(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
正側入力ラインと負側入力ラインとの間から供給される直流電源の直流電圧を交流電圧に変換して出力する共振型インバータ装置であって、
前記正側入力ラインと前記負側入力ラインとの間に接続され、第１補助スイッチと第１補助コンデンサと第２補助コンデンサとからなる第１直列回路と、
前記正側入力ラインと前記負側入力ラインとの間に接続され、第２補助スイッチと第１ダイオードとからなる第２直列回路と、
前記第１補助コンデンサと前記第２補助コンデンサとの接続点と前記第２補助スイッチと前記第１ダイオードとの接続点との間に接続された共振リアクトルと、
前記正側入力ラインと前記負側入力ラインとの間に接続され、共振コンデンサが並列接続された主スイッチを２個直列接続してなるハーフブリッジ回路を複数個並列接続してなるインバータ回路と、
を備えることを特徴とする共振型インバータ装置。
【請求項２】
前記第１補助スイッチがターンオンした後の前記第２補助スイッチの電圧は、前記第１ダイオードに順方向電流が流れることにより、前記第１補助コンデンサと前記第２補助コンデンサとの電圧にクランプされることを特徴とする請求項１記載の共振型インバータ装置。
【請求項３】
前記ハーフブリッジ回路を２個並列接続してなる前記インバータ回路は、３相交流のＵ相とＷ相とを出力し、前記第１補助コンデンサと前記第２補助コンデンサとの接続点は、３相交流のＶ相を出力することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の共振型インバータ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直流を交流に変換するソフトスイッチング制御の共振型インバータ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
共振型インバータ装置の一例として、Ｖ結線インバータ回路を有する電力変換装置が知られている（特許文献１）。この電力変換装置は、第１及び第２補助スイッチと共振リアクトルと共振コンデンサとを設けて、第１及び第２補助スイッチをオンオフさせることにより共振リアクトルと共振コンデンサとで共振を発生させて主スイッチのターンオンをゼロ電圧スイッチング（ソフトスイッチング）させ、主スイッチのスイッチング損失を低減したものである。
【０００３】
この電力変換装置には、第１及び第２補助スイッチにスナバ回路が設けられていないが、実用的には、第１及び第２補助スイッチのコレクタ−エミッタ間にスナバ回路を付加して、過電圧保護及び高周波振動抑制を図ることが望ましい。
【０００４】
図４は従来のスナバ回路を含んだ共振型インバータ装置を示す回路図である。図４において、直流電源Ｅの両端には、昇圧回路１が接続されている。この昇圧回路１は、直流電源Ｅの両端に接続された昇圧リアクトルＬ１と絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）からなるスイッチＱｏとの直列回路と、昇圧リアクトルＬ１とスイッチＱｏとの接続点にアノードが接続されたダイオードＤｃとから構成され、直流電源Ｅの電圧を昇圧する。スイッチＱｏのコレクタ−エミッタ間には、ダイオードＤｏとコンデンサＣｏとが並列に接続される。
【０００５】
昇圧回路１の出力両端には、正側入力ラインＰ及び負側入力ラインＮを介して補助回路２ａが接続されている。補助回路２ａは、次のように構成される。正側入力ラインＰと負側入力ラインＮとの間には、ＩＧＢＴからなる補助スイッチＱ１と補助コンデンサＣａと補助コンデンサＣｂとの直列回路が接続されている。補助コンデンサＣａと補助コンデンサＣｂとの接続点と正側入力ラインＰとの間には、共振リアクトルＬｒとＩＧＢＴからなる補助スイッチＱ２との直列回路が接続されている。
【０００６】
補助スイッチＱ１のコレクタ−エミッタ間には並列にダイオードＤａが接続されるとともに、スナバダイオードＤ５とスナバコンデンサＣ５とスナバコンデンサＣ６との直列回路が接続されている。スナバダイオードＤ５とスナバコンデンサＣ５との接続点と補助コンデンサＣｂの一端とには抵抗Ｒ１が接続されている。スナバコンデンサＣ５とスナバコンデンサＣ６との接続点と補助コンデンサＣａと補助コンデンサＣｂとの接続点とには抵抗Ｒ２が接続されている。スナバダイオードＤ５，スナバコンデンサＣ５，Ｃ６，抵抗Ｒ１，Ｒ２は補助スイッチＱ１のスナバ回路を構成する。
【０００７】
補助スイッチＱ２のコレクタ−エミッタ間には並列にダイオードＤｂが接続されるとともに、スナバコンデンサＣ７とスナバコンデンサＣ８との直列回路が接続されている。スナバコンデンサＣ７には並列にスナバダイオードＤ６が接続されている。スナバコンデンサＣ７とスナバコンデンサＣ８との接続点と補助スイッチＱ１のコレクタとには抵抗Ｒ３が接続されている。スナバダイオードＤ６，スナバコンデンサＣ７，Ｃ８，抵抗Ｒ３は補助スイッチＱ２のスナバ回路を構成する。
【０００８】
正側入力ラインＰと負側入力ラインＮとの間には、インバータ回路３が接続されている。インバータ回路３において、正側入力ラインＰと負側入力ラインＮとの間には、主スイッチＳ１と主スイッチＳ２との直列回路（ハーフブリッジ回路）が接続されるとともに、主スイッチＳ３と主スイッチＳ４との直列回路（ハーフブリッジ回路）が接続されている。ＩＧＢＴからなる主スイッチＳ１〜Ｓ４のコレクタ−エミッタ間にはダイオードＤ１〜Ｄ４、及び共振コンデンサＣ１〜Ｃ４が接続されている。
【０００９】
主スイッチＳ１と主スイッチＳ２との接続点はリアクトルＬｗを介して交流出力端子Ｗ１に接続され、主スイッチＳ３と主スイッチＳ４との接続点はリアクトルＬｕを介して交流出力端子Ｕ１に接続され、補助コンデンサＣａと補助コンデンサＣｂとの接続点は、交流出力端子Ｖ１に接続されている。ここで、フィルタ回路４は、リアクトルＬｕ，Ｌｗ及びコンデンサＣ１１，Ｃ１２から構成され、高周波成分を除去して正弦波成分を出力するフィルタである。制御回路１００は、スイッチＱｏと補助スイッチＱ１，Ｑ２と主スイッチＳ１〜Ｓ４のそれぞれをオンオフ制御して、主スイッチＳ１〜Ｓ４をゼロ電圧スイッチングさせるとともに、交流出力端子Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１に正弦波状の３相交流電圧を出力する。
【００１０】
次に、動作を説明する。まず、図４に示す構成に対してスナバ回路がない場合の動作を図５に示す波形図を参照しながら説明する。
【００１１】
図５において、Ｇ（Ｑ１）は補助スイッチＱ１のゲート信号、Ｇ（Ｑ２）は補助スイッチＱ２のゲート信号、Ｇ（Ｓ３）は主スイッチＳ３のゲート信号、Ｇ（Ｓ４）は主スイッチＳ４のゲート信号、Ｉ（Ｌｒ）は共振リアクトルＬｒに流れる電流、Ｖ（Ｓ３）は主スイッチＳ３のコレクタ−エミッタ間電圧、Ｉ（Ｓ３）は主スイッチＳ３に流れるコレクタ電流、Ｖ（Ｓ４）は主スイッチＳ４のコレクタ−エミッタ間電圧、Ｖ（Ｑ２）は補助スイッチＱ２のコレクタ−エミッタ間電圧である。
【００１２】
期間ｔ２において、補助スイッチＱ１がオフ状態で、補助スイッチＱ２がオンすると、共振コンデンサＣ３の電荷が放電し、Ｃ３→Ｌｒ→Ｑ２→Ｃｂ→Ｄ４→Ｃ３の経路で共振リアクトルＬｒに電流Ｉ（Ｌｒ）が流れる。このとき、電流Ｉ（Ｌｒ）は、共振リアクトルＬｒと共振コンデンサＣ３との共振により正弦波状の電流となる。
【００１３】
期間ｔ３において、共振コンデンサＣ３の電荷の放電が完了し、共振コンデンサＣ３の電圧Ｖ（Ｓ３）がゼロ電圧となり、電流Ｉ（Ｌｒ）がゼロとなったときに、主スイッチＳ３をオンさせる。これにより、主スイッチＳ３のゼロ電圧スイッチングを実現できる。
【００１４】
また、Ｃｂ→Ｄｂ→Ｌｒ→Ｓ３→Ｃ４→Ｃｂの経路で負の電流Ｉ（Ｌｒ）が流れ始める。電流Ｉ（Ｌｒ）と電流Ｉ（Ｓ３）とは、共振リアクトルＬｒと共振コンデンサＣ４との共振により正弦波状の電流となる。
【００１５】
期間ｔ４において、共振電流により共振コンデンサＣ４が充電されて、Ｖ（Ｓ４）の電圧が上昇していく。期間ｔ４において、補助スイッチＱ２をオフするが、ダイオードＤｂを介して共振電流は流れる。
【００１６】
そして、共振が終了した後、期間ｔ５において、共振リアクトルＬｒの電流Ｉ（Ｌｒ）が上昇してゼロになると、期間ｔ６の開始時に補助スイッチＱ２のダイオードＤｂが逆回復する。この逆回復のエネルギーが共振リアクトルＬｒに蓄積されるが、エネルギー放出経路がないため、補助スイッチＱ２にサージ電圧が発生する。その後、補助スイッチＱ２の寄生容量と共振リアクトルＬｒとの共振により、共振リアクトルＬｒの電流Ｉ（Ｌｒ）及び補助スイッチＱ２の電圧Ｖ（Ｑ２）に高周波振動が発生する。補助スイッチＱ２のオフへの切り替えが期間ｔ６以降にずれる場合、共振リアクトルＬｒにエネルギーが蓄積されるため、上述の現象と同様な現象が発生する。
【００１７】
次に、図６に示す補助回路及び図７に示す動作波形図を参照しながら、スナバ回路を設けた図４に示す従来の共振型インバータ装置の動作を説明する。
【００１８】
スナバ回路がある場合には、共振リアクトルＬｒに蓄積されたエネルギーは、スナバダイオードＤ５，Ｄ６、スナバコンデンサＣ５，Ｃ６，Ｃ７，Ｃ８を介して流れる。スナバコンデンサＣ５，Ｃ６，Ｃ７，Ｃ８の電圧は抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３を介して補助コンデンサＣａ，Ｃｂにクランプされる。このため、図７の期間ｔ６において、共振リアクトルＬｒの電流Ｉ（Ｌｒ）及び補助スイッチＱ２の電圧Ｖ（Ｑ２）に高周波振動が発生することを抑制することができる。    
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１９】
【特許文献１】特開２００４−２６０８８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
しかしながら、図４に示す共振型インバータ装置は、スナバ回路を設けているため、ダイオード、コンデンサ、抵抗から構成される部品が増加している。このため、コストが増加するとともに装置が大型化し、さらにはスナバ回路で損失を生じる問題があった。
【００２１】
本発明は、損失とコストとを低減し且つ小型化できる共振型インバータ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
上記課題を解決するために、本発明は、正側入力ラインと負側入力ラインとの間から供給される直流電源の直流電圧を交流電圧に変換して出力する共振型インバータ装置であって、前記正側入力ラインと前記負側入力ラインとの間に接続され、第１補助スイッチと第１補助コンデンサと第２補助コンデンサとからなる第１直列回路と、前記正側入力ラインと前記負側入力ラインとの間に接続され、第２補助スイッチと第１ダイオードとからなる第２直列回路と、前記第１補助コンデンサと前記第２補助コンデンサとの接続点と前記第２補助スイッチと前記第１ダイオードとの接続点との間に接続された共振リアクトルと、前記正側入力ラインと前記負側入力ラインとの間に接続され、共振コンデンサが並列接続された主スイッチを２個直列接続してなるハーフブリッジ回路を複数個並列接続してなるインバータ回路とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、第１補助スイッチがターンオンした後の第２補助スイッチの電圧は、第１ダイオードに順方向電流が流れることにより、第１補助コンデンサと第２補助コンデンサとの電圧にクランプされる。これにより、第２補助スイッチのターンオフ後の高周波振動を抑制できる。従って、従来のスナバ回路が削減でき、損失及びコストを削減でき且つ小型化できる共振型インバータ装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施例１の共振型インバータ装置を示す回路図である。
【図２】実施例１の共振型インバータ装置に設けられた補助回路を示す図である。
【図３】実施例１の共振型インバータ装置の各部の動作波形図である。
【図４】従来のスナバ回路を含んだ共振型インバータ装置を示す回路図である。
【図５】従来のスナバ回路を含まない共振型インバータ装置の動作波形図である。
【図６】図４に示す従来の共振型インバータ装置に設けられた補助回路を示す図である。
【図７】図４に示す従来の共振型インバータ装置の各部の動作波形図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明の共振型インバータ装置の実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。
【実施例１】
【００２６】
図１は本発明の実施例１の共振型インバータ装置を示す回路図である。図１に示す共振型インバータ装置は、図４に示す共振型インバータ装置に対して補助回路２のみが異なり、その他の構成は、図４に示す構成と同一であるので、ここでは、補助回路２の構成を主に説明する。
【００２７】
昇圧回路１とインバータ回路３（インバータ回路）とを接続する正側入力ラインＰ及び負側入力ラインＮ間に補助回路２が接続されている。補助回路２は、補助スイッチＱ１（第１補助スイッチ）、補助スイッチＱ２（第２補助スイッチ）、共振リアクトルＬｒ、補助コンデンサＣａ（第１補助コンデンサ）、補助コンデンサＣｂ（第２補助コンデンサ）、ダイオードＤｓ（第１ダイオード）から構成されている。
【００２８】
正側入力ラインＰと負側入力ラインＮとの間には、ＩＧＢＴからなる補助スイッチＱ１と補助コンデンサＣａと補助コンデンサＣｂとからなる第１直列回路が接続されている。補助スイッチＱ１は正側入力ラインＰと補助コンデンサＣａとを切り離すためのスイッチである。補助コンデンサＣａと補助コンデンサＣｂとは、電解コンデンサからなり、大容量である。
【００２９】
また、正側入力ラインＰと負側入力ラインＮとの間には、ＩＧＢＴからなり且つ共振用スイッチとしての補助スイッチＱ２とダイオードＤｓとからなる第２直列回路が接続されている。補助コンデンサＣａと補助コンデンサＣｂとの接続点と補助スイッチＱ２とダイオードＤｓとの接続点との間には共振リアクトルＬｒが接続されている。補助スイッチＱ１のコレクタ−エミッタ間には並列にダイオードＤａが接続され、補助スイッチＱ２のコレクタ−エミッタ間には並列にダイオードＤｂが接続されている。
【００３０】
インバータ回路３は、正側入力ラインＰと負側入力ラインＮとの間から供給される昇圧回路１により昇圧された直流電圧を交流電圧に変換してフィルタ回路４に出力する。正側入力ラインＰと負側入力ラインＮとの間には、主スイッチＳ１（第１主スイッチ）と主スイッチＳ２（第２主スイッチ）とからなる第３直列回路と、主スイッチＳ３（第３主スイッチ）と主スイッチＳ４（第４主スイッチ）とからなる第４直列回路とが接続されている。
【００３１】
主スイッチＳ１〜Ｓ４のコレクタ−エミッタ間にはそれぞれ並列に共振コンデンサＣ１〜Ｃ４及びダイオードＤ１〜Ｄ４が接続されている。共振コンデンサＣ１〜Ｃ４は、主スイッチＳ１〜Ｓ４の寄生容量でも良く、ダイオードＤ１〜Ｄ４は、主スイッチＳ１〜Ｓ４の寄生ダイオードでも良い。
【００３２】
制御回路１０は、共振コンデンサＣ１〜Ｃ４の電圧を、主スイッチＳ１〜Ｓ４のターンオン時にゼロ電圧になるように補助スイッチＱ１，Ｑ２をオンオフ制御して、主スイッチＳ１〜Ｓ４をゼロ電圧スイッチングさせる。
【００３３】
次にこのように構成された実施例１の共振型インバータ装置の動作を図２に示す補助回路、及び図３に示す動作波形図を参照しながら説明する。なお、図２に示すインバータ回路は、１アーム（主スイッチＳ３，Ｓ４の直列接続）のハーフブリッジ回路であり、各出力電流を電流源Ｉｏで示している。また、図３における動作波形の各部の名称は、図５に示す動作波形の各部の名称と同一であるので、ここでは、それらの説明は省略する。
【００３４】
まず、期間ｔ２において、補助スイッチＱ１がオフ状態で、補助スイッチＱ２がオンすると、共振コンデンサＣ３の電荷が放電し、Ｃ３→Ｑ２→Ｌｒ→Ｃｂ→Ｄ４→Ｃ３の経路で共振リアクトルＬｒに電流Ｉ（Ｌｒ）が流れる。このとき、電流Ｉ（Ｌｒ）は、共振リアクトルＬｒと共振コンデンサＣ３との共振により正弦波状の電流となる。
【００３５】
期間ｔ３において、共振コンデンサＣ３の電荷の放電が完了し、共振コンデンサＣ３の電圧Ｖ（Ｓ３）がゼロ電圧となり、電流Ｉ（Ｌｒ）がゼロとなったときに、主スイッチＳ３をオンさせる。これにより、主スイッチＳ３のゼロ電圧スイッチングを実現できる。
【００３６】
また、Ｃｂ→Ｌｒ→Ｑ２→Ｓ３→Ｃ４→Ｃｂの経路で負の電流Ｉ（Ｌｒ）が流れ始める。電流Ｉ（Ｌｒ）と電流Ｉ（Ｓ３）とは、共振リアクトルＬｒと共振コンデンサＣ４との共振により正弦波状の電流となる。
【００３７】
期間ｔ４において、共振電流により共振コンデンサＣ４が充電されて、Ｖ（Ｓ４）の電圧が上昇していく。期間ｔ４において、補助スイッチＱ２をオフするが、ダイオードＤｂを介して共振電流は流れる。
【００３８】
そして、期間ｔ４の最後で共振が終了した時、即ち、期間ｔ５の開始時に補助スイッチＱ１がターンオンされる。共振リアクトルＬｒの電流Ｉ（Ｌｒ）が上昇してゼロになると、期間ｔ６の開始時に補助スイッチＱ２のダイオードＤｂが逆回復する。逆回復により共振リアクトルＬｒに蓄積されたエネルギーは、Ｌｒ→Ｃｂ→Ｄｓ→Ｌｒの経路で、補助コンデンサＣｂに回生される。この期間、補助スイッチＱ２の電圧Ｖ（Ｑ２）は、補助コンデンサＣａ，Ｃｂの合成された電圧にクランプされる。即ち、昇圧回路１の出力電圧にクランプされる。
【００３９】
共振リアクトルＬｒに蓄積されたエネルギーが補助コンデンサＣｂに回生されることにより、期間ｔ６において、共振リアクトルＬｒの電流Ｉ（Ｌｒ）と補助スイッチＱ２の電圧Ｖ（Ｑ２）との高周波振動を抑制することができる。補助スイッチＱ２のターンオフへの切り替えが期間ｔ６以降にずれ、共振リアクトルＬｒにエネルギーが蓄積される場合でも、上述した動作と同様な動作となる。
【００４０】
このように実施例１の共振型インバータ装置によれば、補助スイッチＱ１がターンオンした後の補助スイッチＱ２の電圧は、ダイオードＤｓに順方向電流が共振リアクトルＬｒ→補助コンデンサＣｂ→ダイオードＤｓ→共振リアクトルＬｒの経路で流れることにより、補助コンデンサＣａと補助コンデンサＣｂとの電圧にクランプされる。これにより、補助スイッチＱ２のターンオフ後の高周波振動を抑制できる。従って、従来のスナバ回路が削減できる。
【００４１】
また、従来のスナバ回路では、補助スイッチＱ１，Ｑ２のそれぞれについて、ダイオード、コンデンサ、抵抗を設けなければならなかったが、実施例１では、ダイオードＤｓのみを追加するのみであるので、損失及びコストを大幅に低減でき、しかも装置を小型化することができる。
【００４２】
なお、本発明は、実施例１の共振型インバータ装置に限定されるものではない。実施例１の共振型インバータ装置では、インバータ回路をＶ結線構成として説明したが、単相ブリッジ構成や３相ブリッジ構成としても同様に適用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明は、直流−交流電力変換装置や系統連系インバータ装置に適用可能である。
【符号の説明】
【００４４】
Ｅ  直流電源
Ｌ１  昇圧リアクトル
Ｑｏ  スイッチ
Ｑ１，Ｑ２  補助スイッチ
Ｓ１〜Ｓ４  主スイッチ  
Ｌｒ  共振リアクトル
Ｄａ，Ｄｂ，Ｄｃ，Ｄｓ，Ｄｏ〜Ｄ４  ダイオード
Ｃａ，Ｃｂ  補助コンデンサ
Ｃｏ〜Ｃ４  共振コンデンサ
Ｃ１１，Ｃ１２  コンデンサ
Ｌｕ，Ｌｗ  リアクトル
１  昇圧回路
２，２ａ  補助回路
３  インバータ回路
４  フィルタ回路
１０，１００  制御回路
【図１】
0005569204.tif 000002
【図２】
0005569204.tif 000003
【図３】
0005569204.tif 000004
【図４】
0005569204.tif 000005
【図５】
0005569204.tif 000006
【図６】
0005569204.tif 000007
【図７】
0005569204.tif 000008