JPS6215025B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、直流電源と負荷の間にあつて、直
流電源から負荷に供給される直流電力を制御する
チヨツパにおけるスイツチング素子の直列接続法
に関するものである。

チヨツパのスイツチング素子の直列接続は、一
般に、直流電源電圧が１つのスイツチング素子の
耐圧（スイツチング素子がトランジスタであれば
コレクタ・エミツタ間の耐圧）より高いときがあ
る場合に行なわれる。

従来、この種の装置として第１図に示すものが
あつた。図において１は直流電源、２および３は
スイツチング素子としてのトランジスタで、これ
らのトランジスタ２および３は直列接続されてい
る。４および５はダイオードで、これらのダイオ
ード４および５も直列接続されている。トランジ
スタ２および３の直列接続体とダイオード４およ
び５の直列接続体は互いに逆方向に電流を通すよ
うに逆向きに直列接続され、その逆向き直列接続
体の両端は直流電源１の両端に互いに接続されて
いる。６は負荷でその両端はダイオード４および
５の直列体の両端に互いに接続されている。負荷
６は等価的にリアクトルと抵抗で構成されている
ものとする。７および８は過電圧抑制器で、それ
ぞれトランジスタ２および３に並列接続されてい
る。過電圧抑制器としては種々のものが実用され
ているがその一例を第２図に示す。この図におい
て１０１はトランジスタで、第１図のトランジス
タ２あるいは３に相当する。また１０２は過電圧
抑制器としてのツエナーダイオードで、第１図の
過電圧抑制器７または８に相当する。トランジス
タ１０１のコレクタ・エミツタ間の耐圧をツエナ
ーダイオード１０２のツエナー電圧以上にしてお
けば、トランジスタ１０１に過電圧がかかること
はない。また第１図において、直流電源１の電圧
をツエナー電圧の２倍以下にしておけば、過電圧
抑制器７および８としてのツエナーダイオードに
定常的に電流が流れることはない。一般に第１図
の回路ではツエナー電圧を（直流電源１の電圧の
２分の１）＜（ツエナー電圧）＜（直流電源１の電
圧）に選ぶ。

９は制御部で直流電源１から負荷６に供給され
る直流電力を制御するため、トランジスタ２およ
び３にオン・オフ信号を出力する。１０はトラン
ジスタ２のベースに接続される線、１１はトラン
ジスタ２のエミツタに接続される線、１２はトラ
ンジスタ３のベースに接続される線、１３はトラ
ンジスタ３のエミツタに接続される線である。

１４は電流検出器で負荷６に流れる電流を検出
する。電流検出器１４は種々のものが実用されて
いるがここではホール素子を使用したものを図示
した。ホール素子を使用した電流検出器は一般的
であるのでその説明は省略する。制御部９と電流
検出器１４との接続線１５〜１８において、１５
〜１７は制御部９に含まれる制御電源の零、正、
負の各端子に接続され、接続線１８は接続線１５
に対し、負荷６に流れる電流の値に比例した電圧
値（電流検出信号）を出力する線である。

第３図に制御部９の一例を示す。図中、１０３
は制御電源で記号▽、〓、〓は零、正、負の各端
子を示す。１０４は電流指令器で負荷６に流す電
流を指令する。負荷６に流す電流を制御すること
は負荷の特性（インピーダンス、逆起電力など）
がわかつておれば負荷に供給する電力を制御する
ことと等価である。１０５はヒステリシス特性を
もつた比較器で、電流指令器１０４からの電流指
令信号Srと第１図の電流検出器１４からの電流
検出信号Sd（接続接１８の信号）とを入力し、
その差からトランジスタのオン、オフ信号を作
る。

第４図はこれらの関係を図示したものであり、
下段に比較器１０５の出力を表わしている。図に
おいて、Ａ点は電流指令信号Srから電流検出信
号Sbを差し引いた値が正のヒステリシス幅に到
達した点で、トランジスタ２および３のオン、オ
フ信号がオフ信号からオン信号に変わる点であ
る。トランジスタ２および３がオンすると負荷６
に流れる電流は増加していき、Ｂ点に到達する。
Ｂ点は電流指令信号Srから電流検出信号Sdを差
し引いた値が負のヒステリシス幅に到達した点で
トランジスタ２および３のオン・オフ信号がオン
信号からオフ信号に変わる点である。トランジス
タ２および３がオフすると負荷６に流れる電流は
減少していきＣ点に到達する。Ｃ点は電流指令信
号Srと電流検出信号Sdの関係においてＡ点と同
じである。以下トランジスタ２および３がオン・
オフを繰り返し、負荷６に流れる電流が制御され
る。

再び第３図を参照すると、１０６および１０７
はベース電源兼アンプであり、比較器１０５から
のトランジスタのオン・オフ信号を増幅してトラ
ンジスタ２および３へ出力する。ベース電源兼ア
ンプ１０６および１０７はありふれたものである
ので詳細な説明は省略する。なお第３図の接続線
１０〜１３，１５〜１８は第１図と同じものを示
す。

次に、第１図のトランジスタ２および３のオ
ン・オフ時の動作を第４図を参照して詳述する。

最初に、制御部９によつてトランジスタ２およ
び３をオン状態とすると、直流電源１からの電流
がこれらトランジスタ２および３を通つて負荷６
に与えられる。負荷６に流れる電流が電流指令器
１０４（第３図）で設定された電流値を超えて、
例えば第４図のＢ点に達すると制御部９はトラン
ジスタ２および３にオフ信号を出力する。トラン
ジスタ２および３がオフ状態となると負荷６を流
れる電流はダイオード５および４と経て循環しな
がら減衰し、例えば第４図のＣ点に達すると、制
御部９はトランジスタ２および３にオン信号を出
力する。トランジスタ２および３がオン状態とな
ると、直流電源１からの電流が再び負荷に与えら
れ、電流値は上昇していく。このようにして負荷
６には略、電流指令器１０４で設定された電流が
流れるが、この負荷６に流れる電流は第３図に示
される比較器１０５のヒステリシス特性のために
第４図のSdで示されるようにジグザグとなる。

第１図に示されるチヨツパ装置は以上のように
動作して所望の電流値を負荷６に流すことができ
るが、しかしながらトランジスタ２および３のオ
フからオンへの切換えまたはオンからオフへの切
換えは全く同時に行われることは少なく、トラン
ジスタのスイツチング時間のバラツキ、あるいは
第３図におけるベース電源兼アンプの伝達時間の
バラツキにより電力の大きい損失をもたらすとい
う欠点があつた。

これを、トランジスタ２および３がオフからオ
ンに切換わる場合についてもう少し具体的に説明
すると、例えばトランジスタ２が先にオンしたと
するとトランジスタ３に並列接続された過電圧抑
制器すなわちツエナーダイオード８のツエナー電
圧が直流電源１の電圧より低いから、電流は直流
電源１、トランジスタ２、過電圧抑制器８、負荷
６、直流電源と流れる。過電圧抑制器すなわちツ
エナーダイオード８はツエナー電圧を保つたまま
電流を流すわけであるからその損失はかなり大き
なものとなる。この状態はトランジスタ３がオン
するまで続き、トランジスタ３がオンすると負荷
６に正常な電力が与えられる。このようにトラン
ジスタ２および３のオフからオンおよびオンから
オフへの切換時ごとに、いずれか一方のトランジ
スタのみがオン状態にあるとそのトランジスタと
並列接続されたツエナーダイオードが導通し、上
述のような電力の損失をもたらすこととなる。

第１図に示す従来のチヨツパ装置では上記した
ことからわかるように、過電圧抑制器の損失がト
ランジスタ２および３のオン・オフの時間差によ
り影響を受け、それらのバラツキを小さくしない
と損失も大きなものになるという欠点があつた。

この発明は上記のような従来のものの欠点を除
去するためになされたものである。

以下、この発明の一実施例を図について説明す
る。第５図において、ほとんどの構成は第１図の
ものと同じであるが、ただトランジスタ２および
３の接続点と、ダイオード４および５の接続点と
の間に補助直流電圧源１９の両端子が接続されて
いる。補助直流電圧源１９の電圧は、直流電源１
の電圧より低く、かつその直流電源１の電圧から
補助直流電圧源１９の電圧を差し引いた電圧値お
よび補助直流電圧源１９そのものの電圧値がトラ
ンジスタ２，３およびダイオード４，５の耐圧よ
り低くなるように選ばれる。

次にこの発明に係る第５図の動作について説明
する。補助直流電圧源１９の電圧を直流電源１の
２分の１とし、まずトランジスタ２および３がオ
フからオンに切り換わる。例えば第４図のＡ点の
場合について説明する。第１図での説明と同様、
トランジスタ２と３のオフからオンへの切換わり
時間に差があり、トランジスタ２が３より先にオ
ンしたとする。この場合、電流は直流電源１、ト
ランジスタ２、補助直流電圧源１９、ダイオード
４、負荷６、直流電源１と流れる。オフしている
トランジスタ３には補助直流電圧源１９の電圧が
かかり過電圧がかかることはない。またオフして
いるダイオード５には直流電源１と補助直流電圧
源１９の電圧差がかかり過電圧がかかることはな
い。逆にトランジスタ３が２より先にオンしたと
する。この場合、電流が補助直流電圧源１９、ト
ランジスタ３、負荷６、ダイオード５、補助直流
電圧源１９と流れる。オフしているトランジスタ
２には直流電源１と補助直流電圧源１９の差電圧
がかかり、過電圧がかかることはない。またオフ
しているダイオード４には補助直流電圧源１９の
電圧がかかり過電圧がかかることはない。

トランジスタ２および３が共にオンすれば電流
は直流電源１、トランジスタ２および３、負荷
６、直流電源１と流れる。このときオフしている
ダイオード４および５には直流電源１の電圧がほ
ぼ等分され印加される。

次に例えば第４図のＢ点ではトランジスタ２お
よび３がオンからオフに切り換わる。ここにおい
ても切換わり時間に差があり、トランジスタ２が
３より先にオフしたとする。この場合、電流は補
助直流電圧源１９、トランジスタ３、負荷６、ダ
イオード５、補助直流電圧源１９と電流が流れ
る。この状態は第４図のＡ点においてトランジス
タ３が２より先にオンしたときと同じである。逆
にトランジスタ３が２より先にオフしたとする。
この場合、電流は直流電源１、トランジスタ２、
補助直流電圧源１９、ダイオード４、負荷６、直
流電源１と流れる。この状態は第４図のＡ点にお
いてトランジスタ２が３より先にオンしたときと
同じである。トランジスタ２および３が共にオフ
すれば電流はダイオード５，４、負荷６、ダイオ
ード５と流れる。このときトランジスタ２および
３には直流電圧１の電圧がほぼ等分して印加され
る。

以下、第４図のＣ点以降において同様な動作が
繰り返えされる。

上述の説明で、トランジスタ２，３およびダイ
オードには過電圧はかからず、またトランジスタ
２および３のスイツチング速度に差があり、トラ
ンジスタ２または３のうちいずれか一方のみがオ
ンしているときは補助直流電圧源１９に電流が流
れるが、これは電圧源への電流の流入、流出であ
るので第１図における過電圧抑制器７および８を
使用した場合の損失は発生しないということがわ
かる。

さて、補助直流電圧源１９に流れる電流の方向
はトランジスタ２または３のどちらがオンしてい
るかによつて決まる。即ち、トランジスタ２がオ
ンしており、トランジスタ３がオフしておれば流
入、逆にトランジスタ３がオンしており、トラン
ジスタ２がオフしておれば流出となる。従つて、
トランジスタ２および３のオン期間あるいはオフ
期間を個々に制御することにより、補助直流電圧
源１９に流れる平均電流を零あるいは一方向に限
定することができる。

第６図はそのような制御を行うための一実施例
である。この図において符号１〜６，１０〜１
８，１０３〜１０７は第３図および第５図中に同
一符号で示されたものと同じであるので説明を省
略する。符号２０〜２３は第５図の補助直流電圧
源１９の代わりに使用されるものであり、２０は
交流電源、２１は変圧器、２２は整流器、２３は
コンデンサである。交流電源２０の電圧を変圧し
た、変圧器２１の出力電圧を整流器２２で整流し
てコンデンサ２３を充電する。コンデンサ２３の
この充電電圧は第５図の補助直流電圧源１９の電
圧と同様に選ぶ。ところで符号２０〜２３で構成
される回路では、整流器２２の出力電流としてコ
ンデンサ２３を充電する方向にしか電流が流せな
いので、トランジスタ２および３のスイツチング
速度の差によつてコンデンサ２３に流れる電流の
平均値は零かあるいは放電させるようにするのが
よい。このためには、トランジスタ２および３の
スイツチング時間の差は予め予想されるものであ
るので、第７図に示すようにその最大スイツチン
グ時間の差αだけトランジスタ３に長くオン信号
を与えるようにして、トランジスタ３がトランジ
スタ２より常に長い時間オン状態を続けるように
すれば良い。第６図に示される制御部２４は第５
図に示される制御部９にワンシヨツト１０８と論
理和要素１０９を追加したものである。比較器１
０５の出力は、トランジスタ２用のベース電源兼
アンプ１０６には直接接続されるがトランジスタ
３用のベース電源兼アンプ１０７にはワンシヨツ
ト１０８と論理和要素１０９を通して接続され
る。ワンシヨツト１０８は比較器１０５がトラン
ジスタ２および３のベース信号をオンからオフし
て変化する信号を出力したとき動作し、あらかじ
め予想したトランジスタ２と３の最大スイツチン
グ時間の差だけ信号を出力する。この信号と比較
器１０５からの信号とを論理和要素１０９で論理
和して、トランジスタ３のベース電源兼アンプ１
０７に与え、これにより第７図に示すようなベー
ス信号を得ることができ、トランジスタ２および
３のスイツチング時間の差によつてコンデンサ２
３に流れる電流はそれから流出する方向だけとな
る。従つて、コンデンサ２３の電圧は変圧器２１
の出力電圧によつて決まる電圧となる。変圧器２
１の容量はトランジスタ２および３のスイツチン
グ時間の差によつてコンデンサ２３から流出する
電力を補償する容量のものでよい。

なお上記実施例ではトランジスタ２および３は
NPNトランジスタで示したが第８図に示すよう
にPNPトランジスタであつてもよい。

また、上記実施例ではトランジスタは直流電源
１の正電極側に接続されていたが第９図に示すよ
うに負電極側に接続されてもよい。第８図および
第９図において、同一符号は第５図と同じものを
示す。

さらに、上記実施例ではトランジスタおよびダ
イオードの直列接続数はそれぞれ２個であつた
が、３個以上あつてもかまわない。第１０図は直
列接続数が３個の場合の例である。図において符
号２〜６，１４および１９は第５図と同じものを
示す。２５は直流電源、２６は補助直流電源、２
７はトランジスタ、２８はダイオード、２９は制
御部である。補助直流電源１９および２６の電圧
は第５図の直流電源１の電圧と同じようにする。
直流電源２５の電圧はトランジスタ２７あるいは
ダイオード２８の耐圧と補助直流電源２６の電圧
との和の電圧以下で、補助直流電源２６より高い
電圧の範囲で選択できる。（例えば電源２６およ
び１９の電圧を直流電源２５のそれぞれ2/3およ
び1/3とするのが好ましい。）動作については第５
図と同様に考えることができるので省略する。

また、上記説明ではスイツチング素子としてト
ランジスタで挙げたが、ゲート・タン・オフ・サ
イリスタなど他のスイツチング素子でも同様の効
果を奏する。

以上のようにこの発明によれば、直流電源の電
圧から１つのスイツチング素子の耐圧以下の電圧
を差し引いた電圧をもつ補助直流電圧源を設け、
それをスイツチング素子の直列接続点に接続する
ようにしたので、損失の発生しないスイツチング
素子の直列接続を実現できるという効果がある。

また、直列接続されるスイツチング素子を個々
に制御することにより、補助直流電圧源は容量が
小さくてもよく、また一方向にのみ電流を流せば
よいので低価格で構成できるという利点をも有す
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のスイツチング素子が直列接続さ
れたチヨツパ回路の一例を示す図、第２図は第１
図に示される過電圧抑制器の一例を示す図、第３
図は第１図に示される制御部の一例を示す図、第
４図は第１図および第３図の動作を説明するため
の図、第５図はこの発明の一実施例によるスイツ
チング素子が直列接続されたチヨツパを示す回路
図、第６図はこの発明の他の実施例を示す回路
図、第７図は第６図の動作を説明するための図、
第８図〜第１０図はそれぞれこの発明のさらに他
の実施例を示す回路図である。 １，２５……直流電源、２，３，２７……スイ
ツチング素子、４，５，２８……ダイオード、６
……負荷、９，２４，２９……制御部、１４……
電流検出器、１９，２６……補助直流電圧源、１
０３……制御電源、１０４……電流指令器、１０
５……比較器、１０６，１０７……ベース電源兼
アンプ、１０８……ワンシヨツト、１０９……論
理和要素、なお、図中、同一符号は同一、または
相当部分を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 直流電源と負荷の間にあつて、前記直流電源
   の１つの端子と前記負荷の１つの端子の間に接続
   される複数個のスイツチング素子と、前記直流電
   源の他の端子と前記負荷の１つの端子の間に接続
   される複数個のダイオードで構成されるチヨツパ
   において、前記直流電源より電圧が低い補助直流
   電圧源を前記スイツチング素子の直列接続体の中
   の接続点と、前記ダイオードの直列接続体の中の
   接続点との間に接続し、これにより前記スイツチ
   ング素子の１つおよび前記ダイオードの１つに過
   電圧がかからないようにしたことを特徴とするチ
   ヨツパにおけるスイツチング素子の直列接続法。 ２ 前記複数個のスイツチング素子を、前記補助
   直流電圧源に流れる電流あるいは電圧に関し個々
   に制御するようにした特許請求の範囲第１項記載
   のチヨツパにおけるスイツチング素子の直列接続
   法。 ３ 前記補助直流電圧源をコンデンサとし、前記
   複数個のスイツチング素子の個々の制御を、前記
   コンデンサへの入出力の総和が零となるように行
   う特許請求の範囲第２項記載のチヨツパにおける
   スイツチング素子の直列接続法。