(57)【要約】【課題】交流入力電圧に瞬低が生じ、その瞬低から復帰したときに突入電流が流れたとしても半導体スイッチング素子の破壊を確実に防止することができ、信頼性を向上させることが可能な交直変換回路を提供する。【解決手段】交流電源から与えられた交流電圧を直流電圧に変換する整流回路と、この整流回路と交流電源との間に介装されたリアクトルとを備え、交流電源の交流電圧を整流する整流回路において、リアクトルをバイパスして整流回路の直流出力側に与えるバイパスダイオードを備える。【選択図】図１
2010041863.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源から与えられた交流電圧を直流電圧に変換する整流回路と、
この整流回路と前記交流電源とを接続する電源ラインに介装されたリアクトルと、
このリアクトルと前記整流回路との間に設けられて、前記電源ライン間の導通又は遮断を制御するスイッチと、
前記交流電源と前記リアクトルとの各接続点から前記整流回路の正極直流出力側に電流を流すバイパスダイオードを備えることを特徴とする交直変換回路。
【請求項２】
交流電源から与えられた交流電圧を直流電圧に変換する整流回路と、
この整流回路と前記交流電源とを接続する電源ラインに介装されたリアクトルと、
このリアクトルと前記整流回路との間に設けられて、前記電源ライン間の導通又は遮断を制御するスイッチと、
前記整流回路の負極直流出力側から前記交流電源と前記リアクトルとの接続点に電流を流すバイパスダイオードを備えることを特徴とする交直変換回路。
【請求項３】
前記整流回路は、逆回復時間が短い高速ダイオードを正極直流出力側に接続し、逆回復時間が長い低速ダイオードを負極直流出力側に接続した直列回路を二組並列に接続して構成されたブリッジ整流回路であることを特徴とする請求項１に記載の交直変換回路。
【請求項４】
前記整流回路は、逆回復時間が短い高速ダイオードを負極直流出力側に接続し、逆回復時間が長い低速ダイオードを正極直流出力側に接続した直列回路を二組並列に接続して構成されたブリッジ整流回路であることを特徴とする請求項２に記載の交直変換回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体スイッチング素子を用いた交直変換回路に係り、特に交流電源から流入する突入電流から半導体スイッチング素子を保護する保護技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
図４は、従来技術に基づく交直変換回路の一実施例である。この図に示す交直変換回路は、交流電圧を直流電圧に変換するいわゆる整流器（コンバータ）であり、入力電流Ｉｉｎを交流入力電圧Ｖｉｎと位相の等しい正弦波波形としつつ、直流出力電圧Ｖｏｕｔを交流入力電圧Ｖｉｎのピーク値より高い所望の値に保つ機能を備えている。
この図において１は交流電源、Ｌ１，Ｌ２は交流電源ラインに直列に介装されたリアクトル、Ｄ１〜Ｄ４は交流電源から与えられる交流電圧を直流電圧に変換するブリッジ整流回路を構成する整流用ダイオード、Ｃはブリッジ整流回路から出力される直流電圧を平滑する平滑コンデンサ、ＲＬは負荷である。
【０００３】
尚、二本の交流電源ラインからそれぞれ引き出された端子ａ，ｂ間には、互いに逆導通方向に直列接続された二つのＭＯＳＦＥＴ（Ｑ１，Ｑ２）が接続されている。このＭＯＳＦＥＴ（Ｑ１，Ｑ２）は、内部に寄生ダイオード（点線で図示）をもつため、ゲート電圧にかかわらず逆方向電流に対しては常に導通状態となる。つまりこの二つのＭＯＳＦＥＴ（Ｑ１，Ｑ２）は、端子ａから端子ｂへ、或いは端子ｂから端子ａのいずれの方向に流れる電流に対してもオン・オフの制御が可能な双方向スイッチを構成している。
【０００４】
さて交流入力電圧Ｖｉｎが正極性（図４において交流電源１にリアクトルＬ１が接続された側が正、リアクトルＬ２が接続された側が負）の場合、ＭＯＳＦＥＴ（Ｑ１）をオンすると電流は、交流電源１→リアクトルＬ１→ＭＯＳＦＥＴ（Ｑ１）→ＭＯＳＦＥＴ（Ｑ２）→リアクトルＬ２→交流電源１の経路で流れる。このときリアクトルＬ１，Ｌ２に交流入力電圧Ｖｉｎが印加されて入力電流Ｉｉｎは増加する。
【０００５】
次いでＭＯＳＦＥＴ（Ｑ１）をオフすれば電流は、交流電源１→リアクトルＬ１→ダイオードＤ１→平滑コンデンサＣ及び負荷ＲＬ→ダイオードＤ４→リアクトルＬ２→交流電源１の経路で流れる。このときダイオードＤ１，Ｄ４における電圧降下を無視すれば、リアクトルＬ１，Ｌ２には直流出力電圧Ｖｏｕｔと交流入力電圧Ｖｉｎの差電圧が印加されていることになる。直流出力電圧Ｖｏｕｔは、交流入力電圧Ｖｉｎより高いので、入力電流Ｉｉｎが減少する。
【０００６】
一方、交流入力電圧Ｖｉｎが負極性（図４において交流電源１にリアクトルＬ１が接続された側が負、リアクトルＬ２が接続された側が正）の場合でも上述した方法に準じてＭＯＳＦＥＴ（Ｑ２）をオン・オフ制御することにより同様の動作を行うことができる。したがって、この交直変換回路は、ＭＯＳＦＥＴ（Ｑ１，Ｑ２）の通流制御を適切なオン・オフ時間比で行うことによって入力電流Ｉｉｎや直流出力電圧Ｖｏｕｔを制御することができる。
【０００７】
しかし、交流入力電圧Ｖｉｎが正極性でありＭＯＳＦＥＴ（Ｑ１）がオフの状態では交流電源１→リアクトルＬ１→ダイオードＤ１→平滑コンデンサＣ及び負荷ＲＬ→ダイオードＤ４→リアクトルＬ２→交流電源１の経路で電流が流れることになる。このときＭＯＳＦＥＴ（Ｑ１）をオンすると平滑コンデンサＣ→ダイオードＤ１→ＭＯＳＦＥＴ（Ｑ１）→ＭＯＳＦＥＴ（Ｑ２）→ダイオードＤ４→平滑コンデンサＣの経路で電流が流れ、ダイオードＤ１，Ｄ４はそれぞれ逆回復する。するとこれらダイオードＤ１，Ｄ４の逆回復損失及びＭＯＳＦＥＴ（Ｑ１）のターンオン損失、更にはＭＯＳＦＥＴ（Ｑ２）の導通損失が増加する。もちろん交流入力電圧Ｖｉｎが負極性の場合においても同様にダイオードＤ２，Ｄ３で逆回復が発生する。
【０００８】
一般的には、これらのスイッチング損失や導通損失を低減するため、ダイオードＤ１，Ｄ３又はダイオードＤ２，Ｄ４に逆回復時間の短い高速ダイオードを適用することが行われている。即ち、ブリッジ整流回路やＭＯＤＦＥＴにおけるスイッチング損失や導通損失を低減するためには、少なくとも上アームの二つのダイオードまたは下アームにおける二つのダイオードのいずれかに逆回復特性の優れた素子を用いる必要がある。
【０００９】
ところで交流電源１の交流入力電圧Ｖｉｎが短時間低下した直後に電圧が復帰する、いわゆる瞬時電圧低下(瞬低)の際には、交流電源１から交直変換装置に突入電流が流入することがある。例えば交流入力電圧Ｖｉｎが低下すると直流出力電圧Ｖｏｕｔが低下するので、直流出力電圧Ｖｏｕｔは、交流入力電圧Ｖｉｎより低くなる。このとき交流電源１の電圧が瞬低から復帰すると、交流電源１→リアクトルＬ１→ダイオードＤ１→平滑コンデンサＣ及び負荷ＲＬ→ダイオードＤ４→リアクトルＬ２→交流電源１の経路で突入電流が流れる。
【００１０】
一般に、逆回復特性の優れた高速ダイオードは突入電流に対する耐量が低い。このため逆回復損失を低減するためにダイオードＤ１やダイオードＤ４に高速ダイオードを適用した場合、突入電流によりこれらのダイオードが破損する可能性がある。ちなみに逆回復時間が長い、いわゆる低速ダイオードは一般的に突入電流の耐量が高く、また例え突入電流が流れたとしても破損することが少ない。
【００１１】
またＭＯＳＦＥＴも高速ダイオードと同様に突入電流に対する耐量が低いものの、過電流が流れた場合にＭＯＳＦＥＴをオフすればＭＯＳＦＥＴには過大な電流は流れ続けない。或いは瞬低が発生して直流出力電圧Ｖｏｕｔがある設定値を下回った場合、ＭＯＳＦＥＴを停止するように回路を構成すれば、瞬低から復帰してもＭＯＳＦＥＴには突入電流が流れないので破損することがない。しかし例えＭＯＳＦＥＴをオフしたとても従来の交直変換回路にあっては、ブリッジ整流回路のダイオードＤ１〜Ｄ４に流れる突入電流を抑制することが困難であった。
【００１２】
そこでこの種の問題を解決するため整流回路に突入電流が流れたとしても、整流回路を構成する高速ダイオードとＭＯＳＦＥＴの保護が可能な整流装置が知られている（例えば、特許文献１を参照）。
【特許文献１】特許第４０９６６５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら特許文献１に記載された整流装置は、整流装置を安全に作動させるためにはスイッチング素子と高速ダイオードの両方を保護する必要があり、それ故、少なくとも二つのサイリスタと二つのダイオードを交流電源端子に新たに接続しなければならなかった。更にサイリスタを駆動させるための駆動回路と、その駆動用電源（特許文献１に図示されていない）がそれぞれ必要となり、整流装置が大形化・高コスト化するという問題もある。
【００１４】
本発明は、このような従来の問題点を解決するべくなされたもので、その目的とするところは、交流入力電圧に瞬低が生じ、その瞬低から復帰したときに突入電流が流れたとしても半導体スイッチング素子の破壊を確実に防止することができ、信頼性を向上させることが可能な交直変換回路を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上述した目的を達成するため本発明の交直変換装置は、交流電源から与えられた交流電圧を直流電圧に変換する整流回路と、この整流回路と前記交電源とを接続する電源ラインに介装されたリアクトルと、このリアクトルと前記整流回路との間に設けられて、前記電源ライン間の導通又は遮断を制御するスイッチと、前記交流電源と前記リアクトルとの各接続点から前記整流回路の正極直流出力側に電流を流すバイパスダイオードを備えることを特徴としている。
【００１６】
或いは本発明の交直変換回路は、交流電源から与えられた交流電圧を直流電圧に変換する整流回路と、この整流回路と前記交流電源とを接続する電源ラインに介装されたリアクトルと、このリアクトルと前記整流回路との間に設けられて、前記電源ライン間の導通又は遮断を制御するスイッチと、前記整流回路の負極直流出力側から前記交流電源と前記リアクトルとの接続点に電流を流すバイパスダイオードを備えることを特徴としている。
【００１７】
好ましくは前記整流回路は、逆回復時間が短い高速ダイオードを正極直流出力側に接続し、逆回復時間が長い低速ダイオードを負極直流出力側に接続した直列回路を二組並列に接続して構成されたブリッジ整流回路であることが望ましい。
或いは前記整流回路は、逆回復時間が短い高速ダイオードを負極直流出力側に接続し、逆回復時間が長い低速ダイオードを正極直流出力側に接続した直列回路を二組並列に接続して構成されたブリッジ整流回路として構成される。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の請求項１〜４に記載の交直変換回路によれば、交流電源に瞬低が生じた後、電圧が復帰したときに突入電流が流れるような場合において、突入電流に対する耐量の低いダイオード（高速ダイオードなど）やスイッチング素子（ＭＯＳＦＥＴなど）にこの突入電流を流さず、安価な低速ダイオード（バイパスダイオード）に流すよう構成しているので、わずかな部品の追加だけで高速ダイオード等を保護することができ、更には交直変換装置の信頼性を向上させることが可能である等の実用上多大なる効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の一実施形態に係る交直変換回路について添付図面を参照しながら説明する。尚、図１〜図３は、本発明の一実施形態を示すものであって、これらの図面によって本発明が限定されるものではない。また図中、図４と同一の符号を付した部分は同一物を表わし、基本的な構成は図４に示す従来のものと同様であるのでその説明を略述する。
図１は、本発明の一実施形態に係る交直変換回路の要部概略構成を示す回路図である。この図に示す交直変換回路が従来の交直変換回路（図４）と異なるところは、交流電源１の交流電圧を整流し、リアクトルＬ１，Ｌ２をバイパスしてダイオードＤ１〜Ｄ４で構成されたブリッジ整流回路の正極直流出力側に与えるバイパスダイオードＤ１０，Ｄ１１を備えた点にある。即ちこのバイパスダイオードＤ１０，Ｄ１１は、交流電源１に瞬低が生じた後、交流電源１の電圧が復帰したときにブリッジ整流回路に流入しようとする突入電流をバイパスさせ、直接、正極直流出力側に与える役割を担っている。このバイパスダイオードＤ１０，Ｄ１１には、逆回復時間が長く、突入電流の耐量が高い低速ダイオードを用いればよい。
【００２０】
ちなみに、ブリッジ整流回路を構成する上アームのダイオードＤ１，Ｄ３に高速ダイオードを用いたとすれば、下アームのダイオードＤ２，Ｄ４に低速ダイオードを用いたとしてもその逆回復によって損失が増加することはない。これは逆回復電流の経路に高速ダイオードＤ１，Ｄ３が存在するため、逆回復電流が減少するためである。したがって、ブリッジ整流回路を構成する上下アームいずれか一方のアームのダイオードＤ１，Ｄ３を高速ダイオードとし、他方のアームのダイオードＤ２，Ｄ４を低速ダイオードとすることができる。
【００２１】
さて上述したように構成された本発明の一実施形態に係る交直変換回路は、交流電源１において瞬低が発生し、直流出力電圧Ｖｏｕｔが低下した後、交流入力電圧Ｖｉｎが正極性（図１において交流電源１にリアクトルＬ１が接続された側が正、リアクトルＬ２が接続された側が負）で復帰し、交流入力電圧Ｖｉｎが直流出力電圧Ｖｏｕｔより高くなると、突入電流は交流電源１→バイパスダイオードＤ１０→平滑コンデンサＣ及び負荷ＲＬ→ダイオードＤ４→リアクトルＬ２→交流電源１の経路で流れる。逆に、交流入力電圧Ｖｉｎが負極性（図１において交流電源１にリアクトルＬ１が接続された側が負、リアクトルＬ２が接続された側が正）のときに交流電源１の交流入力電圧が復帰すると、交流電源１→バイパスダイオードＤ１１→平滑コンデンサＣ及び負荷ＲＬ→ダイオードＤ２→リアクトルＬ２→交流電源１の経路で突入電流が流れる。
【００２２】
このため本発明の一実施形態に係る交直変換回路は、上述したように突入電流が高速ダイオード（ダイオードＤ１，Ｄ３）を流れることなく、突入電流の耐量が高い低速ダイオード（バイパスダイオードＤ１０，Ｄ１１およびダイオードＤ２，Ｄ４）に流れるので高速ダイオードを確実に保護することができる。
図２は、本発明の別の実施形態に係る交直変換回路の構成を示す回路図である。この図に示す交直変換回路が上述した交直変換回路（図１）と異なるところは、二つのバイパスダイオードＤ１０，Ｄ１１をブリッジ整流回路の負極直流出力側から交流電源１に戻る経路に設けた点にある。尚、この図におけるブリッジ整流回路は、ダイオードＤ２，Ｄ４が高速ダイオードであり、ダイオードＤ１，Ｄ３が低速ダイオードの場合を示している。
【００２３】
さて、概略的には上述したように構成された本発明の別の実施形態に係る交直変換回路は、上述した交直変換回路と同様に瞬低から復帰したときの動作は、交流入力電圧Ｖｉｎが正極性（図２において交流電源１にリアクトルＬ１が接続された側が正、リアクトルＬ２が接続された側が負）の場合、突入電流が交流電源１→リアクトルＬ１→ダイオードＤ１→平滑コンデンサＣ及び負荷ＲＬ→バイパスダイオードＤ１１→交流電源１の経路で流れる。
【００２４】
逆に、交流入力電圧Ｖｉｎが負極性（図２において交流電源１にリアクトルＬ１が接続された側が負、リアクトルＬ２が接続された側が正）のときに交流電源１が瞬低から復帰すると、交流電源１→リアクトルＬ２→ダイオードＤ３→平滑コンデンサＣ及び負荷ＲＬ→バイパスダイオードＤ１０→交流電源１の経路で突入電流が流れる。したがって、突入電流は高速ダイオード（ダイオードＤ２，Ｄ４）に流れることなく、低速ダイオード（バイパスダイオードＤ１０，Ｄ１１及びダイオードＤ１，Ｄ３）を流れるので、高速ダイオードを確実に保護することができる。
【００２５】
尚、通常動作時ではバイパスダイオードＤ１０，Ｄ１１には電流が流れないので、これらバイパスダイオードＤ１０，Ｄ１１を交直変換回路に新に追加しても本来の動作に影響を与えることはない。また、上述したようにブリッジ整流回路における各アームの一方のダイオードに高速ダイオードを適用した例を示したが、本発明の交直変換回路は、これに代えて逆回復特性の優れたショットキーダイオードを適用してもかまわない。
【００２６】
尚、上述した実施形態はブリッジ整流回路に入力される二本の交流電源ラインの端子ａ，ｂ間に二つのＭＯＳＦＥＴ（Ｑ１，Ｑ２）を互いに逆方向に直列接続した双方向スイッチを例示しているが、本発明は、これらのＭＯＳＦＥＴ（Ｑ１，Ｑ２）に代えて、図３（ａ）に示すように二つのＩＧＢＴ（Ｑ２０，Ｑ２１）を互いの導通方向が逆方向になるように直列に接続するとともに、各ＩＧＢＴに逆並列にダイオード（Ｄ２０，Ｄ２１）を接続して構成した交直変換回路にも勿論適用が可能である。
【００２７】
また本発明は、図３（ｂ）のように４つの整流用ダイオード（Ｄ３０〜Ｄ３３）でブリッジ整流回路を構成し、整流用ダイオードＤ３０，Ｄ３２の（カソード）接続点とＩＧＢＴ（Ｑ３０）のコレクタと、整流用ダイオードＤ３１，Ｄ３３の（アノード）接続点とＩＧＢＴ（Ｑ３０）のエミッタとをそれぞれ接続してスイッチを構成し、ＩＧＢＴ（Ｑ３０）のオン／オフを制御した交直変換回路にも適用可能である。
【００２８】
このスイッチは、ＩＧＢＴ（Ｑ３０）をオンにすると端子ａの電位が端子ｂの電位より高いとき、整流用ダイオードＤ３０→ＩＧＢＴ（Ｑ３０）→整流用ダイオードＤ３３→端子ｂの経路で電流が流れる。逆に端子ｂの電位が端子ａの電位より高いとき、ＩＧＢＴ（Ｑ３０）をオンにすると電流は、端子ｂ→整流用ダイオードＤ３２→ＩＧＢＴ（Ｑ３０）→整流用ダイオードＤ３１→端子ａの経路で流れる。
【００２９】
あるいは本発明は、図３（ｃ）のように逆阻止型のスイッチング素子（例えば、ＩＧＢＴ）を逆並列に接続してスイッチを構成した交直変換回路にも適用できる。この図３（ｃ）に示すスイッチは、端子ａの電位が端子ｂの電位より高いとき、ＩＧＢＴ（Ｑ４０）をオンにする。すると電流は、端子ａ→ＩＧＢＴ（Ｑ４０）→端子ｂと流れる。逆に端子ｂの電位が端子ａの電位より高いとき、ＩＧＢＴ（Ｑ４１）をオンにすると電流は、端子ｂ→ＩＧＢＴ（Ｑ４１）→端子ａと流れる。
【００３０】
本発明は、上述したように構成した交直変換回路であっても突入電流が高速ダイオードに流れることなく、突入電流に対する高い耐量を備えた低速ダイオードに流れるので容易な構成でありながら確実に交直変換回路を保護することができる。
尚、本発明の交直変換回路は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加えてもかまわない。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の一実施形態に係る交直変換回路の要部概略構成を示す回路図。
【図２】本発明の別の実施形態に係る交直変換回路の要部概略構成を示す回路図。
【図３】図１，２に示す交直変換回路に適用可能なスイッチの一例を示す図。
【図４】従来の交直変換回路（コンバータ）の一実施例を示す回路図。
【符号の説明】
【００３２】
１  交流電源
Ｃ  平滑コンデンサ
Ｄ１〜Ｄ４  ダイオード
Ｄ１０，Ｄ１１  バイパスダイオード
Ｌ１，Ｌ２  リアクトル
ＲＬ  負荷
Ｖｉｎ  交流入力電圧
Ｖｏｕｔ  直流出力電圧
【図１】
2010041863.tif 000003
【図２】
2010041863.tif 000004
【図３】
2010041863.tif 000005
【図４】
2010041863.tif 000006