JPH09502598A - 能動スイッチおよび能動制御回路を有するブリッジ整流回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ブリッジ整流回路は４つの整流素子の少なくとも２つに対し能動スイッチを使用し、且つ能動スイッチの導通状態を制御する能動制御回路を用いる。この能動制御回路はブリッジ整流回路の交流入力端子から入力を受けるとともにブリッジ整流回路の直流出力により給電され、且つ制御出力を能動スイッチに供給する。斯様にして性能が改善され且つ電力消費を低減したブリッジ整流回路を得るようにする。

Description

【発明の詳細な説明】 能動スイッチおよび能動制御回路を有するブリッジ整流回路 発明の技術分野 本発明はブリッジ整流回路、特に能動スイッチング素子を有するブリッジ整流 回路に関するものである。 発明の背景 代表的な従来のブリッジ整流回路は２つの交流入力端子および２つの直流出力 端子を有するブリッジ構体に４つのダイオードを用いて交流入力電圧を直流出力 電圧に変換するようにしている。かかるブリッジ整流回路を最も普通に使用する 場合には電力ラインからの交流入力電圧を直流電圧に変換し、次いでこの直流電 圧をフィルタ処理して電子回路に電力を供給するために用いるようにする。 簡単な４ダイオード型のブリッジ整流回路はその意図する機能を好適に果たし ているが、特に高電流の用途において多数の欠点がある。即ち、各ダイオードの 両端間には固有の順方向電圧降下（代表的には０．７ボルトまたはそれ以上）が あるため、特に大電流が流れるブリッジ整流回路で多量の電力が消費されるよう になる。この不所望な電力消費のため、大型の構成部品を使用する必要があり、 従って不所望な熱を発生し、その結果、集積回路の用途において特に厄介な欠点 が生ずるようになる。 これらの欠点を除去するために、従来のブリッジ整流回路のダイオードの少な くとも２つと置換してＭＯＳトランジスタを用いるようにしたブリッジ整流回路 が開発されている。この用途においてダイオードの代わりにトランジスタを用い る場合には、ＭＯＳトランジスタはその導通時の電圧降下が充分に低く（０.３ −０.２ボルト程度）、従ってダイオード整流器に比較して電力消費および発熱 を少なくする利点がある。 しかし、ＭＯＳトランジスタを整流素子として用いる場合には追加の回路を設 けてトランジスタを適当な時間に導通状態および非導通状態とする必要がある。 従来この機能はＭＯＳトランジスタのゲートを交流入力電圧端子に直接または受 動素子の回路網を経て接続することによって達成し、従ってＭＯＳトランジスタ を適宜にスイッチングする簡単且つ当を得た有効な制御電圧源を提供するように している。しかし、この技術によれば高電圧から低電圧まで徐々に遷移する正弦 波制御電圧を発生するため、ＭＯＳトランジスタは有効にスイッチングすること ができず、かつデューティサイクルの大部分中、部分的にのみ導通状態となる。 この結果デューティサイクルのこの大部分中、オン抵抗が比較的高くなり、従っ て電力消費が高くなり、整流素子としてダイオードの代わりにＭＯＳトランジス タを用いることにより得られる利点が著しく低減されるようになる。さらに、Ｍ ＯＳトランジスタの可変抵抗のために回路に大電流を流す場合に出力波形に不所 望な“グリッチ”が生ずるようになる。 従って、電圧降下、電力消費、発熱および出力波形の“グリッチ”の全てを最 小とするブリッジ整流回路が望まれる。 発明の概要 従って、本発明の目的は電力消費、発熱、電圧降下および出力波形の不所望な “グリッチ”を最小とするためにスイッチング効率の大きな能動制御回路を用い るようにしたＭＯＳトランジスタのような能動スイッチを有するブリッジ整流回 路を提供せんとするにある。 本発明の他の目的は設計が比較的簡単且つコンパクトで、比較的経済的に製造 し得る上述した利点を有するブリッジ整流回路を提供せんとするにある。 本発明によれば、これらの目的は、整流素子の少なくとも２つを能動スイッチ とし、これら能動スイッチの状態を制御する能動制御回路を設ける新規なブリッ ジ整流回路によって達成することができる。制御回路はブリッジ整流回路の交流 入力端子から入力を受けて能動スイッチに制御出力を発生するとともにブリッジ 整流回路の直流出力端子から給電される。 本発明の好適な例では、低直流電位にあるブリッジ整流回路の２つの整流素子 をＭＯＳトランジスタとし、そのゲートに制御回路の出力を供給する。 本発明の他の好適な例では、制御回路を低直流電位の基準電圧に対し交流入力 端子の少なくとも一方のレベルを感知する比較回路で構成する。この比較回路は ブリッジ整流回路の直流出力端子間に結合された主電流路およびダイオードを経 て整流回路の一方に結合された制御電極を有するバイポーラトランジスタで構成 することができる。 本発明ブリッジ整流回路を高電圧の用途に用いる場合には電圧調整回路を設け て直流出力端子から取出した調整直流電圧を比較回路に供給し得るようにするの が有利である。図面の簡単な説明 図１は本発明ブリッジ整流回路の構成を示すブロック図、 図２は本発明ブ リッジ整流回路の第１例の構成を示すブロック図、 図３は本発明ブリッジ整流回路の第２例の構成を示すブロック図、 図４は図２のブリッジ整流回路に用いるに好適な比較回路の構成を示すブロッ ク図、 図５は図３のブリッジ整流回路に用いるに好適な比較回路の構成を示す ブロック図、 図６は図２および図３のブリッジ整流回路に用いるに好適な電圧 調整器の構成を示す回路図である。 発明を実施するための最良の形態 本発明ブリッジ整流回路１０を図１にブロック図で示す。このブリッジ整流回 路には交流入力端子２８、３０および直流出力端子３２、３４間にブリッジ形態 で接続された４つの整流素子２０、２２、２４および２６を設ける。交流入力信 号源３６、代表的には交流幹線電圧入力源、を交流入力端子２８および３０間に 接続し、フィルタコンデンサ３８および抵抗負荷４０を代表的には直流出力端子 ３２および３４間に接続する。 本発明によれば、整流素子のうち２個、この場合には直流出力端子３４の低直 流電位に結合された整流素子２４および２６を整流素子２０および２２のような 従来のダイオードとは相違してＭＯＳトランジスタとする。 ＭＯＳトランジスタ２４および２６はダイオード２０および２２とは相違して その状態を設定するために制御信号を必要とするため、本発明ではその目的のた めに能動制御回路４２を設ける。図１にブロック図で示す制御回路４２は交流入 力端子２８および３０から入力を受けて制御出力信号をＭＯＳトランジスタ２４ および２６に供給する。これらＭＯＳトランジスタ２４および２６はブリッジ整 流回路の能動スイッチとして用いる。交流入力信号を能動スイッチに直接または 受動素子を介して結合するようにした従来のブリッジ整流回路とは相違して、制 御回路４２は交流入力信号を処理するとともにフィードバック回路配置を用いて その供給電圧を直流出力端子３２および３４から取出す能動回路である。直流出 力端子から給電される能動制御回路を用いることによって回路動作を充分改善す ることができる。 本発明による制御回路は種々の異なる形態で実施することができ、且つブリッ ジ整流回路の４つの整流素子全部をＭＯＳトランジスタ２４および２６のような 能動スイッチで構成し得ることは明らかであり、この場合には能動制御回路４２ によって４つの整流素子の全部に入力を供給する。説明の便宜上、２つの特定の 制御回路の例を図２および図３に示し、その他の回路の詳細を図４，図５および 図６に示す。図２および図３において、図１に示す回路素子と同一部分には同一 符号を付して示す。また、交流信号源３６は便宜上省略した。 図２は能動制御回路４２が一対の比較回路４４および４６を具える本発明によ るブリッジ整流回路１２の第１例を示す。比較回路４４は、その非反転入力端子 を交流入力端子３０に結合するとともにその反転入力端子を直流出力端子３４（ 接地点）に結合し、かつ制御信号をＭＯＳトランジスタ２４に供給する。同様に 、比較回路４６は交流入力端子２８から非反転入力を受け、その反転入力端子を 直流出力端子３４（接地点）に結合し、その出力端子をＭＯＳトランジスタ２６ に接続する。比較回路４４および４６は双方とも能動回路とするとともに直流出 力端子３２へのフィードバック接続により給電する。 図３に示す本発明の他の 例では、ブリッジ整流回路１４は比較回路４８および５０を具え、その非反転入 力端子を直流出力端子３４（接地点）に接続し、その反転入力端子を交流入力端 子２８および３０にそれぞれ接続し、その出力端子を図３に示すようにＭＯＳト ランジスタ２４および２６にそれぞれ接続する。また、これら比較回路４８およ び５０も直流出力端子３２へのフィードバック接続により給電される能動回路と する。 図２および図３に示す比較回路は種々の形態とし得るが、比較回路４４および ４６に対する回路構成を図４に示すようにするとともに比較回路４８および５０ に対する回路構成を図５に示すようにするのが有利である。 図４は単一段の正利得比較回路を示し、これにより入力ダイオード５２の存在 に起因するブレークダウンを生ずることなく正の入力端子に高電圧を発生させる ことができる。比較回路には共通ベース構成で接続され且つ抵抗５６，５８およ び６０によりＶＣＣ端子および直流出力端子３４（接地点）間に結合されたｎｐ ｎ型バイポーラトランジスタ５４を追加的に設ける。さらに、バイポーラトラン ジスタ５４のベースはダイオード６２，６４および（必要に応じ）６６を経て接 地し、回路の出力をバイポーラトランジスタ５４のコレクタから取出す。 図３において比較回路４８および５０として用いられるものと同様の回路構成 を図５に示す。この回路では、（任意の）ダイオードと直列に設けられた阻止ダ イオード６８を用いて比較回路の反転入力端子に現われる高い正の電圧を阻止す るとともに抵抗７４および７６によりＶＣＣ端子および直流出力端子３４（接地 点）間に結合された単一段の負利得比較回路にｎｐｎ型バイポーラトランジスタ ７２を接続し、回路の出力をバイポーラトランジスタ７２のコレクタから取出す 。 ブリッジ整流回路を比較的低い電圧の用途に使用する場合には図４および図５ の比較回路の端子ＶＣＣを図２および図３の回路の正の直流出力端子３２に直接 接続することができる。しかし、高電圧用途に対しては図４および図５の回路に 対して減少され、好適には調整された供給電圧ＶＣＣを供給する必要があり、こ の目的のため、図６に示す調整回路のような簡単な電圧調整回路を用いることが できる。この回路では、直流出力端子３２および３４間に直列に抵抗７８および ツェナーダイオード８０を接続し、調整された出力電圧ＶＣＣ（代表的には１０ 乃至１５ボルトの範囲）をこれら２つの素子間の共通接続点８２から取出す。 本発明回路の作動に当たり図１につき説明するに、能動制御回路４２はその制 御入力端子を交流入力端子の結合して交流入力電圧の状態を感知するとともに直 流出力端子３２および３４から給電される能動制御回路を用いてＭＯＳトランジ スタ２４および２６のゲートに適宜の出力信号を供給してその導通状態を制御す る。実際上、ＭＯＳトランジスタ２４および２６は能動制御回路４２により制御 されて、交流入力端子から入力を取出す受動制御回路によって制御されるｐｎ接 合ダイオードまたはＭＯＳトランジスタよりもオン−抵抗が低くスイッチング回 数が早いほぼ理想的なダイオードとして作用する。 特に、図２に示すように、能動制御回路は一対の比較回路を具え、各比較回路 はその反転入力端子を接地するとともに非反転入力端子を交流入力端子２８およ び３０の一方に交差結合する。作動に当たり、交流入力端子２８の電圧がスレシ ホルド電圧値よりも高い場合には比較回路４６はＭＯＳトランジスタ２６のゲー トに正の出力信号を供給することによりこのＭＯＳトランジスタ２６を迅速且つ 完全に導通状態とする。これと同時に、交流入力端子３０の電圧がスレシホルド 電圧値よりも低くなり、比較回路４４はＭＯＳトランジスタ２４のゲートに低い 信号を供給することによりこのトランジスタ２４を非導通状態とする。交流入力 端子２８および３０の電圧の極性が正弦波交流入力波形の次の点で逆になると、 ＭＯＳトランジスタ２４および２６の導通状態も逆になる。これがため、各比較 回路のトランジスタ対（４４、２４および４６、２６）はほぼ理想的なダイオー ドブリッジ素子として作動し、慣例のｐｎ接合ダイオードのように導通状態か非 導通状態に切換わるが、交流入力端子に存在する徐々に変化する正弦波状波形よ りもむしろ比較回路からの処理された能動信号を使用することによりＭＯＳトラ ンジスタのオン−抵抗が低くなり、且つスイッチング回数が速くなる。 図３に示す例では、各比較回路はその非反転入力端子を接地し、反転入力端子 を交流入力端子に結合する。この交流入力端子は上記比較回路により制御されて いるＭＯＳトランジスタにも接続されている。この例では交流入力端子２８の正 電圧によって比較回路４８からの低出力電圧をＭＯＳトランジスタ２４のゲート に供給し、これによりこのトランジスタを導通状態とするが、交流入力端子３０ の対応する負電圧は比較回路５０の出力電圧を高くしてＭＯＳトランジスタ２６ を導通状態とし、従って交流入力端子２８および３０の交流電圧の極性が反転す ると両トランジスタ２４および２６の導通状態を切換える。比較回路のトランジ スタ対が理想的なダイオードとして作動し適宜の回数で高導通状態から低導通状 態に切換わり、従来の回路よりもオン−抵抗を低くし、スイッチング特性を迅速 にする。 図２の比較回路として用いるに好適な回路例をず４に示す。図２の比較回路４ ４および４６は（ブリッジ整流回路を高電圧の用途に用いる場合には）動作サイ クルの一部分中その非反転入力端子に比較的高い正の入力電圧を受けるため、図 ４の比較回路の非反転入力端子に高電圧阻止ダイオード５２を設け、このダイオ ードを正の入力電圧に対しては逆バイアスして回路の残部をブレークダウンから 防止する。従って、非反転入力端子への正の入力に対しては比較回路の出力端子 ＯＵＴを高電圧とするが、非反転入力端子の負の入力に対しては電流がトランジ スタ５４のベース−エミッタ接合を経て流れ出力端子ＯＵＴの電圧を低電圧状態 とする。必要に応じ設けるダイオード６６を回路から省略する場合にはダイオー ド６２および６４の順方向電圧降下によってトランジスタ５４のベース−エミッ タ電圧の順方向電圧降下とダイオード５２の電圧降下との和の電圧降下を相殺し てスレシホルド電圧をほぼ零とする。所望に応じ、比較回路のスレシホルド電圧 にオフセットを加えるためには図示の回路にダイオード６６を加えて交流入力端 子２８および３０の交流入力電圧が零に近づく際にＭＯＳトランジスタ２４およ び２６が同時に作動するのを防止する。 図３に示すブリッジ整流回路に対しては、比較回路４８および５０に対し図５ に示す回路のような回路を用いることができる。この例では、比較回路の反転入 力端子はある用途で高電圧を受けるとともに阻止ダイオード６８によって回路の 残部をかかる状態のもとでの損傷から保護する。この回路では負（反転）入力端 子の正の入力によってトランジスタ７２のベースの電圧を高電圧とし、従ってこ のトランジスタを導通状態として出力端子ＯＵＴの電圧を低電圧とするが、反転 入力端子の低入力によってトランジスタ７２のベースに低電圧を発生させ、これ により出力端子ＯＵＴを高電圧状態にする。必要に応じ設けるダイオード７０を 省略する場合にはダイオード６８の両端間の電圧降下およびトランジスタ７２の ベース−エミッタ接合の両端間の電圧降下を無くし、従って比較回路のスレシホ ルド電圧を零とする。しかし、ダイオード７０を回路に含める場合には意図的に オフセットを導入して入力電圧の零交差点においてＭＯＳトランジスタ２４およ び２６が同時に作動するのを防止する。 最後に図２および３に示す比較回路は正の直流出力端子３２に直接接続された 正の給電端子を有するものとして示したが、この電圧は高電圧ブリッジ整流回路 に対しては高すぎる。かかる場合には図４および５に示される比較回路の正の給 電端子ＶＣＣを図６に示す簡単な電圧調整回路の端子ＶＣＣに接続することがで き、これにより抵抗７８およびツェナーダイオード８０間の接合に一定の調整さ れた電圧ＶＣＣ（代表的には１０ボルト乃至１５ボルト）を供給する。この簡単 な電圧調整回路によって比較回路の回路素子およびＭＯＳトランジスタのゲート が高電圧ブリッジ整流回路の用途でブレークダウンするのを防止する。 これがため、本発明によればスイッチング効率の大きな能動制御回路を用いて 電力消費、発熱、電圧降下および出力波形の不所望な“グリッチ”を最小とする ようにした、比較的簡単且つ簡潔で比較的経済的に製造し得るＭＯＳトランジス タのような能動スイッチを有するブリッジ整流回路を提供することができる。本 発明の特定な利点は上述した回路の全部が何等個別のまたは外部素子を設ける必 要なく集積回路形態に製造できることである。 本発明は上述した例にのみ限定されるものではなく、要旨を変更しない範囲内 で種々の変形や変更を行うことができる。これがため、例えば、図４および５に 示す比較回路に対し異なる回路構成を用いることができ、且つ、図２および３に 示す回路以外の能動的に制御される能動スイッチブリッジ整流回路の異なる形態 のものを用いることができる。最後に上述した所と同様の能動的に制御される能 動スイッチブリッジ整流回路をｐｎ接合ダイオード２０および２２に代えて用い てブリッジ整流回路の４つの素子全部が能動制御およびスイッチングを行い得る ようにすることができる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．２つの交流入力端子および２つの直流出力端子を有するブリッジ構体に４つ の整流素子を具えるブリッジ整流回路であって、整流素子の少なくとも２つは能 動スイッチおよびこれら能動スイッチの導通状態を制御する能動制御回路を具え 、この制御回路の制御入力端子を前記交流入力端子に結合し、制御出力端子を少 なくとも２つの能動スイッチに結合し、この制御回路を前記直流出力端子に結合 してこれから給電するようにしたことを特徴とするブリッジ整流回路。 ２．前記整流素子のうちの２つは能動スイッチを具え、各能動スイッチを前記交 流入力端子の一方および前記２つの直流出力端子のうちの低い直流電位にある方 の出力端子との間に結合することを特徴とする請求項１に記載のブリッジ整流回 路。 ３．前記能動スイッチはＭＯＳトランジスタを具え、且つ前記制御出力を前記Ｍ ＯＳトランジスタのゲートに結合するようにしたことを特徴とする請求項２に記 載のブリッジ整流回路。 ４．前記制御回路は基準電圧に対し前記交流入力端子の少なくとも１つのレベル を感知する比較回路を具えることを特徴とする請求項３に記載のブリッジ整流回 路。 ５．前記基準電圧を低い直流電位とすることを特徴とする請求項４に記載のブリ ッジ整流回路。 ６．前記比較回路は前記直流出力端子間に結合された主電流通路およびダイオー ドにより前記制御回路の１つに結合された制御電極を有するバイポーラトランジ スタを具えることを特徴とする請求項４に記載のブリッジ整流回路。 ７．前記出力端子から取出した調整された直流電圧を供給する電圧調整回路をさ らに具えることを特徴とする請求項１に記載のブリッジ整流回路。