JP3634982B2 - スナバーエネルギーを回生する電流順逆両方向スイッチ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の解決しようとする課題】
この発明は、Ｐ−ＭＯＳＦＥＴや、逆導通ダイオードを並列接続したトランジスタ等の逆阻止能力を持たないが順方向制御が可能なオン抵抗の低い４素子を用いて、順逆両方向の電流をゲートの制御のみでオン・オフ可能なスイッチで、かつ遮断時の電流の持つ磁気エネルギーをスナバーコンデンサに蓄積し、次回オンするときに負荷側に放出することによってエネルギーのロスなく制御できるスイッチを提供しようとするものである。
【０００２】
【産業上の利用分野】
核融合装置のコイルもしくは超電導エネルギー蓄積コイルの電流を制御する場合、特に電流を減少させる場合、コイルに負の電圧を印加する必要がある。電流の磁気エネルギーを電源に回生する必要がある場合、整流器は逆電圧を発生して電流を減少させる。
【０００３】
さらに、核融合装置のコイル電流は直流と謂えども電流の極性を運転中に逆転する場合もある。産業分野の直流電力応用もしばしば電流の方向を逆転する場合がある。
【０００４】
サイリスタはこの目的で使用できる唯一の半導体の電力制御素子であり、それは電流に対して逆方向の電圧に対して耐電圧が十分ある逆阻止能力があるからである。しかし、半導体デバイスの動向は電圧型インバータへの適用が進み、ＩＧＢＴやＰ−ＭＯＳＦＥＴ、ＧＴＯサイリスタなど逆阻止能力を持たないデバイスが主流になっている。
【０００５】
【本発明の目指すもの】
逆阻止能力を持たない半導体デバイスの４つをブリッジ結合して、総合して両方向の電流の逆方向耐電圧を、すなわち電流の順逆、かつ電圧の順逆の４象限の制御を可能にするスイッチで電流遮断時のスナバーコンデンサの電力回生も可能な構成を提供しようとするものである。
【０００６】
【従来の技術】
サイリスタとダイオード以外逆電流阻止特性を持つものは市場に出ているものは少ない。例えば、コイル電流を大電流でオン、オフさせるためには、ＧＴＯサイリスタとダイオードを直列に接続して行っている。図１（ａ）参照。
【０００７】
さらに図１（ｂ）の回路は電流を遮断するに付随して発生するスナバーコンデンサのエネルギーを回生するために、このＧＴＯサイリスタとダイオードの直列回路を２回路並列にして、ただし他方はＧＴＯとダイオードの順序は逆にするがその中点にスナバーコンデンサを結合することによって遮断後電流がダイオードを介して、コンデンサを充電して、磁気エネルギーを吸収し電流が停止する。次にオンするときに充電されたコンデンサのエネルギーが負荷に放電する。この方式はＧＴＯに逆阻止能力を持たせるとともにスナバーエネルギーをロス無く回生する優れた方式であり、すでに直流送電用に開発が進められている。
【０００８】
【発明が解決しようとする手段】
近年、ゲート制御が簡単で、近年オン抵抗がダイオードの約半分程度のＰ−ＭＯＳＦＥＴの開発がすすみ電流容量が増大してきた。例えばこれを４つ用いて、それぞれ方向の異なる逆直列を、並列にブリッジ接続した４つのデバイスのゲート制御を行うことによって電流をどちらの方向にも流せるスイッチが２並列できる。図２参照。
【０００９】
図２に示すようにＰ−ＭＯＳＦＥＴ２個を直列にする方法は、ソースとソースどおしを接続した回路とドレンとドレンどおしを接続した回路が２つできる。ブリッジの中点どおしをスナバーコンデンサで結合する。
【００１０】
Ｐ−ＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードが自動的に働いて、ゲート制御により順方向電流がオフすることにより、遮断された回路の残留磁気エネルギーがスナバーコンデンサに蓄積され、次回オンするときにそのエネルギーが負荷側に回生される。
【作用】
【００１１】
図２の回路により順逆両方向の電流をオン・オフできる。
電流オフ時のスナバーエネルギーを中間に接続したコンデンサに蓄積させる。
電流遮断時のスナバーエネルギーを次回オンするときに負荷にそのエネルギーを放出する。スナバー回路に抵抗を使わずにスナバーエネルギーを負荷側に放電するので損失がない。
【実施例】
【００１２】
順方向にも逆方向にも電流オン・オフできるスイッチの説明をする。図２の回路を用いて説明する。まず、電流を上から下へ流す場合はＰ−ＭＯＳＦＥＴの２と３のゲートに信号を送り、２と３をオン状態にする。説明図３の（ａ）。
１と４へのゲートには電圧を印加しないが、その方向に流れる寄生ダイオードが自動的にオンする。説明の図３の（ｂ）。しかしＰ−ＭＯＳＦＥＴの、寄生ダイオードの性能が十分でない場合、電流を流さないように寄生ダイオードがオンする場合にも自動的に１と４のゲートに信号を送ることは、オン抵抗などを小さくすることもあるため望ましい。以下、ここではこれは省略して説明している。
逆にスイッチに電流を下から上に流す場合はＰ−ＭＯＳＦＥＴの１と４のゲートに信号を送り、１と４をオン状態にする。
このように、たすき掛けに導通状態にすることによりどちらの方向にも電流が流せる。
【００１３】
スイッチの電流を切る場合は、ゲート電圧を制御することにより順方向導通していたデバイスを非導通にすると、その電流はスナバーコンデンサに転流し、電流がゼロになるまでコンデンサは充電される。このエネルギーが電流遮断回路の磁気エネルギーである。コンデンサ電流がゼロになるところまで電圧が上昇し、ダイオードによりスイッチの電流は自動的に遮断され電流の遮断は完了する。
【００１４】
次回、スイッチをオンする場合、ゲートに制御電圧を印加するとコンデンサの電荷が導通したＰ−ＭＯＳＦＥＴを通して負荷側に放電し、コンデンサのエネルギーが主回路に回生される。
【００１５】
【発明の効果】
本発明の回路により、ゲートを制御するデバイスの選択のみで電流の順逆両方両方向のスイッチが可能になる。
【００１６】
しかも、回路に残留したインダクタンスによる磁気エネルギーがブリッジの中点を結ぶスナバーコンデンサに充電される形で遮断完了し、次回通電する際にスナバコンデンサのエネルギーを負荷に回生する事の出来るスナバー損失のないスイッチである。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のスナバーコンデンサ回生方式のＧＴＯとダイオードを直列にした電流スイッチの図である。
【図２】本発明の実施例。Ｐ−ＭＯＳＦＥＴの１、Ｐ−ＭＯＳＦＥＴの２、Ｐ−ＭＯＳＦＥＴの３、Ｐ−ＭＯＳＦＥＴの４を４つの逆直列逆並列にした回路図である。中点にスナバーコンデンサが結合されている。
【図３】電流をオン・オフするシーケンスを説明する１実施例の動作説明図である。
（ａ）電流通電開始、ゲートの信号を入れる。
（ｂ）通電状態、 ２並列で通電。
（ｃ）ゲート遮断 電流がコンデンサに流れ始める
（ｄ）スナバー動作 スナバーコンデンサに電流が流れ、コンデンサ電流がゼロになるところまで電圧が上昇し、遮断完了。
（ｅ）電流通電開始 充電されたスナバーコンデンサの放電
【符号の説明】
１： Ｐ−ＭＯＳＦＥＴ
２： ゲート
３： ＧＴＯサイリスタ
４： スナバーコンデンサ
５： 電流の流れるバス
６： ダイオード
７： 電流端子
Claims (1)
- Ｐ−ＭＯＳＦＥＴ、逆導通ダイオードを並列接続したトランジスタ等の逆阻止能力を持たない半導体デバイスの４素子をブリッジ接続し、電位の上下をスナバーエネルギー吸収用のコンデンサにより結合し、中点間を電流スイッチとした、電流遮断時のスナバーエネルギーを回生する電流順逆両方向スイッチであって、
前記ブリッジ接続された４個の逆阻止能力を持たない半導体デバイスのうち、対向する位置にあるペアの半導体デバイスのオン／オフ動作が同時に行われるように制御されることを特徴とするスナバーエネルギーを回生する電流順逆両方向スイッチ。
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