JPH074068B2 - 自己消弧形スイッチング素子のスナバ回路 - Google Patents

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３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３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。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４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。 Ｐ＝（１／２）ＣＶ² Ｆ・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・

【０００６】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。

【０００７】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。

【０００８】

【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、

【０００９】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、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、
それぞれツェナー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。

【００１０】

【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倍のツェナー電圧の和以上になる
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。

【００１１】

【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、91，92，93，94はツェナーダイオード、101 ，10
2 ，103 ，104 はリアクトル、111 ，112 はコンデンサ
である。図中、図３と同符号の部分は同じ機能を有する
部分を示す。

【００１２】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。

【００１３】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。

【００１４】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、ツェナーダイオード91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、ツェナーダイオード93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倍のツェナー電圧
の和以上になると、前述のコンデンサに移行された電荷
をツェナーダイオード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。

【００１５】かように本実施例は、コンデンサ111 ，11
2 とツェナーダイオード91，92，93，94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３に示される抵抗81，82，83，84が除去
され、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２を参照して詳細説明する。

【００１６】図２は図４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〔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）〕から、時刻Ｔ
₁ 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。

【００１７】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 →ツェナ
ーダイオード93→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
いため無視できる。

【００１８】（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。）

【００１９】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。

【００２０】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。

【００２１】一方、ここでもコンデンサ71の電荷は、コ
ンデンサ71→ツェナーダイオード91→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。

【００２２】（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11
1 →ツェナーダイオード91→リアクトル101 →直流電源
１→リアクトル103 →ツェナーダイオード93→コンデン
サ111の経路で電源へ返還される。以下、この動作が繰
り返される。

【００２３】ここで、ツェナーダイオード91，92，93，
94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。このツェナーダイオードが無い
場合、スナバ電力は例えば、スナバダイオード61→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。

【００２４】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。 Ｉ_o ・（Ｖ＋２Ｖ_z ）＝（１／２）Ｃ_s ・Ｖ² ・Ｆ・２
・・・・・・・

【００２５】〔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、ツェナーダイオード91，92，93，94はダイオ
ード、純抵抗でもよい。

【００２６】かようにして、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。

【００２７】

【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。

【００２８】

【図面の簡単な説明】

【図１】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１の各部波形を示す波形図である。

【図３】従来例を示す回路図である。

【図４】図３の各部波形を示す波形図である。

【００２９】

【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 91 ツェナーダイオード 92 ツェナーダイオード 101 リアクトル 103 リアクトル 111 コンデンサ 112 コンデンサ

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０２Ｍ 7/515 Ｇ 9181−5Ｈ 9181−5Ｈ Ｈ０２Ｍ 7/515 Ｇ 8325−5Ｈ 1/00 Ｆ

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のツェ
   ナー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のツェナーダイオードからなる直列回路を接続したこ
   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。