JP7417079B2 - クランプ回路 - Google Patents

Description

本発明はクランプ回路に関するものである。

ＤＣ－ＤＣコンバータ等の電源装置等では、スイッチング素子のスイッチング時や短絡事故時に生じるサージ電圧からスイッチング素子自身や他の回路素子を保護するために、クランプ回路が設けられている。

従来のクランプ回路として、例えば図５に示すように、第１の抵抗素子と、第２の抵抗素子及びコンデンサが並列に接続された並列回路部と、副スイッチング素子と、が互いに直列に接続された直列回路部を、主回路に設けられた主スイッチング素子に複数並列に設けたものが知られている。このクランプ回路は、主スイッチング素子の両端電圧が上昇して所定値以上になると、いずれか一方の副スイッチング素子をオンにしてサージ電圧を吸収し、主スイッチング素子の両端電圧が低下して所定値以下になると当該一方の副スイッチング素子をオフにする。その後、主スイッチング素子の両端電圧が上昇して再び所定値以上になると、他方の副スイッチング素子をオンにしてサージ電圧を吸収し、主スイッチング素子の両端電圧が低下して所定値以下になると当該他方の副スイッチング素子をオフにする。

特開２０２０－１０５３２号公報

しかしながら上記した従来のクランプ回路は、大電流が流れ込んだ際に吸収する電流量が一定であるため、副スイッチング素子の許容電圧を超えないようにすると、その動作領域が狭くなってしまうという問題がある。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、クランプ回路の動作領域を拡大することを主たる課題とするものである。

すなわち本発明に係るクランプ回路は、電源から負荷への電流の供給を制御する主スイッチング素子に並列接続され、当該主スイッチング素子のターンオフ時に生じるサージ電圧を吸収するためのクランプ回路であって、抵抗素子と副スイッチング素子とが直列接続された直列回路部が、複数互いに並列接続されており、前記複数の副スイッチング素子がオンである第１モードで動作した後、前記第１モードより少ない数の前記副スイッチング素子がオンである第２モードで動作するように構成されている。

このような構成であれば、主スイッチング素子に大電流が流れ込んだ際に、サージ電圧の吸収初期におけるクランプ回路の等価抵抗を小さくし、その後この等価抵抗を段階的に大きくすることにより、クランプ回路の動作領域を拡大することができる。すなわち大電流が流れ込んだ際に、まず等価抵抗が小さい第１モードを取ることにより、印加される電圧が副スイッチング素子の許容電圧を超えないようにしながらサージ電流を吸収する。そしてその後、第１モードよりも等価抵抗が大きい第２モードに切り替えることで、第１モードにおいて電流増加を抑制した電流を、例えば動的制御による限流が可能な範囲まで限流することができる。

前記クランプ回路は、前記主スイッチング素子に流れ込む電流が所定の閾値を超えた場合に、前記第１モードで動作するように構成されていることが好ましい。

前記クランプ回路は、前記複数の直列回路部がそれぞれ備える前記抵抗素子が、抵抗値が互いに異なるものであることが好ましい。
このようにすれば、各抵抗素子の抵抗値を同じにする場合に比べて、クランプ回路全体の等価抵抗の段階をより多く設定することができる。これにより、流れ込む電流量に合わせて、より最適な等価抵抗値を選択することができる。

前記クランプ回路は、前記第２モードにおいて、前記クランプ回路の等価抵抗が段階的に大きくなるように、前記複数の副スイッチング素子の各々のオン・オフを切り替えるように構成されていることが好ましい。
このようにすれば、第２モードにおけるクランプ回路の起動時の電流を最大のものとして、段階的に電流を減じることができる。これにより、クランプ回路の動作の高速化と動作の安定を両立できる。

前記クランプ回路は、前記第２モードで動作した後、少なくとも１つの前記副スイッチング素子のオン・オフが所定のデューティ比で切り替わる第３モードで動作するように構成されていることが好ましい。
このようにすれば、第２モードにおいて電流を十分に限流した後、副スイッチング素子をチョッパ動作させることにより、サージ電圧を動的に吸収することができる。

前記クランプ回路は、前記副スイッチング素子が半導体スイッチであることが好ましい。
このようなものであれば、機械式スイッチである場合に比べて、副スイッチング素子のスイッチング速度を高速にできるので、第１モードと第２モードとを高速で切り替えることができる。

このように構成した本発明によれば、クランプ回路の動作領域を拡大することができる。

本実施形態のクランプ回路の構成を示す模式図である。 同実施形態のクランプ回路のサージ電圧吸収動作を説明するタイミングチャートである。 同実施形態のクランプ回路の制御装置の回路ブロック図である。 他の実施形態のクランプ回路のサージ電圧吸収動作を説明するタイミングチャートである。 従来のクランプ回路の構成を示す模式図である。

以下に本発明に係るクランプ回路の一実施形態について、図面を参照して説明する。

本実施形態のクランプ回路１００は、図１に示すように、図示しない電力変換回路等の主回路に設けられた主スイッチング素子２００に並列接続されて、例えば主スイッチング素子２００のターンオフ時等に生じるサージ電圧から主スイッチング素子２００や周辺の回路素子を保護するためのものである。なお図示しない主回路には、コイル及び抵抗素子１１が直列接続されており、主スイッチング素子２００のターンオフ前には、主回路のコイル及び抵抗素子１１にはそれぞれ電流が流れている。

具体的にこのクランプ回路１００は、主スイッチング素子２００に並列接続され、抵抗素子１１と副スイッチング素子１２とが互いに直列接続された直列回路部１を備えている。抵抗素子１１は、サージ電流のエネルギーを消費するためのものである。副スイッチング素子１２は、抵抗素子１１に流れる電流のオン・オフを切り替えるものである。本実施形態の副スイッチング素子１２は、例えばＭＯＳＦＥＴ等の半導体スイッチである。

クランプ回路１００は、このような直列回路部１を複数備えており、各直列回路部１が備える抵抗素子１１は、互いに抵抗値が異なるように設定されている。ここでは、クランプ回路１００は、第１直列回路部１Ａと第２直列回路部１Ｂを備えており、第１直列回路部１Ａが備える第１抵抗素子１１Ａの抵抗値Ｒ_１が、第２直列回路部１Ｂが備える第２抵抗素子１１Ｂの抵抗値Ｒ_２よりも小さくなるように設定されている。

クランプ回路１００はまた、各副スイッチング素子１２Ａ、１２Ｂのオン・オフを制御するための制御装置（図示しない）を備えている。制御装置は、主スイッチング素子２００に流れ込む電流の電流値ｉ_Ｃを検出するとともに、この検出した電流値ｉ_Ｃに基づいて各副スイッチング素子１２Ａ、１２Ｂに制御信号を送信し、これらのオン・オフを切り替えるように構成されている。

しかして本実施形態のクランプ回路１００は、図２に示すように、制御装置が各副スイッチング素子１２Ａ、１２Ｂのオン・オフを切り替えることにより、複数のスイッチング素子１２がオンである第１モードと、第１モードよりも少ない数の副スイッチング素子１２がオンである第２モードとを取り得るように構成されている。そしてこのクランプ回路１００は、例えば主スイッチング素子２００のターンオフ時にサージ電圧が生じた場合に、クランプ回路１００の等価抵抗が段階的に大きくなるようにすべく、まず第１モードで動作し、その後第２モードに切り替わるように構成されている。

第１モードでは、複数の直列回路部１Ａ、１Ｂがそれぞれ備える副スイッチング素子１２Ａ、１２Ｂのうち、一部（少なくとも２つ）又は全部がオンになるようにしている。本実施形態の第１モードでは、複数の直列回路部１Ａ、１Ｂが備える各副スイッチング素子１２Ａ、１２Ｂの全てがオンになるようにしており、具体的には、第１副スイッチング素子１２Ａと第２副スイッチング素子１２Ｂの両方がオンになるようにしている。

第２モードでは、複数の直列回路部１Ａ、１Ｂがそれぞれ備える副スイッチング素子１２Ａ、１２Ｂのうち一部がオンになるようにし、クランプ回路１００の等価抵抗が第１モードにおける等価抵抗よりも大きくなるようにしている。本実施形態の第２モードでは、複数の副スイッチング素子１２Ａ、１２Ｂのうち、抵抗値が最も大きい抵抗素子１１に直列接続されている１つの副スイッチング素子１２をオンにするようにしている。具体的には、第２副スイッチング素子１２Ｂがオンになり、第１副スイッチング素子１２Ａがオフになるようにしている。

さらに本実施形態のクランプ回路１００は、図２に示すように、少なくとも１つの副スイッチング素子１２のオン・オフが所定のデューティ比で切り替わる（すなわちチョッパ動作させる）第３モードを更に取り得るように構成されており、第２モードで動作した後に第３モードで動作するように構成されている。

この第３モードでは、クランプ回路１００の等価抵抗が第２モードにおける等価抵抗よりも大きくなるように、チョッパ動作させる副スイッチング素子１２のデューティ比が設定されている。このデューティ比は、一定でもよいし、時間が経つにつれて小さくなるようにしてもよい。本実施形態の第３モードでは、複数の副スイッチング素子１２Ａ、１２Ｂのうち、抵抗値が最も小さい抵抗素子１１に直列接続されている１つの副スイッチング素子１２（具体的には第１副スイッチング素子１２Ａ）をチョッパ動作させるようにしている。

このような第１モード、第２モード及び第３モードをクランプ回路１００が取り得るように、制御装置は、主回路を流れる電流と予め設定された閾値とを比較し、その比較結果に基づいて、各副スイッチング素子１２Ａ、１２Ｂのオン・オフを制御するように構成されている。

具体的にこの制御装置は、図２に示すように、主回路を流れる電流の電流値ｉ_Ｃが上昇して所定の第１閾値ｉ_１を超えると、第１副スイッチング素子１２Ａ及び第２副スイッチング素子１２Ｂをオンにし、クランプ回路１００を第１モードにするように構成されている。この第１閾値ｉ_１は、クランプ対象（主スイッチング素子２００）の周波数応答、クランプ回路１００の周波数応答、クランプ対象（主スイッチング素子２００）の絶縁耐圧及びクランプ回路１００の絶縁耐圧に基づき設定されるものであり、クランプ動作中にクランプ対象（主スイッチング素子２００）に印加される電圧が絶縁耐圧を超えない値となるように設定されている。

第１モードにおいて制御装置は、主回路を流れる電流の電流値ｉ_Ｃがさらに上昇して、第１閾値ｉ_１より大きい所定の第２閾値ｉ_２に達すると、第１副スイッチング素子１２Ａをオフにし、クランプ回路１００を第２モードにするように構成されている。この第２閾値ｉ_２は、クランプ対象（主スイッチング素子２００）の絶縁耐圧を、第１モードにおけるクランプ回路１００の等価抵抗で除した値となるように設定されている。

そして、この第２モードにおいて制御装置は、主回路を流れる電流の電流値ｉ_Ｃが降下し、第２閾値ｉ_２よりも小さい所定の第３閾値に達すると、第２副スイッチング素子１２Ｂをオフにし、第１スイッチング素子をチョッパ動作させる第３モードにするように構成されている。この第３閾値ｉ_３は、クランプ対象（主スイッチング素子２００）の絶縁耐圧を、第１モードにおけるクランプ回路１００の等価抵抗で除した値であり、ここでは主スイッチング素子２００の絶縁耐圧を、第２副スイッチング素子に直列に接続されている抵抗素子１１Ｂの抵抗値で除した値となるように設定されている。

本実施形態の制御装置の回路ブロックを図３に示す。図３に示すように、第２副スイッチング素子１２Ｂによる電流吸収能力では対応しきれない大電流が主スイッチング素子２００に流れる場合、Ｓ２切替回路が第１副スイッチング素子１２Ａに対して動作指令を行い（第１モード及び第２モード）、Ｓ２切替回路からの動作指令が無くなった場合に、Ｓ１切替回路からの指令で第１副スイッチング素子１２Ａが駆動される（第３モード）。

＜本実施形態の効果＞
このように構成した本実施形態のクランプ回路１００によれば、主スイッチング素子２００に大電流が流れ込んだ際に、サージ電圧の吸収初期におけるクランプ回路１００の等価抵抗を小さくし、その後この等価抵抗を段階的に大きくしていくことにより、クランプ回路１００の動作領域を拡大することができる。すなわち、主スイッチング素子２００に大電流が流れ込んだ際に、まず等価抵抗が小さい第１モードを取ることにより、印加される電圧が各副スイッチング素子１２Ａ、１２Ｂの許容電圧を超えないようにしながら電流を吸収することができる。そしてその後、第１モードよりも等価抵抗が大きい第２モードに切り替えることで、第１モードにおいて電流増加を抑制した電流を、動的制御による限流が可能な範囲まで限流することができる。そして第３モードにおいて第１副スイッチング素子１２Ａをチョッパ動作させることにより、サージ電圧を動的に吸収することができる。

なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。

前記実施形態では、第２モードにおいてクランプ回路１００の等価抵抗が常に一定になるように構成されていたが、これに限らない。他の実施形態では、第２モードにおいて等価抵抗が段階的に大きくなるように複数の副スイッチング素子１２Ａ、１２Ｂのオン・オフを切り替えるように構成されてもよい。例えば図４に示すように、第１モードから第２モードに切り替わると、まず第１の副スイッチング素子１２Ａのみがオンになり、その後第２の副スイッチング素子１２Ｂのみがオンになるように構成されてもよい。

前記実施形態のクランプ回路１００は、互いに並列接続された２つの直列回路部１Ａ、１Ｂを備えるものであったが、これに限らない。他の実施形態のクランプ回路１００は、互いに並列接続された３つ以上の直列回路部１を備えるものであってもよい。この場合、クランプ回路１００は、第１モードにおいて等価抵抗が段階的に大きくなるように複数の副スイッチング素子１２Ａ、１２Ｂのオン・オフを切り替えるように構成されてもよい。

前記実施形態のクランプ回路１００は、第３モードにおいて第１副スイッチング素子１２Ａがチョッパ動作するよう構成されていたがこれに限らない。他の実施形態では、第３モードにおいて第２副スイッチング素子１２Ｂがチョッパ動作してもよく、第１副スイッチング素子１２Ａ及び第２副スイッチング素子１２Ｂの両方がチョッパ動作するようにしてもよい。

前記実施形態では、各直列回路部１Ａ、１Ｂが備える抵抗素子１１Ａ、１１Ｂは抵抗値が異なるものであったが、これに限らない。他の実施形態では、各直列回路部１Ａ、１Ｂが備える抵抗素子１１Ａ、１１Ｂは抵抗値が等しくてもよい。

その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

１００・・・クランプ回路
１ ・・・直列回路部
１１ ・・・抵抗素子
１２ ・・・副スイッチング素子
２００・・・主スイッチング素子

Claims (7)

1. 電源から負荷への電流の供給を制御する主スイッチング素子に並列接続され、当該主スイッチング素子のターンオフ時に生じるサージ電圧を吸収するためのクランプ回路であって、
   抵抗素子と副スイッチング素子とが直列接続された直列回路部が、複数互いに並列接続されており、
   前記複数の副スイッチング素子がオンである第１モードで動作した後、前記第１モードより少ない数の前記副スイッチング素子がオンである第２モードで動作し、
   前記主スイッチング素子に流れ込む電流が所定の閾値を超えた場合に、前記第１モードで動作するように構成されたクランプ回路。
2. 前記複数の直列回路部がそれぞれ備える前記抵抗素子が、抵抗値が互いに異なるものである請求項１に記載のクランプ回路。
3. 前記第２モードにおいて、前記クランプ回路の等価抵抗が段階的に大きくなるように、前記複数の副スイッチング素子の各々のオン・オフを切り替えるように構成された請求項２に記載のクランプ回路。
4. 前記第２モードで動作した後、少なくとも１つの前記副スイッチング素子のオン・オフが所定のデューティ比で切り替わる第３モードで動作するように構成された請求項１～３のいずれか一項に記載のクランプ回路。
5. 前記副スイッチング素子が半導体スイッチである請求項１～４のいずれか一項に記載のクランプ回路。
6. 電源から負荷への電流の供給を制御する主スイッチング素子に並列接続され、当該主スイッチング素子のターンオフ時に生じるサージ電圧を吸収するためのクランプ回路であって、
   抵抗素子と副スイッチング素子とが直列接続された直列回路部が、複数互いに並列接続されており、
   前記複数の副スイッチング素子がオンである第１モードで動作した後、前記第１モードより少ない数の前記副スイッチング素子がオンである第２モードで動作し、
   前記複数の直列回路部がそれぞれ備える前記抵抗素子が、抵抗値が互いに異なるものであり、
   前記第２モードにおいて、前記クランプ回路の等価抵抗が段階的に大きくなるように、前記複数の副スイッチング素子の各々のオン・オフを切り替えるように構成されたクランプ回路。
7. 電源から負荷への電流の供給を制御する主スイッチング素子に並列接続され、当該主スイッチング素子のターンオフ時に生じるサージ電圧を吸収するためのクランプ回路であって、
   抵抗素子と副スイッチング素子とが直列接続された直列回路部が、複数互いに並列接続されており、
   前記複数の副スイッチング素子がオンである第１モードで動作した後、前記第１モードより少ない数の前記副スイッチング素子がオンである第２モードで動作し、
   前記第２モードで動作した後、少なくとも１つの前記副スイッチング素子のオン・オフが所定のデューティ比で切り替わる第３モードで動作するように構成されたクランプ回路。