JPH0197175A - インバータのエネルギー回収回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、半導体スイッチ素子のオン・オフ動作に伴
ってスナバ回路に蓄積されるエネルギーを電源側へ回収
する、インバータのエネルギー回収回路ｄ関する。

〔従来の技術〕

第３図はインバータの従来例を示す主回路接続図である
。この第３図において、第１半導体スイッチ素子として
のゲートターンオフサイリスク（以下ではＧＴＯサイリ
スタと略記する）１０には帰還ダイオード１１が、また
同じく第１半導体スイッチ素子としてのＧＴＯサイリス
タ２０には帰還ダイオード２１がそれぞれ逆並列接続さ
れている。そこでこれら両ＧＴＯサイリスタ１０　と２
０とを直列に接続してその両端に直流電源２を接続する
。このようなＧＴＯサイリスタの直列回路の２組または
３組を相互に並列接続して直流電源２に接続することに
より、直流を単相交流あるいは３相交流に変換するイン
バータが構成されるのであるが、この第３図においては
、その第１相のみを図示している。

ＧＴＯサイリスタ１０をオン・オフ動作させると同時に
、ＧＴＯサイリスタ２０をこれとは逆位相でオフ・オン
動作させることで、両ＧＴＯサイリスタ１０と２０との
結合点から交流を取出すことができるのであるが、この
ようなＧＴＯサイリスタ１０あるいは２０のスイッチン
グ動作に伴って、回路の配線インダクタンスの蓄積エネ
ルギーが変化速度のきわめて大きい電圧となって印加さ
れることにより、当富亥ＧＴＯサイリスタ１０あるいは
２０を破損させるおそれがあるので、第１コンデンサ１
２と第１ダイオード１３および抵抗１４で構成するスナ
バ回路をＧＴＯサイリスタ１０に並列に接続し、同じく
第１コンデンサ２２と第１ダイオード２３および抵抗２
４°で構成するスナバ回路をＧＴＯサイリスタ２０に並
列接続することで、第１コンデンサ１２または２２にこ
のエネルギーを蓄積させ、ＧＴＯサイリスク１０．２０
に印加される電圧の変化速度を緩和させている。

たとえばＧＴＯサイリスタ１０がオンに、かつＧＴＯサ
イリスタ２０がオフになると、配線インダクタンスのエ
ネルギーは第１ダイオード２３を介して第１コンデンサ
２２に流入し、この第１コンデンサ２２を図示の極性で
充電する。次の瞬間にＧＴＯサイリスタ１０が開路し、
かつＧＴＯサイリスタ２０が閉路すると、第１コンデン
サ２２に蓄積されていた電荷は、第１コンデンサ２２→
抵抗２４→ＧＴＯサイリスタ２０→第１コンデンサ２２
の経路で放電する。

このように第１コンデンサ１２　と２２　とは、ＧＴｏ
サイリスタ　１０　と２０のスイッチング動作に連動し
て充電と放電とを繰返すのであるが、この充放電により
第１コンデンサ１２　と２２の蓄積エネルギーを、それ
ぞれ抵抗１４と２４　とにおいて熱として放散させてい
る。なお第３図における符号３は平滑コンデンサである
。

〔発明が解決しようとする問題点〕

インバータをパルス幅変調方式で制御することで、この
インバータが出力する交流の波形歪を抑制でき、かつ制
御特性も良好となることから、このようなパルス幅変調
制御インバータが広く使用されるようになったが、制御
特性を一段と向上させるために、当該インバータを構成
しているＧＴＯサイリスクなどの第１半導体スイッチ素
子のスイッチング周波数は、益々高くなる傾向にある。

このようにスイッチング周波数を高（すると、ＧＴＯサ
イリスク自身のスイッチング損失も増大するが、特にス
ナバ回路で発生する損失が著しく増大し、この損失を熱
として放散させるのに大容量の抵抗が必要であるばかり
でなく、この発生熱を放散させるために特別の工夫が必
要になるなど、装置が大形かつ高価になる欠点を有する
ばかりでなく、装置の効率を著しく低下させる欠点も合
わせて有する。

そこで本発明の目的は、インバータを構成している第１
半導体スイッチ素子のスイッチング動作に伴ってスナバ
回路に蓄積されるエネルギーを電源側へ回収することに
より、エネルギーの無駄使いを防止して、装置の大形化
と価格の上昇を抑制するとともに、効率を向上させるこ
とにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記の目的を達成するために、本発明のエネルギー回収
回路は、第１半導体スイッチ素子と帰還ダイオードとの
逆並列接続回路の２組を相互に直列接続して直流電源の
正負極間に接続し、これら第１半導体スイッチ素子のオ
ン・オフ動作により直流を交流に変換するインバータに
おいて、前記直流電源の正極と負極との中性点を形成さ
せ、第１コンデンサと第１ダイオードとの直列回路を前
記各第１半導体スイッチ素子に別個に並列接続し、第２
半導体スイッチ素子の２組を相互に直列接続した回路の
一端を一方の前記第１コンデンサと第１ダイオードとの
結合点に接続するとともに、この回路の他端は他方の前
記第１コンデンサと第１ダイオードとの結合点に接続し
、リアクトルと第２コンデンサとの直列回路の一端を前
記第２半導体スイッチ素子同士の結合点に接続するとと
もに、この回路の他端は前記直流電源の中性点に接続す
るものとする。

〔作用〕

この発明は、インバータの直流電源に、その正極と負極
との中性点を形成させておき、当該インバータが動作し
たときに、スナバ回路のコンデンサ（すなわち第１コン
デンサ）に蓄積されるエネルギーを、このスナバ回路に
属している第１半導体スイッチ素子が閉路したときに、
これと同極側にある第２半導体スイッチ素子を閉路する
ことで、第２コンデンサならびに前記の中性点を介して
直流電源側へ回生するものであり、第１半導体スイッチ
素子のスイッチング動作に伴ってスナバ回路に蓄積され
るエネルギーは無駄に消費されることなく電源側に回生
される。

〔実施例〕

第１図は本発明の実施例を示した主回路接続図であるが
、第３図の従来例回路の場合と同様に、インバータ部分
は１相分のみを示している。

この第１図において、第１半導体スイッチ素子としての
ＧＴＯサイリスタ１０と２０とには、それぞれ帰還ダイ
オード１１　と２１　とが逆並列接続されており、両Ｇ
ＴＯサイリスタ　１ｏ　と２０　とを直列接続したもの
を直流電源２の正負極間に接続することで、インバータ
の１相分が形成されているのは、第３図に図示の従来例
回路の場合と同じである。さらに第１コンデンサ１２と
第１ダイオード１３との直列回路をＧＴＯサイリスタ１
ｏに並列接続し、また第１コンデンサ２２と第１ダイオ
ード２３　との直列回路をＧＴＯサイリスタ２゜に並列
接続することで、これらＧＴＯサイリスタ１０　と２０
　とがスイッチング動作した場合の配線インダクタンス
のエネルギーを、これら第１コンデンサ１２あるいは２
２に蓄積するようにしているのも、第３図に示す従来回
路の場合と同じである。

本発明においては、直流電源２の正極と負極との間に静
電容量が等しい分圧コンデンサ１６・と２６との直列回
路を接続し、両分圧コンデンサ１６と２６との結合点を
引出すことで、正極と負ｉとの中性点を取出している。

さらに本発明においては、第２半導体スイッチ素子とし
てのサイリスタ　１５　と２５　とを直列に接続し、こ
の直列回路の一端すなわちカソード側は第１コンデンサ
１２と第１ダイオード１３との結合点に接続するととも
に、この直列回路の他端すなわちアノード側は第１コン
デンサ２２と第１ダイオード２３　との結合点に接続す
る。さらにこのサイリスタ１５と２５との結合点と前記
の中性点とは、リアクトル５と第２コンデンサ６との直
列回路を介して接続される。

上述のように構成されている本発明の実施例回路の動作
は次のとおりである。すなわち、正極側のＧＴＯサイリ
スタ１０がオン状態に、また負極側のＧＴＯサイリスク
２０がオフ状態にあるとすると、負極側の第１コンデン
サ２２は図示の極性でＥなる電源電圧に充電されること
になる。ここでＧＴＯサイリスタ　１０がオンからオフ
状態に、引続いてＧＴＯサイリスタ２０がオフからオン
状態に変化する転流現象のときに、負極側に属するサイ
リスタ２５　もオンにすると、第１コンデンサ２２に貯
えられていた電荷は、第１コンデンサ２２→サイリスタ
２５→リアクトル５→第２コンデンサ６→分圧コンデン
サ２６→第１コンデンサ２２の経路で放電されることに
なる。すなわち第１コンデンサ２２に蓄積されていたエ
ネルギーの１部は第２コンデンサ６に図示の極性で貯え
られ、残りは分圧コンデンサ２６へ移行するので、この
分が直流電源側へ回生されることとなる。このようにし
て負極側にある第１コンデンサ２２の蓄積エネルギーが
放電されているときに、正極側のＧＴＯサイリスタ１０
のオフに伴って、正極側の第１コンデンサ１２に配線イ
ンダクタンスのエネルギーが貯えられる。

再び負極側のＧＴＯサイリスタ２ｏがオフ状態に、引続
いて正極側のＧＴＯサイリスタ　１ｏがオフ状態に転じ
るときに、正極側のサイリスタ１５もオンにすると、第
１コンデンサ１２の蓄積エネルギーならびに前述の動作
により図示の極性で第２コンデンサ６に蓄積されていた
エネルギー゛は、第２コンデンサ６→リアクトル５→サ
イリスク１５第１コンデンサ１２→分圧コンデンサ１６
→第２コンデンサ６の経路で放電することになるので、
結局これらの蓄積エネルギーは分圧コンデンサ１６へ移
行し、直流電源側へ回生されることとなる。

なお、上述の動作説明において、負極側にあるサイリス
タ２５はＧＴＯサイリスタ２０　と同時にオン状態とな
り、正極側にあるサイリスタ１５はＧＴＯサイリスタ　
１０　と同時にオン状態になるものとしているが、この
ようにサイリスクとＧＴＯサイリスクとを同時にオンさ
せる必要性のないことはあきらかである。しかしながら
両者を同時にオンさせることで制御回路を簡素化できる
ので、実用的には好ましいことである。

第２図は第１図に示す実施例回路の各部の動作をあられ
したタイムチャートであって、第２図（イ）は正極側の
ＧＴＯサイリスタ１０の動作状態を、第２図（ロ）は負
極側のＧＴＯサイリスタ２０の動作状態を、第２図（ハ
）は正極側のサイリスタ１５のゲート信号を、第２図（
ニ）は負極側のサイリスタ２５のゲート信号を、第２図
（ホ）は負極側の第１コンデンサ２２に流れる電ｉｊ！
ｊ　Ｉｔｔを実線で、また第２コンデンサ６に流れる電
流１６破線で、それぞれあられしている。

この第２図に示すように、Ｔ、なる時刻に負極側のＧＴ
Ｏサイリスタ２０がオンすると同時に負極側サイリスタ
２５　もオンとなり、第１コンデンサ２２の電荷が第２
コンデンサ６方向へ電流■６となって流れることがわか
る。次いでＴ２なる時刻にこのＧＴＯサイリスタ２０が
オフすると、再び第１コンデンサ２２に電荷が蓄積する
のが電流Ｉ２□で示される。さらにＴ、なる時刻に正極
側のＧＴＯサイリスタ１０　とサイリスタ１５　とがオ
ンすることにより、正極側の第１コンデンサ１２の電荷
が放出されるのが、前記とは逆方向に流れる第２コンデ
ンサ６の電流■、によってあられされている。

〔発明の効果〕

この発明によれば、直流を交流に変換するインバータを
構成している第１半導体スイッチ素子がオン・オフ動作
するのに伴って、その第１半導体スイッチ素子に附属し
ているスナバ回路のコンデンサ（すなわち第１コンデン
サ）に蓄積された電荷を、この第１コンデンサと同極側
にある第２半導体スイッチ素子の導通により、第２コン
デンサを介して直流電流側へ、その中性点を経て回生ず
るように回路を構成しているので、第１半導体スイッチ
素子のスイッチング周波数が高くなっても、これに伴っ
てスナバ回路に蓄積されたエネルギーは熱となって放散
されることなく、すべて電源側へ回収されるので、エネ
ルギーの無駄使いがなく、省エネルギー効果を得るとと
もに、当該インバータの効率が向上することとなる。ま
たエネルギーが熱となって放散されないので、発生熱を
処理するために必要な費用を軽減できるし、装置を小形
・軽量にできる効果も合わせて得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示した主回路接続図。 第２図は第１図に示す実施例回路の各部の動作をあられ
したタイムチャートであり、第３図はインバータの従来
例を示す主回路接続図である。 ２・・・直流電源、３・・・平滑コンデンサ、５・・・
リアクトル、６・・・第２コンデンサ、１０．２０・・
・第１半導体スイッチ素子としてのＧＴＯサイリスタ、
１１゜２１・・・帰還ダイオード、１２．２２・・・第
１コンデンサ、１３、２３・・・第１ダイオード、１４
．２４・・・抵抗、１５．２５・・・第２半導体スイッ
チ素子としてのサイリスク、１６、２６・・・分圧コン
デンサ。 １Ｔ２Ｔ３

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １）第１半導体スイッチ素子と帰還ダイオードとの逆並
   列接続回路の２組を相互に直列接続して直流電源の正負
   極間に接続し、これら第１半導体スイッチ素子のオン・
   オフ動作により直流を交流に変換するインバータにおい
   て、前記直流電源の正極と負極との中性点を形成させ、
   第１コンデンサと第１ダイオードとの直列回路を前記各
   第１半導体スイッチ素子に別個に並列接続し、第２半導
   体スイッチ素子の２組を相互に直列接続した回路の一端
   を一方の前記第１コンデンサと第１ダイオードとの結合
   点に接続するとともに、この回路の他端は他方の前記第
   １コンデンサと第１ダイオードとの結合点に接続し、リ
   アクトルと第２コンデンサとの直列回路の一端を前記第
   ２半導体スイッチ素子同士の結合点に接続するとともに
   、この回路の他端は前記直流電源の中性点に接続するこ
   とを特徴とするインバータのエネルギー回収回路。