JP3926720B2

JP3926720B2 - 励磁制御回路

Info

Publication number: JP3926720B2
Application number: JP2002296274A
Authority: JP
Inventors: 靖治蓬莱
Original assignee: Keihin Corp
Current assignee: Keihin Corp
Priority date: 2002-10-09
Filing date: 2002-10-09
Publication date: 2007-06-06
Anticipated expiration: 2022-10-09
Also published as: US7164570B2; US20040150433A1; JP2004134510A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ソレノイドのコイルを励磁するための励磁制御回路に関し、特に、励磁電流の急激な減衰を抑制しながら励磁する用途に好適な技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、例えば機械的な振動を制御するための技術分野等、各種の分野においてソレノイドが活用されている。ソレノイドの吸引動作（励磁時の動作）および開放動作（非励磁時の動作）を制御する場合、吸引動作時にはいわゆるチョッピング等によりコイルを励磁し、開放動作時にはコイルへの通電を遮断している。
【０００３】
ところで、コイルへの通電を遮断した際に逆起電圧が発生し、励磁制御回路へダメージを与えてしまうため、この逆起電圧をフライホイールダイオードまたはツェナーダイオードにより適当に吸収し、コイルへ還流させる技術が従来からある。また、特開平６−１３２１１６号公報に記載されているように、逆起電圧を考慮して所望とするコイルの減衰特性を得る為、フライホイールダイオードとツェナーダイオードを組み合わせた励磁制御回路が知られている（特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平６−１３２１１６号公報
【０００５】
フライホイールダイオードとツェナーダイオードを組み合わせた励磁制御回路の構成を簡略的に図４に示す。この図４に示す従来技術では、ソレノイドの吸引動作時にスイッチ３２をオンさせ、駆動回路２０からチョッピングによりコイル３０を励磁し、チョッピング時に発生する逆起電力はダイオード３１を通じてコイル３０へ還流させている。また、ソレノイドの開放動作時にはスイッチ３２をオフさせ、その際に発生する逆起電力はツェナーダイオード１２およびダイオード１１を通じて吸収し、コイル３０へと還流させている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ソレノイを構成するコイルの特性上、励磁電流が遮断されるとコイルに逆起電力が発生し、励磁制御回路にダメージを与えかねない。このため、この種の励磁制御回路にはコイルが発生する逆起電力を吸収するための逆起電力吸収回路が設けられている。図４にその一例を示す。同図において、コイル３０はソレノイド（図示省略）を構成し、その正電極（Ｐ）には駆動回路２０の出力部が接続され、その負電極（Ｎ）は接地される。また、コイル３０に対して、ダイオード１１とツェナーダイオード１２からなる逆起電力吸収回路１０が並列に接続され、逆起電力吸収回路１０と駆動回路２０は励磁制御回路を構成する。
【０００７】
この例によれば、駆動回路２０がコイル３０の励磁を停止すると、コイル３０を流れる励磁電流の減衰分を補うようにコイル３０に逆起電力が発生する。この逆起電力がツェナーダイオード１２の降伏電圧を超えると、逆起電力吸収回路１０に還流電流ＩＡが流れる結果、コイル３０の逆起電力が一定に制限される。即ち、ツェナーダイオード１２がコイル３０の逆起電力の一部を吸収し、これにより駆動回路２０に対するダメージが緩和される。
【０００８】
しかしながら、この従来技術によれば、ソレノイドの開放動作時にコイル３０が発生する逆起電力を、ツェナーダイオード１２により負担しているため、コイル３０に還流される電流が必要以上に減衰してしまう。このため、ソレノイドが開放動作する場合、目標とする減衰特性を確保するためには、駆動回路２０が余計にコイル３０を通電しなければならない。この結果、消費電力が増加するという問題がある。
また、コイル３０が発生する逆起電力に応じてツェナーダイオード１２の負担が大きくなり、このツェナーダイオード１２の発熱が過大になる。このため、他の電子部品の動作に影響を与える虞もある。
【０００９】
この発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、消費電流と発熱を有効に抑えながら、ソレノイドを適切に励磁することが可能な励磁制御回路を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、この発明は以下の構成を有する。
即ち、請求項１に記載された発明は、外部から供給されるパルス信号に応答してソレノイドをなすコイルを駆動する駆動回路（例えば後述する駆動回路１２０に相当する構成要素）と、前記コイルの還流電流の経路上に介挿され、前記コイルが発生する逆起電力を吸収する逆起電力吸収回路（例えば後述する逆起電力吸収回路１１０に相当する構成要素）と、前記還流電流を迂回させるタイミングを規定する制御信号を出力するゲート制御回路（例えば後述するゲート制御回路１４０に相当する構成要素）と、前記逆起電力吸収回路に対し並列接続され、前記コイルの正電極と負電極との間に電流経路が接続されるとともに、前記制御信号に基づき導通する第１の電界効果型トランジスタ（例えば後述する電界効果型トランジスタ１３２に相当する構成要素）を有する還流回路（例えば後述する還流回路１３０に相当する構成要素）と、を備えた励磁制御回路であって、前記逆起電力吸収回路が、前記コイルの正電極と負電極との間に電流経路が接続された第２の電界効果型トランジスタ（例えば後述する電界効果型トランジスタ１５２に相当する構成要素）と、前記第２の電界効果型トランジスタの電流経路の端子間電圧が、前記第２の電界効果型トランジスタのゲート・ドレイン間に接続されたツェナーダイオードの降伏電圧を超えた場合に該第２の電界効果型トランジスタを導通させる制御系とを備え、前記ゲート制御回路が、前記ソレノイドを吸引動作させる場合、前記第１の電界効果型トランジスタを導通状態に固定制御し、前記ソレノイドを開放動作させる場合、前記第１の電界効果型トランジスタの導通を断続的に制御することを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、この発明の実施の形態の形態を説明する。
図１に、この実施の形態に係る励磁制御回路（還流制御回路）１００の構成を示す。同図において、コイル３００は、励磁制御回路１００により励磁制御すべきソレノイド（図示省略）の構成要素であり、その負電極が接地されている。また、励磁制御回路１００は、逆起電力吸収回路１１０、駆動回路１２０、還流回路１３０、ゲート制御回路１４０から構成される。
【００１３】
ここで、駆動回路１２０は、外部から供給されるパルス信号ＳＰに応答してコイル３００を駆動するものであり、その出力部がコイル３００の正電極（Ｐ）に接続される。この駆動回路１２０に入力されるパルス信号は、ソレノイドの吸引動作および開放動作を制御する外部装置から供給される。逆起電力吸収回路１１０は、ソレノイドの還流電流ＩＡの経路上に介挿されたダイオード１１１とツェナーダイオード１１２から構成される。このうち、ダイオード１１１のカソードはコイル３００の正極に接続され、そのアノードがツェナーダイオード１１２のアノードに接続される。このツェナーダイオード１１２のカソードは接地され、コイル３００の負極（Ｎ）に接続される。
【００１４】
還流回路１３０は、ダイオード１３１とｎ型の電界効果型トランジスタ１３２から構成され、逆起電力吸収回路１１０に対して並列接続される。具体的には、ダイオード１３１のカソードが上述のコイル３００の正極（Ｐ）に接続され、そのアノードが電界効果型トランジスタ１３２のドレインに接続され、この電界効果型トランジスタ１３２のソースは接地される。即ち、電界効果型トランジスタ１３２の電流経路は、ダイオード１３１を介してコイル３００の正電極（Ｐ）と負電極（Ｎ）との間に接続される。電界効果型トランジスタ１３２のゲートには、ゲート制御回路１４０から制御信号ＳＧが印加される。この制御信号ＳＧは、逆起電力吸収回路１１０に流れる還流電流ＩＡを還流回路１３０に迂回させるタイミング、即ち還流電流ＩＢを還流回路１３０に流すタイミングを規定する。
【００１５】
次に、図２に示す波形図を参照して、この実施の形態の動作を説明する。
図２に示すように、この実施の形態では、ソレノイドが吸引動作を行う際にコイル３００の励磁電流Ｉｃを増加させ、その後、ソレノイドが開放動作に移る際に所定の時間内に励磁電流Ｉｃを徐々に減少させる。
【００１６】
具体的に説明する。ソレノイドを吸引動作させる場合、時刻ｔ１においてゲート制御回路１４０が制御信号ＳＧをハイレベルに固定すると共に、駆動回路１２０がパルス信号ＳＰを受けてパルス信号ＳＱを出力する。これによりコイル３００にパルス信号ＳＱの電圧がコイル３００の正電極（Ｐ）に印加され、コイル３００に励磁電流Ｉｃが流れ始める。このときのパルス信号ＳＱ（ＳＰ）のパルス幅は、コイル３００の励磁電流Ｉｃの立ち上がり波形が所望の波形となるように適切に制御される。
【００１７】
続いて、時刻ｔ２でソレノイドが吸引動作から開放動作に移る場合、駆動回路１２０はパルス信号ＳＱをロウレベルに固定する。パルス信号ＳＱがロウレベルに固定されると、コイル３００に対する励磁が停止し、励磁電流Ｉｃが減衰しようとする。このため、コイル３００の負電極（Ｎ）に対して正電極（Ｐ）の電位が低くなるような逆起電圧が発生する。
【００１８】
一方、ゲート制御回路１４０は、時刻ｔ２において制御信号ＳＧとしてパルス信号の出力を開始する。ここで、制御信号ＳＧがロウレベルの期間では、還流回路１３０を構成する電界効果型トランジスタ１３２がオフ状態に制御される。
【００１９】
このため、コイル３００の逆起電圧が逆起電力吸収回路１１０にそのまま印加され、ツェナーダイオード１１２の降伏電圧を超えると、還流電流ＩＡが流れ出す。従って、コイル３００の逆起電力は、逆起電力吸収回路１１０により吸収される。この場合、ツェナーダイオード１１２の降伏電圧に応じて比較的大きな電力が吸収されるため、励磁電流Ｉｃが急速に減衰する。
【００２０】
これに対し、制御信号ＳＧがハイレベルの期間では、電界効果型トランジスタ１３２がオン状態に制御されるため、ツェナーダイオード１１２の降伏電圧に対して充分に小さな順方向電圧を有するダイオード１３１が顕在化する。この結果、コイル３００の逆起電圧は還流回路１３０に印加されるようになり、還流回路１３０が還流電流ＩＡを還流電流ＩＢとして迂回させる。この場合、ダイオード１３１の順方向電圧に応じて比較的小さな電力が吸収されるため、励磁電流Ｉｃが緩やかに減衰する。
【００２１】
時刻ｔ２以後、電界効果型トランジスタ１３２の導通状態は、制御信号ＳＧに応答して断続的に変化する。この電界効果型トランジスタ１３２の動作に応じて還流電流ＩＡが還流電流ＩＢとして断続的に迂回される。そして、還流電流ＩＡ，ＩＢは、徐々に減衰しながら励磁電流Ｉｃとしてコイル３００に供給され、時刻ｔ３においてゼロになる。
【００２２】
このように、上述の実施の形態によれば、時刻ｔ２以前にコイル３００に蓄積された磁気エネルギーが、時刻ｔ２以後において逆起電力吸収回路１１０および還流回路１３０によりそれぞれ還流電流ＩＡおよび還流電流ＩＢとして交互に放出される。
このとき、逆起電力吸収回路１１０のツェナーダイオード１１２には還流電流ＩＡとして比較的大きな電力が吸収されるが、逆起電力の一部を還流回路１３０が負担することで、逆起電力吸収回路１１０の消費電力が抑制される。従って、コイル３００の逆起電力を有効に消費しながら、所望の時間内に励磁電流Ｉｃを減衰させ、ソレノイドの吸引動作及び開放動作を確保することが可能になる。
【００２３】
また、上述の実施の形態によれば、吸引動作の期間でコイル３００に蓄積された磁気エネルギーを開放動作の期間で段階的に還流電流として放出するので、目標とする減衰特性を確保するための余計な通電を不要とすることができ、逆起電力吸収回路１１０の消費電力を極めて有効に抑えることが可能になる。従って、消費電力による発熱を抑えることができる。
さらに、上述の実施の形態によれば、制御信号ＳＧのデューティ比を適宜に設定することで、所望とする励磁電流Ｉｃの減衰特性を得ることができる。
なお、本発明に係る励磁制御回路は、ソレノイドを構成するコイルに還流する電流を制御する点に着目すれば、「還流制御回路」としても把握できる。
【００２４】
図３に、上述の逆起電力吸収回路１１０の他の構成例を示す。
同図に示すように、ダイオード１５１のカソードが上述のコイル３００の正電極（Ｐ）に接続され、そのアノードにはｐ型の電界効果型トランジスタ１５２のドレインが接続され、そのソースは接地されている。即ち、コイル３００の正電極（Ｐ）と負電極（Ｎ）との間には電界効果型トランジスタ１５２の電流経路が接続される。また、ダイオード１５１のアノードにはツェナーダイオード１５３のアノードが接続され、そのカソードは抵抗素子１５４を介して接地される。これらツェナーダイオード１５３および抵抗素子１５４は電界効果型トランジスタ１５３の導通を制御するための制御系を構成する。
【００２５】
続いて、その動作を説明すると、コイル３００が逆起電力を発生する前の初期状態においては、コイル３００の負電極（Ｎ）に対して正電極（Ｐ）の電位が高い状態になっている。この初期状態では、ダイオード１５１が逆バイアス状態にあるため、電界効果型トランジスタ１５２のゲートはコイル３００の正電極から電気的に切り離され、抵抗素子１５４を介して接地レベルに固定される。従って、電界効果型トランジスタ１５２のソースとゲートが同電位になり、この電界効果型トランジスタ１５２がオフ状態となっている。
【００２６】
上述の初期状態から駆動回路１２０が励磁を停止し、コイル３００に逆起電力が発生すると、その負電極（Ｎ）に対して正電極（Ｐ）の電位が降下し、ダイオード１５１が順方向にバイアスされる。このため、ツェナーダイオード１５３のアノードがダイオード１５１を介してコイル３００の正電極と電気的に接続され、このツェナーダイオード１５３が逆バイアス状態となる。
【００２７】
そして、コイル３００の逆起電力が所定値を超え、電界効果型トランジスタ１５２の電流経路の端子間電圧（ソース・ドレイン間電圧）がツェナーダイオード１５３の降伏電圧を超えると、電界効果型トランジスタ１５２のゲートがツェナーダイオード１５３およびダイオード１５１を介してコイル３００の正電極（Ｐ）と電気的に接続され、そのゲート電圧が降下する。この結果、電界効果型トランジスタ１５２がオン状態になり、ダイオード１５１および電界効果型トランジスタ１５２を介して還流電流ＩＡが流れる。結局、図３に示す構成によっても、上述の図１に示す構成と同様に、コイル３００の逆起電力を吸収することが可能になる。
【００２８】
図３に示す変形例によれば、素子サイズの大きなツェナーダイオードに代えて電界効果型トランジスタ１５２により逆起電力を負担するので、装置を小型化することが可能になる。また、逆起電力を電界効果型トランジスタ１５２に負担させることにより、装置の筐体（ヒートシンク）に放熱させることが可能になる。さらに、図１に示す還流回路１３０を構成する電界効果型トランジスタ１３２と、逆起電力吸収回路１１０を構成する図３に示す電界効果型トランジスタ１５２との２素子に、コイル３００が発生する逆起電力を分散させることにより、１素子あたりの発熱量を低減させ、逆起電力を分担する素子の熱破壊を防止することが可能になる。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、ソレノイドを構成するコイルの逆起電力の発生に伴う還流電流を断続的に迂回させるようにしたので、消費電流と発熱を有効に抑えながら、ソレノイドを適切に励磁制御することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施形態に係る励磁制御回路の構成例を示す回路図である。
【図２】この発明の実施形態に係る励磁制御回路の動作を説明するための波形図である。
【図３】この発明の実施形態に係る逆起電力吸収回路の他の構成例を示す図である。
【図４】従来技術に係る励磁制御回路の構成を示す図である。
【符号の説明】
１００；励磁制御回路、１１０；逆起電力吸収回路、１１１；ダイオード、１１２；ツェナーダイオード、１２０；駆動回路、１３０；還流回路、１３１；ダイオード、１３２；電界効果型トランジスタ（ｎ型）、１４０；ゲート制御回路、１５１；ダイオード、１５２；電界効果型トランジスタ（ｐ型）、１５３；ツェナーダイオード、１５４；抵抗素子、３００；コイル。

Claims

外部から供給されるパルス信号に応答してソレノイドをなすコイルを駆動する駆動回路と、
前記コイルの還流電流の経路上に介挿され、前記コイルが発生する逆起電力を吸収する逆起電力吸収回路と、
前記還流電流を迂回させるタイミングを規定する制御信号を出力するゲート制御回路と、
前記逆起電力吸収回路に対し並列接続され、前記コイルの正電極と負電極との間に電流経路が接続されるとともに、前記制御信号に基づき導通する第１の電界効果型トランジスタを有する還流回路と、
を備えた励磁制御回路であって、
前記逆起電力吸収回路は、
前記コイルの正電極と負電極との間に電流経路が接続された第２の電界効果型トランジスタと、
前記第２の電界効果型トランジスタの電流経路の端子間電圧が、前記第２の電界効果型トランジスタのゲート・ドレイン間に接続されたツェナーダイオードの降伏電圧を超えた場合に該第２の電界効果型トランジスタを導通させる制御系とを備え、
前記ゲート制御回路は、前記ソレノイドを吸引動作させる場合、前記第１の電界効果型トランジスタを導通状態に固定制御し、前記ソレノイドを開放動作させる場合、前記第１の電界効果型トランジスタの導通を断続的に制御することを特徴とする励磁制御回路。