JP7276005B2 - スナバ回路および電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、スナバ回路および電力変換装置に関する。

従来、サージ電圧を低減するための種々のスナバ回路が提案されている（例えば、特許文献１～３参照）。
特許文献１ 特開２０１６－１４４３４０号公報
特許文献２ 特開２００９－２４７１３２号公報
特許文献３ 特許５５１６０５５号公報

近年、より確実に素子破壊を防止し、回路損失を低減することが望まれている。

上記課題を解決するために、本発明の第１の態様においては、スナバ回路が提供される。スナバ回路は、正側配線および負側配線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、正側配線側から負側配線側へと電流を流す並列なＮ個（但しＮは２以上の整数）の充電パスを備えてよい。スナバ回路は、負側配線または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）における負側コンデンサと、Ｎ個の充電パスのうち第ｋ＋１の充電パスにおける正側コンデンサまたは正側配線との間に接続される第２ダイオードをそれぞれ有し、負側コンデンサおよび正側コンデンサの少なくとも一方を介して負側配線側から正側配線側へと電流を流す並列なＮ＋１個の放電パスを備えてよい。スナバ回路は、Ｎ個の充電パスのうち第ｉの充電パス（但しｉは１≦ｉ≦Ｎ－１の整数）における正側コンデンサと、第ｉ＋１の充電パスにおける負側コンデンサとの間で第２ダイオードと直列に接続されるインダクタを有し、第ｉの充電パスにおける正側コンデンサ、第２ダイオード、インダクタ、および、第ｉ＋１の充電パスにおける負側コンデンサを介して正側配線側から負側配線側へと電流を流す他の充電パスを備えてよい。第ｉの充電パスおよび第ｉ＋１の充電パスにおける正側コンデンサおよび負側コンデンサのうち、他の充電パスに含まれる正側コンデンサおよび負側コンデンサは、他の充電パスに含まれない正側コンデンサおよび負側コンデンサのそれぞれよりも容量が大きくてよい。

他の充電パスにおける負側コンデンサおよび正側コンデンサの容量は互いに等しくてよい。第２ダイオードおよびインダクタを通る放電パスにおける負側コンデンサおよび正側コンデンサの容量は互いに等しくてよい。

Ｎは２であってよい。

各充電パスが有するインダクタンスは、各放電パスが有するインダクタンスよりも小さくてよい。

本発明の第２の態様においては、電力変換装置が提供される。電力変換装置は、一次側が交流電源に接続されたトランスを備えてよい。電力変換装置は、トランスの二次側に接続され、トランスの二次側からの出力に応じた直流電圧を正側配線および負側配線の間に出力する整流回路を備えてよい。電力変換装置は、正側配線および負側配線の間に接続された、第１の態様のスナバ回路を備えてよい。

本発明の第３の態様においては、電力変換装置が提供される。電力変換装置は、正側配線および負側配線の間に直流電圧を出力するインバータまたはチョッパを備えてよい。電力変換装置は、正側配線および負側配線の間に接続された、第１の態様のスナバ回路を備えてよい。

正側配線および負側配線の少なくとも一方の配線は、インダクタンスを有してよい。配線のインダクタンスおよびスナバ回路におけるインダクタのインダクタンスと、他の充電パスにおける正側コンデンサおよび負側コンデンサとの共振周期は、配線のインダクタンスと、第ｉの充電パスおよび第ｉ＋１の充電パスのそれぞれにおける正側コンデンサおよび負側コンデンサとの共振周期に対して偶数倍であってよい。

配線のインダクタンスおよびスナバ回路におけるインダクタのインダクタンスと、他の充電パスにおける正側コンデンサおよび負側コンデンサとの共振周期は、配線のインダクタンスと、第ｉの充電パスおよび第ｉ＋１の充電パスのそれぞれにおける正側コンデンサおよび負側コンデンサとの共振周期に対して２倍であってよい。

配線のインダクタンスは、スナバ回路におけるインダクタのインダクタンスと等しくてよい。

電力変換装置は、正側配線および負側配線の少なくとも一方に設けられた平滑インダクタをさらに備えてよい。

電力変換装置は、正側配線および負側配線の間に複数のスナバ回路を備えてよい。

なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。

本実施形態に係る電力変換装置１の回路図である。 充電パス２１を介してサージ電圧が吸収される場合の電流の流れを示す。 充電パス２３を介してサージ電圧が吸収される場合の電流の流れを示す。 放電パス２２を介してサージ電圧が放出される場合の電流の流れを示す。 スナバ回路２の動作波形を示す。 変形例に係る電力変換装置１Ａを示す。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

［１．電力変換装置の回路構成］
図１は、本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は交流電力を直流電力に変換して出力する。電力変換装置１は、交流電源１０と、トランス１１と、整流回路１２と、スナバ回路２と、平滑インダクタ１６と、平滑コンデンサ１７とを備える。電力変換装置１は、整流回路１２やスナバ回路２、平滑コンデンサ１７などを正側配線１０３および負側配線１０４の間に備えてよく、当該正側配線１０３、負側配線１０４に接続された正側出力端子１０１および負側出力端子１０２から直流電圧を出力してよい。正側出力端子１０１および負側出力端子１０２には１または複数の負荷（図示せず）が接続されてよい。

［１－１．交流電源１０］
交流電源１０は交流電力を出力する。なお、本実施形態では交流電源１０はＤＣ／ＡＣインバータであるが、商用電源でもよい。交流電源１０は、交流電力をトランス１１に供給してよい。

［１－２．トランス１１］
トランス１１は、一次側が交流電源１０に接続され、二次側が整流回路１２に接続される。トランス１１は、交流電源１０と整流回路１２との間を絶縁しつつ、交流電源１０からの交流電力を変圧して整流回路１２に供給してよい。本実施形態では一例として、トランス１１の二次巻線には起電力Ｅが生じてよい。

なお、トランス１１の二次側には漏れインダクタンス１１０が存在してよい。これにより、正側配線１０３および負側配線１０４の少なくとも一方はインダクタンスを有してよい。

［１－３．整流回路１２］
整流回路１２は、トランス１１の二次側に接続され、トランス１１の二次側からの出力に応じた直流電圧を正側配線１０３および負側配線１０４の間に出力する。本実施形態では一例として、整流回路１２はダイオードブリッジであり、トランス１１の二次側から出力される交流電力を全波整流する。整流回路１２は、４つのダイオード１２ａ～１２ｄを有してよく、このうちダイオード１２ａおよびダイオード１２ｂと、ダイオード１２ｃおよびダイオード１２ｄとはそれぞれ正側配線１０３および負側配線１０４の間に直列に接続されてよい。各ダイオード１２ａ～１２ｄには寄生キャパシタンス１２０ａ～１２０ｄが存在し得る。寄生キャパシタンス１２０ａ～１２０ｄはトランス１１の漏れインダクタンス１１０と共振を生じ得る。整流回路１２は、整流後の電圧をスナバ回路２や平滑インダクタ１６、平滑コンデンサ１７を介して負荷（図示せず）に供給してよい。

［１－４．スナバ回路２］
スナバ回路２は、正側配線１０３および負側配線１０４の間に接続される。スナバ回路２は、整流回路１２内で電流の向きが切り替わる場合（本実施形態では一例としてトランス１１の２次側から整流回路１２に供給される交流電流がゼロクロスする場合）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（一例として整流回路１２のダイオード１２ａ～１２ｄなど）を保護する。

スナバ回路２は、並列なＮ個の充電パス２１と、並列なＮ＋１個の放電パス２２と、１または複数の並列な他の充電パス２３とを有する。なお、個数Ｎは２以上の整数であり、本実施形態では一例として２である。また、本実施形態では一例として、２つの充電パス２１を図の左側から順に第１の充電パス２１_１，第２の充電パス２１_２として説明する。また、３つの放電パス２２を図の左側から順に第１の放電パス２２_１，第２の放電パス２２_２，第３の放電パス２２_３として説明する。添え字の１，…Ｎはパスの番号を示す。図中では、充電パス２３を網掛けで示している。

［１－４－１．充電パス２１］
各充電パス２１_ｋ（但しｋは１≦ｋ≦Ｎの各整数）は、正側配線１０３および負側配線１０４の間に直列に順に接続される正側コンデンサ２１１（正側コンデンサ２１１_ｋとも称する）、第１ダイオード２１２（第１ダイオード２１２_ｋとも称する）、および負側コンデンサ２１３（負側コンデンサ２１３_ｋとも称する）を有する。正側コンデンサ２１１および負側コンデンサ２１３は、それぞれスナバコンデンサとして機能するものであり、整流回路１２内での電流の切り替わり時に生じる瞬時的なサージ電圧（一例として１０ｎｓより大きく１０μｓ未満の期間で素子に印加されるサージ電圧）を吸収してよい。例えば正側コンデンサ２１１および負側コンデンサ２１３は、１００ｋＨｚより大きく１００ＭＨｚ未満の振動を抑えてよい。正側コンデンサ２１１および負側コンデンサ２１３は、一例としてフィルムコンデンサまたは積層セラミックコンデンサであってよい。

第１ダイオード２１２は、正側配線１０３の側にアノードを向け、負側配線１０４の側にカソードを向けて配設される。これにより、各充電パス２１は正側配線１０３側から負側配線１０４側へと電流を流す。

［１－４－２．放電パス２２］
各放電パス２２_ｋは、第２ダイオード２２１（第２ダイオード２２１_ｋとも称する）を有する。第２ダイオード２２１_ｋは、負側配線１０４またはＮ個の充電パス２１のうち第ｋの充電パス２１_ｋにおける負側コンデンサ２１３_ｋと、Ｎ個の充電パス２１のうち第ｋ＋１の充電パス２１_ｋ＋１における正側コンデンサ２１１_ｋ＋１または正側配線１０３と、の間に接続される。例えば、第１の放電パス２２_１の第２ダイオード２２１_１は、負側配線１０４と、第１の充電パス２１_１の正側コンデンサ２１１_１との間に接続される。第２の放電パス２２_２の第２ダイオード２２１_２は、第１の充電パス２１_１の負側コンデンサ２１３_１と、第２の充電パス２１_２の正側コンデンサ２１１_２との間に接続される。第３の放電パス２２_３の第２ダイオード２２１_３は、第２の充電パス２１_２の負側コンデンサ２１３_２と、正側配線１０３との間に接続される。第２ダイオード２２１は、第ｋの充電パス２１_ｋまたは負側配線１０４の側にアソードを向け、第ｋ＋１の充電パス２１_ｋ＋１または正側配線１０３の側にカソードを向けて配設される。これにより、各放電パス２２は、負側コンデンサ２１３および正側コンデンサ２１１の少なくとも一方を介して負側配線１０４側から正側配線１０３側へと電流を流す。

各放電パス２２が有するインダクタンスは、各充電パス２１が有するインダクタンスよりも大きくてよい。つまり、各充電パス２１が有するインダクタンスは、各放電パス２２が有するインダクタンスよりも小さくてよい。例えば、各充電パス２１の配線長は、各放電パス２２の配線長よりも短くてよい。一例として、正側配線１０３および負側配線１０４を結ぶ各充電パス２１の配線長は、正側配線１０３および負側配線１０４を結ぶ各放電パス２２の配線長よりも短くてよい。

［１－４－３．充電パス２３］
１または複数の充電パス２３（充電パス２３_ｉとも称する。但しｉは１≦ｉ≦Ｎ－１の少なくとも１つの整数）は、インダクタ２３１（インダクタ２３１_ｉとも称する）を有する。インダクタ２３１_ｉは、Ｎ個の充電パス２１のうち第ｉの充電パス２１_ｉ（但しｉは１≦ｉ≦Ｎ－１の整数）における正側コンデンサ２１１_ｉと、第ｉ＋１の充電パス２１_ｉ＋１における負側コンデンサ２１３_ｉ＋１との間で第２ダイオード２２１_ｉと直列に接続される。従って、インダクタ２３１_ｉは放電パス２２_ｉに含まれてよく、第２ダイオード２２１_ｉは充電パス２３_ｉに含まれてよい。これにより、各充電パス２３_ｉは、第ｉの充電パス２１_ｉにおける正側コンデンサ２１１_ｉ、第２ダイオード２２１_ｉ、インダクタ２３１_ｉ、および、第ｉ＋１の充電パス２１_ｉ＋１における負側コンデンサ２１３_ｉ＋１を介して正側配線１０３側から負側配線１０４側へと電流を流す。放電パス２２がインダクタ２３１を有する場合には、当該放電パス２２が有するインダクタンスには、インダクタ２３１のインダクタンスが含まれてよい。なお、本実施形態では一例として充電パス２２の個数Ｎは２であるので、充電パス２３の個数ｉは１であってよい。

［１－４－４．正側コンデンサ２１１および負側コンデンサ２１３］
充電パス２１_ｉ，２１_ｉ＋１における各正側コンデンサ２１１_ｉ，２１１_ｉ＋１および負側コンデンサ２１３_ｉ，２１３_ｉ＋１のうち、充電パス２３_ｉに含まれる正側コンデンサ２１１_ｉおよび負側コンデンサ２１３_ｉ＋１は、充電パス２３_ｉに含まれない正側コンデンサ２１１_ｉ＋１および負側コンデンサ２１３_ｉのそれぞれよりも容量が大きい。例えば、充電パス２１_ｉ，２１_ｉ＋１および充電パス２３_ｉ上にともに存在する各コンデンサは、充電パス２１_ｉ，２１_ｉ＋１のみに存在するコンデンサよりも容量が大きくてよい。また、充電パス２３_ｉにおける正側コンデンサ２１１_ｉおよび負側コンデンサ２１３_ｉ＋１のそれぞれは、当該充電パス２３_ｉにおける第２ダイオード２２１_ｉおよびインダクタ２３１_ｉを通る放電パス２２_ｉにおける負側コンデンサ２１３_ｉおよび正側コンデンサ２１１_ｉ＋１のそれぞれよりも容量が大きくてよい。本実施形態では一例として、充電パス２３_１における正側コンデンサ２１１_１および負側コンデンサ２１３_２のそれぞれは、放電パス２２_２における負側コンデンサ２１３_１および正側コンデンサ２１１_２のそれぞれよりも容量が大きい。

［１－５．平滑インダクタ１６］
平滑インダクタ１６は、正側配線１０３に設けられる。平滑インダクタ１６は、電力変換装置１から出力される電流を平滑化してよい。なお、平滑インダクタ１６は、正側配線１０３に設けられることに代えて／加えて、負側配線１０４に設けられてもよい。

［１－６．平滑コンデンサ１７］
平滑コンデンサ１７は、正側配線１０３と負側配線１０４との間に設けられる。平滑コンデンサ１７は、電力変換装置１から出力される電流を平滑化してよい。平滑コンデンサ１７の電圧、つまり電力変換装置１からの出力電圧Ｖｏは、トランス１１における二次巻線の起電力Ｅよりも小さくてよい。

［１－７．電力変換装置１の動作］
本実施形態に係る電力変換装置１においては、整流回路１２からの出力電流が増加する期間に充電パス２１，２３を介して正側コンデンサ２１１および負側コンデンサ２１３が充電され、出力電流が減少する期間に放電パス２２を介して正側コンデンサ２１１および負側コンデンサ２１３が放電される。また、整流回路１２に供給される交流電流がゼロクロスする場合に整流回路１２では電流の向きが切り替わり、サージ電圧が発生する。このサージ電圧は、漏れインダクタンス１１０と寄生キャパシタンス１２０との共振や、ダイオード１２の逆回復電流に起因して大きく生じ得る。

一方、スナバ回路２ではサージ電圧の発生時に正側コンデンサ２１１および負側コンデンサ２１３が放電された状態となっているため、充電パス２１，２３を介して正側コンデンサ２１１および負側コンデンサ２１３に充電が行われることでサージ電圧が吸収された後、正側コンデンサ２１１および負側コンデンサ２１３が放電される。これらの場合の動作について説明する。

［１－７－１．充電パス２１を介したサージ電圧の吸収］
図２は、充電パス２１を介してサージ電圧が吸収される場合の電流の流れを示す。なお、図中の破線の矢印は電流の流れを示す。

整流回路１２内で電流の向きが切り替わると、整流回路１２からの出力電流は減少から増加に転じる。この出力電流は各充電パス２１の正側コンデンサ２１１、第１ダイオード２１２および負側コンデンサ２１３に流れる。これにより、整流回路１２内での電流の向きが切り替わる場合にインダクタンス１１０に蓄積されるエネルギーは、充電パス２１の正側コンデンサ２１１および負側コンデンサ２１３の充電により吸収される。

ここで、本実施形態においては一例として、充電パス２１_１における正側コンデンサ２１１_１は負側コンデンサ２１３_１よりも容量が大きく、充電パス２１_２における負側コンデンサ２１３_２は正側コンデンサ２１１_２よりも容量が大きい。従って、充電パス２１_１，２１_２に含まれる正側コンデンサ２１１および負側コンデンサ２１３のうち、充電パス２３_１に含まれない負側コンデンサ２１３_１および正側コンデンサ２１１_２の電圧は充電パス２３_１に含まれる正側コンデンサ２１１_１および負側コンデンサ２１３_２の電圧よりも早期に上昇する。

［１－７－２．充電パス２３を介したサージ電圧の吸収］
図３は、充電パス２３を介してサージ電圧が吸収される場合の電流の流れを示す。充電パス２３にはインダクタ２３１が設けられているため、サージ電圧の発生直後には、充電パス２３の電流は妨げられてよい。充電パス２１を介した充電によって負側コンデンサ２１３_１および正側コンデンサ２１１_２の電圧が正側コンデンサ２１１_１および負側コンデンサ２１３_２の電圧よりも高くなると、整流回路１２からの出力電流は正側コンデンサ２１１_１、第１ダイオード２１２_１、第２ダイオード２２１_２、インダクタ２３１、第１ダイオード２１２_２、および、負側コンデンサ２１３_２に流れる。これにより、整流回路１２内での電流の向きが切り替わる場合にインダクタンス１１０に蓄積されるエネルギーは、充電パス２３_１の正側コンデンサ２１１_１および負側コンデンサ２１３_２の充電によっても吸収される。

ここで、本実施形態においては、正側コンデンサ２１１_１および負側コンデンサ２１３_２のそれぞれは、負側コンデンサ２１３_１および正側コンデンサ２１１_２のそれぞれよりも容量が大きい。そのため、以上のようにして充電パス２１や充電パス２３を介して正側コンデンサ２１１および負側コンデンサ２１３がサージ電圧を吸収した場合に、負側コンデンサ２１３_１，正側コンデンサ２１１_２の容量が小さいことにより電圧が早く上昇し、さらなるエネルギーの流入を阻止する作用と、正側コンデンサ２１１_１、負側コンデンサ２１３_２の容量が大きいことによる、それ以上の電圧上昇を抑制する作用を両立することができる。結果として、各放電パス２２の電圧はトランス１１の二次側の起電力Ｅよりも小さくてよい。従って、充電パス２１，２３を充電したエネルギーは放電パス２２から放電されないため、整流回路１２内で電流の向きが切り替わる場合に正側コンデンサ２１１および負側コンデンサ２１３を充電したエネルギーは、漏れインダクタンス１１０と正側コンデンサ２１１や負側コンデンサ２１３との共振動作により充放電されて回路損失として消費されることなく正側コンデンサ２１１および負側コンデンサ２１３に蓄えられて回生される。これにより、共振動作による回路損失が低減される。

［１－７－３．放電パス２２を介したサージ電圧の放出］
図４は、放電パス２２を介してサージ電圧が放出される場合の電流の流れを示す。回路の入力側の起電力すなわち正側配線１０３および負側配線１０４の間の電圧が０Ｖまたは概ね０Ｖになると、平滑インダクタ１６はその平滑作用により一定の電流を引き抜く動作を行う。一方、各放電パス２２_１～２２_３において各コンデンサに蓄積された電荷により起電力は０Ｖよりも高いので、平滑インダクタ１６の電流はこれらのコンデンサから供給される。これにより各コンデンサはおよそ０Ｖになるまで放電される。放電電流は主に平滑インダクタ１６により決定され、回路の抵抗成分から概ね影響を受けないので、放電における回路損失は、抵抗を介して放電される場合と比べて極めて小さくなる。

以上のスナバ回路２によれば、正側コンデンサ２１１および負側コンデンサ２１３を有するＮ個（本実施形態では一例として２個）の並列な充電パス２１が具備される。従って、整流回路１２内で電流の向きが切り替わる場合にインダクタンス１１０に蓄積されるエネルギーは各充電パス２１を通って正側コンデンサ２１１および負側コンデンサ２１３を正側配線１０３および負側配線１０４の間の電圧（本実施形態では一例としてトランス１１における起電力Ｅ）よりも高い電圧に充電する。これにより、サージ電圧による素子破壊が防止される。

また、スナバ回路２には正側コンデンサ２１１_ｉ、第２ダイオード２２１_ｉ+1、および、負側コンデンサ２１３_ｉ＋１を介して正側配線１０３側から負側配線１０４側へと電流を流す他の充電パス２３が具備される。従って、整流回路１２内で電流の向きが切り替わる場合には、当該充電パス２３によっても充電が可能となる。そして、正側コンデンサ２１１_ｉと負側コンデンサ２１３_ｉ＋１との間には第２ダイオード２２１_ｉ+1と直列にインダクタ２３１が接続され、充電パス２３_ｉにおける正側コンデンサ２１１_ｉおよび負側コンデンサ２１３_ｉ＋１のそれぞれは、負側コンデンサ２１３_ｉおよび正側コンデンサ２１１_ｉ＋１のそれぞれよりも容量が大きい。従って、整流回路１２内で電流の向きが切り替わる場合には、充電パス２１_ｉ，２１_ｉ＋１による正側コンデンサ２１１_ｉ，２１１_ｉ＋１および負側コンデンサ２１３_ｉ，２１３_ｉ＋１の充電が開始した後、充電パス２３_ｉによる正側コンデンサ２１１_ｉおよび負側コンデンサ２１３_ｉ＋１の充電が開始する。よって、充電パス２１_ｉ，２１_ｉ＋１を介した充電によって容量の小さい負側コンデンサ２１３_ｉ，正側コンデンサ２１１_ｉ＋１の電圧が早期に増加した後、充電パス２３_ｉを介した充電によって容量の大きい正側コンデンサ２１１_ｉ，負側コンデンサ２１３_ｉ＋１の電圧が増加するため、正側配線１０３および負側配線１０４の間に生じる電圧の増加タイミングを分散し、ピーク電圧を低減することができる。従って、サージ電圧による素子破壊をより確実に防止することができる。

また、スナバ回路２には、負側コンデンサ２１３および正側コンデンサ２１１の少なくとも一方を介して負側配線１０４側から正側配線１０３側へと電流を流すＮ＋１個の放電パス２２が具備される。ここで、整流回路１２内で電流の向きが切り替わることで生じるサージ電圧が各充電パス２１および各充電パス２３によって吸収された場合に、各放電パス２２における電圧はトランスの二次側の起電力Ｅよりも小さいため、起電力Ｅが印加されている期間中は、充電パス２１，２３を充電したエネルギーは放電パス２２によって放電されない。従って、放電後の再充電すなわち共振動作も発生しない。整流回路１２内で電流の向きが切り替わる場合に正側コンデンサ２１１および負側コンデンサ２１３を充電したエネルギーは、二次側起電力が０Ｖになるタイミングまで保持され、その後、上述の平滑インダクタ１６の電流引き抜き動作により負荷側に回生される。これにより、共振動作による回路損失が低減される。

そして、このように整流回路１２内で電流の向きが切り替わる場合のサージ電圧による素子破壊を防止するとともに、回路損失を低減することができるため、正側配線１０３および負側配線１０４に接続される配線のインダクタンスの許容量を大きくすることができる。つまり、正側配線１０３および負側配線１０４の配線長の自由度を高めることができる。

また、各充電パス２１が有するインダクタンスが、各放電パス２２が有するインダクタンスよりも小さいので、整流回路１２内で電流の向きが切り替わる場合に生じるサージ電圧を充電パス２１によって確実に低減することができる。また、放電により電流が流される場合に過大な突入電流が生じてしまうのを放電パス２２の配線インダクタンスによって防止することができる。

そして、以上のようなスナバ回路２を備える電力変換装置１によれば、整流回路１２内で電流の向きが切り替わる場合のサージ電圧がトランス１１の漏れインダクタンス１１０と整流回路１２のダイオード１２ａ～１２ｄに含まれる寄生キャパシタンス１２０ａ～１２０ｄとの共振や、ダイオード１２ａ～１２ｄの逆回復電流などによって増大する場合であっても、サージ電圧を低減し、素子の破壊を防止することができる。

また、正側配線１０３および負側配線１０４の少なくとも一方に平滑インダクタ１６が設けられるので、整流回路１２内で電流の向きが切り替わる場合に、正側コンデンサ２１１および負側コンデンサ２１３を充電したエネルギーが平滑インダクタ１６によって引き抜かれて負荷に供給される。このように、整流回路１２内での電流の向きが切り替わる場合にインダクタンス１１０に蓄積されるエネルギーは、第１ダイオード２１２や第２ダイオード２２１での導通損を除き、平滑インダクタ１６を介して負荷に供給されるため、概ね損失なしに電力を負荷に供給することができる。

［２．漏れインダクタンス１１０とスナバ回路２との共振］
本実施形態に係る電力変換装置１では、充電パス２３を介したサージ電圧の吸収が行われる場合に、負側コンデンサ２１３_ｉと負側コンデンサ２１３_ｉ＋１との電圧差により、負側コンデンサ２１３_ｉからエネルギーが引き抜かれ、第２ダイオード２２１_ｉおよびインダクタ２３１_ｉを介して負側コンデンサ２１３_ｉ＋１に供給されてもよい。また、整流回路１２からの出力電流は正側コンデンサ２１１_ｉから第２ダイオード２２１側に流れずに負側コンデンサ２１３_ｉ側に流れ（つまり充電パス２１_ｉを通り）、負側コンデンサ２１３_ｉを充電してもよい。これにより負側コンデンサ２１３_ｉの電圧は振動してよい。

このような振動は、トランス１１の漏れインダクタンス１１０およびスナバ回路２のインダクタ２３１のインダクタンスと、充電パス２１のコンデンサとの共振周期や、当該漏れインダクタンス１１０と充電パス２３のコンデンサの共振周期によって調整可能である。例えば、漏れインダクタンス１１０およびインダクタ２３１のインダクタンスと、充電パス２３_ｉにおける正側コンデンサ２１１_ｉおよび負側コンデンサ２１３_ｉ＋１との共振周期Ｔ２は、漏れインダクタンス１１０と、充電パス２１_ｉ，２１_ｉ＋１のそれぞれにおける正側コンデンサ２１１_ｉ，２１１_ｉ＋１および負側コンデンサ２１３_ｉ，２１３_ｉ＋１との共振周期Ｔ１に対して偶数倍（本実施形態では一例として２倍）であってよい。これにより、充電パス２３を介した充電により容量の大きい正側コンデンサ２１１_ｉ，負側コンデンサ２１３_ｉ＋１の電圧が増加して極大になるタイミングでは、充電パス２１において容量の小さいコンデンサの電圧が極小となる。従って、正側配線１０３および負側配線１０４の間に生じるピーク電圧を確実に低減し、サージ電圧による素子破壊をより確実に防止することができる。なお、共振周期Ｔ２は共振周期Ｔ１に対して厳密に偶数倍ではなく概ね偶数倍であってもよい。共振周期Ｔ２は共振周期Ｔ１に対して１．５倍～２．５倍の範囲であってもよい。

ここで、トランス１１の漏れインダクタンス１１０は、スナバ回路２におけるインダクタ２３１のインダクタンスと等しくてよい。また、充電パス２３_ｉにおける負側コンデンサ２１３_ｉ＋１および正側コンデンサ２１１_ｉの容量は互いに等しくてよい。また、第２ダイオード２２１_ｉ+1およびインダクタ２３１_ｉを通る放電パス２２_ｉにおける負側コンデンサ２１３_ｉおよび正側コンデンサ２１１_ｉ＋１の容量は互いに等しくてよい。これにより、共振周期の調整を容易化することができる。

すなわち、この場合には、容量の小さい側の負側コンデンサ２１３_ｉおよび正側コンデンサ２１１_ｉ＋１の容量をそれぞれＣａ、容量の大きい側の負側コンデンサ２１３_ｉ＋１および正側コンデンサ２１１_ｉの容量をそれぞれＣｂと表すことができる。よって、トランス１１の漏れインダクタンス１１０をＬｔ、スナバ回路２におけるインダクタ２３１のインダクタンスをＬｓ（＝Ｌｔ）とすると、共振周期Ｔ１、Ｔ２は式（４），（５）のように表され、Ｃａ、Ｃｂ、Ｌｔの調整によって容易にＴ２をＴ１の偶数倍（一例として２倍）とすることができる。一例として、ＣａはＣｂの５～６倍であってよい。

Ｔ１≒２π√｛Ｌｔ・２Ｃａ・Ｃｂ／（Ｃａ＋Ｃｂ）｝ …（４）
Ｔ２≒２π√｛（Ｌｔ＋Ｌｓ）・Ｃａ／２｝
＝２π√（Ｌｔ・Ｃａ） …（５）

図５は、スナバ回路２の動作波形を示す。図中、上側のグラフは正側コンデンサ２１１_１の電圧Ｖ_１ｐ、負側コンデンサ２１３_１の電圧Ｖ_１ｎ、スナバ回路２の出力電圧Ｖｓ、および、従来のスナバ回路の出力電圧Ｖｓ'と、時間との関係を示す。また、図中、下側のグラフは正側コンデンサ２１１_１の電流Ｉ_１ｐ、負側コンデンサ２１３_１の電流Ｉ_１ｎ、および、スナバ回路２の出力電流Ｉｓと、時間との関係を示す。なお、従来のスナバ回路は、例えば、正側配線１０３および負側配線１０４の間に単一のスナバコンデンサが接続された回路であってよい。

まず、整流回路１２内で電流の向きが切り替わると、充電パス２１_１の正側コンデンサ２１１_１および負側コンデンサ２１３_１が充電され、容量の小さい負側コンデンサ２１３_１の電圧が先に上昇し、電流Ｉｓの増加を抑制する（時点Ｔ１）。

次に、漏れインダクタンス１１０の自己誘導作用に起因して整流回路１２から出力される電流が充電パス２３に流れて負側コンデンサ２１３_２を充電するため、負側コンデンサ２１３_１の電圧Ｖ_１ｎの上昇が抑制される。また、充電パス２３のインダクタ２３１によって負側コンデンサ２１３_１から電流が引き抜かれる結果、電圧Ｖ_１ｎは低下する（時点Ｔ２）。

そして、漏れインダクタンス１１０の自己誘導作用に起因して整流回路１２からさらに出力される電流によって負側コンデンサ２１３_１が再充電される（時点Ｔ３）。ここで、正側コンデンサ２１１_１の電圧Ｖ_１Ｐは単独でトランス１１の二次側の起電力Ｅよりも低いため、放電パス２２_１からの放電は発生しない。同様に、負側コンデンサ２１３_１の電圧Ｖ_１ｎおよび正側コンデンサ２１１_２の電圧Ｖ_２Ｐの合成電圧Ｖ_１ｎ＋Ｖ_２Ｐは起電力Ｅよりも低いため、放電パス２２_２からの放電は発生しない。同様に、負側コンデンサ２１１_２の電圧Ｖ_２ｎは単独でトランス１１の二次側の起電力Ｅよりも低いため、放電パス２２_３からの放電は発生しない。そのため、正側コンデンサ２１１および負側コンデンサ２１３を充電したエネルギーは、漏れインダクタンス１１０と正側コンデンサ２１１や負側コンデンサ２１３との共振動作により充放電されて回路損失として消費されることがない。

［３．変形例］
図６は、変形例に係る電力変換装置１Ａを示す。電力変換装置１Ａは、正側配線１０３および負側配線１０４の間に直流電圧を出力するインバータ３と、スナバ回路２とを備えてよい。電力変換装置１Ａには、複数の負荷４が並列に接続されてよい。なお、インバータ３は交流電圧から直流電圧を生成してよい。インバータ３はチョッパであってもよい。

以上の電力変換装置１Ａによれば、直流電圧が出力される正側配線１０３および負側配線１０４の間にスナバ回路２が接続されるので、正側配線１０３および負側配線１０４に対して並列に接続された複数の負荷４の何れかにおいて電流が遮断される場合に、サージ電圧を低減することができる。従って、サージ電圧によって他の負荷４が破壊されてしまうのを防止することができる。

［４．その他の変形例］
なお、上記の実施形態および変形例においては、電力変換装置１，１Ａは正側配線１０３および負側配線１０４の間に１つのスナバ回路２を備えることとして説明したが、並列な複数のスナバ回路２を備えることとしてもよい。この場合には、サージ電圧による素子破壊をより確実に防止することができる。例えば、電力変換装置１が２つのスナバ回路２を備える場合には、一方のスナバ回路２は整流回路１２におけるダイオード１２ａ，１２ｂの直列回路に物理的に近接して設けられ、他方のスナバ回路２はダイオード１２ｃ，１２ｄの直列回路に物理的に近接して設けられてよい。

また、正側配線１０３または負側配線１０４に接続される配線が有するインダクタンスをトランス１１の漏れインダクタンス１１０として説明したが、当該配線の配線インダクタンスであってもよいし、当該配線に設けられるインダクタであってもよい。

また、充電パス２１の個数Ｎを２として説明したが、３以上としてもよい。この場合には、他の充電パス２３は１つであってもよいし、２以上であってもよい。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。

１ 電力変換装置、２ スナバ回路、３ インバータ、４ 負荷、１０ 交流電源、１１ トランス、１２ 整流回路、１２ａ～１２ｄ ダイオード、１６ 平滑インダクタ、１７ 平滑コンデンサ、２１ 充電パス、２２ 放電パス、２３ 充電パス、１０１ 正側出力端子、１０２ 負側出力端子、１０３ 正側配線、１０４ 負側配線、１１０ 漏れインダクタンス、１２０ 寄生キャパシタンス、２１１ 正側コンデンサ、２１３ 負側コンデンサ、２２１ 第２ダイオード、２３０ インダクタ

Claims (11)

1. 正側配線および負側配線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、前記正側配線側から前記負側配線側へと電流を流す並列なＮ個（但しＮは２以上の整数）の充電パスと、
   前記負側配線または前記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配線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配線側から前記正側配線側へと電流を流す並列なＮ＋１個の放電パスと、
   前記Ｎ個の充電パスのうち第ｉの充電パス（但しｉは１≦ｉ≦Ｎ－１の整数）における前記正側コンデンサと、第ｉ＋１の充電パスにおける前記負側コンデンサとの間で前記第２ダイオードと直列に接続されるインダクタを有し、前記第ｉの充電パスにおける前記正側コンデンサ、前記第２ダイオード、前記インダクタ、および、前記第ｉ＋１の充電パスにおける前記負側コンデンサを介して前記正側配線側から前記負側配線側へと電流を流す他の充電パスと、
   を備え、
   前記第ｉの充電パスおよび前記第ｉ＋１の充電パスにおける前記正側コンデンサおよび負側コンデンサのうち、前記他の充電パスに含まれる前記正側コンデンサおよび前記負側コンデンサは、前記他の充電パスに含まれない前記正側コンデンサおよび前記負側コンデンサのそれぞれよりも容量が大きい、
   スナバ回路。
2. 前記他の充電パスにおける前記負側コンデンサおよび前記正側コンデンサの容量は互いに等しく、
   前記第２ダイオードおよび前記インダクタを通る前記放電パスにおける前記負側コンデンサおよび前記正側コンデンサの容量は互いに等しい、
   請求項１に記載のスナバ回路。
3. Ｎは２である、
   請求項１または２に記載のスナバ回路。
4. 各充電パスが有するインダクタンスは、各放電パスが有するインダクタンスよりも小さい、
   請求項１から３のいずれか一項に記載のスナバ回路。
5. 一次側が交流電源に接続されたトランスと、
   前記トランスの二次側に接続され、前記トランスの二次側からの出力に応じた直流電圧を正側配線および負側配線の間に出力する整流回路と、
   前記正側配線および前記負側配線の間に接続された、請求項１～４のいずれか一項に記載のスナバ回路と、
   を備える電力変換装置。
6. 正側配線および負側配線の間に直流電圧を出力するインバータまたはチョッパと、
   前記正側配線および前記負側配線の間に接続された、請求項１～４のいずれか一項に記載のスナバ回路と、
   を備える電力変換装置。
7. 前記正側配線および前記負側配線の少なくとも一方の配線は、インダクタンスを有し、
   前記配線の前記インダクタンスおよび前記スナバ回路における前記インダクタのインダクタンスと、前記他の充電パスにおける前記正側コンデンサおよび前記負側コンデンサとの共振周期は、
   前記配線の前記インダクタンスと、前記第ｉの充電パスおよび前記第ｉ＋１の充電パスのそれぞれにおける前記正側コンデンサおよび前記負側コンデンサとの共振周期に対して偶数倍である、
   請求項５または６に記載の電力変換装置。
8. 前記配線の前記インダクタンスおよび前記スナバ回路における前記インダクタのインダクタンスと、前記他の充電パスにおける前記正側コンデンサおよび前記負側コンデンサとの共振周期は、
   前記配線の前記インダクタンスと、前記第ｉの充電パスおよび前記第ｉ＋１の充電パスのそれぞれにおける前記正側コンデンサおよび前記負側コンデンサとの共振周期に対して２倍である、
   請求項７に記載の電力変換装置。
9. 前記配線の前記インダクタンスは、前記スナバ回路における前記インダクタのインダクタンスと等しい、
   請求項７または８に記載の電力変換装置。
10. 前記正側配線および前記負側配線の少なくとも一方に設けられた平滑インダクタ、
    をさらに備える、請求項６～９のいずれか一項に記載の電力変換装置。
11. 前記正側配線および前記負側配線の間に複数の前記スナバ回路を備える、
    請求項６～１０のいずれか一項に記載の電力変換装置。

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