JP2007274818A - Rectifying device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は整流装置に係り、特に損失及び力率特性を改善した整流装置に関する。 The present invention relates to a rectifier, and more particularly to a rectifier having improved loss and power factor characteristics.
交流電力を直流電力へ変換するために、ダイオードブリッジによる全波整流回路が広く使用されている。しかし、入力側の交流電源から流入する電流が歪むため、力率が悪く、高調波が電源系統へと流出してしまう問題がある。この電流歪みを抑制するために入力リアクトルを挿入すると、力率はある程度改善されるものの全波整流回路に対して入力リアクトルの体積、重量が非常に大きくなってしまう問題がある。 In order to convert AC power into DC power, a full-wave rectifier circuit using a diode bridge is widely used. However, since the current flowing from the AC power supply on the input side is distorted, there is a problem that the power factor is bad and harmonics flow out to the power supply system. When an input reactor is inserted to suppress this current distortion, the power factor is improved to some extent, but there is a problem that the volume and weight of the input reactor become very large with respect to the full-wave rectifier circuit.
このような技術課題に対し、交流電源の電圧を整流する全波整流回路の出力端に昇圧リアクトルと電力用半導体スイッチング素子からなる直列回路を、電力用半導体スイッチング素子の両端には高速ダイオードと、負荷と並列に接続された平滑コンデンサとからなる直列回路を設け、電力用半導体スイッチング素子を交流電源の電流波形が正弦波に一致するように制御して力率を改善し、高調波も低減する整流装置の提案が為されている(例えば特許文献1参照。)。
特許文献1に示された手法によれば、力率を改善し、高調波も低減することが可能ではあるが、以下の点について問題があった。 According to the technique disclosed in Patent Document 1, it is possible to improve the power factor and reduce harmonics, but there are problems with respect to the following points.
即ち、新たに追加された上記高速ダイオードに電流が流れると、順方向電圧(例えば1.2V)が発生し、導通損失が発生する。全波整流回路においては、交流電源から負荷を流れて交流電源に戻ってくる電流経路にダイオードは2個あるが、特許文献1の手法を採用すると、力率を改善するために設けた高速ダイオードが上記に加わり、電流経路のダイオードは3個となって導通損失が増大してしまう。 That is, when a current flows through the newly added high-speed diode, a forward voltage (for example, 1.2 V) is generated and a conduction loss is generated. In the full-wave rectifier circuit, there are two diodes in the current path that flows from the AC power supply to the AC power supply and returns to the AC power supply. However, when the technique of Patent Document 1 is adopted, a high-speed diode provided to improve the power factor In addition to the above, there are three diodes in the current path, and the conduction loss increases.
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、力率を改善し、高調波も低減し、且つ小型化、高効率化することが可能な整流装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a rectifier that can improve power factor, reduce harmonics, and reduce the size and increase the efficiency. .
上記目的を達成するために、本発明の整流装置は、正側アームに使用する第1の高速ダイオードと、負側アームに使用する第1の整流ダイオードをブリッジ接続して構成し、単相または多相の交流電源から与えられる交流電圧を直流電圧に変換する全波整流回路と、
前記全波整流回路の各相の交流入力端子に夫々アノード端子が接続され、カソード端子が夫々互いに接続された第2の整流ダイオードと、前記第2の整流ダイオードのカソード端子に正電極が、前記全波整流回路の負側出力端子に負電極が接続された電力用半導体スイッチング素子と、前記交流電源側から見た力率を改善するように前記電力用半導体スイッチング素子を高速でオン/オフさせる制御回路とを備えて成ることを特徴としている。
In order to achieve the above object, a rectifier of the present invention is configured by bridging a first high-speed diode used for a positive arm and a first rectifier diode used for a negative arm, A full-wave rectifier circuit that converts an AC voltage supplied from a polyphase AC power source into a DC voltage;
A second rectifier diode having an anode terminal connected to an AC input terminal of each phase of the full-wave rectifier circuit and a cathode terminal connected to each other, and a positive electrode to the cathode terminal of the second rectifier diode, The power semiconductor switching element having a negative electrode connected to the negative output terminal of the full-wave rectifier circuit, and the power semiconductor switching element are turned on / off at high speed so as to improve the power factor viewed from the AC power supply side. And a control circuit.
本発明によれば、力率を改善し、高調波も低減し、且つ小型化、高効率化することが可能な整流装置を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the rectifier which can improve a power factor, reduce a harmonic, can be reduced in size, and can be highly efficient can be provided.
以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1は、本発明の実施例1に係る整流装置の回路構成図である。 FIG. 1 is a circuit configuration diagram of a rectifier according to Embodiment 1 of the present invention.
交流電源1から与えられる交流電圧を、入力リアクトル2を介して全波整流回路3で全波整流している。全波整流回路3は正側アームの高速ダイオード31、32及び負側アームの整流ダイオード34、35がブリッジ接続された構成となっており、その正側出力端子P及び負側出力端子Nから平滑コンデンサ4を介して負荷5に直流電圧を供給している。ここで、高速ダイオードとは通常の整流ダイオードに対し、リカバリータイムが短く逆回復損失の少ないダイオードを言う。
The AC voltage supplied from the AC power source 1 is full-wave rectified by the full-wave rectifier circuit 3 via the input reactor 2. The full-wave rectifier circuit 3 has a configuration in which high-
入力リアクトル2の各相出力と全波整流回路3の負側出力端子Nの間には、力率改善回路6が接続されている。力率改善回路6は、入力リアクトル2の各相出力にアノード電極が夫々接続され、そのカソード端子が夫々互いに接続された整流ダイオード61、62と、整流ダイオード61及び整流ダイオード62のカソード端子に正電極が、全波整流回路3の負側出力端子Nに負電極が夫々接続された電力用スイッチング素子64によって構成されている。
A power factor correction circuit 6 is connected between each phase output of the input reactor 2 and the negative output terminal N of the full-wave rectifier circuit 3. The power factor correction circuit 6 is connected to
電力用スイッチング素子64は、内部の図示を省略した制御回路7からの制御信号によって全波整流回路3の入力力率を改善し、全波整流回路3の入力電流が正弦波となるようにオン/オフ制御されている。そしてこのオン/オフ制御のキャリア周波数は、例えば数kHz〜数百kHzと高周波に設定するのが普通である。このため、高速ダイオード31、32には高周波の逆電圧が加わることになり、逆回復損失が発生する。従って、高速ダイオード31、32は逆回復損失が少ない高速ダイオードを使用する。一方、整流ダイオード34、35は交流電源1の商用周波数(例えば50Hz)で動作するので順方向電圧が低い整流ダイオードを使用する。
The
以下、図1の構成による整流装置の動作について説明する。 Hereinafter, the operation of the rectifier having the configuration shown in FIG. 1 will be described.
交流電源1の電圧を入力リアクトル2を介して全波整流回路3で全波整流した整流電圧を、平滑コンデンサ4で平滑化し、低リップルの直流電圧にする。ここで交流電源1から流れ込む電流即ち全波整流回路3の入力電流は、平滑コンデンサ4に充電された直流電圧が、交流電源1の電圧より低くなったときに流入する。つまり、全波整流回路3の入力電流は、交流電源1の電圧のピーク付近でのみ流れる歪み波形となることになる。 The rectified voltage obtained by full-wave rectifying the voltage of the AC power source 1 through the input reactor 2 by the full-wave rectifier circuit 3 is smoothed by the smoothing capacitor 4 to be a low ripple DC voltage. Here, the current flowing from the AC power source 1, that is, the input current of the full-wave rectifier circuit 3 flows when the DC voltage charged in the smoothing capacitor 4 becomes lower than the voltage of the AC power source 1. That is, the input current of the full-wave rectifier circuit 3 becomes a distorted waveform that flows only near the peak of the voltage of the AC power supply 1.
ここで、電力用半導体スイッチング素子64がオン状態になると、交流電源1→力率改善回路6のA点→電力用半導体スイッチング素子64→全波整流回路3の負側出力端子N→交流電源1という経路で電流が流れる。これにより、全波整流回路3のみでは交流電源1の電流が流れなかった期間に電流を流すことが可能となる。
Here, when the power
従って、この電力用半導体スイッチング素子64のオン/オフ動作を、全波整流回路3の入力電流が正弦波となり、且つ電圧位相と電流位相が一致するように制御すれば、整流装置の力率を改善し、全波整流回路3の入力電流の低次の高調波を低減することができる。 尚、以上の説明における全波整流回路3の入力電流とは、整流ダイオード61及び62を介して電力用半導体スイッチング素子64に流入する電流も含むものとしている。これは、制御回路7が交流電源1から見た装置の力率をほぼ1に改善するように電力用半導体スイッチング素子64をオン/オフ制御していることを示している。
Therefore, if the on / off operation of the power
このように、全波整流回路3の入力電流の低次の高調波を低減することにより、入力電流の脈動成分は実質的に電力用半導体スイッチング素子64のキャリア周波数のみとなる。従って入力リアクトル2のインダクタンス値を小さくすることができ、入力リアクトル2を小型、軽量化し、装置を高効率化することが可能となる。
In this way, by reducing the lower harmonics of the input current of the full-wave rectifier circuit 3, the pulsating component of the input current is substantially only the carrier frequency of the power
また、交流電源1から交流電源1に戻る主電流の電流経路にダイオードが2つしかないため、特許文献1に示された手法に比べダイオードの導通損失を低減することができる。更に、高周波の逆電圧が加わる高速ダイオード31、32には逆回復電流に起因する逆回復損失が少ない高速ダイオードを使用することにより、ダイオードの逆回復損失を低減することができる。
Moreover, since there are only two diodes in the current path of the main current returning from the AC power supply 1 to the AC power supply 1, the conduction loss of the diode can be reduced as compared with the technique disclosed in Patent Document 1. Furthermore, the reverse recovery loss of the diode can be reduced by using the
図2に本発明の実施例2に係る整流装置の回路構成図を示す。この実施例2の各部について、図1の実施例1に係る整流装置の回路構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例2が実施例1と異なる点は、力率改善回路6A内の電力用スイッチング素子64の正電極にアノード端子を、全波整流回路3の正側出力点Pにカソード端子を接続した高速ダイオード65を設けた点である。
FIG. 2 shows a circuit configuration diagram of a rectifier according to Embodiment 2 of the present invention. In each part of the second embodiment, the same parts as those in the circuit configuration diagram of the rectifier according to the first embodiment shown in FIG. The second embodiment differs from the first embodiment in that an anode terminal is connected to the positive electrode of the
電力用半導体スイッチング素子64がオン状態からオフ状態になるときを考える。このとき、主電流は入力リアクトル2に蓄積されたエネルギーにより、交流電源1→全波整流回路3の正側出力端子P→平滑コンデンサ4と負荷5の並列回路→全波整流回路3の負側出力端子N→交流電源1という経路で電流が流れる。ここで、力率改善回路6Aの整流ダイオード61、62から電力用半導体スイッチング素子64までの配線に配線寄生インダクタンスLが存在するため、電力用半導体スイッチング素子64がオフ状態に移行する過渡状態においてLdi/dt分のサージ電圧が発生し、電力用半導体スイッチング素子64に印加される。このとき、電力用半導体スイッチング素子64の正負極間の電圧が、平滑コンデンサ4の両端の電圧を超えると高速ダイオード65がオンする。従って、電力用半導体スイッチング素子64の正負極間の電圧は平滑コンデンサ4の両端の電圧にクランプされる。
Consider a case where the power
このように高速ダイオード65は、電力用半導体スイッチング素子64に加わるサージ電圧を抑制し、電力用半導体スイッチング素子64の過電圧を保護する働きをする。従って、高速ダイオード65の電流容量を高速ダイオード31、32に対して十分小さく選定することが可能となる。尚、交流電源1から力率改善回路6Aの整流ダイオード61、62及び高速ダイオード65を通って平滑コンデンサ4と負荷5の並列回路に電流を流す経路が形成されるが、この経路は2つのダイオードを直列に経由するため、順方向電圧降下が大きい。従って、主電流は高速ダイオード31、32のうち何れか1つしか経由しない全波整流回路3の正側出力端子Pを通って平滑コンデンサ4と負荷5の並列回路に流れる。つまり、高速ダイオード65には主電流が流れないため、上述の通り小容量素子の適用が可能となる。
Thus, the high-
以上説明したように、本発明の実施例2によれば、低損失である高速ダイオードを追加することによって電力用半導体スイッチング素子の過電圧保護を行なうことが可能となる。 As described above, according to the second embodiment of the present invention, the overvoltage protection of the power semiconductor switching element can be performed by adding the high-speed diode having a low loss.
図3に本発明の実施例3に係る整流装置の回路構成図を示す。この実施例3の各部について、図1の実施例1に係る整流装置の回路構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例2が実施例1と異なる点は、交流電源1A、入力リアクトル2Aを3相構成とした点、全波整流回路3Aは追加された相に対して高速ダイオード33と整流ダイオード36を設けて3相ブリッジ接続の構成とした点、及び力率改善回路6Bの入力側に追加された相からA点に電流を流す方向に整流ダイオード63を設けた点である。
FIG. 3 shows a circuit configuration diagram of a rectifier according to Embodiment 3 of the present invention. In each part of the third embodiment, the same parts as those in the circuit configuration diagram of the rectifier according to the first embodiment shown in FIG. The difference between the second embodiment and the first embodiment is that the AC power supply 1A and the
交流電源1Aが3相である場合、全波整流回路3Aが3相ブリッジで構成され、力率改善回路6Bの整流ダイオードも整流ダイオード61、62及び63と各相毎に3相分を設ける構成となる。各構成部品の働きは基本的に実施例1の単相の場合と同じであるのでその説明は省略する。
When the AC power supply 1A has three phases, the full-
このように構成される本発明の実施例3に係る整流装置においても、電力用半導体スイッチング素子64を高速にオン/オフすることにより交流電源1Aから見た力率を改善し、入力リアクトル2Aを小型、軽量化して装置を高効率化することができる。
Also in the rectifier according to Embodiment 3 of the present invention configured as described above, the power factor viewed from the AC power source 1A is improved by turning on / off the power
また、実施例2に示したように、力率改善回路6B内の電力用スイッチング素子64の正電極にアノード端子を、全波整流回路3Aの正側出力点Pにカソード端子を接続した高速ダイオードを設けることによって電力用半導体スイッチング素子64に加わるサージ電圧を抑制することが可能となる。
Further, as shown in the second embodiment, a high-speed diode having an anode terminal connected to the positive electrode of the
以上述べた実施例1乃至実施例3における高速ダイオードには、ユニポーラダイオードを適用するのが良い。ユニポーラダイオードとしては、ショットキーバリアダイオード(SBD)または、ジャンクションコントロールドバリアショットキーダイオード(JBS)が適用可能である。 A unipolar diode is preferably used as the high-speed diode in the first to third embodiments described above. As the unipolar diode, a Schottky barrier diode (SBD) or a junction controlled barrier Schottky diode (JBS) can be applied.
ユニポーラダイオードはバイポーラダイオードと異なり、少数キャリアの蓄積がなく逆回復電荷が形成されないので、逆回復電流は本質的に流れない。ユニポーラダイオードは接合容量に蓄積する電荷があるが、その接合容量の充放電電流は僅かである。従って、高速ダイオードの損失を大幅に低減できる。更に、ユニポーラダイオードの適用によって、逆回復電流がスイッチングオン過渡状態の電力用半導体スイッチング素子64に流れ込むことがなくなるので、電力用半導体スイッチング素子64のターンオン損失も低減することが可能となる。
Unlike a bipolar diode, a unipolar diode has no minority carrier accumulation and no reverse recovery charge is formed, so that a reverse recovery current essentially does not flow. The unipolar diode has a charge stored in the junction capacitance, but the charge / discharge current of the junction capacitance is small. Therefore, the loss of the high speed diode can be greatly reduced. Further, the application of the unipolar diode prevents the reverse recovery current from flowing into the power
ユニポーラダイオードには、SBDを実用的に使用することができる。シリコン半導体において構築されるSBDにおいては、例えば200V以下の素子耐圧が実用的であるが、ワイドギャップ半導体において構築されるSBDにおいては、例えば200V以上の高耐圧を備えている。ユニポーラダイオードには、SBDと同等の特性を有するJBSを使用することもできる。 For the unipolar diode, SBD can be used practically. For example, an element breakdown voltage of 200 V or less is practical in an SBD constructed in a silicon semiconductor, whereas an SBD constructed in a wide gap semiconductor has a high breakdown voltage of, for example, 200 V or more. As the unipolar diode, JBS having the same characteristics as SBD can be used.
また、以上の実施例1乃至実施例3において、高速ダイオードに、ワイドギャップ半導体から成る高速ダイオードを適用すると更に損失低減が可能となる。このワイドギャップ半導体としては、SiC(シリコンカーバイド)、GaN(ガリウムナイトライド)、及びダイアモンドが適用可能である。 Further, in the first to third embodiments described above, if a high-speed diode made of a wide gap semiconductor is applied to the high-speed diode, the loss can be further reduced. As this wide gap semiconductor, SiC (silicon carbide), GaN (gallium nitride), and diamond are applicable.
ワイドギャップ半導体から成る高速ダイオードは、シリコン半導体に比べて絶縁破壊電界強度を1桁程度大きくすることができ、高速ダイオードの高耐圧化を実現できる。例えば、シリコン半導体ではバイポーラダイオードでしか使用できないような耐圧の高い高速ダイオードであっても、ワイドギャップ半導体ではユニポーラダイオードが実用可能となる。 A high-speed diode made of a wide-gap semiconductor can increase the breakdown electric field strength by an order of magnitude compared to a silicon semiconductor, and can realize a high breakdown voltage of the high-speed diode. For example, a unipolar diode can be practically used in a wide gap semiconductor even if it is a high-speed diode having a high breakdown voltage that can be used only in a bipolar diode in a silicon semiconductor.
ワイドギャップ半導体を利用して形成される高速ダイオードにおいては、シリコン半導体に比べて絶縁破壊電界強度を1桁程度大きくすることができ、高耐圧の高速ダイオードを実現できる。例えば、シリコン半導体では高速ダイオードにバイポーラダイオードでしか使用できないような高耐圧の高速ダイオードであっても、ワイドギャップ半導体ではユニポーラダイオードが使えるようになり、逆回復損失を大幅に低減させ、高速ダイオードの損失を低減できる。また、上述したように電力用半導体スイッチング素子64のターンオン損失を低減することができる。
In a high-speed diode formed using a wide gap semiconductor, the breakdown electric field strength can be increased by an order of magnitude compared to a silicon semiconductor, and a high-voltage diode with a high breakdown voltage can be realized. For example, even with high breakdown voltage high-speed diodes that can only be used with bipolar diodes as high-speed diodes in silicon semiconductors, unipolar diodes can be used in wide-gap semiconductors, greatly reducing reverse recovery loss, Loss can be reduced. Further, as described above, the turn-on loss of the power
更に、実施例1乃至実施例3の整流装置において、電力用半導体スイッチング素子64にワイドギャップ半導体を適用すると損失をより低減することが可能となる。
Furthermore, in the rectifiers of the first to third embodiments, if a wide gap semiconductor is applied to the power
ワイドギャップ半導体を利用して形成される電力用半導体スイッチング素子においては、シリコン半導体に比べて絶縁破壊電界強度を1桁程度大きくすることができ、絶縁破壊耐圧を保持するためのドリフト層を1/10程度まで薄くすることができるので、電力用半導体スイッチング素子の導通損失を低減することができる。また、ワイドギャップ半導体はシリコン半導体に比べ、飽和電子ドリフト速度を2倍程度大きくすることができるので、10倍程度の高周波化を実現することができる。ワイドギャップ半導体としては、SiC(シリコンカーバイド)、GaN(ガリウムナイトライド)、ダイアモンド等が適用可能である。 In a power semiconductor switching element formed using a wide gap semiconductor, the breakdown electric field strength can be increased by an order of magnitude compared to a silicon semiconductor, and a drift layer for maintaining a breakdown breakdown voltage can be provided. Since the thickness can be reduced to about 10, the conduction loss of the power semiconductor switching element can be reduced. In addition, since the wide gap semiconductor can increase the saturation electron drift velocity about twice as much as that of the silicon semiconductor, a high frequency of about 10 times can be realized. As the wide gap semiconductor, SiC (silicon carbide), GaN (gallium nitride), diamond, or the like is applicable.
1、1A 交流電源
2、2A 入力リアクトル
3、3A 全波整流回路
4 平滑コンデンサ
5 負荷
6、6A、6B 力率改善回路
7 制御回路
31、32、33 高速ダイオード
34,35、36 整流ダイオード
61、62、63 整流ダイオード
64 電力用半導体スイッチング素子
65 高速ダイオード
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 1A
31, 32, 33 High-
61, 62, 63
Claims (9)
前記全波整流回路の各相の交流入力端子に夫々アノード端子が接続され、カソード端子が夫々互いに接続された第2の整流ダイオードと、
前記第2の整流ダイオードのカソード端子に正電極が、前記全波整流回路の負側出力端子に負電極が接続された電力用半導体スイッチング素子と、
前記交流電源側から見た力率を改善するように前記電力用半導体スイッチング素子を高速でオン/オフさせる制御回路と
を備えて成る整流装置。 The first high-speed diode used for the positive arm and the first rectifier diode used for the negative arm are connected in a bridge to convert AC voltage supplied from a single-phase or multi-phase AC power source into DC voltage. A full-wave rectifier circuit,
A second rectifier diode having an anode terminal connected to the AC input terminal of each phase of the full-wave rectifier circuit and a cathode terminal connected to each other;
A power semiconductor switching element having a positive electrode connected to a cathode terminal of the second rectifier diode and a negative electrode connected to a negative output terminal of the full-wave rectifier circuit;
A rectifier comprising: a control circuit for turning on / off the power semiconductor switching element at high speed so as to improve a power factor seen from the AC power supply side.
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