專利名稱：電力變換裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電力變換裝置，尤其是備有沖擊電壓保護(hù)電路的電力變換裝置。
一般都知道，如利用功率半導(dǎo)體元件等開關(guān)元件將供給負(fù)載的電流切斷時(shí)，電源電壓與配線電感上蓄積的能量同時(shí)作為沖擊電壓施加在元件上。將施加在這類元件上的電壓抑制在元件的容許值以內(nèi)的電路裝置就是沖擊電壓保護(hù)電路。作為沖擊電壓保護(hù)電路的主要構(gòu)成元件一般備有作為能量吸收裝置的電容器、該電容器的放電電阻、以及向電容器充電時(shí)將放電電阻旁路的二極管，并已提出多種電路形式。
作為這種沖擊電壓保護(hù)電路的現(xiàn)有技術(shù)，例如，已知有特開昭57-106230號(hào)公報(bào)等所記載的技術(shù)。該現(xiàn)有技術(shù)的沖擊電壓保護(hù)電路的結(jié)構(gòu)，是將二極管和第1電容器的串聯(lián)電路與開關(guān)元件并聯(lián)連接，將電阻和上述二極管并聯(lián)同時(shí)與第2電容器并聯(lián)連接。
沖擊電壓保護(hù)電路內(nèi)的電容器的電容一般為固定值，但在理想情況下希望使電容器的電容隨著切斷電流的增加而增大。作為有關(guān)這類電容可變的沖擊電壓保護(hù)電路的現(xiàn)有技術(shù)，例如，已知有特開昭62-272862號(hào)公報(bào)等所記載的技術(shù)。采用該現(xiàn)有技術(shù)的沖擊電壓保護(hù)電路的結(jié)構(gòu)，是將第1二極管和第1電容器的串聯(lián)電路與開關(guān)元件并聯(lián)連接，將電阻與上述第1二極管并聯(lián)，同時(shí)將由第2電容器和一個(gè)開關(guān)器件組成的串聯(lián)電路與上述第1電容器并聯(lián)接，并將二極管與該開關(guān)器件并聯(lián)連接。
另外，作為與備有沖擊電壓保護(hù)電路的電力變換裝置有關(guān)的現(xiàn)有技術(shù)，例如，已知有特開平6-38506號(hào)公報(bào)等所記載的技術(shù)。該現(xiàn)有技術(shù)是將2個(gè)開關(guān)元件構(gòu)成電橋的變換器，其結(jié)構(gòu)是在各開關(guān)元件上設(shè)有緩沖電容器，同時(shí)與電橋并聯(lián)設(shè)置了嵌位用的緩沖電容器(以下，稱為嵌位電容器)。具有這種結(jié)構(gòu)的沖擊電壓保護(hù)電路，當(dāng)開關(guān)元件斷開時(shí)，電容小的各緩沖電容器先投入工作用來(lái)抑制加在開關(guān)元件上的過(guò)電壓，然后，由電容大的嵌位電容器吸收主電路配線上所蓄積的能量。
為提高沖擊電壓保護(hù)電路的過(guò)電壓抑制效果，一般是希望加大構(gòu)成電路的電容器的電容，但如加大電容器的電容，則電路的損耗將增加，并且，在負(fù)載電流小的情況下，將產(chǎn)生不能按照控制電路的指令控制負(fù)載電流的問(wèn)題。
就是說(shuō)，假定電容器電容為C、放電時(shí)的電壓變化為V，則沖擊電壓保護(hù)電路的損耗可表示為CV2/2，從而電容器的電容越大，電路損耗就越大。并且，當(dāng)負(fù)載電流小時(shí)，即使將開關(guān)元件關(guān)斷，對(duì)沖擊電壓保護(hù)電路的電容器充電的電流仍繼續(xù)流過(guò)負(fù)載，其結(jié)果是，不能按照指令控制負(fù)載電流。旨在解決這些問(wèn)題的沖擊電壓保護(hù)電路，最好采用在電流小時(shí)使沖擊電壓保護(hù)電路的電容器電容減小、在電流大時(shí)使電容器電容增大的結(jié)構(gòu)，使電容器的電容可變。
上述特開昭57-106230號(hào)公報(bào)所記載的沖擊電壓保護(hù)電路備有第1、第2電容器，在將開關(guān)元件斷開時(shí)，換向流入沖擊電壓保護(hù)電路的電流僅通過(guò)二極管流入第1電容器。第1電容器的充電一直持續(xù)到將主電路配線的電感所蓄積的電磁能量全部吸收為止，所以其充電電壓將達(dá)到電源電壓以上。在將配線的能量全部吸收后，第1電容器的充電電壓與電源電壓之差的電壓作為反向電壓加在二極管上，二極管反向恢復(fù)。第2電容器由施加在二極管上的反向電壓充電，抑制該反向電壓隨時(shí)間的變化dV/dt及其最大值。在由上述反向電壓充電結(jié)束之后，即通過(guò)并聯(lián)連接的電阻將電壓放電，當(dāng)開關(guān)元件再次斷開時(shí)，第2電容器的充電電壓變?yōu)榱恪?br> 如上所述，采用該現(xiàn)有技術(shù)的沖擊電壓保護(hù)電路雖然備有2個(gè)電容器，但在二極管反向恢復(fù)以前僅第1電容器投入工作抑制開關(guān)元件的過(guò)電壓，不具備電容可變的功能，所以要想解決上述問(wèn)題是不可能的。
另外，特開昭62-272862號(hào)公報(bào)所記載的沖擊電壓保護(hù)電路，當(dāng)切斷電流大時(shí)使上述開關(guān)器件接通、將第2電容器與第1電容器并聯(lián)，使合成電容增加到兩個(gè)電容器的電容之和從而實(shí)現(xiàn)電容可變。如采用該沖擊電壓保護(hù)電路，則能使開關(guān)器件隨電流的大小而接通、斷開，按大小選擇電容器的電容，可以降低沖擊電壓保護(hù)電路的損耗并改進(jìn)負(fù)載電流的控制性。
然而，采用該現(xiàn)有技術(shù)的沖擊電壓保護(hù)電路，作為開關(guān)器件必須使用有源元件，需要有其驅(qū)動(dòng)裝置、控制裝置、及電流檢測(cè)裝置，存在導(dǎo)致成本提高的問(wèn)題，并且，主電路的開關(guān)元件的切換及沖擊電壓保護(hù)電路的開關(guān)器件的切換動(dòng)作必須有準(zhǔn)確的定時(shí)，存在著為此所進(jìn)行的控制變得復(fù)雜的問(wèn)題。
為提高沖擊電壓保護(hù)電路對(duì)開關(guān)元件的過(guò)電壓抑制效果，通常是希望加大構(gòu)成沖擊電壓保護(hù)電路的緩沖電容器的電容。但是，當(dāng)加大了電容器的電容時(shí)，將產(chǎn)生電路損耗增加的問(wèn)題，如假定緩沖電容器的電容為C、放電時(shí)的電壓變化為V，沖擊電壓保護(hù)電路的損耗可表示為CV2/2，則緩沖電容器的電容越大，電路損耗就越大。
特開平6-38506號(hào)公報(bào)所記載的現(xiàn)有技術(shù)，將各緩沖電容器的電容設(shè)定得小，而將嵌位電容器的電容設(shè)定得大，通過(guò)使嵌位電容器所蓄存的能量在電源中再生而達(dá)到降低損耗的目的。但是，該沖擊電壓保護(hù)電路，對(duì)嵌位電容器的電荷供給主要是利用通過(guò)個(gè)別的緩沖電容器的電流進(jìn)行的。所以，當(dāng)個(gè)別的緩沖電容器的電容比嵌位電容器的電容小時(shí)，其電容越小流過(guò)嵌位電容器的電流越大，因而使個(gè)別的緩沖電容器的電壓發(fā)生波動(dòng)，將對(duì)個(gè)別的緩沖電容器形成應(yīng)力。而且，該波動(dòng)將導(dǎo)致電壓過(guò)沖，過(guò)沖的電壓作為過(guò)電壓施加在元件上，所以存在著對(duì)本來(lái)的目的即過(guò)電壓抑制造成不利影響的問(wèn)題。
另外，當(dāng)作為開關(guān)元件使用雙極性晶體管IGBT時(shí)，電流切斷時(shí)的電壓變化(dV/dt)越大，與蓄積載流子的排出有關(guān)的尾電流就越大，元件的開關(guān)損耗將增加。因此，也存在上述個(gè)別的緩沖電容器的電壓波動(dòng)對(duì)元件的開關(guān)損耗造成惡劣影響的問(wèn)題。
理想情況是，可使用具有能使電容器的電容隨電流或電壓的增大而加大的電容可變的緩沖電容器的沖擊電壓保護(hù)電路。在上述現(xiàn)有技術(shù)的沖擊電壓保護(hù)電路中，如使個(gè)別的緩沖電容器的電容隨電壓的增大而增加，則能夠抑制電壓的波動(dòng)。但是，要使電容器的電容可變，需新設(shè)置電流或電壓檢測(cè)裝置、用于切換多個(gè)電容器的開關(guān)裝置、以及對(duì)該開關(guān)裝置的通、斷進(jìn)行控制的裝置等，存在著導(dǎo)致成本增加的問(wèn)題。
本發(fā)明的目的在于，解決上述現(xiàn)有技術(shù)的問(wèn)題，并以低成本的簡(jiǎn)單電路裝置提供能使沖擊電壓保護(hù)電路的電容器電容可變、可減低損耗、且不影響負(fù)載電流的控制性的沖擊電壓保護(hù)電路反電力變換裝置。
本發(fā)明的另一目的在于解決上述現(xiàn)有技術(shù)的問(wèn)題，提供一種能利用低成本的簡(jiǎn)單電路裝置使沖擊電壓保護(hù)電路的電容器電容可變、對(duì)開關(guān)元件進(jìn)行電壓抑制并兼能降低沖擊電壓保護(hù)電路的損耗、同時(shí)還能抑制電壓波動(dòng)從而減輕加在開關(guān)元件及其他零件上的應(yīng)力的能穩(wěn)定工作的電力變換裝置。
本發(fā)明的目的通過(guò)以下方式達(dá)到，即，在控制從電源向負(fù)載供給的負(fù)載電流的流通和切斷的開關(guān)元件的沖擊電壓保護(hù)電路中，備有將第1二極管和第1電容器串聯(lián)連接后并聯(lián)連接在上述開關(guān)元件的輸入輸出端之間的電路裝置、及與上述第1二極管并聯(lián)連接的充電放電電路裝置，隨著上述開關(guān)元件的接通動(dòng)作，形成從上述第1電容器經(jīng)上述開關(guān)元件及上述充電放電電路裝置返回上述第1電容器的閉合回路，使電壓對(duì)上述充電放電電路裝置充電，利用上述充電放電電路裝置的充電電壓使上述第1二極管反向偏置，同時(shí)隨著上述開關(guān)元件的斷開動(dòng)作，使對(duì)上述充電放電電路裝置充電后的電壓放電。
作為更好的實(shí)施形態(tài)，將上述充電放電電路裝置同電阻和第2電容器串聯(lián)連接，并在上述電阻上并聯(lián)設(shè)置與上述第1二極管沿相同方向流過(guò)電流的第2二極管。
作為更為理想的的實(shí)施形態(tài)，將第2電容器的電容值設(shè)定得小于第1電容器的電容值。
本發(fā)明的目的還通過(guò)對(duì)構(gòu)成電力變換裝置的開關(guān)元件使用上述結(jié)構(gòu)的沖擊電壓保護(hù)電路以構(gòu)成電力變換裝置來(lái)達(dá)到。
在本發(fā)明的沖擊電壓保護(hù)電路中，假定第1電容器的電容為C1、充電放電電路具有的第2電容器的電容為C2。并且，本發(fā)明的沖擊電壓保護(hù)電路，隨著開關(guān)元件的接通動(dòng)作，形成從第1電容器經(jīng)開關(guān)元件及充電放電電路裝置返回第1電容器的閉合回路，因此，第1電容器所充的電荷向第2電容器移動(dòng)，使第2電容器充電。其結(jié)果是，第1電容器的充電電壓減少，反之，第2電容器的充電電壓升高，最終使第1、第2電容器的電壓相等。然而，第1、第2電容器的電壓的大小相等但極性相反，所以在開關(guān)元件的輸入輸出端之間相互抵消，開關(guān)元件的輸入輸出端之間的電壓變?yōu)榱恪?br> 上述的電荷移動(dòng)意味著靜電能量從第1電容器向第2電容器移動(dòng)，由在移動(dòng)路徑上存在的電阻(包括開關(guān)元件內(nèi)阻)產(chǎn)生的損耗變?yōu)镃oV2/2(其中，Co為將C1和C2串聯(lián)連接時(shí)的合成電容)。其結(jié)果是，例如，若電容C1、C2的電容相等并以C表示，則本發(fā)明的沖擊電壓保護(hù)電路的損耗與現(xiàn)有技術(shù)的沖擊電壓保護(hù)電路的損耗CV2/2相比，減小到一半。此外，第2電容器所充的電壓使與第1電容器串聯(lián)的第1二極管反向偏置，能起到使第1二極管作為開關(guān)而動(dòng)作的作用。
開關(guān)元件斷開時(shí)，因上述第1二極管被反向偏置，所以流過(guò)該元件的電流從第1電容器通過(guò)充電放電電路裝置內(nèi)的第2電容器流動(dòng)。這時(shí)，從開關(guān)元件輸入輸出端之間看到的合成電容器電容用上述Co表示。第1電容器由流過(guò)沖擊電壓保護(hù)電路的電流充電，反之，第2電容器所充的電荷被放電。而第1電容器的電壓增加部分與第2電容器所充電壓的減少部分之和加在開關(guān)元件的輸入輸出端之間。在第2電容器的充電電壓減小到零的時(shí)刻以后，上述第1二極管變?yōu)檎蚱玫臓顟B(tài)，電流從第1電容器通過(guò)第1二極管流動(dòng)。在此時(shí)刻之后，從開關(guān)元件輸入輸出端之間看到的合成電容器電容變?yōu)镃1。即，通過(guò)第1二極管的反向偏置、正向偏置達(dá)到使合成電容器電容可變的目的。
假定由于在開關(guān)元件斷開時(shí)施加在開關(guān)元件上的電壓使沖擊電壓保護(hù)電路被充電到電源電壓以上的電壓值為ΔV，則通常是沖擊電壓保護(hù)電路的電容器電容越大ΔV越小，但從另一方面來(lái)看， 由于開關(guān)元件接通時(shí)的放電將使沖擊電壓保護(hù)電路的損耗增加。在本發(fā)明的情況下，電壓ΔV由第1電容器的電容C1抑制，由于第1電容器C1的一部分能量被第2電容器吸收，所以沖擊電壓保護(hù)電路的損耗作為總體的損耗能減輕。
另外，當(dāng)將如上所述的沖擊電壓保護(hù)電路應(yīng)用于電力變換裝置時(shí)，能夠在減低沖擊電壓保護(hù)電路損耗的同時(shí)，改善負(fù)載電流的控制性。即，由于將第2電容器的電容C2設(shè)定得小于第1電容器的電容C1，故能使合成電容Co小于C1，因而能在負(fù)載電流微小的情況下使向沖擊電壓保護(hù)電路的電容器充電而持續(xù)流動(dòng)的電流與現(xiàn)有技術(shù)的情況相比，縮短持續(xù)時(shí)間，作為其結(jié)果是能改善負(fù)載電流的控制性。
本發(fā)明的另一目的通過(guò)以下方式達(dá)到，即，在備有串聯(lián)連接在主電源端間的第1、第2開關(guān)元件、通過(guò)根據(jù)控制裝置的指令對(duì)上述第2開關(guān)元件進(jìn)行控制、向設(shè)置在上述2個(gè)開關(guān)元件連接點(diǎn)處的負(fù)載供給電力的電力變換裝置中，備有將第1二極管和第1電容器串聯(lián)連接后連接在上述2個(gè)開關(guān)元件的各輸入輸出端子之間的電路裝置；與上述各第1二極管并聯(lián)、將電阻和第2電容器串聯(lián)、并在上述電阻上并聯(lián)設(shè)置與第1二極管沿相同方向流過(guò)電流的第2二極管的電路裝置、以及在第2電容器相互之間連接的嵌位用緩沖電容器。
作為更好的實(shí)施形態(tài)，將上述第2電容器的電容值設(shè)定得小于上述第1電容器的電容值。
作為更為理想的的實(shí)施形態(tài)，將上述嵌位用緩沖電容器的電容值設(shè)定得大于第1、第2電容器的電容值大。
在所構(gòu)成的備有上述裝置的電力變換裝置中，假定嵌位電容器為C5、相對(duì)于第1開關(guān)元件的第1、第2電容器為C1、C2、相對(duì)于第2開關(guān)元件的第1、第2電容器為C3、C4。假定當(dāng)?shù)?開關(guān)接通時(shí)，第2開關(guān)元件斷開，相反，當(dāng)?shù)?開關(guān)接通時(shí)，第1開關(guān)元件斷開。并且，相對(duì)于第1開關(guān)元件的第1、第2電容器C1、C2構(gòu)成第1電容可變電容器，相對(duì)于第2開關(guān)元件的第1、第2電容器C3、C4構(gòu)成第2電容可變電容器。
現(xiàn)在，假定是在第1開關(guān)接通、第2開關(guān)元件斷開的狀態(tài)。這時(shí)，與第1開關(guān)元件并聯(lián)設(shè)置的第1、第2電容器C1、C2以相等但極性相反的電壓充電。而相對(duì)于第2開關(guān)元件的第1、第2電容器C3、C4，其電容器C3以與電源電壓相等的電壓充電，電容器C4的電壓為零。嵌位電容器C5被充電到與電源電壓相等的電壓。
從上述狀態(tài)開始，如第1開關(guān)斷開后，還要持續(xù)流過(guò)由配線上所蓄積的能量產(chǎn)生的電流，所以該電流的一部分從第1二極管通過(guò)構(gòu)成第1電容可變電容器的C2、C1流向負(fù)載，使電壓對(duì)這兩個(gè)電容充電。但是，因C2的電流方向開始時(shí)與所充電壓的極性不同，所以開始時(shí)其所充的電壓被放電。而另一方面，C1則以極性與初始極性相同的電壓充電。上述電流的其余部分通過(guò)二極管、嵌位用緩沖電容器C5、構(gòu)成第2電容可變電容器的C4、C3流向負(fù)載，使C3的電壓放電。這時(shí)，與C3的電壓值減小相反，C4由流過(guò)的電流從開始時(shí)的零電壓充電到極性與C3相反的電壓。
在上述的動(dòng)作中，如C2的電壓減小到規(guī)定的值(零)，則與C1串聯(lián)的在這之前由于C2的電壓作用而處于反向偏置狀態(tài)的二極管變成導(dǎo)通狀態(tài)，第1可變電容器的電容從C1和C2的串聯(lián)合成電容變成C1的單獨(dú)電容。另一方面，以電壓對(duì)C4充電，與C3串聯(lián)的在這之前處于導(dǎo)通狀態(tài)的二極管被C4的電壓置于反向偏置狀態(tài)，第2可變電容器從等于C3的單獨(dú)電容變成C4與C3的串聯(lián)合成電容。
上述動(dòng)作的結(jié)果，是對(duì)C1充電到與C5相同的電壓值，C2的電壓變?yōu)榱恪２⑶?，?duì)C3和C4充電到電壓值相等而極性不同的電壓，合成的電壓相互抵消。
如上所述，本發(fā)明的電力變換裝置以構(gòu)成可變電容器的2個(gè)電容器中的一個(gè)電容器的單獨(dú)電容抑制開關(guān)元件的過(guò)電壓，并利用流過(guò)串聯(lián)合成電容的電流進(jìn)行放電動(dòng)作，所以能夠?qū)﹂_關(guān)元件進(jìn)行充分的過(guò)電壓抑制，而且，還能降低沖擊電壓保護(hù)的損耗。
例如，在上述情況中，假定C1和C2的電容比為4∶1，則可變電容器的電容表現(xiàn)出能從串聯(lián)合成電容的0.8×2到C1的單獨(dú)電容(4×C2)的5倍變化，利用C1的單獨(dú)電容能充分地抑制功率半導(dǎo)體元件的過(guò)電壓。而在放電時(shí)，通過(guò)C1和C2串聯(lián)流過(guò)的電流進(jìn)行放電動(dòng)作，所以可以作到使沖擊電壓保護(hù)的損耗只對(duì)應(yīng)于串聯(lián)合成電容。
在上述情況中，被控制為導(dǎo)通狀態(tài)及反向偏置狀態(tài)的二極管可更換為第1、第2開關(guān)裝置，也可根據(jù)C2、C4的電壓進(jìn)行控制，使該開關(guān)裝置進(jìn)行同樣的動(dòng)作。


圖1是本發(fā)明第1實(shí)施例的沖擊電壓保護(hù)電路的結(jié)構(gòu)圖。
圖2是說(shuō)明本發(fā)明第1實(shí)施例的動(dòng)作的波形圖。
圖3是本發(fā)明第1實(shí)施例中的電流路徑的說(shuō)明圖。
圖4是將本發(fā)明第1實(shí)施例的沖擊電壓保護(hù)電路的損耗和最大電壓與現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行比較的說(shuō)明圖。
圖5是本發(fā)明第2實(shí)施例的沖擊電壓保護(hù)電路的結(jié)構(gòu)圖。
圖6是本發(fā)明第4實(shí)施例的電力變換裝置的結(jié)構(gòu)例圖。
圖7A及圖7B是說(shuō)明本發(fā)明第4實(shí)施例的動(dòng)作用的電流路徑圖。
圖8是說(shuō)明本發(fā)明第4實(shí)施例的動(dòng)作的波形圖。
圖9是將本發(fā)明第4實(shí)施例中采用的沖擊電壓保護(hù)電路的損耗和最大電壓與現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行比較的說(shuō)明圖。
圖10是將本發(fā)明第4實(shí)施例的開關(guān)元件的斷開波形與現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行比較的說(shuō)明圖。
圖11是本發(fā)明第5實(shí)施例的電力變換裝置的結(jié)構(gòu)例圖。
圖12是本發(fā)明第3實(shí)施例的電力變換裝置的結(jié)構(gòu)例圖。
圖13是本發(fā)明第6實(shí)施例的電力變換裝置的結(jié)構(gòu)例圖。
圖14是本發(fā)明第7實(shí)施例的電力變換裝置結(jié)構(gòu)的說(shuō)明圖。
以下，根據(jù)附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的沖擊電壓保護(hù)電路的一實(shí)施例。
圖1是本發(fā)明第1實(shí)施例的沖擊電壓保護(hù)電路的結(jié)構(gòu)圖。圖2是說(shuō)明本發(fā)明第1實(shí)施例的動(dòng)作的波形圖。圖3是本發(fā)明第1實(shí)施例中的電流路徑的說(shuō)明圖。圖4是將本發(fā)明第1實(shí)施例的沖擊電壓保護(hù)電路的損耗和最大電壓與現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行比較的說(shuō)明圖。在圖1、圖3中，1是電源，2是負(fù)載，Q1是絕緣柵型雙極性晶體管(以下，稱為IGBT)，D7是二極管，Ds1、Ds2是第1、第2緩沖二極管，C1、C2是第1、第2緩沖電容器，R1是緩沖電阻，L1、L2是寄生電感。
在圖1中，作為開關(guān)元件的功率晶體管元件即IGBTQ1備有輸入電流的集電極端子、輸出電流的發(fā)射極端子、及施加控制電壓的柵極端子，通過(guò)在柵極端子上施加或去掉控制電壓使集電極、發(fā)射極間流過(guò)的電流通過(guò)或切斷。而且，IGBTQ1的發(fā)射極連接于負(fù)載2的一端，負(fù)載2的另一端通過(guò)具有寄生電感L1的配線與電源1的正極連接，而集電極通過(guò)具有寄生電感L2的配線與電源1的負(fù)極連接，用于控制對(duì)應(yīng)于負(fù)載2的電流。上述寄生電感L1、L2由配線的形態(tài)決定，配線的距離越短就越小。此外，二極管D7并聯(lián)連接在負(fù)載2的兩端，當(dāng)負(fù)載為電感性的時(shí)，使IGBTQ1斷開后的負(fù)載電流形成回流。
上述的電路被用作電力變換裝置主電路的1個(gè)橋臂，沖擊電壓保護(hù)電路通常設(shè)置在IGBTQ1的輸入輸出端子之間，即集電極、發(fā)射極之間。
本發(fā)明第1實(shí)施例的沖擊電壓保護(hù)電路的結(jié)構(gòu)，是在IGBTQ1的集電極、發(fā)射極之間連接電容為C1的第1緩沖電容器C1與第1緩沖二極管Ds1的串聯(lián)電路，并在第1緩沖二極管Ds1上并聯(lián)連接由電容為C2的第2緩沖電容器C2與第2緩沖二極管Ds2的串聯(lián)電路構(gòu)成的充電放電電路裝置。而且，將第2緩沖二極管Ds2連接成使其流過(guò)與第1緩沖二極管Ds1極性相同的電流，并將電阻R1并聯(lián)連接在第2緩沖二極管Ds2的陽(yáng)極、陰極之間。
下面，參照?qǐng)D2說(shuō)明在具有如上構(gòu)成的沖擊電壓保護(hù)電路的圖1所示電路中使IGBTQ1切換后的動(dòng)作。
在圖2中示出了施加在IGBTQ1的集電極與發(fā)射極之間的電壓Vce、集電極與發(fā)射極之間流過(guò)的電流Ice、電容器C1及C2的電壓Vc1的動(dòng)作波形。T(off)、T(on)分別表示IGBTQQ1斷開、接通的時(shí)刻。在該圖2所示的動(dòng)作波形中，E是電源1的電壓，Vm表示主電路配線的能量被沖擊電壓保護(hù)電路吸收后被過(guò)度充電到超過(guò)電源電壓E的電壓最大值。另外，在以下的說(shuō)明中，電容器C1及C2的電容假定被設(shè)定為C1＞C2的關(guān)系。
如后文所述，在IGBTQ1接通期間，第1、第2緩沖電容器C1、C2被充電到圖1所示極性的電壓，兩者的電壓相等，假定其值為Vo。但是，IGBTQ1的集電極和發(fā)射極端子之間的電壓因電容器C1和C2的的電壓相互抵消而變?yōu)榱恪?br> 現(xiàn)在，在時(shí)刻T(off)以前的IGBTQ1接通期間，如假定流過(guò)負(fù)載2的電流為IL，主電路配線的電感所蓄各積的電磁能量WL可用該電流IL表示，如式(1)所示。
WL＝(L1＋L2)IL2/2…(1)
在時(shí)刻T(off)以后的IGBTQ1斷開期間，上述主電路配線的電感所蓄積的電磁能量WL被沖擊電壓保護(hù)電路吸收，其電流換流到?jīng)_擊電壓保護(hù)電路。圖1中示出的虛線表示該電流的路徑。即，在IGBTQ1接通期間被充電的C2的電壓，對(duì)第2緩沖二極管Ds2的作用是正向偏置，但對(duì)第1緩沖二極管Ds1則是反向偏置。因此，第1緩沖二極管Ds1不能流過(guò)換流到?jīng)_擊電壓保護(hù)電路的電流。于是，流入沖擊電壓保護(hù)電路的電流從電容器C1經(jīng)電容器C2流過(guò)二極管Ds2后返回主電路，回到電源1的負(fù)極。
這時(shí)，從IGBTQ1的集電極、發(fā)射極端子之間看到的沖擊電壓保護(hù)電路的合成電容Co變成電容器C1和C2串聯(lián)連接后的電容，可用式(2)表示。
Co＝C1C2/(C1＋C2)…(2)例如，假定電容器C1和C2的電容比為4∶1，并假定C1＝4C2，則其合成電容為0.8C2，與只備有電容器C1的情況相比較，變?yōu)?/5的電容。流過(guò)電容器C1和C2的電流，對(duì)電容器C1來(lái)說(shuō)，充電電壓從T(off)以前的充電值Vo開始增加，相反，對(duì)C2來(lái)說(shuō)，充電電壓減小。由于電容器的電容為C1＞C2，所以流過(guò)同一電流時(shí)電容器C1的電壓增加部分和電容器C2的電壓減小部分，兩者的值是不同的，但施加在IGBTQ1的集電極、發(fā)射極之間的電壓是兩個(gè)電壓變化部分之和。
在圖2中，現(xiàn)假定電容器C2的充電電壓Vc2變到零的時(shí)刻為T1，在時(shí)刻T1以后，由電容器C2的充電電壓施加在二極管Ds1上的反向偏置電壓就不存在了，所以流過(guò)沖擊電壓保護(hù)電路的電流變?yōu)閳D1中的通過(guò)第1電容器C1及二極管Ds1的電流，只對(duì)電容器C1充電。
如上所述，本發(fā)明的沖擊電壓保護(hù)電路將二極管Ds1作為根據(jù)電容器C2的充電電壓使電流切斷或通過(guò)的開關(guān)使用。而且，與上述情況相同，如以電容器C1和C2的電容比為4∶1的情況為例，在時(shí)刻T1以后的緩沖電容增加到以前的5倍，因而可抑制IGBTQ1的集電極、發(fā)射極之間的電壓Vce的升高。如假定式1所示的能量完全被沖擊電壓保護(hù)電路吸收時(shí)的時(shí)刻為T2，則此時(shí)在IGBTQ1的集電極、發(fā)射極之間施加最大電壓Vm。Vm用式(3)表示，如將沖擊電壓保護(hù)電路電感忽略，則其大小取決于主電路配線的電感、電容器C1、及時(shí)刻T(off)以前的負(fù)載電流。Vm=E+(L1+L2)IL/C1-----...(3)]]>另外，因電容器C1的充電電壓等于Vm，所以在電容器C1中蓄積了由式(4)表示的能量W2。
W2＝C1Vm2/2…(4)被充電到電源電壓E以上的電容器C1的電壓Vm，通過(guò)從電容器C1經(jīng)二極管D7到電源1的正極、再?gòu)碾娫?的負(fù)極經(jīng)電阻R1、電容器C2返回電容器C1的路徑放電。在該放電動(dòng)作的開始時(shí)刻，引起在二極管Ds1上施加反向電壓使二極管Ds1反向恢復(fù)的現(xiàn)象，在二極管Ds1上施加了上述電壓差和配線的反電動(dòng)勢(shì)后的過(guò)大反向電壓，但電容器C2還兼有抑制該反向電壓的效果。為了提高對(duì)二極管Ds1的反向電壓的抑制效果，可以連接一個(gè)與二極管Ds2極性相反的二極管代替電阻R1。
通過(guò)上述電容器C1的放電，電容器C1的充電電壓從Vm減小到以式(5)表示的電壓V1。而在電容器C2上，則充電到圖1所示極性的電壓，其值為用式(6)表示的電壓V2。
V1＝(C1Vm＋C2E)/(C1＋C2)…(5)V2＝C1(Vm－E)/(C1＋C2) …(6)由上述放電產(chǎn)生的電流流過(guò)電阻R1，在電阻R1上產(chǎn)生焦耳損耗，但該損耗WRo由式(7)表示，而與電阻R1的值無(wú)關(guān)。電容器C1及C2具有的能量之和Wo可用式(8)表示。
WRo＝Co(Vm－E)2/2 …(7)Wo＝C1V12/2＋C2V22/2 …(8)接著，到達(dá)時(shí)刻T(on)，IGBTQ1接通，這時(shí)，電容器C1蓄積的電荷被放電。其放電路徑，如圖3中的虛線所示，是從電容器C1通過(guò)IGBTQ1、經(jīng)電阻R1及電容器C2返回C1的閉合回路。通過(guò)該放電，電容器C1上的充電電壓V1減小，相反，電容器C2由電容器C1供給電荷，其充電電壓從V2逐漸增加。最后，電容器C1和C2的電壓相等，變?yōu)橛墒?9)表示的電壓Vo。
充電到電壓Vo后的電容器C1及C2的能量之和為W1，W1可用式(10)表示。而在時(shí)刻T(on)以前的能量，即從式(8)的Wo減去上述W1后的值如式(11)所示，該差值正是因圖3示出的C1的放電電流流過(guò)電阻R1所造成的焦耳損耗。
Vo＝(C1V1＋C2V2)/(C1＋C2)…(9)W1＝(C1V1＋C2V2)2/2(C1＋C2) …(10)Wo－W1＝Co(V1－V2)2/2＝CoE2/2 …(11)以上，說(shuō)明了本發(fā)明的第1實(shí)施例，用式(1)～式(11)將其要點(diǎn)整理如下。
即，在本發(fā)明的第1實(shí)施例中，IGBTQ1接通時(shí)由沖擊電壓保護(hù)電路吸收的能量等于用式(4)表示的能量W2與用式(10)表示的能量W1之差。該差值等于式(1)所示的配線中的能量。而作為吸收上述配線中的能量的結(jié)果的最大電壓由式(3)表示。由在IGBTQ1的斷開和接通動(dòng)作中引起的電容器C1的放電產(chǎn)生的損耗可以表示為用式(7)和式(11)表示的能量之和。
將上述本發(fā)明第1實(shí)施例的沖擊電壓保護(hù)電路的損耗及最大電壓與現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行比較所得到的結(jié)果，示于圖4(a)、圖4(b)。在該圖中用作比較的現(xiàn)有技術(shù)的沖擊電壓保護(hù)電路采用將二極管與電容器串聯(lián)并在二極管上并聯(lián)設(shè)置電阻的一般電路。并且，將現(xiàn)有技術(shù)的沖擊電壓保護(hù)電路的電容器的電容設(shè)定為等于在本發(fā)明第1實(shí)施例中說(shuō)明過(guò)的電容器C1和C2串聯(lián)時(shí)的合成電容Co。
在了解最大電壓Vm時(shí)，從圖4(a)可以判明，現(xiàn)有技術(shù)的沖擊電壓保護(hù)電路具有將本發(fā)明實(shí)施例中式(3)中的C1用Co置換的形式，因前提是C1＞Co，所以現(xiàn)有技術(shù)的沖擊電壓保護(hù)電路的最大電壓Vm比本發(fā)明實(shí)施例的要大，兩者的差值與電流IL成比例。
在了解損耗時(shí)，從圖4(b)可以判明，本發(fā)明在接通時(shí)的損耗由式(1 1)表示，現(xiàn)有技術(shù)的沖擊電壓保護(hù)電路也具有相同的值。圖4(b)中與負(fù)載電流IL無(wú)關(guān)的損耗、即IL＝0時(shí)的損耗相當(dāng)于此時(shí)的損耗。另一方面，在IGBTQ1斷開期間本發(fā)明的沖擊電壓保護(hù)電路的損耗、即因電容器C1放電產(chǎn)生的損耗由式(7)表示，但現(xiàn)有技術(shù)與本發(fā)明在式(7)中的Vm的值不同。如在圖4(a)中所說(shuō)明的，現(xiàn)有技術(shù)的沖擊電壓保護(hù)電路的Vm值大于本發(fā)明的Vm。因此，在損耗WRo方面，也是現(xiàn)有技術(shù)的沖擊電壓保護(hù)電路的大，兩者的差值與負(fù)載電流IL的平方成正比。
如根據(jù)圖4所說(shuō)明的，上述的本發(fā)明第1實(shí)施例的沖擊電壓保護(hù)電路，與現(xiàn)有技術(shù)的沖擊電壓保護(hù)電路相比，前者的損耗低，同時(shí)能提高過(guò)電壓抑制效果。
上述的本發(fā)明第1實(shí)施例的沖擊電壓保護(hù)電路，為改變緩沖電容器的電容，使第1緩沖二極管Ds1隨著第2緩沖電容器C2的充電電壓的變化而斷開或接通，即，使第1緩沖二極管Ds1起開關(guān)的作用。
因此，為了獲得與圖1所示的本發(fā)明第1實(shí)施例相同的特性，也可用具有輸入輸出端及控制端的開關(guān)器件代替第1緩沖二極管Ds1，控制該開關(guān)器件使其隨著緩沖電容器C2的充電電壓的變化而斷開或接通。
圖5是本發(fā)明第2實(shí)施例的沖擊電壓保護(hù)電路的結(jié)構(gòu)圖。在圖5中，10是控制裝置、S1是開關(guān)器件，其他符號(hào)與圖1的情況相同。本發(fā)明的該第2實(shí)施例的沖擊電壓保護(hù)電路，用開關(guān)器件S1代替圖1所示沖擊電壓保護(hù)電路的緩沖二極管Ds1，利用控制裝置10根據(jù)電容器C2的充電電壓控制該開關(guān)器件S1。
即，圖5所示的本發(fā)明第2實(shí)施例的沖擊電壓保護(hù)電路，在根據(jù)圖1說(shuō)明過(guò)的本發(fā)明第1實(shí)施例中的二極管Ds1的位置上連接開關(guān)器件S1的輸入、輸出端，同時(shí)用控制裝置10檢測(cè)電容器C2的充電電壓，并將該電壓在規(guī)定值以下時(shí)使開關(guān)器件S1接通用的信號(hào)施加在開關(guān)器件S1的控制端上。并且，控制裝置10檢測(cè)電容器C2的充電電壓，當(dāng)該電壓的極性如圖5所示且在0V以下時(shí)使開關(guān)器件S1接通，相反，如電容器C2的充電電壓在0V以上則使開關(guān)器件S1斷開。
上述圖5所示的本發(fā)明第2實(shí)施例的特性與圖1所示的本發(fā)明第1實(shí)施例相同，根據(jù)電容器C2的電壓控制開關(guān)器件S1的斷開、接通，從而能等效地改變對(duì)應(yīng)于IGBTQ1的緩沖電容器的電容，這樣，按照本發(fā)明的第2實(shí)施例也能獲得與上述本發(fā)明第1實(shí)施例完全相同的效果。
上述本發(fā)明的第2實(shí)施例使用npn晶體管作為開關(guān)器件S1，但作為開關(guān)器件S1，只要是能夠滿足以下說(shuō)明的條件的開關(guān)器件，則不管是什么開關(guān)器件都可以使用。即(1)開關(guān)器件S1與并聯(lián)連接的二極管Ds2沿同一方向流過(guò)電流，(2)不能在與上述電流方向相反的方向流過(guò)電流，(3)當(dāng)開關(guān)器件S1斷開時(shí)在其輸出端(圖5中為發(fā)射極)上施加以輸入端(圖5中為集電極)為基準(zhǔn)電位的高電壓，它與加在通常的半導(dǎo)體元件上的電壓方向相反，因而應(yīng)能耐受該反向電壓。
如考慮以上3個(gè)條件，則開關(guān)器件S1就不能單獨(dú)使用象MOSFET那樣的在輸入輸出端間存在寄生二極管的器件。而由圖5所示的npn晶體管構(gòu)成的開關(guān)器件S1滿足條件(1)、(2)，但為滿足條件(3)則必須是基極、發(fā)射極之間的耐電壓性強(qiáng)的器件。
圖12是表示采用了上述實(shí)施例的沖擊電壓保護(hù)電路的本發(fā)明第3實(shí)施例的電力變換裝置的結(jié)構(gòu)框圖。在圖12中，3是沖擊電壓保護(hù)電路、4是驅(qū)動(dòng)電路、5是控制裝置、6是電流檢測(cè)器、7是交流電源、9是整流器、Q1～Q6是IGBT、D1～D6是二極管，Ds3、Ds4是第3、第4緩沖二極管、C3、C4是第3、第4緩沖電容器、R2是緩沖電阻。圖12所示的電力變換裝置的實(shí)施例，是以電機(jī)為負(fù)載2并作為該電機(jī)的控制裝置的變換裝置，從交流電源7接受電力供給，并施加來(lái)自將交流整流成直流的整流器9的被該換流器9內(nèi)所裝的電容器平滑后的直流電力。并且，變換裝置的結(jié)構(gòu)是以具有圖1所示的本發(fā)明第1實(shí)施例的沖擊電壓保護(hù)電路的電路作為上橋臂，并將其和下橋臂串聯(lián)連接后的電路作為U相～W相的每一相，將如此構(gòu)成的變換器分3相并聯(lián)設(shè)置。
U相的下橋臂結(jié)構(gòu)與根據(jù)圖1說(shuō)明過(guò)的本發(fā)明的第1實(shí)施例相同，上橋臂的結(jié)構(gòu)是在作為開關(guān)元件的IGBTQ2上連接二極管D2、及由第3、第4緩沖二極管Ds3、Ds4、第3、第4緩沖電容器C3、C4、緩沖電阻R2構(gòu)成的沖擊電壓保護(hù)電路。該沖擊電壓保護(hù)電路的動(dòng)作與根據(jù)圖1說(shuō)明過(guò)的相同。
V相、W相的變換器由上橋臂的IGBTQ4、Q6構(gòu)成的開關(guān)元件、下橋臂的IGBTQ3、Q5構(gòu)成的開關(guān)元件、連接在各IGBT上的二極管D3～D6、以及沖擊電壓保護(hù)電路3構(gòu)成，具有與U相相同的結(jié)構(gòu)。并從U相～W相的各相變換器的上橋臂和下橋臂連接點(diǎn)即輸出端將電力供給作為負(fù)載2的電機(jī)。
作為與變換裝置對(duì)應(yīng)的控制側(cè)的結(jié)構(gòu)，備有控制電路5及驅(qū)動(dòng)電路4，控制電路5根據(jù)所輸入的速度指令及來(lái)自檢測(cè)各相輸出電流的電流檢測(cè)器6的信號(hào)生成使各相的上橋臂及下橋臂的IGBT接通或斷開的信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電路4按照從控制電路5來(lái)的信號(hào)驅(qū)動(dòng)各IGBT的柵極，控制變換裝置，并控制作為負(fù)載2的電機(jī)。
上述的本發(fā)明實(shí)施例的電力變換裝置，由于在構(gòu)成各相的各橋臂的開關(guān)元件即IGBT上使用了根據(jù)圖1說(shuō)明過(guò)的本發(fā)明第1實(shí)施例的沖擊電壓保護(hù)電路，所以能夠?qū)崿F(xiàn)過(guò)電壓抑制及降低損耗，同時(shí)，可以獲得能夠改善在負(fù)載電流小的情況下的控制性的效果。
以下，說(shuō)明在負(fù)載電流小的情況下的控制性的改善。
通常，控制電機(jī)用的變換裝置輸出各相的相位相差120度的正弦波電流作為供給電機(jī)的電流。因此，各相都流過(guò)接近零的微小電流的期間在正弦波的一個(gè)周期內(nèi)至少發(fā)生2次。在這種情況下，式(1)所表示的配線中的電磁能量也接近于零，但在構(gòu)成橋臂的開關(guān)元件的IGBT上設(shè)置的沖擊電壓保護(hù)電路，最低限度也需要有將電路內(nèi)的電容器電壓充電到電源電壓用的電流。
因此，當(dāng)負(fù)載電流微小時(shí)，即使是在將開關(guān)元件即IGBT斷開的狀態(tài)下，用來(lái)對(duì)與該元件并聯(lián)設(shè)置的沖擊電壓保護(hù)電路的電容器充電的電流仍然持續(xù)流過(guò)負(fù)載，這樣就不能按控制指令控制負(fù)載電流。沖擊電壓保護(hù)電路內(nèi)所包含的電容器的電容越大，該電流持續(xù)流過(guò)的時(shí)間就越長(zhǎng)。另一方面，沖擊電壓保護(hù)電路的電容越大，對(duì)開關(guān)元件的過(guò)電壓的抑制效果越好，所以一般在沖擊電壓保護(hù)電路內(nèi)必須設(shè)置具有與切斷最大電流時(shí)對(duì)應(yīng)的足夠電容值的電容器。
本發(fā)明第1實(shí)施例的沖擊電壓保護(hù)電路，如已經(jīng)說(shuō)明過(guò)的，可利用C1的單獨(dú)電容抑制過(guò)電壓，用電容器C1和C2的串聯(lián)合成電容Co降低損耗。圖6所示的使用這種沖擊電壓保護(hù)電路的電力變換裝置，即使是在負(fù)載電流微小的情況下，也只是用對(duì)合成電容Co充電的電流就夠了，所以能使在控制電路的指令之后負(fù)載電流的持續(xù)流過(guò)的時(shí)間縮短。
在重視小負(fù)載電流控制特性的用途中使用的電力變換裝置，只須將圖12所示實(shí)施例中的電容器C2的電容設(shè)定得與電容器C1的電容相比足夠小即可。同樣，對(duì)電容器C4也要設(shè)定為比電容器C3足夠小的電容值。這樣構(gòu)成的電力變換裝置可以使從開關(guān)元件即IGBT的集電極、發(fā)射極之間看到的沖擊電壓保護(hù)電路的合成電容Co與C2的值大體上相等，并且，在發(fā)生過(guò)電流時(shí)，可以依靠電容器C1的作用達(dá)到充分的過(guò)電壓抑制效果。
上述的本發(fā)明實(shí)施例的電力變換裝置，是以使用圖1所示的沖擊電壓保護(hù)電路為例說(shuō)明的，當(dāng)然，也可以使用圖5所示的沖擊電壓保護(hù)電路構(gòu)成。
如采用如上所述的本發(fā)明的沖擊電壓保護(hù)電路，與現(xiàn)有技術(shù)的沖擊電壓保護(hù)電路相比較，在切斷同一電流時(shí)能減小施加在開關(guān)元件上的電壓，還能減低沖擊電壓保護(hù)電路的電容器放電時(shí)的損耗。如采用使用本發(fā)明的沖擊電壓保護(hù)電路的本發(fā)明的電力變換裝置，可防止在負(fù)載電流小的情況下對(duì)沖擊電壓保護(hù)電路的電容充電用的電流在控制電路的指令之后持續(xù)流過(guò)，能將其持續(xù)時(shí)間縮短而改善控制性。
圖6是本發(fā)明第4實(shí)施例的電力變換裝置的結(jié)構(gòu)例圖。圖7是說(shuō)明本發(fā)明第4實(shí)施例的動(dòng)作的電流路徑圖。圖8是說(shuō)明本發(fā)明第4實(shí)施例的動(dòng)作的波形圖。圖9是將本發(fā)明第4實(shí)施例中采用的沖擊電壓保護(hù)電路的損耗和最大電壓與現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行比較的說(shuō)明圖。圖10是將本發(fā)明第4實(shí)施例的開關(guān)元件的斷開波形與現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行比較的說(shuō)明圖。在圖6中，1是電源，2是負(fù)載，Q1、Q2是IGBT，D1、D2是二極管，Ds1～Ds4是緩沖二極管，C1～C42是緩沖電容器，R1、R2是緩沖電阻，L1、L2是寄生電感。
圖6示出的本發(fā)明的第4實(shí)施例，將由以功率半導(dǎo)體元件作為開關(guān)元件的IGBTQ2及二極管D2構(gòu)成的上橋臂和由IGBTQ1及二極管D1構(gòu)成的下橋臂連接成電橋。其主電路的結(jié)構(gòu)相當(dāng)于驅(qū)動(dòng)電機(jī)等負(fù)載2用的3相變換器的1相。
在圖6中，接成電橋的功率半導(dǎo)體元件即IGBTQ1、Q2備有輸入電流的集電極端子、輸出電流的發(fā)射極端子、及施加控制電壓的柵極端子，通過(guò)在柵極端子施加或去掉控制電壓使集電極、發(fā)射極間流過(guò)的電流通過(guò)或切斷，從而對(duì)負(fù)載2進(jìn)行控制。使用IGBTQ1從電源1向負(fù)載2供給電流的路徑為從電源1的正極經(jīng)具有寄生電感L1的配線通過(guò)圖中未示出的構(gòu)成其他相的電橋上臂的元件到負(fù)載2一側(cè)的端子，然后從負(fù)載2的另一側(cè)的端子到IGBTQ1與Q2的連接部位，再?gòu)腎GBTQ1的發(fā)射極通過(guò)具有寄生電感L2的配線回到電源1的負(fù)極。在上述情況中，寄生電感L1、L2的大小由配線的形態(tài)決定，配線的距離越短就越小。此外，當(dāng)負(fù)載2是象電機(jī)那樣的電感性負(fù)載時(shí)，IGBTQ1斷開后的負(fù)載電流經(jīng)二極管D2形成回流。
在由IGBTQ1、Q2構(gòu)成的電橋中，將緩沖二極管Ds4、嵌位電容器C5、及緩沖二極管Ds2串聯(lián)連接的沖擊電壓保護(hù)電路裝置并聯(lián)在電橋上。緩沖二極管Ds4、Ds2分別按照與IGBTQ1及Q2相同的極性使電流流過(guò)的方向連接。在緩沖二極管Ds4、Ds2上還分別并聯(lián)設(shè)置放電用的緩沖電阻R2和R1。
在IGBTQ1的集電極端子與嵌位電容器C5的低電位端子(C5與Ds2的連接部位)之間連接緩沖電容器C1和C2的串聯(lián)電路，同時(shí)在電容器C1和C2的連接部位與IGBTQ1的發(fā)射極端子之間設(shè)有起開關(guān)裝置作用的緩沖二極管Ds1。在IGBTQ1的發(fā)射極端子與嵌位電容器C5的高電位端(C5與Ds4的連接部位)之間連接緩沖電容器C4和C3的串聯(lián)電路，同時(shí)在電容器C1和C2的連接部位與IGBTQ1的集電極端子之間設(shè)有起開關(guān)裝置作用的緩沖二極管Ds3。
上述的緩沖電容器C1和C2的串聯(lián)電路及緩沖電容器C4和C3的串聯(lián)電路，利用起開關(guān)裝置作用的緩沖二極管Ds1、Ds3，具有可變電容器的功能。緩沖二極管Ds1、Ds3分別連接成使其按照與IGBTQ1、Q2相同的極性流過(guò)電流。除上述嵌位電容器C5以外的連接在IGBTQQ1、Q2的集電極、發(fā)射極之間的電路，分別用作對(duì)各IGBTQ1、Q2的單獨(dú)的沖擊電壓保護(hù)電路。
以下，說(shuō)明具有如上所述電路結(jié)構(gòu)的本發(fā)明第4實(shí)施例的動(dòng)作。
在以電流路徑表示出圖6所示實(shí)施例動(dòng)作的圖7A、圖7B中，圖7A示出了IGBTQ1斷開時(shí)的電流路徑，圖7B示出了IGBTQ1接通時(shí)的電流路徑。而在圖8中分別示出了圖6實(shí)施例中IGBTQ1斷開或接通時(shí)施加在IGBTQ1的集電極和發(fā)射極之間的電壓Vce、在IGBTQ1的集電極和發(fā)射極之間流過(guò)的電流Ice、電容器C1及C2的電壓Vc1、Vc2、及電容器C5的電壓波形。另外，圖中雖未示出，但在說(shuō)明時(shí)將電容器C3和C4的電壓分別用Vc3、vc4表示。
在圖8中，T(off)、T(on)分別表示IGBTQQ1斷開、接通的時(shí)刻。E是電源1的電壓，Vm表示施加在IGBTQ1上的電壓最大值。另外，在以下的說(shuō)明中，作為前提將電容器C1、C2的電容設(shè)定為C1＞C2，同樣，將電容器C3、C4的電容設(shè)定為C3＞C4。如后文所述，在IGBTQ1接通期間，對(duì)電容器C1和C2充電到圖6所示極性的電壓，兩者的電壓相等，假定其值為Vo。但是，IGBTQ1的集電極、發(fā)射極端子之間的電壓因電容器C1和C2的的電壓相互抵消而變?yōu)榱恪６@時(shí)電容器C3和C5被充電到等于電源電壓E的電壓，電容器C4為簡(jiǎn)單起見假定為零。
現(xiàn)在，在時(shí)刻T(off)以前的IGBTQ1接通期間，主電路配線的電感所蓄積的電磁能量WL可用流過(guò)負(fù)載2的電流IL表示，如式(12)所示。
WL＝(L1＋L2)IL2/2…(12)在時(shí)刻T(off)以后的IGBTQ1斷開期間，上述配線的電感蓄積的電磁能所產(chǎn)生的電流，在由沖擊電壓保護(hù)電路吸收之前，沿著用圖7A的虛線所示的路徑作為電流i1～i5流動(dòng)。即，首先，假定電流i1流過(guò)作為第1可變電容器的電容器C1和C2，在IGBTQ1接通期間被充電的電容器C2的電壓，對(duì)二極管Ds2的作用是正向偏置，但對(duì)二極管Ds1則是反向偏置。因此，在該時(shí)刻，二極管Ds1不能流過(guò)電流。于是，電流i1從電容器C1經(jīng)電容器C2流過(guò)二極管Ds2后返回主電路，沿回到電源1負(fù)極的路徑流動(dòng)。這時(shí)，從IGBTQ1的集電極、發(fā)射極端子之間看到的電容器的電容，變成電容器C1和C2串聯(lián)連接后的合成電容，可用式(13)表示。
Co＝C1C2/(C1＋C2)…(13)在式(13)中，例如，假定電容器C1和C2的電容比為4∶1，則式(13)的合成電容為0.8C2，與只有電容器C1的情況相比較，變?yōu)?/5的電容。使電流i1對(duì)電容器C1的充電電壓從T(off)以前的電壓值Vo開始增加，相反，使對(duì)電容器C2的充電電壓減小。如電容器的電容為C1＞C2，則流過(guò)相同電流時(shí)的電容器C1的電壓增加部分和電容器C2的電壓減小部分的值是不同的，但施加在IGBTQ1的集電極、發(fā)射極之間的電壓為(Vc1－Vc2)。
在上述電流i1開始流動(dòng)的同時(shí)，電流i3流過(guò)構(gòu)成第2可變電容器的電容器C3、C4。該電流的路徑如圖7A所示，因二極管Ds3和Ds4都阻止該電流，所以電流i3依次流過(guò)電容器C3、C4、C5，經(jīng)過(guò)二極管Ds2后沿返回電源1的負(fù)極的路徑流動(dòng)。電流i3使在IGBTQ1接通時(shí)電容器C3上所充的電壓放電，而在另一方面，對(duì)電容器C4充電到圖7A所示的與電容器C3極性不同的電壓，電容器C5也同時(shí)充電。
在流過(guò)電流i1的期間，從IGBTQ2的集電極、發(fā)射極端子之間看到的第2可變電容器的電容，變成電容器C4和C3串聯(lián)連接后的合成電容，可用將式(13)中的C1換成C3、C2換成C4后的式子表示。而且，因這兩個(gè)電容器的電壓值Vc3和Vc4的極性不同，所以施加在IGBTQ2的集電極、發(fā)射極之間的電壓為(Vc3－Vc4)，從該電壓變?yōu)樨?fù)值的時(shí)刻開始流過(guò)負(fù)載2的電流IL通過(guò)二極管D2回流。由于電容器C4和C3的電壓相互抵消，二極管Ds4變成正向偏置狀態(tài)，隨后，電流i4流動(dòng)并對(duì)C5進(jìn)行充電。所選擇的電容器C5應(yīng)使其電容為C5＞C1，以式(12)表示的能量的大部分由電容器C5吸收。
IGBTQ1斷開時(shí)流過(guò)如上所述的電流，如假定電容器C2的充電電壓變?yōu)榱愕臅r(shí)刻為T1，則在T1之后由電容器C2的電壓施加在二極管Ds1上的反向偏置就不存在了，流過(guò)構(gòu)成第1可變電容器的電容器C1、C2的電流切換其路徑，該電流從電流i1變成i2，只通過(guò)二極管Ds1對(duì)電容器C1充電。
如上所述，緩沖二極管Ds1起著隨電容器C2的充電電壓的變化而使電流切斷或通過(guò)的開關(guān)作用。因此，在時(shí)刻T1以后，電容器C1就作為單獨(dú)的電容工作。這時(shí)，例如電容器C1和C2的電容比為4∶1時(shí)，在時(shí)刻T1以后，第1可變電容器的電容就增加到其以前的5倍，因而能抑制電壓Vce的急劇上升。而且，從電流i2開始流過(guò)到式(1)所示能量被吸收為止的期間，電容器C1和C5相對(duì)于IGBTQ1是分別以并聯(lián)形式設(shè)置的。其結(jié)果是，電容器C1和C5的電壓相等，其最大電壓為以式(14)表示的Vm，IGBTQ1的最大電壓也等于式(14)的值。Vm≈E+(L1+L2)IL/(C1+C5)-----...(4)]]>由于施加在由電容器C3、C4構(gòu)成的第2可變電容器的電壓等于從電容器C5的電壓減去電容器C1的電壓后的值，所以第2可變電容器的電壓保持為零，因此電流i3停止流動(dòng)。
在上述情況中，是以電容器C1的電容大于電容器C2的電容為例說(shuō)明的，如假定電容器C1的電容小即C2＞C1，則即使第1可變電容器的電容從式(11)所示電容切換到僅為電容器C1的電容，其電容的變化小，過(guò)電壓抑制效果差。由于不能充分抑制電壓而使電容器C1的電壓增加到超過(guò)電容器C5的電壓，將引起所謂的電壓過(guò)沖。另一方面，相反地使第2可變電容器的電壓向負(fù)值下沖。想要消除這種過(guò)沖和下沖，可改變流過(guò)第1、第2可變電容器的電容器的極性，這將導(dǎo)致諧振現(xiàn)象。因此，為了達(dá)到本發(fā)明的抑制過(guò)電壓的目的，構(gòu)成圖6所示的結(jié)構(gòu)，以及構(gòu)成第1、第2可變電容器的各個(gè)電容器的電容必須設(shè)定為具有C1＞C2、C3＞C4的關(guān)系。
電容器C1的電壓，如圖8中的Vce所示，最終達(dá)到由式(14)表示的最大值Vm，因Vm大于電源電壓E，所以在其后的IGBTQ1斷開的穩(wěn)定狀態(tài)期間通過(guò)從電容器C1經(jīng)二極管D2到電源E的正極、再?gòu)碾娫吹呢?fù)極經(jīng)電阻R1、電容器C2返回電容器C1的路徑放電。
在該放電動(dòng)作的開始時(shí)刻，引起在二極管Ds1上施加反向電壓使二極管Ds1反向恢復(fù)的現(xiàn)象。在二極管Ds1上施加了上述電壓差加上配線中的反電動(dòng)勢(shì)后的過(guò)大反向電壓，但電容器C2還兼有抑制該反向電壓的效果。同時(shí)，在電容器C5上被充電過(guò)度的電壓，通過(guò)從電容器C5經(jīng)電阻R2到電源1的正極、再?gòu)碾娫?的負(fù)極經(jīng)電阻R1返回電容器C2的路徑放電。通過(guò)該放電，電容器C5的電壓Vc5，如式(15)所示， 隨時(shí)間而減小。
Vc5＝Vc1＝E＋(Vm－E)exp{t/(R1＋R2)C5}…(15)電容器C1的電壓在上述放電過(guò)程中也等于電容器C5的電壓Vc5，因放電而減少的電荷量ΔQ以C1(Vm－Vc5)表示。如考慮到該電荷量ΔQ除以電容器C2的電容后的值等于C2的充電電壓，則C2的電壓可用式(16)表示，并按圖7A所示的極性被充電到電壓Vc2。
Vc2＝C1(Vm－Vc1)/C2 …(16)
圖7B示出了IGBTQ1接通時(shí)的電流路徑。它是在以上說(shuō)明過(guò)的圖7A中，將電容器C1換成C3、C2換成C4、分別將電流i1換成i6、i2換成i7、i3換成i5，電流路徑的原理相同，這里只作簡(jiǎn)單說(shuō)明。
IGBTQ1如在時(shí)刻T(on)接通，則首先電流i6流過(guò)電容器C4和C3，在圖7A的斷開期間被充電的電容器C4的電壓對(duì)二極管Ds3起反向偏置作用。因此，電流i6通過(guò)從二極管Ds4經(jīng)電容器C4和C3流過(guò)IGBTQQ1到電源負(fù)極的路徑流動(dòng)。這時(shí)，由電容器C3、C4構(gòu)成的第2可變電容器的合成電容，可以用在式(2)中將電容C1和C2換成電容C3和C4后的形式表示。電流i6對(duì)電容器C3是使充電電壓增加，相反，對(duì)電容器C4則是使充電電壓減小。在IGBTQQ2的集電極、發(fā)射極之間施加電壓(Vc3－Vc4)。
在電流i6開始流動(dòng)的同時(shí)，電流i5流過(guò)由電容器C1、C2構(gòu)成的第1可變電容器。該電流i5從二極管Ds4依次流過(guò)電容器C5、C2、C1，經(jīng)IGBTQQ1后沿返回電源1負(fù)極的路徑流動(dòng)。電流i5使在IGBTQ1斷開時(shí)電容器C1上所充的電壓放電，對(duì)電容器C2充電到圖7B所示的與電容器C1極性不同的電壓，在流過(guò)電流i5的期間，第1可變電容器的合成電容，可用式(13)表示。而且，因構(gòu)成第1可變電容器電容器的電容器C1和C2的電壓Vc1和Vc2的極性不同，所以施加在IGBTQ1的集電極、發(fā)射極之間的電壓為(Vc1－Vc2)，Vc1與Vc2的電壓幾乎互相抵消。如設(shè)此時(shí)的電壓為Vo，則Vo可用式(17)表示。
Vo＝(C1Vc1＋C2Vc2)/(c1＋C2)…(17)在電容器C4的充電電壓Vc4變到零后，施加在二極管Ds3上的反向偏置就不存在了，流過(guò)由電容器C3、C4構(gòu)成第2可變電容器的電流從電流i6變成i7，電流i7通過(guò)二極管Ds3并只對(duì)電容器C3充電。另一方面，由于施加在由電容器C1、C2構(gòu)成的第1可變電容器上的電壓等于從電容器C5的電壓減去電容器C3的電壓后的值，所以第1可變電容器的電壓保持為零，因此電流i5停止流動(dòng)。
在上述說(shuō)明過(guò)的IGBTQQ1的斷開、接通動(dòng)作過(guò)程中，降低與可變電容器的充電放電有關(guān)的損耗，是本發(fā)明的重要目的，以下對(duì)這一點(diǎn)進(jìn)行說(shuō)明。
從電容器C1、C2的電壓分別以式(15)、式(16)表示的狀態(tài)變化到由式(17)所示的Vo為止的損耗假定為W，則損耗W可用式(18)表示。
W＝Co(Vc1－Vc2)2/2 …(18)將上述的本發(fā)明第4實(shí)施例中使用的沖擊電壓保護(hù)電路的損耗和最大電壓與現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行比較后所得到的結(jié)果示于圖9(a)、圖9(b)。圖9(a)是最大電壓Vm的比較圖，圖9(b)是損耗的比較圖。在該圖中用作比較的現(xiàn)有技術(shù)的沖擊電壓保護(hù)電路采用將二極管與電容器串聯(lián)并在二極管上并聯(lián)設(shè)置電阻的一般電路。并且，將現(xiàn)有技術(shù)的沖擊電壓保護(hù)電路的電容器的電容設(shè)定為等于在本發(fā)明第4實(shí)施例中說(shuō)明過(guò)的電容器C1和C2串聯(lián)時(shí)的合成電容Co。
在了解最大電壓Vm時(shí)，從圖9(a)可以判明，現(xiàn)有技術(shù)的沖擊電壓保護(hù)電路具有將本發(fā)明實(shí)施例中式(14)中的(C1＋C5)置換成Co的形式，因前提是C1＋C5＞Co，所以現(xiàn)有技術(shù)的沖擊電壓保護(hù)電路的最大電壓Vm比本發(fā)明實(shí)施例的要大，兩者的差值與電流IL成正比。
在了解損耗時(shí)，從圖9(b)可以判明，本發(fā)明在IGBTQ1接通時(shí)的損耗由式(18)表示，在現(xiàn)有技術(shù)的沖擊電壓保護(hù)電路情況下，具有將式(18)括弧內(nèi)的值用Vm置換后的形式。而且，現(xiàn)有技術(shù)的沖擊電壓保護(hù)電路的Vm值大于本發(fā)明的Vm。因此，在損耗W方面，也是現(xiàn)有技術(shù)的沖擊電壓保護(hù)電路的大，兩者的差值與負(fù)載電流IL的平方成正比。
如上所述，在本發(fā)明第4實(shí)施例中使用的沖擊電壓保護(hù)電路，與現(xiàn)有技術(shù)的沖擊電壓保護(hù)電路相比，前者的損耗低同時(shí)能提高過(guò)電壓抑制效果。
本發(fā)明第4實(shí)施例中使用的沖擊電壓保護(hù)電路，可以使沖擊電壓保護(hù)電路本身的損耗降低，同時(shí)還能獲得使功率半導(dǎo)體元件構(gòu)成的開關(guān)元件即實(shí)施例的IGRT的開關(guān)損耗降低的效果，以下對(duì)其進(jìn)行說(shuō)明。
在圖10中，示出了將本發(fā)明第4實(shí)施例的IGBTQ1斷開時(shí)的波形與現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行的比較。作為開關(guān)元件即功率半導(dǎo)體元件假定使用IGBT、雙極性晶體管、GTO(門極可關(guān)斷晶閘管)等雙極性型元件(借助于電子和空穴2種類型載流子流過(guò)電流的半導(dǎo)體元件)。這些元件的特征是切斷電流之后流過(guò)稱作尾電流的由于排出在元件內(nèi)部蓄積的多余載流子而引起的電流。
在圖10中，將該電流流過(guò)的時(shí)間作為拖尾時(shí)間示出。在拖尾時(shí)間內(nèi)發(fā)生電壓變化(dV/dt)時(shí)，該電壓變化越大尾電流越大，在涉及電力變換技術(shù)的領(lǐng)域這是眾所周知的。簡(jiǎn)單地說(shuō)，這種情況可以認(rèn)為因電壓決定著載流子(電荷)的流動(dòng)速度，所以電壓變化越大在短時(shí)間內(nèi)移動(dòng)的載流子越多，電流也就越大。
使用上述元件構(gòu)成如圖6所示的本發(fā)明的第4實(shí)施例，在電流被切斷期間(拖尾時(shí)間以前)，因可變電容器的電容小所以電壓變化大，但在其后的拖尾時(shí)間內(nèi)，如上所述利用電容器C1的單獨(dú)電容抑制電壓上升，可以將電壓的變化充分地減小。因此，如圖10所示，在本發(fā)明的實(shí)施例的情況下，可使尾電流減小，因而能減小因電壓及尾電流產(chǎn)生的損耗。總的說(shuō)來(lái)，備有沖擊電壓保護(hù)電路的電力變換裝置，因斷開時(shí)的約90％的損耗發(fā)生在拖尾期間，如本發(fā)明的實(shí)施例所示，尾電流減小對(duì)損耗的降低是有效的。因此，上述的本發(fā)明的實(shí)施例能夠取得可將沖擊電壓保護(hù)電路的損耗及拖尾期間的元件的損耗同時(shí)降低的效果。
與此相反，在現(xiàn)有技術(shù)的情況下，與IGBTQ1并聯(lián)設(shè)置的單獨(dú)的沖擊電壓保護(hù)電路若其電容器的電容小，則如圖10所示電壓將會(huì)發(fā)生波動(dòng)，在其影響下，尾電流增大，導(dǎo)致?lián)p耗增加。當(dāng)然，加大單獨(dú)的沖擊電壓保護(hù)電路的電容器的電容有可能抑制電壓的波動(dòng)，但在這種情況下，沖擊電壓保護(hù)電路的損耗將隨電容器的電容成比例地增大。
上述的本發(fā)明的第4實(shí)施例，為改變沖擊電壓保護(hù)電路的電容器電容，使二極管Ds1及Ds3隨著電容器C2及C4的充電電壓的變化而將電流接通或切斷，即，使二極管Ds1、Ds3起一種開關(guān)的作用。
因此，為了得到與圖6所示本發(fā)明第4實(shí)施例相同的特性，也可用具有輸入輸出端及控制的開關(guān)器件代替二極管Ds1、Ds3，根據(jù)電容器C2、C4的充電電壓控制該開關(guān)器件。
圖11是本發(fā)明第5實(shí)施例的結(jié)構(gòu)圖。在圖11中，10、11是控制裝置、S1、S2是開關(guān)器件，其他符號(hào)與圖6的情況相同。本發(fā)明的該第2實(shí)施例，用開關(guān)器件S1、S2代替圖6中的二極管Ds1、Ds3，利用控制裝置10、11根據(jù)電容器C2、C4的充電電壓控制這兩個(gè)開關(guān)器件S1、S2。
即，圖11所示的本發(fā)明第5實(shí)施例，在用圖6說(shuō)明過(guò)的本發(fā)明第4實(shí)施例中二極管Ds1的位置上連接開關(guān)器件S1的輸入、輸出端，同時(shí)用控制裝置10檢測(cè)電容器C2的充電電壓，并將該電壓在規(guī)定值以下時(shí)使開關(guān)器件S1接通用的信號(hào)施加在其控制端上。并且，同樣地，在二極管Ds3的位置上連接開關(guān)器件S2的輸入、輸出端，同時(shí)用控制裝置111檢測(cè)電容器C4的充電電壓，并將該電壓在規(guī)定值以下時(shí)使開關(guān)器件S2接通用的信號(hào)施加在其控制端上。
本發(fā)明的第5實(shí)施例使用npn晶體管作為開關(guān)器件S1、S2，但作為開關(guān)器件S1、S2，只要是能夠滿足以下說(shuō)明的條件的開關(guān)器件則不管是什么開關(guān)元件都可以使用。即(1)開關(guān)器件S1、S2與分別并聯(lián)的二極管Ds2、Ds3沿同一方向流過(guò)電流，(2)不能在與上述電流方向相反的方向流過(guò)電流，(3)當(dāng)開關(guān)器件S1、S2，當(dāng)分別斷開時(shí)在其輸出端(圖11中為S1、S2的發(fā)射極)上施加以輸入端(圖11中為S1、S2的集電極)為基準(zhǔn)電位的高電壓，它與加在通常的半導(dǎo)體元件上的電壓方向相反， 因而應(yīng)能耐受該反向電壓。
如考慮以上3個(gè)條件，則開關(guān)器件S1、S2就不能單獨(dú)使用象MOSFET那樣的在輸入輸出端之間存在寄生二極管的元件。而由圖11所示出npn晶體管構(gòu)成的開關(guān)器件S1、S2滿足條件(1)、(2)，但為滿足條件(3)則必須是基極、發(fā)射極之間的耐電壓性強(qiáng)的元件。
在圖11示出的本發(fā)明的第5實(shí)施例中，控制裝置10、11，分別檢測(cè)電容器C2、C4的充電電壓，并當(dāng)該電壓的極性如圖11所示且在0V以下時(shí)使開關(guān)器件S1、S2接通，相反，如上述電壓在0V以上則使開關(guān)器件S1斷開。
上述圖11所示的本發(fā)明第5實(shí)施例的特性與圖6所示的本發(fā)明第4實(shí)施例相同，根據(jù)電容器C2、C4的電壓控制開關(guān)器件S1、S2的斷開、接通，從而能等效地改變對(duì)應(yīng)于IGBTQ1、Q2的緩沖電容器的電容，這樣，按照本發(fā)明的第5實(shí)施例也能獲得與上述本發(fā)明第1實(shí)施例完全相同的效果。
圖13是本發(fā)明第6實(shí)施例的電力變換裝置的構(gòu)成例圖，是一個(gè)電機(jī)控制系統(tǒng)的構(gòu)成例。在圖13中，3是沖擊電壓保護(hù)電路、4是驅(qū)動(dòng)電路、5是控制裝置、6是電流檢測(cè)器、7是交流電源、9是整流器、Q3～Q6是IGBT、D3～D6是二極管、其他符號(hào)與上述的本發(fā)明第1實(shí)施例的情況完全相同。
圖13所示的本發(fā)明的第6實(shí)施例的電力變換裝置，是控制負(fù)載2即電機(jī)的變換裝置，從交流電源7接受電力供給，并施加經(jīng)過(guò)從交流整流成直流的整流器9內(nèi)所裝的電容器平滑后的直流電力。并且，變換裝置的結(jié)構(gòu)是將以圖6所示實(shí)施例作為U相～W相的每一相構(gòu)成的變換器分3相并聯(lián)設(shè)置。
U相的結(jié)構(gòu)與圖6相同，V相的結(jié)構(gòu)是由IGBTQ4及與其并聯(lián)的二極管D4構(gòu)成上橋臂，由IGBTQ3及與其并聯(lián)的二極管D3構(gòu)成下橋臂。同樣，W相的結(jié)構(gòu)是由IGBTQ6及與其并聯(lián)的二極管D6構(gòu)成上橋臂，由IGBTQ5及與其并聯(lián)的二極管D5構(gòu)成下橋臂。在U相中用虛線包圍的沖擊電壓保護(hù)電路3，是與圖6示出的上橋臂及下橋臂對(duì)應(yīng)的沖擊電壓保護(hù)電路的總體結(jié)構(gòu)，在V相和W相中備有結(jié)構(gòu)相同的沖擊電壓保護(hù)電路3。并且，從U、V、W各相變換器的上橋臂和下橋臂連接點(diǎn)即輸出端子將電力供給作為負(fù)載2的電機(jī)。
作為與變換裝置對(duì)應(yīng)的控制側(cè)的結(jié)構(gòu)，備有控制電路5及驅(qū)動(dòng)電路4，控制電路5根據(jù)所輸入的速度指令及來(lái)自檢測(cè)各相輸出電流的電流檢測(cè)器6的信號(hào)生成使各相的上橋臂及下橋臂的IGBT接通或斷開的信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電路4按照從控制電路5來(lái)的信號(hào)驅(qū)動(dòng)各IGBT的柵極以控制變換裝置，并控制作為負(fù)載2的電機(jī)。
上述本發(fā)明第6實(shí)施例的電力變換裝置，如上所述，借助于沖擊電壓保護(hù)電路的可變電容器的效果，能夠?qū)崿F(xiàn)過(guò)電壓抑制及降低損耗，同時(shí)，可以獲得能夠改善在負(fù)載電流小的情況下的控制性的效果，而且，因電壓的波動(dòng)被抑制，所以能使給電流檢測(cè)器6帶來(lái)惡劣影響的噪聲減小。
以下，對(duì)給電流檢測(cè)器6帶來(lái)惡劣影響的噪聲的減小進(jìn)行說(shuō)明。
即，在圖13中，在負(fù)載2即電機(jī)的繞組之間存在寄生電容，如U相～W相的各輸出電壓變化，則在寄生電容上流過(guò)高次諧波的漏電流，該漏電流可能給電流檢測(cè)器6帶來(lái)影響。在本發(fā)明的實(shí)施例的情況下，如用圖7說(shuō)明過(guò)的，由于能夠抑制IGBTQ1的電壓波動(dòng)(與U相的輸出電壓變化相等)，所以可以將上述的高次諧波漏電流減小。
圖13所示的本發(fā)明第6實(shí)施例的電力變換裝置，在使電機(jī)控制動(dòng)作的穩(wěn)定化上也是有效的。即，產(chǎn)生噪聲的原因，除了流過(guò)上述電機(jī)繞組間寄生電容的高次諧波漏電流之外，還有與對(duì)地之間的雜散電容有關(guān)的噪聲電流等各種原因，其多數(shù)都起因于急劇的電壓變化(dV/dt)，即使是在使用現(xiàn)有技術(shù)的沖擊電壓保護(hù)電路時(shí)電壓波動(dòng)、dV/dt增大的情況下，本發(fā)明實(shí)施例的電力變換裝置，由于能抑制電壓的波動(dòng)及dV/dt，所以能夠減低噪聲，使電機(jī)控制動(dòng)作穩(wěn)定化。
上述本發(fā)明第6實(shí)施例的電力變換裝置，是將以圖6所示實(shí)施例作為U相～W相的每一相構(gòu)成的變換器分3相并聯(lián)設(shè)置構(gòu)成，但也可使用圖11示出的實(shí)施例按同樣方式構(gòu)成，能獲得同樣的效果。
圖14是本發(fā)明第7實(shí)施例的電力變換裝置結(jié)構(gòu)的說(shuō)明圖。該實(shí)施例是改變用圖13說(shuō)明過(guò)的第6實(shí)施例的可變電容器的結(jié)構(gòu)的例子，圖14只選擇示出與圖13的沖擊電壓保護(hù)電路3的第1可變電容器有關(guān)的部分，其他所有的與IGBT有關(guān)的可變電容器都具有相同的結(jié)構(gòu)。
圖14示出的第7實(shí)施例在電容器C1與二極管Ds1之間備有開關(guān)器件S3，控制電路5根據(jù)由電流檢測(cè)器6對(duì)負(fù)載電流的檢測(cè)結(jié)果控制開關(guān)器件S3的通或斷。即，該實(shí)施例的特征是，當(dāng)電機(jī)的負(fù)載電流小于預(yù)先設(shè)定的值時(shí)，進(jìn)行控制使開關(guān)器件S3斷開。在開關(guān)器件S3斷開的狀態(tài)下，由電容器C1、C2構(gòu)成的第1可變電容器的合成電容，被固定在式(13)所表示的值，而與二極管Ds1的偏置狀態(tài)無(wú)關(guān)。而在開關(guān)器件S3接通狀態(tài)下，進(jìn)行在圖7的說(shuō)明中所描述的動(dòng)作。
驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)，供給電機(jī)的電流是各相的相位相差120度的正弦波電流。因如式(12)所表示的配線電磁能量與電流的平方成正比，所以當(dāng)電流小時(shí)，從降低損耗、縮短沖擊電壓保護(hù)電路的充電時(shí)間出發(fā)，希望在開關(guān)元件即IGBT能夠容許的范圍內(nèi)減小沖擊電壓保護(hù)電路的電容。
在用圖6說(shuō)明的實(shí)施例的情況下，可變電容器的電容從以式(2)表示的電容切換到電容器C1的單獨(dú)電容的條件是，用式(17)所表示的電容器C2的電壓為零。因式(17)依賴于式(14)，所以即使是在圖6示出的實(shí)施例的情況下，電容的切換也間接地與負(fù)載電流有關(guān)。使相對(duì)于負(fù)載電流的間接電容變化成為直接的關(guān)系，即為圖14示出的本發(fā)明的第7實(shí)施例。
在本發(fā)明的該第7實(shí)施例中，在開關(guān)器件S3被斷開的期間，使負(fù)載2的正弦波電流的各周期內(nèi)的電流小于預(yù)先設(shè)定值，但負(fù)載2的正弦波電流的峰值小于預(yù)先設(shè)定值時(shí)，開關(guān)器件S3總是處于被斷開的狀態(tài)。
如采用本發(fā)明的第7實(shí)施例，則電流小時(shí)為用式(13)表示的電容，電流大時(shí)為可變電容，可以增加與負(fù)載動(dòng)作狀況相對(duì)應(yīng)的變化并能靈活地適應(yīng)。
如采用以上所說(shuō)明的本發(fā)明，能減小對(duì)作為開關(guān)元件的功率半導(dǎo)體元件的過(guò)電壓，降低沖擊電壓保護(hù)電路的損耗及功率半導(dǎo)體元件的開關(guān)損耗。并且，能夠抑制電壓變化從而減小噪聲對(duì)作為負(fù)載的裝置的影響，使裝置的動(dòng)作穩(wěn)定。
權(quán)利要求
1.一種控制從電源向負(fù)載供給的負(fù)載電流的流通和切斷的開關(guān)元件的沖擊電壓保護(hù)電路，其特征在于具有連接在上述開關(guān)元件的輸入輸出之間的第1、第2電容器，當(dāng)上述開關(guān)元件接通時(shí)，將能量從上述第1電容器供給第2電容器，并使施加在上述開關(guān)元件上的兩個(gè)電容器的充電電壓相互抵消，當(dāng)上述開關(guān)元件斷開時(shí)，如果上述開關(guān)元件的電壓在規(guī)定值以下，則利用兩個(gè)電容器的串聯(lián)合成電容抑制施加在開關(guān)元件上的電壓、如果上述開關(guān)元件的電壓在規(guī)定值以上，則以第1電容器的單獨(dú)電容抑制施加在開關(guān)元件上的電壓。
2.一種控制從電源向負(fù)載供給的負(fù)載電流的流通和切斷的開關(guān)元件的沖擊電壓保護(hù)電路，其特征在于備有將第1二極管和第1電容器串聯(lián)連接后并聯(lián)連接在上述開關(guān)元件的輸入輸出端之間的電路裝置、及與上述第1二極管并聯(lián)連接的充電放電電路裝置，隨著上述開關(guān)元件的接通動(dòng)作，形成從上述第1電容器經(jīng)上述開關(guān)元件及上述充電放電電路裝置返回上述第1電容器的閉合回路，使電壓對(duì)上述充電放電電路裝置充電，利用上述充電放電電路裝置的充電電壓使上述第1二極管反向偏置，同時(shí)隨著上述開關(guān)元件的斷開動(dòng)作，使對(duì)上述充電放電電路裝置充電后的電壓放電。
3.一種控制從電源向負(fù)載供給的負(fù)載電流的流通和切斷的開關(guān)元件的沖擊電壓保護(hù)電路，其特征在于備有將開關(guān)裝置和第1電容器串聯(lián)連接后并聯(lián)連接在上述開關(guān)元件的輸入輸出端之間的電路裝置、及與上述開關(guān)裝置并聯(lián)連接的充電放電電路裝置，隨著上述開關(guān)元件的接通動(dòng)作，形成從上述第1電容器經(jīng)上述開關(guān)元件及上述充電放電電路裝置返回上述第1電容器的閉合回路，使電壓對(duì)上述充電放電電路裝置充電，利用上述充電放電電路裝置的充電后的電壓使上述開關(guān)裝置斷開，同時(shí)隨著上述開關(guān)元件的斷開動(dòng)作，使上述對(duì)充電放電電路裝置的充電后的電壓放電、減小，使上述開關(guān)裝置隨該電壓的放電而接通。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的沖擊電壓保護(hù)電路，其特征在于上述充電放電電路裝置將至少一個(gè)電阻和第2電容器串聯(lián)連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的沖擊電壓保護(hù)電路，其特征在于上述充電放電電路裝置將電阻和第2電容器串聯(lián)連接，并在上述電阻上并聯(lián)設(shè)置與上述第1二極管沿相同方向流過(guò)電流的第2二極管。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的沖擊電壓保護(hù)電路，其特征在于上述充電放電電路裝置將電阻和第2電容器串聯(lián)連接，并在上述電阻上并聯(lián)設(shè)置與上述開關(guān)裝置沿相同方向流過(guò)電流的第2二極管。
7.根據(jù)權(quán)利要求4、5或6所述的沖擊電壓保護(hù)電路，其特征在于將上述第2電容器的電容值設(shè)定得小于上述第1電容器的電容值。
8.一種電力變換裝置，備有根據(jù)控制裝置的指令使從電源向負(fù)載供給的負(fù)載電流的流通和切斷的開關(guān)元件，并在該開關(guān)元件上并聯(lián)設(shè)置沖擊電壓保護(hù)電路裝置，該電力變換裝置的特征在于作為沖擊電壓保護(hù)電路，使用根據(jù)權(quán)利要求1至3中任何一項(xiàng)所述的沖擊電壓保護(hù)電路。
9.一種電力變換裝置，備有串聯(lián)連接在主電源的端子之間的第1、第2開關(guān)元件，通過(guò)按照控制裝置的指令控制上述第2開關(guān)元件，從上述第2開關(guān)元件的連接點(diǎn)向負(fù)載供給電力，該電力變換裝置的特征在于它具有連接在上述2個(gè)開關(guān)元件的各輸入輸出端之間的第1、第2電容器，同時(shí)具有連接在對(duì)應(yīng)于上述各開關(guān)元件的第2電容器相互之間的嵌位用緩沖電容器，當(dāng)上述開關(guān)元件接通時(shí)，將能量從與該元件對(duì)應(yīng)的上述第1電容器供給第2電容器，并使施加在上述開關(guān)元件上的兩個(gè)電容器的充電電壓相互抵消，而當(dāng)上述開關(guān)元件斷開時(shí)，如果該元件的電壓在規(guī)定值以下，則利用與該元件對(duì)應(yīng)的第1、第2兩個(gè)電容器的串聯(lián)合成電容抑制施加在開關(guān)元件上的電壓、如果元件的電壓在規(guī)定值以上則以與該元件對(duì)應(yīng)的第1電容器的單獨(dú)電容抑制施加在開關(guān)元件上的電壓。
10.一種電力變換裝置，備有在主電源的端子之間串聯(lián)連接的第1、第2開關(guān)元件，通過(guò)按照控制裝置的指令控制上述第2開關(guān)元件，從上述第2開關(guān)元件的連接點(diǎn)向負(fù)載供給電力，該電力變換裝置的特征在于它備有將第1二極管和第1電容器串聯(lián)連接后連接在上述2個(gè)開關(guān)元件的各輸入輸出端之間的電路裝置；與上述各第1二極管并聯(lián)、將電阻和第2電容器串聯(lián)、并在上述電阻上并聯(lián)設(shè)置與第1二極管沿相同方向流過(guò)電流的第2二極管的電路裝置；以及連接在上述電阻和第2電容器的連接點(diǎn)相互之間的嵌位用緩沖電容器。
11.一種電力變換裝置，備有在主電源的端子之間串聯(lián)連接的第1、第2開關(guān)元件，通過(guò)按照控制裝置的指令控制上述第2開關(guān)元件，從上述第2開關(guān)元件的連接點(diǎn)向負(fù)載供給電力，該電力變換裝置的特征在于它備有將開關(guān)裝置和第1電容器串聯(lián)連接后連接在上述2個(gè)開關(guān)元件的各輸入輸出端之間的電路裝置；與上述各裝置并聯(lián)、將電阻和第2電容器串聯(lián)、并在上述電阻上并聯(lián)設(shè)置與第1二極管沿相同方向流過(guò)電流的第2二極管的電路裝置；以及連接在上述電阻和第2電容器的連接點(diǎn)相互之間的嵌位用緩沖電容器，根據(jù)上述第2電容器所充的電壓控制上述開關(guān)裝置的通或斷。
12.一種電力變換裝置，備有在主電源的端子之間串聯(lián)連接的第1、第2開關(guān)元件，通過(guò)按照控制裝置的指令控制上述第2開關(guān)元件，從上述第2開關(guān)元件的連接點(diǎn)向負(fù)載供給電力，該電力變換裝置的特征在于它具有將第1二極管、開關(guān)裝置和第1電容器串聯(lián)連接后連接在上述2個(gè)開關(guān)元件的各輸入輸出端之間的電路裝置；與上述第1二極管與開關(guān)裝置的各串聯(lián)電路部并聯(lián)、將電阻和第2電容器串聯(lián)、并在上述電阻上并聯(lián)設(shè)置與第1二極管沿相同方向流過(guò)電流的第2二極管的電路裝置；以及連接在第2電容器相互之間的嵌位用緩沖電容器，當(dāng)與上述負(fù)載對(duì)應(yīng)的負(fù)載電流小于預(yù)先設(shè)定的電流值時(shí)，使上述開關(guān)裝置斷開。
13.根據(jù)權(quán)利要求9至12中任何一項(xiàng)所述的電力變換裝置，其特征在于將上述第2電容器的電容值設(shè)定得小于上述第1電容器的電容值。
14.根據(jù)權(quán)利要求9至12中任何一項(xiàng)所述的電力變換裝置，其特征在于 將上述嵌位用緩沖電容器的電容值設(shè)定得大于上述第1、第2電容器的電容值。
15.一種電力變換裝置，將串聯(lián)連接在主電源的端子之間的第1、第2開關(guān)元件作為1相，并備有這樣的多個(gè)相，通過(guò)按照控制裝置的指令控制上述第2開關(guān)元件，從上述第2開關(guān)元件的連接點(diǎn)向負(fù)載供給電力，該電力變換裝置的特征在于將權(quán)利要求9至12中任何一項(xiàng)所述的電力變換裝置作為1相使用。
全文摘要
第1緩沖二極管Ds1和第1電容器C1的串聯(lián)電路連接在IGBTQ1的輸入輸出端之間，在Ds1上并聯(lián)連接由第2電容器C2、第2二極管Ds2、電阻R1構(gòu)成的充電放電電路裝置。隨著IGBTQ1的接通動(dòng)作，形成從C1經(jīng)IGBTQ1及充電放電電路裝置返回C1的閉合回路，使電壓對(duì)充電放電電路裝置的C2充電，并以該充電電壓使Ds1反向偏置，而隨著IGBTQ1的新開動(dòng)作，使C2所充的電壓放電，在切斷相同電流時(shí)能減小施加在IGBTQ1上的電壓。
文檔編號(hào)H02M1/00GK1147723SQ9610927
公開日1997年4月16日 申請(qǐng)日期1996年8月1日 優(yōu)先權(quán)日1995年8月2日
發(fā)明者宮崎英樹, 木村新, 小林秀男, 山繁 申請(qǐng)人:株式會(huì)社日立制作所