JPH08331859A - 電力変換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】高電圧・大容量変換器のゲート駆動電源を主回
路電位から得る方式において、運転初期にＧＴＯへゲー
ト駆動電力を供給するコンデンサの充電抵抗器の電力損
失を低減することを目的とする。 【構成】コンデンサ８と抵抗器９の間にスイッチ１６を
直列に接続する。自己消弧形半導体デバイス１がオン，
オフ動作を開始することによって得られるエネルギ回生
回路１３の電力をスイッチ１６の駆動電力に利用し、接
点１６Ｓを開放する。 【効果】抵抗器の電力損失を低減でき、また、スイッチ
の制御用電源を主回路から得るので絶縁が軽減できる効
果がある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、自己消弧形半導体デバ
イスで構成した電力変換器、特に高電圧・大容量電力変
換器においてゲート駆動電源を主回路電位から得る方式
に関し、運転開始時のゲート駆動電源方式に関する。

【０００２】

【従来の技術】大容量の自己消弧形半導体デバイス(こ
こでは以下ＧＴＯを例にして説明する)で構成した高電
圧・大容量電力変換器では、半導体デバイス用ゲート駆
動電源を主回路電位から得る方式（ここでは主回路給電
方式と呼ぶ）の研究，開発が近年盛んになってきた。こ
の方式は主としてスナバ回路あるいはアノードリアクト
ルに蓄えられたエネルギを利用するもので、ゲート駆動
電力を大地側から供給するための絶縁変圧器を削減する
ことによる装置の小型化や、従来抵抗器で消費していた
これらエネルギをゲート駆動電力に利用することで省エ
ネルギがはかれる、などの利点がある。上記エネルギを
利用した主回路給電方式は、主回路のＧＴＯがスイッチ
オンまたはスイッチオフの運転動作をしないと充分なゲ
ート駆動電力が得られないため、運転動作前には例えば
特開平6ー98555号公報記載のように抵抗器を介して電源
用のコンデンサを充電しゲート駆動電力を確保してい
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、主回路
が運転動作をして充分なゲート駆動電力が得られるまで
の間（スイッチング動作は数回程度）ＧＴＯにオン用，
オフ用のゲート駆動電力を送らなければならないため、
電源用のコンデンサは大容量(数ｍＦ〜数十ｍＦ)のもの
が必要となる。また、充電用の抵抗器は、ＧＴＯを多数
個直列接続した場合の直流電圧分担を均等にするための
分圧抵抗器（数十ｋΩ程度）を兼ねることが多いので充
電時定数は、数分〜数十分となり装置に電圧が印加して
運転を開始できるまで時間がかかる。一方、充電時定数
を短くするため抵抗器の値を小さくすると、ＧＴＯのア
ノード，カソード間に印加している電圧は変わらないの
で抵抗器の電力損失が大きくなってしまう。

【０００４】本発明の目的は、半導体デバイス用ゲート
駆動電源を主回路電位から得る方式において、運転動作
前に抵抗器を介して電源用のコンデンサを充電する場
合、極力主回路電圧印加から運転開始までの時間を短く
し、また充電用抵抗器の電力損失を低減して効率の高い
電力変換器を提供するにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、通常用いられる分圧抵抗器よりも小さい値の充電用
抵抗器を分圧抵抗器とは別に設け、この抵抗器で充電さ
れる電源用のコンデンサと直列にスイッチを接続し、該
コンデンサは、装置に電圧が印加すると充電を開始し、
ＧＴＯがスイッチオン，オフ動作をはじめるとスイッチ
を切り、充電を停止するようにしたものである。

【０００６】

【作用】通常用いられる分圧抵抗器よりも小さい値の抵
抗器で電源用のコンデンサを充電するため、充電時定数
が短くなり装置に電圧が印加して運転を開始できるまで
の時間が大幅に短縮できる。また、装置が運転を開始
し、ＧＴＯがスイッチオン，オフ動作をはじめるとスイ
ッチを切るので充電用の抵抗器の電力損失が無くなり損
失低減がはかれる。

【０００７】

【実施例】図１に本発明の一実施例の構成図を示す。図
１において、電力変換器を構成するアームはＧＴＯを多
数個直列接続しているが、ここではそのうちＧＴＯ１個
について示す。ＧＴＯ１には還流用のダイオード２を逆
並列に、またコンデンサ３とダイオード４を直列接続し
た電圧抑制用のスナバ回路を図のように並列に接続す
る。さらにＧＴＯ１に直列に電流抑制用のアノードリア
クトル５を接続し、アノードリアクトル５の一端からダ
イオード６ｂ，コンデンサ７，ダイオード６ａを直列に
接続して、ダイオード６ａのカソードとダイオード４の
アノードを接続する。コンデンサ７の両端からはエネル
ギ回生回路１３に入力され、エネルギ回生回路１３の出
力は、一方は電力変換器の電源などにエネルギ回生し、
もう一方はＧＴＯのゲート駆動電力として利用する。

【０００８】ここで、エネルギ回生回路１３について図
２を用い以下説明する。図２は回路構成を示したもの
で、いわゆるＤＣ／ＤＣコンバータと呼ばれているもの
である。コンデンサ７は２分割して７ａと７ｂにする。
そして、自己消弧形半導体デバイスのスイッチＱ１とＱ
２を用いて図のようにハーフブリッジ形として、直列に
接続したコンデンサ７ａ,７ｂとスイッチＱ１,Ｑ２のそ
れぞれの中点間を変圧器ＴＲ１の一次側で接続する。変
圧器ＴＲ１の二次側出力は、全波整流回路ＲＥ１で整流
して出力線ａ，ｂで電源に回生する。また、変圧器ＴＲ
１の一次側に並列に変圧器ＴＲ２の一次側を接続し、変
圧器ＴＲ２の二次側出力を全波整流回路ＲＥ２で整流し
てコンデンサＣ１を経て出力線ｃ，ｄによりゲート駆動
電力としてコンデンサ８へ送る。

【０００９】つぎに、抵抗器９，高電圧スイッチ１６，
コンデンサ８を直列に接続し、この直列回路をＧＴＯ１
に並列に接続する。抵抗器９は、コンデンサ８の充電用
として図示しない直流電圧分担用抵抗器よりも小さい
(数分の一から十数分の一程度)値のものとする。高電圧
スイッチ１６は、励磁コイル１６Ｌと機械的接点１６Ｓ
からなり、励磁コイル１６Ｌによって機械的接点１６Ｓ
をオン，オフする。コイル１６Ｌの励磁はエネルギ回生
回路１３の出力線ｃ，ｄにより行い、励磁コイル１６Ｌ
に電流が流れていると接点１６Ｓがオフ、流れていない
とオンとする。高電圧スイッチ１６の接点端子間にはＧ
ＴＯ１のアノード，カソード間と同じ電圧が印加するの
で、比較的容易に接点端子間あるいは励磁コイルと接点
の間の絶縁をすることができ、高電圧化が可能な機械的
接点を有する本構造のスイッチが適している。ＧＴＯ１
にゲート駆動電力を送るゲート駆動回路１２には、電圧
を所定値に調整する定電圧回路１１を介し、コンデンサ
８およびエネルギ回生回路１３からダイオード１５を経
て電力が送られる。このゲート駆動回路１２に図示しな
い制御回路から信号を送り、この信号によりＧＴＯ１を
オン，オフ制御する。

【００１０】つぎに、実施例の動作を説明する。主回路
に電圧が印加すると、ＧＴＯ１のアノード，カソード間
にも電圧が印加する。この時、高電圧スイッチ１６の接
点１６Ｓは閉じているのでコンデンサ８は抵抗器９を介
して充電する。コンデンサ８の電圧は定電圧回路１１に
よって所定値に保たれる。スナバ回路のコンデンサ３も
ＧＴＯ１のアノード，カソード間電圧と同じ電圧に充電
される。いま、制御回路から信号が送られ、ＧＴＯ１が
オンすると、コンデンサ３〜ＧＴＯ１〜アノードリアク
トル５〜ダイオード６ｂ〜コンデンサ７（７ａ，７ｂ）
〜ダイオード６ａ〜コンデンサ３の閉回路で電流が流れ
る。このため、コンデンサ３のエネルギが一旦アノード
リアクトル５に移り、さらにコンデンサ７に移ってエネ
ルギ回生回路１３の入力となる。ＧＴＯ１がオフする時
は、いままでアノードリアクトル５に流れていた電流に
よるエネルギがコンデンサ７に移ってエネルギ回生回路
１３の入力となる。このようにして数サイクル以内でコ
ンデンサ７の電圧が所定値になり、スイッチＱ１とＱ２
を交互にオン，オフして高周波駆動し、変圧器ＴＲ１の
一次側に高周波の交流電圧を印加する。このコンデンサ
７のエネルギは変圧器ＴＲ１の二次側を整流して電源に
回生すると同時に、一次側が変圧器ＴＲ１と並列に接続
された変圧器ＴＲ２により、ゲート駆動電力およびスイ
ッチ１６の駆動電力として利用する。

【００１１】本実施例によれば、主回路に電圧を印加し
て運転を開始するまでの時間を短縮することができ、ま
た、ＧＴＯ１がオン，オフ動作をするとすみやかにスナ
バ回路およびアノードリアクトルのエネルギが回生さ
れ、同時にゲート駆動回路にゲート駆動電力が送られる
と共にスイッチ１６をオフするので余分な電力損失を抵
抗器で消費することがない。さらに、スイッチ１６の制
御をエネルギ回生回路１３の出力と同期させることによ
り、特別にスイッチ１６の制御回路を設ける必要がな
く、簡単で確実にオフすることが可能となる。

【００１２】図３は本発明の他の実施例を示す。図３は
図１のうちスイッチ１６の制御機能の構成を主として示
す。図においてＧＴＯ１のアノード，カソード間に抵抗
器Ｒ１とコンデンサＣ２の直列回路を並列に接続し、コ
ンデンサＣ２に並列に定電圧ダイオードＺＤを接続す
る。抵抗器Ｒ１には変圧器ＴＲ３の一次側、抵抗器Ｒ
２，ダイオードＤ１の直列回路を並列接続し、ダイオー
ドＤ１のカソードとＧＴＯ１のアノードを接続する。変
圧器ＴＲ３の二次側は抵抗器Ｒ３を介しサイリスタＴＨ
のゲート，カソード間に接続する。サイリスタＴＨは、
スイッチ１６の励磁コイル１６Ｓと抵抗器Ｒ４とで直列
回路を形成し、コンデンサ８の両端に接続する。

【００１３】次に動作を説明する。主回路に電圧が印加
すると、スイッチ１６の接点１６Ｓは閉じられているの
でコンデンサ８が所定値まで充電される。一方、コンデ
ンサＣ２も抵抗器Ｒ１により充電され、その電圧は定電
圧ダイオードＺＤで決まる値となる。コンデンサＣ２の
エネルギは小容量のサイリスタＴＨを１回点弧するだけ
でよいので静電容量もごく小さくてよい。したがって、
充電用の抵抗器Ｒ１も大きい値にできるので電力損失は
わずかである。いま、ゲート駆動回路１２に制御信号が
送られ、ＧＴＯ１がオン，オフ動作を開始する。ＧＴＯ
１がオンすると、コンデンサＣ２〜変圧器ＴＲ３の一次
側〜抵抗器Ｒ２〜ダイオードＤ１〜GTO1〜コンデンサＣ
２の閉回路で電流が流れ、変圧器ＴＲ３の二次側から抵
抗器Ｒ３を経てサイリスタＴＨのゲートに点弧信号が送
られる。サイリスタＴＨがオンすると、コンデンサ８〜
励磁コイル１６Ｓ〜抵抗器Ｒ４〜サイリスタＴＨ〜コン
デンサ８の閉回路で電流が流れるため、接点１６Ｓがオ
フしてコンデンサ８への充電を停止する。ＧＴＯ１がオ
ン，オフ動作をしている間はエネルギ回生回路１３より
コンデンサ８への充電がされるので接点１６Ｓはオフ状
態を保持する。

【００１４】このように、本実施例によれば前述した一
実施例での効果に加え、ＧＴＯがオン動作を開始すると
同時にスイッチの接点１６Ｓが開放するので、スイッチ
のオフ動作が速くなる効果がある。

【００１５】

【発明の効果】本発明によれば、運転初期に自己消弧形
半導体デバイスにゲート駆動電力を送るためのコンデン
サの充電用抵抗器を、主回路に電圧を印加して電力変換
器が運転を開始すると同時にスイッチにより切り離すの
で、電力損失を低減出来る効果がある。また、スイッチ
の制御用電源を主回路から得るので絶縁が軽減でき、簡
単で確実に制御することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す構成図。

【図２】本発明の一実施例の部分詳細を示す構成図。

【図３】本発明の他の実施例を示す構成図。

【符号の説明】

１…ゲートターンオフサイリスタ（ＧＴＯ）、３…スナ
バ回路コンデンサ、４…スナバ回路ダイオード、５…ア
ノードリアクトル、６ａ，６ｂ，１５…ダイオード、
７，８…コンデンサ、９…抵抗器、１１…定電圧回路、
１２…ゲート駆動回路、１３…エネルギ回生回路、１６
…高電圧スイッチ、１６Ｌ…励磁コイル、１６Ｓ…接
点、ＴＲ１，ＴＲ２，ＴＲ３…変圧器、Ｑ１，Ｑ２…半
導体スイッチ、ＴＨ…サイリスタ、ＺＤ…定電圧ダイオ
ード。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】自己消弧形半導体デバイスに並列に接続さ
   れたコンデンサとダイオードの直列回路からなるスナバ
   回路と、前記自己消弧形半導体デバイスに直列に接続さ
   れたリアクトルと、前記スナバ回路およびリアクトルの
   エネルギを蓄積する第一のコンデンサと、前記第一のコ
   ンデンサのエネルギを入力し、その一部を前記自己消弧
   形半導体デバイスを駆動するためのゲート駆動回路に出
   力するエネルギ回生回路を備えた電力変換器において、
   前記自己消弧形半導体デバイスに抵抗器とスイッチと第
   二のコンデンサの直列回路を並列に接続し、前記スイッ
   チの接点を前記エネルギ回生回路の出力により開放する
   よう構成したことを特徴とする電力変換器。
2. 【請求項２】自己消弧形半導体デバイスに並列に接続さ
   れたコンデンサとダイオードの直列回路からなるスナバ
   回路と、前記自己消弧形半導体デバイスに直列に接続さ
   れたリアクトルと、前記スナバ回路およびリアクトルの
   エネルギを蓄積する第一のコンデンサと、前記第一のコ
   ンデンサのエネルギを入力し、その一部を前記自己消弧
   形半導体デバイスを駆動するためのゲート駆動回路に出
   力するエネルギ回生回路を備えた電力変換器において、
   前記自己消弧形半導体デバイスに抵抗器とスイッチと第
   二のコンデンサの直列回路を並列に接続し、前記スイッ
   チの接点を前記自己消弧形半導体デバイスの動作開始に
   応じて開放するよう構成したことを特徴とする電力変換
   器。