JPH0645896A - 直列接続スイッチング素子のスナバ回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 スイッチング素子の直列接続におけるスナバ
回路において、そのスナバ損失を直流電源に回生する回
路を提供するものである。 【構成】 2n個直列接続されたスイッチング素子11〜16
の両端を直流電源６に接続し、この直列接続されたスイ
ッチング素子の中点をアーム出力端子７として、ｎ直列
のスイッチング素子をオンオフしてこのアーム出力端子
７に交流電力を供給する直列接続スイッチング素子のス
ナバ回路において、各スイッチング素子にそれぞれ並列
に、スナバコンデンサ31〜36とスナバダイオード41〜46
との直列回路を接続し、正極側と負極側とのそれらのコ
ンデンサとダイオードとの各接続点の相互間に、転流時
のスナバコンデンサの電荷を一時蓄えるｎ個の一時蓄積
コンデンサを設け、これらの電荷をさらに一時蓄えるｎ
＋１番目の一時蓄積コンデンサを設けて、その電荷を昇
圧回路により直流電源に回生するものである。

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（ＧＴ
Ｏ）サイリスタ、静電誘導（ＳＩ）サイリスタなどの自
己消弧機能を持つサイリスタ（以下単にサイリスタと言
う）や、トランジスタ（Tr）、IGBTなどの自己消弧形の
スイッチング素子が直列接続されて構成される、ブリッ
ジインバータのスナバ回路に関するものであり、特にス
ナバ回路の電力を電源に帰還して回路損失を低減させた
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３は２直列サイリスタのスナバ回路の
慣用例を示し、６は直流電源、11〜14はサイリスタ、21
〜24はエネルギー帰還のための帰還ダイオード、31〜34
はスナバコンデンサ、41〜44はスナバダイオード、51〜
54はスナバ抵抗である。

【０００３】かかる構成においては、直流電源６に接続
されるブリッジインバータを構成するサイリスタ11と12
及び13と14がオン・オフを繰り返すことにより、アーム
出力端子７に交流電力を供給している。

【０００４】図３は２直列のサイリスタによる場合を示
したが、ｎ直列の場合には２ｎ個のサイリスタが直流電
源６の間に直列接続されることになる。また、サイリス
タの代わりに他のスイッチング素子が用いられることも
ある。

【０００５】いま、サイリスタ11と12とがオンの状態か
らオフの状態に移行すると、サイリスタ11及び12に流れ
ていた電流がスナバダイオード41とスナバコンデンサ31
及びスナバダイオード42とスナバコンデンサ32を通って
流れ、サイリスタ11及び12のターンオフ損失を低減し、
サイリスタ11及び12に印加される電圧の急激な上昇を防
止して過電圧を抑制する。

【０００６】さらに、サイリスタ11及び12がオフしてい
た状態からそれぞれオンの状態に移行すると、ターンオ
フ時に充電されていたスナバコンデンサ31及び32の電荷
が、スナバ抵抗51又は52と、サイリスタ11又は12とを通
して放電される。

【０００７】

【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
・オフに応じて充電・放電を繰り返していた。

【０００８】この時スナバ抵抗で発生する損失Ｐは、ス
ナバコンデンサの容量をＣ、充電電圧をＶ、動作周波数
をＦとすると、次式で表すことができる。 Ｐ＝ (1/2)ＣＶ² Ｆ …(1)

【０００９】このスナバ抵抗による損失Ｐは、特に電
圧、周波数が大きい場合、又はインバータが大型化して
配線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、効率が悪くなる
と共に、発生熱量が大きくなって熱処理に問題を生じて
いた。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明による直列接続ス
イッチング素子のスナバ回路は、２ｎ個直列接続された
スイッチング素子の両端を直流電源に接続し、この直列
接続されたスイッチング素子の中点をアーム出力端子と
して、ｎ直列のスイッチング素子をオン・オフしてこの
アーム出力端子に交流電力を供給する直列接続スイッチ
ング素子のスナバ回路において、各スイッチング素子に
はそれぞれ逆並列に帰還ダイオードが接続されると同時
に、正極側のｎ個のスイッチング素子にはそれぞれ並列
にスナバダイオードとスナバコンデンサとを直列接続
し、負極側のｎ個のスイッチング素子にはそれぞれ並列
にスナバコンデンサとスナバダイオードとを直列接続
し、正極側のｎ個のスイッチング素子のうちの正極から
第ｉ番目のスイッチング素子のスナバダイオードとスナ
バコンデンサとの接続点と、負極側のｎ個のスイッチン
グ素子のうちのアーム出力端子から第ｉ番目のスイッチ
ング素子のスナバコンデンサとスナバダイオードとの接
続点との間に、それぞれ一時蓄積コンデンサを接続し、
これらｎ個の一時蓄積コンデンサの正極と負極とにそれ
ぞれツェナーダイオードと回生リアクトルとの直列接続
体を接続し、正極側のｎ個のスイッチング素子の前記直
列接続体の他端を一括すると共に、負極側のｎ個のスイ
ッチング素子の前記直列接続体の他端をも一括して、こ
れらの一括点間に第ｎ＋１番目の一時蓄積コンデンサを
接続し、この第ｎ＋１番目の一時蓄積コンデンサの両端
を昇圧回路の入力側に接続し、該昇圧回路の出力側を前
記直流電源に接続したことを特徴とする。

【００１１】

【作用】かかる構成によって、スナバコンデンサに充電
された電荷を一旦第１〜ｎの一時蓄積コンデンサに移行
させ、これら第１〜ｎの一時蓄積コンデンサの電圧が、
第ｎ＋１の一時蓄積コンデンサの電圧以上になると、第
１〜ｎの一時蓄積コンデンサに移行させた電荷を第ｎ＋
１の一時蓄積コンデンサに移行させ、さらにこの第ｎ＋
１の一時蓄積コンデンサに移行させた電荷を昇圧回路に
より直流電源に返還させるものである。

【００１２】

【実施例】図１は２直列のサイリスタの場合の本発明の
一実施例の要部構成を示すものであり、４個の直列接続
されたサイリスタ11〜14が直流電源６に接続され、それ
らのサイリスタの中点がアーム出力端子７を形成してお
り、101 〜103 は第１〜第３の一時蓄積コンデンサ、81
〜84は第１〜第４ツェナーダイオード、91〜94は第１〜
第４回生リアクトル、10は昇圧回路であって、その他図
３と同一の符号は同一機能部分を示している。

【００１３】すなわち、サイリスタ11〜14のスナバ回路
構成部においては、正極側のサイリスタ11及び12のアノ
ード側に第１及び第２のスナバダイオード41及び42を接
続して、カソード側に第１及び第２のスナバコンデンサ
31及び32を接続したスナバ回路が構成されている。同様
にして、負極側のサイリスタ13及び14のアノード側には
第３及び第４のスナバコンデンサ33及び34を接続して、
カソード側に第３及び第４のスナバダイオード43及び44
を接続したスナバ回路が構成されている。

【００１４】正極側の２個のスイッチング素子のうちの
正極から第１番目のスイッチング素子11のスナバダイオ
ード41とスナバコンデンサ31との接続点と、負極側の２
個のスイッチング素子のうちのアーム出力端子７から第
１番目のスイッチング素子13のスナバコンデンサ33とス
ナバダイオード43との接続点との間に、第１の一時蓄積
コンデンサ101 が設けられている。同様にして、正極側
の２個のスイッチング素子のうちの正極から第２番目の
スイッチング素子12のスナバダイオード42とスナバコン
デンサ32との接続点と、負極側の２個のスイッチング素
子のうちのアーム出力端子７から第２番目のスイッチン
グ素子14のスナバコンデンサ34とスナバダイオード44と
の接続点との間に、第２の一時蓄積コンデンサ102 が設
けられている。

【００１５】第１及び第２の一時蓄積コンデンサ101 及
び102 の正極及び負極に、それぞれツェナーダイオード
81〜84と回生リアクトル91〜94との直列接続体を接続
し、正極側の２個のスイッチング素子11及び12の前記直
列接続体の他端を一括すると共に、負極側の２個のスイ
ッチング素子13及び14の前記直列接続体の他端をも一括
して、これらの一括点間に第３番目の一時蓄積コンデン
サ103 を接続し、この第３番目の一時蓄積コンデンサ10
3 の両端を昇圧回路10の入力側に接続し、該昇圧回路10
の出力側を前記直流電源６に接続してある。

【００１６】このように構成したスナバ回路において
は、スナバコンデンサ31〜34に充電された電荷を、一旦
第１及び第２の一時蓄積コンデンサ101, 102に移行し得
るものである。

【００１７】すなわち、負荷電流がサイリスタ11, 12を
通して流れていた状態から、サイリスタ11, 12がターン
オフしたとすると、いままでサイリスタ11, 12に流れて
いた電流はそれぞれ、スナバダイオード41とスナバコン
デンサ31、及びスナバダイオード42とスナバコンデンサ
32を通って流れ、サイリスタ11及び12に印加される電圧
の急激な上昇を防止する。

【００１８】このとき、第１及び第２の一時蓄積コンデ
ンサ101 及び102 のキャパシタンス値を、スナバコンデ
ンサ31〜34のキャパシタンス値より大きく選ぶと、第１
及び第２の一時蓄積コンデンサ101 及び102 の電圧
Ｖ_C1，Ｖ_C2は、第３の一時蓄積コンデンサ103 の電圧を
Ｖ_d 、ツェナーダイオード電圧をＶ_Z としたとき、一定
の電圧（Ｖ_C1＝Ｖ_C2＝Ｖ_d ＋２Ｖ_Z ）と仮定できる。ス
ナバコンデンサ31, 32のコンデンサ電圧をＶ_p1，Ｖ_p2と
すると、Ｖ_p1＝Ｖ_p2＝２Ｖ_Z を初期値として充電され
る。

【００１９】同時に、スナバコンデンサ33, 34の電圧を
Ｖ_n3，Ｖ_n4とすると、 Ｖ_p1＋Ｖ_n3＞Ｖ_C1， Ｖ_p2＋Ｖ_n4＞Ｖ_C2 となり、例えばスナバコンデンサ33の電荷は、スナバコ
ンデンサ33→帰還ダイオード22→スナバコンデンサ31→
第１の一時蓄積コンデンサ101 →スナバコンデンサ33、
の経路で放電し、スナバコンデンサ33の電荷は第１の一
時蓄積コンデンサ101 に移行する。

【００２０】同様に、スナバコンデンサ34の電荷は第２
の一時蓄積コンデンサ102 に移行する。

【００２１】Ｖ_p1＝Ｖ_p2＝Ｖ，Ｖ_n3＝Ｖ_n4＝２Ｖ_Z にな
ると、負荷電流が帰還ダイオード23及び24を通して流
れ、転流が完了する。（このとき、スナバコンデンサ31
〜34の電荷が次の転流の初期値となる。）

【００２２】次に、負荷電流が帰還ダイオード23, 24を
通して流れている状態から、サイリスタ11, 12がターン
オンして、スナバコンデンサ33, 34の電圧Ｖ_n3，Ｖ_n4が
上昇してくると、 Ｖ_p1＋Ｖ_n3＞Ｖ_C1， Ｖ_p2＋Ｖ_n4＞Ｖ_C2 のため、スナバコンデンサ31, 32の電荷は、それぞれス
ナバコンデンサ33, 34に移行する。

【００２３】例えば、スナバコンデンサ31の電荷は、ス
ナバコンデンサ31→一時蓄積コンデンサ101 →スナバコ
ンデンサ33→帰還ダイオード22→スナバコンデンサ31、
の経路で放電し、サイリスタ11のターンオフ時に充電し
たスナバコンデンサ31の電荷は、スナバコンデンサ33に
移行する。

【００２４】Ｖ_n3＝Ｖ_n4＝Ｖ，Ｖ_p1＝Ｖ_p2＝２Ｖ_Z とな
り、負荷電流がサイリスタ11, 12を通して流れ、転流が
完了する。（このとき、スナバコンデンサ31〜34の電圧
が次の転流の初期値となる。）

【００２５】第１及び第２の一時蓄積コンデンサ101 及
び102 に移行した電荷は、動作中に Ｖ_C1＞Ｖ_d ＋２Ｖ_Z ，Ｖ_C2＞Ｖ_d ＋２Ｖ_Z となれば、常に第３の一時蓄積コンデンサ103 に移行さ
れる。

【００２６】例えば、第１の一時蓄積コンデンサ101 の
電荷は、第１の一時蓄積コンデンサ101 →第１のツェナ
ーダイオード81→第１の回生リアクトル91→第３の一時
蓄積コンデンサ103 →第３の回生リアクトル93→第３の
ツェナーダイオード83→第１の一時蓄積コンデンサ101
、の経路で第３の一時蓄積コンデンサ103 へ移行され
る。

【００２７】ここで、Ｖ_Z ＞０ であれば、Ｖ_C ＞Ｖ_d
となって、第１，第２の一時蓄積コンデンサ101, 102の
エネルギーを、第３の一時蓄積コンデンサ103 に移行で
きるため、第１〜第４のツェナーダイオード81〜84はダ
イオードと純抵抗とであってもよい。

【００２８】さらに、第３の一時蓄積コンデンサ103 に
移行されたエネルギーは、昇圧回路10により直流電源６
に返還される。

【００２９】ここで、昇圧回路10は、チョッパにより昇
圧する回路、変圧器により昇圧する回路等で構成され
る。

【００３０】かようにして、従来スナバ抵抗で消費して
いた前述のスナバ電力が直流電源に返還されるめ、回路
電圧や周波数が大きくなったとしても、スナバ損失を低
減させて回路性能を損なうことがない。

【００３１】以上、サイリスタの２直列回路について説
明したが、３直列回路や４直列回路においても同様の回
路が可能であり、図２に３直列回路の一例を示す。６個
の直列接続されたサイリスタ11〜16が直流電源６に接続
され、それらのサイリスタの中点がアーム出力端子７を
形成しており、21〜26はエネルギー帰還のための帰還ダ
イオード、31〜36はスナバコンデンサ、41〜46はスナバ
ダイオードであって、101 〜104 は第１〜第４の一時蓄
積コンデンサ、81〜86は第１〜第６ツェナーダイオー
ド、91〜96は第１〜第６回生リアクトル、10は昇圧回路
である。

【００３２】これらのサイリスタ11〜16のスナバ回路構
成部においては、正極側のサイリスタ11〜13のアノード
側に第１〜第３のスナバダイオード41〜43を接続し、カ
ソード側に第１〜第３のスナバコンデンサ31〜33を接続
したスナバ回路が構成されている。同様にして、負極側
のサイリスタ14〜16のアノード側には第４〜第６のスナ
バコンデンサ34〜36を接続し、カソード側に第４〜第６
のスナバダイオード44〜46を接続したスナバ回路が構成
されている。

【００３３】正極側の３個のスイッチング素子のうちの
正極から第１番目のスイッチング素子11のスナバダイオ
ード41とスナバコンデンサ31との接続点と、負極側の３
個のスイッチング素子のうちのアーム出力端子７から第
１番目のスイッチング素子14のスナバコンデンサ34とス
ナバダイオード44との接続点との間に、第１の一時蓄積
コンデンサ101 が設けられている。同様にして、正極側
の３個のスイッチング素子のうちの正極から第２番目の
スイッチング素子12のスナバダイオード42とスナバコン
デンサ32との接続点と、負極側の３個のスイッチング素
子のうちのアーム出力端子７から第２番目のスイッチン
グ素子15のスナバコンデンサ35とスナバダイオード45と
の接続点との間に、第２の一時蓄積コンデンサ102 が設
けられている。また、正極側の３個のスイッチング素子
のうちの正極から第３番目のスイッチング素子13のスナ
バダイオード43とスナバコンデンサ33との接続点と、負
極側の３個のスイッチング素子のうちのアーム出力端子
７から第３番目のスイッチング素子16のスナバコンデン
サ36とスナバダイオード46との接続点との間に、第３の
一時蓄積コンデンサ103 が設けられている。

【００３４】第１〜第３の一時蓄積コンデンサ101 〜10
3 の正極及び負極に、それぞれツェナーダイオード81〜
86と回生リアクトル91〜96との直列接続体を接続し、正
極側の３個のスイッチング素子11〜13の前記直列接続体
の他端を一括すると共に、負極側の３個のスイッチング
素子14及び16の前記直列接続体の他端をも一括して、こ
れらの一括点間に第４番目の一時蓄積コンデンサ104 を
接続し、この第４番目の一時蓄積コンデンサ104 の両端
を昇圧回路10の入力側に接続し、該昇圧回路10の出力側
を前記直流電源６に接続してある。

【００３５】このように構成したスナバ回路における動
作は、図１で説明した２直列回路の場合と同様なので説
明を省略する。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
スナバ電力を直流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る。

【図面の簡単な説明】

【図１】２直列サイリスタの場合の本発明の直列接続ス
イッチング素子のスナバ回路の一実施例の要部構成を示
す回路図である。

【図２】３直列サイリスタの場合の本発明の直列接続ス
イッチング素子のスナバ回路の一実施例の要部構成を示
す回路図である。

【図３】２直列サイリスタのスナバ回路の慣用例を示す
回路図である。

【符号の説明】

６ 直流電源 ７ アーム出力端子 10 昇圧回路 11〜16 サイリスタ 21〜26 エネルギー帰還のための帰還ダイオード 31〜36 スナバコンデンサ 41〜46 スナバダイオード 51〜54 スナバ抵抗 81〜86 第１〜第６ツェナーダイオード 91〜96 第１〜第６回生リアクトル 101 〜104 第１〜第４の一時蓄積コンデンサ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】２ｎ個直列接続されたスイッチング素子の
   両端を直流電源に接続し、この直列接続されたスイッチ
   ング素子の中点をアーム出力端子として、ｎ直列のスイ
   ッチング素子をオン・オフしてこのアーム出力端子に交
   流電力を供給する直列接続スイッチング素子のスナバ回
   路において、 各スイッチング素子にはそれぞれ逆並列に帰還ダイオー
   ドが接続されると同時に、正極側のｎ個のスイッチング
   素子にはそれぞれ並列にスナバダイオードとスナバコン
   デンサとを直列接続し、負極側のｎ個のスイッチング素
   子にはそれぞれ並列にスナバコンデンサとスナバダイオ
   ードとを直列接続し、正極側のｎ個のスイッチング素子
   のうちの正極から第ｉ番目のスイッチング素子のスナバ
   ダイオードとスナバコンデンサとの接続点と、負極側の
   ｎ個のスイッチング素子のうちのアーム出力端子から第
   ｉ番目のスイッチング素子のスナバコンデンサとスナバ
   ダイオードとの接続点との間に、それぞれ一時蓄積コン
   デンサを接続し、これらｎ個の一時蓄積コンデンサの正
   極と負極とにそれぞれツェナーダイオードと回生リアク
   トルとの直列接続体を接続し、正極側のｎ個のスイッチ
   ング素子の前記直列接続体の他端を一括すると共に、負
   極側のｎ個のスイッチング素子の前記直列接続体の他端
   をも一括して、これらの一括点間に第ｎ＋１番目の一時
   蓄積コンデンサを接続し、この第ｎ＋１番目の一時蓄積
   コンデンサの両端を昇圧回路の入力側に接続し、該昇圧
   回路の出力側を前記直流電源に接続したことを特徴とす
   る直列接続スイッチング素子のスナバ回路。