JPH06105565A - Ｄｃ−ａｃ変換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 高耐圧・大容量のスイッチング素子を用い
た、大容量のＤＣ−ＡＣ変換器を提供すること。 【構成】 同極性の主スイッチング素子３１ａ、３１ｂ
と主トランス７と遅延回路３０ａ、３０ｂからなる主回
路２と、駆動トランス３と、交互にオンする１対の相補
性トランジスタ対２１ａ、２１ｂとこれらをオフさせる
１対の相補性トランジスタ対１９ａ、１９ｂと発振周波
数を定める単一の時定数回路からなる駆動回路１とから
構成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はＤＣ−ＡＣ変換器に係
り、特に高耐圧・大容量のスイッチング素子を用いた、
大容量（500W〜数kWのものをいう）ＤＣ−ＡＣ変換器の
駆動回路の構成に関する。なおここでいうＤＣ−ＡＣ変
換器とは、直流を入力し、異なる電圧に変換し交流を出
力する電源装置の一種をいう。

【０００２】

【従来の技術】図３は従来技術によるＤＣ−ＡＣコンバ
ータの例で、特公平3-1914号公報に記載された第３図の
回路図を説明のために簡略化したものである。図３にお
いて、トランジスタ２１ａ、２１ｂは直流電源から供給
される電流をスイッチングする、主スイッチングトラン
ジスタであり、コンデンサ３２ａ、３２ｂは直流電源の
電圧を分圧し、中点を作る。トランス３は主巻線４、帰
還巻線５、出力巻線６の３つの巻線からなるトランスで
ある。主巻線４はトランジスタ２１ａ、２１ｂが交互に
オンすることで流れる電流の向きが変わる巻線で、電力
はトランスの出力巻線６から取り出す。磁気的に主巻線
と結合されたトランスの帰還巻線５は抵抗１１ａ、１１
ｂとダイオード１８ａ、１８ｂを介して、正帰還がかか
るようにそれぞれトランジスタ２１ａ、２１ｂのベース
と接続されている。抵抗１１ａ、１１ｂはベース電流を
制限する。抵抗１５はコンデンサ１６とともに時定数回
路をなす。補助トランジスタ１９ａ、１９ｂは前記時定
数回路によって一定時間後に交互にオンし、主スイッチ
ングトランジスタのベース電流を引き抜くことで主スイ
ッチングトランジスタを交互にオフさせる。抵抗１７
ａ、１７ｂ、２０ａ、２０ｂは自起動性をもたせるため
のバイアス抵抗である。＋Ｂの端子には入力直流電源の
正極を、ＧＮＤの端子には入力直流電源の負極を接続す
る。

【０００３】図３の回路は次のように動作する。トラン
ジスタ２１ａがオンしているとすると、主巻線４から電
磁誘導され、帰還巻線５には正帰還のかかる方向に電流
が流れ、トランジスタ２１ａはオン状態を保つ。しかし
抵抗１５とコンデンサ１６で決まる時定数で、補助トラ
ンジスタ１９ａのベースには電流が流れ始め、一定時間
ののちオンする。そのためトランジスタ２１ａのベース
電流は引き抜かれ、トランジスタ２１ａはオフになる。
トランジスタ２１ａがオフすると、主巻線４の電磁誘導
により、主巻線の両端にかかる電圧が反転し、今度は主
トランジスタ２１ｂがオンする。同様にして主トランジ
スタ２１ｂも一定時間後にオフし、トランジスタ２１
ａ、２１ｂは交互にオンする。このときの主トランジス
タ２１ａ、２１ｂの動作状態は図４（ａ）、（ｂ）に示
す通りである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】大容量ＤＣ−ＡＣ変換
器（500Ｗ〜数ｋＷ程度のもの）においては100Ｖ系商用
電源なら400Ｖ耐圧で、電流容量が５Ａ〜数10Ａのスイ
ッチング素子が必要になる。従来技術では主スイッチン
グ素子として、異極性のものを使うことになっている。
つまり主スイッチング素子がバイポーラトランジスタな
らＰＮＰ形とＮＰＮ形とを、ＦＥＴならＰチャネルとＮ
チャネルとを一つずつ用いることになる。

【０００５】ところがＰＮＰ形のバイポーラトランジス
タや、ＰチャネルのＦＥＴはニーズが少ないことから、
高耐圧、大容量の点を満足する素子が市場にほとんどな
く、大容量ＤＣ−ＡＣ変換器の実現が困難であるという
問題点を有する。

【０００６】この発明はこのような問題点を解決するた
めのもので、その目的は主スイッチング素子として同極
性の高耐圧、大容量素子だけで主回路を構成することで
大容量のＤＣ−ＡＣ変換器を実現するもので、それと同
時に駆動回路用補助電源をなくすことで回路を簡単にす
るものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】ａ）入力直流電源に対し
て直列接続された同極性の二つの主スイッチング素子
と、前記入力直流電源に直列接続され中間電位をつくる
二つのコンデンサと、前記二つの主スイッチング素子の
接続点と前記入力直流電源の中間電位との間に接続され
た主巻線と負荷巻線とを有するトランスと、前記第１と
第２の主スイッチング素子の制御端子に接続されて、二
つの素子のオン区間に隙間をつくる二つの遅延回路とか
らなる主回路、ｂ）前記二つの遅延回路に制御信号を加
える二つの２次巻線と、交互に向きの違う電流を流す、
１端を前記コンデンサの中点に接続した１次巻線と、帰
還巻線とからなる駆動トランス、ｃ）オンしているとき
には正帰還がかかるように前記帰還巻線とベースバイア
ス回路が接続されており、前記駆動トランスの１次巻線
の多端が接続点に接続された交互にオンする相補性トラ
ンジスタ対と、これらの相補性トランジスタ対をオフさ
せる別の相補性トランジスタ対と、発振周波数を定める
単一の時定数回路と、自起動性を得るためのバイアス手
段とからなる駆動回路、から構成されることを特徴とす
る。

【０００８】

【実施例】以下、図に従って、本発明を詳細に説明す
る。

【０００９】図１は、本発明のＤＣ−ＡＣコンバータの
実施例における具体的な回路構成を示す図である。＋Ｂ
は入力直流電源の正極を、ＧＮＤは入力直流電源の負極
を示す。２は主回路である。３１ａ、３１ｂはこの入力
直流電源に対して直列接続された同極性の主スイッチン
グ素子を示す。３２ａ、３２ｂは前記入力直流電源に直
列接続され中間電位をつくるコンデンサである。トラン
ス７は主巻線８と出力巻線９とからなり、主巻線８は前
記二つの主スイッチング素子の接続点と前記入力直流電
源の中間電位との間に接続されている。出力巻線９は負
荷に接続される。３０ａ、３０ｂは前記二つの主スイッ
チング素子の制御端子に接続されてデッドタイムをつく
る、遅延回路である。このデッドタイムとは両スイッチ
ング素子が共にオフする時間をいう。

【００１０】駆動トランス３は主巻線４と、帰還巻線５
と、駆動巻線６ａ、６ｂとからなる。主巻線４は一端が
前記中間電位をつくるコンデンサの中点に接続され、も
う一端が駆動用主トランジスタ２１ａ、２１ｂの接続点
に接続されている。帰還巻線５は正帰還がかかるように
駆動用主トランジスタ対のベースバイアス回路に接続さ
れている。駆動巻線は前記遅延回路３０ａ、３０ｂに接
続される。

【００１１】１は駆動回路である。２１ａ、２１ｂは一
定の周期で交互にオンする相補性の駆動用主トランジス
タ対である。１９ａ、１９ｂはこれらの主トランジスタ
対をオフさせる、相補性の駆動用補助トランジスタ対で
ある。抵抗１５とコンデンサ１６とからなる時定数回路
は主トランジスタ対をオフさせる周期を決定し、発振周
波数を決める。抵抗１７ａと２０ａおよび１７ｂと２０
ｂは自起動性を得るためのバイアス手段である。

【００１２】駆動回路１の電源は主回路の入力直流電源
と共用することで、駆動回路用補助電源が不要となって
いる。バイポーラトランジスタ２１ａ、２１ｂは駆動用
主スイッチング素子で、抵抗１５とコンデンサ１６によ
って定まる周期で交互にオンする。このトランジスタ対
は容量は小さくてもよいが、主回路の入力直流電源に接
続されるので耐圧は大きい必要がある。主回路のコンデ
ンサ３２ａ、３２ｂは入力直流電源の中点の電位をつく
り出し駆動回路１と主回路２とに供給する。駆動トラン
スの主巻線４には交互にオン、オフする駆動用主スイッ
チング素子によって、向きが変わる電流が流れて、駆動
巻線６ａ、６ｂを介して主回路のスイッチング素子を交
互にオンさせる。主巻線４と磁気的に結合された帰還巻
線５は抵抗１１ａ、１１ｂ、ダイオード１８ａ、１８ｂ
を介して、正帰還がかかるようにそれぞれ駆動回路用主
トランジスタ２１ａ、２１ｂのベースと接続されてい
る。抵抗１１ａ、１１ｂはベース電流を制限する。抵抗
１２はツェナダイオード１３、１４に過電流が流れない
ようにする抵抗である。ツェナダイオード１３、１４は
帰還巻線５に誘起された電圧を正負、両方向にクリップ
する。抵抗１５とコンデンサ１６は補助トランジスタ１
９ａ、１９ｂがオンする時定数を決定する。補助トラン
ジスタ１９ａ、１９ｂはそれぞれ、前述の時定数で駆動
用主トランジスタ２１ａ、２１ｂのベース電流を引き抜
くことで、２１ａ、２１ｂを交互にオフさせる。ダイオ
ード１８ａ、１８ｂは駆動用主トランジスタ２１ａ、２
１ｂのベース・エミッタ間に逆バイアスがかかったとき
に電流を阻止するダイオードである。抵抗１７ａ、１７
ｂ、２０ａ、２０ｂは自起動用バイアス抵抗である。

【００１３】今、駆動用トランジスタ２１ａがオンして
いて、駆動用トランジスタ２１ｂがオフしているとする
と、主巻線にはコイルの巻終わり（図１においてコイル
に”・”がついていないほう）から巻始めへと電流が流
れる。すると帰還巻線５には巻終わりを正とする誘起電
圧が発生し、この電圧が抵抗１１ａ、ダイオード１８ａ
を介してトランジスタ２１ａのベースに加えられる。こ
れは正帰還であるので、トランジスタ２１ａはオン状態
を保持し、いっぽうトランジスタ２１ｂはオフ状態を保
持する。帰還巻線５から誘起された電圧はツェナダイオ
ード１３、１４の両端にも加えられるので、抵抗１５と
コンデンサ１６とで決まる時定数で補助トランジスタ１
９ａのベース・エミッタ間の電圧も上昇していく。一定
時間後、１９ａのベース・エミッタ間の電圧がスレッシ
ョルドに達すると１９ａはオンし、主トランジスタ２１
ａのベース電流は引き抜かれて２１ａはオフする。する
と駆動トランス主巻線４に流れていた電流が流れなくな
ることで、主巻線４の両端にかかる電圧が反転し、今度
は駆動用トランジスタ２１ｂ側がオンする。ここでトラ
ンジスタ２１ａがオフしてからトランジスタ２１ｂがオ
ンするまで、ある程度の時間を必要とするが、これは抵
抗１１ｂとトランジスタのベース・エミッタ間容量とで
決まる時定数によって確保される。したがってトランジ
スタ２１ａ、２１ｂが同時にオン状態になることはな
い。トランジスタ２１ａがオフで、トランジスタ２１ｂ
がオンの時も、上に述べたの同様に動作する。

【００１４】駆動巻線６ａ、６ｂに生じた電圧は、主回
路２の遅延回路３０ａ、３０ｂでデッドタイムを付加さ
れ、主スイッチング素子である、ＦＥＴ３１ａ、３１ｂ
のゲートに加えられる。３１ａ、３１ｂが交互にオンす
ることで、出力トランスの主巻線８には向きが変わる電
流が流れて、出力巻線９から電力が取り出せる。以上述
べたように、駆動用主スイッチングトランジスタ２１
ａ、２１ｂを交互にオンさせることで駆動トランス３の
主巻線４を駆動して、電磁結合された駆動巻線６ａ、６
ｂを介して主回路の主スイッチング素子に交互に制御信
号を与えることで、主スイッチング素子３１ａ、３１ｂ
には同極性のものを使用することができるようになっ
た。主スイッチング素子３１ａ、３１ｂとして同極性の
ものを使うことで、高耐圧・大容量のＮチャネルＦＥＴ
を用いれば大容量のＤＣ−ＡＣ変換器が実現できる。

【００１５】図２は図１の変換器の各部の波形を示した
ものである。（ａ）はコンデンサ１６の両端の電圧、す
なわち補助トランジスタ１９ａ、１９ｂのベース・エミ
ッタ間の電圧ＶCを示す。正負いずれの状態でも、＋Ｖt
h、−Ｖthでそれぞれ、補助トランジスタ１９ａ、１９
ｂがオンするのでピーク値として＋Ｖth、−Ｖthをとる
三角波をなす。（ｂ）は補助トランジスタ１９ａの状
態、（ｃ）は補助トランジスタ１９ｂの状態をそれぞれ
示す。（ｄ）は主トランジスタ２１ａの状態、（ｅ）は
主トランジスタ２１ｂの状態をそれぞれ示す。また
（ｆ）は主回路２のトランジスタ３１ａの状態、（ｇ）
は主回路２のトランジスタ３１ｂの状態をそれぞれ示
す。以下、図にしたがって説明する。いま仮にトランジ
スタ２１ａがオンの状態だとすると、電圧ＶCは−Ｖth
から＋Ｖthへと、抵抗１５とコンデンサ１６とで決まる
時定数によって上昇する。電圧ＶCが＋Ｖthになると補
助トランジスタ１９ａがオンする。するとトランジスタ
２１ａのベース電流が補助トランジスタ１９ａによって
引き抜かれ、オフする。駆動トランス帰還巻線５には逆
方向の誘起電圧が発生し、今度はトランジスタ２１ｂが
オンする。電圧ＶCは＋Ｖthから下がっていき、一定の
時間後に−Ｖthになる。−Ｖthになると補助トランジス
タ１９ｂがオンし、主トランジスタ２１ｂはベース電流
が引き抜かれオフ状態になる。その瞬間に帰還巻線５に
は逆方向の電圧が誘起され、主トランジスタ２１ａがオ
ンする。このようにして駆動用主トランジスタ対の２１
ａ、２１ｂは交互にオンして、主回路２の主スイッチン
グ素子対３１ａ、３１ｂを駆動する。遅延回路３０ａ、
３０ｂのはたらきでデッドタイムが挿入され、図２の
（ｆ）、（ｇ）のように動作する。

【００１６】

【発明の効果】以上述べたように本発明のＤＣ−ＡＣ変
換器は、主回路に高耐圧・大容量の同極性主スイッチン
グ素子を使うことができるので、大容量のＤＣ−ＡＣ変
換器を実現することができる。

【００１７】またそれと同時に駆動用電源として、入力
直流電源をそのまま使えるので駆動回路が簡単化される
効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のＤＣ−ＡＣ変換器の実施例における具
体的な回路構成図。

【図２】本発明のＤＣ−ＡＣ変換器の各部の波形、及び
状態を示す図。

【図３】従来技術によるＤＣ−ＡＣ変換器の実施例を示
す図。

【図４】従来技術によるＤＣ−ＡＣ変換器のスイッチン
グ素子の状態を示す図。

【符号の説明】

１…駆動回路 ２…主回路 ３…駆動トランス ４…駆動トランス主巻線 ５…駆動トランス帰還巻線 ６、６ａ、６ｂ…駆動トランス駆動巻線 ７…出力トランス ８…出力トランス主巻線 ９…出力トランス出力巻線 １１ａ、１１ｂ、１２、１５、１７ａ、１７ｂ、２０
ａ、２０ｂ…抵抗 １３、１４…ツェナダイオード １６、３２ａ、３２ｂ…コンデンサ １８ａ、１８ｂ…ダイオード １９ａ、１９ｂ、２１ａ、２１ｂ…バイポーラトランジ
スタ ３０ａ、３０ｂ…遅延回路 ３１ａ、３１ｂ…主スイッチング素子 ＋Ｂ、ＧＮＤ…入力直流電源の正負端子

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ａ） 入力直流電源に対して直列接続さ
   れた同極性の二つの主スイッチング素子（３１ａ）、
   （３１ｂ）と、前記入力直流電源に直列接続され中間電
   位をつくる二つのコンデンサ（３２ａ）、（３２ｂ）
   と、前記二つの主スイッチング素子の接続点と前記入力
   直流電源の中間電位との間に接続された主巻線（８）と
   出力巻線（９）とを有するトランス（７）と、前記二つ
   の主スイッチング素子の制御端子に接続されて、二つの
   素子のオン区間にデッドタイムをつくる二つの遅延回路
   （３０ａ）、（３０ｂ）とからなる主回路（２）、 ｂ） 前記二つの遅延回路（３０ａ）、（３０ｂ）に制
   御信号を加える二つの駆動巻線（６ａ）、（６ｂ）と、
   交互に向きの違う電流を流す一端を前記コンデンサ（３
   ２ａ）、（３２ｂ）の中点に接続した主巻線（４）と、
   帰還巻線（５）とからなる駆動トランス（３）、 ｃ） オンしているときには正帰還がかかるように前記
   帰還巻線（５）とベースバイアス回路が接続されてお
   り、前記駆動トランスの主巻線（４）の他端が接続点に
   接続された交互にオンする相補性トランジスタ対（２１
   ａ）、（２１ｂ）と、これらの相補性トランジスタ対
   （２１ａ）、（２１ｂ）をオフさせる別の相補性トラン
   ジスタ対（１９ａ）、（１９ｂ）と、発振周波数を定め
   る単一の時定数回路と、自起動性を得るためのバイアス
   手段抵抗（１７ａ）、（２０ａ）、（１７ｂ）、（２０
   ｂ）とからなる駆動回路（１）、 から構成されることを特徴とするＤＣ−ＡＣ変換器。