JPS5858866A - スイッチング装置 - Google Patents

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】 （技術分野） この発明は、電圧共振型のスイッチング回路に関する。

（発明の背景及び従来例） 半導体素子があらゆる分野に応用されるにつれその直流
電源として、スイッチング式電源装置が広く利用されて
いる。従って、このスイッチング式電源装置に関する研
究も盛んである。その中で注目をされている。

この共振型スイッチング回路は、電力伝送用変成器又は
チ璽−クコイルを有する回路中に、共振用コンデンサを
挿入し、これらの間での共振を利用したものである。こ
の共振により、スイッチング素子の電圧波形又は電流波
形は共振波形となシスイツチング損失を減少させる。同
時に、回路中の電圧波形及びＩｔ流波形も共振波形とな
るので、方形波等でスイッチングした時と比較して高調
波成分が減少し、高周波ノイズも低減する。このような
共振型スイッチング回路は、スイッチング素子での電圧
が共振する場合は、電圧共振型、電流が共振する場合は
、電流共振型である。この発明は、前者に関するもので
ある。

従来の電圧共振型スイッチング回路を具備したスイッチ
ング式電流は、第１図に示すように、入力電流電源（１
１１，電力伝送用変成器ａの、スイッチング素子α４．
ダンパー・ダイオード（Ｉ４、共振用コンデンサ（１５
１，スイッチング素子α場のドライブ回路αｅ出力整流
平滑回路αη及び出力端子α樽とから構成される。

このような回路の定常状態に於いて、スイッチング素子
ａ３での電圧及び電流は、＠２図（ａ）　、　（ｂ）に
示すように、電圧共振型のスイッチング回路の特性とし
て時間的重複がなく、何の損失もない。

しかし、入力直流電源ａυをこのような電圧共振型スイ
ッチング回路を具備したスイッチング式電＃に接続した
状態で、ドライブ回路αｅによりスイッチング素子α謙
をオン・オフする場合、このスイッチング素子（ｌｓを
オフ状態から初めてオン状態にする際に、共振用コンデ
ンサ（１５は、第３図（→に示されるように入力直流電
源αυ電圧まで充電されてしまっている。この時に、ス
イッチング素子−をオンすると、第３図（呻に示される
ように、瞬間的に異常電流が発生する。即ち、共振用コ
ンデンサα［有］のエネルギーは、この共振用コンデン
サα＄及びする恐れもあった。最近は、よシ高出力用の
スイッチング式電源が諸分野から期待されているにもか
かわらず、このような異常シ璽−ト電流の発生が、この
ような期待を虚しいものとしていた。又特殊な用途とし
てオン・オフの激しい装置もありこのような欠点が重畳
な問題となっていた。

（発明の目的） この発明は、以上の欠点を除去し、入力直流電源を印加
したまま、スイッチング素子を動作させ始める際の損失
が極めて少ないスイッチング装置を提供しようとするも
のである。

（発明の構成） この発明は、主スイツチング部によりスイッチングされ
る電圧共振型スイッチング装置の共振用コンデンサに、
直列に副スイツチング部を接続し主スイツチング部が−
１オフ状態となった後、共振用コンデンサの電圧が零と
なっている間に、主スイツチング部が再びオン状態とな
らない時には副スイツチング部をオフ状態とすることを
特徴とする。

（発明の効果） この発明は、主スイツチング部が−１オフ状態になった
後、共振用コンデンサの電圧が零となっている間に、主
スイツチング部がオン状態とならない時には、即ち、オ
フ状態である限りは副スイツチング部をオフ状態とする
ので、共振用コンデンサの電圧は零に保持され、再び主
スイツチング部がオン状態となるのを持つ。従って、主
スイツチング部がオン状態となる時には、共振用コンデ
ンサの電圧は常に零であり、不敬シｗ　　’トを流が発
生せず、素子が破壊されることもない。

（実施例１） 次にこの発明の一実施例を図面に基づいて説明−する。

この実施例は、スイッチング式電源にこの発明全適用し
たものである。まず概略を述べる。

電圧共振型スイッチング部＠、副スイツチング部＠、第
１及び第２のドライブ回路（ハ）、＠並びに出力整流平
滑回路（４）とから構成されている。特許請求の範囲で
の制御部とは、第１及び第２のドライブ回路（至）、２
１である。従来のスイッチング式電源は、電圧共振型ス
イッチング部ので、主スイツチング動作が開始されるま
でにこの電圧共ｗＬｆｉスイッチング部・で余分な充電
が行われるのを防止するように動作する。

次にこの実施例をよシ詳しくｄ明する。電圧共振型スイ
ッチング部嗜は、主スイツチング用トランジスタ（５）
、第１のダンパーダイオード（至）、共振用コンデンサ
（支）とから成る。生スイッチング用トランジスタ＠及
び第１のダンパーダイオード（至）とで主スイツチング
部を構成する。副スイツチング部［有］は、副スイツチ
ング用トランジスタ（３０）、＠２のダンパー・ダイオ
ード（３１）とから成る。

これらの接続は次の通りである。人力直流電源（２１）
の正電圧端子が電力伝送用変成６嗜の１次巻線の一端と
接続される。この−次巻線の他端は、主スイツチング用
トランジスタ（２）のコレクタ、第１のダンパー・ダイ
オード（至）のカソード及び共振用コンデンサ（ハ）の
一端と接続される。この共振用コンデンサ（至）の他端
は、第２のダンパー・ダイオード（ｊｌ）のカソード及
び副スイツチング用トランジスタ（ト））のコレクタと
接続される０主スイツチング用トランジスタ（５）のエ
ミッタ、第１のダンパー・ダイオード（至）のアノード
、＠２Ｃ）ダンパー・ダイオード（３１）のアノードは
、入力直流電源１２１）の負電圧端子と接続される。主
スイツチング用トランジスターのベースは、第１のドラ
イブ回路（２）の出力端子と接続されるっ嗣スイッチン
グ用トランジスタ（，３ｏ）　’メベースは、第２のド
ライブ回路（ホ）の出力端子と接続される。電力伝送用
変成器＠の２次巻線は、出力整流平滑回路（イ）と接続
される。この出力＊＊平滑回路（イ）の出力は、出力端
子（３２）に供給される。

次に、このように構成された装置の動作を第５図に基づ
いて説明する。但し、以下の説明では、主スイツチング
用及び副スイッチング用トランジスタ面、（３０）ｇｊ
ｔびに第１の及び第２のダンパー・ダイオード（２８）
　、　（，３１）は理想的なスイッチング動作をするも
のとする。まず、初期状態として、主スイツチング用及
び副スイツチング用トランジスタ（２７）　、　（ＪＯ
）はオフ状態とする。即ち、第１の及び第２のドライブ
回路（至）、四の出力は第５図（ｂ）及び（ａ）に示さ
れるように零である。この時、入力直流電源Ｑυにとっ
て、この回路全体は遮断されておシ、回路に対して有効
′電圧を印加できていす、特に共振用コンデンサ翰は充
電されていない。この状態で、第５図（ｂ）に示される
ように１時刻１．に於いて第１のドライブ回路（ホ）の
出力電圧をｖｌ（Ｖ）とすると、主スイツチング用トラ
ンジスタ（ロ）がオン状態となる。第１のドライブ回Ｗ
８＠と同期して第２のドライブ回路（ハ）の出力電圧を
Ｖｌ（Ｖ）とする０副スイツチング用トランジスタ（３
０）も同時にオン状態となる。従って、共振用コンデン
サ翰と主スイツチング用及び副スイツチング用トランジ
スタ（Ｚ７）　、　ＣＪＱ）とが電気的に接続される。

しかし、共振用コンデンサ翰にはこの時刻において全く
充電されていないので、主スイッチング用トランジスタ
罰のコレクタ及びエミッタ間電圧は瞬時に零になり、異
常なシ璽−ト′１ｌｃｆｔは流れない。従って損失は生
じない。又、この主スイツチング用トランジスタ（ロ）
には、電力伝送用変成器に）の１次巻線が直列に接続さ
れているので、このトランジスタ（ロ）のコレクタに流
れる電流は、第５図（ｄ）に示されるように直線的に増
加していく〇 時刻ｔ２に於いて、第５図（ｂ）に示されるように第１
のドライブ回路−の出力を零にすると、王スイッチング
用トランジスタ（ロ）はオフ状態となる。すルト、この
トランジスタ＠のコレクタ′醒流は第５図（ｄ）に示さ
れるように零となる。しかし、電力伝送用変成器（イ）
の１次巻線には電気的慣性があるので、励磁電流が発生
し、この励磁電流を交流電源として入力鼻流電＃２υ、
電力伝送用変成器＠の１次巻線、共振用コンデンサ翰及
び副スイツチング用トランジスタ（３０）とで、入力直
流電源電圧を基準として、直列共振回路を形成する。直
列共振回路であるから、入力直流電源Ｑυと共振用コン
デンサ（ハ）との間でエネルギーの交換を行う。この場
合には、まず、共振用コンデンサ四が充電され電気的、
エネルギーがここに集中していく。この時、この共振用
コンデンサ（２）の電圧はサインカーブで変化する。こ
の電圧値がピークに達する時刻ｔ３迄、共振用コンデン
サ（２）には、第５図（ｅ）に示される゛ように、１次
巻線の方向から電流が流れる。但しこの方向に流れる電
流を正とする。電圧値がピークに迫した時刻ｔ３に於い
て、この電流値は零である。

電圧値がピークに遣し友後は、電流の方向が逆転し、共
振用コンデンサ（至）と直列に接続された第２の夕／バ
ー・ダイオード（３１）を介して電流が流れる。即ち、
電気的エネルギーは、１次巻線を介して入力直流電源シ
υに戻る０この時、共振用コンデンサ（ハ）の−圧は降
下しており時刻ｔ４に於いて零となる。この電圧値は、
更に負側に降下しようとするが、共振用コンデンサ翰と
並列に接続されている第１のダンパー・ダイオード（至
）が導通状態となることにより阻止される０従って主ス
イツチング用トランジスタ＠の電圧値は、第５図（Ｃ）
に示されるように時刻ｔ４以後零に保持される。又、こ
の時共振用コンデンサ（至）に流れる電流は負の所定値
から零に急激に降下する。即ち、エネルギーが、電＃（
２）側に回虫される０この状態でダンノ（−・ダイオー
ド四に流れる電流値が零になった時、この瞬間に第１の
ドライブ回路（ハ）からの出力をＶｌ（Ｖ）とし、主ス
イツチング用トランジスタ＠をオン状態とする。この状
態は、時刻ｔ１での状態と等価であり、共振用コンデン
サ（至）の電圧は零で、以後時刻ｔ４までの状態を繰り
返す。この軸例のように、第１のドライブ回路（至）の
出力を選択すると、Ｉ＆大のデユーティ比となる。

次に、動作期間から休止期間に移行する場合について説
明する０まず１時刻ｔ５に於いて＠１のドライブ回ｗｓ
（至）からの出力を零とし、主スイツチング用トランジ
スタ（５）をオフ状態とする。すると、前述と同様に共
振用コンデンサ（ハ）の電圧波形はサインカーブをなす
。この電圧値が零になった時刻に於いて、第２のドライ
ブ回路（ハ）の出力を零とする０副スイツチング用トラ
ンジスタ（，３０）はオフ状態となり、回路は速断され
る。すると、共振用コンデンサ（２）の電圧は零値が保
持される。そして、Ｗ、２のダンパー・ダイオード（３
１）の電流が零になると、主スイツチング用及び副スイ
ツチング用トランジスタ（２７）　、　（刃）のコレク
タ及びニオツタ関電圧は、入力直流電源（９）電圧まで
上昇し、次の動作を待つ。ここで重要なのは、共振用コ
ンデンサ四の電圧は零で、次の動作を待つ点であシ、次
の動　　゛作問始時に、主スイツチング用及び副スイツ
チング用トランジスタ（２７）　、　Ｃｍで消費させら
れるような異常シ璽−ト電流が発生せず、トランジスタ
＠及び共蛋用コ／デ／す（２）は破壊することもない。

以上の実施例に於いて、副スイツチング用トランジスタ
（，３ｏ）をオン状態にするタイミングは、この実施例
には何ら拘束されず、主スイツチング用トランジスタ面
がオン状態になってからオフ状態になるまでの間であれ
ば良く、特に限定されないＯ又、この副スイツチング用
トランジスタ（３０）をオフ状態にするタイミングは、
＄２のダンノ（−・ダイオード（３１）があるので、共
振用コンデンサ（至）の−王がピーク値に達した時点か
ら第１のダンノ（−ダイオード（至）の電流が零になる
時点までの間であるなら、いつでも構わないＯ賛するに
、スイッチ＃Ｌ＃とじて回路が動作しない間には、この
回路が速断されて、共振用コンデンサ（２）にエネルギ
ーが蓄積されるのを防止す゛れば良いのであるＯ従って
副スイツチング用トランジスタ（，３０）は、動作期間
中は、常にオン状態にあるので、特に高速の素子である
必要はない０ この実施例によると、スイッチ式電源に於いて入力直流
電源を印加したまま１回路の動作を開始しても、共振用
コンデンサーに、小壁なエネルギーが蓄積されていない
ので、損失を極めて減少させることができる０又、主及
び副スイツチング部のエミッタが共通なので、グラウン
ドが取りゃすい０ （実施例２） 次に第４図に示される回路を、定電圧源として使用する
場合の動作について説明する。この場合には最大のパワ
ーを設定し、それに応じた共振周波数を与えるように回
路を設計する。電力伝送用変成器■の１次巻線に電磁気
的変化が生じる回数即ち、共振周波数に相当する、が多
ければ多い相出力端子（：（２）から取り出される出力
は大きくなる。

この出力を１４整するには、主スイツチング用トランジ
スタ（５）のオン状態及びオフ状態の出現回数、即ち、
嬉ｌのドライブ回路（至）の出力の周波数ｆを変化させ
ればよい・この実施例では、定電圧源の出力が、かなシ
低く第１のドライブ回路の出力の周波ｆを前実施例の約
１７２とする。前述の実施例では、第１のダンパー・ダ
イオード（至）に流れる電流が零になるとすぐ主スイツ
チング用トランジスタ（５）をオン状態としたが、この
実施例では、第１のダンパー・ダイオード（至）に流れ
る電流が零となっても主スイツチング用トランジスタ（
２）はオン状態としない。従って、休止期間が生じ、共
振用コンデンサ（至）に不要なエネルギー蓄積がなされ
てしまうので、本発明が適用できる。第６図（ｂ）に示
されるように、第１のドライブ回路（ハ）の出力の周波
数を定電圧源としての所定の出力に応じた周波数に設定
する。この第１のドライブ回路（ハ）の出力に応じて、
主スイッチング用トランジスタ罰はオン状態及びオフ状
態となる。第２のドライブ回路（至）の出力は、＠６図
（→に示されるように、第１のドライブ回ｇ（至）の出
力のオン状態と同期してオン状態となる。従って、共振
用コンデンサ（２）の電圧は共振波形を描く。この電圧
が零になった時点で、第２のドライブ回路（至）の出力
をオフ状態とする◎すると、第２のダンパー・ダイオー
ド（３１）の電流が零になった後、主スイツチング用及
び副スイツチング用トランジスタ（２７）、（３０）の
コレクタ及びエミッタ関電圧は、入力直流電源−電圧ま
で上昇する０しかし、共振用コンデンサ（２）の電圧は
零であり、次に主スイツチング用トランジスタ（５）が
オン状態になるのを待つ。従って、このトランジスタ（
３）がオン状態となってｔ１不要ン璽−ト電流は流れな
い。以上の動作に於いて、主スイッチング用トランジス
タ罰のコレクタ電流及び共振用コンデンサ０１の電流は
、第６図（ｄ）及び（ｅ）に示されるように、前述の実
施例と同様である。この実施例では、電力伝送用変成４
嗜の１次巻線の電流が零になってから、主スイツチング
用トランジスタ（ハ）がオン状態になるまでに、共振用
コンデンサ（至）の充電にとって充分な時間がある点に
於いて前記実施例と異なる。この時には、國スイッチン
グ用トランジスタ（３Ｄ）を、コンデンサ（至）への充
電が開始される前にオフ状態にする必要がある。

（実施例３） 更に、他の実施例を図面に基づいて説明する。

この実施例は、第７図に示されるように、共蛋用コンデ
ンサ（２）、副スイツチング用トランジスタｃ３０）及
び第２のダンパー・ダイオード（ｊｌ　）の接続位置を
、前述の実施例とは変更し友ものである。即ち第４図に
示されるように、主スイツチング用トランジスタ（５）
のコレクタ及びエミッタ間に接続したのではなく、入力
直流電ｇｌ（２υの正電圧側と共振用コンデンサ翰の一
端とを接続したものである。他素子の接続については、
前述の実施例と全く同様である。このような回路では５
電力伝送用変成器嗜の１次巻線で発生する励磁電流を交
流電源としこの１次巻線、共振用コンデンサ翰、副スイ
ッチング用コンデンサ（３０）とで直列共振回路を形成
する。従って、このような回路構成でも前述した本発明
の効果は得られる。

（実施例４） 次に応用例をいくつか説明する。ｔｌＥｌの応用例は、
第８図に示されるように、中波送信器の電力増幅部に用
いられているＥ級増幅回路に適用した例である。入力直
流電源（７１）と、この入力直流電源（７１）の正電圧
側端子と接続された電力伝送用チ璽−クコイル（７２）
と、とのチロ−クコイルの一端と接続された共振用コン
デンサ（７Ｊ）　、負荷回路コンデンサ（７４）及び同
じくその一端とそのコレクタが接続された主スイツチン
グ用トランジスタ（７５）と、共振用コンデンサ（７３
）の一端とそのカソードが接続されたダンパー・ダイオ
ード（７６）及び同一端子にそのコレクタが接続された
副スイツチング用トランジスタ（７７）と、負荷回路コ
ンデンサ（７４）の−喝を接続された負荷回路インダク
タンス（７８）と、主スイツチング用及び副スイツチン
グ用トランジスタ（７５）、（７７）のベースに接続さ
れた第１の及び第２のドライブ回路（８０ａ）、（８ｏ
ｂ）から構成されているっ但し、主スイツチング用及び
副スイツチング用トランジスタ（７５）、（７７）の工
２ツ！並びにダンパー・ダイオード（７６）のアノード
はΔカ直流電源（７１）の負電圧側及び外部出力端子（
７９ａ）とに接続される。又、この時の出力は、負荷回
路インダクタンス（７８）の一端と接続された外部出力
端子（７６ｂ）用されるＥ級増幅器に対して本発明は適
用で自、的述のような効果が得られる。即ち、Ｂ級増幅
器は、スイッチング周波数をキャリアとし、主スイツチ
ング用トランジスタ（７５）のオン状態及びオフ状態の
比率即ち、デー−ティ比により振幅変−することにより
増−回路として動作する。この場合にもスイッチングの
際に、共振用コンデンサ（７３）に不要なエネルギ蓄積
がなされ、主スイツチング用トランジスタ（７５）に不
要シ冒−ト電流が流れてしまう。従って、この発明が適
用される対象となるＯ （実施例５） 第２の応用例として、電磁＊、ｍ器に適用したものを説
明する。第９図に示されるように、入力直流電＠（８１
）、この正電側と接続された磁力線発生用コイル（８２
）と、この一端とそのコレクタが接続された主スイツチ
ング用トランジスタ（８３）　、同一端にそのカソード
が接続された第１のダンパー・ダイオード（８４）、及
び同じく同一端に接続された共振用コンデンサ（８５）
と、この共振用コンデンサ（８５）の他端とそのｒノー
ドが接続された棋２のダンパー・ダイオード（８６）及
び同−趨と接続された剛スイッチング用トランジスタ（
８７）と、２つのトランジスタ（８３）、（８７）のベ
ースと接続された第１及び第２のドライブ回路（８８ａ
）、　（８８ｂ）とから構成されている。この発明を適
用された電磁ｖ４理器具は、損失が極めて少なく、フラ
イパン等のｌｌ埋器具に有効に電磁力線を与えることが
できる。

以上、本発明の実施例等について祥述したが、本発明は
、これらの例に何ら拘束されるものではない。例えば、
トランジスタを用いたスイッチング素子として、双方向
に電流を流しうるスイッチング素子を用いれば、ダンパ
ー・ダイオードは用いる必要はない。又、このスイッチ
ング菓子は、トランジスタに限定されるものではなく、
任意に電流をオン・オフできる素子であればよく、例え
ばサイリスタ、ゲート・ターン・サイリスタ、逆導通サ
イリスタ、トライブック（ゼネラル・ニレ　　□クトリ
ック社登録商標）、ＦＥＴ、フォト・カブラ等でも構わ
ない。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来の電圧共振層スイッチング回路を具備し
たスイッチング式電源を示す回路図、第２図及び第３図
は、第１図に示される回路中の信号波形図で、第２図は
安定動作中の図、第３図は動作開始時の図、第４図は、
本発明に係る一実施例である電圧共振型スイッチング回
路を具備したスイッチング式電源を示す回路図、第５図
は、第４図に示される回路の動作を示す信号波形図、第
６図は、第４図に示される回路を定電圧源として用いた
場合の動作を示す信号波形図、第７図乃至第９図は、他
の実施例を示す回路図であり、種々の応用を示す。 （２１）、（７１）、（８１）・・・直流電源。 （存）、（７２）、　（８２）・・・インダクタンス部
、Ｌ２３）−−・主スイツチング部、 （２９）、（７３）、　（８５）・・・共振用コンデン
サ、（ロ）・・・副スイツチング部。 代理人　弁理士　　則　近　憲　佑 （ほか１名） 第１図 第６図 第７図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）直流電源と、この直流電源の一端子に接続された
   インダクタンスと、このインダクタンスに直列に接続さ
   れた主スイツチング部と、この主スイツチング部をオフ
   状態とした時に前記インダクタンスに誘起される励磁電
   流を電源として前記インダクタンスと共に直列共振回路
   を形成する共振コンデンサと、この共振用コンデンサに
   直列に接続され前記直列共振回路を形成する副スイツチ
   ング部と、前記上及び副スイツチング部を駆動させる制
   御部とを具備し、この制御部は、前記主スイツチング部
   がオフ状態になった後に於いて、共振用コンデンサの電
   圧が零の間に、＋１１記主スイッチング部がオフ状態で
   ある限りは、前記副スイツチング部をオフ状態とするこ
   とを特徴とするスイッチング装置。
2. （２）副スイツチング部を、トランジスタと、このトラ
   ンジスタと並列に接続されたダイオードとから構成する
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のスイッチ
   ング装置。