JP2004537942A - 自動電圧分配能を有する直列パワースイッチブリッジ - Google Patents

Abstract

電子コントロール装置の分野における自動的な電圧分配能を持つ直列パワースイッチブリッジ。前記直列パワースイッチブリッジはパワースイッチブリッジと静−動電圧分配吸収回路（ＤＲｗＣ）ブリッジよりなる。前記パワースイッチブリッジは直列接続された数個のパワースイッチを構成する。静−動電圧分配吸収回路ブリッジにおけるＤＲｗＣ回路の数はパワースイッチの数と同数である。すべてのＤＲｗＣ回路と対応するパワースイッチの正極と負極はそれぞれ接続されている。前記ＤＲｗＣ回路はダイオード（Ｄ）、キャパシタンス（Ｃ）及び電圧調整器（Ｒｗ）よりなり、ダイオード（Ｄ）は並列接続された電圧調整器（Ｒｗ）とキャパシタンス（Ｃ）に直列に接続される。直列ＤＲｗＣ回路は直列パワースイッチにおける静電圧分配、動電圧分配及び反射電圧の吸収を処理することができる。このようにしてパワースイッチ直列ブリッジの作業許容性や電圧安定の精度を大きく向上させることができる。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明はパワーエレクトロニクス分野における周期変化調速機のパワースイッチブリッジに関する。
【背景技術】
【０００２】
電子パワースイッチはその優れた電子制御特性から、パワーエレクトロニクス分野においてチョッパにおけるＩＧＢＴブリッジ、ＩＧＢＴブリッジ並びに高電圧及び中電圧変圧器等に広く用いられている。通常、電子パワースイッチは耐電圧性が低い。高圧回路において数個のパワースイッチを直列に接続した場合、スイッチオン時に遅くスイッチングしたパワースイッチ、もしくはスイッチオフ時に先にスイッチングしたパワースイッチは、各スイッチ間に生じたスイッチングの時間差に起因する過度の高電圧や、巻線インダクタのｄｉ／ｄｔにより誘導された過電圧を受けて損傷するため、従来、パワースイッチを直列接続して使用することは非常に困難であった。そのため、現在高電圧回路に用いられている一般的な方法の一つは周波数シフト主変換器によるもので、直列ＩＧＢＴ Ａ−Ｄ−Ａブリッジ法、すなわち”Ｈ”ブリッジの重ね合わせ法である（非特許文献１参照）。これらの方法は複雑な構造、製造の困難さ、高いコスト及び高いエラー比率といった欠点がある。
【非特許文献１】
Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｄｒｉｖｉｎｇ、Ｔｉａｎｊｉｎ Ｒｅｓｅｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｄｒｉｖｉｎｇ、２０００，２，ｐ３−６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明の目的は上述した欠点を克服し、低電圧用電子パワースイッチを直接直列に接続して形成される直列パワースイッチブリッジにおいて、静電圧分配機能、動的電圧分配機能及び反射電圧吸収機能を有する直列パワースイッチブリッジを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の目的を達成するする直列パワースイッチブリッジは、パワースイッチブリッジと静−動電圧分配吸収回路ＤＲｗＣブリッジより構成される。前記パワースイッチブリッジは連続した数個のパワースイッチにより構成される。静−動電圧分配吸収回路ブリッジにおけるＤＲｗＣ回路の数はパワースイッチの数と同じである。各ＤＲｗＣ回路の正極及び負極はそれぞれ対応するパワースイッチに接続されている。前記ＤＲｗＣ回路はダイオードＤ、キャパシタＣ及び電圧調整器Ｒｗより構成され、ダイオードＤは並列接続された電圧調整器ＲｗとキャパシタＣからなる回路と直列接続されている。
【０００５】
本発明の原理を以下に示す。
【０００６】
電子パワースイッチが作動していない時、ＤＲｗＣ回路における電圧調整器Ｒｗは直列接続されたパワースイッチに対して静電圧分配を行う。オンもしくはオフのスイッチングが電子パワースイッチで行われた時に、スイッチングの時間的な不一致もしくはｄｉ／ｄｔに従い巻線インダクタにより発生した過電圧は、まずＤＲｗＣ回路におけるキャパシタＣが充電されることにより吸収される。充電されることによりキャパシタＣの電圧は上昇し、この電圧上昇を検出すると前記Ｒｗは新たに発生した充電エネルギーを速やかに放電するため、キャパシタＣの電圧は所定の値もしくはそれ以下に維持される。このようにして直列接続された電子パワースイッチにおいて、各パワースイッチのスイッチングが同期しないことによる焼き付きの問題は解決される。
【０００７】
ＤＲｗＣ回路の故障により高電圧がパワースイッチにかかる場合、もしくは回路内における高いサージ電流の発生や回路のショートによりキャパシタの帯電圧が所定値を超える場合を想定して、状況検出回路Ｔと各ＤＲｗＣ回路に並列接続された数個のサージ吸収器より構成される保護回路をさらに備えることができる。前記状況検出回路はコンパレータＡ、ダイオードＤＬ、ＤＨ及びレジスタＲ３、Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６より構成されており、ＤＬのアノード並びにＲ５及びＲ６の一端はコンパレータＡのピン１に接続され、ＤＬのカソードはＲ４の一端に接続され、Ｒ５の他端はＤＨのアノードとＲ３の一端に接続され、Ｒ６の他端はパワースイッチ直列ブリッジの負極に接続され、前記状況検出回路の高レベル検出極は先頭のＤＲｗＣ回路の正極に接続され、前記状況検出回路の低レベル検出局は最後尾のＤＲｗＣ回路の負極に接続されている。前述のようなキャパシタＣの帯電圧が所定値を超える状況が発生した場合、各ＤＲｗＣ回路（及び各パワースイッチ）に対して並列に接続されたサージ吸収器はこうした過電圧を極めて短時間のうちに放電することにより、異常な状況下での過電圧による破損からパワースイッチを保護している。また、電流が一定時間を超えてサージ吸収器に流れた場合や、電子パワースイッチの制御ループが故障することによりスイッチが作動しなくなった場合、状況検出回路はこれを検知して即座に制御回路に処理信号を出力する。このようにすることで、直列電子パワースイッチブリッジの作動はより安全なものとなっている。
【０００８】
前記パワースイッチブリッジはＩＧＢＴ、ＩＥＧＴ、ＩＧＣＴ、ＧＣＴ、ＧＴＯ等の各種電子パワースイッチにより構成されていてもよい。また、本発明の出願人による中国特許ＺＬ００２２３７３３に記載の容量性の主回路基板とそれに接続された数個のＩＧＢＴからなる直接接続型直列高電圧ブリッジを備えていてもよい。容量性の主回路基板は、配線インダクタンスを発生せずに容量特性を示すことから、誘導負荷により発生した反射電圧を効率的に吸収するほか、高周波数の高調波を吸収することによりバス上のＤＣフィルタリングキャパシタへの負荷を軽減することができる。このようにすることで、直列ＩＧＢＴの使用に対する信頼性をさらに確実なものにしている。
【０００９】
直列パワースイッチブリッジには、ＤＲｗＣ回路が直列パワースイッチに対して帯電圧分配、電圧分配、電圧のクランプ及び反射電圧の吸収を行うという利点がある。直列パワースイッチブリッジの作動の信頼性は、構造が単純であり、また部品数が少ないことから大きく向上している。また直列パワースイッチブリッジの電圧安定化の精度はＤＲｗＣ回路の電圧調整器により大きく向上している。このように、直列接続したパワースイッチの使用に係る問題は解決されている。直列パワースイッチブリッジは周期制御、インバータ、波状曲線のチョッピング、直流送電、無効電力補償などの各種電子制御装置に用いることができる。
【００１０】
以下に添付した図面と実施例を用いて本発明をさらに詳細に説明するが、当然ながら本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１〜図３を参照すると、直列パワースイッチブリッジは筐体１に搭載されたパワースイッチブリッジ２と静−動電圧分配吸収回路（ＤＲｗＣ）ブリッジ３より構成される。本実施例における前記パワーブリッジ２は連続したＩＧＢＴ１、ＩＧＢＴ２．．．．．ＩＧＢＴＮからなる数個のパワースイッチより構成される。静−動電圧分配吸収回路（ＤＲｗＣ）ブリッジの数はパワースイッチの数と同数であり、各ＤＲｗＣの正極及び負極は対応するパワースイッチの正極及び負極とそれぞれ接続されている。前記ＤＲｗＣ回路はダイオードＤ、キャパシタＣ、及び電圧調整器Ｒｗより構成されており、ダイオードＤは並列接続された電圧調整器ＲｗとキャパシタＣに対して直列に接続されている。製造工程において、ＤＲｗＣ回路とパワースイッチは前記のように接続されてモジュールを形成してもよく、その場合数個のモジュールを直列に接続して本発明の直列パワースイッチブリッジとしてもよい。同様にして、前記モジュールは２個のＤＲｗＣ回路と２個のパワースイッチ、３個のＤＲｗＣ回路と３個のパワースイッチ等により形成されていてもよい。こうした場合、損傷した一部品の交換が容易になるという利点がある。
【００１２】
前記電圧調整器Ｒｗとしては、高電圧用ツェナーダイオードもしくはチョッパ電圧調整器が挙げられる。図３は、チョッパ電圧調整器の回路図であり、パワーＭＯＳトランジスタＭ、コンパレータＢ、電圧分割レジスタＲ７とＲ８及び電力消費レジスタＲｘより構成される典型的なチョッパ電圧調整器を示している。キャパシタＣの電圧が所定値を超えたとき（すなわちＶａ＞Ｖｂ）、電圧コンパレータＢが反転してパワーＭＯＳトランジスタＭのスイッチが入り、レジスタＲｘでエネルギーが消耗される。このようにしてキャパシタＣにおける電圧は所定値より低く維持される。前記電圧調整器Ｒｗの機能は自動的な可変抵抗と同様であり、定常状態ではＲ＝Ｒ７＋Ｒ８となり、過電圧状態ではＲ＝Ｒｘ（Ｒｘ＜＜Ｒ７＋Ｒ８）となる。このようにしてキャパシタＣの放電時間を大幅に短縮するほか、電圧安定化の精度を向上させている。
【００１３】
図２によれば、ＤＲｗＣ回路におけるキャパシタＣの帯電圧が所定値を超えないようにするために、状況検出回路ＴとＤＲｗＣ回路と並列に接続された数個のサージ吸収器ＬＹからなる保護回路をさらに備えることができる。前記状況検出回路はコンパレータＡ、ダイオードＤＬ、ＤＨ及びレジスタＲ３、Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６より構成されており、ＤＬのアノード及びＲ５とＲ６の一端はコンパレータＡのピン１に接続され、ＤＬのカソードはＲ４の一端に接続され、Ｒ５の他端はＤＨのアノードとＲ３の一端に接続され、Ｒ６の他端はパワースイッチ直列ブリッジの負極に接続され、前記状況検出回路の高レベル検出極は先頭のＤＲｗＣ回路の正極に接続され、前記状況検出回路の低レベル検出極は最後尾のＤＲｗＣ回路の負極に接続されている。キャパシタＣの電圧が所定値を超えた場合、各ＤＲｗＣ回路（及び各ＩＧＢＴ）に並列に接続されたサージ吸収器ＬＹはこの過電圧を極めて短時間のうちに放電することにより、異常な状況下での過電圧による破損からパワースイッチを保護している。電流が一定時間を超えてサージ吸収器に流れた場合や、電子パワースイッチの制御ループが故障することでスイッチが作動しなくなった場合、状況検出回路はこれを検知して即座に制御回路に処理信号を出力する。このようにすることで、直列電子パワースイッチブリッジの作動はより安全なものとなっている。
【００１４】
ＩＧＢＴの他にも、前記パワースイッチブリッジはＩＥＧＴ、ＩＧＣＴ、ＧＣＴ、ＧＴＯ等の各種電子パワースイッチにより構成されていてもよい。また、本発明の出願人による中国特許ＺＬ００２２３７３３に記載の容量性の主回路基板とそれに接続された数個のＩＧＢＴからなる直接接続型直列高電圧ブリッジを備えていてもよい。図４によれば、図５は図４の等価回路である。容量性の主回路基板は、配線インダクタンスを発生せずに容量特性を示すことから、誘導負荷により発生した反射電圧を効率的に吸収するほか、高周波数の高調波を吸収することによりバス上のＤＣフィルタリングキャパシタへの負荷を軽減することができる。このようにすることで、直列ＩＧＢＴの使用における信頼性をさらに確実なものにしている。
【００１５】
図６は異なる方法で接続したＤＲｗＣの等価回路である。キャパシタＣの一端は電圧調整器Ｒｗの一端と接続されてプラス入力を形成し、またキャパシタＣの他端は電圧調整器Ｒｗの一端とダイオードＤのアノードに接続され、ダイオードＤのカソードがマイナス出力となっている。
【００１６】
図７は簡略化した状況検出回路の具体例であり、直列ブリッジは２個のＩＧＢＴより構成されている。この回路は図３に示した状況検出回路のＲ３を省略し、ＤＬの極を逆転することで簡略化したものであり、作動原理は図３の回路と同様である。すなわち、駆動信号Ｖ１が正であり、直列接続された２個のＤＲｗＣ回路の端末電圧が高レベルである場合、コンパレータのピン３が保護信号を出力する。また駆動信号Ｖ１が負であり、直列接続された２個のＤＲｗＣ回路の端末電圧が低レベルである場合、コンパレータのピン３は低レベルを出力する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の概略構成図である。
【図２】本実施例の回路図である。
【図３】チョッパ電圧調整器の回路図である。
【図４】他のＩＧＢＴ直列ブリッジの概略構成図である。
【図５】図４の等価回路図である。
【図６】他のＤＲｗＣ等価回路図である。
【図７】２つのＩＧＢＴが直列接続を有する簡略化した状況検出回路である。

Claims (5)

1. 自動電圧分配直列パワースイッチブリッジにおいて、前記直列パワースイッチブリッジはパワースイッチブリッジと静−動電圧分配吸収回路（ＤＲｗＣ）ブリッジにより構成され、前記パワースイッチブリッジは複数個の直列接続されたパワースイッチにより構成され、前記静−動電圧分配吸収回路ブリッジは前記パワースイッチの数と同数である複数個の直列に接続された静−動電圧分配吸収回路により構成され、各静−動電圧分配吸収回路の正極と負極は対応する前記パワースイッチの正極と負極に接続され、前記静−動電圧分配回路はダイオードＤ、キャパシタンスＣ及び電圧調整器Ｒｗからなり、前記ダイオードＤは並列に接続された前記電圧調整器Ｒｗと前記キャパシタンスＣに対して直列に接続されていることを特徴とする自動電圧分配直列パワースイッチブリッジ。
2. 前記電圧調整器はチョッパ電圧調整器もしくは耐高電圧電圧調整器であることを特徴とする請求項１に記載の自動電圧分配直列パワースイッチブリッジ。
3. 前記パワースイッチブリッジはさらに保護回路を備え、前記保護回路は状況検出回路Ｔ及び前記各静−動電圧分配吸収回路に対して並列に接続された複数のサージ吸収器ＬＹを有し、前記状況検出回路はコンパレータＡ、ダイオードＤＬ、ＤＨ及びレジスタＲ３、Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６を有し、ＤＬのアノード並びにＲ５及びＲ６のそれぞれの一端はコンパレータＡのピン１に接続され、ＤＬのカソードはＲ４の一端に接続され、Ｒ５の他端はＤＨのアノードとＲ３の一端に接続され、Ｒ６の他端は前記パワースイッチ直列ブリッジの負極に接続され、前記状況検出回路の高レベル検出極は先頭の前記各静−動電圧分配吸収回路の正極に接続され、前記状況検出回路の低レベル検出極は最後尾の前記各静−動電圧分配吸収回路の負極に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の自動電圧分配直列パワースイッチブリッジ。
4. 前記直列パワースイッチブリッジは容量性の主回路基板と前記主回路基板に接続された複数の電子パワースイッチにより構成されること特徴とする請求項１に記載の自動電圧分配直列パワースイッチブリッジ。
5. 前記電子パワースイッチはＩＧＢＴ、ＩＧＲＴ、ＩＧＣＴ、ＧＣＴ及びＧＴＯのうちいずれかであることを特徴とする請求項４に記載の自動電圧分配直列パワースイッチブリッジ。