JPH0365045A

JPH0365045A - 電力変換装置及びスナバ回路

Info

Publication number: JPH0365045A
Application number: JP19869389A
Authority: JP
Inventors: Shigeta Ueda; 上田　茂太; Mitsusachi Motobe; 本部　光幸; Kazuo Honda; 一男本田; Toshihito Chifuku; 地福　順人; Daisaku Morinaga; 守永　大策; Noboru Ogawa; 昇小川
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1989-07-31
Filing date: 1989-07-31
Publication date: 1991-03-20
Anticipated expiration: 2010-02-01
Also published as: JPH0710165B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、電力変換装置に係り、具体的には電力変換主
回路スイッチ素子のスイッチングサージを吸収するスナ
バ回路に関する。特に、主回路スイッチング素子として
ＧＴＯ（ゲート・ターン・オフ）サイリスタなどの自己
消弧形素子が用いられた電力変換装置のスナバ回路に適
し、そのスナバ回路に吸収されたサージエネルギを有効
に回収する技術に関する。

〔従来の技術〕

従来、電力変換装置のスナバ回路については、特公昭６
０−６１３６号公報において論じられている。これによ
れば、各スイッチ素子りこ、ダイオードとコンデンサか
らなるスナバ回路を並列接続し、コンデンサに蓄えられ
たエネルギを全て変成器を介して電源へ回収するもので
ある。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、上記従来技術は、スナバエネルギ回収用の変成
器の小形化については配慮されていない。

すなわち、第１９図に示す従来例において、スイッチン
グ素子ｌがターンオフする時、ターンオフエネルギはコ
ンデンサ３に蓄積される６次に、スイッチング素子１が
ターンオンすると上記蓄積エネルギは、変成器４、スイ
ッチング素子１を介して全て放出される。したがって、
変成器４によりスナバ吸収エネルギを全て処理しなけれ
ばならないため、装置が大形になるという問題がある。

本発明の目的は、主回路のスイッチング素子を通さない
でスナバ吸収エネルギを放出できる構成のスナバ回路を
有した電力変換装置を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、↓記目的を達成するため、各相に対応させた
主スイッチング回路と、一括スナバ回路と、変成器とを
含んで構成されてなり、前記主スイッチング回路は、そ
れぞれ少なくとも１個のスイッチング素子を有してなる
正極アームと負極アームを直列接続し、該直列回路の両
端を直流端とし、共通接続点を交流端としてなり、前記
一括スナバ回路は、第１のコンデンサと２個のダイオー
ドの直列回路を前記正負アームの直列回路に並列接続す
るとともに、該２個のダイオードの共通接続点を第２の
コンデンサを介して前記正負アームの共通接続点に接続
してなり、前記変成器は、１次側を前記一括スナバ回路
の第１のコンデンサを介して主スイッチング回路の直流
端に並列接続し、２次側を電力回収負荷に接続してなる
構成の電力変換装置としたことにある。

なお、変成器の磁気飽和を防止又は抑制するために、変
成器の１次巻線に抵抗を並列又は直列に接続することが
望ましい。同様に、１次回路にスイッチング素子を挿入
し、これにより放出回路を遮断して励磁電流をリセット
することも可能である。

また、スナバ吸収エネルギの回収負荷は、当該電力変換
装置の直流電源、制御電源、他の電力負荷とすることが
できる。

また、主スイッチング回路の正負極の各アームが、複数
のスイッチング素子を多段接続して高電圧化されたもの
にも適用可能である。この場合、一括スナバ回路の他に
、各スイッチング素子ごとに個別に従来のスナバ回路を
設けることが望ましい。これによれば、個別スナバ回路
によって、各スイッチング素子の特性のばらつきを吸収
できる。

〔作用〕

このように構成される本発明によれば、次の作用により
上記目的が達成される。

すなわち、変成器がスナバ回路を形成する第１のコンデ
ンサを介して直流端に並列接続されていることから、第
１のコンデンサに蓄えられたスナバ吸収エネルギは、変
流器の１次巻線を介して直流端に接続される直流電源又
は負荷に放出される。

また、変成器の２次巻線に誘起された電力は、直流電源
などの電力回収負荷に有効に回収される。

一方、第２のコンデンサに蓄えられたスナバ吸収エネル
ギは、変成器を介さず、交流端に接続される交流電源又
は負荷に回収され、有効に利用される。

この結果、変成器で処理されるエネルギ量は少なくなり
、その分だけ変成器を小形化することができる。

また、変成器１次巻線に抵抗又はインダクタンスを並列
又は直列接続したものによれば、変成器の励磁電流がそ
れらの抵抗等を流れることによって、変成器の鉄心をリ
セットするように動作するので、磁気飽和を防止でき、
変成器をさらに小形化できることになる。

〔実施例〕

以下、本発明を実施例に基づいて説明する。

第１図は本発明を適用してなる一実施例電力変換装置の
１相分の主要部回路構成を示したものである。なお、動
作説明に関しては、以下本回路を交流電動機を負荷とす
るインバータ装置として説明するが５本回路はそのまま
コンバータ装置に適用可能である。

本実施例は、図示のように、主スイッチング回路１０、
一括スナバ回路２０、変成器３０を含んで構成されてい
る。主スイッチング回路１０はスイッチング素子１１を
有する正極アームとスイッチング素子１２を有する負極
アームを直列接続してなる。各スイッチング素子１１，
１２はＧＴＯサイリスタが適用され、それぞれにはフリ
ーホイールダイオード１３．１４が逆並列接続されてい
る。そして、主スイッチング回路の正極端はりアクドル
１５を介して正の直流側端子１６に接続すれ、負極端は
負の直流側端子１７に接続され、正・負アームの共通接
続点は交流端子１８に接続されている。

一方、一括スナバ回路２０は第１のコンデンサ２１、第
２のコンデンサ２２．順方向に直列接続された２個のダ
イオード２３．２４を有して形成されている。直列ダイ
オード２３のアノードは、第１のコンデンサを介して主
スイッチング回路の正極端に接続されている。直列ダイ
オード２４のカソードは、主スイッチング回路の負極端
に接続されている。直列ダイオード２３と２４の共通接
続点は、第２のコンデンサを介して正・負アームの共通
接続点に接続されている。

また、変成器３０の１次巻線は、一括スナバ回路２０の
直列ダイオード２３と２４に並列接続されており、言い
換えれば第１のコンデンサ２１を介して、主スイッチン
グ回路１０の直流端に並列接続されている。一方、変成
器３ｏの２次巻線は。

逆流防止用のダイオード３８を介して、直流端子１６．
１７に接続されている。

なお、主スイッチング回路１０に対する一括スナバ回路
２０の接続関係は、第２図のように変形可能であり、こ
の場合は同図のように変成器３゜を接続する。

このように構成される実施例の動作を、第３図と第４図
を用いて説明する。

第３図（ａ）〜（ｅ）は、正極アームの通流状態から負
極アームの通流状態を経て、再び正極アームの通流状態
にもどるまでの回路動作を示したものである。同図（ａ
）の状態は、スイッチング素子１１がオン状態にあり、
直流電源から負荷へ負荷電流ｉＬが供給されている。こ
の状態のときに、スイッチング素子１１にオフゲート信
号が入ると、それまで流れていたｉＬは、同図（ｂ）に
示す経路（コンデンサ２１→ダイオード２３→コンデン
サ２２を経由）で流れる。この際に、スイッチングサー
ジが吸収されるとともに、コンデンサ２２に図示極性で
蓄積されていたエネルギは負荷に放出される。この図（
ｂ）の状態は、スイッチング素子１２がオフからオンに
切り換えられるから、負荷電流ｉＬの極性が正（流れ出
す方向）のままで、出力電圧の極性が正から負に切り換
わるため、等価的に遅れ力率、すなわち遅相運転状態に
なっている。一方、図（ｂ）において、コンデンサ２１
は過充電される。

次に、同図（Ｑ）に示すように、負荷電流ｉＬが負極ア
ームに転流する還流モードに移ると、コンデンサ２１の
電荷は点線で示す経路で放電され、変成器３０の１次側
に放電電流ｉｓが流れる。これにより、変成器３０の２
次側に１次巻線と２次巻線の巻数に逆比例した値の電流
ｉｓ２が流れ、直流側電源へエネルギが回収される。

次に、同図（ｄ）に示すように、スイッチング素子１２
にオフゲート信号が入った後、スイッチング素子１１に
再びオンゲート信号が入ると、コンデンサ２２が充電さ
れスイッチングサージが吸収され、負荷電流がスイッチ
ング素子１１に流入し、同図（ｅ）の状態に至り、最初
の状態（ａ）に戻る。

なお、同図ＣＯ）〜Ｃｅ）への転流動作の場合、負荷電
流の極性が正のまま出力電圧極性が負から正へ切り換わ
るので、等価的に進み力率、すなわち進相運転状態にな
っている。

一方、第４図は、負極アームの通流状態から正極アーム
の還流状態を経て、再び負極アーム通流状態に至る場合
の回路動作を示したものである。

同図（ａ）から（ｄ）の転流動作は、第３図（ａ）から
（Ｑ）への動作と同じく遅相モードの転流動作である。

また、（ｄ）から（ｆ）への動作は第３図（Ｑ）から（
ｅ）への動作と同じく進相モードの転流動作である。第
４図（ｄ）から（ｅ）へ移る場合、コンデンサ２２の蓄
積エネルギーは交流端子９から流入する電流のため交流
側端子１８へ放出できないため、スイッチング素子１２
がターンオンした時に同図（ｅ）の■と■に示した電流
経路で直流電源に回収される。

上述したように、第１図実施例によれば、スイッチング
素子のターンオフに伴い発生するサージエネルギは一部
スナバ回路のコンデンサに吸収され、その吸収エネルギ
は進相又は遅相のいずれの運転モードにあっても電源（
又は負荷）へ電力として回収でき、しかも、変成器を介
さずに回収する動作モードが存在するため、その分だけ
変成器を小形にすることができる。

例えば、第３図（ｄ）で充電されたコンデンサ２２の蓄
積エネルギーは、コンデンサ容量をＣ１゜、同図（ｂ）
において、このエネルギーは負荷へ放出されるので、変
成器を介さずに処理される。

一方、第４図（ｃ）で充電されたコンデンサ２２（ｅ）
において、変成器を介して処理される。

第３図（Ｑ）及び第４図（ｄ）において変成器が処理す
べきコンデンサ２１に蓄積された過電圧エネルギーは、
コンデンサ２１の容量を０２□、過上から変成器を介し
て、処理されるエネルギーと、処理すべき全体のエネル
ギーの比ａは、となる。従って、変成器は、この分だけ
小形化できる。例えば、ｃ、１＝　１０　ｃ、□に選ぶ
とほぼΔＶ毒Ｅｄ／４にできるので、ａ”＝０．６９と
なり、変成器を６９％に小形化することが可能となる。

以下、本発明の他の実施例を説明する。

第５図は、変成器３０の１次側に抵抗３１を並列接続し
、スナバ回収エネルギの放電電流の一部を並列抵抗３１
に分流させて回収するようにし。

変成器３０の励磁電流を速やかに減衰させて、鉄心の磁
気飽和を防止させるようにしたものである。

これによれば、スナバ吸収エネルギを回収してないとき
にも継続して流れる励磁電流を抵抗３１によって速やか
にリセットできるので、鉄心の磁気飽和が防止でき、変
成器を小形のものにすることが可能である。

第６図は、変成器３０の１次回路に抵抗３２を直列に挿
入して、それらに電圧を分担させ第５図と同様に励磁電
流をできるだけ早く減衰させるようにし、磁気飽和を防
止できる。

第７図、第８図は、第３図（ｂ）及び第４図（ｅ）に示
した状態のとき、変成器３０の励磁電流がダイオード２
３．２４を介して還流する経路内に、インダクタンス３
３あるいは工８を直列接続した例である。本実施例によ
れば、還流電流が流れるとダイオード２３．２４の順電
圧降下に加えてインダクタンス３３あるいは１８の電圧
降下によって変成器３０をリセットするので、鉄心の磁
気飽和防止に効果がある。

また、スナバコンデンサに蓄積されたエネルギを直流電
源へ回収するのに伴い、スイッチング素子１１または１
２のターンオン時に流れる電流のピーク値を抑制するこ
とができる゛。

第９図（ａ）〜（ｄ）は、第５図と第６図に示した抵抗
３１．３２による実施例と、第７図と第８図に示したイ
ンダクタンス３３．１８による実施例とを組合わせたも
のであり、それぞれの実施例における効果を合わせた効
果を持たせることができる。

第１０図は、変成器３０の励磁電流を強制的にリセット
するためにスイッチング素子３４を直列接続した例であ
る。本実施例によれば、スイッチング素子３４のゲート
制御により任意の時点でリセットできるという効果があ
る。スイッチング素子３４として逆電圧阻止能力のない
スイッチング素子を使用する場合にはダイオード３５を
逆並列接続する。

すなわち、第４図（ｅ）から（ｆ）において変成器３０
の１次側に流れる放電電流は第１１図に示すようになる
。図示ｔ□時において正極アームのスイッチング素子１
１がオフし、ｔ２時において負極アームのスイッチング
素子１２がオンすると、コンデンサ２２の電荷による放
電電流が流れ（第４図（ｅ）のモード）、この放電が完
了するこる変成器３０の励磁電流が■の径路で流れる（
第４図（ｆ）のモード）。この励磁電流は変成器３０と
ダイオード２３．２４からなる閉回路の循環電流となっ
て継続して流れるから、ダイオード２３．２４において
順方向電圧降下による損失が生ずる。本実施例では、ス
イッチング素子３４をオフすることで、上記循環電流を
遮断することができ、損失を低減できる。

第１２図は第１図実施例を、三相インバータあるいは三
相コンバータに適用した例である。インバータの場合に
は符号１９で示したものは交流負荷、コンバータの場合
には交流電源となる。各相ごとに設けた変成器３０ａ、
３０ｂ、３０ｃによリー括スナバ回路２０ａ、２０ｂ、
２０ｃにそれぞれ蓄積されるエネルギを直流電源へ回収
する。

本実施例によれば、全アームの蓄積エネルギを回収する
ことができるので回収エネルギの総量が多くなる。

第１３図は第１２図に示した実施例における各相ごとの
変成器を一括した例である。本実施例によると変成器３
０が１台でよいため電力変換器全体の寸法をさらに小形
にできるという効果がある。

以上の実施例はエネルギの回収先が電力変換装置主回路
の直流側端子１６．１７であったが、第１４図（ａ）（
ｂ）に示すように変成器２次側端子を分割された直流電
源コンデンサ４１．４２．４３などの一部に接続しても
よい１本実施例では直流電源電圧が分圧されるため、変
成器３０の２次側の絶縁耐圧及びダイオード３８の逆方
向耐電圧を低くできるという効果がある。

また、第１２図に示した実施例と第１４図に示した実施
例を組合せ１例えば、第１５図に示すように各相の変成
器３０ａ、３０ｂ、３０ｃの２次側をそれぞれコンデン
サ４１．４２．４３へ接続すれば、絶縁耐圧などを低く
設計できる部品が多くなるという効果もある。

以上の実施例は、エネルギの回収先が電力変換装置主回
路の直流電源であったが、他の直流電源でもよい。第１
６図は、回収先としてスイッチング素子５１を邪動する
ためのゲートドライブ回路５２で使用している直流電源
部５３に充当する実施例を示したものである。変成器３
０の２次側を電源コンデンサ５４及び５５の両端に接続
している。回収したエネルギはゲートドライブ回路５２
へ供給するドライブエネルギとして有効に利用される。

なお、通常、ゲートドライブ回路５２の直流電源は、変
圧器５８で降圧した交流電圧を整流器５６．５７で整流
して供給される。本実施例によると、ゲートドライブ回
路５２の電源電圧は通常数１０ボルト程度であるから、
巻線の巻数を少なくかつ絶縁耐圧を低く設計できるなど
変成器３０を小型化できるという効果がある。同様に回
収充電源を制御回路電源とすることもでき、同様の効果
を得ることができる。

上述した電力回収光の実施例は、直流電源等に回収する
ものとして説明したが、第１７図に示すように、コンデ
ンサ等の独立した直流電源部６０に回収し、これをイン
バータ６１により電源周波数に等しい交流電力に変換し
て、交流電源１９又は任意の交流負荷に回収することも
可能である。

これによれば、スナバ回収エネルギの利用範囲が広くな
る。

第１８図は第１図実施例の主スイッチング回路が、多段
接続された複数のスイッチング素子から構成される場合
の実施例である。このような多段化は、高電圧大容量化
等に対応して採用される。

図示のように、一括スナバ回路２０の他に多段接続され
た各スイッチング素子１１ａ、ｌｌｂ、１２ａ、１２ｂ
に、それぞれ個別スナバ回路７０を設ける。各個別スナ
バ回路はダイオード７１、コンデンサ７２、抵抗７３か
ら形成された公知のものである。

本実施例によれば、各アームのスイッチング素子がター
ンオフするときのサージエネルギは一部スナバ回路２０
に吸収され、スイッチング素子ｌｌａと１１ｂ（又は１
２ａと１２ｂ）のターンオフ特性のばらつきにより発生
するエネルギは個別スナバ回路７０で吸収することがで
き、各スイッチング素子の電圧分担の均一化を図ること
ができる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、次の効果が得られる。

また、第２のコンデンサに蓄積されるスナバ吸収エネル
ギを変成器を介さずに交流側へ放出して利用できる。

この結果、変成器の処理すべきエネルギ量が少なくなる
から、その分だけ変成器を小形化でき、これにより装置
全体の小形化を図ることができる。

また、変成器１次巻線に抵抗又はインダクタンスを並列
又は直列接続したものによれば、放電電流又は電圧が抵
抗に分流又は分圧されるので、変成器の磁気飽和を防い
て鉄心を小さくできるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の一相分の主回路構成図、第
２図は第１図実施例の変形例の構成図、第３図（ａ）〜
（ｅ）と第４図（ａ）　〜（ｆ）は第１図実施例の動作
を説明するための図、第５図〜第８図はそれぞれ第１図
に対応する他の実施例の構成図、第９図（ａ）〜（ｄ）
はそれぞれ第５図〜第８図実施例を組合せてなる実施例
の構成図、第１０図は第１図に対応するさらに他の実施
例の構成図、第１１図は第１０図実施例の動作を説明す
る図、第１２図は第１図実施例を３相の電力変換装置に
適用した実施例の構成図、第１３図は第１２図実施例の
変形例を示す図、第１４図（ａ　）（ｂ　）〜第１７図
はそれぞれ電力回収光の変形例を示す図、第１８図は主
スイッチング回路が多段スイッチング素子からなる実施
例の構成図、第１９図は従来例のスナバ回路の構成図で
ある。１０・・・主スイッチング回路、１１．１２・・・スイッチング素子、１６．１７・・・直流端子、１８・・・交流端子、２０
・・・一括スナバ回路、２１・・・第１のコンデンサ、２２・・・第２のコンデンサ、２３．２４・・・ダイオード、３ｏ・・・変成器、３８
・・・ダイオード、３１．３２・・・抵抗、３３・・・
リアクトル、７０・・・個別スナバ回路。

Claims

【特許請求の範囲】１、各相に対応させた主スイッチング回路と、一括スナ
バ回路と、変成器とを含んで構成されてなり、前記主スイッチング回路は、それぞれ少なくとも１個の
スイッチング素子を有してなる正極アームと負極アーム
を直列接続し、該直列回路の両端を直流端とし、共通接
続点を交流端としてなり、前記一括スナバ回路は、第１のコンデンサと２個のダイ
オードの直列回路を前記正負アームの直列回路に並列接
続するとともに、該２個のダイオードの共通接続点を第
２のコンデンサを介して前記正負アームの共通接続点に
接続してなり、前記変成器は、１次側を前記一括スナバ回路の第１のコ
ンデンサを介して主スイッチング回路の直流端に並列接
続し、２次側を電力回収負荷に接続してなる電力変換装
置。２、前記変成器の１次側に抵抗素子を並列接続してなる
請求項１記載の電力変換装置。３、前記変成器の１次側回路にインピーダンス素子を挿
入接続してなる請求項１記載の電力変換装置。４、前記変成器の１次側回路にスイッチング素子を挿入
接続し、該スイッチング素子により励磁電流をリセット
するようにしてなる請求項１記載の電力変換装置。５、前記電力回収負荷を前記主スイッチング回路が接続
される直流電源としたことを特徴とする請求項１、２、
３、４いずれかに記載の電力変換装置。６、前記正極アームと負極アームが複数のスイッチング
素子を直列接続したものであり、該各スイッチング素子
に、それぞれダイオードとコンデンサの直列回路を並列
に接続するとともに、当該ダイオードに抵抗を並列接続
してなる個別スナバ回路を設けたことを特徴とする請求
項１、２、３、４、５いずれかに記載の電力変換装置。７、第１と第２のコンデンサと、２個のダイオードと、
変成器とを具備してなり、それぞれ少なくとも１個のス
イッチング素子を有してなる正極アームと負極アームが
直列接続された主スイッチング回路のスイッチングサー
ジを吸収するスナバ回路であって、前記第１のコンデンサを前記２個のダイオードと直列に
接続して前記主スイッチング回路に対して並列接続し、前記第２のコンデンサを前記２個のダイオードの共通接
続点と前記正負アームの共通接続点との間に接続し、前記変成器の１次側を前記２個のダイオードからなる直
列回路に並列接続し、２次側を電力回収負荷に接続して
なるスナバ回路。