JP2004320977A - Power converter circuit - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、負荷に蓄積された誘導性エネルギーによるスパイク電圧から半導体スイッチを保護するための保護回路を備えた電力変換回路に関するものである。 The present invention relates to a power conversion circuit including a protection circuit for protecting a semiconductor switch from a spike voltage due to inductive energy stored in a load.
図11は、後述の特許文献1のFIG.2に記載されている電力変換回路を等価的に示したものである。
図11において、10は三相交流電源、41〜43は双方向性半導体スイッチ(双方向の電流を遮断可能な半導体スイッチ)、60は三相交流電源10の中性点と半導体スイッチ41〜43の共通接続点との間に接続された単相負荷、20は交流入力側が三相交流電源10に接続され、かつ、ダイオード21〜26からなる三相フルブリッジ構成のダイオードブリッジ、30は交流入力側が負荷60の一端に接続され、かつ、直列接続されたダイオード31,32からなるダイオードブリッジ(ダイオード直列回路)、51はダイオードブリッジ20,30の直流出力側の両端(ダイオードブリッジ20,30の正極同士の接続点と負極同士の接続点との間)に接続されたコンデンサである。
ここで、半導体スイッチ41〜43としては、例えばIGBT等の2個の半導体スイッチング素子を逆方向に直列接続すると共に、各スイッチング素子に環流ダイオードをそれぞれ逆並列に接続して構成される。
FIG. 11 equivalently shows a power conversion circuit described in FIG. 2 of Patent Document 1 described later.
In FIG. 11,
Here, as the semiconductor switches 41 to 43, for example, two semiconductor switching elements such as IGBTs are connected in series in the reverse direction, and freewheeling diodes are connected to the respective switching elements in antiparallel.
この従来技術では、半導体スイッチ41〜43を所定のタイミングでオン、オフすることにより、三相交流電圧を所定の周波数及び大きさを有する単相交流電圧に変換して負荷60に供給している。
また、ダイオードブリッジ20,30及びコンデンサ51は半導体スイッチ41〜43の保護回路(スナバ回路)を構成しており、緊急時等においてすべての半導体スイッチ41〜43がオフした場合に、電源側や負荷側の誘導性エネルギーをダイオードブリッジ20,30を介してコンデンサ51により吸収し、半導体スイッチにスパイク電圧が印加されないようにしてこれらを保護している。
In this conventional technique, the three-phase AC voltage is converted to a single-phase AC voltage having a predetermined frequency and magnitude and supplied to the
The
なお、この従来技術では、図12に示す如く、コンデンサ51の電圧が許容電圧に達したことを検出する電圧検出回路52と、この検出回路52からの過電圧検出信号によって制御される駆動回路53と、駆動回路53の出力信号によりオンする半導体スイッチ54及び抵抗55を備えており(特許文献1のFIG.3参照)、コンデンサ51が過電圧となった時には半導体スイッチ54をオンさせて抵抗55を介しコンデンサ51を放電させることにより、主回路の半導体スイッチ41〜43を保護している。
In this prior art, as shown in FIG. 12, a
上記従来技術において、電源側や負荷側の誘導性エネルギーを吸収した際のコンデンサ51の電圧を半導体スイッチ41〜43の定格電圧以下に抑制するには、大容量のコンデンサが必要になるので小型化の妨げとなるほか、この種のコンデンサとしては、一般に寿命が短い電解コンデンサが使用されるため、装置全体の長寿命化の妨げとなっている。
また、コンデンサ51を初期充電する際の突入電流防止回路を始めとして、前述の如く、コンデンサ51の過電圧に対処するための電圧検出回路52や駆動回路53、半導体スイッチ54及び抵抗55等が必要であり、これらが回路構成の複雑化や大型化、コスト上昇の原因となっていた。
In the above prior art, a large-capacity capacitor is required to suppress the voltage of the
In addition, as described above, a
そこで本発明は、大容量のコンデンサ及びこれに付随する回路を不要にして小型化、長寿命化、低コスト化を図った電力変換回路を提供しようとするものである。 SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide a power conversion circuit that does not require a large-capacity capacitor and a circuit accompanying the capacitor, and that achieves miniaturization, long life, and low cost.
上記課題を解決するため、請求項1記載の発明は、電源の交流電圧を複数の双方向性半導体スイッチのオン、オフにより所定の周波数及び大きさを有する交流電圧に変換して負荷に供給する電力変換回路において、
前記電源に交流入力側が接続される第1のダイオードブリッジと、前記負荷に交流入力側が接続される第2のダイオードブリッジと、第1,第2のダイオードブリッジの直流出力側の正極同士の接続点と負極同士の接続点との間に接続され、かつ、前記双方向性半導体スイッチの定格電圧以下の電圧を保持可能な定電圧素子と、を備え、
前記双方向性半導体スイッチの全オフ時に、電源側または負荷側の誘導性エネルギーを前記ダイオードブリッジを介して前記定電圧素子により消費するものである。
In order to solve the above problem, the invention according to claim 1 converts an AC voltage of a power supply into an AC voltage having a predetermined frequency and magnitude by turning on and off a plurality of bidirectional semiconductor switches and supplies the AC voltage to a load. In the power conversion circuit,
A first diode bridge where an AC input side is connected to the power supply, a second diode bridge where an AC input side is connected to the load, and a connection point between positive poles on the DC output side of the first and second diode bridges And a constant voltage element that is connected between a connection point of the negative electrodes and that can hold a voltage equal to or lower than a rated voltage of the bidirectional semiconductor switch,
When the bidirectional semiconductor switch is completely turned off, inductive energy on the power supply side or load side is consumed by the constant voltage element via the diode bridge.
請求項2に記載した発明は、請求項1における定電圧素子に代えて、第1,第2のダイオードブリッジの直流出力側の正極同士の接続点と負極同士の接続点との間の電圧を監視する電圧監視手段と、前記両接続点間に接続された単方向性半導体スイッチと、前記両接続点間の電圧が前記双方向性半導体スイッチの定格電圧以下となるように前記単方向性半導体スイッチを活性状態でオンさせるための駆動手段と、を備え、
前記双方向性半導体スイッチの全オフ時に、電源側または負荷側の誘導性エネルギーを前記ダイオードブリッジを介してオン状態の前記単方向性半導体スイッチにより消費するものである。
According to a second aspect of the present invention, instead of the constant voltage element in the first aspect, the voltage between the connection point between the positive electrodes and the connection point between the negative electrodes on the DC output side of the first and second diode bridges is changed. Voltage monitoring means for monitoring, a unidirectional semiconductor switch connected between the two connection points, and the unidirectional semiconductor switch such that a voltage between the two connection points is equal to or less than a rated voltage of the bidirectional semiconductor switch. Driving means for turning on the switch in an active state,
When the bidirectional semiconductor switch is completely turned off, inductive energy on the power supply side or the load side is consumed by the unidirectional semiconductor switch in an on state via the diode bridge.
請求項3に記載した発明は、請求項2における単方向性半導体スイッチに代えて、この単方向性半導体スイッチと抵抗との直列回路を設けるものである。 According to a third aspect of the invention, a series circuit of the unidirectional semiconductor switch and the resistor is provided instead of the unidirectional semiconductor switch of the second aspect.
請求項4に記載した発明は、請求項2または3において、
前記電圧監視手段及び駆動手段の機能を、第1,第2のダイオードブリッジの正極にカソードが接続され、かつ、前記単方向性半導体スイッチの制御端子にアノードが接続されたツェナーダイオードにより実現したものである。
The invention described in
A function in which the functions of the voltage monitoring means and the driving means are realized by a Zener diode in which a cathode is connected to positive poles of first and second diode bridges and an anode is connected to a control terminal of the unidirectional semiconductor switch. It is.
請求項5に記載した発明は、請求項2,3または4において、
第1,第2のダイオードブリッジの正極と負極との間に、これらの両極間の電圧の急変時に単方向性半導体スイッチが誤ってオンするのを防止するためのコンデンサを接続したものである。
The invention described in claim 5 is the invention according to
A capacitor is connected between the positive electrode and the negative electrode of the first and second diode bridges to prevent the unidirectional semiconductor switch from being accidentally turned on when the voltage between these two electrodes changes suddenly.
請求項6に記載した発明は、請求項1に記載した電力変換回路において、
第1,第2のダイオードブリッジの正極同士の接続点と負極同士の接続点との間に接続されたコンデンサと、前記両接続点間の電圧を監視する電圧監視手段と、前記両接続点間に接続された抵抗及び第1の単方向性半導体スイッチの直列回路と、前記両接続点間の電圧が前記双方向性半導体スイッチの定格電圧以下となるように第1の単方向性半導体スイッチをオンさせるための駆動手段と、を備え、
前記双方向性半導体スイッチの全オフ時に、電源側または負荷側の誘導性エネルギーを前記ダイオードブリッジを介して前記コンデンサにより吸収し、かつ、第1の単方向性半導体スイッチ及び定電圧素子を順次オンさせて前記抵抗及び前記定電圧素子により電源側または負荷側の誘導性エネルギーを消費するものである。
ここで、前記定電圧素子は、例えば、前記コンデンサに並列接続されて活性状態でオンさせる第2の単方向性半導体スイッチを含むものである。
According to a sixth aspect of the present invention, in the power conversion circuit according to the first aspect,
A capacitor connected between a connection point between the positive electrodes and a connection point between the negative electrodes of the first and second diode bridges, voltage monitoring means for monitoring a voltage between the two connection points, And a series circuit of a resistor and a first unidirectional semiconductor switch connected to the first unidirectional semiconductor switch and a first unidirectional semiconductor switch such that a voltage between the two connection points is equal to or less than a rated voltage of the bidirectional semiconductor switch. Driving means for turning on,
When the bidirectional semiconductor switch is completely turned off, inductive energy on the power supply side or load side is absorbed by the capacitor via the diode bridge, and the first unidirectional semiconductor switch and the constant voltage element are sequentially turned on. Then, the inductive energy on the power supply side or the load side is consumed by the resistor and the constant voltage element.
Here, the constant voltage element includes, for example, a second unidirectional semiconductor switch connected in parallel to the capacitor and turned on in an active state.
請求項7に記載した発明は、請求項4に記載した電力変換回路において、
前記ツェナーダイオードのアノードと第1,第2のダイオードブリッジの負極同士の接続点との間に、抵抗を接続したものである。
なお、上記抵抗は、活性状態でオンさせる単方向性半導体スイッチの制御端子に蓄積された電荷を放電させる機能を有する。
According to a seventh aspect of the present invention, in the power conversion circuit according to the fourth aspect,
A resistor is connected between the anode of the Zener diode and the connection point between the negative electrodes of the first and second diode bridges.
Note that the resistor has a function of discharging the charge accumulated in the control terminal of the unidirectional semiconductor switch that is turned on in the active state.
本発明によれば、半導体スイッチを保護するための電解コンデンサ等の大容量のコンデンサが不要になる。また、これに伴い、コンデンサの電圧を検出するための電圧検出回路や放電用半導体スイッチの駆動回路等も不要になり、これらによって装置全体の小型化、長寿命化、低コスト化を図ることができる。
なお、請求項2,3に記載した発明において、ダイオードブリッジの正極−負極間電圧を監視し、単方向性半導体スイッチを活性状態でオンさせるための電圧監視手段及び駆動手段の機能は、請求項4や請求項7の如くツェナーダイオードによって実現可能であり、回路構成が複雑化するおそれもないものである。
請求項6に記載した発明によれば、誘導性エネルギーを吸収したコンデンサの電圧最大値を制御することが可能になり、コンデンサの静電容量値を低減することができる。これにより、従来技術に比べて大容量のコンデンサが不要となり、付随する初期充電回路等も不要になる。
According to the present invention, a large-capacity capacitor such as an electrolytic capacitor for protecting the semiconductor switch is not required. Along with this, a voltage detection circuit for detecting the voltage of the capacitor and a drive circuit for the semiconductor switch for discharging are not required, which can reduce the size, the life, and the cost of the entire device. it can.
The functions of the voltage monitoring means and the driving means for monitoring the voltage between the positive electrode and the negative electrode of the diode bridge and for turning on the unidirectional semiconductor switch in an active state are defined in the claims. This can be realized by a Zener diode as in the fourth or seventh aspect, and there is no possibility that the circuit configuration is complicated.
According to the invention described in claim 6, it is possible to control the maximum voltage value of the capacitor that has absorbed the inductive energy, and it is possible to reduce the capacitance value of the capacitor. This eliminates the need for a large-capacity capacitor as compared with the prior art, and also eliminates the need for an associated initial charging circuit and the like.
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図1は請求項1に相当する本発明の第1実施形態を示す回路図であり、図11と同一の構成要素には同一の符号を付して説明を省略し、以下では異なる部分を中心に説明する。
図1と図11との相違点は、図11におけるコンデンサ51に代えて、ダイオードブリッジ20,30の直流出力側の両端に定電圧素子としてのバリスタを接続した点である。なお、定電圧素子としては、ツェナーダイオード(定電圧ダイオード)を使用することもできる。
図1の電力変換回路の全体的な動作としては、図11と同様に半導体スイッチ41〜43を所定のタイミングでオン、オフすることにより、三相交流電圧を所定の周波数及び大きさを有する単相交流電圧に変換して負荷60に供給する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a circuit diagram showing a first embodiment of the present invention corresponding to claim 1. The same components as those in FIG. 11 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted. Will be described.
The difference between FIG. 1 and FIG. 11 is that a varistor as a constant voltage element is connected to both ends on the DC output side of the
As an overall operation of the power conversion circuit of FIG. 1, the
この実施形態における半導体スイッチ41〜43の保護動作を説明すると、まず、半導体スイッチ41〜43の何れかがオンしている状態から、何らかの理由により、全ての半導体スイッチ41〜43がオフしたとする。
このとき、負荷60には誘導性エネルギーが蓄積されているため、ダイオードブリッジ20,30との間でバリスタ71を介して電流が流れ、ダイオードブリッジ20の正極−負極間電圧(ダイオード21,23,25のカソードとダイオード22,24,26のアノード間の電圧)とダイオードブリッジ30の正極−負極間電圧(ダイオード31のカソードとダイオード32のアノード間の電圧)とは、バリスタ71の制限電圧(電流が変化してもほぼ一定値を保っているバリスタの両端電圧)によってクランプされる。
The protection operation of the semiconductor switches 41 to 43 in this embodiment will be described. First, it is assumed that all the
At this time, since inductive energy is accumulated in the
従って、ダイオードブリッジ20,30内のダイオードの順方向電圧降下を無視するとすれば、バリスタ71による制限電圧を半導体スイッチ41〜43の定格電圧以下に設定することにより、半導体スイッチ41〜43に過電圧が印加されるおそれはなく、これらの素子を保護することができる。
同時に、負荷60の誘導性エネルギーはダイオードブリッジ20,30を介しバリスタ71を流れる電流によって消費されることになる。
Accordingly, assuming that the forward voltage drop of the diodes in the
At the same time, the inductive energy of the
すなわち、本実施形態では、負荷60の誘導性エネルギーがバリスタ71によって吸収されると共に、ダイオードブリッジ20,30の正極−負極間電圧がバリスタ71の制限電圧によってクランプされるため、従来のように、半導体スイッチ41〜43の過電圧保護を目的として、エネルギー吸収用の大容量のコンデンサやその突入電流防止回路、電圧検出回路、コンデンサを放電させるための抵抗や半導体スイッチ、及びその駆動回路等を設ける必要がない。
このため、回路構成の簡略化、部品数の減少による低コスト化が可能であると共に、電解コンデンサ等を不要にして装置全体の長寿命化を達成することができる。
That is, in the present embodiment, the inductive energy of the
For this reason, it is possible to simplify the circuit configuration and reduce the cost by reducing the number of components, and it is possible to extend the life of the entire device by eliminating the need for an electrolytic capacitor and the like.
次に、図2は請求項2に相当する本発明の第2実施形態を示す回路図である。
この実施形態では、図11におけるコンデンサ51に代えて単方向性半導体スイッチ74を接続すると共に、ダイオードブリッジ20,30の正極−負極間電圧を監視するための電圧監視手段72を接続し、その出力側に、活性状態(電圧を維持して電流を流す状態)でオンさせる半導体スイッチ74の駆動手段73を設けてある。ここで、半導体スイッチ74としてはIGBTを用いた場合を示してあるが、他種の半導体スイッチを使用しても良い。
Next, FIG. 2 is a circuit diagram showing a second embodiment of the present invention corresponding to claim 2.
In this embodiment, a
この実施形態の保護動作を以下に説明する。
図2において、半導体スイッチ41〜43の何れかがオンしている状態から、何らかの理由により、全ての半導体スイッチ41〜43がオフしたとする。なお、この状態で半導体スイッチ74はオフしているとする。
このとき、負荷60には誘導性エネルギーが蓄積されているため、ダイオードブリッジ20,30及び半導体スイッチ74を介して電流が流れようとするが、半導体スイッチ74がオフしているため、ダイオードブリッジ20,30の正極−負極間電圧が上昇する。
The protection operation of this embodiment will be described below.
In FIG. 2, it is assumed that all of the semiconductor switches 41 to 43 are turned off for some reason from a state where any of the semiconductor switches 41 to 43 is turned on. It is assumed that the
At this time, since inductive energy is accumulated in the
ここで、ダイオードブリッジ20,30の正極−負極間電圧が電圧監視手段72による設定電圧以上になろうとするとき、駆動手段73により、半導体スイッチ74を活性状態でオンさせることにより、ダイオードブリッジ20,30の正極−負極間電圧が電圧監視手段72による設定電圧にクランプされた状態で半導体スイッチ74に電流が流れる。これにより、負荷60に蓄積された誘導性エネルギーは、ダイオードブリッジ20,30を介して半導体スイッチ74自体により消費されることになる。
従って、ダイオードブリッジ20,30内のダイオードの順方向電圧降下を無視するとすれば、電圧監視手段72の設定電圧を半導体スイッチ41〜43の定格電圧以下に設定することにより、半導体スイッチ41〜43に過電圧が印加されるのを防止することができる。
Here, when the voltage between the positive electrode and the negative electrode of the diode bridges 20 and 30 is about to become equal to or higher than the voltage set by the voltage monitoring means 72, the driving means 73 turns on the
Therefore, assuming that the forward voltage drop of the diodes in the diode bridges 20 and 30 is neglected, by setting the set voltage of the voltage monitoring means 72 to be equal to or less than the rated voltage of the semiconductor switches 41 to 43, the semiconductor switches 41 to 43 It is possible to prevent an overvoltage from being applied.
上記のように、本実施形態では、活性状態でオンする半導体スイッチ74があたかも定電圧素子として動作し、負荷60の誘導性エネルギーを消費するものである。このため、従来の図12のようにコンデンサの放電用抵抗55を設ける必要もない。
また、この実施形態によれば、第1実施形態と同様に、大容量のコンデンサが不要になるといった効果が得られる。
As described above, in the present embodiment, the
Further, according to this embodiment, similarly to the first embodiment, an effect that a large-capacity capacitor is not required can be obtained.
ここで、図3は前記電圧監視手段72及び駆動手段73の機能を実現するための具体的な構成例を示しており、請求項4の発明に相当するものである。
すなわち、この例では、ダイオードブリッジ20,30の正極と半導体スイッチ74のゲートとの間に図示の極性で接続されたツェナーダイオード77により、電圧監視手段72及び駆動手段73の両機能を実現している。
Here, FIG. 3 shows a specific configuration example for realizing the functions of the voltage monitoring means 72 and the driving means 73, and corresponds to the invention of
That is, in this example, both functions of the voltage monitoring means 72 and the driving means 73 are realized by the
このような構成とすることで、半導体スイッチ74のコレクタ−ゲート間の電圧がツェナーダイオード77のツェナー電圧以上になろうとすると、ツェナーダイオード77が導通し、半導体スイッチ74のゲートを充電するので、半導体スイッチ74は活性状態で動作する。
従って、ダイオードブリッジ20,30の正極−負極間電圧を、ツェナーダイオード77のツェナー電圧と半導体スイッチ74のゲート電圧との和の電圧によってクランプすることが可能になり、半導体スイッチ41〜43に過電圧が印加されることもないものである。
この場合、ダイオードブリッジ20,30内のダイオードの順方向電圧降下を無視するとすれば、ツェナーダイオード77のツェナー電圧と半導体スイッチ74のゲート電圧との和の電圧を半導体スイッチ41〜43の定格電圧以下に設定することが必要である。
With such a configuration, when the voltage between the collector and the gate of the
Therefore, the voltage between the positive electrode and the negative electrode of the diode bridges 20 and 30 can be clamped by the sum of the Zener voltage of the
In this case, if the forward voltage drop of the diodes in the diode bridges 20 and 30 is ignored, the sum of the Zener voltage of the
次に、図4は請求項3に相当する本発明の第3実施形態を示す回路図である。
この実施形態は、図2の第2実施形態において半導体スイッチ74に直列に抵抗75を接続したものであり、電圧監視手段72及び駆動手段73の機能は図2と同様である。
Next, FIG. 4 is a circuit diagram showing a third embodiment of the present invention corresponding to claim 3.
In this embodiment, a
この実施形態の動作は第2実施形態と基本的に同一であるが、ダイオードブリッジ20,30の正極−負極間電圧を電圧監視手段72による設定電圧にクランプした状態で駆動手段73を介して半導体スイッチ74をオンし、この半導体スイッチ74と抵抗75との直列回路に電流を流してこれら両者により負荷60の誘導性エネルギーを消費させる。
この場合、負荷60の誘導性エネルギーを半導体スイッチ74及び抵抗75により分担して消費させるため、半導体スイッチ74のエネルギー責務を第2実施形態に比べて低減することができる。よって第2実施形態における半導体スイッチに比べてチップサイズが小さい半導体スイッチ(熱抵抗が大きい半導体スイッチ)を使用可能であり、回路の小型化、低コスト化に寄与するものである。
The operation of this embodiment is basically the same as that of the second embodiment, except that the voltage between the positive electrode and the negative electrode of the diode bridges 20 and 30 is clamped to the set voltage by the voltage monitoring means 72, and the semiconductor is connected via the driving means 73. When the
In this case, since the inductive energy of the
次いで、図5は請求項4に相当する電圧監視手段72及び駆動手段73の具体的な構成例であり、図3と同様に電圧監視手段72及び駆動手段73の機能をツェナーダイオード77により実現した例である。その動作は図3,図4から容易に類推できるため、詳述を省略する。
Next, FIG. 5 shows a specific configuration example of the voltage monitoring means 72 and the driving means 73 corresponding to claim 4, and the functions of the voltage monitoring means 72 and the driving means 73 are realized by the
図6は、請求項5に相当する本発明の第4実施形態を示す回路図である。
この実施形態は、図4の第3実施形態におけるダイオードブリッジ20,30の正極−負極間にコンデンサ76を接続したものである。なお、このようにダイオードブリッジ20,30の正極−負極間にコンデンサ76を接続する着想は、図1〜図3、図5の構成にも適用可能である。
FIG. 6 is a circuit diagram showing a fourth embodiment of the present invention corresponding to claim 5.
In this embodiment, a
図6において、電圧監視手段72、駆動手段73、半導体スイッチ74及び抵抗75の作用は第3実施形態と同様であるが、特に本実施形態では、起動時等にダイオードブリッジ20が導通した際に、その正極−負極間に発生する急激なdv/dtによる電圧の急変をコンデンサ76が吸収することにより、半導体スイッチ74が誤ってオンするのを防止することができる。
上記コンデンサ76としては、従来の誘導性エネルギー吸収用の電解コンデンサのように大容量である必要はなく小容量のフィルムコンデンサ等を使用できるため、電解コンデンサを用いる場合に比べて長寿命化、低価格化が期待できる。
In FIG. 6, the operations of the voltage monitoring means 72, the driving means 73, the
The
上述した第1〜第4実施形態のように、ダイオードブリッジ20,30の正極−負極間電圧が主回路の半導体スイッチ41〜43の定格電圧以下となるように各々の定数を選択すれば、半導体スイッチ41〜43にスパイク電圧が印加されるのを抑制してこれらを過電圧から保護することができる。
As in the first to fourth embodiments described above, if each constant is selected such that the voltage between the positive electrode and the negative electrode of the diode bridges 20 and 30 is equal to or less than the rated voltage of the semiconductor switches 41 to 43 of the main circuit, the semiconductor The spike voltage can be suppressed from being applied to the
なお、本発明は各実施形態で説明した三相−単相変換方式の電力変換回路だけでなく、一般にn相交流電圧をm相交流電圧に変換する(n,mは整数)電力変換回路に適用可能である。
また、多相交流電圧の直接変換を行う、いわゆるマトリクスコンバータにも適用することができる。
図7は、前述した図5の構成を適用したマトリクスコンバータを示しており、35は三相フルブリッジ構成のダイオードブリッジ、41〜49は双方向性半導体スイッチ、61は三相負荷、80はリアクトル及びコンデンサからなる入力フィルタである。マトリクスコンバータの動作はよく知られているため説明を省略し、また、ツェナーダイオード77、半導体スイッチ74及び抵抗75による半導体スイッチ41〜49の保護動作は図5の場合と同様である。
The present invention is applicable not only to the power conversion circuit of the three-phase to single-phase conversion method described in each embodiment, but also to a power conversion circuit that generally converts an n-phase AC voltage to an m-phase AC voltage (n and m are integers). Applicable.
Further, the present invention can be applied to a so-called matrix converter that directly converts a multiphase AC voltage.
FIG. 7 shows a matrix converter to which the above-described configuration of FIG. 5 is applied. 35 is a diode bridge of a three-phase full bridge configuration, 41 to 49 are bidirectional semiconductor switches, 61 is a three-phase load, and 80 is a reactor. And an input filter comprising a capacitor. Since the operation of the matrix converter is well known, the description is omitted, and the protection operation of the semiconductor switches 41 to 49 by the
次に、図8は請求項6に相当する本発明の第5実施形態を示す回路図である。
図3に示した実施形態では、処理しなくてはならないエネルギー(電源10及び負荷60の誘導性エネルギー)が大きくなった場合、エネルギーを消費するために単方向性半導体スイッチ74のみを複数個並列に接続する必要が生じ、これによってコストが増すばかりでなく、並列接続した各々の単方向性半導体スイッチの特性バラツキ等により、信頼性が著しく低下するおそれがある。
第5実施形態は、上記の点に鑑みてなされたものである。
Next, FIG. 8 is a circuit diagram showing a fifth embodiment of the present invention corresponding to claim 6.
In the embodiment shown in FIG. 3, when the energy that must be processed (the inductive energy of the
The fifth embodiment has been made in view of the above points.
図8において、図6の第4実施形態と異なる点は、ダイオードブリッジ20,30の正極−負極間にIGBT等の第2の単方向性半導体スイッチ91を接続し(便宜上、単方向性半導体スイッチ74を第1の単方向性半導体スイッチとする)、そのコレクタ−ゲート間に電圧監視・駆動手段としてのツェナーダイオード92を接続すると共に、ゲート−エミッタ間に抵抗93を接続したことにある。なお、抵抗93は、単方向性半導体スイッチ91の制御端子(ゲート)に蓄積された電荷を放電するためのものであり、この抵抗93を備えることにより、半導体スイッチ91のコレクタ−エミッタ間の電圧を調整しやすくなる。なお、この抵抗93は、図3、図5、図7の半導体スイッチ74のゲート−エミッタ間、または、後述する図10の半導体スイッチ91のゲート−エミッタ間にも接続可能である。
更に、本実施形態において、駆動手段73により駆動される第1の単方向性半導体スイッチ74は通常の半導体スイッチ動作(飽和領域及び遮断領域によるオン、オフ動作)を行わせ、第2の単方向性半導体スイッチ91は活性状態でオン動作させる。
8 differs from the fourth embodiment shown in FIG. 6 in that a second
Further, in the present embodiment, the first
図9は、この第5実施形態の動作波形を示す図であり、以下に動作を説明する。
図8において、何らかの理由により双方向性半導体スイッチ41〜43が全てオフすると、負荷60のリアクトルに蓄積されたエネルギーがダイオードブリッジ20、コンデンサ76及びダイオードブリッジ30を介して放出され、コンデンサ76の電圧が上昇する(図9の時刻t0〜t1)。
FIG. 9 is a diagram showing operation waveforms of the fifth embodiment, and the operation will be described below.
In FIG. 8, when all of the bidirectional semiconductor switches 41 to 43 are turned off for some reason, the energy stored in the reactor of the
コンデンサ76の電圧が電圧監視手段72による設定電圧(図9のa)以上になると、駆動手段73により単方向性半導体スイッチ74をオンし、負荷60のリアクトルに蓄積されたエネルギーは、コンデンサ76と抵抗75に分流して放出される。
ここで、コンデンサ76、抵抗75、負荷60の定数及び負荷60の電流次第では、単方向性半導体スイッチ74をオンしても、コンデンサ76の両端の電圧は減少せず、上昇を続ける(図9の時刻t1〜t2)。なお、図11,図12で示した従来技術においても、装置の小型化を図るべくコンデンサ51の静電容量を低減すると、抵抗55によりコンデンサ51の充電電荷を放電させても、コンデンサ51の電圧は上昇を続ける。
上記の期間t1〜t2では、負荷60のリアクトルに蓄積されたエネルギーをコンデンサ76により吸収しつつ抵抗75により消費することになる。
When the voltage of the
Here, depending on the
In the above period t1 to t2, the energy stored in the reactor of the
次いで、ダイオードブリッジ20,30の正極側と単方向性半導体スイッチ91のゲートとの間の電圧がツェナーダイオード92のツェナー電圧に達すると、ツェナーダイオード92が導通し、単方向性半導体スイッチ91を活性状態でオンさせる。これにより、コンデンサ76の両端の電圧は、ツェナーダイオード92のツェナー電圧と半導体スイッチ91のゲート電圧との和(図9のb)にクランプされる(図9の時刻t2〜t3)。
つまり、ツェナーダイオード92及び半導体スイッチ91が、実質的に請求項1における定電圧素子として機能する。
この期間t2〜t3においては、負荷60のリアクトルに蓄積されたエネルギーを抵抗75と単方向性半導体スイッチ91により消費することになる。
Next, when the voltage between the positive poles of the diode bridges 20 and 30 and the gate of the
That is, the
In this period t2 to t3, the energy stored in the reactor of the
やがて、時間の経過に伴って負荷60のリアクトルのエネルギーが減少し、また、コンデンサ76の蓄積エネルギーが抵抗75によって消費されることに伴いコンデンサ76の電圧が減少すると、半導体スイッチ91におけるエネルギー消費動作は終了する(図9の時刻t3〜t4)。そして、再びコンデンサ76でエネルギーを吸収しつつ抵抗75でエネルギーを消費する動作となり、最終的に負荷60のリアクトルに蓄積されたエネルギーを全て処理することとなる。
Eventually, when the energy of the reactor of the
なお、コンデンサ76の両端電圧を、双方向性半導体スイッチ41〜43の定格電圧以下となるよう各々の定数を選択すれば、双方向性半導体スイッチ41〜43のスパイク電圧を抑制でき、過電圧保護が可能となる。
If each constant is selected so that the voltage between both ends of the
この実施形態によれば、誘導性エネルギーを吸収したコンデンサ76の電圧最大値を制御することが可能になるため、コンデンサ76の静電容量値を特許文献1の従来技術に比べて低減することができる。これにより、従来に比べて大容量のコンデンサが不要となり、また、それに付随する初期充電回路等も不要になる。
また、図3に示した実施形態等に比べ、単方向性半導体スイッチ91で消費する電源10または負荷60の誘導性エネルギーを大幅に低減できるため、単方向性半導体スイッチ91のみを複数並列接続するといった処置が不要となる。
従って、本実施形態では、低コスト化、小型化が可能となり、信頼性も向上する。
According to this embodiment, it is possible to control the maximum value of the voltage of the
In addition, since the inductive energy of the
Therefore, in this embodiment, cost reduction and size reduction are possible, and reliability is also improved.
また、本実施形態は、図8に示した電力変換回路だけでなく、例えば図10に示すようにマトリクスコンバータ等にも適用可能である。
図10において、図7,図8と同一の構成要素には同一符号を付してあり、双方向性半導体スイッチ41〜49の保護動作は図8の場合と同様である。
In addition, the present embodiment is applicable not only to the power conversion circuit shown in FIG. 8 but also to, for example, a matrix converter as shown in FIG.
10, the same components as those in FIGS. 7 and 8 are denoted by the same reference numerals, and the protection operation of the bidirectional semiconductor switches 41 to 49 is the same as that in FIG.
10:三相交流電源
41〜49:双方向性半導体スイッチ
20,30,35:ダイオードブリッジ
21〜26,31,32:ダイオード
60:単相負荷
61:三相負荷
71:バリスタ(定電圧素子)
72:電圧監視手段
73:駆動手段
74,91:単方向性半導体スイッチ
75,93:抵抗
76:コンデンサ
77,92:ツェナーダイオード
80:入力フィルタ
10: Three-phase AC power supply 41-49:
72: Voltage monitoring means 73: Driving means 74, 91:
Claims (7)
前記電源に交流入力側が接続される第1のダイオードブリッジと、
前記負荷に交流入力側が接続される第2のダイオードブリッジと、
第1,第2のダイオードブリッジの正極同士の接続点と負極同士の接続点との間に接続され、かつ、前記双方向性半導体スイッチの定格電圧以下の電圧を保持可能な定電圧素子と、を備え、
前記双方向性半導体スイッチの全オフ時に、電源側または負荷側の誘導性エネルギーを前記ダイオードブリッジを介して前記定電圧素子により消費することを特徴とする電力変換回路。 In a power conversion circuit for converting an AC voltage of a power supply into an AC voltage having a predetermined frequency and magnitude by turning on and off a plurality of bidirectional semiconductor switches and supplying the AC voltage to a load,
A first diode bridge having an AC input connected to the power supply;
A second diode bridge having an AC input connected to the load;
A constant voltage element connected between a connection point between the positive electrodes of the first and second diode bridges and a connection point between the negative electrodes, and capable of holding a voltage equal to or lower than a rated voltage of the bidirectional semiconductor switch; With
When the bidirectional semiconductor switch is completely turned off, inductive energy on a power supply side or a load side is consumed by the constant voltage element via the diode bridge.
前記電源に交流入力側が接続される第1のダイオードブリッジと、
前記負荷に交流入力側が接続される第2のダイオードブリッジと、
第1,第2のダイオードブリッジの正極同士の接続点と負極同士の接続点との間の電圧を監視する電圧監視手段と、
前記両接続点間に接続された単方向性半導体スイッチと、
前記両接続点間の電圧が前記双方向性半導体スイッチの定格電圧以下となるように前記単方向性半導体スイッチを活性状態でオンさせるための駆動手段と、を備え、
前記双方向性半導体スイッチの全オフ時に、電源側または負荷側の誘導性エネルギーを前記ダイオードブリッジを介してオン状態の前記単方向性半導体スイッチにより消費することを特徴とする電力変換回路。 In a power conversion circuit for converting an AC voltage of a power supply into an AC voltage having a predetermined frequency and magnitude by turning on and off a plurality of bidirectional semiconductor switches and supplying the AC voltage to a load,
A first diode bridge having an AC input connected to the power supply;
A second diode bridge having an AC input connected to the load;
Voltage monitoring means for monitoring a voltage between a connection point between the positive electrodes of the first and second diode bridges and a connection point between the negative electrodes,
A unidirectional semiconductor switch connected between the two connection points,
Driving means for turning on the unidirectional semiconductor switch in an active state so that the voltage between the two connection points is equal to or less than the rated voltage of the bidirectional semiconductor switch,
A power conversion circuit, wherein when the bidirectional semiconductor switch is completely turned off, inductive energy on a power supply side or a load side is consumed by the unidirectional semiconductor switch in an on state via the diode bridge.
前記電源に交流入力側が接続される第1のダイオードブリッジと、
前記負荷に交流入力側が接続される第2のダイオードブリッジと、
第1,第2のダイオードブリッジの正極同士の接続点と負極同士の接続点との間の電圧を監視する電圧監視手段と、
前記両接続点間に接続された抵抗及び単方向性半導体スイッチの直列回路と、
前記両接続点間の電圧が前記双方向性半導体スイッチの定格電圧以下となるように前記単方向性半導体スイッチを活性状態でオンさせるための駆動手段と、を備え、
前記双方向性半導体スイッチの全オフ時に、電源側または負荷側の誘導性エネルギーを前記ダイオードブリッジを介して前記抵抗及びオン状態の前記単方向性半導体スイッチにより消費することを特徴とする電力変換回路。 In a power conversion circuit for converting an AC voltage of a power supply into an AC voltage having a predetermined frequency and magnitude by turning on and off a plurality of bidirectional semiconductor switches and supplying the AC voltage to a load,
A first diode bridge having an AC input connected to the power supply;
A second diode bridge having an AC input connected to the load;
Voltage monitoring means for monitoring a voltage between a connection point between the positive electrodes of the first and second diode bridges and a connection point between the negative electrodes,
A series circuit of a resistor and a unidirectional semiconductor switch connected between the two connection points,
Driving means for turning on the unidirectional semiconductor switch in an active state so that the voltage between the two connection points is equal to or less than the rated voltage of the bidirectional semiconductor switch,
A power conversion circuit, wherein when the bidirectional semiconductor switch is completely turned off, inductive energy on a power supply side or a load side is consumed by the resistor and the unidirectional semiconductor switch in an on state via the diode bridge. .
前記電圧監視手段及び駆動手段の機能を、第1,第2のダイオードブリッジの正極にカソードが接続され、かつ、前記単方向性半導体スイッチの制御端子にアノードが接続されたツェナーダイオードにより実現したことを特徴とする電力変換回路。 The power conversion circuit according to claim 2 or 3,
The functions of the voltage monitoring means and the driving means are realized by a Zener diode in which a cathode is connected to the positive electrodes of the first and second diode bridges and an anode is connected to the control terminal of the unidirectional semiconductor switch. A power conversion circuit characterized by the above-mentioned.
第1,第2のダイオードブリッジの同士の接続点と負極同士の接続点との間に、前記単方向性半導体スイッチの誤オン動作を防止するためのコンデンサを接続したことを特徴とする電力変換回路。 The power conversion circuit according to claim 2, 3 or 4,
Power conversion, characterized in that a capacitor for preventing erroneous ON operation of the unidirectional semiconductor switch is connected between a connection point between the first and second diode bridges and a connection point between the negative electrodes. circuit.
第1,第2のダイオードブリッジの正極同士の接続点と負極同士の接続点との間に接続されたコンデンサと、
前記両接続点間の電圧を監視する電圧監視手段と、
前記両接続点間に接続された抵抗及び第1の単方向性半導体スイッチの直列回路と、
前記両接続点間の電圧が前記双方向性半導体スイッチの定格電圧以下となるように第1の単方向性半導体スイッチをオンさせるための駆動手段と、
を備え、
前記双方向性半導体スイッチの全オフ時に、電源側または負荷側の誘導性エネルギーを前記ダイオードブリッジを介して前記コンデンサにより吸収し、かつ、第1の単方向性半導体スイッチ及び前記定電圧素子を順次オンさせて前記抵抗及び前記定電圧素子により電源側または負荷側の誘導性エネルギーを消費することを特徴とする電力変換回路。 The power conversion circuit according to claim 1,
A capacitor connected between a connection point between the positive electrodes of the first and second diode bridges and a connection point between the negative electrodes,
Voltage monitoring means for monitoring the voltage between the two connection points,
A series circuit of a resistor and a first unidirectional semiconductor switch connected between the two connection points;
Driving means for turning on the first unidirectional semiconductor switch so that the voltage between the two connection points is equal to or less than the rated voltage of the bidirectional semiconductor switch;
With
When the bidirectional semiconductor switch is completely turned off, inductive energy on the power supply side or load side is absorbed by the capacitor through the diode bridge, and the first unidirectional semiconductor switch and the constant voltage element are sequentially connected. A power conversion circuit characterized by turning on to consume inductive energy on a power supply side or a load side by the resistor and the constant voltage element.
前記ツェナーダイオードのアノードと第1,第2のダイオードブリッジの負極同士の接続点との間に、抵抗を接続したことを特徴とする電力変換回路。 The power conversion circuit according to claim 4,
A power conversion circuit, wherein a resistor is connected between an anode of the Zener diode and a connection point between the negative electrodes of the first and second diode bridges.
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