(57)【要約】      （修正有）【課題】直流から交流を生成する電力変換回路において、廉価且つ簡便な回路構成で、しかも応答特性を低下させることなく、スイッチング素子をサージ電圧から保護する。【解決手段】電力変換回路１０はバッテリ１２から得られる直流電源を交流に変換するものであって、正極ライン１２ｐから負極ライン１２ｎに向かって順に直列接続された第１スイッチング素子２２及び第２スイッチング素子２４からなる３組の直列スイッチ部２０ａ、２０ｂ及び２０ｃを有する。各直列スイッチ部２０ａ〜２０ｃは、第１スイッチング素子２２に対して、並列接続され、第１抵抗２６と第１コンデンサ２８からなる第１スナバ回路３０と、第２スイッチング素子２４に対して、並列接続され、第２抵抗３２と第２コンデンサ３４からなる第２スナバ回路３６と、第２スイッチング素子２４のみに並列接続された第３コンデンサ３８とを有する。【選択図】図２
2008118784.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源を交流に変換する電力変換回路において、
前記直流電源に対して、正極側から負極側に向かって順に直列接続された第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子と、
前記第１スイッチング素子に対して、並列接続され、第１抵抗と第１コンデンサからなる第１スナバ回路と、
前記第２スイッチング素子に対して、並列接続され、第２抵抗と第２コンデンサからなる第２スナバ回路と、
前記第２スイッチング素子のみに並列接続された第３コンデンサと、
を有することを特徴とする電力変換回路。
【請求項２】
請求項１記載の電力変換回路において、
前記第２スナバ回路と前記第３コンデンサは異なる周波数減衰特性を有することを特徴とする電力変換回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直流電源を交流に変換する電力変換回路に関し、特に、スイッチング素子をサージから保護をするためのスナバ回路が設けられた電力変換回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、電動カート、電動自動車又はＦＡ分野のモータ制御等では、直流電源を電力変換回路により三相交流に変換してモータを駆動している。電力変換回路は、半導体からなる複数のスイッチング素子を駆動する三相型ＰＷＭインバータを構成しており、高速でスイッチングを行うことにより三相交流を生成している。
【０００３】
三相の電力変換回路ではブリッジ回路が形成されており、直流電源に対して直列接続された一対のスイッチング素子の組が３組設けられている。
【０００４】
電力変換回路には、寄生インダクタンスがあり、スイッチング素子のスイッチング時に寄生インダクタンスに流れる電流が急激に変化することからサージ電圧が発生することがあり、このサージ電圧からスイッチング素子を保護するためにスナバ回路が設けられる。スナバ回路は、例えば、コンデンサと抵抗からなる直列回路をスイッチング素子に対して並列に設けることにより構成される。
【０００５】
また、特許文献１には、抵抗、コンデンサ及び炭化シリコンダイオードからなるスナバ回路が開示されている。この回路では、２つの直列のスイッチング素子に対して２つの抵抗がクロス形状のパターンで接続されている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−３３０４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、サージ電圧が特に大きい場合にはスイッチング素子を保護する対策として、スナバ回路の時定数を大きくしサージを吸収しやすくするか、又は、耐サージ電圧の大きいスイッチング素子を用いることが考えられる。
【０００８】
しかしながら、スナバ回路の時定数を大きくすることは、スイッチング素子におけるスイッチングの応答速度が低下することにつながり、高速スイッチングに不向きとなる。また、耐サージ電圧の大きいスイッチング素子は体積が大きく、電力変換回路が大型化し、しかもスイッチング素子自体が高価である。
【０００９】
前記の特許文献１に記載のスナバ回路では、一般的でない炭化ダイオードが必要であり、コスト及び部品調達上の問題がある。また、２つの抵抗がクロス形状のパターンで接続されていることから、基板におけるランド間をジャンパで接続し、又はスルーホールを介して裏面を経由して接続する必要がある。また、ダイオードは故障時にショートして波及的な故障を招く懸念がある。
【００１０】
本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、廉価且つ簡便な回路構成でスイッチング素子をサージ電圧から保護することのできる電力変換回路を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る電力変換回路は、直流電源を交流に変換する電力変換回路において、前記直流電源に対して、正極側から負極側に向かって順に直列接続された第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子と、前記第１スイッチング素子に対して、並列接続され、第１抵抗と第１コンデンサからなる第１スナバ回路と、前記第２スイッチング素子に対して、並列接続され、第２抵抗と第２コンデンサからなる第２スナバ回路と、前記第２スイッチング素子のみに並列接続された第３コンデンサとを有することを特徴とする。
【００１２】
負極側に接続された第２スイッチング素子には、第１スイッチング素子の切替に伴って逆回復電流が流れ、サージが発生することがあるが、該サージを第３コンデンサによって低減し、第２スイッチング素子を保護することができる。これにより第２スイッチング素子を小型化し、例えば、第１スイッチング素子と同じものを用いることができる。
【００１３】
第２スイッチング素子に付加される第３コンデンサは、簡便且つ廉価である。第３コンデンサは第１スイッチング素子には設ける必要がなく、一層廉価に構成することができる。
【００１４】
この場合、前記第２スナバ回路と前記第３コンデンサは異なる周波数減衰特性を有するように構成してもよい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る電力変換回路によれば、廉価且つ簡便な回路構成で、しかも応答特性を低下させることなく、スイッチング素子をサージ電圧から保護するという効果を達成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本実施の形態に係る電力変換回路１０（図２参照）の説明に先立ち、ブリッジを有する電力変換回路においてスイッチング素子に対して影響を与えうるサージについて説明する。本願発明者の研究によれば、モータを駆動するブリッジ回路では、主に、回路上の寄生インダクタンスに起因して発生する第１のサージと、直列に接続された一対のスイッチング素子で、相手方の動作に起因する逆回復電流による第２のサージの２種類がある。
【００１７】
順方向電流によって蓄積されたＭＯＳＦＥＴの電荷は、キャリア蓄積効果のために、逆電圧の発生後もすぐには消滅せず、短時間の逆方向電流が流れるため、第２のサージが発生する。
【００１８】
すなわち、図１に示すように、直流ラインの間に直列接続されたＭＯＳＦＥＴ５００及び５０２について、正極側のＭＯＳＦＥＴ５００の印加電圧は、常に直流電源が印加されている。一方、負極側のＭＯＳＦＥＴ５０２に対する印加電圧は、ＭＯＳＦＥＴ５００のオン時とオフ時で変化するため、ＭＯＳＦＥＴ５０２にのみＭＯＳＦＥＴ５００の切り換え時に逆回復電流Ｉａが流れ、第２のサージが発生すると考えられる。
【００１９】
次に、本発明に係る電力変換回路について実施の形態を挙げ、添付の図２〜図４Ｂを参照しながら説明する。本実施の形態に係る電力変換回路１０は、例えば、電動カート、電動自動車又はＦＡ分野のモータ制御等に用いられる。
【００２０】
図２に示すように、本実施の形態に係る電力変換回路１０は、バッテリ１２から得られる直流電源を三相交流に変換して、モータ１４を駆動するインバータ回路であって、入力段に設けられた平滑コンデンサ１６と、ブリッジ回路１８と、図示しないゲートドライバ回路とを有する。ブリッジ回路１８は、３組の直列スイッチ部２０ａ、２０ｂ及び２０ｃを有する。バッテリ１２の正極は、正極ライン１２ｐに接続されており、負極は負極ライン１２ｎに接続されている。各直列スイッチ部２０ａ〜２０ｃは、説明の便宜上、所定の部分を区画したものである。
【００２１】
直列スイッチ部２０ａは、正極ライン１２ｐから負極ライン１２ｎに向かって順に直列接続された第１スイッチング素子２２及び第２スイッチング素子２４と、第１スイッチング素子２２に対して、並列接続され、第１抵抗２６と第１コンデンサ２８からなる第１スナバ回路３０と、第２スイッチング素子２４に対して、並列接続され、第２抵抗３２と第２コンデンサ３４からなる第２スナバ回路３６とを有する。第１スイッチング素子２２及び第２スイッチング素子２４は半導体素子であり、例えばＭＯＳＦＥＴを用いることができる。第１スイッチング素子２２及び第２スイッチング素子２４としては、これ以外にもＩＧＢＴ又はサイリスタ等が挙げられる。
【００２２】
直列スイッチ部２０ａは、さらに、第２スイッチング素子２４のみに並列接続された第３コンデンサ３８を有する。第１スナバ回路３０と第２スナバ回路３６は同じ構成である。
【００２３】
第３コンデンサ３８は、時定数が数ｎｓｅｃの高周波型で、且つ温度特性のよいものが好ましい。また、第３コンデンサ３８は、一般的なものを用いることができ、電力変換回路１０において他の部分（例えば、ゲート駆動回路）で用いられているものと同仕様のものを選ぶとよい。これにより、コストが低減するとともに、部品調達及び部品管理が容易となり、しかも部品種類が少なくなることからチップマウントの工数が低減する。第３コンデンサ３８としては、例えばセラミックコンデンサが用いられる。
【００２４】
第１スイッチング素子２２には、第３コンデンサ３８に相当するコンデンサは設けられていない。第１スイッチング素子２２のドレインは正極ライン１２ｐに接続され、ソースは第２スイッチング素子２４のドレインに接続されている。第２スイッチング素子２４のソースは負極ライン１２ｎに接続されている。
【００２５】
第１スイッチング素子２２及び第２スイッチング素子２４には、ソースからドレイン方向を順方向とする寄生ダイオード４０及び４２が形成されている。第１スイッチング素子２２及び第２スイッチング素子２４のゲートは、それぞれ図示しないゲート回路に接続されており、ＰＷＭ駆動される。直列スイッチ部２０ａでは、基本的には、一方のスイッチング素子がオンであるときには、他方のスイッチング素子はオフとなるように制御される。直列スイッチ部２０ｂ及び２０ｃは、直列スイッチ部２０ａと同じ構成である。
【００２６】
直列スイッチ部２０ａにおける第１スイッチング素子２２と第２スイッチング素子２４との接続線は、分岐点４４ａからモータ１４のＵ相ラインに接続されている。直列スイッチ部２０ｂにおける第１スイッチング素子２２と第２スイッチング素子２４との接続線は、分岐点４４ｂからモータ１４のＶ相ラインに接続されている。直列スイッチ部２０ｃにおける第１スイッチング素子２２と第２スイッチング素子２４との接続線は、分岐点４４ｃからモータ１４のＷ相ラインに接続されている。モータ１４は、例えばＤＣブラシレス型である。
【００２７】
電力変換回路１０には、回路図上にはないが、実際のプリントパターン等の形状、配置によって生じる寄生インダクタンス４６が存在する。
【００２８】
図３に示すように、第１スナバ回路３０及び第２スナバ回路３６の周波数特性５０は、第１の周波数Ｆａにおいて尖鋭的に最も大きい減衰率を示し、第３コンデンサ３８の周波数特性５２は、第２の周波数Ｆｂにおいて先鋭的に最も大きい減衰率を示す。第１の周波数Ｆａと第２の周波数Ｆｂは異なる周波数である。具体的には、第１の周波数Ｆａは寄生インダクタンス４６に基づいて発生する第１の種類のサージの周波数に合うように設定されており、第２の周波数Ｆｂは逆回復電流に基づいて発生する第２の種類のサージの周波数に合うように設定されている。
【００２９】
仮に、これらの第１及び第２の種類のサージを１つの減衰手段で対応させようとする場合には、周波数特性５０及び５２を包含する仮の周波数特性５４で示すような減衰特性の手段が必要となる。図３から明らかなように、このような周波数特性５４は過度に大きい減衰特性となってしまい、しかもハッチングで示す部分の特性はあまり効果がない。
【００３０】
周波数特性５４で示すような減衰手段を設けると、第１及び第２の種類のサージの双方を吸収することができるが、一方、過度に大きい減衰特性のため、第１スイッチング素子２２及び第２スイッチング素子２４の応答速度が遅くなり、高速スイッチングに不向きとなり、制御性能が低下することになる。
【００３１】
また、第３コンデンサ３８として温度特性のよいものを用いることにより、温度が変化しても周波数特性５２が左右に移動することがなく、周波数Ｆｂの成分を多く含む第２の種類のサージを効果的に吸収することができる。
【００３２】
次に、このように構成される電力変換回路１０を用いてモータ１４を駆動する作用について説明する。以下、直列スイッチ部２０ａにおける第１スイッチング素子２２及び第２スイッチング素子２４をスイッチＱ１及びＱ４と呼び、直列スイッチ部２０ｂにおける第１スイッチング素子２２及び第２スイッチング素子２４をスイッチＱ２及びＱ５と呼ぶ。また、直列スイッチ部２０ｃにおける第１スイッチング素子２２及び第２スイッチング素子２４をスイッチＱ３及びＱ６と呼ぶ。
【００３３】
モータ１４を駆動する際、Ｕ相からＷ相に向かって電流を流す場合には、スイッチＱ１及びスイッチＱ６をオンにする。これにより、正極ライン１２ｐから、スイッチＱ１、分岐点４４ａ、Ｕ相ライン、Ｗ相ライン、分岐点４４ｃ及びスイッチＱ６を経由して負極ライン１２ｎに電流が流れる。Ｗ相からＶ相に向かって電流を流す場合には、スイッチＱ３及びスイッチＱ５をオンにする。これにより、正極ライン１２ｐから、スイッチＱ３、分岐点４４ｃ、Ｗ相ライン、Ｖ相ライン、分岐点４４ｂ及びスイッチＱ５を経由して負極ライン１２ｎに電流が流れる。また、Ｖ相からＵ相に向かって電流を流す場合には、スイッチＱ２及びスイッチＱ４をオンにする。これにより、正極ライン１２ｐから、スイッチＱ２、分岐点４４ｂ、Ｖ相ライン、Ｕ相ライン、分岐点４４ａ及びスイッチＱ４を経由して負極ライン１２ｎに電流が流れる。このような電流の流れをゲートをＰＷＭ駆動して逐次変化させることにより、回転磁界を発生させ、モータ１４を所望の速度で回転させることができる。
【００３４】
ところで、前記の通り、電力変換回路１０には２種類のサージが発生し得る。先ず、第１の種類のサージとしては、寄生インダクタンス４６に起因して発生するものがある。第１の種類のサージは、第１スイッチング素子２２では第１スナバ回路３０により吸収され、第２スイッチング素子２４では、主に第２スナバ回路３６によって吸収され、それぞれ耐電圧以内のサージとなるように減衰される。
【００３５】
第２の種類のサージとしては、逆回復電流によって発生するものがあり、第２スイッチング素子２４に対して影響を及ぼし得る。しかしながら、電力変換回路１０では該サージは第３コンデンサ３８によって吸収されるため、第２スイッチング素子２４に対して耐電圧以内のサージとなるように減衰される。また、不測の事態により、第３コンデンサ３８が故障した場合であっても、該第３コンデンサ３８がセラミックコンデンサであると、故障時にオープンとなることから、故障が他の部分に波及することがなく、該セラミックコンデンサを単体で交換すればよい。
【００３６】
図４Ａに第３コンデンサ３８がない場合、図４Ｂに第３コンデンサ３８がある場合の比較波形を示す。太線６０ａ及び６０ｂは、スイッチＱ１のゲート信号の波形であり、実線６２ａ及び６２ｂはスイッチＱ４のドレインからソース間の電圧であり、破線６４ａ及び６４ｂはスイッチＱ１のドレインからソース間の電圧である。ここで、破線６４ａは、図１の回路と対応させると測定箇所Ｐ１と測定箇所Ｐ２の間で計測した電圧に相当し、実線６２ａは、測定箇所Ｐ２と測定箇所Ｐ３の間で計測した電圧に相当する。
【００３７】
比較のために、第３コンデンサ３８のある場合及びない場合で、ゲート信号の立ち上がりを同じに設定し、等しいスイッチング時間ｔとしている。図４Ａでは、スイッチＱ４の電圧波形６２ａが立ち上がりの初期の矢印で示す箇所で急な傾斜と比較的大きなオーバシュートを示している。これに対して、図４Ｂでは、対応する電圧波形６２ｂの立ち上がり初期の矢印で示す箇所でオーバシュートはほとんどなく、しかも傾斜が緩やかとなっている。
【００３８】
図４Ａでは、電圧波形６２ａの矢印の箇所で傾斜（つまりｄｖ／ｄｔ）が急であることから、逆回復電流Ｉａにより大きなサージが発生しており、図４Ｂでは電圧波形６２ｂの傾斜に急な箇所がなく、過度に大きいサージは発生しないことが了解される。
【００３９】
ここで、逆回復電流Ｉａによりｄｖ／ｄｔが大きくなると、実線６２ａの値が大きくなり、それに連動して破線６４ａが小さく変動している。
【００４０】
上述したように、本実施の形態に係る電力変換回路１０によれば、各直列スイッチ部２０ａ〜２０ｃの第２スイッチング素子２４にそれぞれ第３コンデンサ３８が設けることにより、該第２スイッチング素子２４をサージ電圧から保護することができる。
【００４１】
また、このような効果は、汎用で小型の第３コンデンサ３８を並列付加するだけで得られ、廉価且つ簡便に構成可能である。
【００４２】
第３コンデンサ３８は、第２の種類のサージに対応した小型の減衰手段であり、第１の種類のサージは第２スナバ回路３６により吸収される。つまり、減衰させるサージの種類を周波数毎に第３コンデンサ３８と第２スナバ回路３６で分担しており、過度に大きい減衰手段が不要である。第３コンデンサ３８と第２スナバ回路３６は、合算しても過度に大きい減衰手段にはならず、第２スイッチング素子２４の応答速度を低下させることがない。
【００４３】
また、第３コンデンサ３８によって第２の種類のサージが効果的に吸収されることから、第２スイッチング素子２４には、耐電圧が比較的低いものを用いることができ、小型化及び低廉化が可能である。さらに、第１スイッチング素子２２と第２スイッチング素子２４とを同仕様とすることができ、部品調達、部品管理及びチップマウントの際の工数や手間が簡便化される。
【００４４】
第３コンデンサ３８は、第２の種類のサージに対応して設けるものであることから、第２スイッチング素子２４に付加すればよく、第１スイッチング素子２２には付加しなくてよい。
【００４５】
電力変換回路１０では、クロス形状のパターンとなる箇所がないことから、基板におけるランド間をジャンパで接続したり、又はスルーホールを介して裏面を経由して接続する必要がなく、簡便且つ廉価に構成可能である。
【００４６】
本発明に係る電力変換回路は、上述の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】直列接続されたスイッチング素子の回路図である。
【図２】本実施の形態に係る電力変換回路を示す回路図である。
【図３】スナバ回路及び付加されたコンデンサの周波数減衰特性を示すグラフである。
【図４】図４Ａは、コンデンサの付加されていないスナバ回路での電圧波形のタイムチャートであり、図４Ｂは、コンデンサが付加されているスナバ回路での電圧波形のタイムチャートである。
【符号の説明】
【００４８】
１０…電力変換回路                    １２…バッテリ
１４…モータ                          １８…ブリッジ回路
２０ａ〜２０ｃ…直列スイッチ部        ２２…第１スイッチング素子
２４…第２スイッチング素子            ２６、３２…抵抗
２８…第１コンデンサ                  ３０、３６…スナバ回路
３４…第２コンデンサ                  ３８…第３コンデンサ
４０、４２…寄生ダイオード            ４６…寄生インダクタンス
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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