JP2009050080A - Snubber circuit - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はスナバ回路に係り、特にスイッチング電源等に用いられるスイッチング素子またはダイオード等の半導体素子に印加されるサージ電圧を抑制するに最適なスナバ回路に関する。 The present invention relates to a snubber circuit, and more particularly to a snubber circuit optimal for suppressing a surge voltage applied to a switching element used in a switching power supply or the like or a semiconductor element such as a diode.
従来、入力された直流電圧を半導体スイッチング素子によりスイッチングし、異なる直流電圧に変換して出力する直流コンバータ(DC−DCコンバータ)がある。このDC−DCコンバータの一種としては、一次側(電源側)と二次側(負荷側)とが変圧器によって絶縁された絶縁型DC−DCコンバータが知られている(例えば、特許文献1を参照)。
図8には、半導体スイッチング素子にMOSFETを用いて構成した絶縁型DC−DCコンバータの一例を示す。この絶縁型DC−DCコンバータ(以下、DC−DCコンバータと称する)は、2つのMOSFETのうち、一方のMOSFET(Q1またはQ3)のソースと、他方のMOSFET(Q2またはQ4)のドレインを接続した直列回路が2組並列に接続されてインバータ1を構成する。
オンオフ制御部3は、MOSFET(Q1,Q4)をそれぞれオンにする一方、MOSFET(Q2,Q3)をそれぞれオフにする状態(第1の状態)と、このオンとオフを入れ替えた状態(第2の状態)およびすべてのMOSFET(Q1,Q2,Q3,Q4)をオフする状態(第3の状態)を作る。そしてオンオフ制御部3は、第1〜第3の状態を高速で切り替え、変圧器Tの一次巻線T1に高周波の交流(矩形波)が印加されるように制御する。このように制御すると変圧器Tの二次巻線T2には、一次巻線T1に与えられた矩形波に従う電圧(交流)が生じる。この高周波交流の周波数は、変圧器Tの小形化、騒音防止のため一般的に10kHz以上とされる。
2. Description of the Related Art Conventionally, there is a DC converter (DC-DC converter) that switches an input DC voltage using a semiconductor switching element, converts the DC voltage into a different DC voltage, and outputs it. As a type of this DC-DC converter, an insulated DC-DC converter in which a primary side (power supply side) and a secondary side (load side) are insulated by a transformer is known (for example, see Patent Document 1). reference).
FIG. 8 shows an example of an insulated DC-DC converter configured using MOSFETs as semiconductor switching elements. This isolated DC-DC converter (hereinafter referred to as a DC-DC converter) has a source of one MOSFET (Q1 or Q3) and a drain of the other MOSFET (Q2 or Q4) of two MOSFETs connected. Two sets of series circuits are connected in parallel to constitute the
The on / off
二次巻線T2には、この二次巻線T2に生じた交流を整流する四個のダイオード(D1,D2,D3,D4)からなるダイオードブリッジ4が接続されている。このダイオードブリッジ4の出力は、脈流であるため、負荷5に直列および並列に直流リアクトルLおよび平滑コンデンサCからなる平滑回路6が設けられて平滑された直流が負荷5に供給される。
そうしてオンオフ制御部3は、上記第1〜第3の状態を高速で切り替えると共に、MOSFET(Q1,Q2,Q3,Q4)のオン期間とオフ期間の比率を制御することによって負荷5に印加される直流電圧値を調整する。
ちなみに上記MOSFET(Q1,Q2,Q3,Q4)のすべてをオフする期間(第3の状態)、すなわち変圧器Tの一次巻線T1に印加される電圧が[0V]となる期間においても、DC−DCコンバータは、直流リアクトルLに蓄えられた電磁エネルギーを放出し、負荷5に電流を供給し続ける(還流期間)。
DC−DCコンバータは、還流期間から変圧器Tに電圧が印加される第1の状態に移行するとダイオードD2,D3には逆電圧が印加されるため、ごく短時間に逆電流、すなわち逆回復電流を流した後、これを遮断する。このときの逆回復電流の供給源は、変圧器Tである。この変圧器Tの電流経路には、変圧器Tの漏れリアクタンスLeが存在する。このため漏れリアクタンスLeには、電流遮断時における電流変化率に応じた電圧(サージ電圧)が発生する。このとき発生したサージ電圧は、ダイオードD2,D3の両端に印加される。ダイオードD2,D3は、サージ電圧のレベルが高くなると破損するおそれがある。
Connected to the secondary winding T2 is a diode bridge 4 composed of four diodes (D1, D2, D3, D4) for rectifying the alternating current generated in the secondary winding T2. Since the output of the diode bridge 4 is a pulsating current, a smoothing circuit 6 including a DC reactor L and a smoothing capacitor C is provided in series and in parallel with the load 5, and smoothed DC is supplied to the load 5.
Thus, the on / off
Incidentally, even in a period (third state) in which all of the MOSFETs (Q1, Q2, Q3, Q4) are turned off, that is, in a period in which the voltage applied to the primary winding T1 of the transformer T is [0V] The DC converter releases the electromagnetic energy stored in the DC reactor L and continues to supply current to the load 5 (reflux period).
Since the reverse voltage is applied to the diodes D2 and D3 when the DC-DC converter shifts to the first state where the voltage is applied to the transformer T from the return period, the reverse current, that is, the reverse recovery current is very short. This is cut off after flowing. The source of reverse recovery current at this time is a transformer T. The leakage reactance Le of the transformer T exists in the current path of the transformer T. For this reason, a voltage (surge voltage) corresponding to the current change rate at the time of current interruption is generated in the leakage reactance Le. The surge voltage generated at this time is applied across the diodes D2 and D3. The diodes D2 and D3 may be damaged when the surge voltage level increases.
この対策としては、サージ電圧からダイオードブリッジ4を保護するスナバ回路を備えた電力変換装置が知られている(例えば、特許文献1を参照)。この特許文献1に示されるスナバ回路は、図8に示されるようにサージ電圧によって生じる電荷を蓄えてサージ電圧のエネルギーを吸収して該サージ電圧の急上昇を緩和するスナバコンデンサCsと、スイッチング素子に電圧が印加されていないときスナバコンデンサCsの不必要な放電を防止するスナバダイオードDsと、スナバ回路に流れる電流のピーク値を抑制し、またスナバ回路Csと回路上のインダクタンスとの共振を抑制するスナバ抵抗器Rsを有するスナバ回路10がダイオードブリッジ4と平滑回路6との間に設けられている。
スナバ回路10を備えたDC−DCコンバータにおいてダイオードD3の逆回復電流は、変圧器Tの二次巻線T2→漏れリアクタンスLe→ダイオードD1→ダイオードD3→変圧器Tの二次巻線T2の経路で流れる。このときダイオードD3がこの経路で流れる電流を遮断するが、変圧器Tの二次巻線T2→漏れリアクタンスLe→ダイオードD1→スナバダイオードDs→スナバコンデンサCs→ダイオードD4→変圧器Tの二次巻線T2の経路で電流が流れ続ける。このため漏れリアクタンスLeに流れる電流の時間変化(電流変化率)が抑制され、ダイオードD3に印加される電圧が低くなる。このときスナバコンデンサCsが充電され、その電圧は一端上昇するもののスナバ抵抗器Rsを介して放電されるので、次に充電されるサイクルが来るまでに充電前の電圧に復帰する。このスナバ回路10は、ダイオードブリッジ4から出力される電圧と、負荷5の両端に加わる電圧との差が小さいほどスナバ抵抗器Rsで消費される損失が小さくなる。
As a countermeasure against this, a power conversion device including a snubber circuit that protects the diode bridge 4 from a surge voltage is known (see, for example, Patent Document 1). As shown in FIG. 8, the snubber circuit disclosed in this
In the DC-DC converter provided with the
なお、ダイオードD2に対する作用も同様である。
あるいは図9に示す降圧チョッパを適用したスナバ回路を備えるDC/DC変換装置が知られている(例えば、特許文献2を参照)。このDC/DC変換装置は、前述した図8に示したDC−DCコンバータにおけるスナバ抵抗器Rsを、スイッチング素子(MOSFET)Q、リアクトルLf、およびダイオードDfに置き換えたものである。
この降圧チョッパは、MOSFET(Q)がオンするとリアクトルLfに流れる電流が増加し、オフするとその電流が減少する。したがってMOSFET(Q)のオン時間とオフ時間の比率を調整することでスナバコンデンサCsの電圧を平滑コンデンサCより高い、所定の範囲内に維持することができる。具体的には変圧器Tの一次巻線T1に印加される高周波交流に同期して半導体スイッチング素子Qをオンさせることでスナバ回路の電圧を整流電圧付近に維持することができ、スナバコンデンサCsの放電にともなう損失を最小限にすることができる。
あるいは蓄積時間が長いダイオードによるスナバ回路を適用したDC−DCコンバータが知られている(例えば、特許文献3を参照)。このDC−DCコンバータに適用されるスナバ回路は、変圧器の漏れリアクタンスと浮遊容量とに基づいて変圧器の巻線に生じる振動電圧の周期の1/2よりも長く、かつ整流回路に用いられるスイッチング素子の最小オフ期間よりも短い蓄積時間を有する整流ダイオードをスナバ回路に用いたものである。
Alternatively, a DC / DC converter including a snubber circuit to which the step-down chopper shown in FIG. 9 is applied is known (see, for example, Patent Document 2). In this DC / DC converter, the snubber resistor Rs in the DC-DC converter shown in FIG. 8 is replaced with a switching element (MOSFET) Q, a reactor Lf, and a diode Df.
In the step-down chopper, the current flowing through the reactor Lf increases when the MOSFET (Q) is turned on, and the current decreases when the MOSFET (Q) is turned off. Therefore, the voltage of the snubber capacitor Cs can be maintained within a predetermined range higher than that of the smoothing capacitor C by adjusting the ratio of the ON time and the OFF time of the MOSFET (Q). Specifically, the voltage of the snubber circuit can be maintained near the rectified voltage by turning on the semiconductor switching element Q in synchronization with the high-frequency alternating current applied to the primary winding T1 of the transformer T, and the snubber capacitor Cs Loss associated with discharge can be minimized.
Or the DC-DC converter which applied the snubber circuit by the diode with long storage time is known (for example, refer patent document 3). The snubber circuit applied to this DC-DC converter is longer than ½ of the period of the oscillating voltage generated in the winding of the transformer based on the leakage reactance and stray capacitance of the transformer, and is used for the rectifier circuit. A rectifier diode having an accumulation time shorter than the minimum off period of the switching element is used for the snubber circuit.
しかしながら上述した特許文献1に記載の電力変換装置におけるスナバ回路は、整流回路と出力電圧との差電圧が大きい場合、スナバ抵抗器Rsで発生する損失が大きくなるという問題がある。
例えば図8に示すDC−DCコンバータで入力電圧(直流電源2)が200Vであり、かつ変圧器Tの変圧比が1:1であって、負荷5の定格電圧が100Vである場合を想定する。この場合、例え変圧器Tに漏れリアクタンスLeが存在していなかったとしてもスナバコンデンサCsは、ダイオードブリッジ4の出力電圧Erのピークである200Vまで充電された後、還流期間に負荷の定格電圧Eoの100V付近まで放電される。またダイオードブリッジ4の出力電圧Erの印加中にスナバ抵抗器Rsの両端には、出力電圧Erと定格電圧Eoの差電圧100Vが印加される。
この操作を繰り返すため変圧器Tの漏れリアクタンスLeが保持するエネルギーより大きなエネルギーがスナバ抵抗器Rsから失われる。更に、実際には漏れリアクタンスLeとスナバコンデンサCsとが直列共振を起こすため、本来の印加電圧より高い電圧がスナバ抵抗Rsに加わり、放電損失がより大きくなるという問題もある。
もちろんこれらの問題は、スナバ抵抗器Rsの抵抗値を大きくすればある程度改善することが可能である。しかしスナバ抵抗Rsの抵抗値の増加は、DC−DCコンバータの作動条件下において、いかなる場合であっても、スナバコンデンサCsの放電不足によって過電圧を生じないレベルに留めなければならず、その効果は限定的になるという懸念がある。
However, the snubber circuit in the power conversion device described in
For example, assume that the DC-DC converter shown in FIG. 8 has an input voltage (DC power supply 2) of 200V, a transformation ratio of the transformer T of 1: 1, and a rated voltage of the load 5 of 100V. . In this case, even if the leakage reactance Le does not exist in the transformer T, the snubber capacitor Cs is charged to 200 V, which is the peak of the output voltage Er of the diode bridge 4, and then the rated voltage Eo of the load during the return period. To about 100V. Further, during the application of the output voltage Er of the diode bridge 4, a difference voltage 100V between the output voltage Er and the rated voltage Eo is applied to both ends of the snubber resistor Rs.
Since this operation is repeated, energy larger than the energy held by the leakage reactance Le of the transformer T is lost from the snubber resistor Rs. In addition, since the leakage reactance Le and the snubber capacitor Cs actually cause series resonance, a voltage higher than the original applied voltage is added to the snubber resistor Rs, and there is a problem that the discharge loss becomes larger.
Of course, these problems can be improved to some extent by increasing the resistance value of the snubber resistor Rs. However, the increase in the resistance value of the snubber resistor Rs must remain at a level that does not cause overvoltage due to insufficient discharge of the snubber capacitor Cs under any operating condition of the DC-DC converter. There is concern that it will be limited.
一方、特許文献2に記載のDC/DCコンバータに適用されるスナバ回路は、上述した問題点を解決するものではあるものの、降圧チョッパ回路を大容量としなければならないという問題がある。つまり、このDC/DCコンバータにおいて、スナバコンデンサCsの充電時における電流経路は、変圧器Tの二次巻線T2→漏れリアクタンスLe→ダイオードD1→スナバダイオードDs→スナバコンデンサCs→変圧器Tの二次巻線T2である。
したがって、この回路における起電力Erは、図10(a)に示したように漏れリアクタンスLeに生じる逆起電力ΔEと二次巻線T2の起電力E2の和となる。このためスナバコンデンサCsの両端における電圧Ecが図10(b)に示すようになるので、スナバコンデンサCsは、漏れリアクタンスLeが保持するエネルギーだけでなく、変圧器Tからもエネルギーを受け取ることになる。
漏れリアクタンスLeに生じる逆起電力ΔEは、スナバコンデンサCsのキャパシタンスによって調整することができるものの、逆起電力ΔEを抑制する目的から、二次巻線T2に誘起される起電力E2の10%程度以下とされる。
なお、変圧器Tの二次巻線T2と漏れリアクタンスLeに流れる電流は、共通であり、それらの電圧の比率は電力の比率に等しくなる。したがって漏れリアクタンスLeのエネルギーを電力換算すると、DC/DCコンバータの容量の数%程度であるにかかわらず、この理由によって降圧チョッパ回路は、装置容量の10〜20%もの余計な電力容量が必要となる。
On the other hand, the snubber circuit applied to the DC / DC converter described in Patent Document 2 has a problem that the step-down chopper circuit must have a large capacity, although it solves the above-described problems. That is, in this DC / DC converter, the current path when charging the snubber capacitor Cs is the secondary winding T2 of the transformer T → leakage reactance Le → diode D1 → snubber diode Ds → snubber capacitor Cs → transformer T. The next winding T2.
Therefore, the electromotive force Er in this circuit is the sum of the counter electromotive force ΔE generated in the leakage reactance Le and the electromotive force E2 of the secondary winding T2 as shown in FIG. For this reason, the voltage Ec at both ends of the snubber capacitor Cs becomes as shown in FIG. 10B, so that the snubber capacitor Cs receives energy not only from the leakage reactance Le but also from the transformer T. .
Although the back electromotive force ΔE generated in the leakage reactance Le can be adjusted by the capacitance of the snubber capacitor Cs, about 10% of the electromotive force E2 induced in the secondary winding T2 for the purpose of suppressing the back electromotive force ΔE. It is as follows.
Note that the current flowing through the secondary winding T2 of the transformer T and the leakage reactance Le is common, and the ratio of these voltages is equal to the ratio of power. Therefore, when the energy of the leakage reactance Le is converted into electric power, the step-down chopper circuit requires an extra power capacity of 10 to 20% of the apparatus capacity for this reason, regardless of the capacity of about several percent of the capacity of the DC / DC converter. Become.
更に、この方式は、MOSFET(Q)のスイッチングを制御する図示しない駆動・制御回路の他、MOSFET(Q1,Q2,Q3,Q4)のスイッチングを制御する図示しない主制御回路との制御信号のやり取りを行う伝送回路が必要となる。このため、この方式は、特に小容量の電力変換装置の小形化、低コスト化の妨げになっていた。
発明のスナバ回路は、上述した事情を解決するべくなされたものであり、その目的とするところは、最小限の部品でスナバ回路を構成し、電力変換装置の小形化、低コスト化を図ることのできるスナバ回路を提供することにある。
In addition, this system exchanges control signals with a main control circuit (not shown) that controls switching of MOSFETs (Q1, Q2, Q3, Q4) as well as a drive / control circuit (not shown) that controls switching of MOSFET (Q). A transmission circuit for performing the above is required. For this reason, this method has hindered the downsizing and cost reduction of a power converter having a small capacity.
The snubber circuit of the invention has been made to solve the above-described circumstances, and the object of the snubber circuit is to configure the snubber circuit with the minimum number of parts, and to reduce the size and cost of the power converter. It is to provide a snubber circuit capable of performing the above.
上述した目的を達成するべく本発明のスナバ回路は、保護対象のスイッチング素子と並列に接続されて、スイッチング時に生じるサージ電圧を抑制するスナバ回路であって、前記スナバ回路は、前記サージ電圧のエネルギーを吸収して該サージ電圧の急上昇を緩和するスナバコンデンサと、このスナバコンデンサの一方の端子と接続されて、前記スイッチング素子に電圧が印加されていないとき前記スナバコンデンサの放電を防止するスナバダイオードと、このスナバダイオードの他方の端子と接続されて、スナバ回路に流れる電流のピーク値を抑制し、また前記スナバコンデンサと回路上のインダクタンスとの共振を抑制するスナバ抵抗器とを直列に接続してなり、
更に前記スナバ回路は、前記スナバダイオードと逆並列にエミッタ端子およびコレクタ端子を接続したトランジスタと、このトランジスタのベース端子と前記スナバ抵抗器の一方の端子が接続された前記スイッチング素子の一端との間に介装されて、該トランジスタのベース電流を規制するベース抵抗器とを具備し、
前記トランジスタは、前記スナバコンデンサに蓄えられた電荷を放電する放電時間よりも長く、かつ前記スイッチング素子の通常スイッチング時(通常運転時)にその両端に印加される電圧パルス印加時間よりも短い蓄積時間を有することを特徴としている。
In order to achieve the above-described object, the snubber circuit of the present invention is a snubber circuit that is connected in parallel with a switching element to be protected and suppresses a surge voltage generated at the time of switching, and the snubber circuit includes energy of the surge voltage. A snubber capacitor that absorbs the surge voltage and alleviates the surge voltage surge, and a snubber diode that is connected to one terminal of the snubber capacitor and prevents discharge of the snubber capacitor when no voltage is applied to the switching element; The snubber diode connected to the other terminal of the snubber diode is connected in series with a snubber resistor that suppresses the peak value of the current flowing through the snubber circuit and suppresses resonance between the snubber capacitor and the inductance on the circuit. Become
Further, the snubber circuit includes a transistor having an emitter terminal and a collector terminal connected in reverse parallel to the snubber diode, and a base terminal of the transistor and one end of the switching element to which one terminal of the snubber resistor is connected. And a base resistor that regulates the base current of the transistor,
The transistor has a storage time longer than a discharge time for discharging the charge stored in the snubber capacitor and shorter than a voltage pulse application time applied to both ends of the switching element during normal switching (normal operation). It is characterized by having.
また前記スナバ回路は、前記トランジスタに代えて前記スナバダイオードと逆並列にソース端子およびドレイン端子を接続したMOSFETと、このMOSFETのゲート端子と前記スナバ抵抗器の一方の端子が接続された前記スイッチング素子の一端との間に介装されて、該MOSFETのゲート端子電圧の変化時間を調整するゲート抵抗器とを具備し、前記MOSFETのゲートキャパシタンスは、前記ゲート抵抗器が接続された条件において前記スナバコンデンサに蓄えられた電荷を放電する放電時間よりも長く、かつ前記スイッチング素子の通常スイッチング時(通常運転時)にその両端に印加される電圧パルス印加時間よりも短い放電時間を有することを特徴としている。
あるいは前記スナバ回路は、更に前記スナバ抵抗器と並列に接続されて、該スナバ抵抗器に流れる電流を分流させる分流ダイオードを備えることを特徴としている。
またスナバ回路は、更に前記スナバコンデンサと並列に接続されて、該スナバコンデンサの電圧が所定の電圧を超えたとき、該スナバコンデンサに蓄えられた電荷を放電する放電手段を備えることを特徴としている。例えば、この放電手段には、ツェナダイオードが適用される。
The snubber circuit includes a MOSFET in which a source terminal and a drain terminal are connected in reverse parallel to the snubber diode instead of the transistor, and the switching element in which a gate terminal of the MOSFET and one terminal of the snubber resistor are connected. A gate resistor that adjusts the change time of the gate terminal voltage of the MOSFET, and the gate capacitance of the MOSFET is the snubber under the condition that the gate resistor is connected. The discharge time is longer than the discharge time for discharging the charge stored in the capacitor and shorter than the voltage pulse application time applied to both ends of the switching element during normal switching (normal operation). Yes.
Alternatively, the snubber circuit further includes a shunt diode that is connected in parallel with the snubber resistor and shunts a current flowing through the snubber resistor.
The snubber circuit further includes a discharging means connected in parallel with the snubber capacitor and discharging the electric charge stored in the snubber capacitor when the voltage of the snubber capacitor exceeds a predetermined voltage. . For example, a Zener diode is applied to this discharging means.
本発明の請求項1に係るスナバ回路によれば、スナバコンデンサの放電時間よりも長い蓄積時間を有するトランジスタをスナバダイオードと逆並列に接続すると共に、スナバ抵抗器に生じた電圧降下によってトランジスタをドライブしているので、スナバコンデンサCsを充電した後も、トランジスタは導通状態を維持し、スナバコンデンサCsに蓄えられたエネルギーを主回路に回生することができる。
また本発明のスナバ回路は、通常運転時にスイッチング素子に印加される電圧パルス印加時間よりも十分短い蓄積時間を有するトランジスタを用いているので、スイッチング素子印加電圧が喪失したとしても、スナバコンデンサCsの不必要な放電を防止できる。
あるいは本発明の請求項2に係るスナバ回路は、スナバコンデンサの放電時間よりも長い放電時間を有するゲートキャパシタンスを備えたMOSFETをスナバダイオードと逆並列に接続すると共に、スナバ抵抗器に生じた電圧降下によってMOSFETをドライブしているので、スナバコンデンサCsを充電した後も、MOSFETは導通状態を維持し、スナバコンデンサCsに蓄えられたエネルギーを主回路に回生することができる。
また本発明のスナバ回路は、通常運転時にその両端に印加される電圧パルス印加時間よりも十分短い放電時間を有するゲートキャパシタンスを備えたMOSFETを用いているので、二次側直流ラインの電圧が喪失したとしても、スナバコンデンサCsの不必要な放電が防止できる。
According to the snubber circuit of the first aspect of the present invention, the transistor having an accumulation time longer than the discharging time of the snubber capacitor is connected in antiparallel with the snubber diode, and the transistor is driven by the voltage drop generated in the snubber resistor. Therefore, even after the snubber capacitor Cs is charged, the transistor maintains a conductive state, and the energy stored in the snubber capacitor Cs can be regenerated in the main circuit.
The snubber circuit of the present invention uses a transistor having an accumulation time sufficiently shorter than the voltage pulse application time applied to the switching element during normal operation. Therefore, even if the switching element applied voltage is lost, the snubber capacitor Cs Unnecessary discharge can be prevented.
Alternatively, the snubber circuit according to claim 2 of the present invention connects a MOSFET having a gate capacitance having a discharge time longer than the discharge time of the snubber capacitor in antiparallel with the snubber diode and generates a voltage drop generated in the snubber resistor. Since the MOSFET is driven by this, even after the snubber capacitor Cs is charged, the MOSFET is kept in a conductive state, and the energy stored in the snubber capacitor Cs can be regenerated to the main circuit.
The snubber circuit of the present invention uses a MOSFET having a gate capacitance having a discharge time sufficiently shorter than the voltage pulse application time applied to both ends during normal operation, so that the voltage on the secondary side DC line is lost. Even so, unnecessary discharge of the snubber capacitor Cs can be prevented.
更に本発明の請求項3に係るスナバ回路は、スナバ抵抗器と並列に分流ダイオードを設けているので、スナバ回路の電圧上昇を効果的に抑えることができる。
また本発明の請求項4に係るスナバ回路は、スナバコンデンサの電圧が所定の電圧を超えたとき、該スナバコンデンサに蓄えられた電荷を放電する放電手段として例えばツェナダイオードを備えているので、スナバコンデンサが過電圧となることを防止することができる。
このように本発明のスナバ回路は、最小限の部品で構成することができ、電力変換装置の小形化、低コスト化を図ることのできるという実用上多大なる効果を奏する。
Further, since the snubber circuit according to
In addition, the snubber circuit according to claim 4 of the present invention includes, for example, a Zener diode as a discharging means for discharging the charge stored in the snubber capacitor when the voltage of the snubber capacitor exceeds a predetermined voltage. It is possible to prevent the capacitor from becoming overvoltage.
As described above, the snubber circuit of the present invention can be configured with a minimum number of components, and has a great practical effect that the power conversion device can be reduced in size and cost.
以下、本発明の一実施形態に係るスナバ回路について添付図面を参照しながら説明する。なお、図1〜図7は、本発明の一実施形態に係るスナバ回路を例示するものであって、これらの図によって本発明のスナバ回路が限定されるものではない。 Hereinafter, a snubber circuit according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. 1 to 7 illustrate a snubber circuit according to an embodiment of the present invention, and the snubber circuit of the present invention is not limited by these drawings.
図1は本発明の実施例1に係るスナバ回路を示すものであって、図中、図1と同一の符号を付した部分は同一物を表わし、基本的な構成は、図8,9に示す従来のものと同様であるので、その説明を省略する。ちなみに本実施例1は、本発明のスナバ回路をDC−DCコンバータに適用したものである。
さて、実施例1に係るスナバ回路が従来のスナバ回路と異なるところは、スナバダイオードDsのアノード端子およびカソード端子のそれぞれにNPN型トランジスタQ(以下、単にトランジスタQと称する)のエミッタ端子およびコレクタ端子をそれぞれ接続した点、このトランジスタQのベース端子と正電圧ライン7との間にトランジスタQのベース電流を規制するベース抵抗器Rbを介装した点、およびスナバコンデンサCsと並列に接続されて、このスナバコンデンサCsの電圧が所定の電圧を超えたとき、スナバコンデンサCsに蓄えられた電荷を放電するツェナダイオードZdを接続した点にある。
上記トランジスタQは、特にスナバコンデンサCsの放電時間よりも長く、かつDC−DCコンバータの通常運転時にスイッチング素子に印加される電圧パルス印加時間よりも短い蓄積時間Tstgを有している。
このような特徴ある本発明のスナバ回路の作動について図2を参照しながらより詳細に説明する。このスナバ回路は、変圧器Tに存在する漏れリアクタンスLeに生じたエネルギーをスナバコンデンサCsで吸収することによってサージ電圧を抑制する。
FIG. 1 shows a snubber circuit according to
The snubber circuit according to the first embodiment is different from the conventional snubber circuit in that the anode terminal and the cathode terminal of the snubber diode Ds are respectively connected to the emitter terminal and the collector terminal of an NPN transistor Q (hereinafter simply referred to as transistor Q). Are connected in parallel with a point where a base resistor Rb for regulating the base current of the transistor Q is interposed between the base terminal of the transistor Q and the
The transistor Q has an accumulation time Tstg that is longer than the discharge time of the snubber capacitor Cs and shorter than the voltage pulse application time applied to the switching element during normal operation of the DC-DC converter.
The operation of the snubber circuit of the present invention having such characteristics will be described in more detail with reference to FIG. This snubber circuit suppresses the surge voltage by absorbing energy generated in the leakage reactance Le existing in the transformer T by the snubber capacitor Cs.
まずMOSFET(Q1〜Q4)のオンオフを制御するオンオフ制御部3がこれらMOSFET(Q1〜Q4)を高速にスイッチングして変圧器Tの一次巻線T1に高周波交流を与える。変圧器Tの二次巻線T2には、同一周波数の高周波交流が現れる(図2(a))。
そして二次巻線T2に生じた電圧が、[0V]から正の電圧に移行した瞬間、スナバ回路10には、スナバコンデンサCsを充電するべく正電圧ライン7から負電圧ライン8に向かって電流Isが流れる(図2(b))。この電流Isによってスナバ抵抗器Rsの両端には、電圧降下が生じる。するとトランジスタQのエミッタ電位は、正電圧ライン7より低くなる。このためトランジスタQは、正電圧ライン7→ベース抵抗器Rb→エミッタの経路でベース電流Ibが流れて導通状態になる(図2(c))。
そしてスナバコンデンサCsの充電が終了すると電流Isは[0A]となり、トランジスタQのベース電流Ibも[0A]となる。しかしトランジスタQは、ベース電流Ibが[0A]になったとしても、蓄積時間Tstgの間、導通状態を維持する性質がある(図2(d))。このためスナバコンデンサCs→トランジスタQ(コレクタ→エミッタ)→スナバ抵抗器Rsの経路で電流Isが流れ放電が行われる。この放電に伴って一部のエネルギーは、スナバ抵抗器Rsで失われるものの、正電圧ライン7と負電圧ライン8との間には、ダイオードブリッジ4が出力する出力電圧Erが印加されているので、大部分のエネルギーは、主回路に回生される。
First, an on / off
At the moment when the voltage generated in the secondary winding T2 shifts from [0V] to a positive voltage, the
When the charging of the snubber capacitor Cs is completed, the current Is becomes [0A], and the base current Ib of the transistor Q also becomes [0A]. However, the transistor Q has a property of maintaining the conducting state during the accumulation time Tstg even when the base current Ib becomes [0A] (FIG. 2D). For this reason, current Is flows through the path of snubber capacitor Cs → transistor Q (collector → emitter) → snubber resistor Rs, and discharge is performed. Although some energy is lost by the snubber resistor Rs along with this discharge, the output voltage Er output from the diode bridge 4 is applied between the
したがって本発明の実施例1に係るスナバ回路は、トランジスタQの蓄積時間がスナバコンデンサCsの放電に必要な時間よりも長い必要がある。一方、通常運転時の変圧器Tの二次巻線T2に生じる起電力E2のパルス幅よりも十分短い蓄積時間を有するトランジスタQを選定することにより、正電圧ライン7と負電圧ライン8との間に出力電圧Erが印加されていないときの不必要な放電を防止することができる。
また図3(a)に示すように変圧器Tの二次巻線T2に誘起される起電力E2のパルス幅を短くした状態で運転することがある。これは、例えば起動時に平滑コンデンサCや負荷5に流れる突入電流を防止するため、徐々に起電力E2のパルス幅を広げ、出力電圧をゆっくりと定格電圧まで立ち上げる、いわゆるソフトスタートが相当する。あるいは、負荷5短絡時等に流れるか電流を防止するため、出力電圧を絞る場合にも同様に起電力E2のパルス幅が短くなる。
このときトランジスタQの蓄積時間Tstgが経過しないうちに起電力E2や、正電圧ライン7と負電圧ライン8との間の出力電圧Erが[0V]となり、スナバコンデンサCsの電荷が、過放電され得る状態になる(図3(b))。しかし、このときの放電電流は、スナバ抵抗器Rsの両端に電圧降下を生じさせ、それゆえトランジスタQに逆バイアスを与えることになる。するとトランジスタQには、負のベース電流が流れる(図3(c))。そのためトランジスタQは、比較的短時間でオフし、スナバコンデンサCsの放電を防ぐ(図3(d))。
Therefore, in the snubber circuit according to the first embodiment of the present invention, the accumulation time of the transistor Q needs to be longer than the time required for discharging the snubber capacitor Cs. On the other hand, by selecting a transistor Q having an accumulation time sufficiently shorter than the pulse width of the electromotive force E2 generated in the secondary winding T2 of the transformer T during normal operation, the
Moreover, as shown to Fig.3 (a), it may operate | move in the state which shortened the pulse width of the electromotive force E2 induced by the secondary winding T2 of the transformer T. FIG. This corresponds to, for example, so-called soft start in which the pulse width of the electromotive force E2 is gradually widened and the output voltage is slowly raised to the rated voltage in order to prevent an inrush current flowing through the smoothing capacitor C and the load 5 at the time of startup. Alternatively, the pulse width of the electromotive force E2 is similarly reduced when the output voltage is reduced in order to prevent a current from flowing when the load 5 is short-circuited.
At this time, the electromotive force E2 and the output voltage Er between the
なお、スナバコンデンサCsと並列に接続されたツェナダイオードZdは、スナバコンデンサCsが過電圧にならないよう所定の電圧にクランプする役割を担う。ツェナダイオードZdがオンした状態になるとスナバ抵抗器Rs、トランジスタQ、およびツェナダイオードZdで通常時よりも大きな損失が発生する。しかしこの状態は、オンオフ制御部3のオンオフ時間の制御(パルス幅制御)によって、短時間に限定される。このため発生する損失は、DC−DCコンバータの効率に影響を及ぼすことがなく、またこれらの発熱に対応するためスナバ回路を大形化する必要もない。
ちなみに起電力E2のパルス幅を短くした状態が極めて短時間であれば、このツェナダイオードZdは、不要である。
かくして本発明の実施例1に係るスナバ回路は、スナバコンデンサCsの放電時間よりも長く、かつDC−DCコンバータの通常運転時に印加される電圧パルス印加時間よりも短い蓄積時間を有するトランジスタQをスナバダイオードDsと逆並列に接続すると共に、スナバ抵抗器Rsに生じた電圧降下によってトランジスタQをドライブしているので、スナバコンデンサCsを充電した後も、トランジスタQは蓄積時間Tstgの間、導通状態を維持し、スナバコンデンサCsに蓄えられたエネルギーを主回路に回生することができる。
The Zener diode Zd connected in parallel with the snubber capacitor Cs plays a role of clamping to a predetermined voltage so that the snubber capacitor Cs does not become an overvoltage. When the Zener diode Zd is turned on, the snubber resistor Rs, the transistor Q, and the Zener diode Zd cause a larger loss than usual. However, this state is limited to a short time by controlling the on / off time (pulse width control) of the on / off
Incidentally, if the state where the pulse width of the electromotive force E2 is shortened is extremely short, the Zener diode Zd is unnecessary.
Thus, the snubber circuit according to the first embodiment of the present invention sniffs the transistor Q having a storage time longer than the discharge time of the snubber capacitor Cs and shorter than the voltage pulse application time applied during normal operation of the DC-DC converter. The transistor Q is connected in antiparallel with the diode Ds, and the transistor Q is driven by a voltage drop generated in the snubber resistor Rs. Therefore, the transistor Q remains conductive during the accumulation time Tstg even after the snubber capacitor Cs is charged. The energy stored in the snubber capacitor Cs can be regenerated in the main circuit.
また通常運転時に印加される電圧パルス印加時間よりも十分短い蓄積時間Tstgを有するトランジスタQを用いているので二次側電圧Erが喪失したとしても、スナバコンデンサCsの不必要な放電が防止できる。
更に本発明の実施例1に係るスナバ回路は、スナバコンデンサの電圧が所定の電圧を超えたとき、該スナバコンデンサに蓄えられた電荷を放電する放電手段として例えばツェナダイオードを備えているので、スナバコンデンサに過電圧が印加されることを防ぐ。
なお、この実施例1は、NPN型トランジスタを用いたが、図4に示すようにPNP型トランジスタを用いて変形して実施することもできる。この変形したスナバ回路は、正電圧ライン7から負電圧ライン8に向かって、スナバコンデンサCs、スナバダイオードDsおよびスナバ抵抗器Rsとを直列に接続する。そしてスナバダイオードDsと逆並列になるように、スナバダイオードDsのアノード端子とPNP形トランジスタQのコレクタ端子、カソード端子とエミッタ端子をそれぞれ接続する。そしてこのPNP形トランジスタQのベース端子は、このベースに流れる電流を制限するベース抵抗器Rbを介して、負電圧ライン8に接続する。
このようにPNP型トランジスタを用いて構成された本発明の実施例1を変形したスナバ回路は、上述したNPN型トランジスタを用いて構成されたスナバ回路と同様の作用・効果を得ることができる。
Further, since the transistor Q having an accumulation time Tstg that is sufficiently shorter than the voltage pulse application time applied during normal operation is used, even if the secondary side voltage Er is lost, unnecessary discharge of the snubber capacitor Cs can be prevented.
Furthermore, the snubber circuit according to the first embodiment of the present invention includes, for example, a Zener diode as a discharging means for discharging the charge stored in the snubber capacitor when the voltage of the snubber capacitor exceeds a predetermined voltage. Prevent overvoltage from being applied to the capacitor.
Although the NPN transistor is used in the first embodiment, it can be modified by using a PNP transistor as shown in FIG. This modified snubber circuit connects a snubber capacitor Cs, a snubber diode Ds, and a snubber resistor Rs in series from the
Thus, the snubber circuit obtained by modifying the first embodiment of the present invention configured using the PNP transistor can obtain the same operation and effect as the snubber circuit configured using the NPN transistor described above.
次に本発明の実施例2に係るスナバ回路について、図5を参照しながら説明する。この実施例が上述した実施例1と異なるところは、スナバ抵抗器Rsと並列に分流ダイオードDpを設けた点にある。この分流ダイオードDpは、スナバコンデンサCsの充電時に生じるスナバ抵抗器Rs両端の電圧上昇を抑制する役割を担うものである。
ちなみにトランジスタQの逆バイアス電圧は、この分流ダイオードDpに生じる順方向電圧が相当する。したがってベース抵抗器Rbの値は、上述した実施例1に比べて小さくし、トランジスタQの作動に必要なベース電流を確保する。
かくして本発明の実施例2に係るスナバ回路は、スナバ抵抗器Rsと並列に分流ダイオードDpを設けているので、スナバ回路の電圧上昇を抑えることができる。
Next, a snubber circuit according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. This embodiment differs from the first embodiment described above in that a shunt diode Dp is provided in parallel with the snubber resistor Rs. The shunt diode Dp plays a role of suppressing a voltage increase across the snubber resistor Rs that occurs when the snubber capacitor Cs is charged.
Incidentally, the reverse bias voltage of the transistor Q corresponds to the forward voltage generated in the shunt diode Dp. Therefore, the value of the base resistor Rb is made smaller than that of the first embodiment, and a base current necessary for the operation of the transistor Q is ensured.
Thus, since the snubber circuit according to the second embodiment of the present invention includes the shunt diode Dp in parallel with the snubber resistor Rs, it is possible to suppress the voltage increase of the snubber circuit.
次に本発明の実施例3に係るスナバ回路について、図6を参照しながら説明する。この実施例が上述した実施例1,2と異なるところは、トランジスタQに代えてnチャネルMOSFET(Q5)を用いた点にある。つまりスナバダイオードDsと逆並列になるようスナバダイオードDsのアノード端子とnチャネルMOSFET(Q5)のソース端子、カソード端子とドレイン端子をそれぞれ接続する。そしてnチャネルMOSFET(Q5)のゲート端子は、このゲート端子に印加される電圧の時間変化を調整するゲート抵抗器Rgを介して正電圧ライン7に接続される。
この場合は、上述した実施例1に記載したトランジスタQの蓄積時間Tstgに代えて、MOSFET(Q5)が有するゲートキャパシタンスの放電に要する時間がスナバコンデンサCsの放電時間を確保することになる。したがってこの実施例3についても実施例1と同様な作用・効果を得ることができる。
かくして本発明の実施例3に係るスナバ回路は、スナバコンデンサCsの放電時間よりも長く、かつDC−DCコンバータの通常運転時に印加される電圧パルス印加時間よりも短い放電時間を有するゲートキャパシタンスを備えたMOSFET(Q5)をスナバコンデンサCsと逆並列に接続すると共に、スナバ抵抗器Rsに生じた電圧降下によってMOSFET(Q5)をドライブしているので、スナバコンデンサCsを充電した後も、MOSFET(Q5)は導通状態を維持し、スナバコンデンサCsに蓄えられたエネルギーを主回路に回生することができる。
Next, a snubber circuit according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. This embodiment differs from the first and second embodiments described above in that an n-channel MOSFET (Q5) is used instead of the transistor Q. That is, the anode terminal of the snubber diode Ds is connected to the source terminal of the n-channel MOSFET (Q5), the cathode terminal, and the drain terminal so as to be in antiparallel with the snubber diode Ds. The gate terminal of the n-channel MOSFET (Q5) is connected to the
In this case, instead of the accumulation time Tstg of the transistor Q described in the first embodiment, the time required for discharging the gate capacitance of the MOSFET (Q5) is ensured as the discharging time of the snubber capacitor Cs. Therefore, the same operation and effect as Example 1 can be obtained also in Example 3.
Thus, the snubber circuit according to the third embodiment of the present invention includes a gate capacitance having a discharge time longer than the discharge time of the snubber capacitor Cs and shorter than the voltage pulse application time applied during normal operation of the DC-DC converter. Since the MOSFET (Q5) is connected in antiparallel with the snubber capacitor Cs and the MOSFET (Q5) is driven by the voltage drop generated in the snubber resistor Rs, the MOSFET (Q5) is charged even after the snubber capacitor Cs is charged. ) Can maintain the conduction state and regenerate the energy stored in the snubber capacitor Cs to the main circuit.
また本発明のスナバ回路は、通常運転時に印加される電圧パルス印加時間よりも十分短い放電時間を有するゲートキャパシタンスを備えたMOSFET(Q5)を用いているので、二次側電圧Erが喪失したとしても、スナバコンデンサCsの不必要な放電が防止できる。
なお、この実施例3は、nチャネルMOSFETを用いたが、図7に示すようにpチャネルMOSFETを用いて変形して実施することもできる。このスナバ回路は、正電圧ライン7から負電圧ライン8に向かって、スナバコンデンサCs、スナバダイオードDsおよびスナバ抵抗器Rsとを直列に接続する。そしてスナバダイオードDsと逆並列になるように、スナバダイオードDsのアノード端子とMOSFET(Q6)のソース端子、カソード端子とドレイン端子をそれぞれ接続する。そしてこのMOSFET(Q6)のゲート端子は、このゲート端子に印加されるゲート電圧を制限するゲート抵抗器Rgを介して、負電圧ライン8に接続される。
このようにpチャネルMOSFETを用いて構成された本発明の実施例3を変形したスナバ回路は、nチャネルMOSFETを用いても上述した作用・効果を導くことができる。
Moreover, since the snubber circuit of the present invention uses the MOSFET (Q5) having a gate capacitance having a discharge time sufficiently shorter than the voltage pulse application time applied during normal operation, the secondary voltage Er is lost. In addition, unnecessary discharge of the snubber capacitor Cs can be prevented.
Although the n-channel MOSFET is used in the third embodiment, it can be modified by using a p-channel MOSFET as shown in FIG. This snubber circuit connects a snubber capacitor Cs, a snubber diode Ds, and a snubber resistor Rs in series from the
Thus, the snubber circuit obtained by modifying the third embodiment of the present invention configured using the p-channel MOSFET can lead to the above-described operation and effect even if the n-channel MOSFET is used.
尚、本発明のスナバ回路は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加えてもかまわない。 The snubber circuit of the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications may be made without departing from the gist of the present invention.
Cs スナバコンデンサ
Ds スナバダイオード
Q トランジスタ
Rb ベース抵抗器
Rg ゲート抵抗器
Rs スナバ抵抗器
T 変圧器
Zd ツェナダイオード
1 インバータ
2 直流電源
3 オンオフ制御部
4 ダイオードブリッジ
5 負荷
6 平滑回路
7 正電圧ライン
8 負電圧ライン
10 スナバ回路
Cs Snubber capacitor Ds Snubber diode Q Transistor Rb Base resistor Rg Gate resistor Rs Snubber resistor T Transformer
Claims (4)
前記スナバ回路は、前記サージ電圧のエネルギーを吸収して該サージ電圧の急上昇を緩和するスナバコンデンサと、
このスナバコンデンサの一方の端子と接続されて、前記スイッチング素子に電圧が印加されていないとき前記スナバコンデンサの放電を防止するスナバダイオードと、
このスナバダイオードの他方の端子と接続されて、スナバ回路に流れる電流のピーク値を抑制するスナバ抵抗器と
を直列に接続してなり、
更に前記スナバ回路は、前記スナバダイオードと逆並列にエミッタ端子およびコレクタ端子を接続したトランジスタと、
このトランジスタのベース端子と前記スナバ抵抗器の一方の端子が接続された前記スイッチング素子の一端との間に介装されて、該トランジスタのベース電流を規制するベース抵抗器と
を具備し、
前記トランジスタは、前記スナバコンデンサに蓄えられた電荷を放電する放電時間よりも長く、かつ前記スイッチング素子の通常スイッチング時にその両端に印加される電圧パルス印加時間よりも短い蓄積時間を有することを特徴とするスナバ回路。 A snubber circuit that is connected in parallel with a switching element to be protected and suppresses a surge voltage generated during switching,
The snubber circuit includes a snubber capacitor that absorbs the energy of the surge voltage and relaxes the surge voltage surge;
A snubber diode connected to one terminal of the snubber capacitor to prevent discharge of the snubber capacitor when no voltage is applied to the switching element;
Connected in series with a snubber resistor connected to the other terminal of this snubber diode to suppress the peak value of the current flowing in the snubber circuit,
Further, the snubber circuit includes a transistor having an emitter terminal and a collector terminal connected in reverse parallel to the snubber diode;
A base resistor that is interposed between the base terminal of the transistor and one end of the switching element to which one terminal of the snubber resistor is connected, and regulates the base current of the transistor;
The transistor has an accumulation time longer than a discharge time for discharging the charge stored in the snubber capacitor and shorter than a voltage pulse application time applied to both ends of the switching element during normal switching. Snubber circuit to do.
前記ベース抵抗器に代えて、前記MOSFETのゲート端子と前記スナバ抵抗器の一方の端子が接続された前記スイッチング素子の一端との間に介装されて、該MOSFETのゲート端子電圧の変化時間を調整するゲート抵抗器と
を具備し、
前記MOSFETのゲートキャパシタンスは、前記スナバコンデンサに蓄えられた電荷を放電する放電時間よりも長く、かつ前記スイッチング素子の通常スイッチング時にその両端に印加される電圧パルス印加時間よりも短い放電時間を有することを特徴とする請求項1に記載のスナバ回路。 The snubber circuit includes a MOSFET in which a source terminal and a drain terminal are connected in reverse parallel to the snubber diode instead of the transistor;
Instead of the base resistor, interposed between the gate terminal of the MOSFET and one end of the switching element to which one terminal of the snubber resistor is connected, the change time of the gate terminal voltage of the MOSFET is reduced. A gate resistor to be adjusted,
The gate capacitance of the MOSFET has a discharge time longer than a discharge time for discharging the electric charge stored in the snubber capacitor and shorter than a voltage pulse application time applied to both ends of the switching element during normal switching. The snubber circuit according to claim 1.
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