JPH1023742A - 半導体電力変換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】自己消弧型スイッチング素子を用いた電力変換
器において、自己消弧型スイッチング素子のゲート駆動
用電力を安定に自給することのできる回路を有する、構
成が簡単で小型の電力変換器を提供すること。 【解決手段】スナバ抵抗と直列に給電用分圧抵抗を接続
し、給電用分圧抵抗と並列に、給電用ダイオード及び給
電用コンデンサを接続し、ＧＴＯターンオン時にこの給
電用コンデンサを介してゲート駆動回路に電力を供給す
るようにする。また、変換器運転前の全スイッチング素
子がオフ状態にある場合も初充電抵抗によりゲート駆動
用電力を供給するようにする。 【効果】スナバエネルギーを利用してゲート駆動用電力
を供給できる、小型で簡単な構成の電力変換器を提供で
きる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は自己消弧型スイッチ
ング素子を用いた電力変換器に関し、特にゲート駆動用
電力を主回路から得ることにより小型化及び効率向上を
図った電力変換装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】自己消弧型スイッチング素子のゲート駆
動回路に電力を供給する方式として、半導体電力変換装
置外部の大地側の別電源から絶縁変圧器を介して供給す
る方式及び半導体電力変換装置内の主回路から直接供給
する方式がある。

【０００３】半導体電力変換装置外部の大地側の別電源
から絶縁変圧器を介して供給する方式は、変換器直流電
圧が高電圧になると絶縁変圧器の高耐圧化が必要になる
ため、電力変換器の寸法が大きくなり、コストも高くな
る。また、該スイッチング素子の大容量化，高周波数化
が進むにつれてスイッチング素子の駆動に必要な電力も
大きくなり、絶縁変圧器の大型化，コスト増により、電
力変換器の省スペース化，低価格化が困難となる。

【０００４】主回路から電力を得る方法としては、特開
平6−276725 号公報に記載のようにスナバ回路の充電及
び放電電流を変流器を介して利用する方式がある。しか
しながら、この方式では自己消弧型スイッチング素子の
ゲート駆動回路に十分な電力を供給するために変流器が
大きくなってしまい、小型化が困難であるとともに、ス
ナバ回路の配線インダクタンスの増大により、スパイク
電圧が大きくなり自己消弧型スイッチング素子の破損を
招くおそれがある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】そのため、スイッチン
グ素子のスナバ回路のインダクタンスを増加させること
なく、ゲート駆動回路に十分な電力を供給することが必
要である。

【０００６】本発明の目的は、ゲート駆動用電力を安定
に自給することができる構成が簡単で小型の回路を設
け、これにより小型の半導体電力変換器を提供すること
である。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、スナバ抵抗と直列に給電用分圧抵抗を接続し、その
給電用分圧抵抗と並列に、給電用ダイオード及び給電用
コンデンサを接続して、スイッチング素子のターンオン
時にこの給電用コンデンサを介してゲート駆動回路に電
力を供給するようにした。また、変換器運転前の全スイ
ッチング素子がオフ状態にある場合も初充電抵抗により
自己消弧型スイッチング素子のゲート駆動用電力を供給
するようにした。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図を用い
て説明する。ここでは、自己消弧型スイッチング素子と
してゲートターンオフサイリスタ（以下、ＧＴＯと略
す）を用いた場合を例として説明する。

【０００９】図１は本発明の第１の実施例の回路構成を
示す。

【００１０】ＧＴＯ１と直列にアノードリアクトル６
が、また、ＧＴＯ１と逆並列にフリーホイリングダイオ
ード１２が接続され、さらにＧＴＯ１と並列にコンデン
サ（スナバコンデンサ）２及びダイオード(スナバダイ
オード)３の直列体が接続されている。アノードリアク
トル６は主にＧＴＯ１の電流上昇率を抑える役割を果た
し、フリーホイリングダイオード１２はインバータ運転
の際にＧＴＯを逆向きの電流の流れる経路となり、スナ
バコンデンサ２及びスナバダイオード３はＧＴＯ１がタ
ーンオフした時の電圧跳ね上がりを抑える役割を果た
す。

【００１１】また、スナバダイオード３と並列に２個の
抵抗器すなわちスナバ抵抗４及び給電用分圧抵抗５から
なる直列体が接続され、給電用分圧抵抗５と並列に、給
電用ダイオード８及び給電用コンデンサ９から構成され
る直列体が接続される。

【００１２】さらに、給電用ダイオード８と給電用コン
デンサ９との接続点と、ＧＴＯ１とスナバコンデンサ２
との接続点との間に初充電抵抗７を接続して、変換器運
転前にも給電用コンデンサ９を充電できるような構成に
なっている。

【００１３】給電用コンデンサ９と並列にゲート駆動用
電源１０が接続され、さらにゲート駆動回路１１が接続
されてＧＴＯ１のゲートを駆動する。

【００１４】次に、回路の概略動作を説明する。

【００１５】まず、変換器が運転前の状態で、電源電圧
が上昇するとＧＴＯ１のアノード−カソード間に電圧Ｖ
ＧＡ−Ｋが印加される。その電圧により初充電抵抗７及
び給電用分圧抵抗Ｒｃ５を介して給電用コンデンサ９が
充電される。給電用コンデンサ９の電圧と充電電流との
積の電力がゲート駆動用電源１０に供給され、ゲート駆
動回路１１によりＧＴＯ１のゲート駆動が可能となる。
このとき、スナバコンデンサ２もＶＧＡ−Ｋ程度に充電
される。

【００１６】変換器運転開始により、ＧＴＯ１がターン
オンすると、スナバコンデンサ２に蓄積された電荷がＧ
ＴＯ１を介して放電する。このとき、給電用コンデンサ
９には、給電用分圧抵抗５相当の電圧が印加され、電力
の供給が行われる。

【００１７】電力供給により給電用コンデンサ９の電圧
が上昇すると、給電用分圧抵抗５の電圧との大小関係に
より給電用ダイオード８がオフし、電力供給が抑制され
る。また、ゲート駆動回路での消費電力が大きく給電用
コンデンサ９の電圧が下降している場合には、給電用ダ
イオード８を通して供給される電力が大きくなる。給電
用コンデンサ９の電圧は、ゲート駆動用電源１０にＡＶ
Ｒあるいは過電圧抑制回路を設けておき、ほぼ一定に保
つことが必要であるが、本発明によれば、給電用コンデ
ンサ９の電圧によって、供給される電力が自動的に調節
されるので、給電用コンデンサ９に接続されたゲート駆
動用電源１０内部の電圧調節回路での損失を低減するこ
とができる。

【００１８】なお、スナバコンデンサ２に比べて給電用
コンデンサ９の静電容量を十分に大きくしておけば、図
７のようなＧＴＯスナバ基本回路とターンオン時のＧＴ
Ｏ電流の違いはほとんどない。ＧＴＯ１がターンオフす
ると、スナバダイオード３を介して再びスナバコンデン
サ２が充電される。このときは、給電用コンデンサ９へ
の電力の供給はないが、静電容量を十分に大きくしてお
けば、給電用コンデンサ９からの放電によりゲート駆動
回路１１は十分に電力を得ることができる。

【００１９】本実施例の電力変換装置におけるＧＴＯタ
ーンオン及びターンオフ時の、スナバコンデンサ電圧
（Ｖ_cs），ＧＴＯ電流（ｉ_g），スナバダイオード電流
（ｉ_ds)，スナバ抵抗電流（ｉ_rs），給電用コンデンサ
充電電流（ｉ_cp）及び給電用コンデンサ電圧（Ｖ_cp）の
概略波形を図８に示す。

【００２０】ＧＴＯのターンオフにより、スナバダイオ
ードが導通してスナバコンデンサが充電される。直流電
源とスイッチング素子モジュールとの間の配線インダク
タンスにより、過充電された後、スナバ抵抗を介して放
電することにより定常オフ状態となる。

【００２１】ＧＴＯがターンオンすると、スナバコンデ
ンサに蓄積された電荷がスナバ抵抗及び給電用コンデン
サを介して放電する。このとき給電用コンデンサの電圧
は上昇するが、スナバコンデンサの放電が進み、給電用
ダイオードがオフすることにより電力供給が止まる。そ
の後はゲート駆動回路での電力消費により、給電用コン
デンサの電圧は徐々に低下する。

【００２２】図２に本発明の第２の実施例の回路構成を
示す。

【００２３】本実施例は、図１のスナバ抵抗４と給電用
分圧抵抗５とを入れ替えたものである。その動作は基本
的には図１の場合と同様であるが、初充電の時に充電電
流はスナバ抵抗４には電流が流れない。従って、本実施
例によると、初充電時におけるスナバ抵抗４での損失を
低減できる。

【００２４】図３に本発明の第３の実施例の回路構成を
示す。

【００２５】本実施例は、給電用コンデンサ９と直列に
給電用フィルタリアクトル１３を接続したものである。
給電用コンデンサに電力が供給されるのは、自己消弧型
スイッチング素子がターンオンした時である。通常、自
己消弧型スイッチング素子は高周波でスイッチングを行
うので、給電用コンデンサの電圧は高周波のリップルが
含まれる。本実施例のような構成とすることにより、給
電用フィルタリアクトル１３と給電用コンデンサ９と
で、ＬＣのローパスフィルタを構成することになり、給
電用コンデンサ９のリップルを低減することができる。

【００２６】ところで、初充電に要する時間は初充電抵
抗７の抵抗値と給電用コンデンサ静電容量とで決まる。
初充電抵抗７の抵抗値は十分大きいので、リアクトルを
挿入することにより初充電に要する時間が長くなること
はない。

【００２７】なお、初充電の時には電流リップルはほと
んどないので、図４(第４の実施例)のように給電用コン
デンサ９と給電用フィルタリアクトル１３の間に初充電
抵抗７の片側端子を接続することもできる。このような
構成にすれば、初充電の回路にはリアクトルは含まれな
く、初充電抵抗値が小さい場合でも問題はない。

【００２８】図５に本発明の第５の実施例の回路構成を
示す。

【００２９】変換器運転開始前に、ゲート駆動回路１１
に必要な電力が大きい場合、給電用コンデンサ９の初充
電電流が大きくなるので、初充電抵抗７の抵抗値をあま
り大きくできない。このような場合、図１の回路ではＧ
ＴＯ１のオフ時に初充電抵抗７には電圧が印加されてい
るので、初充電抵抗７での損失が大きくなる。そのた
め、本実施例においては、変換器運転時には初充電抵抗
を切り放すためのスイッチング素子１４を接続すること
により、初充電抵抗７での損失を低減している。スイッ
チング素子１４として例えばサイリスタを用いると、変
換器運転開始時にＧＴＯ１がターンオンすることによ
り、給電用コンデンサ９の電圧が逆に印加されるので、
自動的にオフする。また、初充電時において、例えばサ
イリスタなどのスイッチング素子１４のトリガを、トリ
ガ素子，コンデンサ及び抵抗などの小型の電子用部品で
構成することができる。

【００３０】図１の場合と同様、図５の本実施例に対し
ても図２〜図４のような変形例を考えることができる。
回路構成としては、図２〜図４の各回路の初充電抵抗７
と直列に初充電抵抗開放用のスイッチング素子１４を接
続した構成となり、それぞれ、図２〜図４の場合と同じ
効果がある。

【００３１】これまでの回路構成においては、ＧＴＯ１
ターンオン時に給電用コンデンサ９には、ＧＴＯオフ時
のスナバコンデンサ２の電圧及びスナバ抵抗４と給電用
分圧抵抗５の比によって決まる電圧が印加される。その
ため、ＧＴＯ駆動回路に必要な電力が小さいなどで給電
用コンデンサ９の電圧が上昇することに対しては、ゲー
ト駆動用電源１０内部に過電圧防止回路を設けた。そこ
で、図６のように給電用ダイオード８の代わりにサイリ
スタ等の給電電力調整スイッチ１５を用いることによ
り、過電圧防止回路での損失を低減することができる。

【００３２】

【発明の効果】本発明によれば、スナバエネルギーを利
用してゲート駆動用電力を供給でき、小型で簡単な回路
構成の電力変換器を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の回路構成を示す図。

【図２】本発明の第２の実施例の回路構成を示す図。

【図３】本発明の第３の実施例の回路構成を示す図。

【図４】本発明の第４の実施例の回路構成を示す図。

【図５】本発明の第５の実施例の回路構成を示す図。

【図６】本発明の第６の実施例の回路構成を示す図。

【図７】ＧＴＯスナバ基本回路の構成を示す図。

【図８】本発明の回路構成における基本動作波形を示す
図。

【符号の説明】

１…ＧＴＯ、２…スナバコンデンサ、３…スナバダイオ
ード、４…スナバ抵抗、５…給電用分圧抵抗、６…アノ
ードリアクトル、７…初充電抵抗、８…給電用ダイオー
ド、９…給電用コンデンサ、１０…ゲート駆動用電源、
１１…ゲート駆動回路、１２…フリーホイリングダイオ
ード、１３…給電用フィルタリアクトル、１４…初充電
抵抗開放用スイッチング素子、１５…給電電力調整スイ
ッチ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 上田 茂太 茨城県日立市大みか町七丁目２番１号 株 式会社日立製作所電力・電機開発本部内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】自己消弧型スイッチング素子に、該スイッ
   チング素子のカソード端子にアノード端子を接続したダ
   イオード（フリーホイーリングダイオード）を逆並列接
   続し、該スイッチング素子にダイオード（スナバダイオ
   ード）とコンデンサ（スナバコンデンサ）とからなる第
   １の直列体を該スイッチング素子と並列に接続し、この
   スナバダイオードと並列に２個の抵抗器からなる第２の
   直列体を接続し、第２の直列体の一方の抵抗器と並列に
   給電用コンデンサとそのコンデンサの充電極性を定める
   ための給電用ダイオードからなる第３の直列体を接続
   し、第３の直列体のコンデンサとダイオードとの接続点
   と該スイッチング素子と該スナバコンデンサとの接続点
   との間に初充電用の抵抗器を接続し、第３の直列体のコ
   ンデンサから該スイッチング素子の駆動回路に電力を供
   給するようにしたことを特徴とした半導体電力変換装
   置。
2. 【請求項２】請求項１において、前記初充電用抵抗器と
   直列に第２のスイッチング素子を接続し、前記半導体電
   力変換装置の通常運転開始後は該初充電用抵抗器を切り
   放すようにしたことを特徴とした半導体電力変換装置。
3. 【請求項３】請求項１または請求項２において、前記第
   ２の直列体を構成する直列に接続された２個の抵抗器
   を、１つの抵抗体に中間端子を設けることにより構成し
   たことを特徴とした半導体電力変換装置。
4. 【請求項４】請求項１から請求項３のいずれかにおい
   て、前記第３の直列体にさらにリアクトルを直列接続し
   たことを特徴とした半導体電力変換装置。
5. 【請求項５】請求項１から請求項４のいずれかにおい
   て、前記給電用コンデンサと直列に接続されたダイオー
   ドの代わりに第３のスイッチング素子を接続したことを
   特徴とした半導体電力変換装置。