JPH05260758A - 自己消弧形スイッチング素子のスナバ回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】スナバ電力をコンデンサに移したあと電源に返
還させ、スナバ抵抗を除去したもの。 【構成】スナバ電力を一旦コンデンサ111 に移し、その
あと抵抗91Ａ，93Ａあるいはダイオ−ド91Ｂ，93Ｂおよ
びリアクトル 101， 103を介して直流電源１に返還させ
てなるものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はゲートターンオフサイリ
スタ，静電誘導サイリスタなどの自己消弧形サイリスタ
（以下単にサイリスタという）や、トランジスタ，ＩＧ
ＢＴなどの自己消弧形スイッチング素子を用いたブリッ
ジインバータに係り、特にスナバ回路の電力を電源に返
還して回路損失を低減した自己消弧形スイッチング素子
のスナバ回路に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図４は一般に使用されているサイリスタ
スナバ回路例を示し、１は直流電源、２は電源ラインに
含まれるリアクトル、３はサイリスタ41，42，43，44に
よって構成されるインバータに接続された負荷、51，5
2，53，54はエネルギー帰還のためのダイオードであ
る。ここに、サイリスタ41，44およびサイリスタ42，43
がそれぞれ同時にオンオフを繰り返し、負荷３に交流電
力を供給するという動作を行う。

【０００３】図４において、61，62，63，64はダイオー
ド、71，72，73，74はコンデンサ、81，82，83，84は抵
抗である。ここに、ダイオード61，62，63，64とコンデ
ンサ71，72，73，74と抵抗81，82，83，84は、サイリス
タ41，42，43，44の保護のために接続されたスナバ回路
を構成するそれぞれスナバダイオード，スナバコンデン
サおよびスナバ抵抗である。

【０００４】ここで、サイリスタ41が時刻Ｔ₁ でオンし
ていた状態からオフの状態に移行した場合を図５に示
す。サイリスタ41がターンオフすると、サイリスタ41に
流れていた電流Ｉ_t はダイオード61およびコンデンサ71
を通って流れ（電流Ｉ_sp）、サイリスタ41のスイッチン
グ損失を低減させるとともに、サイリスタ41に印加され
る電圧の急激な上昇を防止し、過電圧を抑制する。時刻
Ｔ₂ でサイリスタ41がターンオンすると、ターンオフ時
に充電されていたコンデンサ71の電荷Ｖ_spが抵抗81とサ
イリスタ41を通して放電され、そのエネルギーがスナバ
抵抗により消費されて熱に変わる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】この種の従来回路にお
いては、スナバコンデンサの電荷はサイリスタのオンオ
フに応じて充放電を繰り返す。このときスナバ抵抗で発
生する損失Ｐ（Ｗ）は、スナバコンデンサの容量をＣ，
充電電圧をＶ（Ｖ），動作周波数をＦ（Ｈ_z ）とする
と、およそ次式で表すことができる。

【０００６】 Ｐ＝（１／２）ＣＶ² Ｆ・・・・・・・・（１）

【０００７】そして、スナバ抵抗による損失は、特に電
圧，周波数が大きな場合、またインバータが大型化して
インダクタンスが大きく，容量Ｃを大きくしなければな
らない場合などには急速に増大し、発生する熱量が大き
くなって熱処理に問題を生じる。

【０００８】本発明は上述したような不具合点を除去し
てなるものであり、スナバ回路における電力損失を効果
的に低減し得る自己消弧形スイッチング素子のスナバ回
路を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】しかして、本発明にかか
る回路構成はつぎの如くである。正極側の第１の自己消
弧形スイッチング素子のアノード側に第１のスナバダイ
オードを接続し、かつカソード側に第１のスナバコンデ
ンサを接続した第１のスナバ回路と、負極側の第２の自
己消弧形スイッチング素子のアノード側に第２のスナバ
コンデンサを接続し、かつカソード側に第２のスナバダ
イオードを接続した第２のスナバ回路と、第１のスナバ
ダイオードと第１のスナバコンデンサの接続点と、第２
のスナバコンデンサと第２のスナバダイオードの接続点
との間に設けたコンデンサと、

【００１０】このコンデンサの正極と電源ラインの正極
との間、およびコンデンサの負極と電源ラインの負極と
の間に、それぞれ抵抗あるいはダイオードとリアクトル
からなる直列接続体とを備えたものである。

【００１１】

【作用】かかる回路構成において、スナバコンデンサに
充電された電荷を一旦コンデンサに移行させ、コンデン
サと電源ラインの正極または負極との間に、コンデンサ
の電圧が電源電圧と２倍の抵抗（あるいはダイオ−ド）
の電圧降下の和以上になると、電源へ返還させることが
できる。そして、スナバダイオードに並列接続されるス
ナバ抵抗を除去できるものである。

【００１２】

【実施例】図１は本発明の一実施例の要部構成を示すも
ので、91Ａ，92Ａ，93Ａ，94Ａは抵抗、101 ，102 ，10
3 ，104 はリアクトル、111 ，112 はコンデンサであ
る。図中、図４と同符号の部分は同じ機能を有する部分
を示す。

【００１３】すなわち、サイリスタ41およびサイリスタ
43のスナバ回路構成部においては、サイリスタ41のアノ
ード側にダイオード61を接続し、カソード側にコンデン
サ71を接続した第１のスナバ回路が構成されている。ま
た、サイリスタ43のアノード側にコンデンサ73を接続
し、カソード側にダイオード63を接続した第２のスナバ
回路が構成されている。

【００１４】さらに、ダイオード61とコンデンサ71の接
続点と、コンデンサ73とダイオード63の接続点との間
に、コンデンサ111 が設けられてなる。そして、コンデ
ンサ71，72，73，74に充電した電荷を、一旦、コンデン
サ111 ，112 に移行し得る。

【００１５】さらにまた、コンデンサ71の正極と電源ラ
インの正極との間に、抵抗91Ａとリアクトル101 の直列
接続体が接続され、コンデンサ73の負極と電源ラインの
負極との間に、抵抗93Ａとリアクトル103 の直列接続体
が接続されてなる。そして、コンデンサ111 の電圧が電
源電圧と２倍の抵抗の電圧降下の和以上になると、前述
のコンデンサに移行された電荷を抵抗およびリアクトル
を介して電源に返還し得るものである。

【００１６】かように本実施例は、コンデンサ111 ，11
2 と抵抗91Ａ，92Ａ，93Ａ，94Ａおよびリアクトル101
，102 ，103 ，104 からなる直列回路を、付加したこ
とにより、図４に示される抵抗81，82，83，84が除去さ
れてスナバ電力を損失なく巧みに処理できたものであ
る。この動作をさらに図３を参照して詳細説明する。

【００１７】図３は図５に類して表した図１の動作説明
図である。さて、負荷電流がサイリスタ41を通して流れ
ていた状態から、〔このときコンデンサ71，73の電圧Ｖ
_sp，Ｖ_snは、（Ｖ_sp＝２Ｖ_z ），（Ｖ_sn＝Ｖ）〕、時刻
Ｔ₁ でサイリスタ41がターンオフしたとすると、いまま
でサイリスタ41に流れていた電流は、ダイオード61およ
びコンデンサ71を通って流れ、サイリスタ41に印加され
る電圧の急激な上昇を防止し、また過電圧となるのを抑
制する。

【００１８】このとき、コンデンサ111 の電圧Ｖ_c は一
定の電圧（Ｖ_c ＝Ｖ＋２Ｖ_z ）と仮定でき、コンデンサ
71は（Ｖ_sp＝２Ｖ_z ）を初期値として充電される。同時
に、（Ｖ_sp＋Ｖ_sn＞Ｖ_c ）になり、コンデンサ73の電荷
は、 コンデンサ73→コンデンサ71→コンデンサ111 →コンデンサ73 の経路で放電し、コンデンサ73の電荷はコンデンサ111
に移行する。ここで、コンデンサ73の電荷は、 コンデンサ73→サイリスタ43→リアクトル103 →抵抗93Ａ→コンデンサ73 の経路でも放電するが、リアクトル103 のため、この放
電は前者に比べ非常に遅く無視できる。

【００１９】さて、（Ｖ_sp＝Ｖ），（Ｖ_sn＝２Ｖ_z ）に
なると、負荷電流はダイオード53を通して流れ、転流が
完了する。（このときのコンデンサ71，73の電荷がつぎ
の転流の初期値となる。）

【００２０】つぎに、負荷電流がダイオード53を通して
流れている状態から、時刻Ｔ₂ でサイリスタ41がターン
オンすると、電流が、 サイリスタ41→コンデンサ73→ダイオード63 の経路で流れ、コンデンサ73が充電される。

【００２１】同時に（Ｖ_sp＋Ｖ_sn＞Ｖ_c ）のため、コン
デンサ71の電荷は、 コンデンサ71→コンデンサ111 →コンデンサ73→コンデンサ71 の経路で放電し、サイリスタ41のターンオフ時に充電し
たコンデンサ71の電荷はコンデンサ111 に移行する。

【００２２】一方、ここでもコンデンサ71の電荷は、 コンデンサ71→抵抗91Ａ→リアクトル101 →サイリスタ41→コンデンサ71 の経路でも放電するが、リアクトル101 のためこの放電
は前者に比べ非常に遅いため無視できる。

【００２３】（Ｖ_sn＝Ｖ）、（Ｖ_sp＝２Ｖ_z ）となり、
負荷電流がサイリスタ41を通して流れ転流が完了する。
（このときのコンデンサ71、73の電圧がつぎの転流の初
期値となる。）コンデンサ111 に移行した電荷は、動作
中（Ｖ_c ＞Ｖ＋２Ｖ_z ）となれば、常に、 コンデンサ111 →抵抗91Ａ→リアクトル101 →直流電源１→ リアクトル103 →抵抗93Ａ→コンデンサ111 の経路で電源へ返還される。Ｖ_c の値が高く抵抗を流れ
る電流は小さく、このときの抵抗での損失は小さい。以
下、この動作が繰り返される。

【００２４】ここで、抵抗91Ａ，92Ａ，93Ａ，94Ａは前
述の動作から解るように、スナバ電力を常にコンデンサ
111 ，112 から直流電源１の向きに返還させるために必
要なものである。この抵抗が無い場合、スナバ電力は例
えば、（抵抗→リアクトル101 ）を循環したり、あるい
はコンデンサ111 と直流電源１の間を、循環することと
なる。

【００２５】コンデンサ111 の電圧Ｖ_c は（Ｖ＋２
Ｖ_z ）で、コンデンサ111 ，112 の値をＣ_o ，コンデン
サ71，72，73，74の値をＣ_s とすると、Ｃ_o はＣ_s に対
して極めて大きいため、定電圧と考えられる。また、リ
アクトル101 ，102 ，103 ，104 に流れる電流の平均値
Ｉ_o は、次式の関係がある。

【００２６】 Ｉ_o ・（Ｖ＋２Ｖ_z ） ＝（１／２）Ｃ_s ・Ｖ² ・Ｆ・２・・・（２）

【００２７】そして、〔Ｖ＝600 （Ｖ）〕，〔Ｖ_Z ＝５
（Ｖ）〕，〔Ｃ_s ＝0.022 （μＦ）〕，〔Ｆ＝10（_k Ｈ
_z ）〕とすると、〔Ｉ_o ＝0.13（Ａ）〕となる。ここ
で、（Ｖ_z ＞０）であれば常に（Ｖ_c ＞Ｖ）となって、
コンデンサ111 ，112 のエネルギーを直流電源１に返還
できるため、抵抗91Ａ，92Ａ，93Ａ，94Ａはダイオード
でもよい。これを図２に示す。

【００２８】図２は本発明の他の実施例の要部構成を示
すもので、91Ｂ，92Ｂ，93Ｂ，94Ｂはダイオ−ドであ
る。図中、図１と同符号の部分は同じ機能を有する部分
を示す。すなわち、図２の構成例は、図１の構成例にお
ける抵抗91Ａ，92Ａ，93Ａ，94Ａに代え、ダイオ−ド91
Ｂ，92Ｂ，93Ｂ，94Ｂを設けてなるものである。

【００２９】かようにして、本実施例のものは、従来ス
ナバ抵抗で消費していたスナバ電力〔Ｐ＝（１／２）・
ＣＶ² Ｆ〕は、損失なく電源に返還されるため、回路電
圧，周波数が大きくなったとしても、スナバ損失を増加
させ回路性能を損うことはない。

【００３０】なお、リアクトル101 ，102 ，103 ，104
は抵抗の内部インダクタンスまたは配線のインダクタン
スで置き換えることもできる。そのリアクトル101 ，10
2 ，103 ，104 がない場合、前述したように、コンデン
サ73の電荷が、 コンデンサ73→サイリスタ43→抵抗93Ａ→コンデンサ73 の経路のでも放電するため、スナバ電力の一部は抵抗93
Ａで損失となるが、従来のスナバ回路と比べその損失は
小さく、リアクトルは省略してもその効果は大である。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、ス
ナバ電力を電源に返還する無損失に近い簡便な構成の装
置を提供でき、高電圧、大容量または高周波動作を行う
インバータに用いる実用上の効果は極めて大である。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明の一実施例の要部構成を示す回路
図である。

【図２】図２は本発明の他の実施例の要部構成を示す回
路図である。

【図３】図３は図１の各部波形を示す波形図である。

【図４】図４は従来例を示す回路図である。

【図５】図５は図４の各部波形を示す波形図である。

【符号の説明】

１ 直流電源 41 サイリスタ 43 サイリスタ 61 ダイオード 63 ダイオード 71 コンデンサ 73 コンデンサ 91Ａ 抵抗 93Ａ 抵抗 91Ｂ ダイオ−ド 93Ｂ ダイオ−ド 101 リアクトル 103 リアクトル 111 コンデンサ 112 コンデンサ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 自己消弧形スイッチング素子からなるイ
   ンバータにおいて、正極側の第１の自己消弧形スイッチ
   ング素子に並列に第１のスナバダイオードと第１のスナ
   バコンデンサとが直列接続される第１のスナバ回路と、
   負極側の第２の自己消弧形スイッチング素子に並列に第
   ２のスナバダイオードと第２のスナバコンデンサとが直
   列接続される第２のスナバ回路とを設け、前記第１のス
   ナバダイオードと第１のスナバコンデンサの第１の接続
   点と、前記第２のスナバダイオードと第２のスナバコン
   デンサの第２の接続点との間にコンデンサを接続し、前
   記第１の自己消弧形スイッチング素子のアノード側と前
   記第１の接続点の間に、第１のリアクトルと第１の抵抗
   あるいはダイオードからなる第１の直列回路を接続する
   とともに、前記第２の自己消弧形スイッチング素子のカ
   ソード側と前記第２の接続点の間に、第２のリアクトル
   と第２の抵抗あるいはダイオードからなる直列回路を接
   続するようにしたことを特徴とする自己消弧形スイッチ
   ング素子のスナバ回路。