエネル
   ギーを前記トランスの１次巻線から前記第１のスイッチ
   手段を介して入力電圧にエネルギーを回生するように構
   成され、前記電界効果型トランジスタのゲート・ソース
   間にトランジスタのコレクタ・エミッタを各々接続し、
   前記トランジスタのベースと前記電界効果型トランジス
   タのドレイン間にコンデンサと抵抗の直列回路を接続し
   たスイッチング電源装置。
2. （２）トランスに一端が前記電界効果型トランジスタの
   ソースに接続された第２の２次巻線を設け、前記電界効
   果型トランジスタのゲート・ソース間にトランジスタの
   エミッタ・コレクタを各々接続し、前記トランジスタの
   ベースと前記第２の２次巻線の他端との間にコンデンサ
   と抵抗の直列回路を接続した請求項（１）記載のスイッ
   チング電源装置。
3. （３）トランジスタのベースと前記電界効果型トランジ
   スタのドレイン間に接続された素子を抵抗とした請求項
   （１）記載のスイッチング電源装置。
4. （４）トランジスタのベースと前記第２の２次巻線の他
   端との間に接続された素子を抵抗とした請求項（１）記
   載のスイッチング電源装置。
5. （５）請求項（１）〜（４）記載のスイッチング電源装
   置を用いたプラズマ放電装置。