自動車用トランジスタ・インバータの設計・製作

Hokkaido University of Education

Title

自動車用トランジスタ・インバータの設計・製作

Author(s)

秋葉, 治克; 泉希仁

Citation

北海道教育大学紀要. 第二部. A, 数学・物理学・化学・工学編, 46(1)

: 99‑105

1995‑08

URL

http://s‑ir.sap.hokkyodai.ac.jp/dspace/handle/123456789/1850

自動車用トランジスク ・ イ ンバ } タの設計・製作

秋 葉 治 克・泉 希 仁

北海道教育大学旭川校技朧

=DeSi擲and Development of a Transistor Inverter for Use in Automobiles

Haruyoshi AKIBA, Marihito IZUMI

Technical Laboratory, Asahikawa Campus, Hokkaido University of Edutation. 〝

' Asahikawa 070

Abstract

Together with the rapid growth of auto electronics, a large variety of electric appliances for use in automobiles have been developed. In this investigation, we developed a DC12V-AC100V transistor inverter to enable use of electric home appliances in automobiles. This paper reports the design and: development of this

transistor inverter. _

萱

ー . ま え が き

ヵーェレク トロニクス技術の急速な進歩にともない, さまざまな種類の自動車用電気製品が開発されてい

る中で

本研究では

自蝿車専用として作られナこ気製品で轟まなく

一般家庭用の需気製品を自動車内で使

用できるょうに ' DC12V—AC100V トランジスタ ・ ィンパー夕の設計・製作を行ったので報告する .

2. 回路構成と動作原理

本研究では主回路ビセンククップトランス方式のトランジスタ・イ ンバータを使用した. 図ーに主回路の 原理図を示す. センタタツプトランス方式は, 二っのトランジスタ Trーと Tr2を交互にドライブさせ' 変圧 器を介して直流電圧(DCー2V)を交流電圧(ACー00V)に変換する回路である・ 動作原理は贋単で, まず, トラ ンジスク Trーが。N, Tr2が0FFのと き, 電流i はE蝿n髑ー髑Trー蝿Eの経路を通して流れ, 変圧器の2 次側には, 3から4に向かぅ方向にE・Ns/N”なる董圧ヵ誘起される・ ここで, Eは直流電源の電圧, Npは変 圧器の]次巻線の巻数, Nsは二次巻線の巻数でぁる. 次に, トランジスタ Trーヵゞ0FF, Tr2が。Nのとき, 電流iはE蝿n蝿2髑Tr2蝿Eの経路を通して流れ, 変圧器の2次側には, 4から 3に向かう方向に前とは逆 極′性の董圧一E・Ng/Npなる電圧ヵゞ誘起される・ 以上で,変圧器の二次側にはー周期の交流電圧が誘起された

ことになる

以後

同様の動作を繰り返すことにょって

変圧器の

次側には

各トランジスタのスイ

100 Bk? 治克・泉 希仁

グ周波数に等しぃ交流電圧ヵ誘起される・ g

図2にトランジスタの。N・。FF信号発生回路 ′ 縄 のブロック図' 図3にその動イ侑波形を示す・ 50Hz

ぉょび 60Hz 発振器は , 50% デュ ] ティ の方形波 .. ・

信号を発生する・ データセレククは , 50Hz または _

60Hz いずれヵゝの周波数選択を行い, ト ラ ン ジ ス

タ・ インバータの動作周波数を決定する. 4 ピッ

ト ・ ラッチは , 二っのトランジス夕が同時に。 N にならないように , 一方のトランジス夕が。 FF した疇間別のトランジスタが。 N するょうに互

am

いに逆位木目の方形波信号を発生する ' さ らに , ト 図 ] 主回路の原理図

ランジス夕にはクーンオフ時間がぁるため , 一方 ~

のトランジスクの信号が。 FF 信号になった直後 50Hz m に他方のトランジスタが。 N 信号になる と , 。 FF 発振器 ` ・ べ一ス 信号になった トランジスタのクーンオフ時問の データ

4

ビ叶 璽〈彡璽 童量ス T 「 2

間, 二 っ の ト ラ ン ジ ス ク が 同 時 に 。Nし て し ま 60Hz

い , 変圧器の一次巻線には源短絡のときのよう 発振器

な大きな電流が流れるようになる. そ こ で, イン ' タ ー ロ ッ ク 回 路 に よ っ て, 一 方 の ト ラ ン ジ ス ク が

完 全 に 。F F状 態 に な っ て か ら 他 方 の ト ラ ン ジ ス _ , , ‥ ` . ]

タに 。 N 信号を与えるように , 互いに逆位相の方 冨力夕セレク夕 0~ 伽 W” //

形波信号に m 伽 s 程度の遅れ時問蝿 ン夕ーロッ

回路 回路 べ一ス

歯 …2 ONE} 'OFF 信号発生 _ 回路のブ亘 ッ ク図 "

ビ ト・一 チ ′ ′

ク時間 ) を持たせた・ これにょって , 二っのトラン 蕾ヵ〝 ” g_ 側 桝 凌 ジス タ Tr ーおよ ぴ Tr2 に は Tr ーだけ 。 N, 全ての

/ /

トランジスタ 。 FF, Tr2 だけ 。 N, 全てのトラン 0% M M

ジスタ 。 FF の順序に信号が与えられるょうにな 、 一 … ・ ・ ・

る・べース駆動回路は , 。 N させるペき トランジス 畳垂蚤ヵ ” 。 〝豚凌 ・ _ 吻及 膠

タにべ } ス電流を供給する . 璽 萱 萱

膠 ョ _{三 F737—} 吻 s _三 碗 _三 s _三

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ト_`ジス夕の 全: 室蘭 全: : :

3- 実際の回路図 . 儲 。驚丁。 FF _ TH 0 叫董。 。 Tr2 N 。 董。 Tr ー N 董。 。 Tr2 N 璽。 含 Tr N ー 萱。 含 Tr2 N

・図 4 に本研究の実際の主回路の回路図を示す 図 3 動作波形

直流電源は, 普通乗用車用のバッ テ リ 〕〕でDCー2 ~ Vで ぁ る 変圧器は, 定格容量ー25VA, 定格周波数50/60Hz の東京トランス株式会社製のイ ンバ.ータ用ト ラ ンスを使用した, この変圧器の二次側には, 出力電流の増加にょる出力電圧の低下を補ぅために, 100V 出力

端子の他に m5V 」 ーー 0V, ーー 5V, ー 20V, ー 25V の各出力端子を設けた・ また , 変圧器の一次側スイ ッチング時 に発生するサージ - 圧を抑制するために , o V 出力端子とー 25V 出力端子の問にサージ電圧吸収用の CR と

して 0.047 〟 F(600V) のコンデンサとー 00 。 (30W) の抵抗を接続した・ パヮートランジスタは , 新電元工業株式

会社製の 2SD2 ー 96 〈 200V, ー 5A) を使用した・ また , パワー トランジスクのタ } ンォフ時に発生するスパイ ク

(100)

101

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主回路図

2 8 D 2 ー9 6

図

ー ド (V06C ‥ ー 00V, ー A) で橿 _ 圧を抑制するために抵抗伍 g 几 5W), _ コ ンデンサ① .047 〝 F' 6 。 QV), ダィォ

成 す る ス ナ パ 回 路 と 誘 導 負 荷 時 惟 お ぃ て パ ヮ}ト ラ ン ジ ス タ が ク ニ ン オ フ し た と き ,

誘導負荷電流をバイパ

ツダ・ コレク夕問に接続した

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30A) をェヽ

スするための帰還ダイオード旧立 PmG ‥ 600V

H Aー7 5 5 5 6叩Z )

6ンンンン

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3 喜

HAー7555鴨叩Z)

図5 (a) 発振器, デ]ク セ レ ク タ, 4ピ ッ ト・ラッチ, イン夕ーロック回路図

(101)

102 Hi 治克・泉 希仁

図5 (a), (b)に実際のトランジスタの。N'。FF信号発生回路図を示す. 50Hzおょぴ60Hz発振器は, ワ ンチップ夕イマ日立HAー7555を用いて作った. データセレクタは, 74LSー57を用いた・ 4 ピッ ト・ラッチは'

74LS75を用ぃた・ インターロック回路は, 74LSZ2ーと74LS08を用いて作った・ ぺ}ス駆動回路は, 富士電機

株式会社製のベース・ドライプ用ハイブリ ツドーC〈EXB356)を用しゝて作った・ このペース駆動回路において, トランジスタを〇NさせるときにはVcc(十5 V電源)からべ」ス-流を供給する・ また, ト ラ ン ジ ス タ を OFF させている問はノイズにょる誤動作を防ぐため, V邱〈ー5 V電源)によってべ}ス・ェミ ッタ問を逆バ

イアスする. 本研究では, この V。cおよぴV麟は, アジア警子工業株式会社製の DC一DC コンバータ (SSー2 ー5D250〉を用いて, 普通乗用車用のパッテリーの証 DCー2V を土 5‥V に変換して供給した・ 同様に, 図5

(a) における十5 V董源もDC+DCコンパータを用いて供給した・

富⼠雷機製

. EXB356

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_ _ _ 萱_ 〝 ` 三 〝_ 言 ` 22 Dc-Dc=ンバ-タ

萱 ~ 」〕暮豫 〕′〝 ′ ・zw + ssー2ーsD250

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ペース

.. エミッタ

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aw (・SV)

図5 (b) ベース駆動回路図

' 4 . 測定結果

図6 に測定回路図を示す・ 変圧器の一次但囁には, パッテリーの端子電圧おょび消費電流を測定するために 直流電圧計(V】)および電流計〈A]〉を接続した. 変圧器の二次側には, トランジスタ・インパー夕の出力電圧

(102)

および出力電流を測定するために交流電圧

計 (V2) おょび電流計 (Ag) を接続した . 賦 ー欝 V

図7に ト ラ ン ジ ス タ ・イ ン バ]タ の 負 荷 †A'

と して , ー 5000 の可変抵抗器を接続したと ~ ' 〝 '—@—'

きの , 動作周波数 50Hz にぉける出力電流 〝 批麒 鯛 &

いこ対する出力電圧鵬の関係をグラフに ‥ ” ” 仰

示す. その結果, 出力電流が0 Aか ら ー A 。v mW"…””

まで増加するにっれて出力電圧は直線的に I I I I 減少して行く . 例えば , 100V 出力端子の場 "—'——————"""""" """""' 合 , 無負荷状態にぉける出力電庄は m 麟 v s 』

であるが , 出力電流を 0 ・ 25A 取るとー 00V 吼 鵬 ` ' ”

に下がり, ー A取 る と87.9V に下がる. ま zsnzーg。〝

た , ーー 0V 出力端子の場合 , 無負荷状態にお D -- ' 〝 ”

ける出力電圧はーー 6V であるが , 出力電流 丁批麒 ′ 丁

を0・22A取 る と ー ー0Vに 下 が り, ー A取 る

と94.3V に下がる. よ っ て, 蛍光灯などの ・ 図6 測定回路図

ようにー 00V 以上の電圧を必要とする負荷

に対しては , 例えぽーー 0V 出力端子を使用すれぱよい .,

図8に ト ラ ン ジ ス 夕 ・ イ ン バ 】 タ の 負 荷 と し て, ー5000 の 可 変 抵 抗 器 を 接 続 し た と き の, 動イ羊周波数50Hz

V 0 6 C

2 S D 2ー9 5

廟

ー 40 一 バッテリ ー電圧 DC ー 2V ー 4 一 バッテリー電圧 DC12V

120 _ 黎壽享

ヒ 邑 瀧

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朧 朧

只 80

昭 ' ~ 謹

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些 一 鱒

入 40 — 袁

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l I I | ー ー ー ー ー ー 0 l I I I I I I I I I

。 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

イ ンバータの出力電流 ー z 〔 A 〕 . ィ ンバ _ タの出ヵ電流 MAJ

図7 出力電流一出力電圧特性 図8 出力電流一入力電流特性

における出力電流ーgに対するノヾ`ンテリーの消費電流Lの関係をグラフに示す. その結果, 出力電流が0 Aか

ら ー

まで増加するにっれてパッテリ

の消費電流は直線的に増加して行く・ また

当然ながら高ぃ電圧を

ッテリ}の消費電流は, 変圧器の励磁電流おょびパヮートランジスクのペース電流として使ゎれる.

表ーにトランジスタ・インノヾ}タの負荷として, 6種類の一般家庭用の電気製品を接続した場合の, 動作

104 秋葉 治克・泉 希仁

表ー 負荷試鹸の結果

バッテリー電圧 DC ー 2_ [V]

バッテリーの イ ンバ } タの インパー夕の 使 用 し た

負荷の種類 消 電 $ 1 1 3 ? 出 力 電 圧 インバー夕の

11(A] V2 [V1

出 力・端 子

讐藝電球 4 .30 0.34 96.5 ー 00V 端子

曹嘉電球 5.80 0.51 93.8 【 ‥ 100V 端子

普蟲球 8.44 0.80 89 二 0 ニ __ ' 100V 端子

菫璽灯 8 ・ 08 1.16 103.0 」 ーー 0V 端子

曹璽ヵゼ 1.60 :_ 0.04_ . 103.5 _… 柵 V 端子

璽萱璽テレピ 縄 8.55 ' 。 .g 。‥ ' 〝 gL 。 ~ ー mW 端子 ‥ }

周波数50Hzにぉける測定結果を示ず. 白熱電球(40W' 60W' ー00W) と ラ ジォヵセッ ト (ー3W)ぉょぴ2ー型ヵ ラーテレピ(75W)はー00V 出力端子を使用した・ 蛍光灯(40W)はー叩V出力端子を使用した場合, 出力電圧の 低下により点灯させることができなかったのでーmV 出力瀞を使用した~縄鱒 ′

5 ・ む す び ”

本研究では, 定格出媚流ー Aの トランジス夕・イ ンバー夕の設計・製(侑を行った. 設計に際しては次の

点に考慮した

(ー) 商用周波数50Hz または60Hz いずれにぉいても動作できるようにした.

(2) 出力電流の増加憧ょる出力董圧の低下を補うために, 100V 出力端子の他にmSV, 110V, ーー5髑, ー20V, ー25V の各出力端子を設けた. これにまって, 蛍光灯などの放電管も確実に点灯できるよぅにじた.

参考文献

ー ) 泉 希仁・ 秋葉治克 , 日本産業技術教育学会第 8 回北海道支部大会講演要旨集 (1994) p14 _ ‥ 2) B ‥ DBedf 。 rd & R 〟 GH 。 ft 著・ 今井孝二・ 秦泉寺敏正他訳 , イ ンハ } タ回路 , コロナ社 ( 昭和碑年 ) p ・ 42~49 3) 山本 ' 杉浦 , 515555555555u<5mu98m p ・ 537

4) 中野正次 , ディ ジタル回略設計ノゥハゥ , CQ 出版社 ( 昭和 59 年 )

5) 横井与次郎 , リニ アー C 実用回路マニュアル , ラジォ技術社 ( 昭和 55 年 ) 93 ー 3~3 ー 6 s) 電気学会半導体電力変換方式調査委員会編 55557155155, 量気学会 0987) 7) 在田保信 ・ 森 敏 ・ 由宇義珍 ' 亀力制御回路設計ノ ゥィ ` ゥ , CQ 出版社 ( 昭和硫年 ) 8) 岡土 , 昭和 59 年 ‥ 気学会全国大会論文集 , (1984) 987 一 2 ー ' 9) 池田 ・逸見 , 昭和 60 年電気学会全国大会講演論文集 , ( ー 985) p.S.7 ーー ~S.7 ー 8

ー0) 最新 TTLーC規格表, CQ 出版社0987)

ーー ) 最新トランジスク規格表 , CQ 出版社 ( ー 987)

(104)

13) 12) 14) 15) 16)

最新ダイオード規格表, CQ 出版社(ー987)

最新イン夕ーフェース素子規格表, CQ 出版社(ー987) 最新産業用リニアーC規格表[PART一ー], CQ 出版社(ー987)

富士電機株式会社電子事業本部, 富士半導体データブック90/9L 富士電機〈ー990) 半導体製品総合ヵ夕ログ, 新電元工業株式会社