(57)【要約】【課題】スイッチング素子の動作によって発生するサージ電圧を吸収するスナバ回路において、大電流容量が必要なスナバ回路においても性能を落とさず、スナバダイオードを並列に接続した場合に、並列に接続された複数の各スナバダイオードの電流分担を均等にすることにより、個々のダイオードの電流容量を必要最小限に小さくする方法を提供するものである。【解決手段】スナバダイオードとスナバコンデンサとを直列接続した回路を複数個並列接続した回路をスイッチング素子と並列に接続し、該それぞれのスナバダイオードとスナバコンデンサとの接続点からそれぞれダイオードもしくはインピーダンス素子を接続し、該それぞれのダイオードもしくはインピーダンス素子の他端を共通のスナバ抵抗器に接続する。【選択図】図１
2007312467.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流母線間にスイッチング素子を直列に接続し、該スイッチング素子が直列接続される点を交流端子とし、スナバダイオードとスナバコンデンサとを直列接続した回路を複数個並列に接続した回路を前記各スイッチング素子と並列に接続した電力変換装置において、
前記それぞれのスナバダイオードとスナバコンデンサとの接続点からそれぞれダイオードを接続し、該それぞれのダイオードの他端を共通のスナバ抵抗器に接続したことを特徴とするスナバ回路。
【請求項２】
直流母線間にスイッチング素子を直列に接続し、該スイッチング素子が直列接続される点を交流端子とし、スナバダイオードとスナバコンデンサとを直列接続した回路を複数個並列に接続した回路を前記各スイッチング素子と並列に接続した電力変換装置において、
前記それぞれのスナバダイオードとスナバコンデンサとの接続点からそれぞれインピーダンス素子を接続し、該それぞれのインピーダンス素子の他端を共通のスナバ抵抗器に接続したことを特徴とするスナバ回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体電力変換装置に関わるものであり、スイッチング素子のスイッチング動作時に発生するサージ電圧からスイッチング素子を保護するために用いられるスナバ回路に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
直流母線間にスイッチング素子を直列に接続し、該スイッチング素子が直列接続される点を交流端子とする電力変換装置においては、前記スイッチング素子が動作し電流が急変した場合に、配線インダクタンスによるｄｉ／ｄｔによって瞬間的に大きなサージ電圧が前記スイッチング素子の両端に発生し、前記スイッチング素子を破損してしまう恐れがある。このサージ電圧を吸収し前記スイッチング素子を保護するために、通常スイッチング素子の両端にはスナバ回路が付加される。
【０００３】
図２は通常使用されるスナバ回路の例であり、図２を使用してスナバ回路の動作を説明する。なお、図２はスイッチング素子としてＩＧＢＴを使用した例である。
直流電圧源１から接続される直流母線正側１１と直流母線負側１２との間にスイッチング素子２１とスイッチング素子２２が直列に接続され、該直流母線正側１１と該スイッチング素子２１との間には配線インダクタンス７１が、該スイッチング素子２２と該直流母線負側１２との間には配線インダクタンス７２が存在する。前記スイッチング素子２１と前記スイッチング素子２２が接続されている点である交流端子６１から負荷６２が接続されている。
【０００４】
前記スイッチング素子２１がターンオフし、前記配線インダクタンス７１の電流が阻止され急激に減少する時、前記配線インダクタンス７１のｄｉ／ｄｔにより前記スイッチング素子２１に大きなサージ電圧が加わる。
同様に、前記スイッチング素子２２がターンオフし、前記配線インダクタンス７２の電流が阻止され急激に減少する時、前記配線インダクタンス７２のｄｉ／ｄｔにより前記スイッチング素子２２に大きなサージ電圧が加わる。
【０００５】
前記スイッチング素子２１に発生するサージ電圧を吸収するために、前記スイッチング素子２１の前記直流母線正側１１に接続されている端子にスナバコンデンサ３１１を接続し、該スナバコンデンサ３１１の他端とスナバダイオード４１１のアノード側とを接続し、該スナバダイオード４１１のカソード側と前記スイッチング素子２１の前記交流端子側の端子とを接続し、前記スナバコンデンサ３１１と前記スナバダイオード４１１との接続点からスナバ抵抗器５１を接続し、該スナバ抵抗器５１の他端を前記直流母線負側１２に接続する。
【０００６】
これにより、前記スイッチング素子２１がターンオフした場合には、前記配線インダクタンス７１を流れる電流は、前記配線インダクタンス７１→前記スナバコンデンサ３１１→前記スナバダイオード４１１の経路で前記スナバコンデンサ３１１を充電しながら緩やかに減少するので、前記スイッチング素子２１に加わるサージ電圧を低減することができる。前記スナバコンデンサ３１１に充電された電荷は、前記直流母線負側１２→前記スナバ抵抗器５１→前記スナバコンデンサ３１１→前記配線インダクタンス７１→前記直流母線正側１１の経路で、前記スナバコンデンサ３１１の定数と前記スナバ抵抗器５１の定数で決定される時定数で前記直流電圧源１の電圧まで放電される。
【０００７】
同様に前記スイッチング素子２２に発生するサージ電圧を吸収するために、前記スイッチング素子２２の前記直流母線負側１２に接続されている端子にスナバコンデンサ３２１を接続し、該スナバコンデンサ３２１の他端とスナバダイオード４２１のカソード側とを接続し、該スナバダイオード４２１のアノード側と前記スイッチング素子２２の前記交流端子側の端子とを接続し、前記スナバコンデンサ３２１と前記スナバダイオード４２１の接続点からスナバ抵抗器５２を接続し、該スナバ抵抗器５２の他端を前記直流母線正側１１に接続する。
【０００８】
これにより、前記スイッチング素子２２がターンオフした場合には、前記配線インダクタンス７２を流れる電流は、前記スナバダイオード４２１→前記スナバコンデンサ３２１→前記配線インダクタンス７２の経路で前記スナバコンデンサ３２１を充電しながら緩やかに減少するので、前記スイッチング素子２２に加わるサージ電圧を低減することができる。前記スナバコンデンサ３２１に充電された電荷は、前記直流母線負側１２→前記配線インダクタンス７２→前記スナバコンデンサ３２１→前記スナバ抵抗器５２→前記直流母線正側１１の経路で、前記スナバコンデンサ３２１の定数と前記スナバ抵抗器５２の定数で決定される時定数で前記直流電圧源１の電圧まで放電される。
【０００９】
以上のように、スナバコンデンサ、スナバダイオード、スナバ抵抗器からなるスナバ回路によりスイッチング素子に加わるサージ電圧を低減することができるが、大電流の電力変換装置の場合、スナバ回路に流れる電流も大きくなるため、スナバ回路に使用するスナバコンデンサ、スナバダイオードは大電流に対応したものが必要となる。
【００１０】
ダイオードの場合、電流容量の大きなものはスナバ回路に必要な特性を得ることが困難となる。スナバ回路に使用するダイオードは逆回復時間が短いことが重要であるが、ダイオードは電流容量が大きくなると急激に逆回復時間も大きくなってしまう。従って逆回復時間を小さくするためには、小電流容量のダイオードを複数個並列に接続し使用する方法がとられる。
特開平６−３３５２３２号公報に、スナバコンデンサとスナバダイオードの直列回路の組を並列に複数個接続し、各スナバコンデンサとスナバダイオードの接続点を直接接続しスナバ抵抗器を共通に使用する方法が提案されている。
【００１１】
図３にスナバコンデンサとスナバダイオードの直列回路の組を２個並列に接続し、各スナバコンデンサとスナバダイオードの接続点を直接接続しスナバ抵抗器を共通に使用する方法を示す。図３において、例えばスイッチング素子２１にサージ電圧が加わろうとした場合、スナバコンデンサ３１１とスナバダイオード４１１の直列回路の組、およびスナバコンデンサ３１２とスナバダイオード４１２の直列回路の組に電流が流れるが、該スナバダイオード４１１と該スナバダイオード４１２は完全に並列に接続されているため、前記各スナバダイオード４１１、４１２の電気的特性、特に順方向電圧降下のバラツキにより、前記各スナバダイオード４１１、４１２に流れる電流に不平衡が生じ、極端な場合には前記各スナバダイオード４１１、４１２のどちらか一方に電流が集中することもありえる。そのため、前記各スナバダイオード４１１、４１２の電流容量は、並列数の割には小さくすることが出来ない。
【特許文献１】特開２００３−３３０４４号公報
【特許文献２】特許第３２２１２７０号公報
【特許文献３】特開平６−３３５２３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
以上の点に顧みて、本発明ではスナバダイオードを並列に接続した場合に、並列に接続された複数の各スナバダイオードの電流分担を均等にすることにより、個々のダイオードの電流容量を必要最小限に小さくする方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、直流母線間にスイッチング素子を直列に接続し、該スイッチング素子が直列接続される点を交流端子とし、スナバダイオードとスナバコンデンサとを直列接続した回路を複数個並列に接続した回路を前記各スイッチング素子と並列に接続した電力変換装置において、前記それぞれのスナバダイオードとスナバコンデンサとの接続点からそれぞれダイオードもしくはインピーダンス素子を接続し、該それぞれのダイオードもしくはインピーダンス素子の他端を共通のスナバ抵抗器に接続したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本構成によれば、複数のコンデンサとスナバダイオードの直列回路の組は、ダイオードもしくはインピーダンス素子により分離されており、各スナバダイオードに流れる電流は、直列に接続されているスナバコンデンサによる分だけになるので、各スナバダイオードの順電圧降下のバラツキにかかわらず均等となる。従って個々のスナバダイオードの電流容量は並列数に応じた必要最小値にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１は、本発明装置の一実施例であって、図２と同じ符号のものは図２と同じものである。以下に図１を例に説明する。
【実施例１】
【００１６】
図１は、本発明装置の一実施例であって、図２と同じ符号のものは図２と同じものである。以下に図１を例に説明する。
スイッチング素子２１には、スナバコンデンサ３１１とスナバダイオード４１１の直列回路の組と、スナバコンデンサ３１２とスナバダイオード４１２の直列回路に組とが並列に接続され、該スナバコンデンサ３１１と該スナバダイオード４１１の接続点にはダイオード８１１のカソード側が接続され、該スナバコンデンサ３１２と該スナバダイオード４１２の接続点にはダイオード８１２のカソード側が接続され、該ダイオード８１１のアノード側と該ダイオード８１２のアノード側とは共通のスナバ抵抗器５１に接続され、該スナバ抵抗器５１の他端は直流母線負側１２に接続されている。
【００１７】
スイッチング素子２２には、スナバコンデンサ３２１とスナバダイオード４２１の直列回路の組と、スナバコンデンサ３２２とスナバダイオード４２２の直列回路の組とが並列に接続され、該スナバコンデンサ３２１と該スナバダイオード４２１の接続点にはダイオード８２１のアノード側が接続され、該スナバコンデンサ３２２と該スナバダイオード４２２の接続点にはダイオード８２２のアノード側が接続され、該ダイオード８２１のカソード側と該ダイオード８２２のカソード側とは共通のスナバ抵抗器５２に接続され、該スナバ抵抗器５２の他端は直流母線正側１１に接続されている。
【００１８】
前記スイッチング素子２１がターンオフし、配線インダクタンス７１の電流が急激に減少する影響により、前期スイッチング素子２１にサージ電圧が加わろうとした場合、前記スナバコンデンサ３１１と前記スナバダイオード４１１の直列回路の組と、前記スナバコンデンサ３１２と前記スナバダイオード４１２の直列回路の組とに電流が流れる。この時、前記スナバコンデンサ３１１と前記スナバダイオード４１１の接続点と、前記スナバコンデンサ３１２と前記スナバダイオード４１２の接続点との間は、逆方向に直列接続された前記ダイオード８１１、８１２を経由して接続されているので、前記スナバコンデンサとダイオードの接続点間のどちらかの方向へ電流が流れることはない。つまりスナバコンデンサへの充電中は、前記スナバコンデンサ３１１と前記スナバダイオード４１１の直列回路の組と、前記スナバコンデンサ３１２と前記スナバダイオード４１２の直列回路の組は前記ダイオード８１１、８１２によって完全に分離されている。従って、前記スナバダイオー４１１には前記スナバコンデンサ３１１を充電する電流のみが、前記スナバダイオー４１２には前記スナバコンデンサ３１２を充電する電流のみが流れる。従って、前記スナバダイオード４１１と４１２の電流は完全に同じとなる。
【００１９】
前記スナバコンデンサ３１１、３１２への充電が完了した後は、前記スナバコンデンサ３１１、３１２の電圧は前記直流電圧源１の電圧より高くなっており、前記ダイオード８１１、８１２には順方向の電圧がかかるので、前記スナバ抵抗器５１と前記ダイオード８１１、８１２を経由して前記スナバコンデンサ３１１、３１２の放電が開始され、前記スナバコンデンサ３１１、３１２の電圧が前記直流電圧源１の電圧と等しくなるまで放電される。
【００２０】
前記スイッチング素子２２がターンオフし、配線インダクタンス７２の電流が急激に減少する影響により、前記スイッチング素子２２にサージ電圧が加わろうとした場合も、前記スナバコンデンサ３２１、３２２、前記スナバダイオード４２１、４２２、前記ダイオード８２１、８２２の回路が前記と同様に動作する。
【実施例２】
【００２１】
図４は、本発明装置の他の実施例であって、図１と同じ符号のものは図１と同じものである。以下に図４を例に説明する。
図１の、各スナバコンデンサとスナバダイオードとの接続点と、共通のスナバ抵抗器とを接続している各ダイオードが、図４ではインピーダンス素子に変わっている。つまり図１においてダイオード８１１、８１２、８２１、８２２であったものが、図３ではインピーダンス素子９１１、９１２、９２１、９２２になっている。なお、ここでいうインピーダンス素子とは、抵抗器又はリアクトルを用いる。
本実施例では、各スナバコンデンサとスナバダイオードの直列回路の組の分離のためにインピーダンス素子を用いている。スナバダイオード４１１と４１２の順電圧降下に差がある場合、前記スナバダイオード４１１、４１２の電流に不平衡が生じようとするが、不平衡電流がインピーダンス素子を流れることにより、インピーダンス素子の電圧降下が両ダイオードの順電圧降下の差と等しくなり、それ以上の不平衡は生じないよう作用する。
【００２２】
前記インピーダンス素子９１１、９１２にリアクトルを使用する場合、該リアクトルが働く期間は数μｓの間であり、電圧は前記スナバダイオード４１１と４１２の順電圧降下の差で、せいぜい数１０ｍＶ、多くても数１００ｍＶに対してだけインピーダンスとして動作すればよいので、前記リアクトルのインダクタンス値は小さく、電流容量も小さくてよい。
【００２３】
前記インピーダンス素子９１１、９１２に抵抗を用いる場合にでも、小さな抵抗値で図３のように前記スナバダイオード４１１、４１２を直接並列に接続した場合に比べて、前記スナバダイオード４１１と４１２の電流バランスを大幅に改善することができる。
【産業上の利用可能性】
【００２４】
以上により、大きな電流容量が必要なスナバ回路において、大電流容量のスナバダイオードを使用せずに小電流容量のスナバダイオードを複数個使用してスナバを構成する際にも、各スナバダイオード電流の不平衡を防止することができるため、各スナバダイオードの電流容量を並列数に応じた必要最小値にすることができる。
【００２５】
前記各実施例ではスナバコンデンサとスナバダイオードの直列回路を２組使用した場合を示したが、２組以上使用した場合においても、組数によらず本発明は有効である。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】請求項１の実施方法を示した説明図である。（実施例１）
【図２】従来のスナバ回路を示した説明図である。
【図３】従来のスナバ回路を示した説明図である。
【図４】請求項２の実施方法を示した説明図である。（実施例２）
【符号の説明】
【００２７】
１  直流電圧源
１１  直流母線正側
１２  直流母線負側
２１、２２  スイッチング素子
３１１、３１２、３２１、３２２  スナバコンデンサ
４１１、４１２、４２１、４２２  スナバダイオード
５１、５２  スナバ抵抗器
６１  交流端子
６２  負荷
７１、７２  配線インダクタンス
８１１、８１２、８２１、８２２  ダイオード
９１１、９１２、９２１、９２２  インピーダンス素子
【図１】
2007312467.tif 000003
【図２】
2007312467.tif 000004
【図３】
2007312467.tif 000005
【図４】
2007312467.tif 000006