JP3070964B2 - インバータ装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、自己消弧型半導体素
子に加わる過電圧や電流・電圧上昇率を抑制するための
スナバ回路と、このスナバ回路のエネルギを吸収するエ
ネルギ回収回路と、このエネルギ回収回路のエネルギを
直流電源に回生するエネルギ回生回路とを備えたインバ
ータ装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】自己消弧型半導体素子を使用するインバ
ータ装置においては、自己消弧型半導体素子に加わる過
電圧や電圧の立ち上がり、電流の立ち上がりによる破壊
防止のために、必ずスナバ回路を設ける。

【０００３】代表的なスナバ回路を設けた従来例の構成
を図９を参照しながら説明する。図９は、従来のインバ
ータ装置の１アーム分を示す回路図である。

【０００４】図９において、従来のインバータ装置は、
自己消弧型半導体素子としてＧＴＯサイリスタ1A、1Bを
用い、電流上昇率を抑制するためのリアクトル2A、2B、
ダイオード3A、3B、及び抵抗器4A、4Bから構成された直
列スナバ回路5A、5Bと、電圧上昇率を抑制するためのス
ナバコンデンサ6A、6B、スナバダイオード7A、7B、及び
抵抗器8A、8Bから構成された並列スナバ回路9A、9Bとを
有する。なお、10A、10BはＧＴＯ1A、1Bに逆並列に接続
されたフリーホイールダイオード、11は直流電源であ
る。

【０００５】つぎに、前述した従来例の動作を図９を参
照しながら説明する。ＧＴＯ1A、1Bをスイッチング動作
を行うと、各スナバ回路内のエネルギ蓄積素子、すなわ
ちリアクトル2A、2B、スナバコンデンサ6A、6Bに蓄えら
れたエネルギは全て抵抗器4A、4B、8A、8Bにより消費さ
れる。このエネルギ損失はＧＴＯ1A、1Bのスイッチング
周波数の増加、インバータ容量の増加により著しく増加
し、効率の低下を招いていた。

【０００６】前述したエネルギ損失を低減するために、
各スナバ回路内に蓄えられたエネルギを、変成器を用い
た回生回路12により直流電源11に回生する他の従来のイ
ンバータ装置がある。図１０は、他の従来のインバータ
装置を示す回路図である。

【０００７】他の従来のインバータ装置の動作を図１
０、図１１及び図１２を参照しながら説明する。図１１
及び図１２は、他の従来のインバータ装置の転流動作を
示す図である。

【０００８】負荷電流Ｉが図１０中の矢印方向に流れて
おり、負荷はインダクタンス成分が大きく、スイッチン
グ期間において負荷電流Ｉのベクトルは変化しないもの
と仮定する。そうすると、インバータ動作としては、Ｇ
ＴＯ1Aとフリーホイールダイオード10Bとの負荷電流Ｉ
の転流動作となる。ＧＴＯ1Aがオンからオフにスイッチ
ングされたときのインバータ装置の転流動作を図１１
(ａ)→(ｂ)→(ｃ)→(ｄ)→(ｅ)に示す。また、ＧＴＯ1A
がオフからオンにスイッチングされたときのインバータ
装置の転流動作を図１２(ａ)→(ｂ)→(ｃ)→(ｄ)→(ｅ)
に示す。

【０００９】図１１及び図１２は共に、スナバコンデン
サ6A、6Bの放電経路、及びリアクトル2A、2Bの放電経路
に変成器13の１次側が接続されており、その１次側に電
流を流すことにより、変成器13の巻数比ｎに応じて２次
側に電流が流れ、直流電源11にスナバ回路のエネルギが
回生されることになる。

【００１０】しかしながら、この他の従来のインバータ
装置においては、ＧＴＯ1A、1Bのスイッチング動作毎に
変成器13を介してスナバ回路のエネルギが回生される
と、変成器13の２次側に流れる励磁電流によって変成器
内の鉄心が磁化されるが、鉄心飽和防止のためリセット
時間を設ける必要があり、インバータ装置の高周波化の
制限要因となる。

【００１１】また、インバータ装置の大容量化による直
流電源11の高圧化により変成器13が大形化し、さらに最
大磁束密度の高い鉄心が必要となり、コストの上昇を招
く。さらに、インバータ装置の高周波化により変成器13
における損失増加、あるいは騒音なども問題となる。

【００１２】ところで、従来のインバータ装置には、正
負直流母線の配線インダクタンス16のエネルギによるス
ナバコンデンサの過充電を抑制するため、図１３に示す
ような過電圧吸収回路17を設けている。この過電圧吸収
回路17のコンデンサ18に配線インダクタンス16のエネル
ギを吸収し、抵抗器19により消費することにより、その
機能を果たしている。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】上述したような従来の
インバータ装置では、スナバ回路のエネルギを抵抗器に
より消費しているので、損失が大きく、大容量化、高周
波化が困難であるという問題点があった。

【００１４】また、変成器13によるスナバ回路のエネル
ギ回生を考慮した他の従来のインバータ装置では、変成
器13のリセット時間を設ける必要があり、高周波化が制
限され、大容量化に際し変成器の大形化、コスト高を招
き、高周波化に際し損失、騒音共に増加するという問題
点があった。

【００１５】さらに、正負直流母線の配線インダクタン
ス16によるスナバコンデンサの過充電を抑制する回路が
必要であるという問題点があった。

【００１６】この発明は、前述した問題点を解決するた
めになされたもので、高効率化及び高周波化を実現する
ことができるインバータ装置を得ることを目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明に係るイ
ンバータ装置は、次に掲げる手段を備えたものである。 〔１〕 直流母線とアームとの間に接続され電流上昇率
を抑制するリアクトル、過電圧を抑制する吸収コンデン
サ、スナバダイオード、及び電圧上昇率を抑制するスナ
バコンデンサを有し、前記スナバコンデンサが前記アー
ムに共通に用いられ、前記吸収コンデンサ、スナバダイ
オード、及びスナバコンデンサが直列に接続された回路
が前記アームに並列に接続されたスナバ回路。

【００１８】請求項２の発明に係るインバータ装置は、
次に掲げる手段を備えたものである。 〔１〕 吸収コンデンサから過剰なエネルギを回収する
回収コンデンサ、及びその回収コンデンサの充電極性を
定めるダイオードを有するエネルギ回収回路。 〔２〕 前記回収コンデンサからエネルギを取り出して
直流電源に回生するエネルギ回生回路。

【００１９】

【作用】請求項１の発明においては、スナバ回路によっ
て、電流上昇率、過電圧及び電圧上昇率が抑制される。

【００２０】請求項２の発明においては、エネルギ回収
回路によって、吸収コンデンサから過剰なエネルギが回
収される。また、エネルギ回生回路によって、回収コン
デンサからエネルギが取り出されて直流電源に回生され
る。

【００２１】

【実施例】実施例１． この発明の実施例１の構成を図１を参照しながら説明す
る。図１は、この発明の実施例１の１アーム分を示す回
路図である。

【００２２】図１において、この発明の実施例１は、従
来と同様に自己消弧型半導体素子としてＧＴＯサイリス
タ1A、1Bを用い、電流上昇率を抑制するためのリアクト
ル2A、2Bと、電圧上昇率を抑制するためのスナバコンデ
ンサ６と、スナバダイオード7A、7Bと、過電圧を抑制す
るための吸収コンデンサ21A、21Bと、ダイオード22A、2
2Bと、吸収コンデンサ21A、21Bからの過剰電荷分を回収
する回収コンデンサ23と、回収コンデンサ23からエネル
ギを取り出し直流電源11に回生するエネルギ回生回路24
とを有している。

【００２３】吸収コンデンサ21A、21Bは、各々常に電源
電圧Ｅの半分の電圧に充電されており、静電容量は電圧
変動を低減するためスナバコンデンサ６よりも十分大き
いものを使用する。

【００２４】また、スナバコンデンサ６の充電電圧極性
と、インバータ装置の出力電圧との関係を図２(ａ)及び
(ｂ)に示す。なお、出力端子をＰにより示す。

【００２５】ところで、この発明のスナバ回路は、前述
したこの発明の実施例１ではリアクトル2A、2B、スナバ
コンデンサ６、スナバダイオード7A、7B、及び吸収コン
デンサ21A、21Bから構成され、この発明のエネルギ回収
回路は、実施例１ではダイオード22A、22B及び回収コン
デンサ23から構成されている。

【００２６】つぎに、前述した実施例１の動作を説明す
る。なお、負荷はインダクタンス成分が大きなものであ
り、ＧＴＯ1A、1Bのスイッチング期間に負荷電流Ｉのベ
クトルが変化しないものとする。

【００２７】図１中の矢印の方向を負荷電流Ｉの正極性
と仮定すると、負荷電流Ｉが正極性の場合は、ＧＴＯ1A
のスイッチング動作により負荷電流ＩのＧＴＯ1Aとフリ
ーホイールダイオード10Bとの転流が行われる。負極性
の場合は、ＧＴＯ1Bのスイッチング動作により負荷電流
ＩのＧＴＯ1Bとフリーホイールダイオード10Aとの転流
が行われる。この転流動作は、対称性をもつので、以
下、前者の場合についてのみ説明する。

【００２８】ＧＴＯ1Aのオフ動作、オン動作の順に説明
する。ＧＴＯ1Aのオフ動作は、ＧＴＯ1A、1Bがそれぞれ
オン、オフ、出力端子Ｐの電位が電源電圧Ｅ、負荷電流
Ｉが直流電源11からリアクトル2A、ＧＴＯ1A及び出力端
子Ｐを通じて流れている場合、スナバコンデンサ６が出
力端子Ｐ側を正極としてＥ／２に充電されている状態が
初期状態である。

【００２９】ＧＴＯ1Aをオフすると、負荷電流Ｉを遮断
することになり、その電流は回収コンデンサ21A、スナ
バコンデンサ６及び出力端子Ｐの経路で流れ、スナバコ
ンデンサ６は逆極性に充電されることになる。スナバコ
ンデンサ６が出力端子Ｐ側を負極としてＥ／２に充電さ
れると、出力端子Ｐの電位は０（零）となる。

【００３０】その時点でのリアクトル2Aに蓄えられたエ
ネルギによる電流は、リアクトル2A、吸収コンデンサ21
A、21B及びリアクトル2Bの経路で流れ続ける。また、フ
リーホイールダイオード10Bが導通する。リアクトル2A
のエネルギが吸収コンデンサ21A、21Bに全て吸収される
と、吸収コンデンサ21A、21Bは過充電の状態となってお
り、負荷電流ＩのＧＴＯ1Aからフリーホイールダイオー
ド10Bへの転流が完了する。

【００３１】次に、リアクトル2B、吸収コンデンサ21
B、回収コンデンサ23、吸収コンデンサ21A、リアクトル
2Aの経路で吸収コンデンサ21A、21Bの過充電分のエネル
ギが回収コンデンサ23に回収される。さらに、エネルギ
回生回路24により回収コンデンサ23からエネルギが取り
出されて直流電源11に回生されることになる。ＧＴＯ1A
からフリーホイールダイオード10Bへの転流が完了すれ
ば、その後ＧＴＯ1Bをスイッチングしても状態は変化し
ない。この一連の動作を図３(ａ)→(ｂ)→(ｃ)→(ｄ)→
(ｅ)の順に示す。

【００３２】次に、ＧＴＯ1Aのオン動作は、ＧＴＯ1A、
1Bが共にオフ、出力端子Ｐの電位が０、負荷電流Ｉがリ
アクトル2B、フリーホイールダイオード10B及び出力端
子Ｐを通じて流れている場合、スナバコンデンサ６が出
力端子Ｐ側を負極としてＥ／２に充電されている状態が
初期状態である。

【００３３】ＧＴＯ1Aをオンすると、直流電源11からリ
アクトル2A、ＧＴＯ1Aを介して電流が流れ始め、やがて
その電流によってフリーホイールダイオード10Bに流れ
ていた電流は０となり、ＧＴＯ1Aの電流は負荷電流Ｉに
達する。

【００３４】さらに、ＧＴＯ1Aの電流は負荷電流Ｉを維
持し、リアクトル2Aの電流は増加するが、その増加分の
電流はスナバコンデンサ６、回収コンデンサ21B、リア
クトル2Bの経路で流れ、スナバコンデンサ６は逆極性に
充電されることになる。

【００３５】スナバコンデンサ６が出力端子Ｐ側を正極
としてＥ／２に充電されると、出力端子Ｐの電位は電源
電圧Ｅとなる。その時点でのリアクトル2A、2Bに蓄えら
れたエネルギにより負荷電流Ｉ以上に相当する電流は、
リアクトル2A、回収コンデンサ21A、21B、リアクトル2B
の経路で流れ続ける。

【００３６】リアクトル2A、2Bのエネルギが吸収コンデ
ンサ21A、21Bに吸収され、それらに流れる電流は減少
し、リアクトル2Bのエネルギが全て吸収されるときは吸
収コンデンサ21A、21Bは過充電の状態になっており、ま
た、リアクトル2Aの電流が負荷電流Ｉに整定し、負荷電
流Ｉのフリーホイールダイオード10BからＧＴＯ1Aへの
転流が完了する。

【００３７】次に、リアクトル2B、吸収コンデンサ21
B、回収コンデンサ23、吸収コンデンサ21A、リアクトル
2Aの経路で、吸収コンデンサ21A、21Bの過充電分のエネ
ルギが回収コンデンサ23に回収される。さらに、エネル
ギ回生回路24により、回収コンデンサ23からエネルギが
取り出されて直流電源11に回生されることになる。この
一連の動作を図４(ａ)→(ｂ)→(ｃ)→(ｄ)→(ｅ)→(ｆ)
の順に示す。

【００３８】回収コンデンサ23からエネルギを取り出し
て直流電源11に回生する機能をもつエネルギ回生回路24
には、図５に示すようにバックブースト型、あるいは図
６に示すようにフライバック型のＤＣ−ＤＣコンバータ
を適用することができる。さらに、図７に示すようなエ
ネルギ回生回路も適用することができる。

【００３９】つづいて、直流母線に存在する配線インダ
クタンス16に蓄えられるエネルギについて述べる。等価
的には、配線インダクタンス16と直流母線間に直列に配
置される吸収コンデンサ21A、21Bによるフィルタ回路が
構成されるとなみすことができる。したがって、このフ
ィルタ回路により、配置インダクタンス16に蓄えられる
エネルギも吸収コンデンサ21A、21Bに吸収することがで
きる。当然、そのエネルギも同様に回収コンデンサ23に
回収され、エネルギ回生回路24により回生されることに
なる。

【００４０】この発明の実施例１は、前述したように、
インバータ装置内に抵抗要素がないために高効率化が達
成でき、直列スナバ、並列スナバ、過電圧吸収の機能を
一体化したスナバ回路を設けたので、スナバコンデンサ
６を正負アームで共用でき、つまり構成部品点数を低減
でき、ひいては従来よりも電圧定格の低い半導体素子の
適用が可能となるという効果を奏する。また、スナバ回
路に蓄えられたエネルギを回収するための回収コンデン
サ23を設け、この回収コンデンサ23の蓄積エネルギをＤ
Ｃ−ＤＣコンバータなどのエネルギ回生回路24により直
流電源11に回生するようにしたので、高周波化を図るこ
とができるという効果を奏する。

【００４１】実施例２．図８は、この発明の実施例１を
３相に適用した場合を示す回路図である。この場合は、
各相の回収コンデンサ23及びエネルギ回生回路24を共通
に設けた構成となっている。構成部品点数を低減できる
という効果を奏する。

【００４２】

【発明の効果】請求項１に係る発明は、以上説明したと
おり、前記直流母線と前記アームとの間に接続され電流
上昇率を抑制するリアクトル、過電圧を抑制する吸収コ
ンデンサ、スナバダイオード、及び電圧上昇率を抑制す
るスナバコンデンサを有し、前記スナバコンデンサが前
記アームに共通に用いられ、前記吸収コンデンサ、スナ
バダイオード、及びスナバコンデンサが直列に接続され
た回路が前記アームに並列に接続されたスナバ回路を備
え、また、請求項２に係る発明は、以上説明したとお
り、前記吸収コンデンサから過剰なエネルギを回収する
回収コンデンサ、及びその回収コンデンサの充電極性を
定めるダイオードを有するエネルギ回収回路、並びに前
記回収コンデンサからエネルギを取り出して直流電源に
回生するエネルギ回生回路とを備えたので、高効率化及
び高周波化を実現することができるという効果を奏す
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例１の１アーム分を示す回路図
である。

【図２】この発明の実施例１のスナバコンデンサの充電
電圧極性と出力電圧の関係を示す回路図である。

【図３】この発明の実施例１の転流動作を示す回路図で
ある。

【図４】この発明の実施例１の転流動作を示す回路図で
ある。

【図５】この発明の実施例１のエネルギ回生回路の例を
示す回路図である。

【図６】この発明の実施例１のエネルギ回生回路の例を
示す回路図である。

【図７】この発明の実施例１のエネルギ回生回路の例を
示す回路図である。

【図８】この発明の実施例１を３相に適用した場合を示
す回路図である。

【図９】従来のインバータ装置の１アーム分を示す回路
図である。

【図１０】他の従来のインバータ装置の１アーム分を示
す回路図である。

【図１１】他の従来のインバータ装置の転流動作を示す
図である。

【図１２】他の従来のインバータ装置の転流動作を示す
図である。

【図１３】従来のインバータ装置の過電圧吸収回路を示
す回路図である。

【符号の説明】

１Ａ、１Ｂ ＧＴＯサイリスタ ２Ａ、２Ｂ リアクトル ６ スナバコンデンサ ７Ａ、７Ｂ スナバダイオード １０Ａ、１０Ｂ フリーホイールダイオード １１ 直流電源 ２１Ａ、２１Ｂ 吸収コンデンサ ２２Ａ、２２Ｂ ダイオード ２３ 回収コンデンサ ２４ エネルギ回生回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H02M 7/48 H02M 1/06 H02M 7/515 H02M 3/28

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 正負直流母線間に正負アームを構成する
   一対の自己消弧型半導体素子及び、それらに逆並列に接
   続されるフリーホイールダイオードを備えたインバータ
   装置において、前記直流母線と前記アームとの間に接続
   され電流上昇率を抑制するリアクトル、過電圧を抑制す
   る吸収コンデンサ、スナバダイオード、及び電圧上昇率
   を抑制するスナバコンデンサを有し、前記スナバコンデ
   ンサが前記アームに共通に用いられ、前記吸収コンデン
   サ、スナバダイオード、及びスナバコンデンサが直列に
   接続された回路が前記アームに並列に接続されたスナバ
   回路を備えたことを特徴とするインバータ装置。
2. 【請求項２】 前記吸収コンデンサから過剰なエネルギ
   を回収する回収コンデンサ、及びその回収コンデンサの
   充電極性を定めるダイオードを有するエネルギ回収回
   路、並びに前記回収コンデンサからエネルギを取り出し
   て直流電源に回生するエネルギ回生回路を備えたことを
   特徴とする請求項１記載のインバータ装置。