JPH07505996A - 電源スイッチのキャパシタンスを低減する回路装置 - Google Patents

電源スイッチのキャパシタンスを低減する回路装置

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JPH07505996A JP5518684A JP51868493A JPH07505996A JP H07505996 A JPH07505996 A JP H07505996A JP 5518684 A JP5518684 A JP 5518684A JP 51868493 A JP51868493 A JP 51868493A JP H07505996 A JPH07505996 A JP H07505996A
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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】 電源スィッチのキャパシタンスを低減する回路装置聚一旦五員 発明の分野: 本発明は、一般に、電源スィッチの実効キャパシタンス(容jl)を低減する回 路装置に関し、さらに詳細には、誘導子に対して直列に接続した電源スィッチの 実効容量を減少する回路装置に関する。
従来技術の説明: 当業者には周知のように、モータの巻線やリレーのような誘導性素子には、誘導 子に流れている電流を止めるため誘導子に直列接続したスイッチが開放した後で も、誘導子に電流が流れ続けるという固有の特性がある。誘導性素子のこの特性 は、代表的には、誘導子に並列にスナツバ−(snubber)回路(すなわち 誘導子に蓄えられたエネルギを散逸させる装置)を設けることにより補償するこ とができる。誘導子に直列にコンデンサが接続している場合、容量性および誘導 性素子が結合して、リンギング(すなわち共振振動)を生じる場合もある共振回 路装置を形成することになる。高周波に特に感度がいい回路において誘導子が用 いられている場合には、このリンギングは特に有害である。ある種の回路では、 回路のいくつかのパラメータを測定できるよう、高周波信号が回路に供給され、 誘導子を通過する。誘導性および容量性素子により生じた共振の結果として回路 に高周波が発生することは、このような種類の回路において特に不都合となるこ とがある。
発明者ハリスにより1991年2月20日に出願されかつ本出願人に3渡された 米国特許願第077658,482号には、モータの固定子巻線に高周波信号を 供給することによりスイノチド・レラクタンス・モータにおける回転子の位置を 決定する装置が示されている。各固定子ボール巻線に関する回転子ボールの位置 は、高周波供給信号の振幅と位相に作用し、これら結果の関数として回転子の位 置を決定することができる。この種の回路装置において、スイッチの容量が結合 コンデンサに並列に接続され、かつその結合容量に加えられ、回転子の位置を決 定するのに使用される共振周波数を設定する。モータの巻線対のインダクタンス は、回路の直列容量、すなわち意図的に設けられた結合コンデンサとスイッチの 寄生容量とともに作用し合う。信号は、スイッチ容量の動作変動により離調され る回路に供給される。さらに、信号は、各容量の値に分割される。スイッチ容量 を通過する信号は失われ、したがって検出プロセスの信号レベル、すなわちSN 比に悪影響を及ぼす。このスイッチに直列にダイオードを接続することは、実効 容量値を2桁以上減少する。
1991年12月24日に発行された発明者ハリスによる米国特許第5.075 .610号は、モータの動作中に消費されてしまうことになるエネルギを回復す る能力を有するスイノチド・レラクタノス・モータ制御回路を示している。スイ ッチド・レラクタンス・モータの回路は、各固定子@線の第2端部とそれに関連 した他の固定子巻線の第1端部との間の接続部分を有している。この接続の目的 は、主電源がら位相巻線を切り離した後に、位相巻線がらエネルギ蓄積装置に電 流を流すことである。スイノチド・レラクタンス・モータの位相巻線の誘導特性 のため、巻線を流れる電流は、@線が電源から切り離された時すぐには終了しな い。言い替えれば、誘導特性は、それに関係したスイッチの開放の後に電流が即 座に中止するのを妨害する。その継続電流は、他の固定子巻線の第1すなわち入 力端子における電圧を高めるため、キャパシタのようなエネルギ蓄積装置に送ら れる。
1986年9月2日に発行された発明者ウィリアムスによる米国特許第4.60 9.859号は、モータの各位相に関係した一対の巻線を有するフンダクン1ン ・モータ駆動回路を示している。各列の巻線は逆相に接続している。回路は、D cII源と、電源から関連する巻線に一方向にのみ電流を供給する各モータ巻線 に直列な各半導体スイッチと、スイッチをオフおよびオフに切替え、モータの速 度を変えるよう変化される周波数で交互に反対方向に各巻線対の巻線に電流を導 通させる周波数制御回路とから成っている。
誘導性素子を流れる1M流がオフおよびオフに切替えられる多くの用途において は、切替え機能は固体スイッチにより行なわれる。当業者には明白なように、電 源スィッチは、比較的大きい寄生容量を有している。電界降下形トランジスタ( FET)や絶縁ゲート形バイポーラ・トランジスタ(IGBT)は、通常、それ らの比較的低い寄生容量特性のため選択されているが、高電流供給能力を要する 用途においてこれらの半導体ディバイスを使用することは、半導体素子が、数ナ ノファラッドの相対的に問題となるような寄生容量になる比較的大きいンリコノ 領域から成ることを必要とする。半導体スイッチにおける寄生容量は、スイッチ が抵抗性、誘導性、容量性の負荷に関係して用いられる時、そのターン・オンお よびターン・オフ時間を遅らせる。誘導性負荷に関して用いられる場合、スイッ チの寄生容量は、誘導性負荷と結合して、スナツバ−回路網により減衰されなけ ればならない共振回路を構成する。素子のこの結合がら生じた高周波リンギング が減衰されない場合、それは、回路の動作中、黙認されなければならない。
′N源スイッチの寄生容量の影響を低減するための装置を設置した場合、半導体 電源スィッチが誘導性素子に直列に接続した電子回路装置を設計する上で非常に 有利となる。
二匪二旦! 本発明は、誘導性素子に直列に接続した電源スィッチの寄生容量の有害な影響を 低減する回路装置を提供する。誘導子に直列に接続される実効容量を減少するこ とにより、スイッチが開いている場合に生じる高周波リンギングは、手中パシタ ンスが減少された場合にかなり高い周波数を有する。この高い共振周波数により 、誘導子に供給されたスナツバ−回路網において用いられる素子はかなり小さく てすむ。
本発明の実施例による回路装置において、モータの固定子巻線のような誘導性素 子はスイッチに直列に接続し、がっ容量性素子は、誘導性素子とスイッチとの間 に直列に接続している。スイッチは、電界降下形トランジスタや、絶縁ゲート形 バイポーラや、または固有寄生容量を有する他のスイッチでもよい。誘導性素子 とスイッチの間に直列に接続した容量性素子は、本発明の一実施例ではダイオー ドである。
本発明の具体的な実施例では、スイッチが非導通、すなわち開放状態にある場合 に容量性素子における電圧電位を減少する装置がさらに設けられている。容量性 素子がダイオードの場合、ダイオードのカソードに電圧がかけられ、その容量を 減少するためダイオードを逆バイアスしている。半導体電源スイフチの寄生容量 に直列にダイオードの比較的小さい容量を加えることにより、回路装置の実効容 量は減少され、回路装置のその結果得られた共振周波数は、誘導性素子に供給さ れたインダクタンスの特定の値に関して増加される。
図面の簡単な説明 図面に関して実施例の説明を読むことにより、本発明を更に理解することができ る。
図1および図2は、当業者には周知の2つのスナツバ−回路装置を示している。
図3は、誘導性素子に直列に電源スィッチを配置した1つの詳細な回路を示して いる。
図4は、誘導性素子、i源スイッチ、スナツバ−回路の概要図を示している。
図5は、図4に示すような誘導性素子、電源スィッチ、スナツバ−回路と共に動 作する本発明の回路装置を示している。
図6は、本発明が含まれているモータ制御回路の詳細な回路を示している。
火獲一旦晟囲 実施例の説明において、同じ素子には、同じ参照番号が付されている。
図1は、電界効果形トランジスタのような電源スィッチ10が誘導性素子】2に 直列に接続している代表的な回路装置を示している。矢印■で示した回路装置の 方向に電流が流れている場合、誘導性素子12の固有の特性のため、スイッチ1 0が開いた時、回路を流れる電流は停止しない。誘導性素子がこのようにスイフ チに接続している代表的な用途では、通常、誘導性素子12にスナツバ−回路が 並列に設けられている。スナツバ−回路は、図1に示すように誘導性素子12と 並列に接続したダイオード14から成っている。または、スナツバ−回路は、図 2に示すように誘導性素子12に並列に接続したキャパシタ16と抵抗18の直 列構造であってもよい。図1および図2に示した回路装置は当業者には周知であ り、代表的には、誘導性素子に直列に電源スィッチを配置した回路において使用 される。
電源スィッチが誘導性素子と直列に接続している用途は沢山あるが、ある特定の 用途として、スイノチド・レラクタンス・モータのようなモータの制御回路があ る。図3は、スイッチド・レラクタンス・モータの固定子巻線を電源と電気的に 接続したり切り離したりして切替える特定のモータ制御回路を示している。図3 に示した特定の回路を用いた場合、モーフ巻線対A、 B%Cの固有の誘導特性 により、それに対応するスイッチが開いた後、巻線対を流れる継続的な電流が生 じる。この電流は、その後に接続した巻線対を流れる初期電流を増加する際にも っと後で使用するため、固定子巻線の他の対のキャパシタc1、C2、C3のよ うなキャパシタに流れる。DC電源2oのような電源は、導電路21.22.2 3によりスイッチド・レラクタンス・モータ3oの巻線に図示のように接続して いる。半導体電源スィッチSa、Ss、Scは、回転子位置センサ38から受信 した信号に応じて電源スイッチを開閉するモータ制御回路34により制御される 。
図3に示された回路の具体的な動作は、米国特許第5.0?5.610号におい て詳細に示されている。
図3に示すように、各半導体電源スィッチは、スイッチド・レラクタンス・モー タ30の3つの固定子巻線のそれぞれに直列に接続している。したがって、それ に関連した半導体電源スィッチが開放して、巻線がDC電源2oとともに回路を 完成できなくされる時、固定子巻線の固有誘導特性は、それに電流を流し続けよ うとする。
図4は、誘導性素子12に直列に接続した電源スイッチ1oの代表的な回路を示 している。誘導性素子12は、モータ巻線またはリレーの一部であってもよい。
スナツバ−回路40はブロック図でしか示されていない。参照番号44は電源ス ィッチのドレイノ接続を示すのに使用され、参照番号46は電源スィッチのソー ス接続を示すのに使用され、参照番号5oは電源スィッチのゲート接続を示すの に使用されている。半導体電源スィッチ10の内部構造のために、ドレイン44 とゲート50の間に寄生容量が存在し、またドレイン44とソース46の間にも 寄生容量が存在している。これら2つの寄生容量は、ゲートが制御回路を介して グランドに接続する時、互いに並列に接続し、したがって、誘導性素子12に直 列に接続した全スイッチ容量となるよう加えられる。前述した理由のため、誘導 性素子12のインダクタンスと電源スイッチ10の容量が組み合わさって、直列 共振回路を形成する。この回路は、電源スィッチが開放して、誘導子に流れる電 流を停止する時、有害なリンギングを生じる場合がある。
誘導性素子の回路装置におけるリンギングの問題を低減するため、本発明は、電 源スィッチlOに直列に容量性素子を付加し、さらにこの付加素子の容量を低減 する装置を設けている。図5の本発明の実施例は、誘導性素子12に直列にダイ オード60を配置し、またダイオード60のカソード61に電圧をかけてダイオ ードを逆バイアスしている。ダイオードに逆バイアスをかけることにより、その 実効容量は大幅に低減する。ダイオード60のカッ−ドロ1は、適切な大きさの 抵抗66を介して電圧源■、に接続し、逆バイアスがかけられている。
図5において、回路の様々な素子の実効容量を示すのにダノ/ユ・ラインを用い ている。たとえば、電源スィッチ10のドレイン44とゲート50の間の容量は 、ダノ/、S・ライ/CoC,で表され、電源スィッチIOのドレイン44とソ ース46の間の実効容量は、ダノンユ・ラインCDIで表されている。前述した ように、これら2つの容量は、互いに並列に接続しているので、次のような式で 表すことができる。
Cp*=Co*Co。 (1) CPIは、負荷により検知される等価スイッチの容量である。ダイオード60の 実効容量は、ダ//二・ラインC8で表される。ダイオード60の容量が電源ス ィッチlOの全容Iに直列に接続しているので、2つの容量は、以下に示すよう に、誘導性素子12に直列に接続した実効全容量を生じるよう相互に加えられる 。
Ct = (C□Co )/ (C,+cm) (2)前述したように、ダイオ ード60のカソードに電圧をかけることは、ダイオードの逆バイアスの結果とし て、ダイオード60の容量を低減する。電圧V、の大きさが、誘導性素子12の 下端部100の電圧より大きい約10ポル)DCの場合に、ダイオード60の容 量が適切に低減されることになる。なお、誘導性素子12の下端部100の電圧 に関する電圧V、の変化により、容量を同調することができ、かつダイオード6 0と電源スィッチ10との容量結合と誘導性素子12から成る直列誘導性容量性 回路の特別な共振周波数を得るのに要する容量値を精密に整合することができる 。
図5において、電源スイフチ10のゲート接続部5oは、代表的には、図5の装 置がモータを備えかつ誘導性素子12がモータの固定子巻線である場合、図3に 示すようなモータの制御回路34に接続している。さらに、誘導性素子12の下 端部+00に接続した電圧源は、代表的には、図3に示すような電池であるか、 または誘導性素子の上端部にDC11圧電位■をかけることができる何か他の適 切な電源でもよい。
図6は、図3に示したようなモータ制御回路に適用される本発明の一実施例を示 している。導電素子12として認識されるような1つの結合された固定子巻線は 、DC電源20に接続している。誘導性素子12の一端は、電源の接地端子に切 替え可能に接続している。電源スィッチ1oは、msから誘導性素子12を接続 したりまた切り離したりすることができる。モータ制御回路34は、電源スィッ チ10のゲート接続部50に接続し、適当な回転子位置センサ38から受信した 信号に応じて動作する。電源スィッチ1oが閉じている場合、矢印■に示すよう にD’C1i源20から誘導性素子12に電流が流れる。電源スィッチ1oが開 いて、誘導性素子に流れる電流が中断された場合、ライン93がダイオード6o のカソード端を抵抗66を介してDC電圧電位源に接続する。ダイオード6oの カソード端の電圧電位は、ダイオード60のアノード端の電圧電位より高い。こ の逆バイアスは、前述したようにダイオード6oの寄生容量を大幅に減少するよ う働く。電源スィッチの実効容量に直列接続したダイオード6oのこの減少され た容量は、誘導子に直列接続した全容量をかなり減少する。それに直列接続した インダクタンスの特定な値に関して、この容量の減少は結合した直列LC回路の 共振周波数を高める。
本発明は、特定の実施例に関して述べているが、本発明は、本発明の思想に基い て様々に改変できることは明白であろう。
訂正明細書 誘導性負荷に関して用いられる場合、スイッチの寄生容量は、誘導性負荷と結合 して、スナツバ−回路網により減衰されなければならない共振回路を構成する。
素子のこの結合から生じた高周波リンギングが減衰されない場合、それは、回路 の動作中、黙認されなければならない。
ポレスタ・マグネトロニック社によるヨーロッパ特許第0242456号は、誘 導性素子と、誘導性素子に直列に接続した固体ス付チと、ダイオードと接地電位 の回路−1の間に接続したスイ1チと誘導性素子との間に直列に接続したダイオ ードとから成る回路装置を示している。ダイオードがスイッチの容量に直列な容 量を生じるので、それは、誘導性素子に直列に接続した全容量を減少する・電源 スィッチの寄生容量の影響を低減するための装置を設置した場合、半導体1に源 スイッチが誘導性素子に直列に接続した電子回路装置を設計する上で非常に有利 となる。
1丑2塁! 本発明は、誘導性素子に直列に接続した電源スィッチの寄生容量の有害な影響を 低減する回路装置を提供する。誘導子に直列に接続した実効容量を減少すること により、スイッチが開いている場合に生じる高周波リンギングは、容量が減少さ れた#A会にかなり高い周波数を有する。この高い共振周波数により、誘導子に 供給されたスナツバ−回路網において用いられる素子はかなり小さくてすむ。
本発明の実施例による回路装置において、モータの固定子巻線のような誘導性素 子はスイッチに直列に接続し、かつ容量性素子は、誘導性素子とスイ・yチとの 間に直列に接続している。スイッチは、電界降下形トランジスタや、絶縁ゲート 形バイポーラや、または固有寄生容量を督する他のスイッチでもよい。誘導性素 子とスイッチの間に直列に接続した容量性素子は、本発明の一実施例ではダイオ ードである。
本発明の実施例では、スイッチが非導通、すなわち開放状預にある場合にダイオ ードにおける電位を減少する装置がさらに設けられている。ダイオードのカソー ドにおける電位は、その容量を減少するためダイオードを逆バイアスしている。
半導体電源スィッチの寄生容量に直列にダイオードの比較的小さい容量を加える ことにより、回路装置の実効容量は減少され、回路装置のその結果得られた共振 周波数は、誘導性素子に供給されたインダクタンスの特定の値に関して増加され る。
隨皿1茎二艮皿 1、誘導性素子と、 上記誘導性素子に直列に接続したスイッチと、上記誘導性素子と上記スイッチに 直列に接続した容量性素子と、上記スイッチが導通していない場合、上記容量性 素子のカソードにおける電位を上記容量性素子の7ノードの電位より高くする装 置と、から成ることを特徴とする回路装置。
2、請求項1記載の回路装置において、上記スイタチは電界降下形トランジスタ であることを特徴とする回路装置。
3.請求項1記載の回路装置において、上記スイッチは絶縁ゲート形l<イボー ラ・トランジスタであることを特徴とする回路装置。
4、請求項1記載の回路装置において、上記容量性素子はダイオードであること を特徴とする回路装置。
5 請求項4記載の回路装置において、上記ダイオードのアノードは上記誘導性 素子に接続していることを特徴とする回路装置。
6、請求項1記載の回路装置において、上記スイッチは、上記容量性素子と接1 tl!電位の回路点の間に接続していることを特徴とする回路装置。
7、請求項1記載の回路装置において、上記スイッチが非導通状態にある場合、 上記容量性素子のアノードの電位に関し上記容量性素子における電位を減少する 装置をさらに有していることを特徴とする回路装置。
8、請求肥1記載の回路装置において、上記誘導性素子はモータの固定子巻線で あることを特徴とする回路装置。
9、請求項1記載の回路装置において、上記誘導性素子はリレーであることを特 徴とする回路装置。
10 誘導性素子と、 上記誘導性素子に直列に接続したスイッチと、上記誘導性素子と上記スイッチの 間に直列に接続したダイオードと、上記スイッチの開放に応じて、上記ダイオー ドのカソードの電位を上記ダイオードのアノードの電位より高くする装置と、か ら成ることを特徴とする回路装置。
11、請求項1O記載の回路装置において、上記ダイオードの7ノードは上記誘 導性素子に接続していることを特徴とする回路装置。
12、請求項11記載の回路装置において、上記スイッチは、上記ダイオードと 接地電位の回路点との間に接続していることを特徴とする回路装置。
13、請求項12記載の回路装置において、上記スイッチが非導通状態にある場 合、ダイオードの7ノードにおける電位に関し上記ダイオードにおける電位を減 少する装置をさらに有していることを特徴とする回路装置。
14、請求項13記載の回路装置において、上記誘導性素子はモータの固定子巻 線であることを特徴とする回路装置。
15、請求項14記載の回路装置において、上記モータはスイッチド・レラクタ ンス・モータであることを特徴とする回路装置。
16、請求項13記載の回路装置において、上記誘導性素子はリレーであること を特徴とする回路装置。
】7.請求項15記載の回路装置において、上記スイッチは絶縁ゲート形バイポ ーラ・トランジスタであることを特徴とする回路装置。
1B、請求項12記載の回路装置において、上記スイッチが上記ダイオードと接 地電位の上記回路点との間で十分には導通していない場合、上記ダイオードを逆 バイアスする装置をさらに有していることを特徴とする回路装置。
19、請求項18記載の回路装置において、上記スイ・ノチが非導通状態の場合 、上記ダイオードのアノードにおける電位に関し上記ダイオードのカソードの電 位を減少する装置をさらに冑していることを特徴とする回路装置。
20、請求項19記載の回路装置において、上記誘導性素子はスイッチド・レラ クタンス・モータの固定子巻線であることを特徴とする回路装置。
国atii査舖失 フロントページの続き (81)指定国 EP(AT、BE、CH,DE。
DK、ES、FR,GB、GR,IE、IT、LU、MC,NL、PT、SE) 、0A(BF、BJ、CF、CG、CI、CM、GA、GN、ML、MR,NE 、SN。
TD、 TG)、 AU、 BB、 BG、 BR,CA、 CZ。
FI、HU、JP、KP、KR,KZ、LK、MG、MN、 MW、 NO,N Z、PL、RO,RU、SD、SK、UA、VN

Claims (20)

    【特許請求の範囲】
  1. 1.誘導性素子と、 上記誘導性素子に直列に接続したスイッチと、上記誘導性素子と上記スイッチに 直列に接続し、かつダイオードである容量性素子と、 上記スイッチが導通している場合、上記ダイオードのカソードにおける電圧電位 を上記ダイオードのアノードの電圧電位より高くする装置と、から成ることを特 徴とする回路装置。
  2. 2.請求項1記載の回路装置において、上記スイッチは電界降下形トランジスタ であることを特徴とする回路装置。
  3. 3.請求項1記載の回路装置において、上記スイッチは絶縁ゲート形バイポーラ ・トランジスタであることを特徴とする回路装置。
  4. 4.請求項1記載の回路装置において、上記容量性素子はダイオードであること を特徴とする回路装置。
  5. 5.請求項4記載の回路装置において、上記ダイオードのアノードは上記誘導性 素子に接続していることを特徴とする回路装置。
  6. 6.請求項1記載の回路装置において、上記スイッチは、上記容量性素子と接地 電位点の間に接続していることを特徴とする回路装置。
  7. 7.請求項1記載の回路装置において、上記スイッチが非導通状態にある場合上 記容量性素子における電圧電位を濠少する装置をさらに有していることを特徴と する回路装置。
  8. 8.請求項1記載の回路装置において、上記誘導性素子はモータの固定子巻線で あることを特徴とする回路装置。
  9. 9.請求項1記載の回路装面において、上記誘導性素子はリレーであることを特 徴とする回路装置。
  10. 10.誘導性素子と、 上記誘導性素子に直列に接続したスイッチと、上記誘導性素子と上記スイッチの 間に直列に接続したダイオードと、上記スイッチの開放に応じて、上記ダイオー ドのカソードの電圧電位を上記ダイオードのアノードの電圧電位より高くする装 置と、から成ることを特徴とする回路装置。
  11. 11.請求項10記載の回路装置において、上記ダイオードのアノードは上記誘 導性素子に接続していることを特徴とする回路装置。
  12. 12.請求項11記載の回路装置において、上記スイッチは、上記容量性素子と 接地電位点との間に接続していることを特徴とする回路装置。
  13. 13.請求項12記載の回路装置において、上記スイッチが非導通状態にある場 合、上記容量性素子における電圧電位を液少する装置をさらに有していることを 特徴とする回路装置。
  14. 14.請求項13記載の回路装置において、上記誘導性素子はモータの固定子巻 線であることを特徴とする回路装置。
  15. 15.請求項14記載の回路装置において、上記モータはスイッチド・レラクタ ンス・モータであることを特徴とする回路装置。
  16. 16.請求項13記載の回路装置において、上記誘導性素子はリレーであること を特徴とする回路装置。
  17. 17.請求項15記載の回路装置において、上記スイッチは絶縁ゲート形バイポ ーラ・トランジスタであることを特徴とする回路装置。
  18. 18.誘導性素子と、 上記誘導性素子に直列に接続した固体スイッチと、上記誘導性素子と上記スイッ チの間に直列に接続したダイオードと、上記ダイオードと上記接地電位点の間で 十分には導通していない場合、上記ダイオードを逆バイアスする装置と、 から成り、上記ダイオードのアノードは上記誘導素子に接続し、上記スイッチは 、上記ダイオードと接地電位の回路点の間に接続していることを特徴とする回路 装置。
  19. 19.請求項12記載の回路装置において、上記スイッチが非導通状態の場合、 上記容量性素子の電圧電位を原少する装置を更に有していることを特徴とする回 路装置。
  20. 20.請求項19記載の回路装置において、上記誘導性素子はスイッテド・レラ クタンス・モータの固定子巻線であることを特徴とする回路装置。
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