JP2919033B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は電力用半導体デバイスを直列接続した電力変
換装置に関する。

（従来の技術） 電力用半導体デバイスは近年高性能化や大容量化の機
運にある。なかでもIGBT（Insulated Gate Bipolat Tra
nsistor）やパワーMOSFETはゲート駆動電力が少なくて
すみ、スイッチング周波数が高く、高性能な電力変換が
行える。また、デバイスの電圧や電流容量も増加の一途
にあり中小容量の電力変換装置に多く適用されている。
これらのデバイスを用いた変換装置では、デバイス個々
にスナバ回路を設ける方法をあるが、これを設けず直流
端子間に一括して設ける方式も適用されている。第３図
はその構成例で、例えば電気学会半導体電力変換方式調
査専門委員会編「半導体電力変換回路」第38頁に記載さ
れている。第３図において、１は直流電源、２はインバ
ータ回路、３は交流出力、４はスナバ回路で、41はスナ
バコンデンサ、42はスナバ抵抗、43はスナバダイオード
である。この回路ではスナバコンデンサ41には常時直流
電圧と同一の電圧が充電されている。デバイスのターン
オンやターンオフ時にはサージ電圧が発生するが、この
サージ電圧が直流電圧よりも高くなった分だけスナバダ
イオード43を介してコンデンサ41に充電される。スナバ
抵抗42の損失は、サージ電圧上昇のあとのコンデンサの
放電時だけであるのでそれほど多くない。この回路を直
流スナバ回路と呼ぶ。

IGBTやパワーMOSFETを用いて大きい容量の変換装置を
構成しようとする場合、変換装置を複数組多重接続して
容量を増大する方式と、１組の変換装置でデバイスを並
列、あるいは直列に接続する方式がある。高い電圧の変
換装置が必要となりデバイスを直列接続する場合は、第
４図に示すスナバ回路が一般的である。第４図はサイリ
スタで構成されたひとつのアームを示したものであり、
51〜53はサイリスタ、411〜413はスナバコンデンサ、42
1〜423はスナバ抵抗、441〜443は並列抵抗である。並列
抵抗は定常時の電圧バランスをとる目的で設けられてい
る。すなわち、図示サイリスタはオフ状態で電圧が印加
されていると、もれ電流が流れこの値がデバイス毎に微
妙に異なる。このため並列抵抗がない場合は、もれ電流
が大きいデバイスほど電圧分担が小となり、電圧がもれ
電流の小さい素子に集中する。この静的な電圧分担を均
一化するのが並列抵抗の役割である。スナバコンデン
サ、スナバ抵抗はターンオン・ターンオフ時のサージ電
圧を抑制する働きを持つと共に、各デバイスの過渡的な
電圧バランスを保つ働きがある。スナバコンデンサはデ
バイスのスイッチング毎にほぼゼロ電圧とオフ時の最大
電圧まで充放電される。

（発明が解決しようとする課題） 速いスイッチング速度のデバイスを直列接続する場
合、デバイスの構造的制約から配線が長くなり、漂遊イ
ンダクタンスが増加する。このため、従来のスナバ抵
抗、スナバコンデンサからなる構成で、コンデンサ容量
を増大し、スイッチングに伴うサージ電圧の抑制や過渡
的な電圧バランスを取る方法がある。しかしIGBTなどの
デバイスは高い周波数で駆動する場合が多く、コンデン
サ容量を増大すると抵抗の損失が大となり変換装置の効
幸が低下する。

本発明は以上の点を鑑みてなされたもので、高速スイ
ッチングの電力半導体デバイスを直列接続してなる電力
変換器に好適なスナバ回路を実現することを目的とす
る。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するために、本発明では２組のアーム
が直接接続された変換装置において、各アームは電力用
半導体デバイスを複数個直列接続し、おのおののでデバ
イスには従来のスナバ回路が設けられている。さらに交
流端子より数えて正側直流端子と負側直流端子側へおの
おの１個ずつ数えたデバイスの、正側直流端子側の正側
と、負側直流端子側の負側の端子間にそれぞれ直流スナ
バ回路を設ける構成とする。

（作 用） 上記構成により、直流スナバ回路の通常の電圧は直流
電圧をデバイスの直列数で割った値に比例する。この値
をＶとすると、交流端子に１番近いデバイスの直流スナ
バコンデンサにはＶが、その次のデバイスのコンデンサ
には2Vの電圧が加わり、一番直流端子に近いデバイスに
設けた直流スナバコンデンサには直流電圧そのままが加
わる。デバイスのスイッチングに伴うサージ電圧はこの
コンデンサにより吸収される。コンデンサの電圧上昇に
よる放電は、デバイスに並列に設けられた並列抵抗や従
来のスナバ回路を介して行われる。

（実施例） 第１図は本発明の一実施例を示す構成図であり、IGBT
を２個直列接続した２組のアームを示している。第１図
において411〜414はスナバコンデンサ、421〜424はスナ
バ抵抗、441〜444は並列抵抗、451,452は直流スナバコ
ンデンサ、462は直流スナバ抵抗、472は直流スナバダイ
オード、511〜514はIGBT、521〜524は帰還ダイオード、
６は正側直流端子、７は負側直流端子、８は交流端子で
ある。

第１図で示したアーム対は例えば電圧形インバータの
一相分に相当する。その動作は、IGBT511と512がオンし
ている間はIGBT513と514がオフしており、その後オン・
オフの状態が反転し、これらの状態を繰り返す。直流ス
ナバコンデンサ451の電圧は、IGBT512と513が交互にオ
ンしているから定常的には直流電圧の半分の電圧が加わ
る。もう一方の直流スナバコンデンサ452には直流端子
間の電圧がそのまま加わる。スイッチング時には配線の
漂遊インダクタンスのエネルギーが影響して半導体デバ
イスに過電圧が加わろうとうするが、このエネルギーは
直流スナバコンデンサやデバイス個々に取り付けられた
スナバコンデンサに充電される。直流スナバコンデンサ
は基本的にサージ電圧のみの変動となるから、デバイス
個々に取り付けられたコンデンサ容量より大きくしてよ
いのでエネルギーの大半はこのコンデンサに充電され
る。定常電圧までの放電はデバイス個々に取り付けられ
たスナバや並列抵抗を介して行われる。

直流端子間に取り付けられた直流スナバは、この端子
間のインビーダンスが低いので放電は抵抗462を介して
行い振動を抑制する。

以上の説明により、本実施例では直列接続されたデバ
イス個々に直流スナバを取り付けることにより、スイッ
チング時のデバイスの電圧上昇を抑えることができる。

（他の実施例） 第２図は本発明の他の実施例を示す構成図であり、第
１図で示した直流スナバ回路に対してスナバ抵抗とスナ
バダイオードを省略して方式である。第１図と同一要素
子は同一番号の要素と対応する。直流端子間の直流スナ
バとしてコンデンサ452のみを設けた方式である。本実
施例では基本動作は第１図で示したものとほぼ同じであ
るが、コンデンサ452の電圧上昇後の直流電圧までの放
電は多少振動はあるが損失なしに行われる。

第２図にいて、デバイス個々に設けられたスナバ回路
と並列抵抗のうちどちらか一方を省略しても直流スナバ
コンデンンサの放電は可能である。

〔発明の効果〕

以上の説明により本発明では直列接続されたデバイス
個々に直流スナバを設けることにより、スイッチング時
の電圧サージを抑えることができる。これにより変換装
置の電圧が与えられた場合、通常加わる電圧とサージ電
圧の和でデバイスの直列数を決めているが、サージ電圧
が減少するので直列数を減らしたり、同じ直列数でも定
格電圧を上昇させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の電力変換装置の構成図、第
２図は本発明の他の実施例を示す構成図、第３図は直流
スナバ回路の回路図、第４図は直列接続素子の従来のス
ナバ回路の回路図である。 １……直流電源、２……インバータ ３……交流出力、４……スナバ回路 ６……正側直流端子、７……負側直流端子 ８……交流端子

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】直流電源の正側直流端子と負側直流端子と
   の間に、複数個の電力用半導体素子が直列接続されて構
   成される２つのアームが直列接続され、この２つのアー
   ムの接続点を交流端子とする電力変換器において、名前
   記半導体素子に並列に接続された第１のスナバ回路と、
   前記半導体素子の内、一端が前記交流端子に接続する２
   つの半導体素子のそれぞれの他の一端間に設けられた第
   ２のスナバ回路とを有する電力変換装置。