JP3247263B2 - 中性点クランプ式電力変換器 - Google Patents
中性点クランプ式電力変換器Info
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Description
変換器を構成するスイッチング素子に設けられるスナバ
回路の損失を低減した中性点クランプ式電力変換器に関
する。
子が使用されるインバ―タ、コンバ―タ等の電力変換器
のスイッチング周波数が増加し、スナバ損失も増加の一
途を辿っている。
出力電圧を発生する中性点クランプ式電力変換器の主回
路の基本構成を示している。図5において、Vd1,V
d2は直流正母線Pと直流負母線N間に接続され中性点
出力端子0を備えた直流電源、C1,C2は直流電源V
d1,Vd2にそれぞれ並列接続される平滑コンデン
サ、SU1〜SU4は直流正母線Pと直流負母線N間に
直列接続されU相の第1〜第4のスイッチング素子、同
様にSV1〜SV4及びSW1〜SW4はV相及びW相
のスイッチング素子である。
れぞれ逆並列接続されているDU1〜DU4及びV相ス
イッチング素子SV1〜SV4にそれぞれ逆並列接続さ
れているDV1〜DV4及びW相スイッチング素子SW
1〜SW4にそれぞれ逆並列接続されているDW1〜D
W4はフリ―ホイ―リングダイオ―ドである。
2,SU3の直列回路に逆極性で並列接続され且つ直列
接続点が中性点出力端子0と接続されているDU5,D
U6はU相のクランプダイオ―ドである。
2,SU3の直列接続点がU相の交流端子となる。同様
にDV5,DV6はV相のクランプダイオ―ドで、DW
5,DW6はW相のクランプダイオ―ドである。
V2,SV3の直列接続点がV相の交流端子となり、W
相の第2第3のスイッチング素子SW2,SW3の直列
接続点がW相の交流端子となる。
負荷である。前述のように構成された中性点クランプ式
電力変換器のU相出力電圧Vuは下記の3レベル値に制
御される。即ち、 スイッチング素子SU1とSU2がオンのとき、Vu=+Vd1 スイッチング素子SU2とSU3がオンのとき、Vu=0 スイッチング素子SU3とSU4がオンのとき、Vu=―Vd2 となる。V相の出力電圧Vv及びW相の出力電圧Vwも
同様に制御される。
にスナバ回路を設けた詳細な回路構成図ある。(図5に
はU相分のみ示したがV相,W相も同様な構成となって
いるのでV相,W相分は省略しいてる。) 第1のスイッチング素子SU1には並列接続される第1
のスナバコンデンサSCU1とスナバダイオ―ドSDU
1の直列回路及び該直列回路の直列接続点と中性点出力
端子0との間に接続される第1のスナバ抵抗SRU1か
ら成るスナバ回路が設けられている。
続される第2のスナバダイオ―ドSDU2とスナバコン
デンサSCU2の直列回路及び第2のスナバダイオ―ド
SDU2に並列接続された第2のスナバ抵抗SRU2か
ら成るスナバ回路が設けられている。
続される第3のスナバコンデンサSCU3とスナバダイ
オ―ドSDU3の直列回路及び第3のスナバダイオ―ド
に並列接続された第3のスナバ抵抗SRU3から成るス
ナバ回路が設けられている。
続される第4のスナバダイオ―ドSDU4とスナバコン
デンサSCU4の直列回路及び第4のスナバダイオ―ド
SDU4に並列接続された第4のスナバ抵抗SRU4か
ら成るスナバ回路が設けられている。
電力変換器のスナバ回路の動作を説明する。今、スイッ
チング素子SU1,SU2がオンしている状態では負荷
電流は直流電源Vd1,直流正母線P,スイッチング素
子SU1,SU2,負荷(図示していない)の経路で流
れている。
フした時には図示しない配線インダクタンス(直流電源
Vd1〜スイッチング素子SU1の間)のエネルギは、
スナバコンデンサSCU1,スナバダイオ―ドSDU
1,スイッチング素子SU2を通して流れスナバコンデ
ンサSCU1を充電する。
ンデンサSCU1が吸収すると、負荷電流は中性点出力
端子0,クランプタイオ―ドDU5,スイッチング素子
SU2,負荷の経路で流れる。
電源Vd1で充電されていたので、配線インダクタンス
のエネルギを充電するとVd1の電圧以上に充電され
る。充電されたエネルギはスナバ抵抗SRU1を通して
放電しスナバコンデンサSCU1の電圧がVd1になっ
た時点で放電をやめる。つまり、スナバコンデンサSC
U1の電圧は配線インダクタンスのエネルギ分のみ充放
電を繰り返す。以上は、いわゆる良く知られているDC
クランプ形スナバ回路構成となっている。
路動作は完全放電形のスナバ回路構成となっている。ス
イッチング素子SU2がオフすると、配線インダクタン
ス(中性点出力端子0からスイッチング素子SU2の
間)のエネルギが充電される。配線インダクタンスのエ
ネルギの吸収が終了すると、負荷電流はフリ―ホイ―リ
ングダイオ―ドDU4,DU3を通して還流する。
ので、スナバコンデンサSCU2の電圧は電源電圧Vd
2以上に上昇する。そのエネルギは次のスイッチング素
子SU2のオン時にスナバ抵抗SRU2を通して全て消
費してしまう。
記DCクランプ形スナバ回路と比較して非常にスナバ損
失が増大してしまう結果となる。同様に、スイッチング
素子SU4のスナバ回路は、DCクランプ形のスナバ回
路動作となるが、スイッチング素子SU3のスナバ回路
は、SU2のスナバ回路と同様、完全放電形のスナバ回
路動作となるので、やはりスナバ損失が増大してしま
う。
中性点クランプ式電力変換器では、第2のスイッチング
素子と第3のスイッチング素子のスナバ回路の損失が非
常に大きくなる。今後益々スイッチング周波数の増加に
伴ってスナバ損失の増加は無視できなくなるため、スナ
バ回路の損失を低減することは非常に重要なことであ
る。
式電力変換器を構成する第2のスイッチング素子と、第
3のスンッチング素子のスナバ回路の損失の低減を図っ
た中性点クランプ式電力変換器を提供することにある。
成するために、直流正負母線間に接続され中性点出力端
子を備えた直流電源と、前記直流正負母線間に直列接続
された第1乃至第4のスイッチング素子と、該スイッチ
ング素子にそれぞれ逆並列接続された第1乃至第4のフ
リ―ホイリングダイオ―ドと、前記第2第3のスイッチ
ング素子の直列回路に逆極性で並列接続され且つ直列接
続点が前記中性点出力端子と接続される一対のクランプ
ダイオ―ドの直列回路から成り、前記第2第3のスイッ
チング素子の直列接続点を交流端子とした中性点クラン
プ式変換器において、前記第1のスイッチング素子に並
列接続される第1のスナバコンデンサとスナバダイオ―
ドの直列回路及び該直列回路の直列接続点と前記中性点
出力端子との間に接続される第1のスナバ抵抗から成る
スナバ回路と、前記第1第2のスイッチング素子の直列
接続点にアノ―ドが接続されカソ―ドが第2のスナバコ
ンデンサを介して前記中性点出力端子に接続される第2
のスナバダイオ―ドと、該第2のスナバダイオ―ドとス
ナバコンデンサの直列接続点と前記直流正母線間に接続
される第2のスナバ抵抗から成るスナバ回路と、前記第
3第4のスイッチング素子の直列接続点にカソ―ドが接
続されアノ―ドが第3のスナバコンデンサを介して前記
中性点出力端子に接続される第3のスナバダイオ―ド
と、該第3のスナバダイオ―ドとスナバコンデンサの直
列接続点と前記直流負母線間に接続される第3のスナバ
抵抗から成るスナバ回路と、前記第4のスイッチング素
子に並列接続される第4のスナバダイオ―ドとスナバダ
コンデンサの直列回路及び該直列回路の直列接続点と前
記中性点出力端子との間に接続される第4のスナバ抵抗
から成るスナバ回路と、前記中性点出力端子と前記第
2、第3のスイッチング素子の接続点の間に第5のスナ
バ抵抗とスナバコンデンサを直列接続したスナバ回路を
具備したことを特徴とするものである。
インダクタンスのエネルギを吸収した第2のスナバコン
デンサSCU2は吸収したエネルギを、第2のスナバコ
ンデンサSCU2,第2のスナバ抵抗SRU2,直流電
源Vd1,第2のスナバコンデンサSCU2の経路で放
電し、第2のスナバコンデンサSCU2の電圧が直流電
源Vd1の電圧と等しくなると放電は停止する。このよ
うに、第2のスナバコンデンサSCU2はその充電エネ
ルギの全てを第2のスナバ抵抗で消費しないため、スナ
バ損失は低減する。
吸収した第3のスナバコンデンサSCU3は吸収したエ
ネルギを、第3のスナバコンデンサSCU3,直流電源
Vd2,第3のスナバ抵抗SRU3,第3のスナバコン
デンサSCU3の経路で放電し、第3のスナバコンデン
サSCU3の電圧が直流電源Vd2の電圧と等しくなる
と放電は停止する。従って、第3のスナバコンデンサS
CU3もその充電エネルギの全てを第3のスナバ抵抗で
消費しないため、スナバ損失は低減する。
ング素子に設けられるスナバ回路は、前述したDCクラ
ンプ形スナバ回路と同様な動作となるため、そのスナバ
損失を大幅に低減できる。
で取りきれない非常に短いサ―ジ電圧は第5のスナバ抵
抗、コンデンサの直列回路からなるスナバ回路で吸収す
ることができる。尚、第5のスナバコンデンサはスナバ
コンデンサSCU2,SCU3に比べて1/5〜1/1
0程度であり放電形ではあるが損失は非常に少ない。
図1の実施例を参照して本発明を説明する。ただし、U
相,V相,W相は同一構成となるので、以下、U相分の
みを用いて説明する。
れ中性点出力端子0を備えた直流電源Vd1,Vd2
と、前記直流正負母線P,N間に直列接続された第1乃
至第4のスイッチング素子SU1〜SU4と、該スイッ
チング素子SU1〜SU4にそれぞれ逆並列接続された
第1乃至第4のフリ―ホイ―リングダイオ―ドDU1〜
DU4と、前記第2第3のスイッチング素子SU2,S
U3の直列回路に逆極性で並列接続され且つ直列接続点
が前記中性点出力端子と接続される一対のクランプダイ
オ―ドDU5,DU6の直列回路から成り、前記第2第
3のスイッチング素子SU2,SU3の直列接続点を交
流端子とした中性点クランプ式変換器において、第1の
スイッチング素子SU1と、第4のスイッチング素子S
U4に設けられるスナバ回路は、図4に示す従来のもの
と同様であるためその説明はここでは省略し、第2,第
3のスイッチング素子に設けられるスナバ回路について
説明する。
バ回路は、第1第2のスイッチング素子SU1,SU2
の直列接続点にアノ―ドが接続されカソ―ドが第2のス
ナバコンデンサSCU2を介して中性点出力端子に接続
される第2のスナバダイオ―ドSDU2と、該第2のス
ナバダイオ―ドSDU2とスナバコンデンサSCU2の
直列接続点と前記直流正母線Pとの間に接続される第2
のスナバ抵抗SRU2で構成されている。
られるスナバ回路は、第3第4のスイッチング素子SU
3,SU4の直列接続点にカソ―ドが接続されアノ―ド
が第3のスナバコンデンサSCU3を介して中性点出力
端子0に接続される第3のスナバダイオ―ドSDU3
と、該第3のスナバダイオ―ドSDU3とスナバコンデ
ンサSCU3の直列接続点と直流負母線Nとの間に接続
される第3のスナバ抵抗SRU3で構成されている。
ンデンサSCU5の直列接続したスナバ回路が中性点出
力端子Oと第2、第3のスイッチング素子の接続点の間
に接続されている。
ランプ式電力変換器において、図2に示すようにスイッ
チング素子SU1がオフし、負荷電流が配線インダクタ
ンスl2 ,l1 ,クランプダイオ―ドDU5,スイッチ
ング素子SU2,負荷の経路で流れている状態でスイッ
チング素子SU2がオフすると、配線インダクタンスl
1 に流れていた電流は、クランプダイオ―ドDU5,ス
ナバダイオ―ドSDU2,スナバコンデンサSCU2,
配線インダクタンスl1 の経路で流れ、配線インダクタ
ンスl1 のエネルギはスナバコンデンサSCU2に蓄え
られる。
た電流は、スナバコンデンサSCU3,スナバダイオ―
ドSDU3,フリ―ホイ―リングダイオ―ドDU3,負
荷の経路で流れ、配線インダクタンスl2 のエネルギを
スナバコンデンサSCU3に蓄える。
スナバコンデンサSCU3に蓄えた後は負荷電流はフリ
―ホイ―リングダイオ―ドDU4,DU3を介して還流
することになる。
ギはスナバコンデンサSCU2,SCU3で吸収するの
でスイッチング素子SU2には過電圧は加わらない。配
線インダクタンスl1 のエネルギを吸収したスナバコン
デンサSCU2は、スナバ抵抗SRU2,直流電源Vd
1,スナバコンデンサSCU2の経路で放電し、直流電
源Vd1の電圧と等しくなった時点で放電を終了する。
分のみ放電することになる。そのため、従来のスナバ回
路のように、スナバコンデンサの電荷を全てスナバ抵抗
で消費してしまうものではないのでスナバ損失は非常に
少なくなる。
ギを吸収したスナバコンデンサSCU3のエネルギはス
ナバ抵抗SRU3を介して直流電源Vd2に放電し、ス
ナバコンデンサSCU3の電圧がVd2に等しくなった
時点で放電は終了する。このスナバコンデンサSCU3
も配線インダクタンスl2 のエネルギ分だけ放電するこ
とになる。そのため、従来のスナバ回路のように、スナ
バコンデンサの電荷を全てスナバ抵抗で消費してしまう
ものではないのでスナバ損失は非常に少なくなる。
サの作用について図2を用いて説明する。スナバコンデ
ンサSCU2には本来Vd1の電圧が、スナバコンデン
サSCU3にはVd2の電圧が充電されている。
を吸収する時にスナバダイオ―ドSDU2,SDU3が
同時にオンすると、スイッチング素子SU2にはVd1
+Vd2の電圧が印加されることになる。もともと配線
インダクタンスl1 は非常に少ない値なので、スナバダ
イオ―ドSD2がオフしている時間は非常に短時間では
あるがVd1+Vd2の電圧が印加されることに変りな
い。
ギを吸収しスナバダイオ―ドSDU2がオフする時間
(例えば200μs〜300μs)に配線インダクタン
スl2のエネルギは第5のスナバ抵抗、スナバコンデン
サを通して負荷に流しスナバコンデンサSCU5の電圧
はスイッチング素子SU2,SU3がオフする時には必
ず電圧が零に放電している(このことは中性点クランプ
式インバ―タの動作からも公知であるので省略する。)
つまり、スナバコンデンサSCU5とスナバ抵抗SRU
5の電圧降下の和がスナバコンデンサSCU3の電圧V
d2より少ない間に配線インダクタンスl1 のエネルギ
をスナバコンデンサSCU2が吸収しススナバダイオ―
ドSDU2をオフさせてしまえば良いことになる。その
後に比較的大きな配線インダクタンスl2 のエネルギを
スナバコンデンサSCU3で吸収すればよい。
スイッチング素子SU3,クランプダイオ―ドDU6,
配線インダクタンスl3 ,配線インダクタンスl2 の経
路で流れている状態で、スイッチング素子SU3がオフ
した場合の動作を説明する。
U3がオフすると、配線インダクタンスl3 に流れてい
た電流は、スナバコンデンサSCU3,スナバダイオ―
ドSDU3,クランプダイオ―ドDU6,配線インダク
タンスl3 の経路で流れ、配線インダクタンスl3 のエ
ネルギはスナバコンデンサSCU3に蓄えられる。
た電流は、負荷、フリ―ホイ―リングダイオ―ドDU
2,スナバダイオ―ドSDU2,スナバコンデンサSC
U2,配線インダクタンスl2 の経路で流れ、配線イン
ダクタンスl2 のエネルギをスナバコンデンサSCU2
に蓄える。
スナバコンデンサSCU2に蓄えられた後は、負荷電流
はフリ―ホイ―リングダイオ―ドDU2,DU1を介し
て還流する。
3 のエネルギはスナバコンデンサSCU2,SCU3で
吸収するのでスイッチング素子SU3には過電圧は加わ
らない。
したスナバコンデンサSCU2は、スナバ抵抗SRU
2,直流電源Vd1,スナバコンデンサSCU2の経路
で放電し、直流電源Vd1の電圧と等しくなった時点で
放電を終了する。
分のみ放電することになる。そのため、従来のスナバ回
路のように、スナバコンデンサの電荷を全てスナバ抵抗
で消費してしまうものではないのでスナバ損失は非常に
少なくなる。
ギを吸収したスナバコンデンサSCU3のエネルギはス
ナバ抵抗SRU3を介して直流電源Vd2に放電し、ス
ナバコンデンサSCU3の電圧がVd2に等しくなった
時点で放電は終了する。このスナバコンデンサSCU3
も配線インダクタンスl3 のエネルギ分だけ放電するこ
とになる。そのため、従来のスナバ回路のように、スナ
バコンデンサの電荷を全てスナバ抵抗で消費してしまう
ものではないのでスナバ損失は非常に少なくなる。この
場合もスナバ抵抗SRU5、スナバコンデンサSCU5
の動作は図2で示した時と全く同一の動作となるので詳
細な説明は省略する。
は、直流を交流に変換するインバ―タ或いは交流を直流
に変換するコンバ―タのいずれの変換器として使用出来
るものである。
のものに新に部品を追加することなく、単に接続を変更
するだけで、スナバ損失を大幅に低減できる中性点クラ
ンプ式電力変換器を提供することができる。
変換器の構成図。
子 SU2,SV2,SW2 …第2のスイッチング素
子 SU3,SV3,SW3 …第3のスイッチング素
子 SU4,SV4,SW4 …第4のスイッチング素
子 DU1,DV1,DW1 …第1のフリ―ホイ―リ
ングダイオ―ド DU2,DV2,DW2 …第2のフリ―ホイ―リ
ングダイオ―ド DU3,DV3,DW3 …第3のフリ―ホイ―リ
ングダイオ―ド DU4,DV4,DW4 …第4のフリ―ホイ―リ
ングダイオ―ド SCU1,SCV1,SCW1…第1のスナバコンデン
サ SCU2,SCV2,SCW2…第2のスナバコンデン
サ SCU3,SCV3,SCW3…第3のスナバコンデン
サ SCU4,SCV4,SCW4…第4のスナバコンデン
サ SCU5,SCV5,SCW5…第5のスナバコンデン
サ SDU1,SDV1,SDW1…第1のスナバダイオ―
ド SDU2,SDV2,SDW2…第2のスナバダイオ―
ド SDU3,SDV3,SDW3…第3のスナバダイオ―
ド SDU4,SDV4,SDW4…第4のスナバダイオ―
ド SRU1,SRV1,SRW1…第1のスナバ抵抗 SRU2,SRV2,SRW2…第2のスナバ抵抗 SRU3,SRV3,SRW3…第3のスナバ抵抗 SRU4,SRV4,SRW4…第4のスナバ抵抗 SRU5,SRV5,SRW5…第5のスナバ抵抗 DU5,DV5,DW5 …クランプダイオ―ド DU6,DV6,DW6 …クランプダイオ―ド
Claims (1)
- 【請求項1】 直流正負母線間に接続され中性点出
力端子を備えた直流電源と、前記直流正負母線間に直列
接続された第1乃至第4のスイッチング素子と、該スイ
ッチング素子にそれぞれ逆並列接続された第1乃至第4
のフリ―ホイ―リングダイオ―ドと、前記第2第3のス
イッチング素子の直列回路に逆極性で並列接続され且つ
直列接続点が前記中性点出力端子と接続される一対のク
ランプダイオ―ドの直列回路から成り、前記第2第3の
スイッチング素子の直列接続点を交流端子とした中性点
クランプ式変換器において、 前記第1のスイッチング素子に並列接続される第1のス
ナバコンデンサとスナバダイオ―ドの直列回路及び該直
列回路の直列接続点と前記中性点出力端子との間に接続
される第1のスナバ抵抗から成るスナバ回路と、 前記第1第2のスイッチング素子の直列接続点にアノ―
ドが接続されカソ―ドが第2のスナバコンデンサを介し
て前記中性点出力端子に接続される第2のスナバダイオ
―ドと、該第2のスナバダイオ―ドとスナバコンデンサ
の直列接続点と前記直流正母線間に接続される第2のス
ナバ抵抗から成るスナバ回路と、 前記第3第4のスイッチング素子の直列接続点にカソ―
ドが接続されアノ―ドが第3のスナバコンデンサを介し
て前記中性点出力端子に接続される第3のスナバダイオ
―ドと、該第3のスナバダイオ―ドとスナバコンデンサ
の直列接続点と前記直流負母線間に接続される第3のス
ナバ抵抗から成るスナバ回路と、 前記第4のスイッチング素子に並列接続される第4のス
ナバダイオ―ドとスナバダコンデンサの直列回路及び該
直列回路の直列接続点と前記中性点出力端子との間に接
続される第4のスナバ抵抗から成るスナバ回路と、前記
中性点出力端子と前記第2、第3のスイッチング素子の
接続点の間に第5のスナバ抵抗とスナバコンデンサを直
列接続したスナバ回路を具備した中性点クランプ式電力
変換器。
Priority Applications (1)
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JP32414894A JP3247263B2 (ja) | 1994-12-27 | 1994-12-27 | 中性点クランプ式電力変換器 |
Applications Claiming Priority (1)
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JP32414894A JP3247263B2 (ja) | 1994-12-27 | 1994-12-27 | 中性点クランプ式電力変換器 |
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JPH08182341A JPH08182341A (ja) | 1996-07-12 |
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JP3665934B2 (ja) * | 2001-08-03 | 2005-06-29 | 株式会社日立製作所 | 3レベルインバータ装置 |
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1994
- 1994-12-27 JP JP32414894A patent/JP3247263B2/ja not_active Expired - Fee Related
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