JPH06209580A - 電力変換装置のスナバエネルギー回収回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】電力変換装置が動作する際にスナバ回路が回収
したエネルギーを簡単な回路構成で電源へ回生できるよ
うにすることにある。 【構成】コンデンサとダイオードとリアクトルとの直列
接続でなるエネルギー吸収回路をスナバダイオードに並
列接続し、このエネルギー吸収回路の属する極性とは逆
極性の回路との間をダイオードとリアクトルとの直列接
続でなるエネルギー回収回路で接続し、スナバコンデン
サ蓄積エネルギーを半導体スイッチのオン時にエネルギ
ー吸収回路のコンデンサに移し、次いで逆極性側半導体
スイッチのオン時にエネルギー回収回路へ放電して、こ
のエネルギー回収回路を構成しているリアクトルへの電
流を増加させ、次に逆極性側半導体スイッチのオフ時に
このリアクトル電流を半導体スイッチを構成しているフ
ィードバックダイオードを介して直流電源へ回生する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、半導体スイッチング
素子のオン・オフ動作で電力変換を行う際に発生するス
イッチング損失を回収する電力変換装置のスナバエネル
ギー回収回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体スイッチング素子で電力変換装置
を構成し、その半導体スイッチング素子をオン・オフ動
作させれば電力変換が行えるのは周知である。以下では
電力変換装置として、直流電力を交流電力に変換するイ
ンバータを例にして本発明の詳細を説明する。

【０００３】図２はインバータの１相分の第１従来例を
示した回路図である。この図２において、半導体スイッ
チング素子としての絶縁ゲートバイポーラトランジスタ
（以下ではＩＧＢＴと略記する）４Ｔとフィードバック
ダイオード４Ｄとを逆並列接続して正極側半導体スイッ
チ４を形成させ、ＩＧＢＴ６Ｔとフィードバックダイオ
ード６Ｄとを逆並列接続して負極側半導体スイッチ６を
形成させ、これら正極側半導体スイッチ４と負極側半導
体スイッチ６とを直列接続して直流電源２の正負極間に
接続する。この状態で、ＩＧＢＴ４ＴとＩＧＢＴ６Ｔと
を交互にオン・オフ動作させれば、直流電源２からの直
流電力を交流電力に変換して交流端子７から取り出すこ
とが出来る。

【０００４】半導体スイッチング素子のターンオン或い
はターンオフの際に電流波形と電圧波形に重なり期間が
生じると（重なり期間とは電圧が印加されながら電流を
流す期間）、過渡的な電力損失（所謂スイッチング損
失）が発生する。このスイッチング損失の１回当たりの
量は僅かであっても、パルス幅変調制御インバータのよ
うにスイッチング周波数が高い電力変換装置では単位時
間当たりの発生損失が無視出来なくなる。即ちエネルギ
ーの無益な浪費であり、装置の効率低下や発生した熱の
処理に余分の設備が必要になるなどの不都合も生じる。
そこで装置にはインダクタンスやコンデンサを挿入して
前述の重なり期間の短縮を図る。即ち直流電源２と正極
側半導体スイッチ４との間に正極側抑制リアクトル３を
挿入し、直流電源２と負極側半導体スイッチ６との間に
は負極側抑制リアクトル５を挿入してターンオン時にＩ
ＧＢＴに流入する電流の上昇率を抑制してスイッチング
損失を低減させている。更に正極側半導体スイッチ４に
は正極側スナバ回路８を並列に接続し、負極側半導体ス
イッチ６には負極側スナバ回路９を並列に接続して、Ｉ
ＧＢＴがターンオフする際にこのＩＧＢＴに印加される
電圧の上昇率を緩和してスイッチング損失を低減させて
いる。

【０００５】正極側スナバ回路８はスナバコンデンサ８
Ｃとスナバダイオード８Ｄとスナバ抵抗８Ｒとで構成
し、負極側スナバ回路９も同様にスナバコンデンサ９Ｃ
とスナバダイオード９Ｄとスナバ抵抗９Ｒとで構成して
いるので、ＩＧＢＴがターンオフする際に抑制リアクト
ルに蓄積していたエネルギーはそれぞれのスナバコンデ
ンサへ吸収される。このスナバコンデンサが吸収したエ
ネルギーは、次に各ＩＧＢＴがターンオンする際にスナ
バ抵抗へ放出されて消費される。即ちスナバコンデンサ
へ吸収されたエネルギーは熱となって放散されてしまっ
ている。そこでこのエネルギーを回収して再利用を図る
べく、以下の図３や図４に図示の回路が提案されてい
る。

【０００６】図３はインバータの１相分の第２従来例を
示した回路図である。この図３に図示の第２従来例回路
は「特開昭６１−２１０８７５号」公報に記載の回路で
あって、直流電源２，正極側抑制リアクトル３，正極側
半導体スイッチ４，負極側抑制リアクトル５，負極側半
導体スイッチ６，及び交流端子７の名称・用途・機能は
図２で記述の第１従来例回路の場合と同じであるから、
これらの説明は省略する。

【０００７】図３に図示の第２従来例回路では、スナバ
コンデンサ８Ｃとスナバダイオード８Ｄとで構成した正
極側スナバ回路１１を正極側半導体スイッチ４に並列に
接続し、スナバコンデンサ８Ｃとスナバダイオード８Ｄ
との結合点と正極側補助直流電源１５とを、ダイオード
１２，リアクトル１３，及び配線インダクタンス１４を
介して接続している。このような回路構成により、ＩＧ
ＢＴ４Ｔがターンオフする際にスナバコンデンサ８Ｃに
蓄えられたエネルギーは、次にＩＧＢＴ４Ｔがターンオ
ンする際にスナバコンデンサ８Ｃ→ダイオード１２→リ
アクトル１３→配線インダクタンス１４→正極側補助直
流電源１５→正極側抑制リアクトル３→ＩＧＢＴ４Ｔ→
スナバコンデンサ８Ｃの経路で正極側補助直流電源１５
へ回生されるので、このエネルギーを再利用することが
可能となる。負極側半導体スイッチ６に並列接続してい
る負極側スナバ２１，ダイオード２２，リアクトル２
３，配線インダクタンス２４，及び負極側補助直流電源
２５の動作も前述と同じである。更に過電圧吸収回路２
０を設けて回路の過電圧を吸収し、このエネルギーを正
極側補助直流電源１５へ回生するようにしているが、こ
れらの動作の詳細説明は省略する。

【０００８】図４はインバータの１相分の第３従来例を
示した回路図である。この図４に図示の第３従来例回路
は「特開平３−２５６５６９号」公報に記載の回路であ
って、直流電源２，正極側抑制リアクトル３，正極側半
導体スイッチ４，負極側抑制リアクトル５，負極側半導
体スイッチ６，及び交流端子７の名称・用途・機能は図
２で既述の第１従来例回路の場合と同じであり、正極側
スナバ回路１１，ダイオード１２，リアクトル１３，負
極側スナバ回路２１，ダイオード２２，及びリアクトル
２３の名称・用途・機能は図３で既述の第２従来例回路
の場合と同じであるから、これらの説明は省略する。

【０００９】図４に図示の第３従来例回路では、スナバ
コンデンサ８Ｃに蓄積したエネルギーをダイオード１
２，リアクトル１３，ダイオード１６，及びコンデンサ
１７を介して正極側チョッパ１８へ与えている。正極側
チョッパ１８はこの入力エネルギーを所望の直流電圧に
変換して直流電源２へ返還する。負極側チョッパ２８も
同様に負極側スナバ回路２１を構成しているスナバコン
デンサ９Ｃに蓄積したエネルギーをダイオード２２，リ
アクトル２３，ダイオード２６，及びコンデンサ２７を
介して入力し、この入力エネルギーを所望の直流電圧に
変換して直流電源２へ返還するのであるが、これらの動
作の詳細説明は省略する。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】図２の第１従来例回路
に図示のように、正極側半導体スイッチ４には正極側ス
ナバ回路８を並列に接続し、負極側半導体スイッチ６に
は負極側スナバ回路９を並列に接続することで、半導体
スイッチがターンオフする際にこの半導体スイッチに印
加される電圧の上昇率を緩和すると共に、半導体スイッ
チがターンオンする際の電流上昇率を抑制するインダク
タンスに蓄えられたエネルギーをスナバコンデンサに移
すのであるが、従来はこのスナバコンデンサ蓄積エネル
ギーをスナバ抵抗で無駄に消費させていた。このエネル
ギーの無益な浪費を解消して電源へ回収するべく、図３
と図４に図示の第２従来例回路や第３従来例回路が提案
されている。これらの従来例回路はエネルギーを回収す
る効果は得られているが、このエネルギー回収のために
補助直流電源やチョッパを備えなければならない。これ
ら補助直流電源やチョッパは図示は省略しているが、こ
れらを制御するための装置が付属しているので、部品点
数が多く回路も複雑になって装置全体が大形・高価にな
り、信頼性も低下する等の欠点がある。

【００１１】そこでこの発明の目的は、電力変換装置が
動作する際にスナバ回路が回収したエネルギーを簡単な
回路構成で電源へ回生できるようにすることにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めにこの発明の電力変換装置のスナバエネルギー回収回
路は、スナバコンデンサとスナバダイオードとの直列回
路で構成しているスナバ回路を並列に接続した半導体ス
イッチング素子の複数を直列に接続して直流電源の正負
極間に接続し、前記半導体スイッチング素子のオン・オ
フ動作で電力変換を行う電力変換装置において、前記ス
ナバダイオードのそれぞれに補助ダイオードと補助リア
クトルと補助コンデンサとの直列接続で構成しているエ
ネルギー吸収回路を別個に並列接続し、前記直流電源の
正極側に属している前記エネルギー吸収回路の任意の接
続箇所と前記直流電源の負極側との間に第１の回生ダイ
オードと第１の回生リアクトルとの直列接続で構成した
第１エネルギー回収回路を接続し、前記直流電源の負極
側に属している前記エネルギー吸収回路の任意の接続箇
所と前記直流電源の正極側との間を、第２の回生ダイオ
ードと第２の回生リアクトルとの直列接続で構成した第
２エネルギー回収回路を介して接続するものとする。

【００１３】

【作用】この発明は、複数の半導体スイッチを直列接続
して電源に接続して電力変換を行う場合に、それぞれの
半導体スイッチに別個のスナバ回路を並列に接続する。
このスナバ回路の構成要素であるスナバダイオードには
エネルギー吸収回路を並列に接続するが、このエネルギ
ー吸収回路は補助コンデンサと補助ダイオードと補助リ
アクトルとの直列接続で構成する。このエネルギー吸収
回路が直流電源の正極側に属しているならば、この正極
側エネルギー吸収回路の構成要素のいずれかの接続点と
直流電源の負極側とを第１のエネルギー回収回路を介し
て接続する。ここで第１エネルギー回収回路は回生ダイ
オードと回生リアクトルとの直列接続で構成する。同様
に直流電源の負極側に属しているエネルギー吸収回路で
は、その構成要素を直列接続しているいずれかの接続点
と直流電源の正極側とを第２のエネルギー回収回路を介
して接続する。

【００１４】正極側のスナバ回路を例にすれば、正極側
の半導体スイッチのターンオフ時に正極側スナバコンデ
ンサに蓄えられたエネルギーは、正極側半導体スイッチ
のターンオン時に正極側エネルギー吸収回路を構成する
補助コンデンサに移動し、次いで負極側半導体スイッチ
のターンオン時に正極側補助コンデンサの蓄積エネルギ
ーが第１エネルギー回収回路へ放電するので、この第１
エネルギー回収回路を構成している回生リアクトルへ流
れる電流が増加する。この状態で負極側半導体スイッチ
がターンオフすると、第１エネルギー回収回路の回生リ
アクトルに流れていた電流は正極側半導体スイッチを構
成しているフィードバックダイオードを介して直流電源
へ流入する。即ち電力の回生がなされる。負極側のスナ
バ回路も同様の動作によりスナバコンデンサに蓄積され
たエネルギーを直流電源へ回生する。

【００１５】

【実施例】図１は本発明の実施例を表した回路図である
がこの図１の実施例に図示している直流電源２，正極側
抑制リアクトル３，正極側半導体スイッチ４，負極側抑
制リアクトル５，負極側半導体スイッチ６，交流端子
７，正極側スナバ回路８，及び負極側スナバ回路９の名
称・用途・機能は、図２，図３或いは図４で図示の従来
例回路で既述しているので、これらの説明は省略する。

【００１６】本発明では、正極側スナバ回路１１を構成
しているスナバダイオード８Ｄには正極側エネルギー吸
収回路３１を並列接続しているが、この正極側エネルギ
ー吸収回路３１は補助コンデンサ３１Ｃと補助ダイオー
ド３１Ｄと補助リアクトル３１Ｌとの直列接続で構成し
ている。更に補助コンデンサ３１Ｃと補助リアクトル３
１Ｌとの接続点（補助リアクトル３１Ｌと補助コンデン
サ３１Ｃとの接続点でも差し支え無い）と直流電源２の
負極側との間は、第１エネルギー回収回路３４を介して
接続している。この第１エネルギー回収回路３４は回生
ダイオード３４Ｄと回生リアクトル３４Ｌとの直列接続
回路である。同様に負極側スナバ回路２１を構成してい
るスナバダイオード９Ｄには負極側エネルギー吸収回路
３３を並列接続しているが、この負極側エネルギー吸収
回路３３は補助コンデンサ３３Ｃと補助ダイオード３３
Ｄと補助リアクトル３３Ｌとの直列接続で構成してい
る。更に補助コンデンサ３３Ｃと補助リアクトル３３Ｌ
との接続点（補助リアクトル３３Ｌと補助コンデンサ３
３Ｃとの接続点でも差し支え無い）と直流電源２の正極
側との間は、第２エネルギー回収回路３２を介して接続
するのであるが、この第２エネルギー回収回路３２は回
生ダイオード３２Ｄと回生リアクトル３２Ｌとの直列接
続で構成している。

【００１７】この回路において、正極側スナバ回路１１
に蓄積されたエネルギーがどのように回生されるかの動
作を以下に説明する。正極側半導体スイッチ４を構成し
ているＩＧＢＴ４Ｔがターンオフする際に、正極側抑制
リアクトル３の蓄積エネルギーがスナバコンデンサ８Ｃ
に移動するのは既に述べた。本発明ではスナバダイオー
ド８Ｄには正極側エネルギー吸収回路３１が並列に接続
されているので、次にＩＧＢＴ４Ｔがターンオンする
と、スナバコンデンサ８Ｃ→ＩＧＢＴ４Ｔ→補助コンデ
ンサ３１Ｃ→補助リアクトル３１Ｌ→補助ダイオード３
１Ｄ→スナバコンデンサ８Ｃの経路でスナバコンデンサ
８Ｃの電荷が放電するので、スナバコンデンサ８Ｃの蓄
積エネルギーは補助コンデンサ３１Ｃへ移る。ここで負
極側半導体スイッチ６を構成しているＩＧＢＴ６Ｔがタ
ーンオンすると、補助コンデンサ３１Ｃ→ＩＧＢＴ６Ｔ
→負極側抑制リアクトル５→回生リアクトル３４Ｌ→回
生ダイオード３４Ｄ→補助リアクトル３１Ｌ→補助コン
デンサ３１Ｃの経路で補助コンデンサ３１Ｃの電荷が放
電して、回生リアクトル３４Ｌに流れる電流が増加し、
補助コンデンサ３１Ｃの電荷は減少する。

【００１８】次いでＩＧＢＴ６Ｔがターンオフすると回
生リアクトル３４Ｌに流れていた電流は、回生リアクト
ル３４Ｌ→回生ダイオード３４Ｄ→補助リアクトル３１
Ｌ→補助コンデンサ３１Ｃ→フィードバックダイオード
４Ｄ→正極側抑制リアクトル３→直流電源２の経路で流
れて直流電源２へ回生され、回生リアクトル３４Ｌの電
流は減少し、且つ補助コンデンサ３１Ｃの電荷は更に減
少する。この動作の繰り返しによりスナバコンデンサ８
Ｃに蓄積したエネルギーを直流電源２へ回生することが
出来る。

【００１９】負極側半導体スイッチ６に並列接続してい
る負極側スナバ回路２１のスナバコンデンサ９Ｃに蓄え
られたエネルギーも、同様の動作で先ず負極側エネルギ
ー吸収回路３３を構成している補助コンデンサ３３Ｃへ
移され、次いでＩＧＢＴ４Ｔのオン・オフ動作に連動し
て第２エネルギー回収回路３２とフィードバックダイオ
ード６Ｄとを介して直流電源２へ回生されることにな
る。

【００２０】

【発明の効果】複数の半導体スイッチを直列接続して電
源に接続して電力変換を行う場合に、それぞれの半導体
スイッチには別個のスナバ回路を並列に接続する。この
発明によれば、このスナバ回路の構成要素であるスナバ
ダイオードにエネルギー吸収回路を並列に接続し、この
エネルギー吸収回路が属する極性とは逆極性の回路との
間をエネルギー回収回路を介して接続する回路構成にし
ているので、正極側と負極側の半導体スイッチのオン・
オフ動作に伴って、スナバコンデンサに蓄積されたエネ
ルギーがエネルギー吸収回路に移り、次いでエネルギー
回収回路を介して電源へ回生されるので、エネルギーが
無駄に消費されることが無く、装置の効率が向上する
し、熱の発生も回避できる。このエネルギー吸収回路と
エネルギー回収回路はいずれもコンデンサとダイオード
及びリアクトルのみで構成されているので、従来のエネ
ルギー回収装置よりも遙かに回路が簡素になり、小形軽
量であり故障の恐れもなく、信頼性を向上出来る効果も
合わせて有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を表した回路図

【図２】インバータの１相分の第１従来例を示した回路
図

【図３】インバータの１相分の第２従来例を示した回路
図

【図４】インバータの１相分の第３従来例を示した回路
図

【符号の説明】

２ 直流電源 ３ 正極側抑制リアクトル ４ 正極側半導体スイッチ ４Ｄ．６Ｄ フィードバックダイオード ４Ｔ．６Ｔ 半導体スイッチング素子としてのＩＧＢ
Ｔ ５ 負極側抑制リアクトル ６ 負極側半導体スイッチ ７ 交流端子 ８，１１ 正極側スナバ回路 ８Ｃ．９Ｃ スナバコンデンサ ８Ｄ．９Ｄ スナバダイオード ８Ｒ．９Ｒ スナバ抵抗 ９，２１ 負極側スナバ回路 １５ 正極側補助直流電源 １８ 正極側チョッパ ２５ 負極側補助直流電源 ２８ 負極側チョッパ ３１ 正極側エネルギー吸収回路 ３１Ｃ．３３Ｃ 補助コンデンサ ３１Ｄ．３３Ｄ 補助ダイオード ３１Ｌ．３３Ｌ 補助リアクトル ３２ 第２エネルギー回収回路 ３２Ｄ．３４Ｄ 回生ダイオード ３２Ｌ．３４Ｌ 回生リアクトル ３３ 負極側エネルギー吸収回路 ３４ 第１エネルギー回収回路

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】スナバコンデンサとスナバダイオードとの
   直列回路で構成しているスナバ回路を並列に接続した半
   導体スイッチング素子の複数を直列に接続して直流電源
   の正負極間に接続し、前記半導体スイッチング素子のオ
   ン・オフ動作で電力変換を行う電力変換装置において、 前記スナバダイオードのそれぞれに補助ダイオードと補
   助リアクトルと補助コンデンサとの直列接続で構成して
   いるエネルギー吸収回路を別個に並列接続し、前記直流
   電源の正極側に属している前記エネルギー吸収回路の任
   意の接続箇所と前記直流電源の負極側との間に第１の回
   生ダイオードと第１の回生リアクトルとの直列接続で構
   成した第１エネルギー回収回路を接続し、前記直流電源
   の負極側に属している前記エネルギー吸収回路の任意の
   接続箇所と前記直流電源の正極側との間を第２の回生ダ
   イオードと第２の回生リアクトルとの直列接続で構成し
   た第２エネルギー回収回路を介して接続することを特徴
   とする電力変換装置のスナバエネルギー回収回路。