JP2016067151A - スナバ回路 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な回路構成でかつ低損失化が可能なスナバ回路を提供する。【解決手段】直流電源１１の正極と負極との間に並列に接続される半導体ブリッジ回路４において、前記半導体ブリッジ回路と前記直流電源との間に接続され、前記半導体ブリッジ回路を構成する各半導体素子のターンオン時の急峻な電流変化ｄｉ／ｄｔを抑制するｄｉ／ｄｔ抑制手段と、前記各半導体素子と並列に各々備え、前記各半導体素子のターンオフ時の急峻な電圧変化ｄｖ／ｄｔを抑制するｄｖ／ｄｔ抑制手段と、前記半導体素子のターンオン時にｄｉ／ｄｔ抑制手段に蓄えられたエネルギーを前記半導体素子のターンオフ時に前記ｄｖ／ｄｔ抑制手段に一旦回収する回収手段と、前記半導体素子のターンオフ時に前記ｄｖ／ｄｔ抑制手段において蓄えられたエネルギーを半導体素子のターンオン時に前記半導体ブリッジ回路の交流側に放出する放出手段と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、スナバ回路に関する。

従来、半導体ブリッジ回路は、入力される電圧や電流の急峻な立ち上がりにより半導体スイッチング素子が破壊するのを防ぐため、スナバ回路を用いたソフトスイッチング動作が行われている（特許文献１及び特許文献２）。

図５は、特許文献１に記載のスナバ回路を示す図である。図５に示すとおり、特許文献１に記載のスナバ回路は、リアクトル３ａ、３ｂとコンデンサ１４ａ、１４ｂ及びコンデンサ６とダイオード７ａ、７ｂとチョッパ回路１８ａ、１８ｂとを有している。半導体ブリッジ回路２０は、ＧＴＯ（Gate Turn-Off thyristor）１ａ、１ｂとダイオード２ａ、２ｂとを有している。

ＧＴＯ１ａ又はＧＴＯ１ｂのターンオン動作において、リアクトル３ａ及びリアクトル３ｂは、半導体ブリッジ回路２０の出力端子Ｃの急峻な電流変化（ｄｉ／ｄｔ）を抑制する。これにより、半導体ブリッジ回路２０は、ＺＣＳ（Zero Current Switching）動作となる。また、ＧＴＯ１ａ又はＧＴＯ１ｂのターンオフ時において、コンデンサ１４ａ、コンデンサ１４ｂ及びコンデンサ６は、半導体ブリッジ回路２０の出力端子Ｃの急峻な電圧変化（ｄｖ／ｄｔ）を抑制する。これにより、半導体ブリッジ回路２０は、ＺＶＳ(Zero Voltage Switching)動作となる。

上記一連のＺＣＳ及びＺＶＳ動作の中で、コンデンサ１４ａ及びコンデンサ１４ｂで吸収されたエネルギーは、補助スイッチ１５ａ及び補助スイッ１５ｂを備えたチョッパ回路１８ａ及びチョッパ回路１８ｂを用いて直流電源１２ａ及び直流電源１２ｂに回生される。

図６は、特許文献２に記載のスナバ回路を示す図である。図６に示すとおり、特許文献２に記載のスナバ回路は、リアクトル２１０ａ、２１０ｂとコンデンサ２４０ａ、２４０ｂ及びコンデンサ３０とダイオード２３０ａ、２３０ｂと抵抗２２０とを有している。半導体ブリッジ回路４０は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）４１０ａ、４１０ｂ及びダイオード４２０ａ、４２０ｂを有している。

ＩＧＢＴ４１０ａ又はＩＧＢＴ４１０ｂのターンオン動作において、リアクトル２１０ａ及びリアクトル２１０ｂは、半導体ブリッジ回路４０の交流出力端子４０ｅの急峻な電流変化（ｄｉ／ｄｔ）を抑制する。これにより、半導体ブリッジ回路４０は、ＺＣＳ動作となる。また、ＩＧＢＴ４１０ａ又はＩＧＢＴ４１０ｂのターンオフ時において、コンデンサ２４０ａ、コンデンサ２４０ｂ及びコンデンサ３０は、半導体ブリッジ回路４０の交流出力端子４０ｅは、急峻な電圧変化（ｄｖ／ｄｔ）を抑制する。これにより、半導体ブリッジ回路４０は、ＺＶＳ動作となる。

上記一連のＺＣＳ及びＺＶＳ動作の中で、コンデンサ２４０ａと２４０ｂで吸収されたエネルギーは、抵抗２２０を介して直流電源１１０に回生される。

特開平５−１０３４８１号公報 特開２００４−８０８８０号公報

しかしながら、特許文献１に記載のスナバ回路では、スナバ回路のコンデンサに蓄えられたエネルギーを直流電源に回生するために、外部からの制御指令により制御される補助スイッチが必要である。したがって、スナバ回路の回路構成及びシステム構成が複雑かつ高価になる課題があった。また、特許文献２に記載のスナバ回路では、スナバ回路のコンデンサに蓄えられたエネルギーを直流電源に回生するために抵抗を使用しているため、その抵抗により損失が発生してしまう問題があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、その目的は、従来に比較して簡易な回路構成でかつ低損失化が可能なスナバ回路を提供することである。

本発明の一態様は、直流電源の正極と負極との間に並列に接続される半導体ブリッジ回路において、前記半導体ブリッジ回路と前記直流電源との間に接続され、前記半導体ブリッジ回路を構成する各半導体素子のターンオン時の急峻な電流変化ｄｉ／ｄｔを抑制するｄｉ／ｄｔ抑制手段と、前記各半導体素子と並列に各々備え、前記各半導体素子のターンオフ時の急峻な電圧変化ｄｖ／ｄｔを抑制するｄｖ／ｄｔ抑制手段と、前記半導体素子のターンオン時にｄｉ／ｄｔ抑制手段に蓄えられたエネルギーを前記半導体素子のターンオフ時に前記ｄｖ／ｄｔ抑制手段に一旦回収する回収手段と、前記半導体素子のターンオフ時に前記ｄｖ／ｄｔ抑制手段において蓄えられたエネルギーを半導体素子のターンオン時に前記半導体ブリッジ回路の交流側に放出する放出手段と、を備えることを特徴としたスナバ回路である。

また、本発明の一態様は、上述のスナバ回路であって、前記ｄｉ／ｄｔ抑制手段は、直流電源の正極と半導体ブリッジ回路の正極との間に接続された第１のリアクトルを有し、前記ｄｖ／ｄｔ抑制手段は、前記半導体ブリッジ回路の正極にその一端が接続された第１のコンデンサと、前記半導体ブリッジ回路の負極にその一端が接続された第２のコンデンサと、前記半導体ブリッジ回路の交流出力端子に一端が接続された第３のコンデンサと、を有し、前記回収手段は、前記第１のコンデンサの他端と前記第２のコンデンサの他端との間に接続された第１のダイオードと第２のダイオードとを有し、前記第１のダイオードと前記第２のダイオードとの直列接続点に前記第３のコンデンサの他端が接続されたダイオード直列回路を有し、前記放出手段は、前記第１のコンデンサと前記ダイオード直列回路との接続点と前記半導体ブリッジ回路の負極との間に接続された第３のダイオードと第３のリアクトルとを有する第１のＬＤ直列回路と、前記第２のコンデンサと前記ダイオード直列回路との接続点と前記半導体ブリッジ回路の正極との間に接続された第４のダイオードと第４のリアクトルを有する第２のＬＤ直列回路と、を有する。

また、本発明の一態様は、上述のスナバ回路であって、前記ｄｉ／ｄｔ抑制手段は、直流電源の正極と半導体ブリッジ回路の正極との間に接続された第１のリアクトルと、前記直流電源の負極と前記半導体ブリッジ回路の負極との間に接続された第２のリアクトルと、を有し、前記ｄｖ／ｄｔ抑制手段は、前記半導体ブリッジ回路の正極にその一端が接続された第１のコンデンサと、前記半導体ブリッジ回路の負極にその一端が接続された第２のコンデンサと、前記半導体ブリッジ回路の交流出力端子に一端が接続された第３のコンデンサと、を有し、前記回収手段は、前記第１のコンデンサの他端と前記第２のコンデンサの他端との間に接続された第１のダイオードと第２のダイオードとを有し、前記第１のダイオードと前記第２のダイオードとの直列接続点に前記第３のコンデンサの他端が接続されたダイオード直列回路を有し、前記放出手段は、前記第１のコンデンサと前記ダイオード直列回路との接続点と前記直流電源の負極の間に接続された第３のダイオードと第３のリアクトルを有する第１のＬＤ直列回路と、前記第２のコンデンサと前記ダイオード直列回路との接続点と前記直流電源の正極の間に接続された第４のダイオードと第４のリアクトルを有する第２のＬＤ直列回路と、を有する。

また、本発明の一態様は、上述のスナバ回路であって、前記第３のリアクトル及び前記第４のリアクトルは、１つの鉄心に２つの巻線を備えた２巻線リアクトルにより構成される。

また、本発明の一態様は、上述のスナバ回路であって、前記第１のリアクトル及び前記第２のリアクトルが前記直流電源からの配電線によるインダクタンス成分である。

以上説明したように、本発明によれば、簡易な回路構成でかつ低損失化が可能なスナバ回路を提供することができる。

本発明の第１の実施形態におけるスナバ回路２の構成例を示す図である。 本発明の第２の実施形態におけるスナバ回路２Ａの構成例を示す図である。 本発明の第３の実施形態におけるスナバ回路２Ｂの構成例を示す図である。 本発明の第４の実施形態におけるスナバ回路２Ｃの構成例を示す図である。 従来のスナバ回路の１つ目の構成例を示す図である。 従来のスナバ回路の２つ目の構成例を示す図である。

以下に、実施形態におけるスナバ回路を、図面を用いて説明する。
（第１の実施形態）
以下、第１の実施形態におけるスナバ回路２について、図面を用いて説明する。図１は、本発明の第１の実施形態におけるスナバ回路２の構成例を示す図である。

図１に示すように、スナバ回路２は、直流電源１１及び半導体ブリッジ回路４との間に並列に接続されている。スナバ回路２は、半導体ブリッジ回路４の電圧や電流の急峻な立ち上がりを防止することで、半導体ブリッジ回路４のソフトスイッチング動作を実現する。

半導体ブリッジ回路４は、半導体スイッチ４ａ及び半導体スイッチ４ｂを備えている。半導体スイッチ４ａは、半導体スイッチ４ｂに直列に接続されている。半導体スイッチ４ａと半導体スイッチ４ｂとの直列接続点には、半導体ブリッジ回路４の出力端子である交流出力端子４ｃが接続されている。交流出力端子４ｃには、モータ等の負荷が接続される。半導体ブリッジ回路４は、半導体スイッチ４ａ又は半導体スイッチ４ｂをターンオフ又はターンオンすることで、半導体スイッチ４ａ及び半導体スイッチ４ｂのオン状態とオフ状態とを切り替える。これにより、半導体ブリッジ回路４は、交流出力端子４ｃに接続されたモータ等の誘導性負荷に直流電源１１の電力を供給し駆動する。直流電源１１は、例えばコンデンサである。その際、ターンオン動作時において、半導体ブリッジ回路４は、スナバ回路２のリアクトル２１ａ（後述する）によりゼロ電流スイッチング（ＺＣＳ：Zero Current Switching）が実施される。一方、ターンオフ動作時において、半導体ブリッジ回路４は、スナバ回路２のコンデンサ２６（後述する）によりゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ：Zero Voltage Switching）が実施される。

半導体スイッチ４ａは、スイッチ素子４２ａ及びダイオード４１ａを有している。スイッチ素子４２ａは、例えばバイポーラトランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor）、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等である。スイッチ素子４２ａは、ダイオード４１ａに対して並列に接続されている。半導体スイッチ４ｂは、スイッチ素子４２ｂ及びダイオード４１ｂを有している。スイッチ素子４２ｂは、例えばバイポーラトランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ等である。スイッチ素子４２ｂは、ダイオード４１ｂに対して並列に接続されている。半導体ブリッジ回路４の正極端子４ｄは、ダイオード４１ａのカソードに接続されている。半導体ブリッジ回路４の負極端子４ｅは、ダイオード４１ｂのアノードに接続されている。

スナバ回路２は、リアクトル２１ａ、コンデンサ２２ａ、コンデンサ２２ｂ、ダイオード直列接続回路２３、コンデンサ２６、ＬＤ直列回路１０及びＬＤ直列回路２０を備えている。
リアクトル２１ａは、直流電源正極端子１ａと半導体ブリッジ回路４の正極端子４ｄとの間に接続されている。すなわち、リアクトル２１ａは、一端が直流電源正極端子１ａに接続され、他端が正極端子４ｄに接続されている。

コンデンサ２２ａは、一端が半導体ブリッジ回路４の正極端子４ｄ及びリアクトル２１ａの他端に接続され、他端がダイオード直列接続回路２３の一端に接続されている。

コンデンサ２２ｂは、一端が半導体ブリッジ回路４の負極端子４ｅに接続されている。コンデンサ２２ｂは、他端がダイオード直列接続回路２３の他端に接続されている。

ダイオード直列接続回路２３は、ダイオード２３ａ及びダイオード２３ｂを備えている。ダイオード２３ａは、ダイオード２３ｂに対して直列に接続されている。すなわち、ダイオード２３ａは、カソードがダイオード２３ｂのアノードに接続されている。ダイオード２３ａは、アノードがコンデンサ２２ａの他端に接続されている。ダイオード２３ｂは、カソードがコンデンサ２２ｂの他端に接続されている。

コンデンサ２６は、ダイオード２３ａ及びダイオード２３ｂの直列接続点と、半導体ブリッジ回路４の交流出力端子４ｃとの間に接続されている。コンデンサ２６は、自身に蓄えられた電荷を放電することにより、交流出力端子４ｃにおける出力電圧の急峻な電圧変化ｄｖ／ｄｔを抑制する。

ＬＤ直列回路１０は、ダイオード２４ａ及びリアクトル２５ａを備えている。ダイオード２４ａは、リアクトル２５ａに対して直列に接続されている。ダイオード２４ａは、アノードがダイオード２３ｂのカソードに接続され、カソードがリアクトル２５ａの一端に接続されている。リアクトル２５ａは、他端がリアクトル２１ａの他端に接続されている。
リアクトル２５ａは、コンデンサ２２ｂに蓄えられた電荷をＬＤ直列回路１０を介して交流出力端子４ｃに回生する際に、その回生時の電流の急峻な電流変化ｄｉ／ｄｔを抑制する。

ＬＤ直列回路２０は、ダイオード２４ｂ及びリアクトル２５ｂを備えている。ダイオード２４ｂは、リアクトル２５ｂに対して直列に接続されている。ダイオード２４ｂは、カソードがダイオード２３ａのアノードに接続されている。ダイオード２４ａは、アノードがリアクトル２５ｂの一端に接続されている。リアクトル２５ｂは、他端が負極端子４ｅに接続されている。
リアクトル２５ｂは、コンデンサ２２ａに蓄えられた電荷をＬＤ直列回路２０を介して交流出力端子４ｃに回生する際に、その回生時の電流の急峻な電流変化ｄｉ／ｄｔを抑制する。

次に、本実施形態のスナバ回路２の動作について説明する。
まず、本実施形態のスナバ回路２における、半導体スイッチ４ａがＯＮ状態、且つ半導体スイッチ４ｂがＯＦＦ状態から、半導体スイッチ４ａがターンオフする動作について説明する。
半導体スイッチ４ａがＯＮ状態、且つ半導体スイッチ４ｂがＯＦＦ状態である場合、直流電源１１からの電流（以下、「出力電流」という。）は、直流電源１１→直流電源正極端子１ａ→リアクトル２１ａ→半導体スイッチ４ａ→交流出力端子４ｃの経路で流れている。そして、出力電流は、交流出力端子４ｃからモータ等の負荷に出力される。このとき、リアクトル２１ａに出力電流が流れるため、リアクトル２１ａにエネルギーが蓄積される。このとき、半導体スイッチ４ａがＯＮ状態であるため、コンデンサ２６には、電力が充電されていることになる。

半導体スイッチ４ａがＯＮ状態、且つ半導体スイッチ４ｂがＯＦＦ状態から半導体スイッチ４ａをターンオフする。出力電流は、ターンオフの過渡期において、直流電源１１→直流電源正極端子１ａ→リアクトル２１ａ→コンデンサ２２ａ→ダイオード２３ａ→コンデンサ２６→交流出力端子４ｃの経路に転流する。これにより、リアクトル２１ａに蓄積されたエネルギーは、コンデンサ２２ａ及び２２ｂに蓄えられる。したがって、コンデンサ２２ａ及びコンデンサ２２ｂの電圧は、蓄積されたエネルギーにより上昇する。

交流出力端子４ｃは、半導体スイッチ４ａをターンオフすることにより電圧が低下する。その際、コンデンサ２６に蓄えられた電力が放出される。したがって、交流出力端子４ｃの電位は、コンデンサ２６の放電により、電圧変化ｄｖ／ｄｔが抑制されながら半導体ブリッジ回路４の正極側電位から負極側電位まで下がる。すなわち、半導体スイッチ４ａのターンオフ動作において、コンデンサ２６の放電に伴い、交流出力端子４ｃの電位の急峻な電圧変化ｄｖ／ｄｔを抑制する、ＺＶＳによるソフトスイッチングが実現される。

また、交流出力端子４ｃの電位が半導体ブリッジ回路４の正極側電位から負極側電位まで下がるまでに、コンデンサ２６から交流出力端子４ｃに流れていた出力電流は、さらにダイオード２３ｂ→コンデンサ２２ｂ→半導体スイッチ４ｂ→交流出力端子４ｃに転流する。そして、最終的には、出力電流は、直流電源１１→直流電源負極端子１ｂ→半導体スイッチ４ｂ→交流出力端子４ｃの経路で流れ、半導体スイッチ４ａのターンオフ動作に伴う転流動作は完了する。

次に、本実施形態のスナバ回路２における、半導体スイッチ４ａ及び半導体スイッチ４ｂがＯＦＦ状態から、半導体スイッチ４ａがターンオンする動作について説明する。
次に、半導体スイッチ４ａをＯＦＦ状態から再度ターンオンすると、交流出力端子４ｃからの出力電流は、上述した直流電源１１→直流電源負極端子１ｂ→半導体スイッチ４ｂ→交流出力端子４ｃの経路だけでなく、以下に示す３つの経路にも流れる。１つ目は、リアクトル２５ｂ→ダイオード２４ｂ→コンデンサ２２ａ→半導体スイッチ４ａの第１の経路である。２つ目は、コンデンサ２２ｂ→ダイオード２４ａ→リアクトル２５ａ→半導体スイッチ４ａの第２の経路である。３つ目は、直流電源１１→直流電源正極端子１ａ→リアクトル２１ａ→半導体スイッチ４ａの経路である。

第１の経路は、半導体スイッチ４ａのターンオフ動作時において、コンデンサ２２ａに蓄えられたエネルギーを交流出力端子４ｃ側に回生するための経路である。第２の経路は、半導体スイッチ４ａのターンオフ動作時において、コンデンサ２２ｂに蓄えられたエネルギーを交流出力端子４ｃ側に回生するための経路である。

この時、半導体スイッチ４ａのターンオン電流は、リアクトル２１ａ、リアクトル２５ａ、リアクトル２５ｂのいずれかを経由する。そのため、半導体スイッチ４ａのターンオン電流は、電流変化ｄｉ／ｄｔの急峻な変化が抑制されながらゆるやかに上昇する。一方、半導体スイッチ４ｂに流れていた出力電流は、減少していく。

半導体スイッチ４ｂの電流が０になり、ＯＦＦ状態となった後、コンデンサ２６は、半導体スイッチ４ａを介して流れる電流により充電される。そのため、交流出力端子４ｃの電位は、半導体ブリッジ回路４の負極側電位から正極側電位まで急峻な電圧変化ｄｖ／ｄｔが抑制されながら上昇していく。すなわち、半導体スイッチ４ａのターンオン動作において、半導体スイッチ４ａのターンオン動作でのターンオン電流の急峻な電流変化ｄｖ／ｄｔの変化を抑制する、ＺＣＳによるソフトスイッチングが実現される。

そして、最終的に全ての出力電流は、直流電源１１→リアクトル２１ａ→半導体スイッチ４ａ→交流出力端子４ｃの経路で流れ、半導体スイッチ４ａのターンオン動作に伴う転流動作は完了する。

このように、前回のターンオフ時にコンデンサ２２ａとコンデンサ２２ｂとに蓄えられ、コンデンサ電圧を上昇させたリアクトル２１の電流エネルギーは、今回のターンオン動作の過程の中で出力電流の転流に伴い出力側に放出される。このため、スナバ回路２における電気エネルギーの損失を発生させずリアクトル２１の電流エネルギーを出力側に回生することができる。さらに、半導体スイッチ４ａのターンオンにより生じる半導体スイッチ４ｂのダイオード４１ｂでの逆回復動作においても、上記電流変化ｄｉ／ｄｔの抑制と電圧変化ｄｖ／ｄｔの抑制がされているためソフトスイッチングを実現している。
なお、出力電流が逆向きにおける半導体スイッチ４ｂのターンオンおよびターンオフ動作においても、回路の対称性より同様の効果が得られるため、詳細な説明は省略する。

上述したように、本実施形態のスナバ回路２は、電流変化ｄｉ/ｄｔ抑制手段であるリアクトル２１ａを半導体ブリッジ回路４と直流電源１１との間に備える。また、急峻な電圧変化ｄｖ／ｄｔ抑制手段であるコンデンサ２２ａ、２２ｂ及び２６を半導体スイッチと並列に備える。これにより、電流変化ｄｉ/ｄｔ抑制手段において蓄えられたエネルギーを前記半導体ブリッジ回路４のターンオフ時に急峻な電圧変化ｄｖ／ｄｔ抑制手段に一旦回収することができる。さらに急峻な電圧変化ｄｖ／ｄｔ抑制手段において蓄えられたエネルギーを半導体ブリッジ回路４のターンオン時に半導体ブリッジ回路４の交流側に抵抗要素や可制御半導体素子（スイッチ）を用いずに放出することができる。したがって、従来方式に比較してスナバ回路２における電気エネルギーの損失と部品点数の両方または一方を削減することができ、装置の小形、低価格化、低損失化に寄与する。さらにソフトスイッチング動作により、スナバ回路２から放出されるＥＭＩノイズが原理的に少なくなるため、ハードスイッチング方式の一般的な方式に比較してＥＭＩ対策が容易になる。

（第２の実施形態）
以下、第２の実施形態におけるスナバ回路２Ａについて、図面を用いて説明する。図２は、本発明の第２の実施形態におけるスナバ回路２Ａの構成例を示す図である。なお、第１の実施形態と同じ構成には、同じ符号を付してその説明を省略する。
本実施形態のスナバ回路２Ａは、第１の実施形態の構成に、リアクトル２１Ｂをさらに備える。また、本実施形態のスナバ回路２Ａは、第１の実施形態の構成のリアクトル２５ａ及びリアクトル２５ｂの接続位置を直流電源１１の直流電源正極端子１ａと直流電源負極端子１ｂに変更した構成である。

図２に示すように、スナバ回路２Ａは、直流電源１１及び半導体ブリッジ回路４との間に並列に接続されている。スナバ回路２Ａは、半導体ブリッジ回路４の電圧や電流の急峻な立ち上がりを防止することで、半導体ブリッジ回路４のソフトスイッチング動作を実現する。

スナバ回路２Ａは、リアクトル２１Ａ、リアクトル２１Ｂ、コンデンサ２２ａ、コンデンサ２２ｂ、ダイオード直列接続回路２３、コンデンサ２６、ＬＤ直列回路１０及びＬＤ直列回路２０を備えている。
リアクトル２１Ａは、直流電源正極端子１ａと半導体ブリッジ回路４の正極端子４ｄとの間に接続されている。また、リアクトル２１Ａは、コンデンサ２２ａの一端とＬＤ直列回路１０との間に接続されている。

リアクトル２１Ｂは、直流電源負極端子１ｂと半導体ブリッジ回路４の負極端子４ｅとの間に接続されている。すなわち、リアクトル２１Ｂは、一端がＬＤ直列回路２０に接続されている。リアクトル２１Ｂは、他端がコンデンサ２２ｂの一端に接続されている。

ＬＤ直列回路１０は、ダイオード２４ａ及びリアクトル２５ａを備えている。ダイオード２４ａは、リアクトル２５ａに対して直列に接続されている。ダイオード２４ａは、アノードがダイオード２３ｂのカソードに接続されている。ダイオード２４ａは、カソードがリアクトル２５ａの一端に接続されている。リアクトル２５ａは、他端がリアクトル２１Ａの一端に接続されている。

ＬＤ直列回路２０は、ダイオード２４ｂ及びリアクトル２５ｂを備えている。ダイオード２４ｂは、リアクトル２５ｂに対して直列に接続されている。ダイオード２４ｂは、カソードがダイオード２３ａのアノードに接続されている。ダイオード２４ａは、アノードがリアクトル２５ｂの一端に接続されている。リアクトル２５ａは、他端がリアクトル２１Ｂの一端に接続されている。

次に、本実施形態のスナバ回路２Ａの動作について説明する。
まず、本実施形態のスナバ回路２Ａにおける、半導体スイッチ４ａがＯＮ状態、且つ半導体スイッチ４ｂがＯＦＦ状態から、半導体スイッチ４ａがターンオフする動作について説明する。
半導体スイッチ４ａがＯＮ状態、且つ半導体スイッチ４ｂがＯＦＦ状態である場合、出力電流は、直流電源１１→直流電源正極端子１ａ→リアクトル２１Ａ→半導体スイッチ４ａ→交流出力端子４ｃの経路で流れている。そして、出力電流は、交流出力端子４ｃからモータ等の負荷に出力される。このとき、リアクトル２１Ａに出力電流が流れるため、リアクトル２１Ａにエネルギーが蓄積される。このとき、半導体スイッチ４ａがＯＮ状態であるため、コンデンサ２６には、電力が充電されていることになる。

半導体スイッチ４ａがＯＮ状態、且つ半導体スイッチ４ｂがＯＦＦ状態から半導体スイッチ４ａをターンオフする。出力電流は、ターンオフの過渡期において、直流電源１１→直流電源正極端子１ａ→リアクトル２１Ａ→コンデンサ２２ａ→ダイオード２３ａ→コンデンサ２６→交流出力端子４ｃの経路に転流する。これにより、リアクトル２１Ａに蓄積されたエネルギーは、コンデンサ２２ａ及びコンデンサ２２ｂに蓄えられる。したがって、コンデンサ２２ａ及びコンデンサ２２ｂの電圧は、蓄積されたエネルギーにより上昇する。

交流出力端子４ｃは、半導体スイッチ４ａをターンオフすることにより電圧が低下する。その際、コンデンサ２６に蓄えられた電力が放出される。したがって、交流出力端子４ｃの電位は、コンデンサ２６の放電により、急峻な電圧変化ｄｖ／ｄｔが抑制されながら半導体ブリッジ回路４の正極側電位から負極側電位まで下がる。すなわち、半導体スイッチ４ａのターンオフ動作において、コンデンサ２６の放電に伴い、交流出力端子４ｃの電位の急峻な電圧変化ｄｖ／ｄｔを抑制する、ＺＶＳによるソフトスイッチングが実現される。

また、交流出力端子４ｃの電位が半導体ブリッジ回路４の正極側電位から負極側電位まで下がるまでに、コンデンサ２６から交流出力端子４ｃに流れていた出力電流は、さらにダイオード２３ｂ→コンデンサ２２ｂ→半導体スイッチ４ｂ→交流出力端子４ｃに転流する。そして、最終的には、出力電流は、直流電源１１→直流電源負極端子１ｂ→リアクトル２１Ｂ→半導体スイッチ４ｂ→交流出力端子４ｃの経路で流れ、半導体スイッチ４ａのターンオフ動作に伴う転流動作は完了する。

次に、本実施形態のスナバ回路２Ａにおける、半導体スイッチ４ａ及び半導体スイッチ４ｂがＯＦＦ状態から、半導体スイッチ４ａがターンオンする動作について説明する。
次に、半導体スイッチ４ａ及び半導体スイッチ４ｂがＯＦＦ状態から再度、半導体スイッチ４ａをターンオンすると、出力電流は、上述した直流電源１１→直流電源負極端子１ｂ→リアクトル２１Ｂ→半導体スイッチ４ｂ→交流出力端子４ｃの経路だけでなく、以下に示す３つの経路にも流れる。１つ目は、リアクトル２５ｂ→ダイオード２４ｂ→コンデンサ２２ａ→半導体スイッチ４ａの第１の経路である。２つ目は、コンデンサ２２ｂ→ダイオード２４ａ→リアクトル２５ａ→半導体スイッチ４ａの第２の経路である。３つ目は、直流電源１１→直流電源正極端子１ａ→リアクトル２１Ａ→半導体スイッチ４ａの経路である。

第１の経路は、半導体スイッチ４ａのターンオフ動作時において、コンデンサ２２ａに蓄えられたエネルギーを交流出力端子４ｃ側に回生するための経路である。第２の経路は、半導体スイッチ４ａのターンオフ動作時において、コンデンサ２２ｂに蓄えられたエネルギーを交流出力端子４ｃ側に回生するための経路である。

この時、半導体スイッチ４ａのターンオン電流は、リアクトル２１Ａ、リアクトル２１Ｂ、リアクトル２５ａ、リアクトル２５ｂのいずれかを経由する。そのため、半導体スイッチ４ａのターンオン電流は、急峻な電流変化ｄｉ／ｄｔが抑制されながら上昇する。一方、半導体スイッチ４ｂに流れていた出力電流は、減少していく。

半導体スイッチ４ｂの電流が０になりＯＦＦ状態となった後、コンデンサ２６は、半導体スイッチ４ａを介して流れる電流により充電される。そのため、交流出力端子４ｃの電位は、半導体ブリッジ回路４の負極側電位から正極側電位まで急峻な電圧変化ｄｖ／ｄｔが抑制されながら上昇していく。すなわち、半導体スイッチ４ａのターンオン動作において、半導体スイッチ４ａのターンオン動作でのターンオン電流の電流変化ｄｖ／ｄｔを抑制する、ＺＣＳによるソフトスイッチングが実現される。

そして、最終的に全ての出力電流は、直流電源１１→リアクトル２１Ａ→半導体スイッチ４ａ→交流出力端子４ｃの経路で流れ、半導体スイッチ４ａのターンオン動作に伴う転流動作は完了する。

このように、前回のターンオフ時にコンデンサ２２ａとコンデンサ２２ｂとに蓄えられ、コンデンサ電圧を上昇させたリアクトル２１の電流エネルギーは、今回のターンオン動作の過程の中で出力電流の転流に伴い出力側に放出される。このため、スナバ回路２Ａの損失を発生させずリアクトル２１の電流エネルギーを出力側に回生することができる。さらに、半導体スイッチ４ａのターンオンにより生じる半導体スイッチ４ｂのダイオード４１ｂでの逆回復動作においても、上記電流変化ｄｉ／ｄｔの抑制と電圧変化ｄｖ／ｄｔの抑制がされているためソフトスイッチングを実現している。
なお、出力電流が逆向きにおける半導体スイッチ４ｂのターンオンおよびターンオフ動作においても、回路の対称性より同様の効果が得られるため、詳細な説明は省略する。

上述したように、本実施形態のスナバ回路２Ａは、電流変化ｄｉ/ｄｔ抑制手段であるリアクトル２１Ａ及びリアクトル２１Ｂを半導体ブリッジ回路４と直流電源１１との間に備える。また、急峻な電圧変化ｄｖ／ｄｔ抑制手段であるコンデンサ２２ａ、２２ｂ及び２６を半導体スイッチと並列に備える。これにより、第１の実施形態と同様の効果を有する。

（第３の実施形態）
以下、第３の実施形態におけるスナバ回路２Ｂについて、図面を用いて説明する。図３は、第３の実施形態におけるスナバ回路２Ｂの構成例を示す図である。なお、第１の実施形態と同じ構成には、同じ符号を付してその説明を省略する。
本実施形態のスナバ回路２Ｂは、第１の実施形態の構成に、リアクトル２５ａ及びリアクトル２５ｂを２つの巻線（リアクトル２７−１及びリアクトル２７−２）を備える１つのリアクトル２７に変更した構成である。なお、第１の実施形態と同じ構成には、同じ符号を付してその説明を省略する。

図３に示すように、スナバ回路２Ｂは、直流電源１１及び半導体ブリッジ回路４との間に並列に接続されている。スナバ回路２Ｂは、半導体ブリッジ回路４の電圧や電流の急峻な立ち上がりを防止することで、半導体ブリッジ回路４のソフトスイッチング動作を実現する。

スナバ回路２Ｂは、リアクトル２１ａ、コンデンサ２２ａ、コンデンサ２２ｂ、ダイオード直列接続回路２３、コンデンサ２６、リアクトル２７、ダイオード２４ａ及びダイオード２４ｂを備えている。

リアクトル２７は、リアクトル２７−１及びリアクトル２７−２を備えている。リアクトル２７は、リアクトル２７−１及びリアクトル２７−２の鉄心を共通化したリアクトルである。

ダイオード２４ａは、リアクトル２５ａに対して直列に接続されている。ダイオード２４ａは、アノードがダイオード２３ｂのカソードに接続されている。ダイオード２４ａは、カソードがリアクトル２７−１の一端に接続されている。リアクトル２７−１は、他端がリアクトル２１ａの他端に接続されている。
リアクトル２７−１は、コンデンサ２２ｂに蓄えられた電荷をダイオード２４ａ及びリアクトル２７−１を介して交流出力端子４ｃに回生する際に、その回生時の電流の急峻な電流変化ｄｉ／ｄｔを抑制する。

ダイオード２４ｂは、リアクトル２７−２に対して直列に接続されている。ダイオード２４ｂは、カノードがダイオード２３ａのアノードに接続されている。ダイオード２４ａは、アノードがリアクトル２７−２の一端に接続されている。リアクトル２７−２は、他端が負極端子４ｅに接続されている。
リアクトル２７−２は、コンデンサ２２ａに蓄えられた電荷をダイオード２４ｂ及びリアクトル２７−２を介して交流出力端子４ｃに回生する際に、その回生時の電流の急峻な電流変化ｄｉ／ｄｔを抑制する。
なお、本実施形態のスナバ回路２Ｂの動作については、第１の実施形態と同様であるため説明を省略する。

上述したように、本実施形態のスナバ回路２Ｂは、電流変化ｄｉ/ｄｔ抑制手段であるリアクトル２１ａを半導体ブリッジ回路４と直流電源１１との間に備える。また、急峻な電圧変化ｄｖ／ｄｔ抑制手段であるコンデンサ２２ａ、２２ｂ及び２６を半導体スイッチと並列に備える。これにより、第１の実施形態と同様の効果を有する。また、本実施形態のスナバ回路２Ｂは、第１の実施形態の構成に、リアクトル２５ａ及びリアクトル２５ｂを２つの巻線（リアクトル２７−１及びリアクトル２７−２）を備える１つのリアクトル２７に変更した構成である。したがって、本実施形態のスナバ回路２Ｂは、第１の実施形態と比較して、回路の小形及び低価格化が可能となる。

（第４の実施形態）
以下、第４の実施形態におけるスナバ回路２Ｃについて、図面を用いて説明する。図４は、第４の実施形態におけるスナバ回路２Ｃの構成例を示す図である。なお、第１の実施形態と同じ構成には、同じ符号を付してその説明を省略する。
本実施形態のスナバ回路２Ｃは、第１の実施形態の構成のリアクトル２１ａが省略された構成である。ただし、本実施形態のスナバ回路２Ｃは、実際のスナバ回路を製作する場合において、配線（配電線）に存在するストレイインダクタンス成分２８ａと２８ｂを構成要素として取り込んでいる。このストレイインダクタンス成分２８ａと２８ｂの調整のためには、半導体ブリッジ回路４とスナバ回路２Ｃとは互いに直近に配置される。また、スナバ回路２Ｃと直流電源１１との間は長く配線される。

スナバ回路２Ｃは、ストレイインダクタンス成分２８ａ、ストレイインダクタンス成分２８ｂ、コンデンサ２２ａ、コンデンサ２２ｂ、ダイオード直列接続回路２３、コンデンサ２６、ＬＤ直列回路１０及びＬＤ直列回路２０を備えている。

ストレイインダクタンス成分２８ａは、直流電源正極端子１ａと半導体ブリッジ回路４の正極端子４ｄとの間に接続されている。すなわち、ストレイインダクタンス成分２８ａは、一端が直流電源正極端子１ａに接続されている。ストレイインダクタンス成分２８ａは、他端が正極端子４ｄに接続されている。

ストレイインダクタンス成分２８ｂは、直流電源負極端子１ｂと半導体ブリッジ回路４の負極端子４ｅとの間に接続されている。すなわち、ストレイインダクタンス成分２８ｂは、一端が直流電源負極端子１ｂに接続されている。ストレイインダクタンス成分２８ｂは、他端が負極端子４ｅに接続されている。

コンデンサ２２ａは、一端が半導体ブリッジ回路４の正極端子４ｄ及びストレイインダクタンス成分２８ａの他端に接続されている。コンデンサ２２ａは、他端がダイオード直列接続回路２３の一端に接続されている。

コンデンサ２２ｂは、一端が半導体ブリッジ回路４の負極端子４ｅ及びストレイインダクタンス成分２８ｂの他端に接続されている。コンデンサ２２ｂは、他端がダイオード直列接続回路２３の他端に接続されている。

リアクトル２５ａは、他端がストレイインダクタンス成分２８ａの他端に接続されている。リアクトル２５ｂは、他端がストレイインダクタンス成分２８ｂの他端に接続されている。
なお、本実施形態のスナバ回路２Ｃの動作については、第１の実施形態と同様であるため説明を省略する。

上述したように、本実施形態のスナバ回路２Ｃは、電流変化ｄｉ/ｄｔ抑制手段として配線に存在するストレイインダクタンス成分２８ａと２８ｂとを構成要素として取り込んでいる。また、急峻な電圧変化ｄｖ／ｄｔ抑制手段であるコンデンサ２２ａ、２２ｂ及び２６を半導体スイッチと並列に備える。これにより、第１の実施形態と同様の効果を有する。

以上述べた実施形態は全て本発明の実施形態を例示的に示すものであって限定的に示すものではなく、本発明は他の種々の変形態様および変更態様で実施することができる。

２…スナバ回路、４、２０…半導体ブリッジ回路、４ａ、４ｂ…半導体スイッチ、１０、２０…ＬＤ直列回路、１１…直流電源、２１ａ…リアクトル、２２ａ、２２ｂ、２６…コンデンサ、２３…ダイオード直列接続回路

Claims (5)

1. 直流電源の正極と負極との間に並列に接続される半導体ブリッジ回路において、
   前記半導体ブリッジ回路と前記直流電源との間に接続され、前記半導体ブリッジ回路を構成する各半導体素子のターンオン時の急峻な電流変化ｄｉ／ｄｔを抑制するｄｉ／ｄｔ抑制手段と、
   前記各半導体素子と並列に各々備え、前記各半導体素子のターンオフ時の急峻な電圧変化ｄｖ／ｄｔを抑制するｄｖ／ｄｔ抑制手段と、
   前記半導体素子のターンオン時にｄｉ／ｄｔ抑制手段に蓄えられたエネルギーを前記半導体素子のターンオフ時に前記ｄｖ／ｄｔ抑制手段に一旦回収する回収手段と、
   前記半導体素子のターンオフ時に前記ｄｖ／ｄｔ抑制手段において蓄えられたエネルギーを半導体素子のターンオン時に前記半導体ブリッジ回路の交流側に放出する放出手段と、
   を備えることを特徴としたスナバ回路。
2. 前記ｄｉ／ｄｔ抑制手段は、直流電源の正極と半導体ブリッジ回路の正極との間に接続された第１のリアクトルを有し、
   前記ｄｖ／ｄｔ抑制手段は、前記半導体ブリッジ回路の正極にその一端が接続された第１のコンデンサと、前記半導体ブリッジ回路の負極にその一端が接続された第２のコンデンサと、前記半導体ブリッジ回路の交流出力端子に一端が接続された第３のコンデンサと、を有し、
   前記回収手段は、前記第１のコンデンサの他端と前記第２のコンデンサの他端との間に接続された第１のダイオードと第２のダイオードとを有し、前記第１のダイオードと前記第２のダイオードとの直列接続点に前記第３のコンデンサの他端が接続されたダイオード直列回路を有し、
   前記放出手段は、
   前記第１のコンデンサと前記ダイオード直列回路との接続点と前記半導体ブリッジ回路の負極との間に接続された第３のダイオードと第３のリアクトルとを有する第１のＬＤ直列回路と、前記第２のコンデンサと前記ダイオード直列回路との接続点と前記半導体ブリッジ回路の正極との間に接続された第４のダイオードと第４のリアクトルを有する第２のＬＤ直列回路と、
   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。
3. 前記ｄｉ／ｄｔ抑制手段は、直流電源の正極と半導体ブリッジ回路の正極との間に接続された第１のリアクトルと、前記直流電源の負極と前記半導体ブリッジ回路の負極との間に接続された第２のリアクトルと、を有し、
   前記ｄｖ／ｄｔ抑制手段は、前記半導体ブリッジ回路の正極にその一端が接続された第１のコンデンサと、前記半導体ブリッジ回路の負極にその一端が接続された第２のコンデンサと、前記半導体ブリッジ回路の交流出力端子に一端が接続された第３のコンデンサと、を有し、
   前記回収手段は、前記第１のコンデンサの他端と前記第２のコンデンサの他端との間に接続された第１のダイオードと第２のダイオードとを有し、前記第１のダイオードと前記第２のダイオードとの直列接続点に前記第３のコンデンサの他端が接続されたダイオード直列回路を有し、
   前記放出手段は、
   前記第１のコンデンサと前記ダイオード直列回路との接続点と前記直流電源の負極の間に接続された第３のダイオードと第３のリアクトルを有する第１のＬＤ直列回路と、
   前記第２のコンデンサと前記ダイオード直列回路との接続点と前記直流電源の正極の間に接続された第４のダイオードと第４のリアクトルを有する第２のＬＤ直列回路と、
   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。
4. 前記第３のリアクトル及び前記第４のリアクトルは、１つの鉄心に２つの巻線を備えた２巻線リアクトルにより構成されたことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載のスナバ回路。
5. 前記第１のリアクトル及び前記第２のリアクトルが前記直流電源からの配電線によるインダクタンス成分であることを特徴とする請求項２から請求項４のいずれか一項に記載のスナバ回路。

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