JP2006320094A

JP2006320094A - Snubber energy regeneration circuit

Info

Publication number: JP2006320094A
Application number: JP2005139295A
Authority: JP
Inventors: Makoto Tanitsu; 誠谷津
Original assignee: Fuji Electric Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2005-05-12
Filing date: 2005-05-12
Publication date: 2006-11-24

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide technologies for miniaturization and cost reduction of a device, with regard to a snubber energy regeneration circuit for regenerating to a DC power source the energy absorbed by a snubber circuit used for overvoltage protection of semiconductor switches that constitute a semiconductor power conversion device, specifically with regard to how to manufacture a control power source of the snubber energy regeneration circuit. <P>SOLUTION: In the snubber energy regeneration circuit for regenerating to a DC power source the energy absorbed by the capacitor for the snubber for suppressing an overvoltage to a semiconductor switch in a semiconductor power conversion device whose input or output is connected to the DC power source, a differential voltage between the voltage of the DC power source and a voltage charged in the capacitor for the snubber is used as the control or drive power source of the snubber energy regeneration circuit. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、半導体電力変換装置を構成する半導体スイッチの過電圧保護に用いるスナバ回路で吸収されたエネルギーを直流電源に回生するためのスナバエネルギー回生回路に関する。詳しくはスナバエネルギー回生回路の制御用電源の作り方に関し、装置の小形、低価格化のための技術に関する。 The present invention relates to a snubber energy regeneration circuit for regenerating energy absorbed by a snubber circuit used for overvoltage protection of a semiconductor switch constituting a semiconductor power converter to a DC power source. More specifically, the present invention relates to a method for making a power source for controlling a snubber energy regenerative circuit, and to a technology for reducing the size and cost of the device.

図４に従来の半導体変換装置の回路構成例を示す。図４の回路では、外部直流電源１０に直接P入力端子とN入力端子が接続され、このP入力端子とN入力端子の間に、電解コンデンサ１、スナバ回路２、半導体ブリッジ回路３が各々接続されている。半導体ブリッジ回路３はダイオード３３を逆並列接続したＩＧＢＴ３１とダイオード３４を逆並列接続したＩＧＢＴ３２との直列回路で、その直列接続点が半導体変換装置の出力端子となっている。実際の装置では、この直列回路が複数個並列接続されて、単相ブリッジ回路や三相ブリッジ回路を構成する場合が多い。
スナバ回路２はスナバ用コンデンサ２１とスナバ用ダイオード２２の直列回路で構成され、そのスナバ用コンデンサ２１の両端には、スナバエネルギー回生回路４が並列接続され、このスナバエネルギー回生回路４のもう一つの端子は、電解コンデンサ１のN極に接続されている。スナバエネルギー回生回路４は、直流チョッパ回路４０と、この直流チョッパ回路を動作させるために必要な駆動回路４３、制御回路４２、制御電源回路４１から構成されている。さらに直流チョッパ回路４０は、半導体スイッチ４４、ダイオード４５、リアクトル４６で構成されている。 FIG. 4 shows a circuit configuration example of a conventional semiconductor conversion device. In the circuit of FIG. 4, the P input terminal and the N input terminal are directly connected to the external DC power supply 10, and the electrolytic capacitor 1, the snubber circuit 2, and the semiconductor bridge circuit 3 are connected between the P input terminal and the N input terminal, respectively. Has been. The semiconductor bridge circuit 3 is a series circuit of an IGBT 31 having a diode 33 connected in antiparallel and an IGBT 32 having a diode 34 connected in antiparallel, and the series connection point is an output terminal of the semiconductor conversion device. In an actual apparatus, a plurality of series circuits are often connected in parallel to form a single-phase bridge circuit or a three-phase bridge circuit.
The snubber circuit 2 is composed of a series circuit of a snubber capacitor 21 and a snubber diode 22. A snubber energy regeneration circuit 4 is connected in parallel to both ends of the snubber capacitor 21, and another snubber energy regeneration circuit 4 is provided. The terminal is connected to the N pole of the electrolytic capacitor 1. The snubber energy regeneration circuit 4 includes a DC chopper circuit 40, a drive circuit 43, a control circuit 42, and a control power circuit 41 necessary for operating the DC chopper circuit. Further, the DC chopper circuit 40 includes a semiconductor switch 44, a diode 45, and a reactor 46.

このような回路構成において、半導体ブリッジ回路３のＩＧＢＴ３１と３２を交互にオンさせることで、出力端子には、P入力端子の電位とN入力端子の電位を交互に出力することが出来、様々な電力変換が可能となる。ここで、ＩＧＢＴ３１がオンの時は、出力端子には、P入力端子の電位が出力され、この出力端子に負荷が接続せれていれば、直流電源１０→Ｐ入力端子→ＩＧＢＴ３１→出力端子の経路で電流iが流れる事になる。この時、Ｐ入力端子とＩＧＢＴ３１との間の配線には物理的に配線インダクタンス５１が存在しているため、１／２（l・i²）で表されるエネルギーが配線インダクタンス５１に蓄えられている。ここで、lは配線インダクタンスの値、iは電流値である。
この状態からＩＧＢＴ３１をオフすると電流iは直流電源１０→Ｐ入力端子→配線インダクタンス５１→スナバ用コンデンサ２１→スナバ用ダイオード２２→ダイオード３４→出力端子の経路に転流し、配線インダクタンス５１のエネルギーは、スナバ用コンデンサ２１で吸収され、ＩＧＢＴ３１に印加される電圧は、スナバ用コンデンサ２１の電圧でクランプされ、スイッチオフによるサージ電圧から保護される。
このスナバ用コンデンサ２１で吸収されたエネルギーは、スナバエネルギー回生回路４の直流チョッパ回路４０により、直流電源１０と並列に接続されている電解コンデンサ１に回生される。この直流チョパ回路４０は、半導体スイッチ４４のオン・オフにより動作する。即ち、スイッチング素子４４がオンすると、スナバ用コンデンサ２１→配線インダクタンス５１→電解コンデンサ１→リアクトル４６半導体スイッチ４４→スナバ用コンデンサ２１の経路で電流が流れてリアクトル４６にエネルギーが蓄積され、スイッチング素子４４がオフすると、この電流はダイオード４５→配線インダクタンス５１→電解コンデンサ１の経路に転流し、リアクトル４６のエネルギーは電解コンデンサ１に吸収される。以上の動作により、スナバ用コンデンサに蓄積されたエネルギーは直流電源１０（＝電解コンデンサ１）に回生される。その動作に必要な電源は制御電源回路４１によりスナバ用コンデンサ２１の電圧から作りだしている。 In such a circuit configuration, by alternately turning on the IGBTs 31 and 32 of the semiconductor bridge circuit 3, the potential of the P input terminal and the potential of the N input terminal can be alternately output to the output terminal. Power conversion is possible. Here, when the IGBT 31 is on, the potential of the P input terminal is output to the output terminal, and if a load is connected to this output terminal, the path of the DC power supply 10 → P input terminal → IGBT 31 → output terminal The current i will flow. At this time, since the wiring inductance 51 physically exists in the wiring between the P input terminal and the IGBT 31, energy represented by 1/2 (l · i ² ) is stored in the wiring inductance 51. Yes. Here, l is a value of wiring inductance, and i is a current value.
When the IGBT 31 is turned off from this state, the current i is commutated to the path of the DC power source 10 → P input terminal → wiring inductance 51 → snubber capacitor 21 → snubbing diode 22 → diode 34 → output terminal. The voltage absorbed by the snubber capacitor 21 and applied to the IGBT 31 is clamped by the voltage of the snubber capacitor 21 and protected from a surge voltage due to switch-off.
The energy absorbed by the snubber capacitor 21 is regenerated to the electrolytic capacitor 1 connected in parallel with the DC power supply 10 by the DC chopper circuit 40 of the snubber energy regeneration circuit 4. The DC chopper circuit 40 operates by turning on and off the semiconductor switch 44. That is, when the switching element 44 is turned on, current flows through the path of the snubber capacitor 21 → the wiring inductance 51 → the electrolytic capacitor 1 → the reactor 46 semiconductor switch 44 → the snubber capacitor 21, and energy is accumulated in the reactor 46. Is turned off, this current is commutated in the path of the diode 45 → the wiring inductance 51 → the electrolytic capacitor 1, and the energy of the reactor 46 is absorbed by the electrolytic capacitor 1. With the above operation, the energy stored in the snubber capacitor is regenerated in the DC power supply 10 (= electrolytic capacitor 1). A power supply necessary for the operation is generated from the voltage of the snubber capacitor 21 by the control power supply circuit 41.

図５に他の従来例を示す。図４との相違点は、制御電源回路４１が電解コンデンサ１に並列接続され、スナバエネルギー回生回路４を動作させるための電源を電解コンデンサ１の電圧から作り出している点である。このように構成した場合は、制御電源回路４１の電位とスナバエネルギー回生回路４との電位が異電位となるため、制御電源回路４１の出力は絶縁した出力としている。スナバエネルギー回生の動作は図４の場合と同様である。
スナバエネルギー回生回路については、特許文献１に吸収したエネルギーを負荷に回生する方式が示されている。
特開２００３−１４３８６７ FIG. 5 shows another conventional example. The difference from FIG. 4 is that a control power supply circuit 41 is connected in parallel to the electrolytic capacitor 1 and a power source for operating the snubber energy regeneration circuit 4 is created from the voltage of the electrolytic capacitor 1. In such a configuration, since the potential of the control power supply circuit 41 and the potential of the snubber energy regeneration circuit 4 are different, the output of the control power supply circuit 41 is an insulated output. The operation of snubber energy regeneration is the same as in FIG.
As for the snubber energy regeneration circuit, Patent Document 1 discloses a method for regenerating energy absorbed in a load.
JP 2003-143867 A

従来技術においては、スナバエネルギー回生回路を動作させるために必要な電源をスナバ用コンデンサ２１や電解コンデンサ１などの高い電圧から直接作りだしているため、その制御電源回路４１への入力電圧が高くなっていた。例えば、一般的に市販されている可変速モーター駆動用インバータやＵＰＳなどの場合、直流電源部の電圧は、商用電源の３相２００Ｖを整流した電圧レベルであるため、ＤＣ３００Ｖ〜４００V程度が一般的である。しかし、必要となる制御電源電圧は、制御ｉｃの制約で１５Ｖ程度が一般的である。そのため、制御電源回路には３００Ｖ以上の電圧を１５Ｖ程度に変換する大きな変換比の能力が要求され、この制御電源回路が高価・大形化し、その低価格・小形化が課題になっていた。 In the prior art, the power supply necessary for operating the snubber energy regeneration circuit is directly created from a high voltage such as the snubber capacitor 21 or the electrolytic capacitor 1, so that the input voltage to the control power supply circuit 41 is high. It was. For example, in the case of a commercially available inverter for variable speed motors or UPS, the voltage of the DC power supply is generally a voltage level obtained by rectifying three-phase 200V of a commercial power supply, and therefore, DC300V to 400V is generally used. It is. However, the required control power supply voltage is generally about 15 V due to control ic restrictions. For this reason, the control power supply circuit is required to have a large conversion ratio capability for converting a voltage of 300 V or more to about 15 V. This control power supply circuit is expensive and large, and its cost and size are problematic.

前記課題を解決するため、直流電源にその入力または出力が接続された半導体電力変換装置において、半導体スイッチへの過電圧を抑制するためのスナバ用コンデンサで吸収されたエネルギーを、前記直流電源に回生するためのスナバエネルギー回生装置において、該スナバエネルギー回生装置の制御用あるいは駆動用電源として、前記直流電源の電圧と前記スナバ用コンデンサに充電された電圧の差電圧を用いる。 In order to solve the above-mentioned problem, in a semiconductor power conversion device having an input or output connected to a DC power supply, energy absorbed by a snubber capacitor for suppressing overvoltage to the semiconductor switch is regenerated to the DC power supply. In the snubber energy regenerative device, a difference voltage between the voltage of the DC power source and the voltage charged in the snubber capacitor is used as a power source for controlling or driving the snubber energy regenerator.

スナバエネルギー回生回路を駆動・制御するための制御電源に、電力変換装置の入力直流電源とスナバ用コンデンサの差電圧を利用することで、制御電源回路部に印加される電圧が低くなり、制御電源回路の電圧変換比が小さくなる。その結果、低耐圧の半導体素子の適用が可能となり、装置の小形、軽量、低価格化が可能となる。 By using the voltage difference between the input DC power supply of the power converter and the snubber capacitor as the control power supply for driving and controlling the snubber energy regenerative circuit, the voltage applied to the control power supply circuit section is reduced, and the control power supply The voltage conversion ratio of the circuit is reduced. As a result, it is possible to apply a low breakdown voltage semiconductor element, and it is possible to reduce the size, weight, and cost of the device.

図１に本発明を適用した半導体変換装置の回路構成例を示す。図１の回路では、外部直流電源１０に直接P入力端子とN入力端子が接続され、このP入力端子とN入力端子の間に、電解コンデンサ１、スナバ回路２、半導体ブリッジ回路３が各々接続されている。半導体ブリッジ３はダイオード３３を逆並列接続したＩＧＢＴ３１とダイオード３４を逆並列接続したＩＧＢＴ３２との直列回路で、その直列接続点が半導体変換装置の出力端子となっている。スナバ回路２はスナバ用コンデンサ２１とスナバ用ダイオード２２の直列回路で構成されている。
スナバエネルギー回生回路４は、リアクトル４６、ダイオード４５、半導体スイッチ４４から構成される直流チョッパ回路４０と、その半導体スイッチ４４を駆動・制御するための、駆動回路４３、制御回路４２、制御電源回路４１およびダイオード４７により構成されている。ここで、制御電源４１の入力は、スナバコンデンサ２１と電解コンデンサ１の直列回路の両端からダイオード４７を介して接続され、その出力が制御回路４２に接続されている。また、直流チョッパ回路４０は、スナバコンデンサ２１の両端と電解コンデンサ１の一端に接続されている。
このような回路構成において、直流チョッパ回路４０の半導体スイッチ４４がオンすると、スナバコンデンサ２１→電解コンデンサ１→リアクトル４６→半導体スイッチ４４→スナバ用コンデンサ２１の経路で電流が流れ、スナバ用コンデンサ２１で回収されていたスナバエネルギーが、リアクトル４６に移り、次に半導体スイッチ４４をオフすると、リアクトル４６の電流は、リアクトル４６→ダイオード４５→電解コンデンサ１の経路に転流し、リアクトル４６のエネルギーは、電解コンデンサ１に回生される。この動作により、スナバ用コンデンサ２１のスナバエネルギーは電解コンデンサ１に回生されることになる。 FIG. 1 shows a circuit configuration example of a semiconductor conversion device to which the present invention is applied. In the circuit of FIG. 1, a P input terminal and an N input terminal are directly connected to an external DC power supply 10, and an electrolytic capacitor 1, a snubber circuit 2, and a semiconductor bridge circuit 3 are connected between the P input terminal and the N input terminal, respectively. Has been. The semiconductor bridge 3 is a series circuit of an IGBT 31 in which a diode 33 is connected in antiparallel and an IGBT 32 in which a diode 34 is connected in antiparallel, and the series connection point is an output terminal of the semiconductor converter. The snubber circuit 2 includes a series circuit of a snubber capacitor 21 and a snubber diode 22.
The snubber energy regeneration circuit 4 includes a direct current chopper circuit 40 including a reactor 46, a diode 45, and a semiconductor switch 44, and a drive circuit 43, a control circuit 42, and a control power supply circuit 41 for driving and controlling the semiconductor switch 44. And a diode 47. Here, the input of the control power supply 41 is connected via a diode 47 from both ends of the series circuit of the snubber capacitor 21 and the electrolytic capacitor 1, and its output is connected to the control circuit 42. The DC chopper circuit 40 is connected to both ends of the snubber capacitor 21 and one end of the electrolytic capacitor 1.
In such a circuit configuration, when the semiconductor switch 44 of the DC chopper circuit 40 is turned on, a current flows through the path of the snubber capacitor 21 → the electrolytic capacitor 1 → the reactor 46 → the semiconductor switch 44 → the snubber capacitor 21. When the recovered snubber energy is transferred to the reactor 46 and then the semiconductor switch 44 is turned off, the current of the reactor 46 is commutated in the path of the reactor 46 → the diode 45 → the electrolytic capacitor 1, and the energy of the reactor 46 is changed to electrolysis. Regenerated by the capacitor 1. By this operation, the snubber energy of the snubber capacitor 21 is regenerated in the electrolytic capacitor 1.

ここで、制御電源回路４１の入力は、ダイオード４７を介して、スナバ用コンデンサ２１の一端と電解コンデンサ１の一端に接続され、電解コンデンサ１の電圧Vdcとスナバ用コンデンサ２１の電圧Vscの差電圧Vmが入力となる。この差電圧Vmは半導体スイッチ４４のオンデューティー比（ｄｕｔｙ）により制御可能で、その関係は、
Vsc×duty＝Vdc、Vm＝Vsc−Vdc よって、Vm＝Vdc×（（１／duty）−１）
となる。
そのため、例えば電解コンデンサ１の電圧Vdc＝４００Vのシステムでdutyを９５％に制御すれば、Vm＝２１V、Vsc＝４２１Vとなり、制御電源回路４１の入力電圧Vmを任意の低い電圧に制御する事が可能になる。
ここで、ダイオード４７は、配線インダクタンス５１、５２の影響でVmに印加される交流高周波成分を整流平滑する役割を担っている。 Here, the input of the control power supply circuit 41 is connected to one end of the snubber capacitor 21 and one end of the electrolytic capacitor 1 via the diode 47, and the difference voltage between the voltage Vdc of the electrolytic capacitor 1 and the voltage Vsc of the snubber capacitor 21. Vm is the input. This difference voltage Vm can be controlled by the on-duty ratio (duty) of the semiconductor switch 44.
Vsc × duty = Vdc, Vm = Vsc−Vdc Therefore, Vm = Vdc × ((1 / duty) -1)
It becomes.
Therefore, for example, if the duty is controlled to 95% in a system with the voltage Vdc = 400V of the electrolytic capacitor 1, Vm = 21V, Vsc = 421V, and the input voltage Vm of the control power supply circuit 41 can be controlled to an arbitrarily low voltage. It becomes possible.
Here, the diode 47 plays a role of rectifying and smoothing the AC high frequency component applied to Vm due to the influence of the wiring inductances 51 and 52.

一般的に制御回路４２で必要な電源電圧は、使用するＩＣ（集積回路）の制約で１５V程度が一般的であり、Vm＝２１Vから１５Vを作る制御電源回路４１は変換比が小さくなり、損失が少なく回路構成の単純化が容易となる。制御電源回路４１として単純化した実施例を図２、図３に示す。図２は抵抗４１１と４１２による分圧とツェナーダイオード４１３による定電圧回路の構成で、最も単純なシリーズレギュレータ回路である。図３は、トランジスタ４１６とツェナーダイオード４１３を使った一般的なシリーズレギュレータ回路である。図２、図３の何れの回路においても、変換比を小さくすることで、回路の小形、低損失、低価格化が可能となり、ひいてはスナバエネルギー回生回路４の小形・低損失・低価格化が可能となる。 In general, the power supply voltage required for the control circuit 42 is generally about 15V due to restrictions on the IC (integrated circuit) to be used, and the control power supply circuit 41 that generates 15V from Vm = 21V has a small conversion ratio and loss. Therefore, it is easy to simplify the circuit configuration. A simplified embodiment of the control power supply circuit 41 is shown in FIGS. FIG. 2 shows the simplest series regulator circuit having a voltage dividing structure using resistors 411 and 412 and a constant voltage circuit using a Zener diode 413. FIG. 3 shows a general series regulator circuit using a transistor 416 and a Zener diode 413. In any of the circuits of FIG. 2 and FIG. 3, by reducing the conversion ratio, it is possible to reduce the size of the circuit, reduce the loss, and reduce the price. It becomes possible.

本発明は、無停電電源装置（ＵＰＳ）、スイッチング電源、電動機駆動用インバータなど、スイッチングにより電力変換を行う電力変換装置において、スナバエネルギーを回生させる場合には殆ど適用可能である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is almost applicable in the case of regenerating snubber energy in a power conversion device that performs power conversion by switching, such as an uninterruptible power supply (UPS), a switching power supply, and an inverter for driving a motor.

本発明の第1の実施例を示す。1 shows a first embodiment of the present invention. 図1における電源回路部の第1の構成例を示す。1 shows a first configuration example of a power supply circuit unit in FIG. 図1における電源回路部の第２の構成例を示す。The 2nd structural example of the power supply circuit part in FIG. 1 is shown. 従来の第1の実施例を示す。A first conventional example is shown. 従来の第２の実施例を示す。A second conventional example will be described.

Explanation of symbols

１・・・電解コンデンサ２・・・スナバ回路
３・・・ブリッジ回路４・・・スナバエネルギー回生回路
１０・・・直流電源２１・・・スナバ用コンデンサ
２２・・・スナバ用ダイオード３１、３２・・・ＩＧＢＴ
３３、３４、４５、４７・・・ダイオード４０・・・チョッパ回路
４１・・・制御電源回路４２・・・制御回路４３・・・駆動回路
４４・・・半導体スイッチ４６・・・リアクトル
５１、５２・・・配線インダクタンス４１１、４１２、４１５・・・抵抗
４１３・・・定電圧ダイオード４１４・・・コンデンサ
４１６・・・トランジスタ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Electrolytic capacitor 2 ... Snubber circuit 3 ... Bridge circuit 4 ... Snubber energy regeneration circuit 10 ... DC power supply 21 ... Snubber capacitor 22 ... Snubber diode 31, 32 ..IGBT
33, 34, 45, 47 ... Diode 40 ... Chopper circuit 41 ... Control power supply circuit 42 ... Control circuit 43 ... Drive circuit 44 ... Semiconductor switch 46 ... Reactor 51, 52 ... Wiring inductance 411, 412, 415 ... Resistance 413 ... Constant voltage diode 414 ... Capacitor 416 ... Transistor

Claims

In a semiconductor power conversion device whose input or output is connected to a DC power supply, a snubber energy regeneration circuit for regenerating energy absorbed by the snubber capacitor for suppressing overvoltage to the semiconductor switch to the DC power supply. A snubber energy regeneration circuit using a difference voltage between a voltage of the DC power source and a voltage charged in the snubber capacitor as a power source for controlling or driving the snubber energy regeneration circuit.