JPH04308474A - インバータ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、半導体素子に加わる
過電圧や電流・電圧上昇率を抑制するためのスナバ回路
と、このスナバ回路のエネルギを吸収するエネルギ回収
回路と、このエネルギ回収回路のエネルギを直流電源に
回生するエネルギ回生回路とを備えたインバータ装置に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子を使用するインバータ装置に
おいては、半導体素子に加わる過電圧や電圧の立ち上が
り、電流の立ち上がりによる破壊防止のために、必ずス
ナバ回路を設ける。

【０００３】代表的なスナバ回路を設けた従来例の構成
を図９を参照しながら説明する。図９は、従来のインバ
ータ装置の１アーム分を示す回路図である。

【０００４】図９において、従来のインバータ装置は、
半導体素子としてＧＴＯサイリスタ１Ａ、１Ｂを用い、
電流上昇率を抑制するためのリアクトル２Ａ、２Ｂ、ダ
イオード３Ａ、３Ｂ、及び抵抗器４Ａ、４Ｂから構成さ
れた直列スナバ回路５Ａ、５Ｂと、電圧上昇率を抑制す
るためのスナバコンデンサ６Ａ、６Ｂ、スナバダイオー
ド７Ａ、７Ｂ、及び抵抗器８Ａ、８Ｂから構成された並
列スナバ回路９Ａ、９Ｂとを有する。なお、１０Ａ、１
０ＢはＧＴＯ１Ａ、１Ｂに逆並列に接続されたフリーホ
イールダイオード、１１は直流電源である。

【０００５】つぎに、前述した従来例の動作を図９を参
照しながら説明する。ＧＴＯ１Ａ、１Ｂをスイッチング
動作を行うと、各スナバ回路内のエネルギ蓄積素子、す
なわちリアクトル２Ａ、２Ｂ、スナバコンデンサ６Ａ、
６Ｂに蓄えられたエネルギは全て抵抗器４Ａ、４Ｂ、８
Ａ、８Ｂにより消費される。このエネルギ損失はＧＴＯ
１Ａ、１Ｂのスイッチング周波数の増加、インバータ容
量の増加により著しく増加し、効率の低下を招いていた
。

【０００６】前述したエネルギ損失を低減するために、
各スナバ回路内に蓄えられたエネルギを、変成器を用い
た回生回路１２により直流電源１１に回生する他の従来
のインバータ装置がある。図１０は、他の従来のインバ
ータ装置を示す回路図である。

【０００７】他の従来のインバータ装置の動作を図１０
、図１１及び図１２を参照しながら説明する。図１１及
び図１２は、他の従来のインバータ装置の転流動作を示
す図である。

【０００８】負荷電流Ｉが図１０中の矢印方向に流れて
おり、負荷はインダクタンス成分が大きく、スイッチン
グ期間において負荷電流Ｉのベクトルは変化しないもの
と仮定する。そうすると、インバータ動作としては、Ｇ
ＴＯ１Ａとフリーホイールダイオード１０Ｂとの負荷電
流Ｉの転流動作となる。ＧＴＯ１Ａがオンからオフにス
イッチングされたときのインバータ装置の転流動作を図
１１（ａ）→（ｂ）→（ｃ）→（ｄ）→（ｅ）に示す。 また、ＧＴＯ１Ａがオフからオンにスイッチングされた
ときのインバータ装置の転流動作を図１２（ａ）→（ｂ
）→（ｃ）→（ｄ）→（ｅ）に示す。

【０００９】図１１及び図１２は共に、スナバコンデン
サ６Ａ、６Ｂの放電経路、及びリアクトル２Ａ、２Ｂの
放電経路に変成器１３の１次側が接続されており、その
１次側に電流を流すことにより、変成器１３の巻数比ｎ
に応じて２次側に電流が流れ、直流電源１１にスナバ回
路のエネルギが回生されることになる。

【００１０】しかしながら、この他の従来のインバータ
装置においては、ＧＴＯ１Ａ、１Ｂのスイッチング動作
毎に変成器１３を介してスナバ回路のエネルギが回生さ
れると、変成器１３の２次側に流れる励磁電流によって
変成器内の鉄心が磁化されるが、鉄心飽和防止のためリ
セット時間を設ける必要があり、インバータ装置の高周
波化の制限要因となる。

【００１１】また、インバータ装置の大容量化による直
流電源１１の高圧化により変成器１３が大形化し、さら
に最大磁束密度の高い鉄心が必要となり、コストの上昇
を招く。さらに、インバータ装置の高周波化により変成
器１３における損失増加、あるいは騒音なども問題とな
る。

【００１２】ところで、従来のインバータ装置には、正
負直流母線の配線インダクタンス１６のエネルギによる
スナバコンデンサの過充電を抑制するため、図１３に示
すような過電圧吸収回路１７を設けている。この過電圧
吸収回路１７のコンデンサ１８に配線インダクタンス１
６のエネルギを吸収し、抵抗器１９により消費すること
により、その機能を果たしている。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】上述したような従来の
インバータ装置では、スナバ回路のエネルギを抵抗器に
より消費しているので、損失が大きく、大容量化、高周
波化が困難であるという問題点があった。

【００１４】また、変成器１３によるスナバ回路のエネ
ルギ回生を考慮した他の従来のインバータ装置では、変
成器１３のリセット時間を設ける必要があり、高周波化
が制限され、大容量化に際し変成器の大形化、コスト高
を招き、高周波化に際し損失、騒音共に増加するという
問題点があった。

【００１５】さらに、正負直流母線の配線インダクタン
ス１６によるスナバコンデンサの過充電を抑制する回路
が必要であるという問題点があった。

【００１６】この発明は、前述した問題点を解決するた
めになされたもので、高効率化及び高周波化を実現する
ことができるインバータ装置を得ることを目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明に係るイ
ンバータ装置は、次に掲げる手段を備えたものである。 〔１〕　　直流母線とアームとの間に接続され電流上昇
率を抑制するリアクトル、過電圧を抑制する吸収コンデ
ンサ、スナバダイオード、及び電圧上昇率を抑制するス
ナバコンデンサを有し、前記吸収コンデンサ、スナバダ
イオード、及びスナバコンデンサが直列に接続された回
路が前記アームに並列に接続されたスナバ回路。

【００１８】請求項２の発明に係るインバータ装置は、
次に掲げる手段を備えたものである。 〔１〕　　吸収コンデンサから過剰なエネルギを回収す
る回収コンデンサ、及びその回収コンデンサの充電極性
を定めるダイオードを有するエネルギ回収回路。 〔２〕　　前記回収コンデンサからエネルギを取り出し
て直流電源に回生するエネルギ回生回路。

【００１９】

【作用】請求項１の発明においては、スナバ回路によっ
て、電流上昇率、過電圧及び電圧上昇率が抑制される。

【００２０】請求項２の発明においては、エネルギ回収
回路によって、吸収コンデンサから過剰なエネルギが回
収される。また、エネルギ回生回路によって、回収コン
デンサからエネルギが取り出されて直流電源に回生され
る。

【００２１】

【実施例】実施例１． この発明の実施例１の構成を図１を参照しながら説明す
る。図１は、この発明の実施例１の１アーム分を示す回
路図である。

【００２２】図１において、この発明の実施例１は、従
来と同様に半導体素子としてＧＴＯサイリスタ１Ａ、１
Ｂを用い、電流上昇率を抑制するためのリアクトル２Ａ
、２Ｂと、電圧上昇率を抑制するためのスナバコンデン
サ６と、スナバダイオード７Ａ、７Ｂと、過電圧を抑制
するための吸収コンデンサ２１Ａ、２１Ｂと、ダイオー
ド２２Ａ、２２Ｂと、吸収コンデンサ２１Ａ、２１Ｂか
らの過剰電荷分を回収する回収コンデンサ２３と、回収
コンデンサ２３からエネルギを取り出し直流電源１１に
回生するエネルギ回生回路２４とを有している。

【００２３】吸収コンデンサ２１Ａ、２１Ｂは、各々常
に電源電圧Ｅの半分の電圧に充電されており、静電容量
は電圧変動を低減するためスナバコンデンサ６よりも十
分大きいものを使用する。

【００２４】また、スナバコンデンサ６の充電電圧極性
と、インバータ装置の出力電圧との関係を図２（ａ）及
び（ｂ）に示す。なお、出力端子をＰにより示す。

【００２５】ところで、この発明のスナバ回路は、前述
したこの発明の実施例１ではリアクトル２Ａ、２Ｂ、ス
ナバコンデンサ６、スナバダイオード７Ａ、７Ｂ、及び
吸収コンデンサ２１Ａ、２１Ｂから構成され、この発明
のエネルギ回収回路は、実施例１ではダイオード２２Ａ
、２２Ｂ及び回収コンデンサ２３から構成されている。

【００２６】つぎに、前述した実施例１の動作を説明す
る。なお、負荷はインダクタンス成分が大きなものであ
り、ＧＴＯ１Ａ、１Ｂのスイッチング期間に負荷電流Ｉ
のベクトルが変化しないものとする。

【００２７】図１中の矢印の方向を負荷電流Ｉの正極性
と仮定すると、負荷電流Ｉが正極性の場合は、ＧＴＯ１
Ａのスイッチング動作により負荷電流ＩのＧＴＯ１Ａと
フリーホイールダイオード１０Ｂとの転流が行われる。 負極性の場合は、ＧＴＯ１Ｂのスイッチング動作により
負荷電流ＩのＧＴＯ１Ｂとフリーホイールダイオード１
０Ａとの転流が行われる。この転流動作は、対称性をも
つので、以下、前者の場合についてのみ説明する。

【００２８】ＧＴＯ１Ａのオフ動作、オン動作の順に説
明する。ＧＴＯ１Ａのオフ動作は、ＧＴＯ１Ａ、１Ｂが
それぞれオン、オフ、出力端子Ｐの電位が電源電圧Ｅ、
負荷電流Ｉが直流電源１１からリアクトル２Ａ、ＧＴＯ
１Ａ及び出力端子Ｐを通じて流れている場合、スナバコ
ンデンサ６が出力端子Ｐ側を正極としてＥ／２に充電さ
れている状態が初期状態である。

【００２９】ＧＴＯ１Ａをオフすると、負荷電流Ｉを遮
断することになり、その電流は回収コンデンサ２１Ａ、
スナバコンデンサ６及び出力端子Ｐの経路で流れ、スナ
バコンデンサ６は逆極性に充電されることになる。スナ
バコンデンサ６が出力端子Ｐ側を負極としてＥ／２に充
電されると、出力端子Ｐの電位は０（零）となる。

【００３０】その時点でのリアクトル２Ａに蓄えられた
エネルギによる電流は、リアクトル２Ａ、吸収コンデン
サ２１Ａ、２１Ｂ及びリアクトル２Ｂの経路で流れ続け
る。また、フリーホイールダイオード１０Ｂが導通する
。リアクトル２Ａのエネルギが吸収コンデンサ２１Ａ、
２１Ｂに全て吸収されると、吸収コンデンサ２１Ａ、２
１Ｂは過充電の状態となっており、負荷電流ＩのＧＴＯ
１Ａからフリーホイールダイオード１０Ｂへの転流が完
了する。

【００３１】次に、リアクトル２Ｂ、吸収コンデンサ２
１Ｂ、回収コンデンサ２３、吸収コンデンサ２１Ａ、リ
アクトル２Ａの経路で吸収コンデンサ２１Ａ、２１Ｂの
過充電分のエネルギが回収コンデンサ２３に回収される
。さらに、エネルギ回生回路２４により回収コンデンサ
２３からエネルギが取り出されて直流電源１１に回生さ
れることになる。ＧＴＯ１Ａからフリーホイールダイオ
ード１０Ｂへの転流が完了すれば、その後ＧＴＯ１Ｂを
スイッチングしても状態は変化しない。この一連の動作
を図３（ａ）→（ｂ）→（ｃ）→（ｄ）→（ｅ）の順に
示す。

【００３２】次に、ＧＴＯ１Ａのオン動作は、ＧＴＯ１
Ａ、１Ｂが共にオフ、出力端子Ｐの電位が０、負荷電流
Ｉがリアクトル２Ｂ、フリーホイールダイオード１０Ｂ
及び出力端子Ｐを通じて流れている場合、スナバコンデ
ンサ６が出力端子Ｐ側を負極としてＥ／２に充電されて
いる状態が初期状態である。

【００３３】ＧＴＯ１Ａをオンすると、直流電源１１か
らリアクトル２Ａ、ＧＴＯ１Ａを介して電流が流れ始め
、やがてその電流によってフリーホイールダイオード１
０Ｂに流れていた電流は０となり、ＧＴＯ１Ａの電流は
負荷電流Ｉに達する。

【００３４】さらに、ＧＴＯ１Ａの電流は負荷電流Ｉを
維持し、リアクトル２Ａの電流は増加するが、その増加
分の電流はスナバコンデンサ６、回収コンデンサ２１Ｂ
、リアクトル２Ｂの経路で流れ、スナバコンデンサ６は
逆極性に充電されることになる。

【００３５】スナバコンデンサ６が出力端子Ｐ側を正極
としてＥ／２に充電されると、出力端子Ｐの電位は電源
電圧Ｅとなる。その時点でのリアクトル２Ａ、２Ｂに蓄
えられたエネルギにより負荷電流Ｉ以上に相当する電流
は、リアクトル２Ａ、回収コンデンサ２１Ａ、２１Ｂ、
リアクトル２Ｂの経路で流れ続ける。

【００３６】リアクトル２Ａ、２Ｂのエネルギが吸収コ
ンデンサ２１Ａ、２１Ｂに吸収され、それらに流れる電
流は減少し、リアクトル２Ｂのエネルギが全て吸収され
るときは吸収コンデンサ２１Ａ、２１Ｂは過充電の状態
になっており、また、リアクトル２Ａの電流が負荷電流
Ｉに整定し、負荷電流Ｉのフリーホイールダイオード１
０ＢからＧＴＯ１Ａへの転流が完了する。

【００３７】次に、リアクトル２Ｂ、吸収コンデンサ２
１Ｂ、回収コンデンサ２３、吸収コンデンサ２１Ａ、リ
アクトル２Ａの経路で、吸収コンデンサ２１Ａ、２１Ｂ
の過充電分のエネルギが回収コンデンサ２３に回収され
る。さらに、エネルギ回生回路２４により、回収コンデ
ンサ２３からエネルギが取り出されて直流電源１１に回
生されることになる。この一連の動作を図４（ａ）→（
ｂ）→（ｃ）→（ｄ）→（ｅ）→（ｆ）の順に示す。

【００３８】回収コンデンサ２３からエネルギを取り出
して直流電源１１に回生する機能をもつエネルギ回生回
路２４には、図５に示すようにブックブースト型、ある
いは図６に示すようにフライバック型のＤＣ−ＤＣコン
バータを適用することができる。さらに、図７に示すよ
うなエネルギ回生回路も適用することができる。

【００３９】つづいて、直流母線に存在する配線インダ
クタンス１６に蓄えられるエネルギについて述べる。等
価的には、配線インダクタンス１６と直流母線間に直列
に配置される吸収コンデンサ２１Ａ、２１Ｂによるフィ
ルタ回路が構成されるとなみすことができる。したがっ
て、このフィルタ回路により、配置インダクタンス１６
に蓄えられるエネルギも吸収コンデンサ２１Ａ、２１Ｂ
に吸収することができる。当然、そのエネルギも同様に
回収コンデンサ２３に回収され、エネルギ回生回路２４
により回生されることになる。

【００４０】この発明の実施例１は、前述したように、
インバータ装置内に抵抗要素がないために高効率化が達
成でき、直列スナバ、並列スナバ、過電圧吸収の機能を
一体化したスナバ回路を設けたので、スナバコンデンサ
６を正負アームで共用でき、つまり構成部品点数を低減
でき、ひいては従来よりも電圧定格の低い半導体素子の
適用が可能となるという効果を奏する。また、スナバ回
路に蓄えられたエネルギを回収するための回収コンデン
サ２３を設け、この回収コンデンサ２３の蓄積エネルギ
をＤＣ−ＤＣコンバータなどのエネルギ回生回路２４に
より直流電源１１に回生するようにしたので、高周波化
を図ることができるという効果を奏する。

【００４１】実施例２．図８は、この発明の実施例１を
３相に適用した場合を示す回路図である。この場合は、
各相の回収コンデンサ２３及びエネルギ回生回路２４を
共通に設けた構成となっている。構成部品点数を低減で
きるという効果を奏する。

【００４２】

【発明の効果】請求項１に係る発明は、以上説明したと
おり、前記直流母線と前記アームとの間に接続され電流
上昇率を抑制するリアクトル、過電圧を抑制する吸収コ
ンデンサ、スナバダイオード、及び電圧上昇率を抑制す
るスナバコンデンサを有し、前記吸収コンデンサ、スナ
バダイオード、及びスナバコンデンサが直列に接続され
た回路が前記アームに並列に接続されたスナバ回路を備
え、また、請求項２に係る発明は、以上説明したとおり
、前記吸収コンデンサから過剰なエネルギを回収する回
収コンデンサ、及びその回収コンデンサの充電極性を定
めるダイオードを有するエネルギ回収回路、並びに前記
回収コンデンサからエネルギを取り出して直流電源に回
生するエネルギ回生回路とを備えたので、高効率化及び
高周波化を実現することができるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例１の１アーム分を示す回路図
である。

【図２】この発明の実施例１のスナバコンデンサの充電
電圧極性と出力電圧の関係を示す回路図である。

【図３】この発明の実施例１の転流動作を示す回路図で
ある。

【図４】この発明の実施例１の転流動作を示す回路図で
ある。

【図５】この発明の実施例１のエネルギ回生回路の例を
示す回路図である。

【図６】この発明の実施例１のエネルギ回生回路の例を
示す回路図である。

【図７】この発明の実施例１のエネルギ回生回路の例を
示す回路図である。

【図８】この発明の実施例１を３相に適用した場合を示
す回路図である。

【図９】従来のインバータ装置の１アーム分を示す回路
図である。

【図１０】他の従来のインバータ装置の１アーム分を示
す回路図である。

【図１１】他の従来のインバータ装置の転流動作を示す
図である。

【図１２】他の従来のインバータ装置の転流動作を示す
図である。

【図１３】従来のインバータ装置の過電圧吸収回路を示
す回路図である。

【符号の説明】

１Ａ、１Ｂ　　　　ＧＴＯサイリスタ ２Ａ、２Ｂ　　　　リアクトル ６　　　　　　　　　　　　スナバコンデンサ７Ａ、７
Ｂ　　　　スナバダイオード １０Ａ、１０Ｂ　　フリーホイールダイオード１１　　
　　　　　　　　　　直流電源２１Ａ、２１Ｂ　　吸収
コンデンサ ２２Ａ、２２Ｂ　　ダイオード

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　正負直流母線間に正負アームを構成す
   る一対の半導体素子及び、それらに逆並列に接続される
   フリーホイールダイオードを備えたインバータ装置にお
   いて、前記直流母線と前記アームとの間に接続され電流
   上昇率を抑制するリアクトル、過電圧を抑制する吸収コ
   ンデンサ、スナバダイオード、及び電圧上昇率を抑制す
   るスナバコンデンサを有し、前記吸収コンデンサ、スナ
   バダイオード、及びスナバコンデンサが直列に接続され
   た回路が前記アームに並列に接続されたスナバ回路を備
   えたことを特徴とするインバータ装置。
2. 【請求項２】　　前記吸収コンデンサから過剰なエネル
   ギを回収する回収コンデンサ、及びその回収コンデンサ
   の充電極性を定めるダイオードを有するエネルギ回収回
   路、並びに前記回収コンデンサからエネルギを取り出し
   て直流電源に回生するエネルギ回生回路を備えたことを
   特徴とする請求項１記載のインバータ装置。