JP2007522788A - 電解コンデンサを相互接続するための切り替え装置 - Google Patents

Abstract

切り替え装置は、半導体装置と遅延部とによって形成される電子スイッチを備えている電解コンデンサを相互接続するためのものである。半導体装置は制御入力端を有している。この半導体装置は、ＲＣ型の遅延部を介して、切り替え信号を供給する制御入力部（ＶＳ）に接続されている。切り替え装置は、予め設定された切り替え遅れを伴っている。半導体装置は電界効果トランジスタ（ＦＴ）であり、その主回路は、第２の遅れを惹起する誘導性素子（Ｌ）を介して、切り替えを行うべきコンデンサ（Ｃ１）に接続されている。誘導性素子（Ｌ）は、高周波数フェライト磁心（１１、１２）によって囲まれた、予め設定された長さをもつ導電体（１０）である。ＲＣ型の遅延部材によって惹起される遅れ時間は、切り替え装置がその許容負荷限界内で負荷される切り替え遅れの一部のみを確保し、残りの遅れは誘導性素子（Ｌ）によって惹起される。

Description

本発明は、少なくとも５００μＦの容量の電解コンデンサを、もう１つのエネルギ蓄積電解コンデンサに対して、制御された態様で並列的に切り替えるための切り替え装置に関するものである。この切り替え装置は、半導体装置と遅延部とによって形成される電子スイッチを備えている。ここで、半導体装置は制御入力端を有している。この制御入力端は、ＲＣ型の遅延部を介して、切り替え信号を供給する制御入力部に接続されている。切り替えスイッチは、予め設定された時間の切り替え遅れを有している。

エネルギが蓄えられたコンデンサを突然に放電又は充電させる際には、ある時間内は、非常に大きい過渡電流が流れ、この過渡電流は過渡的な過程にある切り替え装置及びコンデンサの両方を損傷するおそれがある。

特許文献１には、コンデンサを備えたバッテリ充電回路が開示されている。スイッチは、このコンデンサの容量を、該コンデンサと並列的に接続されたもう１つのコンデンサを切り替えることによって増加させる。参照された特許文献１の図４に示されているように、切り替えを行う経路に、直列のＬＣ部が介設されている。

充電すべきコンデンサの容量は典型的には１００〜１００００μＦの範囲であるが、５００〜１００００μＦの範囲であるのが有利である。最も普及している半導体の切り替え装置はＭＯＳＦＥＴ型の電界効果トランジスタであるが、その内部抵抗は開通状態ないしは開状態（open state）では非常に低く、非常に高い入力インピーダンスでもって容易に開閉することができる。

大電流を切り替えるように構成されている電界効果トランジスタの切り替え性能は、一定の割合で上昇しているが、ある強度を超えるある種の電流に対しては、トランジスタの安定性が危うくなる。典型的な使用形態においては、最大の許容電流強度は１８０Ａである。電界効果トランジスタを切り替え装置として用いるときには、過渡的な切り替え過程の間における半導体装置での熱の散逸が障害となる。開状態においては、電界効果トランジスタの残留電圧は非常に低く、典型的には５０ｍＶの範囲内である。このため、このようなトランジスタにおける電力損失は、大電流の場合でも非常に小さい。しかしながら、過渡的な切り替え過程の間においては、電界効果トランジスタが許容限界値を超える負荷にさらされる危険が非常に大きくなる。

かくして、大きいエネルギを切り替えるときには、切り替え装置をさらすことが可能な適切な負荷と、さらには切り替える回路に対して許容できる最大負荷とに注意を払うことが必要である。切り替える回路への負荷は、過渡的な過程を遅延させることによって低減することができる。これと同時に、ある応用例においては、絶対的に必要とされる範囲にだけ、すなわちある部品に対して設定された限界を超えることを防止するための範囲のみにおいて、切り替える回路に生じる過渡的な過程に切り替え自体が影響を及ぼすことを確実化することも目的である。

誘導性素子は、遅れを惹起するために、切り替える回路の主回路において日常的に用いられる。誘導性素子を用いる場合に生じる１つの問題は、遅れを惹起するのに必要な誘導性ないしはインダクタンスは、ある大きさのオーム抵抗でもってのみ生じさせることができるが、主回路におけるオーム成分の存在は、連続的な損失を生じさせ、もはや過渡的な切り替えの状態にはない過程に悪い影響を与えるということである。

前記の特許文献１において注目される使用形態においては、境界条件が進展し（boundary conditions develop）、過渡的な過程に必要な遅れ期間は、１００〜２００Ａの範囲内の電流の場合における切り替えの過渡的状態から誘導される熱応力によって、通常の電子的半導体装置が許容できるものより長くなる。同時に、このような遅れ期間は、一般に用いられる誘導性遅延素子を使用不可能にするのには十分に短い。なぜなら、要求される誘導性の値が実現されたときに生じるオーム成分が存在するからである。
ハンガリー特許出願公開第９９０２３８３号明細書

上記の相反する要求があるので、すなわち大きいエネルギを蓄積する大容量の電解コンデンサに対して、エネルギは小さいが大容量であるもう１つの電解コンデンサを並列に接続しなければならないので、かつ、進展する過渡的な過程への影響をできる限り少なくするといった要求があるので、従来、このような問題は、開閉する接点でもって解決することができるだけであった。しかしながら、機械的な接点を利用する解決手段は、その他の点では有利であり、高速であり、かつ信頼性が高い電子装置に比べて、コスト、速度、制御の容易性について不利であり、かつ、信頼性のレベルが低いといった問題がある。

本発明の目的は、少なくとも５００μＦの容量をもつ電解コンデンサを、もう１つのエネルギ蓄積用電解コンデンサに対して、制御された態様で並列的な切り替えを行うのに用いられる切り替え装置を提供することである。ここで、切り替え素子は、半導体装置によって形成され、この半導体装置及びこれに接続された電解コンデンサの両方を、切り替えによる過渡的状態で生じる電流の急上昇による結果として損傷が生じることから保護することができ、同時に上記保護に必要な範囲においてのみ、切り替えの過程に影響を及ぼすだけのものである。

上記の目的を達成するためには、切り替えの過渡的状態に対する保護を、分割された仕様で行うことにより解決することができるということが判明した。かくして、要求される遅れの一部は、電界効果トランジスタのゲート電極のところで形成され、主として装置のゲート電極のそれ自体の入力容量のみを利用するＲＣ遅延部によって確保される。第１の遅れの範囲（extent）は、電界効果トランジスタの負荷限界値に基づいて決定される。必要なさらなる遅れは、フェライト磁心の穴部を通る誘導性部材（inductive member）によって確保される。誘導性部材は、非常に低いオーム抵抗を有し、１回の折り返し（single turn）、又は最大でも数回の折り返し（a few turns）である。誘導性部材は、半導体装置の主回路と直列に接続されている。

かくして、本発明は、少なくとも５００μＦの容量の電解コンデンサを、もう１つのエネルギ蓄積電解コンデンサに対して、制御された態様で並列的に切り替えるための切り替え装置を提供する。この切り替え装置は、半導体装置と遅延部とによって形成される電子スイッチを備えている。半導体装置は、ＲＣ型の遅延部（delay member）を介して、切り替え信号を供給する制御入力部（control input）に接続された制御入力端（control input）を有する。この切り替え装置は、予め設定された範囲（extent）の切り替え遅れ（switching delay）を有している。本発明によれば、半導体装置は電界効果トランジスタであり、電界効果トランジスタの主回路は、第２の遅れを惹起する誘導性素子（inductive element）を介して、切り替えを行うべきコンデンサに接続されている。誘導性素子は、高周波数フェライト磁心（high-frequency ferrite core）によって囲まれた、所定の長さをもつ導電体である。ＲＣ遅延部によって惹起される遅れは、電界効果トランジスタの負荷限界内の負荷に対して要求される所定の切り替え遅れの一部分のみを確保する。残りの遅れは、誘導性素子によって惹起される。

本発明によって提案される上記分割と、誘導性素子の特別な形態とにより、抵触する要求の特別な妥協形態（compromise）として、全ての条件を満たす解決手段を得ることができる。本発明に係る解決手段によれば、電界効果トランジスタに影響を及ぼす熱負荷は、切り替えの過渡的状態の間において許容範囲内のものである。さらに、電解コンデンサへの電流のピーク値の大きさは、これに損傷を与えるレベルを超えるものではない。同時に、切り替え及び必要な遅れは、主回路に最小限のオーム抵抗損失を生じさせるだけである。それゆえ、その機能は、基本的には、切り替えの過程で必要な回路の存在によって影響を受けない。

本発明の有利な実施態様によれば、フェライト磁心は、ある距離を隔てて互いに離間された互いに平行な軸を有する２つの穴部（bore）を有している。さらに、導電体は、各穴部を通り抜ける（pass through）２つの脚部を有している。

好ましい構造をもつ実施態様によれば、フェライト磁心は、複数の短い積層されたフェライト磁心を有している。しかしながら、フェライト磁心は、単一の長く細い部材からなるものであってもよい。

さらに有利な実施態様においては、ＲＣ遅延部中の容量性素子は、電界効果トランジスタの入力容量と、避けることができない散在する容量（unavoidable scattered capacity）とによって構成される。

電解コンデンサの容量は、典型的には１００００μＦ以内の範囲である。

本発明に係る切り替え装置は、ある仕事（task）において、機械的な接点を用いることなく、切り替え装置としての電界効果トランジスタを、高速、低価格及び高信頼性で使用することを可能にする。

さらに、本発明に係る解決手段の詳細を、添付の図面を参照しつつ、典型的な実施の形態により、明確に説明する。

図１に示す切り替え装置の基本的な役目は、少なくとも１００μＦの容量を有し、５００〜１００００μＦの範囲のより大きい容量を有するのが好ましい大容量の電解コンデンサＣ１と、同様に大容量の電解コンデンサＣ２とを互いに並列に接続し、又は、該接続を解除することである。コンデンサＣ１及びコンデンサＣ２は、前記の特許文献１の図４中に示された配置形態に従って、図示していないバッテリの充電回路に配置してもよい。各コンデンサＣ１、Ｃ２のアマーチャないしは電機子（armature）の１つは互いに接続され、アース（ground）に対して大きさ（magnitude）が変化する電位を有している。この実施の形態では、正の高電位が存在する。他方の電機子（この場合は負）とアースとの間の経路には、電子的に制御されるスイッチが配設されている。このスイッチの切り替え素子は、電界効果トランジスタＦＴで構成されている。大電流強度（large current intensity）用のものとして設計された誘導性素子Ｌ（inductive element）は、電界効果トランジスタＦＴのソース電極Ｓとドレン電極Ｄとの間の経路に対して直列に接続されている。誘導性素子Ｌの構成は決定的に重要である（critical）。なぜなら、その直流抵抗は最小限であるべきであり、他方充電時又は放電時に生成され数百アンペアの強度に到達する可能性のある電流は、実質的な損失（loss）を生じさせるからである。電界効果トランジスタＦＴのゲート電極Ｇとアースとの間には、装置の内部容量（inner capacity）と、散在容量（scattered capacity）とによって決定される仮想容量（virtual capacity）が存在する。図１においては、仮想容量は、破線で示す仮想コンデンサＣ３であらわされているが、その典型的な容量は５０〜１００ｐＦである。ゲート電極Ｇは抵抗Ｒに接続され、この抵抗Ｒの他端は切り替え装置の制御入力部ＶＳを構成している。

図２〜図５は、誘導性素子Ｌの種々の構成を示している。誘導性素子Ｌは、２つの脚部を備えたＵ字形の導電体であり、この実施の形態では、銅線（銅ワイヤ）又は銀メッキが施された銅線と、フェライト磁心（ferrite core）１１又は１２（それぞれ、図３及び図５）とで構成されている。これらのフェライト磁心には、互いに所定の距離を隔てたところに位置し、互いに平行な穴中心軸を有する２つの穴部が設けられている。導電体１０の両脚部間の距離は、両穴中心軸間の距離に対応する。図２に示す実施の形態においては、導電体１０の長さは、複数（例えば、６〜１０個）の短いフェライト磁心１１の長さに対応する。導電体１０の脚部は短いフェライト磁心１１の穴部を通り抜け、これによりフェライト磁心は導電体１０の上に積層体を形成している。隣り合うフェライト磁心１１は、接着（gluing）により互いに固定されるとともに、導電体１０に固定されるのが好ましい。フェライト磁心１１の形態は、他の応用分野において対称型／非対称型（symmetrical/asymmetrical）の変圧器（バラン変圧器）に幅広く用いられているフェライト磁心の構造と同一である。このような仕様の構造を備えた誘導性素子Ｌは、非常に小さいオーム抵抗と、まさに適切なインダクタンスないしは誘導性（inductivity）とを有している。導電体１０の直径が１ｍｍであり、その長さが１０個のフェライト磁心１１をその上に積層させることができるものである場合、測定される誘導性は、１ｋＨｚの周波数では７１．７μＨであり、１００ｋＨｚの周波数では７０μＨである。

図４及び図５に示す実施の形態は、積層されたフェライト磁心１１に代えて、本発明のためにとくに形成された単一で長いフェライト磁心１２を備えている点で、図２及び図３に示す実施の形態と相違する。

長く細い形態の誘導性素子Ｌは、その体積が１つの方向にのみ大きいだけであるので、これを用いる装置に収容する上において有利である。かくして、このような誘導性素子Ｌが上下方向を向いている場合は、小面積の領域内に比較的多数の誘導性素子を配設することができる。

本発明に係る切り替え装置の動作の理解のために、以下のように仮定する。すなわち、アースと、コンデンサＣ１に接続されたコンデンサＣ２の電極との間に例えば４０〜５０Ｖの正の高電圧が測定され、かつ、開方向（opening direction）（すなわちアースに対して正の電圧）の突然の電圧（sudden voltage）が、以前はアース電位であった制御入力部ＶＳにかけられたものと仮定する。突然の電圧は、抵抗Ｒ及び仮想コンデンサＣ３によって形成されるＲＣ遅延部によって惹起される軽い準備遅れないしはランナップ遅れ（run-up delay）を伴って、すでにゲート電極Ｇにあらわれている。抵抗Ｒは、典型的には１５０ｋΩの範囲内である。これらのデータに基づけば、ＲＣ遅延部に起因する遅れ時間（delay period）は、典型的には約０．０７５〜０．１５μｓであろう。電界効果トランジスタＦＴは、このような遅れを伴った開状態（open state）を仮定している。そして、ドレン電極Ｄとソース電極Ｓとの間に短絡が起こるであろう（約５０ｍＶの大きさのオーダーで残存する電圧は別として）。過渡的な現象が起こる際、ドレン電極Ｄとソース電極Ｓとの間の電圧はまだゼロではないが、電流がすでに感知可能なレベル（appreciable level）であるときには、電界効果トランジスタＦＴに熱損失が生じる。入力側で生じる遅れは、非常に短かいので、コンデンサＣ１が許容することができる大きさ以下に開始電流（starting current）を制限することはできない。抵抗Ｒ又はコンデンサＣ３のいずれか一方の値を増加させることにより時定数（time constant）が増加する場合は、電界効果トランジスタＦＴへの熱負荷は、装置に対して許容することができないところまで増加するであろう。

しかしながら、誘導性素子Ｌの誘導性ないしはインダクタンスはさらなるランナップ遅れを生じさせる。この遅れは、装置のオーム抵抗が低いので、非常に少ない熱を発生させるだけであり、このような熱を散逸させるためには、非常に大きい表面が役立つ。電界効果トランジスタの外側に配置された個別の誘導性遅延素子の存在は、過渡的な過程にあるときには電界効果トランジスタによって吸収される熱の量を低減する。なぜなら、装置の内部抵抗は、入力の時間遅れの間は最小値であると仮定し、この遅れ時間では電流の増加がまだ制限されているからである。２つの遅れ成分は、合同で１つの効果を生じさせる。この間には、電界効果トランジスタＦＴも、コンデンサＣ１の充電に際して許容限界値内で動作し、電流の最大値は許容ピーク値を超えることはない。誘導性素子Ｌに対して選択された形態は、適切な誘導性の値での非常に低いオーム抵抗を保証する。しかしながら、完全なランナップ遅れは、用いる装置及び素子の安全な動作のために必要な大きさよりは大きくはならない。このため、電流の信号の形は、コンデンサＣ１及びコンデンサＣ２を含む主回路の特性によって決定される。

非常に大きい体積（volume）及び非常に大きい損失を含む代替的な解決手段に代えて電界効果トランジスタＦＴを用いることができるといった事実により、切り替えを、より小さい物理的寸法と、低減されたコストと、より有利な電気的パラメータでもって実施することができる。

本発明に係る切り替え装置の基本構成を示す回路図である。 第１の実施の形態に係る誘導性素子の模式図である。 第１のフェライト磁心の斜視図である。 第２の実施の形態に係る誘導性素子の模式図である。 第２のフェライト磁心の斜視図である。

符号の説明

Ｃ１ 電解コンデンサ、Ｃ２ 電解コンデンサ、Ｃ３ 仮想コンデンサ、Ｄ ドレン電極、ＦＴ 電界効果トランジスタ、Ｇ ゲート電極、Ｌ 誘導性素子、Ｒ 抵抗、Ｓ ソース電極、ＶＳ 制御入力部、１０ Ｕ字形導電体、１１ フェライト磁心、１２ フェライト磁心。

Claims (5)

1. 少なくとも５００μＦの容量をもつ電解コンデンサを、もう１つのエネルギ蓄積電解コンデンサに対して、制御された態様で並列的に切り替えるための切り替え装置であって、
   半導体装置と遅延部とによって形成される電子スイッチを備えるとともに、予め設定された範囲の切り替え遅れを有していて、
   上記半導体装置は、ＲＣ型の遅延部を介して、切り替え信号を供給する制御入力部（ＶＳ）に接続される制御入力端を有し、
   上記半導体装置は電界効果トランジスタ（ＦＴ）であり、
   上記電界効果トランジスタ（ＦＴ）の主回路は、第２の遅れを惹起する誘導性素子（Ｌ）を介して、切り替えを行うべきコンデンサ（Ｃ１）に接続され、
   上記誘導性素子は、高周波数フェライト磁心（１１、１２）によって囲まれた、所定の長さをもつ導電体（１０）であり、
   上記ＲＣ型の遅延部によって惹起される遅れは、上記電界効果トランジスタ（ＦＴ）の負荷限界内の負荷に対して要求される所定の切り替え遅れの一部分のみを確保し、残りの切り替え遅れは誘導性素子（Ｌ）によって惹起されるようになっていることを特徴とする切り替え装置。
2. 上記フェライト磁心（１１、１２）は、互いに予め設定された距離に位置し平行な軸をもつ２つの穴部を有し、上記導電体（１０）は、上記穴部を通り抜ける２つの脚部を有することを特徴とする、請求項１に記載の切り替え装置。
3. 複数の積層された短いフェライト磁心（１１）を備えていることを特徴とする、請求項２に記載の切り替え装置。
4. 上記ＲＣ型の遅延部においては、容量性素子が、電界効果トランジスタ（ＦＴ）の入力容量と避けられない散在性容量とによって形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の切り替え装置。
5. 切り替えられる電解コンデンサの容量が１００００μＦ以内の範囲であることを特徴とする、請求項１に記載の切り替え装置。

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