JP2021129468A - スナバ回路および電力変換装置 - Google Patents
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Abstract
Description
特許文献1 特開2016−144340号公報
[1.1.電力変換装置の回路構成]
図1は、第1実施形態に係る電力変換装置1の回路図である。電力変換装置1は、直流電力を多相交流電力に変換する回路の1相分である。電力変換装置1は、電源コンデンサ10の各電極と電源出力端子19との接続を切り替えることで変換した電圧を電源出力端子19から出力する。なお、出力される交流電流の帰路は他の相の電源出力端子19であってよい。電源出力端子19には誘導負荷(図示せず)が接続されてよい。電力変換装置1は、電源コンデンサ10と、スイッチ回路3と、スナバ回路2とを備える。なお、電力変換装置1はスイッチ回路3によって直流電力を単相交流電力に変換してもよい。この場合に電力変換装置1は、直列接続された2つの電源コンデンサ10を備え、電源出力端子19から出力される交流電流の帰路を電源コンデンサ10の中点としてよい。
スナバ回路2は、スイッチング素子11,12が電流を遮断した場合に生じるサージ電圧を吸収して電力変換装置1の各素子を保護する。スナバ回路2は、正側端子201および負側端子202を介して正側配線101および負側配線102の間に接続されてよい。なお、スナバ回路2と、電源コンデンサ10との間の配線(一例として正側配線101や負側配線102を含む配線)には、その配線長に応じて配線インダクタンス1011が存在し得る。また、スナバ回路2と、スイッチング素子11,12との間の配線(一例として正側配線101や負側配線102を含む配線)には、その配線長に応じて配線インダクタンス1012が存在し得る。
[1.2(1).比較例に係るスナバ回路の動作]
本実施形態に係るスナバ回路2の動作を説明する前に、比較例に係るスナバ回路200(図2,図3参照)の動作を説明する。このスナバ回路200では、補助コンデンサ252が設けられていない点でスナバ回路2と異なる。
=(Vp(2)+VN(2))
=(Vp(3)+VN(3))
=Vdc−off …(1)
=(VN(1)+Vp(2))
=(VN(2)+Vp(3))
=VN(3)
=Vdc−oN …(2)
=VN(3)
=1.5×Vp(2)
=1.5×VN(2)
=3×VN(1)
=3×Vp(3) …(3)
続いて、本実施形態に係るスナバ回路2の動作を説明する。なお、特段の説明が無い限り、スナバ回路2における正側コンデンサ211および負側コンデンサ213の充電電圧は、上述のスナバ回路200と同様であってよい。
スイッチング素子11がターンオフされると、出力電流は転流して電源コンデンサ10および正側配線101から各充電パス21に流入する。このとき、各補助コンデンサ252の充電電圧Vmは、負側コンデンサ213の充電電圧Vnよりも低くなっており、本実施形態では一例として0(V)となっている。そのため、充電パス21の正側コンデンサ211に流入した電流は、第1ダイオード212および負側コンデンサ213に向かっては流れずに、補助コンデンサ252に向かって流れる。これにより、配線インダクタンス1012の電流エネルギーは正側コンデンサ211および補助コンデンサ252の充電により吸収される。
図9は、スイッチング素子11がターンオフされて非導通となる場合に当該スイッチング素子11にかかる電圧を示す。図中、縦軸は電圧であり、横軸は時間である。また、図中、左側のグラフは、正側配線101および負側配線102の間に単一のスナバコンデンサを接続した場合の動作波形である。図中、中央のグラフは、正側配線101および負側配線102の間に、比較例に係るスナバ回路200を接続した場合の動作波形である。図中、右側のグラフは、正側配線101および負側配線102の間に、本実施形態に係るスナバ回路2を接続した場合の動作波形である。
図10は、第2実施形態に係る電力変換装置1Aを示す。電力変換装置1Aのスナバ回路2Aは、N個の充電パス21に含まれるN個の第1ダイオード212の少なくとも1つにそれぞれ並列に接続される少なくとも1つの補助コンデンサ251を有してよい。本実施形態では一例として、スナバ回路2はN個の補助コンデンサ251を備えており、各補助コンデンサ251はN個の第1ダイオード212のそれぞれに並列に接続されている。補助コンデンサ251に正負の極性がある場合には、各補助コンデンサ251は、第1ダイオードのアノード側に負極が接続され、カソード側に正極が接続されてよい。
続いて、本実施形態に係るスナバ回路2Aの動作を説明する。なお、特段の説明が無い限り、スナバ回路2Aにおける正側コンデンサ211および負側コンデンサ213の充電電圧は、上述のスナバ回路2,200と同様であってよい。
スイッチング素子11がターンオフされると、出力電流は転流して電源コンデンサ10および正側配線101から各充電パス21に流入する。このとき、各補助コンデンサ251の充電電圧Vmは、負側コンデンサ213の充電電圧Vnよりも低くなっており、本実施形態では一例として、−E/3(V)となっている。そのため、充電パス21の正側コンデンサ211に流入した電流は、第1ダイオード212には流れずに、補助コンデンサ251を介して負側コンデンサ213に流れる。これにより、配線インダクタンス1012の電流エネルギーは正側コンデンサ211、補助コンデンサ251および負側コンデンサ213の充電により吸収される。
本変形例においては、スナバ回路2Aに具備される少なくとも1つの補助コンデンサ251のうち何れかの補助コンデンサ251は、印加電圧に応じて容量が変化するコンデンサ(容量変化コンデンサとも称する)である。本変形例では一例として、スナバ回路2Aに具備されるN+1個の補助コンデンサ251のそれぞれが容量変化コンデンサであってよい。
図16は、変形例に係る電力変換装置1Aにおいてスイッチング素子11がターンオフされる場合の動作波形を示す。より具体的には、図16にはスイッチング素子11にかかる電圧(一例としてドレインソース電圧Vds)の波形、充電パス21の充電電圧の波形、および、補助コンデンサ251の充電電圧Vmの波形が示される。なお、図中、縦軸は電圧であり、横軸は時間である。
=1/2*C0*(−800/3)2−1/2*C0*(−400/3)2
=26667×C0
=1/4*C0_Vc1*(−800/3)2−1/2*C0_Vc1*(−400/3)2
=8889×C0_Vc1
上記の実施形態および変形例によれば、スナバ回路2,2Aは補助コンデンサ252または補助コンデンサ251の何れか一方のみを有することとして説明したが、両方を有してもよい。この場合、補助コンデンサ252および補助コンデンサ251の少なくとも1つが容量変化コンデンサであってよい。
Claims (13)
- 正側端子および負側端子の間に直列に順に接続される正側コンデンサ、第1ダイオード、および負側コンデンサをそれぞれ有し、前記正側端子側から前記負側端子側へと電流を流す並列なN個(但しNは1以上の整数)の充電パスと、
前記負側端子または前記N個の充電パスのうち第kの充電パス(但しkは0≦k<Nの整数)における前記負側コンデンサと、前記N個の充電パスのうち第k+1の充電パスにおける前記正側コンデンサまたは前記正側端子との間に接続される第2ダイオードをそれぞれ有し、前記負側コンデンサおよび前記正側コンデンサの少なくとも一方を介して前記負側端子側から前記正側端子側へと電流を流す並列なN+1個の放電パスと、
前記N個の充電パスに含まれるN個の前記第1ダイオード、および、前記N+1個の放電パスに含まれるN+1個の前記第2ダイオードの少なくとも1つにそれぞれ並列に接続される少なくとも1つの補助コンデンサと、
を備え、
前記少なくとも1つの補助コンデンサのうち何れかの補助コンデンサは、印加電圧に応じて容量が変化するスナバ回路。 - 前記少なくとも1つの補助コンデンサのそれぞれは、印加電圧に応じて容量が変化する、
請求項1に記載のスナバ回路。 - 印加電圧に応じて容量が変化する前記補助コンデンサは、印加電圧が大きいほど容量が小さい、
請求項1または2に記載のスナバ回路。 - 印加電圧に応じて容量が変化する前記補助コンデンサは、前記正側コンデンサおよび前記負側コンデンサと比較して印加電圧に応じた容量の変動割合が大きい、
請求項1から3のいずれか一項に記載のスナバ回路。 - 印加電圧に応じて容量が変化する前記補助コンデンサは、定格電圧の範囲内において印加電圧の増加に対する容量の低下割合が10%以上である、
請求項1から4のいずれか一項に記載のスナバ回路。 - 印加電圧に応じて容量が変化する前記補助コンデンサは、高誘電率コンデンサである、
請求項1から5の何れか一項に記載のスナバ回路。 - 印加電圧に応じて容量が変化する前記補助コンデンサは、セラミックコンデンサである、
請求項1から6のいずれか一項に記載のスナバ回路。 - 印加電圧に応じて容量が変化する前記補助コンデンサは、チタン酸バリウム系の誘電体層を有する、
請求項7に記載のスナバ回路。 - 前記補助コンデンサの容量は、各正側コンデンサの容量および各負側コンデンサの容量よりも小さい、
請求項1から8のいずれか一項に記載のスナバ回路。 - 前記補助コンデンサの容量は、各正側コンデンサの容量および各負側コンデンサの容量に対して1/1000〜1/100である、
請求項9に記載のスナバ回路。 - 各補助コンデンサは、前記第1ダイオードおよび前記第2ダイオードのいずれか一方に並列に接続される、
請求項1〜10のいずれか一項に記載のスナバ回路。 - 各補助コンデンサは、前記N個の第1ダイオードのそれぞれ、および、前記N+1個の第2ダイオードのそれぞれのいずれか一方に並列に接続される、
請求項1〜11のいずれか一項に記載のスナバ回路。 - 請求項1から12のいずれか一項に記載のスナバ回路と、
前記正側端子および前記負側端子に接続されたスイッチ回路と、
を備える電力変換装置。
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