JP5515386B2 - ３レベル電力変換器のスナバ回路 - Google Patents
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Description
この発明は、３レベル電力変換器に適用して好適なスナバ回路に関する。
図５に、直流を交流に変換する電力変換回路の一般的な例を示す。
図５において、１，２は直列に接続された直流電源で、正側電位をPc、負側電位をNc、中点電位をMcとしている。なお、直流電源を交流電源システムから構成する場合は、一般的には図示されない整流器と大容量の電解コンデンサを２直列接続したもの等で構成することが多い。
図５において、１，２は直列に接続された直流電源で、正側電位をPc、負側電位をNc、中点電位をMcとしている。なお、直流電源を交流電源システムから構成する場合は、一般的には図示されない整流器と大容量の電解コンデンサを２直列接続したもの等で構成することが多い。
３，４はPc電位に接続されているIGBTとダイオード、５，６はNc電位に接続されているIGBTとダイオードで、これらが３相分設けられる。７，８はMc電位と交流出力端子９との間に接続された双方向性のスイッチデバイスで、逆耐圧を有するスイッチ素子を逆並列接続するか、または逆耐圧を有しないスイッチ素子をダイオードと組み合わせて構成され、各相に対応して設けられる。10，11，12はフィルタ用のリアクトル、13は負荷である。
以上のような構成により、出力端子９からはPc電位，Nc電位，Mc電位のいずれかを出力することができ、３レベルのインバータとなる。図６に出力電圧波形例を示す。図５の回路は２レベルタイプのインバータに対し、低次の高調波成分が少ないことが特徴で、フィルタ10，11，12の小型化が可能となる。
図７（ａ）〜（ｄ）に双方向性スイッチの具体例を示すが、いずれも同じ動作をするので、以下では逆阻止形IGBTを逆並列接続した図７（ｃ）に示すものを用いることとして、説明する。
図７（ａ）〜（ｄ）に双方向性スイッチの具体例を示すが、いずれも同じ動作をするので、以下では逆阻止形IGBTを逆並列接続した図７（ｃ）に示すものを用いることとして、説明する。
図８のように、IGBTとダイオードを一体化したモジュールを直流電源回路（電解コンデンサ）17，18に接続する場合には、モジュールの各端子（14，15，16）と電解コンデンサの正側電位Pc，中点電位Mc，負側電位Ncの各端子（19，20，21）とを銅バーなどで配線するが、配線部分にはインダクタンス成分（LP1，LM1，LN1）が存在するため、IGBTがスイッチングする際に発生するサージ電圧を抑制する目的で、通常はモジュールの外部にコンデンサ，ダイオードおよび抵抗からなるスナバ回路（22〜27）が接続される。
図９にIGBT（T1）がターンオフする際のコレクタ電流波形（ｉc）、コレクタ・エミッタ間電圧波形（ＶCE）、およびスナバコンデンサ電流波形（ｉcs）を、図１０には図９に示す各期間（t1，t2，t3）における回路動作（電流経路）を示す。なお、３レベルインバータで用いられるスナバ回路としては、例えば特許文献１，２に示すものがある。
この発明の課題は、１相分の１モジュール当たり２個必要であったスナバ抵抗を、１個にすることで体積を低減しコストの低減を図るとともに、３レベル動作時および２レベル動作時のいずれにおいても、スイッチング時の低サージ化を実現することにある。
上記のような課題を解決するため、請求項１の発明では、直流電源回路の正側端子には、ダイオードを逆並列に接続した第１スイッチ素子の電流が通流する第２端子を接続するとともに、直流電源回路の負側端子には、ダイオードを逆並列に接続した第２スイッチ素子の電流が通流する第１端子を接続し、前記第１スイッチ素子の第１端子と前記第２スイッチ素子の第２端子とを接続した接続点を出力点とし、かつ前記接続点と２分割された前記直流電源回路の分割電位点との間には双方向スイッチデバイスを接続し、３レベルの電位を出力する３レベル電力変換器において、
前記第１スイッチ素子の第２端子と前記双方向スイッチデバイスの電源側端子との間には、第１スイッチ素子の第２端子側をコンデンサとするコンデンサとダイオードとの第１直列回路を接続するとともに、前記双方向スイッチデバイスの電源側端子と前記第２スイッチ素子の第１端子との間には、双方向スイッチデバイスの電源端子側をダイオードとするダイオードとコンデンサとの第２直列回路を接続し、さらに前記第１直列回路のコンデンサとダイオードとの中間点と、前記第２直列回路のダイオードとコンデンサとの中間点との間には、抵抗を接続することを特徴とする。
この請求項１の発明においては、前記第１直列回路のコンデンサとダイオードとの中間点と、前記第２直列回路のダイオードとコンデンサとの中間点との間に接続された前記抵抗に対し、ダイオードを並列に接続することができる（請求項２の発明）。
前記第１スイッチ素子の第２端子と前記双方向スイッチデバイスの電源側端子との間には、第１スイッチ素子の第２端子側をコンデンサとするコンデンサとダイオードとの第１直列回路を接続するとともに、前記双方向スイッチデバイスの電源側端子と前記第２スイッチ素子の第１端子との間には、双方向スイッチデバイスの電源端子側をダイオードとするダイオードとコンデンサとの第２直列回路を接続し、さらに前記第１直列回路のコンデンサとダイオードとの中間点と、前記第２直列回路のダイオードとコンデンサとの中間点との間には、抵抗を接続することを特徴とする。
この請求項１の発明においては、前記第１直列回路のコンデンサとダイオードとの中間点と、前記第２直列回路のダイオードとコンデンサとの中間点との間に接続された前記抵抗に対し、ダイオードを並列に接続することができる（請求項２の発明）。
この発明によれば、スナバ抵抗を１個にすることができるので構成が簡略化され、小型化，低コスト化が可能となる利点がもたらされる。
図１はこの発明の実施形態を示す回路図である。
図示のように、上アーム側のスナバ回路として、上アーム側スイッチ素子T1のコレクタ端子（電流が通流する第２端子）14と、双方向性スイッチ素子の電源端子側15との間には、コンデンサ22とダイオード23との直列回路を接続し、かつ下アーム側のスナバ回路として、双方向性スイッチ素子（T3，T4）の電源端子側15と、下アーム側スイッチ素子T2のエミッタ端子（電流が通流する第１端子）16との間には、ダイオード26とコンデンサ25との直列回路を接続し、さらに両直列回路（スナバ回路）の中間点間には抵抗28を接続して構成される。
図示のように、上アーム側のスナバ回路として、上アーム側スイッチ素子T1のコレクタ端子（電流が通流する第２端子）14と、双方向性スイッチ素子の電源端子側15との間には、コンデンサ22とダイオード23との直列回路を接続し、かつ下アーム側のスナバ回路として、双方向性スイッチ素子（T3，T4）の電源端子側15と、下アーム側スイッチ素子T2のエミッタ端子（電流が通流する第１端子）16との間には、ダイオード26とコンデンサ25との直列回路を接続し、さらに両直列回路（スナバ回路）の中間点間には抵抗28を接続して構成される。
図３（ａ）に、上アーム側スイッチ（T1）がターンオフした後に、スナバコンデンサ22が過充電分を放電する場合の電流経路を点線にて示す。図示のように、コンデンサ22からダイオード26および抵抗28を介して放電が可能である。
また、図３（ｂ）に、下アーム側スイッチ（T2）がターンオフした後に、スナバコンデンサ25が過充電分を放電する場合の電流経路を点線にて示す。図示のように、コンデンサ25からダイオード23および抵抗28を介して放電が可能である。
以上のように構成することにより、上下アームのスナバ回路でスナバ抵抗の共通化が可能となり、その分小型化，低コスト化が可能となる。
また、図３（ｂ）に、下アーム側スイッチ（T2）がターンオフした後に、スナバコンデンサ25が過充電分を放電する場合の電流経路を点線にて示す。図示のように、コンデンサ25からダイオード23および抵抗28を介して放電が可能である。
以上のように構成することにより、上下アームのスナバ回路でスナバ抵抗の共通化が可能となり、その分小型化，低コスト化が可能となる。
図２はこの発明の別の実施の形態を示す回路図である。同図からも明らかなように、これは図１に示す抵抗28に対し、ダイオード29を並列に接続したものである。
図４（ａ），（ｂ），（ｃ）に、主回路が２アーム動作（中間素子T3，T4は常時オフ、T1とT2のみでスイッチングが行なわれる状態）となった場合の、上アーム側スイッチ（T1）がターンオフした後の動作を示す。
図４（ａ），（ｂ），（ｃ）に、主回路が２アーム動作（中間素子T3，T4は常時オフ、T1とT2のみでスイッチングが行なわれる状態）となった場合の、上アーム側スイッチ（T1）がターンオフした後の動作を示す。
ここでは、図４（ｂ）のように、スナバ回路に流れる大部分の電流がダイオード29を流れることになる。一方、図１の回路では、通過するダイオードは23と26の２個となるため、ダイオード２個分の過渡オン電圧（一般にダイオード１個あたり数十V）がターンオフサージ電圧（図７に示すVCEpeak）に重畳するが、図２の回路では１箇所分で済むため、ターンオフサージ電圧の低減が可能となる。
以上により、３レベル動作時または２レベル動作時とも、低サージ電圧でスナバ動作をすることが可能となる。
なお、以上では１相分のモジュールについて説明したが、３相分を１つのモジュールにした場合にも適用することができる。また、インバータの例について説明したが、コンバータについても同様に適用可能である。
なお、以上では１相分のモジュールについて説明したが、３相分を１つのモジュールにした場合にも適用することができる。また、インバータの例について説明したが、コンバータについても同様に適用可能である。
１，２…直流電源、３，５…IGBT（スイッチ素子）、４，６…ダイオード、７，８…双方向スイッチデバイス、９…出力端子、10〜12…出力フィルタ、14〜16…モジュール出力端子、17，18…電解コンデンサ、19〜20…端子、22〜29…スナバ回路。
Claims (2)
- 直流電源回路の正側端子には、ダイオードを逆並列に接続した第１スイッチ素子の電流が通流する第２端子を接続するとともに、直流電源回路の負側端子には、ダイオードを逆並列に接続した第２スイッチ素子の電流が通流する第１端子を接続し、前記第１スイッチ素子の第１端子と前記第２スイッチ素子の第２端子とを接続した接続点を出力点とし、かつ前記接続点と２分割された前記直流電源回路の分割電位点との間には双方向スイッチデバイスを接続し、３レベルの電位を出力する３レベル電力変換器において、
前記第１スイッチ素子の第２端子と前記双方向スイッチデバイスの電源側端子との間には、第１スイッチ素子の第２端子側をコンデンサとするコンデンサとダイオードとの第１直列回路を接続するとともに、前記双方向スイッチデバイスの電源側端子と前記第２スイッチ素子の第１端子との間には、双方向スイッチデバイスの電源端子側をダイオードとするダイオードとコンデンサとの第２直列回路を接続し、さらに前記第１直列回路のコンデンサとダイオードとの中間点と、前記第２直列回路のダイオードとコンデンサとの中間点との間には、抵抗を接続することを特徴とする３レベル電力変換器のスナバ回路。 - 前記第１直列回路のコンデンサとダイオードとの中間点と、前記第２直列回路のダイオードとコンデンサとの中間点との間に接続された前記抵抗に対し、ダイオードを並列に接続することを特徴とする請求項１に記載の３レベル電力変換器のスナバ回路。
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