JP2555621B2 - インバ−タのエネルギ−回収回路 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、半導体スイッチ素子のオン・オフ動作に
伴ってスナバ回路に蓄積されるエネルギーを電源側へ回
収する、インバータのエネルギー回収回路に関する。

〔従来の技術〕

第４図はインバータの従来例を示す回路図である。こ
の第４図において、半導体スイッチ素子としてのゲート
ターンオフサイリスタ（以下ではGTOサイリスタと略記
する）10には帰還ダイオード11が、またGTOサイリスタ2
0には帰還ダイオード21がそれぞれ逆並列接続されてい
るので、これら両GTOサイリスタ10と20とを直列に接続
してその両端に直流電源２を接続する。このようなGTO
サイリスタの直列回路の２組または３組を相互に並列接
続して直流電源に接続することにより、直流を単相交流
あるいは３相交流に変換するインバータが構成されるの
であるが、この第４図においては、その第１相のみを図
示している。

GTOサイリスタ10をオン・オフ動作させると同時に、G
TOサイリスタ20をこれとは逆位相でオフ・オン動作させ
ることで、両GTOサイリスタ10と20との結合点から交流
を取出すことができるのであるが、このようなGTOサイ
リスタ10あるいは20のスイッチング動作に伴って、回路
の配線インダクタンスの蓄積エネルギーが変化速度のき
わめて大きい電圧となって印加されることにより、当該
GTOサイリスタ10あるいは20を破損させるおそれがある
ので、第１コンデンサ12と第１ダイオード13および抵抗
14で構成するスナバ回路をGTOサイリスタ10に並列に接
続し、同じく第１コンデンサ22と第１ダイオード23およ
び抵抗24で構成するスナバ回路をGTOサイリスタ20に並
列接続することで、第１コンデンサ12または22にこのエ
ネルギーを蓄積させ、GTOサイリスタ10,20に印加される
電圧の変化速度を緩和させている。

たとえばGTOサイリスタ10がオンに、かつGTOサイリス
タ20がオフになると、配線インダクタンスのエネルギー
は第１ダイオード23を介して第１コンデンサ22に流入
し、この第１コンデンサ22を図示の極性で充電する。次
の瞬間にGTOサイリスタ10が閉路し、かつGTOサイリスタ
20が閉路すると、第１コンデンサ22に蓄積されていた電
荷は、第１コンデンサ22→抵抗24→GTOサイリスタ20→
第１コンデンサ22の経路で放電する。

このように第１コンデンサ12と22とは、GTOサイリス
タ10と20のスイッチング動作に連動して充電と放電とを
繰返すのであるが、この充放電により第１コンデンサ12
と22の蓄積エネルギーを、それぞれ抵抗14と24とにおい
て熱として放散させている。なお第４図における符号３
は平滑コンデンサである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

インバータをパルス幅変調方式で制御することで、こ
のインバータが出力する交流の波形歪を抑制でき、かつ
制御特性も良好となることから、このようなパルス幅変
調制御インバータが広く使用されるようになったが、制
御特性を一段と向上させるために、当該インバータを構
成しているGTOサイリスタなどの半導体スイッチ素子の
スイッチング周波数は、益々高くなる傾向にある。

このようにスイッチング周波数を高くすると、GTOサ
イリスタ自身のスイッチング損失も増大するが、特にス
ナバ回路で発生する損失が著しく増大し、この損失を熱
として放散させるのに大容量の抵抗が必要であるばかり
でなく、この発生熱を放散させるために特別の工夫が必
要になるなど、装置が大形かつ高価になる欠点を有する
ばかりでなく、装置の効率を著しく低下させる欠点も合
わせて有する。

そこで本発明の目的は、インバータを構成している半
導体スイッチ素子のスイッチング動作に伴ってスナバ回
路に蓄積されるエネルギーを電源側へ回収することによ
り、エネルギーの無駄使いを防止して、装置の大形化と
価格の上昇を抑制するとともに、効率を向上させること
にある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記の目的を達成するために、本発明のエネルギー回
収回路は、２組の半導体スイッチ素子と帰還ダイオード
との逆並列接続回路を、相互に直列接続して直流電源の
正負極間に接続し、これら半導体スイッチ素子をオン・
オフ動作させることで直流を交流に変換しているインバ
ータにおいて、第１コンデンサと第１ダイオードとの直
列回路を、前記各半導体スイッチ素子に別個に並列接続
し、第２コンデンサと第２ダイオードと第１リアクトル
との直列回路を、前記各第１ダイオードに別個に並列接
続し、他のリアクトルと他のダイオードとの並列回路を
第３コンデンサの両端に別個に接続して得られる直列回
路を、前記直流電源の正負極間に接続し、負極側半導体
スイッチ素子に属する前記第２コンデンサの一端を、第
３ダイオードを介して前記第３コンデンサの正極側端子
に接続し、正極側半導体スイッチ素子に属する前記第２
コンデンサの一端を、第４ダイオードを介して前記第３
コンデンサの負極側端子に接続するものとする。

〔作用〕

この発明は、スナバ回路のコンデンサに蓄積されたエ
ネルギーを、このスナバ回路が属している半導体スイッ
チ素子が閉路したときに、第２のコンデンサへ移送し、
引続き当該半導体スイッチ素子が開路すると、直流電源
の正負極間に接続されている第３のコンデンサへ、この
第２コンデンサに蓄えられていたエネルギーを移送し、
さらにこの第３コンデンサに移送されたエネルギーを前
記の直流電源へ回生することで、半導体スイッチ素子の
スイッチング動作に伴ってスナバ回路に蓄えられたエネ
ルギーを、無駄に消費することなく直流電源へ回生す
る。

〔実施例〕

第１図は本発明の実施例をあらわす回路図であるが、
第４図の従来例回路の場合と同様に、インバータ部分は
１相分のみを示している。

この第１図において、半導体スイッチ素子としてのGT
Oサイリスタ10と20とには、それぞれ帰還ダイオード11
と21とが逆並列接続されており、両GTOサイリスタ10と2
0とを直列接続したものを直流電源２の正負極間に接続
することで、インバータの１相分が形成されているの
は、第４図に図示の従来例回路の場合と同じである。さ
らに、第１コンデンサ12と第１ダイオード13との直列回
路をGTOサイリスタ10に並列接続し、また第１コンデン
サ22と第１ダイオード23との直列回路をGTOサイリスタ2
0に並列接続することで、これらGTOサイリスタ10と20が
スイッチング動作した場合の配線インダクタンスのエネ
ルギーを、これら第１コンデンサ12あるいは22に蓄積す
るようにしているのも、第４図に示す従来例回路の場合
と同じである。

本発明においては、第１リアクトル15と第２ダイオー
ド16と第２コンデンサ17との直列回路を第１ダイオード
13に並列接続するとともに、第１リアクトル25と第２ダ
イオード26と第２コンデンサ27との直列回路を第１ダイ
オード23に並列接続している。さらにリアクトル31とダ
イオード32との並列回路およびリアクトル34とダイオー
ド35との並列回路を、それぞれ第３コンデンサ33の両端
に接続して構成された回路を、直流電源２の正負極間に
接続し、この第３コンデンサの負極側端子と、正極側に
ある前述の第２コンデンサ17の一端とを、第４ダイオー
ド18と抵抗19との直列回路を介して接続するとともに、
第３コンデンサの正極側端子と、負極側にある第２コン
デンサ27の一端とを、第３ダイオード28と抵抗29との直
列回路を介して接続する。

上述のように構成されている本発明の実施例回路の動
作は次のとおりである。すなわち、正極側のGTOサイリ
スタ10がオン状態に、また負極側のGTOサイリスタ20が
オフ状態にあると仮定すると、負極側の第１コンデンサ
22は図示の極性でＥなる電源電圧に充電されている。こ
こでGTOサイリスタ10がオフとなり、引続いてGTOサイリ
スタ20がオンとなる転流現象により、第１コンデンサ22
の電荷は、第１コンデンサ22→第１リアクトル25→第２
ダイオード26→第２コンデンサ27→GTOサイリスタ20→
第１コンデンサ22の経路で構成される振動回路により、
第２コンデンサ27へ移行し、このとき流れる電流I₂₂に
より第２コンデンサ27を図示の極性で充電する。次いで
負極側のGTOサイリスタ20が再びオフ状態になったと
き、このGTOサイリスタ20のアノード側の電位は＋Ｅな
る電位に近ずくので、第２コンデンサ27に蓄積された電
荷は、第３ダイオード28→抵抗29→第３コンデンサ33→
ダイオード35の経路で流れる電流I₂₇により第３コンデ
ンサ33へ移動する。このようにして第３コンデンサ33へ
移された電荷は、最終的には第３コンデンサ33→リアク
トル31→直流電源２→リアクトル34→第３コンデンサ33
の経路により、直流電源２へ回収される。ここで抵抗29
は、第２コンデンサ27の電荷を第３コンデンサ33へ移動
する場合の回路の振動を防止するために挿入したもので
あって、本質的には不要のものである。また抵抗19も同
様の目的のために挿入したものである。なお正極側のGT
Oサイリスタ10の動作に伴って第１コンデンサ12へ蓄積
される電荷も、同様の動作で電源へ回収される。

第２図は第１図に示す実施例回路の各部の動作をあら
わしたタイムチャートであって、第２図（イ）は負極側
のGTOサイリスタ20のアノードとカソードとの間の電圧
の変化を、第２図（ロ）は負極側の第１コンデンサ22の
電圧V₂₂の変化を実線で、また第２コンデンサ27の電圧V
₂₇の変化を点線で、第２図（ハ）は負極側の第１コンデ
ンサ22から第２コンデンサ27へ流れる電流I₂₂の変化を
実線で、また第２コンデンサ27から第３コンデンサ33へ
流れる電流I₂₇の変化を点線で、それぞれがあらわして
いる。

この第２図であきらかなように、T₁なる時刻にGTOサ
イリスタ20がオンすることにより、第１コンデンサ22に
蓄積されていた電荷が第２コンデンサ27へ移行する状況
と、次いでT₂なる時刻にこのGTOサイリスタ20がオフし
たときに第２コンデンサ27から第３コンデンサ33の方向
へ電荷が移動していることがわかる。

第３図は第１図に示す実施例回路を３相インバータに
適用した場合の回路図であって、第１相ユニット100、
第２相ユニット200および第３相ユニット300は、それぞ
れが第１図に図示のものと同じ回路構成であるが、直流
電源２ならびに、リアクトル31と34・ダイオード32と35
・第３コンデンサ33とで構成された回路のみは、３相に
共通して１組を設けることで十分である。

〔発明の効果〕

この発明によれば、直流を交流に変換するインバータ
を構成している半導体スイッチ素子がオン・オフ動作を
するのに伴って、当該半導体スイッチ素子に付属してい
るスナバ回路の第１コンデンサに蓄積された電荷を、こ
の半導体スイッチ素子の動作に連動して第２コンデンサ
へ、更に第３コンデンサへと移動させたのち、最終的に
直流電源へこのエネルギーを回生させるように回路を構
成しているので、半導体スイッチ素子のスイッチング周
波数が高くなっても、これに伴って発生する損失は熱と
して放散されることなく、すべて電源へ回収されるの
で、エネルギーの無駄な消費がなく、従って装置の大形
化や、発生熱の処理に必要な消費を回避できるととも
に、装置の効率低下を抑制できる効果を発揮する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例をあらわす回路図、第２図は第
１図に示す実施例回路の各部の動作をあらわしたタイム
チャート、第３図は第１図に示す実施例回路を３相イン
バータに適用した場合の回路図である。第４図はインバ
ータの従来例を示す回路図である。 ２……直流電源、３……平滑コンデンサ、10,20……半
導体スイッチ素子としてのGTOサイリスタ、11,21……帰
還ダイオード、12,22……第１コンデンサ、13,23……第
１ダイオード、14,19,24,29……抵抗、15,25……第１リ
アクトル、16,26……第２ダイオード、17,27……第２コ
ンデンサ、18……第４ダイオード、28……第３ダイオー
ド、31,34……リアクトル、32,35……ダイオード、33…
…第３コンデンサ。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】２組の半導体スイッチ素子と帰還ダイオー
   ドとの逆並列接続回路を、相互に直列接続して直流電源
   の正負極間に接続し、これら半導体スイッチ素子をオン
   ・オフ動作させることで直流を交流に変換しているイン
   バータにおいて、第１コンデンサと第１ダイオードとの
   直列回路を、前記各半導体スイッチ素子に別個に並列接
   続し、第２コンデンサと第２ダイオードと第１リアクト
   ルとの直列回路を、前記各第１ダイオードに別個に並列
   接続し、他のリアクトルと他のダイオードとの並列回路
   を第３コンデンサの両端に別個に接続して得られる直列
   回路を、前記直流電源の正負極間に接続し、負極側半導
   体スイッチ素子に属する前記第２コンデンサの一端を、
   第３ダイオードを介して前記第３コンデンサの正極側端
   子に接続し、正極側半導体スイッチ素子に属する前記第
   ２コンデンサの一端を、第４ダイオードを介して前記第
   ３コンデンサの負極側端子に接続することを特徴とする
   インバータのエネルギー回収回路。