JP6563263B2

JP6563263B2 - プラズマリアクタ用電源装置のスナバ回路

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Publication number: JP6563263B2
Application number: JP2015131646A
Authority: JP
Inventors: 道岡　力; 力道岡; 田中　裕久; 裕久田中
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2015-06-30
Filing date: 2015-06-30
Publication date: 2019-08-21
Anticipated expiration: 2035-06-30
Also published as: JP2017017849A

Description

本発明は、プラズマリアクタ用電源装置に組み込まれるスナバ回路に関する。

エンジン、とくにディーゼルエンジンから排出される排ガスには、ＣＯ（一酸化炭素）、ＨＣ（炭化水素）、ＮＯｘ（窒素酸化物）およびＰＭ（Particulate Matter：粒子状物質）などが含まれる。

排ガスに含まれるＰＭを除去する手法として、プラズマリアクタを用いて、排ガスに含まれるＰＭを除去する手法が提案されている。プラズマリアクタは、複数の電極パネルを備えている。電極パネルは、たとえば、誘電体に電極を内蔵した構成であり、複数の電極パネルは、排ガスの流れ方向と直交する方向に間隔を空けて対向配置される。プラズマリアクタ用電源装置から電極間にパルス電圧が印加されると、誘電体バリア放電が生じて、電極パネル間に低温プラズマ（非平衡プラズマ）が発生し、電極パネル間を流れる排ガス中のＰＭが酸化により除去される。

プラズマリアクタ用電源装置は、図４に示されるように、フライバック型コンバータの構成を有しており、ＤＣ電源９１、昇圧トランス９２およびスイッチング素子９３を備えている。昇圧トランス９２の一次コイル９４にスイッチング素子９３が接続されており、このスイッチング素子９３と一次コイル９４との直列回路がＤＣ電源９１に接続されている。昇圧トランス９２の二次コイル９５は、プラズマリアクタの電極９６に接続されている。

スイッチング素子９３がオンされると、昇圧トランス９２の一次コイル９４に電流が流れ、一次コイル９４にエネルギが蓄積される。その後、スイッチング素子９３がオフされると、一次コイル９４に蓄積されたエネルギが開放されて、一次コイル９４に起電力が生じ、昇圧トランス９２の二次コイル９５に巻数比に応じた二次電圧が発生する。スイッチング素子９３のオン／オフが一定の周期で繰り返されることにより、二次電圧がパルス的に発生し、パルス波状に変化する二次電圧がプラズマリアクタの電極９６間に印加される。

スイッチング素子９３には、スナバコンデンサ９７が並列に接続されている。そのため、スイッチング素子９３のオフ時には、一次コイル９４から開放されるエネルギの一部により、スナバコンデンサ９７が充電される。スナバコンデンサ９７の充電により、スイッチング素子９３のオフ時に生じる過渡的な高電圧（サージ電圧）がスイッチング素子９３に印加されることを抑制でき、スイッチング素子９３がその高電圧により破壊されることを抑制できる。

実用新案登録第２５９６１４２号公報

スナバコンデンサ９７の容量値は、充電時の端子間電圧がスイッチング素子９３の耐電圧を超えないように設定される。最も厳しい条件は、昇圧トランス９２の二次側が断線故障などで開放（二次側開放）され、昇圧トランス９２の一次コイル９４に蓄積されたエネルギと同等のエネルギをスナバコンデンサ９７が吸収した場合に、スナバコンデンサ９７の端子間電圧がスイッチング素子９３の耐電圧を超えないという条件である。この条件を満たすためには、スナバコンデンサ９７の容量値は、一次コイル９４に蓄積されるエネルギの吸収を考慮して、比較的大きな値に設定する必要がある。

ところが、スナバコンデンサ９７の容量が大きいと、二次側開放が生じていない通常時にも、スナバコンデンサ９７の充電に使われるエネルギが大きく、プラズマリアクタにおける放電が開始される電圧（放電開始電圧）以上の高い二次電圧を発生させるために、一次コイル９４に大きなエネルギを蓄積させなければならない。

本発明の目的は、通常時には、小さなエネルギで放電開始電圧以上の二次電圧（出力電圧）を発生させることができ、二次側開放時には、昇圧トランスの蓄積エネルギを良好に吸収することができる、プラズマリアクタ用電源装置のスナバ回路を提供することである。

前記の目的を達成するため、本発明に係るプラズマリアクタ用電源装置のスナバ回路は、プラズマリアクタに印加される電圧を発生するプラズマリアクタ用電源装置にフライバック型昇圧トランスとともに用いられて、フライバック型昇圧トランスの一次コイルに一次電圧を断続的に印加するためにオン／オフされるスイッチング素子と並列に設けられるスナバ回路であって、直列接続された複数のコンデンサと、複数のコンデンサのうちの１つと並列に接続されたツェナーダイオードとを含む。

この構成によれば、フライバック型昇圧トランスの二次側が開放されていない通常時には、直列接続された複数のコンデンサが実質的に単一のスナバコンデンサとして動作する。直列接続された複数のコンデンサの合成容量値、つまり直列接続された複数のコンデンサが実質的に構成する単一のスナバコンデンサの容量値は、個々のコンデンサの容量値よりも小さい値となる。そのため、複数のコンデンサのうちの１つを単独でスナバコンデンサとして用いた構成と比較して、スナバコンデンサ（スナバ回路）の充電に消費されるエネルギを低減することができる。その結果、一次コイルに蓄積される小さなエネルギにより、出力電圧（二次電圧）をプラズマリアクタにおける放電が開始される電圧（放電開始電圧）以上に立ち上げることができる。言い換えれば、出力電圧を放電開始電圧以上に立ち上げるのに一次コイルに蓄積されるエネルギを低減することができる。

一方、二次側開放（出力開放）時には、一次コイルに蓄積されたエネルギがプラズマリアクタでの放電により消費されないので、スナバ回路に通常時よりも大きなエネルギが加わる。ツェナーダイオードと並列に設けられたコンデンサの端子間電圧がツェナー電圧まで上昇すると、ツェナーダイオードが作動し、そのコンデンサの端子間電圧のそれ以上の上昇が抑えられる。そのため、ツェナーダイオードの作動後は、ツェナーダイオードと並列に設けられたコンデンサへの電荷の蓄積がなく、それ以外のコンデンサに電荷が蓄積される。すなわち、ツェナーダイオードの作動後は、ツェナーダイオードと並列に設けられたコンデンサ以外のコンデンサが実質的に単一のスナバコンデンサとして動作する。その結果、ツェナーダイオードの作動後は、作動前と比較して、スナバコンデンサの容量値が上昇し、吸収可能なエネルギが大きくなる。

よって、通常時には、小さなエネルギで放電開始電圧以上の出力電圧を発生させることができ、二次側開放時には、昇圧トランスの蓄積エネルギを良好に吸収することができる。

本発明によれば、通常時には、小さなエネルギで放電開始電圧以上の出力電圧を発生させることができ、プラズマリアクタ用電源装置（フライバック型昇圧回路）の高い変換効率を発揮することができる。一方、二次側開放時には、昇圧トランスの蓄積エネルギを良好に吸収することができ、フライバック型昇圧回路のスイッチング素子に耐電圧を超える電圧が印加されることを抑制できる。

ＰＭ除去装置の構成を図解的に示す断面図である。本発明の一実施形態に係るプラズマリアクタ用電源装置の概略構成を示す回路図である。プラズマリアクタ用電源装置の比較例の概略構成を示す回路図である。従来のプラズマリアクタ用電源装置の概略構成を示す回路図である。

以下では、本発明の実施の形態について、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。

＜ＰＭ除去装置＞

図１は、ＰＭ除去装置１の構成を図解的に示す断面図である。

ＰＭ除去装置１は、たとえば、自動車のエンジン（図示せず）から排出される排ガスに含まれるＰＭを除去するための装置であり、エキゾーストパイプなどの排気管２の途中部に介装される。ＰＭ除去装置１は、流通管３、プラズマリアクタ４およびプラズマリアクタ用電源装置５を備えている。

流通管３は、一端部および他端部にそれぞれ排ガス流入口１１および排ガス流出口１２を有する管状（筒状）をなしている。排ガス流入口１１は、排気管２におけるエンジン側の部分２Ａに接続され、排ガス流出口１２は、排気管２におけるエンジン側と反対側の部分２Ｂに接続されている。エンジンから排出される排ガスは、排気管２におけるエンジン側の部分２Ａを流れ、排ガス流入口１１から流通管３に流入して、流通管３を流通し、排ガス流出口１２から排気管２におけるエンジン側と反対側の部分２Ｂに流出する。

プラズマリアクタ４は、流通管３内に配置されている。プラズマリアクタ４は、複数の電極パネル２１を備えている。

電極パネル２１は、四角板状をなし、誘電体２２に電極２３を内蔵した構成、言い換えれば、電極２３をその両面から誘電体２２で挟み込んだ構成を有している。誘電体２２の材料としては、Ａｌ_２Ｏ_３（アルミナ）を例示することができる。電極２３の材料としては、タングステンを例示することができる。電極パネル２１は、流通管３における排ガスの流通方向（排ガス流入口１１から排ガス流出口１２に向かう方向）に延び、排ガスの流通方向と直交する方向に等間隔を空けて並列に配置されている。

電極２３には、誘電体２２の積層方向の一端側から順に、プラス配線２４およびマイナス配線２５が交互に接続されている。プラス配線２４およびマイナス配線２５は、それぞれプラズマリアクタ用電源装置５のプラス端子およびマイナス端子と電気的に接続されている。

＜プラズマリアクタ用電源装置＞

図２は、本発明の一実施形態に係るプラズマリアクタ用電源装置５の概略構成を示す回路図である。

プラズマリアクタ用電源装置５は、ＤＣ電源３１、昇圧回路３２、入力フィルタ回路３３、スナバ回路３４、制御回路３５およびゲートドライブ回路３６を備えている。

ＤＣ電源３１は、たとえば、１２Ｖの直流電圧を出力する車載バッテリである。

昇圧回路３２は、フライバック型昇圧トランス４１およびスイッチング素子４２を含む。フライバック型昇圧トランス４１の一次コイル４３にスイッチング素子４２が接続されており、このスイッチング素子４２と一次コイル４３との直列回路が入力フィルタ回路３３を介してＤＣ電源３１に接続されている。具体的には、スイッチング素子４２は、たとえば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）であり、そのコレクタがフライバック型昇圧トランス４１の一次コイル４３の一端に接続され、エミッタが接地されている。一次コイル４３の他端は、入力フィルタ回路３３を介して、ＤＣ電源３１のプラス端子に接続されている。

フライバック型昇圧トランス４１の二次コイル４４の一端および他端は、それぞれプラズマリアクタ用電源装置５のプラス端子およびマイナス端子と電気的に接続されている。これにより、二次コイル４４の一端は、プラス端子およびプラス配線２４を介してプラズマリアクタ４の電極２３に接続され、二次コイル４４の他端は、マイナス端子およびマイナス配線２５を介して電極２３に接続されている。

入力フィルタ回路３３は、ＤＣ電源３１の出力電圧を安定させるためのコンデンサなどを含む。

スナバ回路３４は、２個のコンデンサ５１，５２およびツェナーダイオード５３を含む構成であり、スイッチング素子４２と並列に設けられている。具体的には、２個のコンデンサ５１，５２は、直列に接続されている。このコンデンサ５１，５２の直列回路は、一端がスイッチング素子４２のコレクタと電気的に接続され、他端がスイッチング素子４２のエミッタと電気的に接続、つまり接地されている。これにより、コンデンサ５１，５２の直列回路は、スイッチング素子４２と並列に接続されている。ツェナーダイオード５３は、カソードがコンデンサ５１，５２の接続点と電気的に接続され、アノードが接地されている。

制御回路３５は、ＩＣ回路である。制御回路３５は、ゲートドライブ回路３６からスイッチング素子４２のゲートに入力されるゲート電圧を制御する。

ゲート電圧の制御により、スイッチング素子４２がオンされると、フライバック型昇圧トランス４１の一次コイル４３に電流が流れ、一次コイル４３にエネルギが蓄積される。その後、スイッチング素子４２がオフされると、一次コイル４３に蓄積されたエネルギが開放されて、一次コイル４３に起電力が生じ、フライバック型昇圧トランス４１の二次コイル４４に巻数比に応じた二次電圧が発生する。

スイッチング素子４２のオン／オフが一定の周期で繰り返されることにより、二次電圧がパルス的に発生し、パルス波状に変化する二次電圧（プラズマリアクタ用電源装置５の出力電圧）がプラズマリアクタ４の電極２３間に印加される。プラズマリアクタ用電源装置５の出力電圧が電極２３間に印加されることにより、電極パネル２１（図１参照）間に誘電体バリア放電が生じ、その誘電体バリア放電によるプラズマが発生する。プラズマの発生により、電極パネル２１間を流通する排ガスに含まれるＰＭが酸化（燃焼）されて除去される。

また、スイッチング素子４２がオフされたときに、一次コイル４３から開放されるエネルギの一部により、スナバ回路３４のコンデンサ５１，５２が充電される。コンデンサ５１，５２の充電により、スイッチング素子４２のターンオフ時に生じる過渡的な高電圧（サージ電圧）がスイッチング素子４２に印加されることが抑制され、スイッチング素子４２がその高電圧により破壊されることが抑制される。

＜作用効果＞

昇圧回路３２の二次側が開放されていない通常時には、直列接続された２個のコンデンサ５１，５２が実質的に単一のスナバコンデンサとして動作する。直列接続された２個のコンデンサ５１，５２の合成容量値、つまり直列接続された２個のコンデンサ５１，５２が実質的に構成する単一のスナバコンデンサの容量値は、個々のコンデンサの容量値よりも小さい値となる。そのため、２個のコンデンサ５１，５２のうちの１つを単独でスナバコンデンサとして用いた構成と比較して、スナバコンデンサ（スナバ回路３４）の充電に消費されるエネルギを低減することができる。その結果、一次コイル４３に蓄積される小さなエネルギにより、プラズマリアクタ用電源装置５の出力電圧（二次電圧）をプラズマリアクタ４における放電が開始される電圧（放電開始電圧）以上に立ち上げることができる。言い換えれば、プラズマリアクタ用電源装置５の出力電圧を放電開始電圧以上に立ち上げるのに一次コイル４３に蓄積されるエネルギを低減することができる。

一方、二次側開放（出力開放）時には、一次コイル４３に蓄積されたエネルギがプラズマリアクタ４での放電により消費されないので、スナバ回路３４に通常時よりも大きなエネルギが加わる。ツェナーダイオード５３と並列に設けられたコンデンサ５１の端子間電圧がツェナー電圧まで上昇すると、ツェナーダイオード５３が作動し、コンデンサ５１の端子間電圧のツェナー電圧以上の上昇が抑えられる。そのため、ツェナーダイオード５３の作動後は、ツェナーダイオード５３と並列に設けられたコンデンサ５１への電荷の蓄積がなく、ツェナーダイオード５３と並列に設けられていないコンデンサ５２に電荷が蓄積される。すなわち、ツェナーダイオード５３の作動後は、ツェナーダイオード５３と並列に設けられていないコンデンサ５２がスナバコンデンサとして動作する。その結果、ツェナーダイオード５３の作動後は、作動前と比較して、スナバコンデンサの容量値が上昇し、吸収可能なエネルギが大きくなる。

よって、通常時には、小さなエネルギで放電開始電圧以上の出力電圧を発生させることができ、二次側開放時には、フライバック型昇圧トランス４１の蓄積エネルギを良好に吸収することができる。

＜効果確認＞

図２に示されるスナバ回路３４において、コンデンサ５１の容量値Ｃ_１を２．２μＦとし、コンデンサ５２の容量値Ｃ_２を４．７μＦとする。ツェナーダイオード５３のツェナー電圧を３００Ｖとする。スナバ回路３４では、スナバ電圧（スナバ回路３４の両端の電位差）Ｖｓをスイッチング素子４２の耐電圧を考慮した６００Ｖ以下に抑える必要があるとする。

この場合において、スナバ電圧Ｖｓがツェナー電圧＝３００Ｖ以下であるとき、２個のコンデンサ５１，５２の合成容量値Ｃ_１＋２は、
Ｃ_１＋２＝Ｃ_１・Ｃ_２／（Ｃ_１＋Ｃ_２）≒１．５μＦ
である。

したがって、スナバ電圧Ｖｓがツェナー電圧＝３００Ｖに等しいときには、コンデンサ５２の端子間電圧Ｖ_２ａは、
Ｖ_２ａ＝１．５×３００／４．７≒１００Ｖ
となる。

二次側開放が生じ、スナバ電圧Ｖｓがツェナー電圧＝３００Ｖを超えると、ツェナーダイオード５３が作動する。ツェナーダイオード５３の作動後は、コンデンサ５２のみがスナバコンデンサとして動作し、コンデンサ５２に電圧Ｖ_２ｂ＝６００Ｖが印加される場合、コンデンサ５２により吸収可能なエネルギＷ_２は、
Ｗ_２＝（１／２）×Ｃ_２×（Ｖ_２ｂ ^２−Ｖ_２ａ ^２）
＝（１／２）×４．７×１０^−６×（６００^２−１００^２）
＝０．８２２５［Ｊ］
である。

したがって、スナバ回路３４により吸収可能なエネルギＷは、
Ｗ＝Ｗ_２＝０．８２２５［Ｊ］
である。

スナバ回路３４との比較の対象として、図３に示されるスナバ回路６０を作製した。スナバ回路６０では、２個のコンデンサ６１，６２は、並列に接続されている。そして、コンデンサ６２には、ツェナーダイオード６３が直列に接続されている。

コンデンサ６１の容量値Ｃ_１を１．５μＦとし、コンデンサ６２の容量値Ｃ_２を５．４μＦとする。ツェナーダイオード６３のツェナー電圧を３００Ｖとする。スナバ回路６０では、スナバ回路３４と同様に、スナバ電圧Ｖｓをスイッチング素子４２の耐電圧を考慮した６００Ｖ以下に抑える必要があるとする。

この場合において、スナバ電圧Ｖｓがツェナー電圧＝３００Ｖ以下であるとき、ツェナーダイオード６３が非作動であるので、コンデンサ６１のみがスナバコンデンサとして動作し、その容量値は、
Ｃ_１＝１．５μＦ
である。そして、スナバ電圧Ｖｓがツェナー電圧＝３００Ｖに等しいときには、コンデンサ６１の端子間電圧Ｖ_１ａは、Ｖ_１ａ＝３００Ｖとなる。

二次側開放が生じ、スナバ電圧Ｖｓがツェナー電圧＝３００Ｖを超えると、ツェナーダイオード６３が作動する。ツェナーダイオード６３の作動後は、コンデンサ５１，５２の両方が動作し、コンデンサ６１に電圧Ｖ_１ｂ＝６００Ｖが印加され、コンデンサ６２に電圧Ｖ_２ｂ＝３００Ｖが印加される。したがって、コンデンサ６１により吸収可能なエネルギＷ_１は、
Ｗ_１＝（１／２）×Ｃ_１×（Ｖ_１ｂ ^２−Ｖ_１ａ ^２）
＝（１／２）×１．５×１０^−６×（６００^２−３００^２）
＝０．２０２５［Ｊ］
である。

一方、コンデンサ６２により吸収可能なエネルギＷ_２は、
Ｗ_２＝（１／２）×Ｃ_２×（Ｖ_２ｂ ^２−０）
＝（１／２）×５．４×１０^−６×（３００^２−０）
＝０．２４３［Ｊ］
である。

したがって、スナバ回路６０により吸収可能なエネルギＷは、
Ｗ＝Ｗ_１＋Ｗ_２＝０．４４５５［Ｊ］
である。

スナバ回路６０により吸収可能なエネルギＷが０．４４５５［Ｊ］であるのに対し、スナバ回路３４により吸収可能なエネルギＷは０．８２２５［Ｊ］であることから、スナバ回路３４が二次側開放時にフライバック型昇圧トランス４１の蓄積エネルギを良好に吸収できることを確認される。

＜変形例＞

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、他の形態で実施することもできる。

たとえば、スイッチング素子４２は、ＩＧＢＴに限らず、ＭＯＳＦＥＴであってもよい。

また、スナバ回路３４は、３個以上のコンデンサの直列回路を含む構成であってもよい。

その他、前述の構成には、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。

４プラズマリアクタ
５プラズマリアクタ用電源装置
３４スナバ回路
４１フライバック型昇圧トランス
４２スイッチング素子
４３一次コイル
４４二次コイル
５１コンデンサ
５２コンデンサ
５３ツェナーダイオード

Claims

プラズマリアクタに印加される電圧を発生するプラズマリアクタ用電源装置にフライバック型昇圧トランスとともに用いられて、前記フライバック型昇圧トランスの一次コイルに一次電圧を断続的に印加するためにオン／オフされるスイッチング素子と並列に設けられるスナバ回路であって、
直列接続された複数のコンデンサと、
前記複数のコンデンサのうちの１つと並列に接続されたツェナーダイオードとを含み、
前記複数のコンデンサは、コンデンサ間で電流を双方向に流すことができるように接続されている、スナバ回路。