JPS586333B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はスイッチング回路のスイッチング時間の改良、
特に電力変換装置における主スイッチング半導体素子の
蓄積時間を確実かつ大幅に短縮し得る機能を備えた回路
に関する。

最近、装置の小型化などを目的としてインバータ、ＤＣ
−ＤＣコンバータの様な電力変換装置の変換周波数を高
周波化する傾向があり、一般にこのためにスイッチング
トランジスタのターンオフ時における蓄積時間を短縮し
て該トランジスタを高速度でスイッチング動作させるこ
とが行われている。

先ず、この様な蓄積時間を短縮する機能を有した従来の
電流帰還型の電力変換装置を第１図により説明すると、
１は主スイッチング半導体素子として用いられるトラン
ジスタ、２はトランジスタ１のオン、オフ駆動する駆動
スイッチング半導体素子として用いられるトランジスタ
、３は入力巻線ｎ，と駆動巻線ｎ２と電流帰還巻線ｎ３
とを有する駆動トランス、４は駆動トランス３に励磁エ
ネルギを通流する抵抗器、５は駆動トランジスタ２の導
通初期に導通して短絡ループを形成するダイオード、６
は駆動トランス３のリセット電流を流すダイオード、７
は１次巻線Ｎ１と２次巻線Ｎ２とリセット巻線Ｎ３とを
有する主変成器、９及び１０は２次巻線Ｎ２間の電圧を
整流する整流器、１１．１２は平滑回路を構成するリア
クトル、コンデンサ、２０，２０’は直流入力端子、２
１及び２１′は直流出力端子である。

次に斯かる部材からなる電力変換装置の動作を第２図を
用いて説明する。

先ず導通状態にある主スイッチングトランジスタ１をタ
ーンオフさせるべく、第２図ａで示す様に時刻ｔ１で駆
動トランジスタ２のベースにオン信号を印加すると、ト
ランジスタ２が導通し、これに伴い駆動トランス３に蓄
えられていたエネルギがトランジスタ２、ダイオード５
及び入力巻線ｎ１の閉回略を流れ、入力巻線ｎ１ は短
絡されるこのとき変圧器作用によって駆動巻線ｎ２ も
短絡され、この結果、同図Ｃで示す様に主スイッチング
トランジスタ１のベースから電流が導出されるためトラ
ンジスタ１は比較的速く非導通に到る。

つまりトランジスタ１は同図ｄで示す様に比較的短い蓄
積時間τでターンオフする。

そして時刻ｔ２でダイオード５が非導通に到ると、入力
巻線ｎ１ には極性を示す黒印側が負となる電圧が発生
するため主スイッチングトランジスタ１のペースエミツ
タ間には逆バイアスが印加される。

更に励磁が進むと、抵抗器４を通流していた電流が一定
となり、入力巻線ｎ１の両端の電圧はほぼ零になるこの
後、時刻ｔ３で駆動トランジスタ２を非導通にすると、
今まで駆動トランス３に蓄えられていたエネルギによっ
て、駆動巻線ｎ２ には黒印側を正とする電圧が誘起さ
れ、主スイッチングトランジスタ１のベース・エミツタ
間を順バイアスしてこれを導通に到らしめる。

このトランジスタ１のスイッチングオンの際、帰還巻線
ｎ１の正帰還作用によってトランジスタ１は急速に導通
状態に到る。

以上の動作説明から明らかな様に、主スイッチングトラ
ンジスタ１のターンオフ時には、第２図Ｃで示す様にそ
のベース端子から導出される逆ベース電流が流れるが、
この逆ベース電流は巻線ｎ１，ｎ２の短絡によるものな
ので、その値は主スイッチングトランジスタ１の蓄積時
間τにおけるペースキャリャの蓄積によるベース・エミ
ツタ電圧とベース内部抵抗とによって決定される。

従ってトランジスタの特性により逆ベース電流の値が変
り、これに伴いターンオフ時間が変るので、トランジス
タを高周波でスイッチング動作させる際に問題となって
いた。

本発明は、斯かる従来回路の欠点を除去するために、従
来回路に加えて主変成器に付加巻線を設けると共に該巻
線にダイオードを直列接続し、駆動スイッチング半導体
素子が導通ずるとき前記付加巻線が前記ダイオードを介
して駆動トランスの入力巻線に直列接続されるような回
路を備えることによって、主スイッチング半導体素子の
蓄積時間中に付加巻線に誘記される電圧を駆動トランス
を介してその制御端子に逆バイアス電圧を与え、これに
よって主スイッチング半導体素子の特性に影響されるこ
となく主スイッチング半導体素子のターンオフ時間を確
実かつ大幅に短縮することを特徴とするものである。

第３図によって本発明の一実施例を説明すると、この実
施例は第１図に示した回略における主変成器に付加巻線
Ｎ４を設け、該巻線の黒印側をダイオード１３を介して
駆動トランス３の入力巻線ｎ１と抵抗４とダイオード５
との接続点に接続したものである。

尚ここで、第３図において第１図で用いた記号と同一の
記号は第１図の部材に相当する部材を示しており、動作
も類似しているので先ずは主スイッチングトランジスタ
１のターンオフ時における回烙動作を説明する。

主スイッチングトランジスタ１が導通状態にあるとき、
主変成器７の１次巻線Ｎ１には黒印側を正とする電圧が
誘起され、同様に付加巻線Ｎ４ にも黒印側を正とする
電圧が誘起される。

このときダイオード１３のカソード電圧は入力端子２０
の端子電圧に等しいから、付加巻線Ｎ４に誘起される電
圧が入力電圧よりも小さくなる様に巻線Ｎ４を選定して
おけば、巻線Ｎ４を付加した悪影響はない。

ここで駆動トランジスタ２にオン信号が印加されて導通
すると、従来と同様に、ダイオード５が導通して入力巻
線ｎ１、トランジスタ２及びダイオード５からなる閉回
路が構成され、この回路を電流が流れることにより巻線
ｎ１が実質的に短絡される。

これに伴い駆動巻線ｎ２も短絡状態になり、主スイッチ
ングトランジスタ１のベースから電流が導出、つまり逆
ベース電流が流れる。

一方、前述の様に主トランジスタ１が完全に非導通状態
に到るまでは、付加巻線Ｎ４には黒印側を正とする電圧
が誘起されているから、駆動トランジスタ２のターンオ
ンに伴いダイオード１３が導通し、付加巻線Ｎ４はダイ
オード１３、トランジスタ２を介して入力巻線ｎ１に直
列に接続される。

このときインダクタンス作用により巻線ｎ１には黒印の
ない側を正とする電圧が誘起される。

これを主トランジスターのベース側からみると、駆動巻
線ｎ２の黒印側を負とする電圧が現出したことになり主
スイッチングトランジスターのベース・エミツタ間には
逆バイアス電圧が印加される。

つまりトランジスタ１の蓄積時間においては、付加巻線
Ｎ４．が電源同様の作用を行って入力巻線ｎ１に従来同
様に流れる電流に加えて更に電流を流すので、主トラン
ジスターに大きな逆ベース電流を流すことが出来る。

よって駆動トランジスタ２に充分な電流を流せるように
しておけば、主トランジスタ１に従来に較べてかなり大
きな逆ベース電流を確実に流すことが出来る。

尚、この場合における主トランジスターの逆ベース電流
を制限する要素としては、主変成器７の付加巻線Ｎ４、
駆動トランス３の巻線及び主スイッチングトランジスタ
１の内部抵抗などが考えられる。

そして主スイッチングトランジスターは、その蓄積時間
の終了後、非導通状態に到り、付加巻線Ｎ４の電圧の極
性は反転し、これに伴いダイオード１３も非導通になる
。

従って付加巻線Ｎ４にはトランジスターの蓄積時間のみ
電流が流れるだけなので回路の電力損失の増大について
は全く無視し得る程度に小さい。

更にこの回路の動作を説明すると、駆動トランジスタ２
が導通に到ると電流か入力端子２０から抵抗４、巻線ｎ
１、トランジスタ２を介して入力端子２０′に流れるた
め、巻線ｎ１には黒印側を負とする電圧が誘起され、主
スイツチングトランジスターはそのベース・エミツタ間
が逆バイアスされて非導通状態にある。

このとき直流入力電圧をＥ１巻線ｎ１の電圧を■ｎ１、
抵抗４の値をＲ４とすれば、巻線ｎ１ に流れる電流Ｉ
ｎ４は、となる。

従来回路の説明において行った様に一定時間経過後には
Ｖｎ１＝ｏになり、このときの駆動トランス３の磁化力
ＨはＨ＝Ｉｎ１×ｎ３となる。

この期間に主変成器７の付加巻線Ｎ４に電圧が誘起した
としても、前述から明らかな様に巻線Ｎ４の黒印側が正
の場合のみ主スイッチングトランジスタ１に逆バイアス
を与える様に作用するだけなので悪影響は全くない。

この後に駆動トランジスタ２が非導通に到ると、駆動ト
ランス３の励磁電流は巻線ｎ２を介して主スイッチング
トランジスタ１のベースに流れ、これをターンオンさせ
る。

巻線ｎ２を流れる電流をＩｎ２とすれば、Ｉｎ２は、Ｉ
ｎ２＝Ｈ／ｎ２＝Ｉｎ１・ｎ３／ｎ２（但しｎ２，ｎ３
は巻線ｎ２，ｎ３の巻数）になる。

主スイッチングトランジスタ１がターンオンすると、帰
還巻線ｎ３の作用により駆動巻線ｎ２に正帰還電流が流
れ、トランジスタ１は急速に完全な導通状態に到る。

この様にして主スイッチングトランジスタ１は急速に導
通、非導通を繰返す。

以上述べた様にこの実施例によれば原理的には逆ベース
電流を値をいくらでも大きくでき、またトランジスタの
蓄積時間は逆ベース電流を大きくすることにより小さく
出来るので、蓄積時間を極めて短縮でき、従ってトラン
ジスタ１を従来よりも確実に高速スイッチングさせるこ
とが可能である。

またダイオード１３に直列に可変抵抗器（図示せず）を
接続すれば逆ベース電流の値を任意に調整できる。

次に第４図により本発明の他の一実施例を説明する。

この実施例は第３図に示した回路における駆動巻線ｎ１
とダイオード１３との間に電流制限用抵抗器１４とダイ
オード１５とコンデンサ１６とからなる一方向充電回路
を接続したものである。

コンデンサ１６は、主スイッチングトランジスタ１の導
通時に付加巻線Ｎ４に誘起される電圧によって充電され
、トランジスタ１をターンオフさせるために駆動トラン
ジスタ２を導通させるときに放電されるが、その容量を
トランジスタ１が十分に非導通に到るまであるレベルの
電位を保持できる値に設定しておけば、主スイッチング
トランジスタ１の蓄積時間が終了し、その下降時間に到
ってもトランジスタ１は充分に逆バイアスされる。

周知な様に、トランジスタの下降時間中にそのベース・
エミツタ間に充分な逆バイアスが印加されていると下降
時間は飛躍的に短縮される。

従って主スイッチングトランジスタ１のターンオフ時の
スイッチング損失を充分に低減できる。

次に電圧駆動型の電力変換装置の一実施例を第５図によ
り説明する。

先ず第２の駆動トランジスタ２′が導通すると、電流制
限用抵抗器４′、巻線ｎ１′及びトランジスタ２′を介
して電流が流れ、第２の入力巻線ｎ１′の黒印側を正と
する電圧が誘起される。

これに伴い駆動巻線ｎ２の黒印側を正とする電圧が生じ
、主スイッチングトランジスタ１が順バイアスされて導
通ずる。

トランジスタ１はトランジスタ２′が導通している期間
中導通し続ける。

次にトランジスタ２′を非導通にし、トランジスタ２を
導通させると、抵抗器４、巻線ｎ１及びトランジスタ２
を介して電流が流れ、入力巻線ｎ１には黒印側を負とす
る電圧が誘起される。

これに伴い駆動巻線ｎ２の黒印側を負とする電圧が生じ
、主スイッチングトランジスタ１のベース・エミツタ間
は逆バイアスされて非導通に到る。

この場合にトランジスタ１の蓄積時間を短縮するために
大きな逆ベース電流を通流させようとして、抵抗器４の
値を小さくすると抵抗器４自体の損失が増大して回略全
体の効率が逆に低下してしまうという欠点がある。

従ってこの実施例においても、主変成器７に設けた付加
巻線Ｎ４が、前述と同様にして主スイッチングトランジ
スタ１の蓄積時間中にダイオード１３及びトランジスタ
２を介して巻線ｎ１に電流を流し、該巻線に黒印側を負
とする電圧を誘起させる様に作用し、駆動トランス３の
ｎ１，ｎ２を介してトランジスタ１のベース・エミツタ
間に充分な逆バイアス電圧を与え、充分な逆ベース電流
を流して急速にトランジスタ１をターンオフさせる。

次に第６図は、第４図を更に具体的にした電力変換装置
の一実施例であり、駆動トランジスタ２のベース・エミ
ツタ間に接続されたトランジスタ２”は、例えば出力端
子２１．２１’間の出力電圧が設定レベルに達するとき
制御回路１９が発生する信号によりターンオンして、ト
ランジスタ２を非導通に到らしめる。

ツエナーダイオード５′は第３図及び第４図におけるダ
イオード５と同様な機能を果すと共にこの装置が入力電
圧の高い場合にも確実に動作し得ることを可能にし、そ
して抵抗１７とダイオード１８は付加巻線Ｎ４の黒印側
の電圧をトランジスタ２のベースに与えるものであり、
この実施例も前記実施例と同様な対果を得ることが出来
る。

ここで第４図において示した抵抗器１４、ダイオード１
５及びコンデンサ１６からなる一方向充電回路を第４図
の実施例と同様に第３図、第５図及び第６図で示した実
施例にも付加することが出来、この場合には前述の様に
下降時間を短縮できるのでオフ時のスイッチング損失を
低減出来る。

尚、以上の実施例では主スイッチング半導体素子をトラ
ンジスタとして説明して来たが、ゲートターンオフサイ
リスタ或いは他の制御極付制御整流器であっても勿論よ
い。

以上説明した様に、本発明では主変成器に付加巻線を設
け、主スイッチング半導体素子の蓄積時間中に付加巻線
に誘起された電圧をダイオード及び駆動トランスを介し
て前記主スイッチング半導体素子の制御端子に逆バイア
ス電圧を印加することにより充分な逆制御電流を流し得
るので、主スイッチング半導体素子の蓄積時間を短縮、
即ちターンオフ時間を短縮でき、しかも前記一方向充電
回路を付加すればターンオフ時の下降時間をも短く出来
るのでターンオフ時のスイッチング損失を低減すること
が出来、従って本発明は電力変換周波数が高い電力変換
装置に適する。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のＤＣ−ＤＣコンバータの回路図、第２図
は第１図の回路を説明するための各部の電圧、電流波形
図、第３図は本発明に係る電力変換装置の一実施例を示
す図、第４図乃至第６図は夫夫本発明の他の各実施例を
示す図である。 １・・・主スイッチング半導体素子、２・・・駆動スイ
ッチング半導体装置・、３・・・駆動トランス、７・・
・主変成器、２０，２０’・・・直流入力端子、２１，
２１’・・・直流出力端子、Ｎ４・・・主変成器γの付
加巻線。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 少くとも１次巻線走２次巻線とを有する主変成器、
   前記１次巻線と直列接続された主スイッチング半導体素
   子、該半導体素子の制御端子に駆動信号を与える駆動巻
   線と入力巻線とを有する駆動トランス及び前記入力巻線
   に直列接続された駆動スイッチング半導体素子とを備え
   、該駆動スイッチング半導体素子を導通させることによ
   り前記駆動トランスを介して前記主スイッチング半導体
   素子の制御端子から電流を導出して該半導体素子の蓄積
   時間を短縮する様にした回路において、前記主変成器に
   付加巻線を設けると共に該巻線にダイオードを直列接続
   し、前記駆動スイッチング半導体素子が導通するとき、
   前記付加巻線が前記ダイオードを介して前記駆動トラン
   スの入力巻線に直列接続され、前記主スイッチング半導
   体素子の蓄積時間中に前記付加巻線に誘起される電圧が
   前記駆動トランスを介して前記主スイツング半導体素子
   の制御端子に逆バイアス電圧を与えることを特徴とする
   電力変換回路。 ２ 前記主スイッチング半導体素子が導通状態にあると
   き充電され且つ少くとも該素子の下降時間が終了するま
   で該素子の制御端子に駆動トランスを介して逆バイアス
   を与える一方向充電回路を前記付加巻線に接続したこと
   を特徴とする特許請求の範囲１に記載した電力変換装置
   。