JPS5895979A - 誘導性負荷クランプ・ダイオ−ド用リアクテイブ・スナツバ回路 - Google Patents

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】 本発明は、誘導性負荷を有した半導体の電力スイッチン
グ回路に関し、さらに詳しくは、誘導性電圧をクランプ
するのに使用する電力用ダイオードに対するスナツバ技
術の改良に関する。

たとえば、スイッチング電源等の用途において、スイッ
チを制御した割合で開閉することにより、誘導性負荷を
流れる電流が調整される。スイッチは機械的なものもし
くはトランジスタあるいはサイリスタ等の固体半導体で
もよい。スイッチが非導通である期間の間、通常負荷に
接続されたフリして電流が流れ続ける。ダイオードは電
流路を与えると共に、負荷によって生じた誘導性電圧を
制限すなわちクランプする役割を果たす。

スイッチがゲート駆動されて導通すると、クランプ０ダ
イオードを流れていた負荷電流がダイオードからスイッ
チに転流される。この転流速度は、ダイオードの尖頭逆
電流に達するまで、電源電圧と回路のインダクタンスと
によってのみ制限される。この尖頭逆電流に達した時点
において、ダイオードはさらに速い電流変化速度でオフ
に切換わオ る傾向にあり、フリーホイーリング電流路の遅遊インタ
クタンスに蓄積されたエネルギによって高い過渡電圧を
発生する。急速にターンオフするダイオードの場合、こ
の過渡電圧はダイオードの容量とリンギングするネ遊イ
／ダクタンスニ起因シてしばしば振動的である。スナツ
パ回路を用いない電力回路においては、このような過渡
電圧は相当な電磁障害（ＥＭＩ）を発生し、またダイオ
ードの逆阻止電圧を超えて自己破壊を起こすこともある
。

ダイオードの回復特性が第１図のグラフの実線によって
示されている。転流中の電流変化速度はｄｉ 従う。ここで−は電流変化速度、Ｅは印加電圧よ の大きさ、そしてＬは全直列インダクタンスをあられす
。

完全なターンオフが達成される前に、ダイオードの蓄積
電荷を除去するためにダイオード電流を逆転しなければ
ならない。所定の電荷に対してグラフの負の部分の面積
ははシ一定であるから、尖頭逆回復電流（Ｉｒｒ）は電
流変化速度に正比例する。

高速スイ・ｌチング回路において、尖頭逆電流が過剰に
大きくなることがあり、一般に種々の回路変形を用いて
尖頭逆電流を抑制している。

尖頭逆電流を減少させるひとつの技術は、電流レベルが
零に近づく時の電流変化速度を減少させることである。

これは可飽和リアクトルをダイオードに直列に接続する
ことによって達成できる。

低電流レベルで可飽和りアクトルが磁気飽和から脱する
ので、大きな直列インダクタンスを挿入したこととなり
、電流波形を第１図の点線で示すように変形させる。第
一図の回路図はこの方法を用いた従来のスイッチング回
路である。スィッチ１２ノスイツチンク機能を行うもの
として種々のデバイスが使用できるが、普通バイポーラ
電力用トランジスタが使用されている。スイッチ１２は
りアクティブ負荷１１と電源１８との間に直列に接続さ
れている。制御回路（図示せず）は、当該技術で周知の
方法によってスイッチ１２のオンならびにオフの時間を
調整する制御信号を供給する。スイッチ１２が閉じられ
ると、直列接続されたりアクティブ負荷１１と制御スイ
ッチ１２とを介して電源１Ｂから電流が流れる。スイッ
チ１２が開かれると、負荷のリアクティブな部分に蓄積
されたエネルギが、負荷１１の両端間に接続された直列
のクランプφダイオード１３と可飽和リアクトル１４を
介して徐々に放電する。スイッチ１２が再び閉じられる
と、負荷電流はクランプ・ダイオード１３からスイッチ
１２に転流さレル。スイッ′チ１２は負荷電流に加えて
、クランプ・ダイオード１３をターンオフするのに必要
な逆回復電流をも通す。この転流が終了する直前に、リ
アクトル１４は飽和から脱し、クランプ・ダイオード１
３に直列にさらに大きなインダクタンスを挿入するので
、ダイオード１３をターンオフするに必要な尖頭回復電
流を低くする。この特徴は、スイッチ１２として低電流
定格のものを使用可能にする。

並列接続されたダイオード１５と抵抗１７と、直列接続
されたキャパシタ１６とより成るスナツバ回路がスイッ
チ１２の両端間に接続されて示されている。

コノスナツバ回路は、スイッチ１２がターンオフする毎
に生じる電力損のいくらかを吸収するために時たま使用
されている。もし、スイッチ１２がスインチングミ力損
を吸収できるならば、この並列スナツバは必ずしも必要
でない。

この技術、すなわち簡単な可飽和リアクトルを使用する
ことの主たる欠点は、スイッチ１２がターンオフする瞬
間にりアクトル１４が飽和していないことであり、従っ
てクランプ・ダイオードの電流路が高い誘導性インピー
ダンスを呈する。負荷電流をスイッチ１２からダイオー
ド１３に転流させるために、スイッチ１２と負荷１１と
の接続点の電圧は、飽和していないりアクトル１４のイ
ンダクタンスを克服するのに充分な値に増加していなけ
ればならない。この電圧は、りアクトル１４が呈するイ
ンダクタンスに比例して電源電圧よりも超えていなけれ
ばならず、そのためスイッチ１２として大きな電圧定格
なものを必要とする。

本発明の目的は、スイッチング回路に用いられた電力用
クランプダイオードに対する改良スナツバ技術を提供す
ることである。

本発明の他の目的は、クランプ・ダイオードのター／オ
フ特性を改善するために可飽和りアクトルを使用した時
、電力用クランプ・ダイオードのターンオン速度を改善
することである。

本発明−のさらに他の目的は、可飽和りアクトルと直列
接続された電力用ダイオードのターン速度を改善するた
めに、適当な時間に充分な大きさを持つ一時的なエネル
ギ源を提供することである。

上述の本発明の目的は、リアクトルに第２の飽和制御入
力を設けて、従来の可飽和りアクトルを変形することに
よって達成される。この制御入力はりアクトルの鉄心上
の２次巻線により与えられる。代表的なスイッチング回
路においては、スイノチ保護用の普通の並列スナツバ回
路から得られる外部電流パルスを２次巻線に結合させる
。並列スナツバ回路の電流パルスは所望の機能を行うた
めの正確な時間ならびに大きさを有して発生する。

並列スナツバ回路が使用されない時は、スイッチング制
御信号と同期した外部電流パルスを２次巻線に結合でき
る。２次巻線の電流パルスはりアクドルの鉄心を飽和さ
せ、クランプ期間の始まりにおいてクランプ・ダイオー
ド回路が低インピーダンスを呈するようにする。

本発明の特性ならびに他の目的、特徴、用途、利点は以
下の説明ならびに添付の図面から明白となろう。

まず第３図を参照して説明する。図において、第２図の
従来の回路図に示されたと同一もしくは同様の素子に対
しては同一参照数字が用いられている。スナツバ回路は
、ダイオード１５と直列接続された２次巻線１４ａをリ
アクトル１４の鉄心に追加することによって変形されて
いる。たとえば、チヨツパやインバータ等の代表的な電
力スイッチング回路において、スイッチング周波数は、
通常、負荷に連続的な電流を流しておくのに充分なぐら
い高く、例えば数千サイクルである。スイッチ１２がオ
ンとなると、電流が電源１８、負荷１１、およびスイッ
チ１２を介して流れ、電源電圧と負荷インピーダンスに
よって決定されるある最−大値に向って増加する。スイ
ッチ１２が開くと、負荷電流は、スイッチ１２を迂回し
て、りアクドル１４の２　次巻線１４ａ１ダイオード１
５およびキャパシタ１６を介して流れ、いくらかの電流
は抵抗１７にも流れる。負荷電流のこの流路は、キャパ
シタ１６が電源１８の電圧の大きさより少し高い値に充
電されるまで維持される。キャパシタが充電されたとき
、ダイオード１３は順方向バイアスされて急速に電流を
導き、負荷電流をスナツバ回路からクランプ・ダイオー
ド１３の流路に転向する。リアクトル１４の２個の巻線
、すなわち／次巻線１４ｂとコ次巻線１４ａは鉄心が飽
和していないとき変圧器を構成するので、回路図に丸い
点で示されている様な巻線の極性に注意しなければなら
ない。丸い点で示された図示の極性の場合、２次巻線１
４ａの初期増加負荷電流により／次巻線１４ｂに誘起さ
れた電圧はダイオード１３を逆バイアスする極性であり
、このダイオードをオフに保つ。／次巻線１４ｂの誘起
電圧は、２次巻線１４ａを流れる負荷電流がリアクトル
１４の鉄心を飽和させるのに充分な大きさになるやいな
や消滅する。負荷１１とスイッチ１２との接続点の電圧
が電源１Ｂの電圧を超える前にりアクドル１４力と飽和
するので、ダイオード１３は順方向バイアスされるとた
だちに電流を通しはじめる。ダイオード１３が導通する
と、負荷電流はコ次巻線１４ａから１次巻線１４ｂに急
速に移り、正味のアンペアターンによって、磁束密度が
巻数比に比例した量だけさらに飽和に向かって増加する
。

負荷１１から７次巻線１４ｂに流れる電流は、スイッチ
１２が再びターンオンするまでリアクトル１４の飽和を
維持している。スイッチ１２が導通すると、ｊＬ［電流
は、クランプ・ダイオード１３の流路からスイッチ１２
の流路に急速に移り変る。７次巻線１４ｂの電流が零に
近づくと、リアクトル１４の鉄心は飽和から脱して１次
巻線１４ｂのイ、ンダクタンスを増加させ、従来の簡単
なりアクドルと同様に転流電流の変化速度を遅くする。

りアクドル１４が飽和から脱する時に７次巻線１４ｂの
両端間に生じる電圧は、２次巻線１４Ｈに変圧される。

この２次巻線の電圧は、誘起電圧を逓降するように１次
巻線１４ｂとユ次巻線１４ａの巻数比を適切に選択する
ことによって、スナツバ・ダイオード１５の逆バイアス
に打ち勝つには小さすぎるようになされている。

キャパシタ１６の電荷により供給されるダイオード１５
の逆バイアスは、スイッチ１２がターンオンされて抵抗
１７とスイッチ１２を介してキャパシタ１６を放電する
ことによって、低くなる。この放電時定数は、負荷電流
のクランプ・ダイオード１３からスイッチ１２への転流
時間よりもずっと遅くなるように作られており、このた
め転流の間、ダイオード１５の重要な逆バイアスを保持
する。

可飽和リアクトルのパラメータは、スナツバ・ダイオー
ド１５と直列のインダクタンスを最小にし、且つ転流前
にスナツバ流路を流れる負荷電流によっで飽和するよう
に選択されている。１次巻線の巻回数は、リアクトル１
４の鉄心が不飽和のときに、クランプ・ダイオード１３
の回復特性の充分なスナツパ作用を与えるように選択さ
れている。抵抗１７はキ（バシタ１６の放電を行うため
にのみ備えられ、ダイオード１５の両端間にのみ接続す
ることもできる０ 半ブリッジ・インバータ方式に適用した本発明の特定な
実施例を第４図に示す。図において、第３図と同一ある
いは同様の機能を行うものには同一の参照数字が用いら
れている。各スイッチング・デバイス１２ａおよび１２
ｂには、基本周波数の交互の半サイクル毎に、オン／オ
フ・スイッチング指令信号が供給される。”ａ”の表示
のある素子は、すべて、基本周波数の交互の半サイクル
の一方の間第３図に説明した機能を行い、”ｂ”の表示
のある素子は、すべて、基本周波数の他方の７つおきの
サイクルの間開様な機能を行う。第４図の半ブリッジ・
インバータの各半部は、夫々独立に第３図に関して説明
したように動作するので、第グ図の回路に対してはこれ
以上の説明は不要と信する。しかしながら、スイッチ１
２ａが開くと、従来の半ブリッジ・インバータで典型的
なように、負荷電流が電源１８ｂを介して循環すること
に注意されたい。各スイッチ１２のスイッチング周波数
は、典型的には基本周波数の数倍であり、また、スイッ
チ１２は、負荷１１が所望の基本周波数で動作するよう
にパルス幅変調モードで動作さ゛せることもできる。

当業者にとって、第４図は半ブリツジ構成であり、その
電源のセンタータップをさらに二個の個別の電力用スイ
ッチで単に置きかえることによって全ブリッジ構成を提
供することが可能であることは認められよう。同様に、
この基本回路を、多相システムに拡張することも可能で
あって、単に各電力相を負荷１１に適切な時間に接続す
るように更にスイッチング・デバイス１２を追加すれば
よい。

【図面の簡単な説明】

第１口出代表的な電力用ダイオードの回復時間における
電流波形を示す波形図、第２図は、従来の可飽和リアク
トルを有した従来の電力スイッチング回路の回路図、第
３図は、本発明による電力スイッチング回路の回路図、
そして第４図は、本発明を半ブリツジ電力用インバータ
・スイッチング回路に適用した一実施例を示す簡略回路
図である。 １１−・・負荷、１２．１２ａ、１２ｂ　・・・スイッ
チ、１３．１３ａ、１３ｂ・・・クランプ・ダイオード
、１４・・・可飽和１）アクトル、　ＩＳ、ＩＳａ、１
５ｂ・・・スナツパダイオード、１６．１６ａ、１６ｂ
・・・キャパシタ、１７．１７ａ、１７ｂ　、・、抵抗
、１Ｂ、１８ａ、１８ｂ　−１・電源。 ＦＩＧ、）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ／　少なくとも１個の電力用スイッチと電力用クランプ
   −ダイオードを含み、かつ、制御信号に応じて誘導性負
   荷を電源に接続したり電源から切離したりする電力スイ
   ッチング回路に用いる改良スナツバ回路であって、ａ）
   ／次巻線と２次巻線を有し、／次巻線を前記負荷の両端
   間にクランプ・ダイオードと直列に接続し、且つクラン
   プ・ダイオードを、負荷が電力用スイッチによって電源
   から切離された時に負荷電流を連続的に流すことが出来
   るような極性に接続した、可飽和リアクトルと、ｂ）負
   荷が電力用スイッチによって電源から切離された時に前
   記可飽和りアクドルを急速に磁気−飽和させるように前
   ｉｉ１″２次巻線に電流パルスを供給する手段と、で構
   成されたスナツパ回路〇２　特許請求の範囲第１項記載
   のスナツパ回路に於て、前記２次巻線に電流パルス、を
   供給する手段が電力用スイッチの両端間に接続された並
   列スナツバ回路であり、該回路が、イ）ダイオードと、
   口）キャハ／りと、ノ９前記電力用スイッチと並列に、
   前記ダイオード、キャパシタおよびΩ次巻線を直列電流
   路として接続し、且つ前記ダイオードを、前記負荷を通
   る連続的な電流の電流路となるような極性に接続する手
   段と、→抵抗と、ホ）前記２次巻線とダイオードとの直
   列組合せと並列に前記抵抗を接続して、電力用スイッチ
   が導通している時に前記キャパシタの放電電流路を与え
   る手段とで構成され、もって、電力用スイッチの導通が
   終了することにより、前記２次巻線、ダイオードおよび
   キャパシタによって形成された電流路に電流パルスが流
   れて、前記りアクドルを飽和させることからなるスナツ
   パ回路。 ３、　特許請求の範囲第２項記載のスナソノく回路に於
   て前記電力用スイッチがバイポーラトランジスタより成
   るスナツパ回範。 ダ　直列接続された第７および第コスイソチング・デバ
   イスと、これらデバイスを交互に導通させる手段と、こ
   れらデバイスの両端間に結合され、且つ直列接続された
   第１および第２の電源とを有し、前配電源間の接続点と
   前記スイッチング・デバイス間の接続点との間に接続さ
   れた誘導性負荷の電流を制御する半ブリッジ・インバー
   タ形式ニ構成された電力スイッチング調整器に用いる改
   良スナツバ回路であって。 ａ）各々７次およびλ次巻線を有する第１および第一の
   可飽和りアクトルと、ｂ）第１および第一のクランプ・
   ダイオードと、Ｃ）前記第７の可飽和リアクトルの７次
   巻線と前記第１のクランプ・ダイオードとを前記第一の
   スイッチングφデバイスの両端間に直列に接続する手段
   と、ｄ）前記第２の可飽和りアクトルの／次巻線と前記
   第一のクランプ・タイオパ−ドとを前記第１のスイッチ
   ング・デバイスの両端間に直列に接続する手段と、Ｃ）
   前記第７のスイッチング・デバイスが開くと同時に、前
   記第１の可飽和りアクトルの２次巻線に電流パルスを供
   給し、前記第１の可飽和りアクトルを急速に飽和させて
   前記第１のクランプ０ダイオードを通る電流路に電流を
   急速に転流させる手段とｆ）前記第２のスイッチング・
   デバイスが開くと同時に、前記第一の可飽和リアクトル
   のλ次巻線に電流パルスを供給し、前記第一の可飽和り
   アクトルラ急速に飽和させて前記第一のクランプ・ダイ
   オードを通る電流路に電流を急速に転流させる手段とで
   構成されているスナツパ回路。 ふ　特許請求の範囲第４項記載のスナツバ回路に於て、
   前記電流パルスを供給する手段の各々が、イ）抵抗と、
   口）キャパシタと、ハ）ダイオードと、→前記抵抗とキ
   ャパシタとを、対応する前記スイッチング・デバイスの
   両端間に直列回路に接続する手段と、→前記ダイオード
   と、対応する前記２次巻線とを、前記抵抗の両端間に直
   列回路に接続する手段とで構成され、もって対応するス
   イッチング・デバイスの導通が終了することにより、前
   記ダイオード、コ次巻線およびキャパシタによって形成
   された直列電流路を介して電流パルスが発生されるスナ
   ツパ回路。 ム　特許請求の範囲第５項のスナツパ回路に於て、前記
   スイッチング・デバイスがバイポーラトランジスタより
   成るスナツパ回路。