JPS5838066B2 - トランジスタチヨツパ制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はトランジスタチョツパ制御装置に係り、特に、
直流電動機を制御するに好適なトランジスタチョツパ装
置に関する。

バツテリ等の直流電源により負荷をオン、オフ制御する
ものにおいて、例えば、電気車等では、直流電動機をチ
ョツパ装置により駆動する方法が一般的に用いられてい
る。

そのチョツパ装置としては、サイリスク式、トランジス
タ式等がある。

これらの電気車用等のチョツパは大電力を制御すること
が必要なことからチョツパに用いる素子にも大容量のも
のが要求される。

大容量素子の価格は、小容量の素子に較べ生産数が少な
いこともあって高価なものとなっている。

特にサイリスク式では、転流回路が必要なことからチョ
ツパ回路も複雑となりさらに高価なものとなっている。

一方、トランジスタ素子も近年大容量のものが出現して
いるが、現在のところ、まだ、量産性が低いためサイリ
スク以上に高価なものとなっている。

このように、チョツパ用大容量半導体素子が高価なため
電気車用チョツパ装置としても高価なものとなってしま
う欠点がある。

そこで、従来でもチョツパ装置を安価にする方法の一例
としては、第１、第２図に示すごとく、一般用に多量に
生産されでいる安価な小容量のトランジスタを数ヶ〜数
１０ケ並列接続して用いる方法が採用されている。

第１図において、Ｂはバツテリ電源、Ｋは電源スイッチ
、Ｍは直巻界磁巻線ＦＬを有する直巻電動機、Ｆｌ ７
Ｆ２及びＲｌ Ｊ Ｒ２はＦＬの極性を切替えて前進
，後退の切替えを行なう切替スイッチ、Ｄはフライホイ
ールダイオード、ＴＣＨはトランジスタチョツパ、２は
トランジスタチョツパＴＣＨを制御する制御装置、１は
電気車のアクセルペダルに連動して電気信号を発生する
アクセル装置である。

以上の回路構戒において、電源スイッチＫ及び前進スイ
ッチ”１ １ ”２を閉じて制御装置２の出力ＶＯＳＯ
によりトランジスタチョツパＴＣＨをオン、オフ動作さ
せると、第３図に示すようにチョツパＴＣＨのオン時は
、バツテＩＪ Ｂ→電源スイッチＫ→前進スイッチＦ１
→直巻界磁巻線ＦＬ→前進スイッチＦ２→電動機Ｍ→ト
ランジスタチョツパＴＣＨへと電流が流れ、電動機Ｍは
回転する。

チョツパＴＣＨオフ時は、フライホイールダイオードＤ
を介してフライホイール電流が電動機Ｍに流れる。

チョツパの動作は、これをくりかえす。これらのチョツ
パの導通期間Ｔ１、非導通期間Ｔ２Ｔ１ の比α− をアクセル装置１の指令に応じＴ１＋
Ｔ２ て可変すれば、電動機の速度制御を行うことができる。

次に第２図の回路構成を説明する。

Ｔｏはドライブ用トランジスタであり、コレクタ抵抗Ｒ
ｃｏを介して制御回路電源ＶＣＣへ、エミツタは制御回
路電源の共通端子Ｅへ、ベースはベース抵抗ＲＩＯへそ
れぞれ接続されている。

一方、Ｔ１〜Ｔ５はドライブ用トランジスタＴ。

によって駆動されるパワートランジスタで各エミツタは
、それぞれバランス用のエミツタ抵抗ＲＥ１〜ＲＥ５を
介して電源の共通端子Ｅへ、ベースはバランス用のベー
ス並列抵抗ＲＢ１〜ＲＢ５を介して電源の共通端子Ｅと
ベース直列抵抗Ｒ１、〜Ｒ１５を介してドライブ用トラ
ンジスタのコレクタへ並列接続されている。

また、各コレクタを直接接続した端子Ｃぱ、第１図で説
明した電動機Ｍに、エミツタ側共通端子ＥはバツテＩＪ
Ｂのマイナス端子へ接続しチョツパ回路を構或してい
る。

このような回路構戒において、ドライブ用トランジスタ
Ｔｏのベース入力に第４図に示す波形の信号ＶＯＳＯを
入力するとパワートランジスタＴ１〜Ｔ５は駆動される
。

すなわち、第４図のごとく入力電圧ＶＯＳＯが零になる
とトランジスタＴｏはＯ ＦＦＬ，パワートランジスタ
Ｔ１〜Ｔ，は、ドライブ用トランジスタＴ。

のコレクタ抵抗ＲＯＯとそれぞれのベース抵抗Ｔｔｔ＋
〜Ｒ１，を介してベース電流が各トランジスタに供給さ
れコレクタ電流■。

１〜ＩＯ５が流れる。ｖｏｓａがハイレベルになるとド
ライブトランジスタＴ。

はＯＮし、パワートランジスタＴ１〜Ｔ５を遮断する。

上記のようにトランジスタを並列接続したチョツパでは
第５図のコレクタ電流■ｏ１，■ｃ２の波形のごとくト
ランジスタのターンオフ特性のバラツキから過渡時に特
定のトランジスタに電流が集中して流れることがあり、
この電流値がトランジスタの定格値をこえるとトランジ
スタが破壊される。

したがって、この問題についでは、従来では、各トラン
ジスタのターンオフ特性が同じものを選別して使用して
いる。

しかしこの方法は、トランジスタの選別が必要なため歩
留りが悪くなり、トランジスタの価格も高価なものとな
ってしまい実用的でない。

また、他の方法としては、特性のばらつきがある範囲内
にあるものを使用して、トランジスタの単体の使用条件
を最大定格値よりも十分低くさげて、トランジスタの並
列数を増加させで使用する方法がある。

しかし、この方法はトランジスタに十分余裕をもたせて
使用しているため同じ負荷電流を流す場合を考えるとト
ランジスタの数が増加する。

いずれの場合でもコストが高くなる欠点がある。

本発明の目的は、安価な小容量のトランジスタを多数並
列に接続して大電流を制御するトランジスタチョツパ装
置において、ターンオフ時の電流が特定のトランジスタ
に集中することなく、各トランジスタに均一に流れるよ
うバランスさせることで、トランジスタ単体の電流の最
大定格値まで使用を可能とし、トランジスタ素子数を極
力少なくしてコスト低減を図ったトランジスタチョツパ
装置を提供するにある。

本発明の特徴は、トランジスタを多数並列接続してチョ
ツパを構成する場合に、ターンオン時は各トランジスタ
へ同一値のベース電流を流し、クーンオフ時は、各トラ
ンジスタの電流増幅率ｈＦＥ特性に応じてターンオフベ
ース電流を流すことで、ターンオフタイムを変えて、タ
ーンオフ時のコレクタ電流をバランスさせ、各トランジ
スの電流分担を均一化したことにある。

ところでトランジスタのスイッチング動作時の入出力関
係は第４図で示した波形となる。

すなわちターンオン時は、ベース電流を十分に流してト
ランジスタを飽和させて使用するためターンオフ時に蓄
積時間ｔＢが生じる。

タンオフ時間ｔ。ｆｆは次式で表わされる。

ｔｏｆｆ＝ｔｓ＋ｔｆ ・曲・（１）こ
こにｔｆ；下降時間、ｔｓ：蓄積時間 ｔｓとｔｆの大きさは、一般的にｔ ｓ＞ｔ （である
。

また、ｔｆ特性は、トランジスタの違いによるばらつき
は比較的少ない。

一方蓄積時間ｔ８はトランジスタの違いによるばらつき
は大きい。

蓄積時間ｔ３が発生する原因は、ターンオンベース電流
を過剰に流すためトランジスタのベース領域中に過剰電
荷が蓄積されるためと云われており、一般的に次式の関
係で表わさせる。

すなわち、ｔ８は、（２）式よりＩＣが一定条件ではタ
ーンオンベース電流■Ｂ１とターンオフベース電流ＩＢ
Ｒ−それにｈＦＢの影響を受けることがわかる、ＩＢｔ
は定常状態での各トランジスタのコレクタ電流をバラン
スさせるために一定電流とする必要がある。

ｈＦＥは各トランジスタにより大きく異なるため、その
影響はｔＢの変動となって大きく表われる。

このｈＦＥの影響をのぞくために、ＩＢｔ一定電流条件
下でＩＢＲを調整すればｔｓが変わり、各トランジスタ
のｔ。

ｆｆ電流をバランスさせることが可能となる。

すなわち、第６図に示すように、トランジスタの蓄積時
間ｔｓは、そのトランジスタの増幅率ｈＦＥが大きくな
ると増加する特性となる。

（ただし、トランジスタのコレクタ電流、ベース電流一
定）。

従って、ターンオフ時の放電回路のインピーダンスＲＺ
を増幅率ｈＦＦｉ と逆比例関係に変化させることで、
放電々流を可変できる。

これによって各トランジスタの蓄積時間ｔＢを個々に調
整することができる。

第７図は、ターンオン、ターンオフベース電流を変える
動作の原理を説明した図で、第２図に示した従来方式の
ドライブ回路とパワートランジスタの一部を示したもの
である。

この場合のターンオン電流ＩＢ１は次式の関係となる。

？なわち、ＩＢ１は、ＶＯＯ＞ＶＢＥ Ｖ００：＞Ｒ
ｇｔＩＥとすれば、コレクタ抵抗ＲＩＯとベース抵抗Ｒ
ｌｌで決定する値となる。

また、ターンオフ時の蓄積時間ｔｓをかえるには、第７
図に示したごとくベース抵抗Ｒｌｌを変えることで、タ
ーンオフ電流ＩＢＲをかえることが可能である。

しかし、この場合の問題点は、ＩＢＲ，を調整する目的
で抵抗’ＲＨを変えれば、■Ｂｌも変ってしまい好まし
くない。

第８図は、本発明による回路の動作原理を説明する図で
ある。

図において、ＤＲはベースドライブ回路で、ドライブ用
トランジスタのコレクタにベース直列抵抗Ｒ１２とイン
ピーダンス調整用の可変抵抗Ｒ２１をそれぞれ接続し、
さらに抵抗Ｒ１にはパワートランジスタＴ１のベース側
に順方向に、Ｒ２には逆方向にダイオードＤ１，Ｄ２を
各々接続し、各ダイオードの他の一端はパワートランジ
スタＴ，のベースヘ接続する。

このような回路構戒における動作は次のようである。

第９図に示すごとく、ターンオン時は、抵抗ＲＯＯ
Ｒ１，ダイオードＤｌｌを介してパワートア ランジスタＴ，のベースヘＩＢｔの一定電流を流す。

ターンオフ時は、パワートランジスタＴ１のベース領域
に蓄積された電荷をダイオードＤ２１、可変抵抗Ｒ２１
、ドライブトランジスタＴ。

を介しで放電させる。

この場合に、トランジスタのター？オフ特性に応じて、
可変抵抗Ｒ２１を調整し、ターンオフ電流ＩＢＲ （
放電々流）をかえることで１第９図のごとく、蓄積時間
をｊｓｔ ，ｊｓｏ ，ｔ３のように可変することがで
きる。

このように、トランジスタのターンオン時は一定のベー
ス電流を流し、ターンオフ時にトランジスタの増幅率に
応じてターンオフベース電流ヲかえることで、ｔｕｆｆ
特性のみを個々に調整することが可能である。

以上、説明した動作原理のベースドライブ回路を備えた
パワートランジスタの多数並列接続によるチョツパ回路
を第１０図に示す。

ベースドライブ回路ＤＲ１〜ＤＲ５をのぞいた他は第２
図の従来回路の構成と同様なので説明は省略する。

第１１図には、第１０図の回路における動作の一例とし
て、コレクタ電流■ｃ１，■ｃ２と合或電流ＩＱの波形
関係を示す。

多数並列接続したトランジスタチョツパにおいて、上記
したような方法を用いれば、ターンオフ特性を合わせる
ことが可能となり、各トランジスタに流れるターンオフ
電流の分担が均一化されるため特定のトランジスタへの
電流が集中する問題が解決できる。

したがって、従来は、電流のアンバランスを見込んで、
各々トランジスタの使用能力を下げて全体のトランジス
タ数を増加させるなどして余裕をもたせていたものを、
トランジスタ単体の性能値の最大まで使用できることが
可能である。

すなわち、全体のトランジスタの個数を少なくできる効
果がある。

第１２図ａ，ｂに本発明の他の実施例を示す。

第１２図で、第８図と異なる点は、ベースインピーダン
スを変える方法として可変容量Ｃ２１を用いていること
である。

この方法でも同様な機能をもたせることができる。

また、第１３図において、ベース直列抵抗Ｒ１２と放電
抵抗Ｒ２１がＲ１〉Ｒ２１の関係の場合にはダイオード
Ｄ１１を省略でき回路が簡略化できる。

なお、第１３図においてトランジスタＴ１〜Ｔ５のベー
スと電源の共通端子Ｅ間に各々入るベース並列抵抗を省
略してあるが、これを省略してもなんら効果は変らない
。

また、ベース放電抵抗Ｒ２１〜Ｒ２５を調整する手段と
して、第８図に示した可変抵抗器を用いる方法の他に、
例えば、ベース抵抗に絶縁板上に印刷した印刷抵抗等を
使用した場合には、チョツパ装置を組立る段階で抵抗板
の一部をけずり取るトリミング法等によっても調整でき
るので、抵抗の可動部分を無くすことができ、信頼性、
作業性も向上させることができる。

本発明によれば、安価な小容量のトランジスタを多数使
用して大容量のトランジスタチョツパを構戒することが
可能となり、大容量のトランジスタ１ヶを使用した場合
に較べ非常に安価となる。

さらに、各トランジスタの電流分担の均一化によりトラ
ンジスタの使用率が向上する。

したがって同容量のトランジスタチョツパに較べ素子数
が減少するため、低価格のチョツパ装置を提供すること
ができる。

以上、本発明のトランジスタチョツパ装置については、
一実施例として電気車を駆動する場合を説明したが、そ
の他、直流を電源とし、負荷への電圧印加を間歇的に制
御する制御装置であれば、いずれの場合でも適用できる
ものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は電気車用主回路の代表的な構成を示す図である
。 第２図は従来知られているトランジスタチョツパ回路を
示す図である。 第３図はチョツパ動作原理説明図である。 第４図はパワートランジスタの入・出力関係図、第５図
は従来方式チョツパにおけるトランジスタコレクタ電流
波形図を示す図である。 第６図はトランジスタの増幅率と蓄積時間ｔｓ，所要イ
ンピーダンスＲＺの関係を示す図である。 第７図は従来方式チョッパにおけるトランジスタのター
ンオン、ターンオフ動作を説明図、第８図は本発明の原
理回路図である。 第９図は本発明の原理動作説明図、第１０図は本発明を
適用したチョツパ回路の一例を示す図、第１１図は本発
明方式のチョツパにおけるトランジスタのコレクタ電流
波形を示す図、第１２図ａ〜ｂは本発明の他の実施例の
説明図、第１３図は本発明の他の実施例を採用したチョ
ツパ回路図を示す図である。 ＴＣＨ・・・・・・トランジスタチョツパ、Ｔｏ・・・
・・・ドライブ用トランジスタ、Ｔ１〜Ｔ５・・・・・
・パワートランジスタ、ＤＲ・・・・・・ベースドライ
ブ回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 直流電源と負荷チョツパ装置及びチョツパ制御装置
   を備え、チョツパ装置は、複数個のパワートランジスタ
   のエミツタ、コレクタを共通に接続したパワースイッチ
   ング回路と、該パワースイッチング回路を構成する複数
   個のパワートランジスタのベース電流を個々に供給する
   複数個のベースドライブ回路とから構成され、チョツパ
   制御装置は前記複数個のベースドライブ回路への電流を
   制御するドライブ用スイッチ手段を含んだものにおいて
   、前記ベースドライブ回路は、各々、パワートランジス
   タのターンオン時、パワートランジスタのベース電流を
   決定する第１のインピーダンス回路と、パワートランジ
   スタのターンオフ時のベース電流を決定する第２のイン
   ピーダンス回路とを備え、第１のインピーダンス回路の
   インピーダンスは各ベースドライブ回路に等しいベース
   電流が流れるように設定し、第２のインピーダンス回路
   はパワートランジスタのターンオン時に該第２のインピ
   ーダンス回路に電流が流れるのを阻止する手段を含み、
   かつインピーダンス値を、パワートランジスタのターン
   オフ時間が等しくなるよう設定したことを特徴とするト
   ランジスタチョツパ制御装乱 ２ 特許請求の範囲第１項において、第２のインピーダ
   ンス回路のインピーダンスを、各々のパワートランジス
   タの増幅率に応じて変え、増幅率が大きいほどインピー
   ダンスを小さくするよう設定したことを特徴とするトラ
   ンジスタチョツパ制御装乱