JPH06106023B2

JPH06106023B2 - スイッチング電源用のスイッチング装置

Info

Publication number: JPH06106023B2
Application number: JP59240385A
Authority: JP
Inventors: ジエイベイリーカール
Original assignee: タンデムコンピユーターズインコーポレーテツド
Priority date: 1983-11-14
Filing date: 1984-11-14
Publication date: 1994-12-21
Anticipated expiration: 2009-12-21
Also published as: JPS60121969A; AU3543684A; AU566277B2; DE3476952D1; US4569011A; EP0142980B1; EP0142980A3; ATE41082T1; CA1218410A; EP0142980A2

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野本発明は、スイッチング装置に関し、更に詳しくは、ス
イッチング電源を定電流駆動するスイッチング装置に関
する。

従来の技術スイッチング電源のスイッチング回路は複数のスイッチ
ングトランジスタを使用している。これらのスイッチン
グトランジスタは、高周波降圧変圧器を通して電流を２
方向にスイッチングする。その電流は、入力変圧器から
整流され平滑にされた高電圧のものから得る。スイッチ
ングトランジスタは電流を10キロヘルツ程度の比較的高
い周波数でスイッチングする。高周波降圧変圧器は低周
波変圧器よりも寸法が小形であり、その二次巻線に多数
のタップを設けることができる。そのタップによって多
数の電圧を得て、各電圧は、整流され、平滑にされ、調
整されて、電子装置内の種々の論理モジュールに分配で
きる。

スイッチング回路は、スイッチングトランジスタによる
入力段と、変圧器による結合段と、スイッチングトラン
ジスタによる出力段とを有する。その出力のトランジス
タスイッチング段は、高周波降圧変圧器の一次巻線を駆
動する。高周波降圧変圧器の一次巻線には、高周波で高
電圧の電流が２方向にスイッチングして流される。前記
の変圧器結合段は、電圧結合モードで使用され、前記出
力段のスイッチングトランジスタに一定レベルの電圧を
供給する。出力段に供給された電圧は、出力トランジス
タのベースに直列接続されたベース抵抗器とベース・エ
ミッタ間接合とに与えられる。ベース・エミッタ間抵抗
は変化するので、この出力段のベース電流の制御は困難
であり、従って、コレクタ電流も制御が困難であり、高
周波降圧変圧器に供給されるトランジスタ出力電流も制
御が困難になる。

発明が解決しようとする課題ベース・エミッタ間の抵抗の変化に対しトランジスタの
出力電流の変化を鈍感にさせることによって上記の問題
を解決するため、直列のベース抵抗器が使用されてい
る。このベース抵抗器の抵抗値は、固定で且つベース・
エミッタ間の抵抗値よりも相当に大きいので、実質上ベ
ース・エミッタ間抵抗値の大部分を占める。従って、こ
のベース抵抗器を使用することによってベース電流の制
御ができる。しかしながら、トランジスタのベースに直
列接続したベース抵抗器を使用すると、ベース抵抗器の
抵抗値が大きいのでこのベース抵抗器内で大きな電力消
費を生ずる。この電力損失は電力供給源の効率を低下さ
せて好ましくない。

高周波降圧変圧器を電圧駆動した場合、出力トランジス
タの電圧駆動を停止すると変圧器の駆動電圧が徐々に零
ボルトまで減衰し、また、出力トランジスタの電圧駆動
を始めると変圧器の駆動電圧は供給電圧まで指数関数的
に徐々に増加する。このゆっくりとした駆動電圧の立下
り及び立上がりは、出力トランジスタのスイッチングの
期間を長くして大きな電力消費になる。この電力消費は
スイッチング電源の効率を低下させ、好ましくない。

標準的設計の入力トランジスタ段では、複数のNPNトラ
ンジスタを含み、それらのエミッタは接地され、また、
コレクタは変圧器に接続される。ベースには制御信号が
供給されてそれぞれのトランジスタを導通させる。その
導通によって電圧が変圧器の一次巻線に与えられる。各
入力トランジスタのコレクタは、それぞれ変圧器の一次
巻線の各端に接続あれ、その一次巻線の中央タップは電
圧源に接続される。この中央タップに接続された電圧源
は調整された電源であって調整された電圧を各変圧器の
二次巻線に与え、また各出力トランジスタのベース抵抗
器とベース・エミッタ接合とに調整電圧を与える。すな
わち、スイッチング電源における従来のスイッチング回
路は、出力トランジスタに供給される電圧を制御するた
め、高価な調整電圧源を使用する不利益がある。

本発明の目的は、スイッチング電源の効率を向上させる
ことにあり、このため、出力段のトランジスタのベース
に定電流を供給し、この定電流によってベースに直列の
ベース抵抗器の必要性をなくして、電力消費を少なくす
ることにある。

また、本発明の目的は、電流結合変圧器を使用して、調
整された電圧源の必要性をなくすることにある。電流結
合変圧器は、出力トランジスタのベースへ電流を供給し
たり遮断したりできる。この電流の供給及び遮断の能力
によって、出力トランジスタの導通および遮断の時間を
相当に短縮させるので、出力トランジスタにおける電力
消費も大きく減少する。

課題を解決するための手段かかる目的を達成するため、本発明によれば、出力変圧
器手段を通して複方向に駆動電流を発生するスイッチン
グ装置がスイッチング電源として用いられ、かかる本発
明によるスイッチング装置は、（ａ）それぞれが定電流
を供給する、複数の定電流源手段と、（ｂ）各対におい
てエミッタが相互に係合されている、複数のエミッタ結
合入力トランジスタ対であって、各トランジスタ対が、
対応する１つの前記定電流源手段に接続されて、各入力
トランジスタ対毎に複数の入力トランジスタ出力を提供
しており、過渡期間を除いて、各入力トランジスタ対の
前記入力トランジスタ出力の一つが前記定電流の全てを
出力し、各入力トランジスタ対の他の入力トランジスタ
出力は電流を全く供給せず、各入力トランジスタ対の入
力トランジスタ出力の各々が順番に前記定電流を出力し
ている、複数の入力トランジスタ対と、（ｃ）複数の変
圧器手段であって、それぞれが、前記入力トランジスタ
対の１つにその複数の入力トランジスタ出力を通して接
続されて、複数の変圧器出力に前記複数の入力トランジ
スタ出力を結合しており、各変圧器出力が、前記定電流
源手段の前記定電流に比例する比例定電流を供給してい
る、複数の変圧器手段と、（ｄ）複数の出力トランジス
タ手段であって、各々が、１つの前記変圧器手段の前記
複数の変圧器出力に接続されており、該出力トランジス
タ手段の各々は、また、前記出力変圧器手段に２つの極
性から選択された１つの極性の電流を供給し且つ前記変
圧器手段の１つの前記複数の変圧器出力から前記比例定
電流を受取るように、前記出力変圧器手段に接続されて
いる、複数の出力トランジスタ手段とを具備することを
特徴としている。

作用各入力トランジスタ対のエミッタは共に１個の定電流源
に接続されているので、各入力トランジスタ対に流れる
コレクタ電流は定電流源の１個の定電流に等しく、この
コレクタ電流が各変圧器の一次巻線を通して流れ、各変
圧器の二次巻線にはそれぞれ比例した電流すなわち定電
流が流れる。これらの比例定電流がそれぞれの出力トラ
ンジスタに供給されたり遮断されたりするため、変圧器
の一次巻線の中央タップには、調整した電圧源が供給さ
れなくとも、各入力トランジスタ対からの定電流によっ
て、変圧器の二次巻線には定電流が流れることになる。
各変圧器は、電圧結合モードではなく電流結合モードで
使用されるので、ベース電流の変化に鈍感にするための
ベース抵抗器等も不要になる。このため、ベース抵抗器
による電力の消費を抑え、スイッチングの立上りや立下
りも急速にできる。

実施例第１図を参照すると、２個の定電流源10および12を通し
てそれぞれ電流Ｉが流れる。各定電流源は、それぞれ、
エミッタ結合された対の入力トランジスタ14および16と
別の対の入力トランジスタ18および20のエミッタにそれ
ぞれ別々に接続される。定電流源10および12の電流Ｉは
一定値である。各対の入力トランジスタ14、16および1
8、20のエミッタを通してそれぞれ流れる電流の和は電
流値Ｉでなくてならない。

入力トランジスタ対14、16及び18、20のそれぞれのコレ
クタ電流と無視できる程小さいベース電流との和はそれ
ぞれのエミッタ電流に等しい。ベース電流が無視できる
ので、各入力トランジスタ14、16および18、20のコレク
タ電流の和はそれぞれ定電流源10及び12の電流にほぼ等
しい。

各入力トランジスタ対14、16および18、20はエミッタ結
合しており、各対において一方のトランジスタだけが導
通し他のトランジスタは非導通になっている。例えば、
トランジスタ14が導通して定電流源10から電流Ｉの全て
を流し、他方のトランジスタ16は遮断して電流Ｉを流さ
ない。ただ、過渡期間中の短い間だけ、１対の入力トラ
ンジスタ（例えばトランジスタ14および16）を流れる電
流は定電流源10からの電流を分けたものとなる。これら
対の入力トランジスタのスイッチング期間中において
は、一方のトランジスタ（例えば14）の電流は零から電
流値Ｉまで増大し、他方のトランジスタ（16）の電流は
反対に電流値Ｉから零値まで減少して、作動状態が切り
換わる。

各対の入力トランジスタ14、16および18、20のコレクタ
は、それぞれ変圧器22及び24の各一次巻線21および23の
両端に接続され、各一次巻線の中央タップ30および31は
非調整電圧源VR（図示せず）に接続される。各変圧器22
および24は、それぞれライン26、27および28、29上の各
電流によってそれぞれ電流結合モードで作動する。

各変圧器22および24の各一次巻線21および23の中央タッ
プ30および31に接続される電圧源VRは、調整の必要はな
く、またその電圧もラフなものでよい。しかし、この電
圧源の電圧レベルは一定の正の値の範囲にあって、必要
とする電流を供給するものでなくてはならない。

各変圧器22および24は、それぞれ２個の二次巻線32、33
および34、35を有しており、これら各二次巻線は４個の
出力トランジスタ36、37、38および40を駆動する。出力
トランジスタ段は、４個の出力トランジスタ36、37、3
8、40を有し、高周波降圧型変圧器である出力変圧器42
の一次巻線41を通して２方向に電流を流す。先ず、出力
トランジスタ38及び40が導通しており、出力トランジス
タ36及び37が非導通の時には、電流は一次巻線41を第１
図の左側から右側へ一方向に流れる。反対に、出力トラ
ンジスタ36および37が導通し出力トランジスタ38および
40が非導通の時には、電流は一次巻線41を第１図の右側
から左側へ逆方向に流れる。

第１図および第２図を参照すると、スイッチング回路
は、電源の作動中において以下の４つの状態をスイッチ
ングしてそれらの状態を周期的に繰り返す。

第１状態：ライン26が高電位、トランジスタ14が導通、
ライン27が低電位、トランジスタ16が非導通、トランジ
スタ36および37が非導通。ライン28が低電位、トランジ
スタ18が非導通ライン29が高電位、トランジスタ20が導
通、トランジスタ38および40が非導通。

第２状態：ライン26が低電位、トランジスタ14が非導
通、ライン27が高電位、トランジスタ16が導通、トラン
ジスタ36および37が導通。ライン28が低電位、トランジ
スタ18が非導通、ライン29が高電位、トランジスタ20が
導通、トランジスタ38および40が非導通。

第３状態：ライン26が高電位、トランジスタ14が導通、
ライン27が低電位、トランジスタ16が非導通、トランジ
スタ36および37が非導通。ライン28が低電位、トランジ
スタ18が非導通、ライン29が高電位、トランジスタ20が
導通、トランジスタ38および40が非導通。

第４状態：ライン26が高電位、トランジスタ14が導通、
ライン27が低電位、トランジスタ16が非導通、トランジ
スタ36および37が非導通。ライン28が高電位、トランジ
スタ18が導通、ライン29が低電位、トランジスタ20が非
導通、トランジスタ38および40が導通。

第１状態と第３状態とは同一であって、この第１および
第３の状態では、出力変圧器42を流れる電流を零値に減
少させる。第２状態および第４状態においては、出力変
圧器42の一次巻線41を流れる電流が零から増大する。第
２状態の期間では、出力変圧器42を通して流れる電流の
方向は、第４状態の期間中に出力変圧器42を通して流れ
る電流の方向とは逆方向である。それ故、出力変圧器42
の二次巻線43には交流電圧が誘起される。

第３図を参照すると、整流器としてのダイオード44、4
6、48および50が、それぞれ各出力トランジスタ38、3
6、37および40のコレクタとエミッタに負の高電圧が印
加されるのを防護している。抵抗器58、60及び62とそれ
ぞれ直列に接続されたコンデンサ52、54及び56とが、変
圧器22、24の各一次巻線21、23および出力変圧器42の一
次巻線41a及び41bに対するダンピング作用および直流阻
止作用を与えている。

各出力トランジスタ36、37、38及び40のベースとエミッ
タにそれぞれ並列に抵抗器64、66、68および70が接続さ
れているが、各抵抗器は各変圧器22および24の各二次巻
線32、33および34、35と各出力トランジスタ36、37、38
および40の各ベースとの間の直列抵抗を形成するもので
はない。これら抵抗器64、66、68及び70は、それぞれ漏
洩電流を流して、各出力トランジスタ38、36、37および
40のベースに逆電流が流れることを阻止して各出力トラ
ンジスタを保護する。すなわち、これらのベース・エミ
ッタ間抵抗器を通して流れる電流により、出力トランジ
スタ36、37、38および40の破壊電圧を超過しない電圧を
ベース・エミッタ間に発生する。

定電流源を形成させる１つの方法は、第３図に示す通り
である。非調整電源76に、抵抗器74を通してツェナダイ
オード72を接続する。ツェナダイオード72はその両端に
一定の電圧を発生する。従って、非調整電源76の電圧が
大きく変化しても、ツェナダイオード72の両端の電圧は
殆ど変化しない。従って各入力トランジスタ14、16、18
および20のベースは、ツェナダイオード72の端子電圧に
等しい一定な電圧レベルに維持される。コンデンサ78は
ツェナダイオード72の過渡的な電圧変化を平滑する。

各入力トランジスタ対14、16および18、20の各エミッタ
からそれぞれ定電流Ｉが流れる。抵抗器80および82の抵
抗値は等しく、各入力トランジスタ対14、16及び18、20
に定電圧を形成する。各抵抗器84、86、88および90は等
しい抵抗値を有し、各入力トランジスタ14、16、18及び
20をそれぞれバイアスしている。定電流Ｉの値は、ツェ
ナダイオード72の両端電圧からベース・エミッタ間電圧
と抵抗器86の両端電圧（無視可能な電圧）との和を減じ
た差電圧を、抵抗器80の抵抗値で割った商に等しい。

整流器としてのダイオード92および94は、各入力トラン
ジスタ対14、16及び18、20の１個のトランジスタを導通
させる。スイッチング回路を前記した４つの状態を繰り
返して作動させるためには、２個の入力線96および98が
必要なだけである。入力トランジスタ14及び20をバイア
スするために抵抗器100および102が使用される。ライン
27および28はツェナダイオード72の端子電圧レベルに維
持されるが、ライン26および29の電圧レベルは入力線98
および96上の信号によってそれぞれ変化する。入力線96
および98上の電圧は、接地電位と非調整電源96の電圧と
に切換わる。従って、ライン29の電圧からライン28の電
圧を差引いた電圧差は入力線96上の信号と同じであり、
ライン26の電圧からライン27の電圧を差引いた電圧差は
入力線98上の信号と同じである。

ライン26とライン27の電圧差が小さいと、入力トランジ
スタ14および16において高速の電流スイッチングを生じ
させることができる。同様に、ライン28とライン29の電
圧差が小さいと、入力トランジスタ18および19において
高速の電流スイッチングを生じさせることができる。入
力線96が高電圧である時は、入力トランジスタ20が導通
し、入力トランジスタ18は非導通である。入力線96が低
電圧である時は、入力トランジスタ18が導通し、入力ト
ランジスタ20は非導通である。入力線98が高電圧である
時は、入力トランジスタ14が導通し、入力トランジスタ
16は非導通である。入力線98が低電圧である時は、入力
トランジスタ16が導通し、入力トランジスタ14は非導通
である。

そこで、下記のことが解る。すなわち、入力線98上の電
圧変化は入力トランジスタ14および16の高速のスイッチ
ングを生じさせ、同様に、入力線96上の電圧変化は入力
トランジスタ18および20の高速のスイッチングを生じさ
せる。入力トランジスタ14および16がスイッチングする
と、出力トランジスタ38および40がスイッチングさせら
れ、また、入力トランジスタ18および20がスイッチング
すると、出力トランジスタ36および37がスイッチングさ
せられる。これら出力トランジスタ36、37、38および40
の作動によって、第２図に示すスイッチング回路の状
態、波形図を参照すると明らかなように、出力変圧器42
の一次巻線41a及び41bを電流がスイッチング毎に方向を
変えて流され、二次巻線43a、43b、43cに交流電圧を誘
起する。

発明の効果本発明によれば、スイッチング電源には定電流源が用い
られ、入力トランジスタと出力トランジスタとの間には
変圧器が電流結合して設けられているので、出力トラン
ジスタのベースへ定電流を供給および遮断でき、出力ト
ランジスタに電流が供給された時には急速に導通し、電
流が遮断された時には急速に非導通になり、ベースへの
電流値は変わらないので、ベース抵抗器を使用しなくて
も、出力トランジスタの導通及び非導通には実質的に影
響を与えなくなり、電力を消費するベース抵抗器がなく
なり、変圧器の一次巻線の中央タップに接続すべき電源
が、調整電源でなくともよくなる。従って、スイッチン
グ電源の効率が非常に向上し、また、調整電圧源等の高
価な装置を必要としなくなる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、出力変圧器に接続された本発明のスイッチン
グ回路の回路図である。第２図は、第１図のスイッチング回路の作動状態の波形
図である。第３図は、第１図に示したスイッチング回路の詳細な回
路図である。符号の説明 10……定電流源、12……定電流源、14……入力トランジ
スタ、16……入力トランジスタ、18……入力トランジス
タ、20……入力トランジスタ、22……変圧器、24……変
圧器、36……出力トランジスタ、37……出力トランジス
タ、38……出力トランジスタ、40……出力トランジス
タ、42……出力変圧器、72……定電流源用ツェナダイオ
ード。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】出力変圧器手段（42）を通して複方向に駆
動電流を発生するスイッチング装置において、それぞれが定電流を供給する、複数の定電流源手段（1
0,12）と、各対においてエミッタが相互に係合されている、複数の
エミッタ結合入力トランジスタ対（（14,16），（18,2
0））であって、各トランジスタ対が、対応する１つの
前記定電流源手段に接続されて、各入力トランジスタ対
毎に複数の入力トランジスタ出力を提供しており、過渡
期間を除いて、各入力トランジスタ対の前記入力トラン
ジスタ出力の一つが前記定電流の全てを出力し、各入力
トランジスタ対の他の入力トランジスタ出力は電流を全
く供給せず、各入力トランジスタ対の入力トランジスタ
出力の各々が順番に前記定電流を出力している、複数の
入力トランジスタ対（（14,16），（18,20））と、複数の変圧器手段（22,24）であって、それぞれが、前
記入力トランジスタ対の１つにその複数の入力トランジ
スタ出力を通して接続されて、複数の変圧器出力に前記
複数の入力トランジスタ出力を結合しており、各変圧器
出力が、前記定電流源手段（10,12）の前記定電流に比
例する比例定電流を供給している、複数の変圧器手段
（22,24）と、複数の出力トランジスタ手段（36,37,38,40）であっ
て、各々が、１つの前記変圧器手段（22,24）の前記複
数の変圧器出力に接続されており、該出力トランジスタ
手段の各々は、また、前記出力変圧器手段（42）に２つ
の極性から選択された１つの極性の電流を供給し且つ前
記変圧器手段（22,24）の１つの前記複数の変圧器出力
から前記比例定電流を受取るように、前記出力変圧器手
段（42）に接続されている、複数の出力トランジスタ手
段（36,37,38,40）とを具備することを特徴とするスイッチング装置。
【請求項２】前記複数の電流源手段（10,12）は、前記
入力トランジスタ対（14,16,18,20）に基準電圧を供給
するように該入力トランジスタ対に接続された基準電圧
源手段（72）と、該基準電圧源手段によって前記入力ト
ランジスタ対に定電流を流すように、それぞれが前記入
力トランジスタ対の１つに接続された複数の抵抗器手段
（80,82）とから成ることを特徴とする特許請求の範囲
第１項記載の装置。
【請求項３】各変圧器手段（22,24）は、前記定電流を
流すように、前記入力トランジスタ対（14,16,18,20）
の１つに接続された一次巻線手段（21,23）と、前記出
力トランジスタ手段（36,37,38,40）に定電流を供給す
るように、該出力トランジスタ手段に接続された複数の
二次巻線（32,33,34,35）とから成ることを特徴とする
特許請求の範囲第１項記載の装置。
【請求項４】各出力トランジスタ手段（36,37,38,40）
は、出力が結合されたトランジスタ手段（38/40,36/3
7）に構成されて前記変圧器手段（22,24）の１つと前記
出力変圧器手段（42）とに接続され、その出力変圧器手
段に複方向に電流を流すことを特徴とする特許請求の範
囲第１項記載の装置。