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ベイカークランプは、さまざまな種類のダイオードを介して非線形負帰還を適用することで、スイッチングバイポーラ接合トランジスタ（BJT）の蓄積時間を短縮する電子回路のクラスの総称です。飽和したBJTのターンオフ時間が遅い理由は、ベースに蓄積された電荷です。蓄積時間は、高速スイッチングアプリケーションでバイポーラトランジスタとIGBTを使用する際の制限要因であるため、トランジスタをオフにする前にベース電荷を除去する必要があります。ダイオードベースのベイカークランプは、トランジスタが飽和して蓄積電荷が大量に蓄積されるのを防ぎます。[1]
起源
ベイカークランプは、1956年の技術レポート「最大効率トランジスタスイッチング回路」で説明したリチャード・H・ベイカーにちなんで名付けられました。 [2] ベイカーはこの技術を「バッククランプ」と呼んでいましたが、この回路は現在ベイカークランプと呼ばれています。多くの情報源は、ベイカーのレポートが2ダイオードクランプ回路の根拠であると考えています。[3] [4] [5] また、1956年にベイカーは特許出願でこの回路を説明しました。1961年に発行された特許US 3,010,031 [6] は、対称フリップフロップ回路でのクランプの使用を主張しています。
同様のクランプ回路は、ベイカーのレポート以前にも知られていたと言われています。Kyttälä は次のように述べています。「ベイカー クランプ回路の発明は Richard H. Baker (米国特許 3,010,031) によるものですが、1953 年にはすでに周知の事実であり、Richard F. Shea が書いたトランジスタ入門論文に記載されていました。」[7] しかし、Shea の 1953 年のトランジスタに関するテキストには、同様のクランプ回路は記載されていません。[8] Shea の 1957 年のテキストにはクランプ回路が記載されており、ベイカーの技術レポートを参照しています。[3]
クランプ回路は他にもあります。1959 年のマニュアルには、「飽和クランプ」と呼ばれる技術が説明されています。[9] この方式では、飽和クランプ ダイオードを介してコレクタに接続された約 2 ボルトの飽和クランプ電源があります。トランジスタが飽和に近づくと、クランプ ダイオードがオンになり、トランジスタが飽和しないように余分なコレクタ電流を供給します。飽和クランプ電源は、かなりの電流を供給する必要があります。[10]これとは対照的に、ベイカー クランプは、コレクタ電流を増やすのではなく、トランジスタのベース電流を減らします。
別のクランプ回路では、単一のダイオードクランプを使用します。[9]トランジスタが飽和に近づくとベース駆動力が低下しますが、抵抗分割ネットワークを使用します。
クランプ回路は、カットオフ遷移を高速化するためにも使用されました。トランジスタがカットオフされると、出力は最終値まで指数関数的に減少する RC 回路に似ています。回路が最終値に近づくにつれて、コンデンサを充電できる電流が少なくなるため、接近速度は低下します。最終値の 90 パーセントに達するには、約 2.3 の時定数がかかります。[11]カットオフクランプにより、出力電圧の振幅は減少しますが、遷移は高速になります。コレクタ電圧を最終値の 63 パーセントにクランプすると、速度が 2 倍になります。[12]
基本的な考え方
ベイカークランプは、ベース電流をコレクタに流すことで、エミッタとコレクタ間の電圧差を制限します。これにより、非線形負帰還が共通エミッタ段 (BJT スイッチ) に導入され、飽和点付近でゲインを低下させることで飽和を回避します。トランジスタがアクティブモードで飽和点から十分離れている間は、負帰還はオフになり、ゲインは最大になります。トランジスタが飽和点に近づくと、負帰還は徐々にオンになり、ゲインは急速に低下します。ゲインを低下させるため、トランジスタは自身のベース-エミッタ接合に関してシャントレギュレータとして機能します。つまり、ベース-エミッタ接合に並列に電圧安定素子を接続することで、ベース電流の一部をグランドに流します。
実装
2ダイオードのベイカークランプ回路は、ベイカーの特許の図や他の多くの出版物に示されています。[9] コレクタと入力の間のフィードバックダイオード（D1）は、過剰な入力電流をコレクタを通ってグランドに迂回させることで、コレクタ電圧を約V BEに制限します。 [13] 有効な入力電圧を上げるために、追加のシリコンダイオードがベース端子と直列に接続されています。コレクタベースフィードバックのクランプダイオードは、電圧降下を最小限に抑えるためにゲルマニウムで作られることがあります。[6] ベースダイオードにより、SiダイオードクランプをSiトランジスタと一緒に使用でき、V CE をダイオード降下程度に保ち、V CE(sat)よりもはるかに高くします。残念ながら、トランジスタをオフにしようとすると、ベースダイオードがオフになり、高インピーダンスの戻り経路が作成されます。ベース電荷は最小限に抑えられていますが、ベースから電荷を引き出すのが難しくなります。
ベースダイオード（ベイカーの回路図ではD 2 ）に逆並列に接続された2番目のベースダイオードは、トランジスタに蓄積されたベース電荷を除去するための低インピーダンスの戻り経路を提供します。この3つのダイオード回路は、一部の情報源では依然としてベイカークランプと呼ばれていますが、 [14] 2つのダイオード回路のみをベイカークランプと呼ぶ人もいます。[15]
ベイカークランプの簡単な代替手段は、コレクタからベースへの単一の低電圧ダイオードである。うまく機能するには、ダイオードの順方向降下がベース・エミッタ降下よりも小さくなければならないため、低電圧降下のゲルマニウムダイオードとショットキーダイオードをシリコントランジスタと一緒に使用することができる（ショットキーダイオードの順方向電圧降下はシリコントランジスタのV BEバイアス電圧よりもはるかに小さく、スイッチングが速い）。代替のダイオードクランプ回路は、ダイオードを2つのベースバイアス抵抗器の接合部に接続する。[9] 現代の解決策は、ショットキーダイオードとトランジスタの組み合わせを1つのショットキートランジスタに統合することである。いくつかの情報源は、この構成をベイカークランプと呼ぶこともある。[16]
ベイカークランプは電力用途にも使用されており、ダイオードの選択は重要な設計上の問題です。[17]
ベイカー クランプの欠点の 1 つは、低電圧出力レベルが増加することです (ダーリントン トランジスタの場合と同様)。論理回路ではノイズ耐性が低下し、電力アプリケーションでは消費電力が増加します。
参照
参考文献
- ^ Simon S. Ang (1995). パワースイッチングコンバータ。Marcel Dekker。p. 340。ISBN 978-0-8247-9630-3。
- ^ RH Baker (1956)、「最大効率スイッチング回路」、MIT Lincoln Laboratory Report TR-110、2015年1月21日時点のオリジナルよりアーカイブ
- ^ ab Richard F. Shea編 (1957)。トランジスタ回路工学。Wiley。p. 322。
- ^ エルンスト・ブロイラー (1964)。実験物理学の方法。第2巻：電子的方法。アカデミック・プレス。ISBN 978-0-12-475902-2。
- ^ モトローラ社半導体製品部門; Roehr, William D.; Thorpe, Darrell (1963)。スイッチングトランジスタハンドブック。モトローラ半導体製品。p. 32。
- ^ ab US 3010031、ベイカー、リチャード H.、「対称バッククランプトランジスタスイッチング回路」、1956 年 10 月 24 日発行、1961 年 11 月 21 日発行
- ^ Kyttälä, Teemu (2008)、「ソリッドステートギターアンプ」、p. 128、
ベイカークランプ回路の発明はリチャード・H・ベイカー（米国特許3,010,031）によるものとされていますが、1953年にはすでに周知の事実であり、リチャード・F・シェイが執筆したトランジスタ入門論文にも記載されていました。
[永久リンク切れ ] - ^ Shea, Richard F. 編 (1953)、トランジスタ回路の原理、ニューヨーク: WileyロンドンのChapman & Hallからも出版されています。
- ^ abcd 陸軍省 (1963) [1959]、「トランジスタの基礎理論と応用; 技術マニュアル 11-690」、ドーバー、pp. 195–199
- ^ トランジスタのコレクタ電流はI C = βI Bになります。負荷から来ないものはすべて飽和クランプ電源から来ます。
- ^ ln(1 − 0.9) = −2.302585 .
- ^ ln(1 − 0.63) = −0.99425 .
- ^ Neil Chadderton および Dino Rosaldi (1996 年 5 月)。「高電流バイポーラ トランジスタを使用した高周波 DC-DC 変換: 最適化されたジオメトリ デバイスによる 400kHz 動作」(PDF) 。Zetex。2009年 12 月 22 日のオリジナル(PDF)からアーカイブ。
- ^ Roehr, William D. 編 (2001)、整流器アプリケーションマニュアル: リファレンスマニュアルおよび設計ガイド(PDF) (改訂第 2 版)、ON Semiconductor、 2009 年 4 月 7 日にオリジナル(PDF)からアーカイブ、 2009 年 4 月 20 日に取得175～176 ページでは、3 ダイオードの「ベイカー クランプ」について説明します。
- ^ Harry E. Thomas (1968).トランジスタ、半導体、計測器、マイクロエレクトロニクスハンドブック. Prentice-Hall. p. 228.
- ^ ポール・ホロウィッツとウィンフィールド・ヒル（1989年）『エレクトロニクスの芸術』（第2版）、ケンブリッジ大学出版局、908ページ、ISBN 978-0-521-37095-0
- ^ プレスマン、アブラハム I. (1998)、スイッチング電源設計(第 2 版)、マグロウヒル、pp. 328–330、ISBN 0-07-052236-7