(57)【要約】【課題】整流回路の出力にチョッパ回路を接続してスイッチング素子をソフトスイッチングさせる構成の従来回路では、使用するトランスの二次巻線とダイオードを直列接続して直流出力にソフトスイッチング用コンデンサの電荷を回生させているが、使用するダイオードとして高耐圧品が必要で、装置が高価で、損失も増加してしまう。【解決手段】上記課題を解決するための第一の手段として、Ｎ相（Ｎは２以上の自然数）の交流電源を入力とするＮ相のダイオードブリッジ回路の直流出力端子間にリアクトルとスイッチング素子との直列回路を、スイッチング素子と並列にダイオードと両端が直流出力となるコンデンサとの直列回路を、該コンデンサと並列に負荷を、各々接続した整流装置において、前記スイッチング素子と並列に、コンデンサと、ダイオード、変圧器の一次巻線およびスイッチング素子からなる直列回路とを接続し、さらに整流装置の直流出力端子間にダイオードと前記変圧器の二次巻線との直列回路を、前記変圧器一次巻線と並列に電圧クランプ手段を接続する。【選択図】　図１
2004147475.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｎ相（Ｎは２以上の自然数）の交流電源を入力とするＮ相のダイオードブリッジ回路の直流出力端子間にリアクトルとスイッチング素子との直列回路を、スイッチング素子と並列にダイオードと両端が直流出力となるコンデンサとの直列回路を、該コンデンサと並列に負荷を、各々接続した整流装置において、
前記スイッチング素子と並列に、コンデンサと、ダイオード、変圧器の一次巻線およびスイッチング素子からなる直列回路とを接続し、さらに整流装置の直流出力端子間にダイオードと前記変圧器の二次巻線との直列回路を、前記変圧器一次巻線と並列に電圧クランプ手段を接続したことを特徴とする整流装置。
【請求項２】
ダイオードとスイッチング素子との直列回路をＮ（Ｎは２以上の自然数）個並列接続し、前記ダイオードとスイッチング素子の直列回路の内部接続点とＮ相の交流電源との間にリアクトルを、前記ダイオードとスイッチング素子との直列回路の並列接続点間に両端が直流出力となるコンデンサを、該コンデンサと並列に負荷を、各々接続した整流装置において、
前記Ｎ個のダイオードとコンデンサを並列接続したスイッチング素子との直列回路におけるダイオードとスイッチング素子の内部接続点のそれぞれにダイオードのアノード端子を接続し、前記それぞれのダイオードのカソードを一括接続し、前記ダイオードのカソード端子と直流出力端子の一方との間に変圧器の一次巻線とスイッチング素子との直列回路を、整流装置の直流出力端子間にダイオードと前記変圧器の二次巻線との直列回路を、前記変圧器の一次巻線と並列に電圧クランプ手段を、各々接続したことを特徴とする整流装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はスイッチング素子とダイオードを用いて交流電源から直流を作り出す、いわゆるＰＷＭ整流回路に関し、特に整流回路に適用するソフトスイッチング回路技術に関する。
【０００２】
【従来技術】
図３に従来技術に基づく実施例を示す。ただし、ここでは単相交流電源における実施例を示す。図３に示す従来例は、Ｐｏｗｅｒ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｓｐｅｃｉａｌｉｓｔｓ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　１９９９“ＩＭＰＲＯＶＩＮＧ　ＴＨＥ　ＯＰＥＲＡＴＩＯＮ　ＯＦ　ＺＶＴ　ＤＣ−ＤＣ　ＣＯＮＶＥＲＴＥＲＳ”Ｐａｕｌｏ　Ｊ．Ｍ．Ｍｅｎｅｇａｚらによる著の第２９３〜２９７ページに開示されている。“ＩＭＰＲＯＶＩＮＧ　ＴＨＥ　ＯＰＥＲＡＴＩＯＮ　ＯＦ　ＺＶＴ　ＤＣ−ＤＣ　ＣＯＮＶＥＲＴＥＲＳ”Ｆｉｇ．２では、ダイオードＤｓｘとコンデンサＣｓｘとでスナバ回路が構成されているが、本発明の主要動作および効果には関係ないため、図３では省略している。
【０００３】
図３（ａ）に示す回路構成はダイオード２〜５で構成されるダイオードブリッジ回路、リアクトル２１、ダイオード６およびスイッチング素子１５で構成されるチョッパ回路で整流回路が構成されている。ここで、スイッチング素子１５をオンさせることによって、交流電源はダイオードブリッジ回路とリアクトル２１を介して短絡され、リアクトル２１にはエネルギーが蓄えられるとともに交流入力電流は増加する。
次に、スイッチング素子１５をオフすることによって、リアクトル２１に蓄えられたエネルギーはダイオード６を通して直流出力となるコンデンサ３３と負荷３３に供給される。このように、スイッチング素子１５のオンオフ制御によって入力電流を制御することができ、入力電流の高調波を低減させるとともに交流電圧を直流電圧に変換することができる。
【０００４】
また、コンデンサ３１、ダイオード７、１０、１１、変圧器２２およびスイッチング素子１７はチョッパ回路のソフトスイッチング回路を構成している。図３（ｂ）は従来技術の動作波形例を示している。ここで、スイッチング素子１７をオンさせることによって、期間ｔ１ではリアクトル２１→ダイオード６→コンデンサ３３→ダイオードブリッジ回路４０→交流電源１→リアクトル２１の経路で流れていた電流が、変圧器２２の漏れインダクタンスの影響により、リアクトル２１→ダイオード７→変圧器２２の一次巻線２２ａ→スイッチング素子１７→ダイオードブリッジ回路４０→交流電源１→リアクトル２１の経路に徐々に転流する。この時、スイッチング素子１７に流れる電流は零から徐々に増加するのでスイッチング素子１７のターンオン時のソフトスイッチングが成立する。次に、スイッチング素子１７に流れる電流がリアクトル２１に流れる電流値と等しくなると期間ｔ２が始まり、ダイオード６がオフする。この時、ダイオード６の電流は徐々に零となるので、逆回復時のサージ電圧や逆回復損失が低減される。
同時に、コンデンサ３１（スイッチング素子１５の寄生容量でもよい）に蓄えられている電荷がコンデンサ３１→ダイオード７→変圧器２２の一次巻線２２ａ→スイッチング素子１７→コンデンサ３１の経路で放電し、コンデンサ３１に蓄えられていた電荷は変圧器２２の二次巻線２２ｂとダイオード１０を介して出力側へ回生される。さらに、期間ｔ３においてスイッチング素子１５の電圧が零になった後スイッチング素子１５をオンすると、スイッチング素子１５には変圧器２２の一次巻線２２ａに流れる電流とリアクトル２１に流れる電流の差分の電流が流れるので、スイッチング素子１５に流れる電流は寄生ダイオード１２が電流を流す零以下の電流値から徐々に上昇する。従って、スイッチング素子１５はターンオン時のソフトスイッチングが成立する。
リアクトル２１→ダイオード７→変圧器２２の一次巻線２２ａ→スイッチング素子１７→ダイオードブリッジ回路４０→交流電源１→リアクトル２１の経路で流れていた電流はリアクトル２１→スイッチング素子１５→ダイオードブリッジ回路４０→交流電源１→リアクトル２１の経路に徐々に転流するとともに、変圧器２２の漏れインダクタンスに蓄えられているエネルギーは変圧器２２の二次巻線２２ｂとダイオード１０を介して出力側に供給され、スイッチング素子１７に流れる電流は徐々に低下して零になる。スイッチング素子１７は電流が零になってからオフするので、ターンオフ時のソフトスイッチングが成立する。
一方、スイッチング素子１５がオフする時にはコンデンサ３１に電流が流れることによって、徐々にスイッチング素子１５の電圧が上昇するので、ターンオフ損失は低減される。このように、スイッチング素子１５と１７のソフトスイッチングが成立し、損失やノイズを低減させることができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術において、スイッチング素子１７がオフすると期間ｔ４において、変圧器２２の一次巻線２２ａ→ダイオード１１→コンデンサ３３→スイッチング素子１５の寄生ダイオード１２→ダイオード７→変圧器２２の一次巻線２２ａの経路で変圧器２２の一次巻線２２ａは直流出力電圧（コンデンサ３３の電圧）でクランプされるリセット電圧が発生する。ここで、コンデンサ３１に蓄えられている電荷を全て直流出力側に回生するためには変圧器２２の巻数比は２以上である必要がある。
【０００６】
従って、変圧器２２の二次巻線２２ｂには直流出力電圧の巻数比倍の電圧が発生し、ダイオード１０には高電圧が印加されてしまう。ダイオード１０を破損させることなく安全に動作させるためには高耐圧のダイオードが必要であり、装置が高価になり、損失も増加してしまう。そこで、本発明では低耐圧のダイオードを使用することができ、装置の低コスト化、低損失化を実現することを目的にしている。
【０００７】
【発明を解決するための手段】
上記課題を解決するための第一の手段として、Ｎ相（Ｎは２以上の自然数）の交流電源を入力とするＮ相のダイオードブリッジ回路の直流出力端子間にリアクトルとスイッチング素子との直列回路を、スイッチング素子と並列にダイオードと両端が直流出力となるコンデンサとの直列回路を、該コンデンサと並列に負荷を、各々接続した整流装置において、前記スイッチング素子と並列に、コンデンサと、ダイオード、変圧器の一次巻線およびスイッチング素子からなる直列回路とを接続し、さらに整流装置の直流出力端子間にダイオードと前記変圧器の二次巻線との直列回路を、前記変圧器一次巻線と並列に電圧クランプ手段を接続する。
【０００８】
また、第二の手段として、ダイオードとスイッチング素子との直列回路をＮ（Ｎは２以上の自然数）個並列接続し、前記ダイオードとスイッチング素子の直列回路の内部接続点とＮ相の交流電源との間にリアクトルを、前記ダイオードとスイッチング素子との直列回路の並列接続点間に両端が直流出力となるコンデンサを、該コンデンサと並列に負荷を、各々接続した整流装置において、前記Ｎ個のダイオードとコンデンサを並列接続したスイッチング素子との直列回路におけるダイオードとスイッチング素子の内部接続点のそれぞれにダイオードのアノード端子を接続し、前記それぞれのダイオードのカソードを一括接続し、前記ダイオードのカソード端子と直流出力端子の一方との間に変圧器の一次巻線とスイッチング素子との直列回路を、整流装置の直流出力端子間にダイオードと前記変圧器の二次巻線との直列回路を、前記変圧器の一次巻線と並列に電圧クランプ手段を、各々接続する。
【０００９】
【実施例】
図１に請求項１に基づく実施例を示す。ただし、ここでは単相交流電源における実施例を示す。図１（ａ）に示す回路構成は従来技術と同様に、ダイオード２〜５で構成されるダイオードブリッジ回路４０と、リアクトル２１、ダイオード６およびスイッチング素子１５で構成されるチョッパ回路で整流回路が構成され、ダイオード７、９、１０、スイッチング素子１７、変圧器２２、電圧クランプ素子３０でソフトスイッチング回路が構成されている。本発明では期間ｔ１〜ｔ３までは従来技術と同様な動作をし、スイッチング素子１５、１７およびダイオード６のソフトスイッチングが成立する。
期間ｔ４では変圧器２２の一次巻線２２ａ→電圧クランプ素子３０→ダイオード９→変圧器２２の一次巻線２２ａの経路で変圧器２２の一次巻線２２ａに電圧クランプ素子３０によってクランプされる電圧と等しいリセット電圧が発生する。変圧器２２の二次巻線２２ｂには一次巻線の巻数比倍の電圧が発生し、ダイオード１０には直流出力電圧と変圧器２２の二次巻線電圧の和が印加される。ここで、電圧クランプ素子３０のクランプ電圧を低く設定することによって、ダイオード１０に印加される電圧を低減することができる。
よって、ダイオード１０には低耐圧のダイオードを使用することができ、装置の低コスト化、低損失化が可能となる。ただし、電圧クランプ素子３０のクランプ電圧を低く設定してもリセット期間は十分長いので、変圧器２２は十分リセットすることができ、磁気飽和することはない。
【００１０】
図２に請求項２に基づく実施例を示す。ただし、ここでは単相交流電源における実施例を示す。図２（ａ）に示す回路構成は、リアクトル２１、ダイオード２〜５、スイッチング素子１５および１６で整流回路が構成される。整流回路は、ダイオード２〜５で構成されたダイオードブリッジ回路のダイオード３には並列にスイッチング素子１５とコンデンサ３１が、ダイオード５には並列にスイッチング素子１６とコンデンサ３２が、ダイオード２と３との直列接続点とダイオード４と５との直列接続点との間にはリアクトル２１を介して交流電源１が、ダイオードブリッジ回路の直流端子間にはコンデンサ３３と負荷３４が、各々接続された構成である。ここで、ダイオード３はスイッチング素子１５の寄生ダイオードで、ダイオオード５はスイッチング素子１６の寄生ダイオードで代用することもできる。
【００１１】
また、ダイオード７〜１０、スイッチング素子１７、変圧器２２、電圧クランプ素子３０でソフトスイッチング回路が構成されている。ソフトスイッチング回路の構成は、ダイオード８のアノードをダイオード２と３の直列接続点に、ダイオード７のアノードをダイオード４と５の直列接続点に、ダイオード７と８のカソードを変圧器２２の一次巻線２２ａの一方の端子に、変圧器の他方の端子をダイオード１３を並列接続したスイッチング素子１７のドレイン端子に、スイッチング素子１７のソース端子を直流出力負極端子に、ダイオード９と電圧クランプ素子３０の直列回路を変圧器２２の一次巻線２２ａと並列に、ダイオード１０と変圧器２２の二次巻線直列回路を直流出力であるコンデンサ３３と並列に、各々接続した構成である。ダイオオード１３はスイッチング素子１７の寄生ダイオードで代用することもできる。
【００１２】
以下に動作を説明する。交流電源電圧が正の場合、スイッチング素子１５をオンすることにより、交流電源１→リアクトル２１→スイッチング素子１５→ダイオード５→交流電源１の経路で交流入力電流が増加し、リアクトル２１にエネルギーが蓄えられる。次に、スイッチング素子１５がオフすると、リアクトル２１→ダイオード２→コンデンサ３３→ダイオード５→交流電源１→リアクトル２１の経路でリアクトル２１のエネルギーが直流出力側に供給される。従って、交流電源電圧が正のときにはスイッチング素子１５をオンオフ制御することにより、入力電流を高力率に制御しつつ、直流電圧に変換することができる。交流電源電圧が負の場合は同様にスイッチング素子１６をオンオフさせることにより、入力電流を高力率に制御しつつ、直流電圧に変換することができる。
【００１３】
ここで、請求項２では、請求項１におけるダイオード７の代わりにダイオード７と８が接続され、交流電源電圧が正の時にはダイオード８が、交流電源電圧が負の時にはダイオード７が、請求項１におけるダイオード７の役割を果たす。交流電源電圧が正の時にはスイッチング素子１５がオン・オフするので、コンデンサ３１に蓄えられる電荷が請求項１と同様な動作で直流出力側に回生される。ただし、交流電源電圧が正の時にはダイオード５に常に電流が流れているので、コンデンサ３２には電荷が蓄えられない。
交流電源電圧が負の時には同様にコンデンサ３２に蓄えられる電荷が請求項１と同様に負荷側へ回生される。従って、請求項２における整流回路においても請求項１と同様な動作となり、スイッチング素子１５、１６、１７およびダイオード２、４にはソフトスイッチング動作が成立する。
【００１４】
さらに、請求項１と同様にダイオード１０には直流出力電圧と変圧器２２の二次巻線電圧の和が印加されるので、電圧クランプ素子３０のクランプ電圧を低く設定することによって、ダイオード１０に印加される電圧を低減することができる。ただし、電圧クランプ素子３０のクランプ電圧を低く設定してもリセット期間は十分長いので、変圧器２２は十分リセットすることができ、磁気飽和することはない。従って、ダイオード１０には低耐圧のダイオードを使用することができ、装置の低コスト化、低損失化が可能となる。
【００１５】
【発明の効果】
本発明によれば、スイッチング動作によって交流電圧を直流電圧に変換する整流回路において、ソフトスイッチングを成立させるとともにダイオードに印加される電圧を低減することができ、装置の効率化、低コスト化および低ノイズ化が可能である。ここでは、単相交流電源における例を示したが、三相交流電源においても同様の効果があることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】請求項１に基づく本発明の実施例を示す。
【図２】請求項２に基づく本発明の実施例を示す。
【図３】従来技術に基づく実施例を示す。
【符号の説明】
１………………………………………交流電源
２〜１３…………………………………ダイオード
１５〜１７……………………………スイッチング素子
２１……………………………………リアクトル
２２……………………………………変圧器
２２ａ・・・・変圧器一次巻線、　２２ｂ・・・・変圧器二次巻線
３０……………………………………電圧クランプ素子
３１、３２……………………………コンデンサまたは寄生容量
３３・・・・コンデンサ
３４・・・・負荷
４０・・・・ダイオードブリッジ回路
ｔ１〜ｔ４………………………………期間
【図１】
2004147475.tif 000003
【図２】
2004147475.tif 000004
【図３】
2004147475.tif 000005