JPH03245727A - スナバー回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、トランジスタ、ＧＴＯ，ＦＥＴ等のスイッ
チング素子のオフ時に発生する過電圧を抑制するスナバ
−回路に関するものである。

〔従来の技術〕

第１０図は例えば文献　ｒ　Ｅ　１ｅｃｔｒｉｃ　Ｍａ
ｃｈｉｎｅｓａｎｄ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｙｓｔｅｍｓ、　
８　：　３２１−３３２　Ｊの第３２４ページに記載さ
れたこの種従来のスナバ−回路を設けたチョッパ回路を
示す回路図である。

図において、（１）は直流電源、（２）は誘導性の負荷
、（３）は負荷（２）と直列となって直流電源（１）に
接続されたスイッチング素子としてのトランジスタ、（
４）および（５）は相互に直列となって負荷（２）と並
列に接続されたそれぞれフリーホイルダイオードおよび
リアクトルで、このリアクトル（５）はフリーホイルダ
イオード（４）のりカバリ−電流の時間変化率ｄ　ｉ　
／　ｄ　ｔを抑制するための小容量のもので、場合によ
っては配線の浮遊インダクタンスで代用される。＜６）
、（７）および（８）はそれぞれダイオード、抵抗およ
びコンデンサで、相互に図に示すように結線されトラン
ジスタ（３）のコレクターエミッタ間に接続されており
、通常ＣＲＤスナバ−と呼ばれてトランジスタ（３）の
オフ時に発生する過電圧を抑えて電圧面からトランジス
タ（３）を保護する目的で設けられている。

次に動作、特にトランジスタ（３）のオフ時の動作につ
いて説明する。ここで、直流電源（１）の電圧をＶＢ、
トランジスタ（３）のコレクターエミッタ間の電圧をＶ
　ＣＥ、コンデンサ（８）の電圧をｖｃ、負荷（２）に
流れる電流をＩＬ、リアクトル（５）に流れる電流をｉ
Ｌｓ、トランジスタ（３）に流れる電流をＩｃ、コンデ
ンサ（８）に流れる電流をｔｃとする。また、負荷（２
）は誘導性負荷であり、その電流■１は短かいスイッチ
ング時間においては変化しないものとする。

第１１図は、一連の動作を時間領域の異なる３つのモー
ドに区分し、それぞれのモードにおける等価回路を示し
たもので、第１２図は各電圧、電流の波形を示したもの
である。

時刻ｔ＜ｔＯではトランジスタ（３）はオンの状態で電
流■Ｃ（＝ＩＬ）は一定となっている。

次に、時刻１＝１．でトランジスタ（３）がオフ動作を
開始するとモード１の領域に入り、電流Ｉｅは減少して
いき、この場合にも一定である電流Ｉｔ、どの差、即ち
（ＩＬ　　Ｉｃ　）はコンデンサ（８）に充電々流とし
て流入する。トランジスタ（３）の電圧ＶＣＥが時刻ｔ
　＝　ｔ　ｏから立上り、次第に上昇して時刻１＝１．
で電圧Ｖ　ＣＥ　＝　Ｖ　Ｂとなるとフリーホイルダイ
オード（４）に順方向電圧が印加されて導通しモード２
の領域に入る。

ここでは、リアクトル（５）とコンデンサ（８）との直
列回路が形成された等価回路となり、コンデンサ（８）
の電圧Ｖｃ　　（ここではＶｃ　＝Ｖ。。）が正弦波状
に上昇し、時刻１＝１．で電圧■。Ｉｌ：Ｖｐ　　（最
大値）となり、同時にリアクトル（５）の電流ｉ４が電
流ＩＬと等しくなってモード３の領域に入る。

モード３（ｔ＞ｔ２）では、コンデンサ（８）に充電さ
れた電圧Ｖｐは抵抗（７）およびリアクトル（５）を通
して放電され、トランジスタ（３）の電圧ＶＣＥは振動
しながらやがて電圧ＶＢとなり、リアクトル（５）の電
流ｉＬｓは振動しながらやがて負荷（２）のｔ流ＩＬと
一致する。

以上のように、トランジスタ（３）の電圧■。０はＣＲ
Ｄスナバ−回路により最大Ｖｐに抑えられ、そして、こ
の電圧および電流の立上りはコンデンサ（８）の容量に
依存する。従って、この電圧値Ｖｐがトランジスタ（３
）の定格値を越えることがないよう、コンデンサ（８）
の容量等が設定される訳である。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来のスナバ−回路は以上のように構成されているので
、トランジスタ（３）に発生する過電圧Ｖｐはスナバ−
回路のコンデンサ（８）の容量に大きく依存し、この電
圧Ｖｐを低く抑えるためには、コンデンサ（８）の容量
を増大する必要があり、これに伴い抵抗（７）で消費さ
れる電力損失も増大するという問題点があった。勿論、
コンデンサ（８）の容量が不十分であれば過電圧Ｖｐが
増大するため定格電圧の高いトランジスタ（３）を採用
する必要があり、大幅なコスト高を招きオフ動作時のス
イッチング損失も増大して冷却面でも不利になる。

この発明は以上のような問題点を解消するためになされ
たもので、コンデンサの容量を特に大きくすることなく
スイッチング素子のオフ時に発生する過電圧を電源電圧
以下に抑えることができるスナバ−回路を得ることを目
的とする。

〔課題を解決するための手段および作用〕この発明に係
るスナバ−回路は、ダイオードとコンデンサとの直列体
をフリーホイルダイオードと並列に接続し、更に抵抗を
上記ダイオードと並列に接続したものである。

スイッチング素子のオフ時点までに充電されていたコン
デンサは、スイッチング素子のオフと同時に放電を開始
し、その放電電流により、負荷電流を一定に保持する。

しかし、スイッチング素子の電圧が電源電圧と等しくな
った時点で、負荷電流は上記コンデンサからフリーホイ
ルダイオードに転流するので、以後定常状態となり、ス
イッチング素子の電圧は電源電圧を越えることはない。

また、上記スナバ−回路のコンデンサと並列にダイオー
ドを追加接続した場合には、実際のスナバ−回路には存
在し得る浮遊インダクタンスとコンデンサとで形成され
る直列回路による高周波振動電流の発生が、この新たに
追加したダイオードで防止される。

〔実施例〕

第１図はこの発明の一実施例によるスナバ−回路を設け
たチョッパ回路を示す回路図である。図において、（１
）ないしく５）は従来と同一のもので説明を省略する。

この実施例ではダイオード（９）、抵抗（１０）および
コンデンサ（１１）からなるＣＲＤスナバ−はフリーホ
イルダイオード（４）と並列に接続されている。

次に動作を第２図を参照して説明する。先ず、時刻１＜
１．ではトランジスタ（３）はオンの状態で、コンデン
サ（１１）は抵抗（１０）を介して充電されている。

次に時刻ｔ　”　ｔ　ｏでトランジスタ（３）がオフの
動作を開始するとモード１の領域に入り、トランジスタ
（３）の電流Ｉｃは徐々に減少し、負荷（２）の電流Ｉ
Ｌとの差（Ｉ、−Ｉｃ）はコンデンサ（１１）の放電電
流ｉｃとしてダイオード（９）およびリアクトル（５）
を介して流れる。

この放電に伴いコンデンサ（１１）の電圧Ｖｃはそれま
での直流型Ｒ（１）の電圧ＶＢから次第に低下する。こ
の間、トランジスタ（３）の電圧Ｖ　ＣＥは、直流電源
（１）の電圧ＶＢからコンデンサ（１１）の電圧Ｖｃを
差引いた値にリアクトル（５）での電圧Ｌｓ−ｄｉ／ｄ
ｔを加えた値となり、電圧Ｖｃの低下とともに上昇する
。但し、Ｌｓはりアクドル（５）のインダクタンスを示
す。

このコンデンサ（１１〉の電圧Ｖｃが時刻ｔ＝ｔ！で零
になるとモード２の領域に入り、同時にフリーホイルダ
イオード（４）に順方向電圧が印加されてフリーホイル
ダイオード（４）が導通する。即ち、負荷（２）の電流
ＩＬがコンデンサ（１１）からフリーホイルダイオード
（４）に転流する。

この転流が時刻１＝１２で完了するとモード３の領域と
なり、以後トランジスタ（３）オフの定常状態となる。

従って、トランジスタ（３）の電圧ＶＣＥは最大直流電
源（１）の電圧Ｖ８の大きさに留まり、更にトランジス
タ（３）のオフ前にコンデンサ（１１）に蓄えられてい
たエネルギーがトランジスタ（３）のオフ時に抵抗（１
０）で消費されることがない。

もっとも、トランジスタ（３）のオフ前でのコンデンサ
（１１）の充電時にその充電電流が抵抗（１０）に流れ
て損失を発生することになるが、この場合の充電電圧は
直流電源（１）の電圧ＶＢに留まり、従来の場合のよう
な過電圧■ρを伴う充電にはならないので、上記損失も
従来に比較して大幅に減少する。

ところで、第４図は本質的に第１図の回路と同一である
が、実際の配線回路として構成した場合に存在し得る浮
遊インダクタンスを考慮したものである。即ち、インダ
クタンス値Ｌｘを有する浮遊インダクタンス（１２）が
リアクトル（５）とダイオード（９）との間に存在して
いる場合を想定したものである。

この浮遊インダクタンス（１２）の存在のため、第２（
２Ｉ第３図で示したモード２以降の現象に差が生じるこ
とになる。

以下、この場合の動作を第５図の等価回路および第６図
の波形図により説明する。時刻１＝１Ｘでフリーホイル
ダイオード（４）に順方向電圧が印加され、負荷（２）
の電流ＩＬがコンデンサ（１１）からフリーホイルダイ
オード（４）に転流する。この時、コンデンサ（１１）
は浮遊インダクタンスく１２）の作用によりそれまでと
は逆方向の極性に充電される。従って、第６図に示すよ
うに、コンデンサ（１１）の電流ｉｃが小さくなって零
になった時点１＝１α以後は浮遊インダクタンス（１２
）とコンデンサ（１１）との直列回路による振動現象が
生じる。なお、コンデンサ（Ｌ、１）の電流ｔｃの反転
はダイオード（９）のりカバリ−作用によるが、この振
動現象は抵抗（１０）等におけるエネルギー損失で減衰
し時刻１＝１．で定常状態に落着くことになる。この間
、コンデンサ（１１）の電流ｉｃの振動に伴いフリ−ホ
イルダイオード（４）の電流ｉＤも振動するまた、上記
振動の周波数ｆｘは次式で表わされる。

ｆｘ＝１／２ｙｒ−ｒＵ”；薯７で− 但し、上式でＣはコンデンサ（１１）のキャパシタンス
である。

浮遊インダクタンス（１２）のインダクタンスＬｘは非
常に小さいので、ｆｘは極めて高い周波数となる。この
結果、トランジスタ（３）のオフ時にこの高周波の振動
電流が流れ、これが高周波雑音となって誘導障害を引き
起すことになる。

第７図はこの点の対策を施したもので、第１図の実施例
と異なるのは、コンデンサ（１１）と並列にダイオード
（１３）が追加接続されている点である。

以下、このダイオードく１３）を追加することによって
現象が異なることになるモード２以降の動作について説
明する。

第８図は、このモード２　＜ｔｌ＜ｔ＜ｔ２）における
等価回路、第９図はその時の各電圧、電流波形を示すも
のである０時刻１＝１４でフリーホイルダイオード（４
）に順方向電圧が印加されるとコンデンサ（１１）の電
流ｉｃはフリーホイルダイオード（４）への転流を開始
する。しかし、この時、コンデンサ（１１）と並列に接
続されたダイオード（１３）にも順方向電圧がかかり、
このダイオード（１３）が導通してコンデンサ（１１）
の電流ｉｃは瞬時に零となる。

即ち、浮遊インダクタンス（１２）に流れる電流は、コ
ンデンサ（１１）からダイオード（１３）に即乾流し、
このダイオード（１３）の電流ｉ。

とフリーホイルダイオード（４）の電流ｉＤとの和が負
荷（２）の電流ＩＬと等しくなる。

コンデンサ（１１）に蓄えられていたエネルギーは、ダ
イオード（１３）が導通する時点でなくなっており、一
方、浮遊インダクタンス（１２）に蓄えられていたエネ
ルギーは、ダイオード（９）およびダイオードく１３）
のオン損失（順方向電圧降下分と電流との積）として消
費されている。

従って、第５図、第６図で示したようなコンデンサ（１
１）と浮遊インダクタンス（１２）とによる振動現象は
発生しないことになる。そして、時刻１＝１２でダイオ
ード（１３）の電流ｉｙは零となり、フリーホイルダイ
オード（４）への転流が完了する。

このように、ダイオード（１３）を設けることにより、
トランジスタ（３）のオフ時における高周波振動電流の
発生が防止されＥ　Ｍ　ｒ　（Ｅ　１ｅｃｔｒ。

Ｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｉ　ｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）対策
として極めて有効となる。

なお、以上の説明では各ダイオードの順方向電圧降下（
Ｖｐ　）の大小については触れていないが、ダイオード
（９）、ダイオード（１３）の電圧降下ＶＦに比較して
フリーホイルダイオード（４）の電圧降下ＶＦが高い場
合には、例えばダイオード（９）またはダイオード（１
３）を複数個の直列体で構成してその合成電圧降下をフ
リーホイルダイオードく４）のそれより高めることによ
り、フリーホイルダイオード（４）への転流時点をダイ
オード（１３）へのそれより先になるようにすれば、ダ
イオード（９）やダイオード（１３）の電流容量を比較
的低く抑えることができる。

また、上記各実施例ではスイッチング素子としてトラン
ジスタを使用した場合について示したが、ＧＴＯやＦＥ
Ｔ等の他の種類のスイッチング素子であってもこの発明
は同様に適用することができ同等の効果を奏する。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明では、ダイオード、抵抗、コン
デンサからなる所定のスナバ−回路を負荷のフリーホイ
ルダイオードと並列に接続したので、スイッチング素子
のオフ時に発生する電圧が最大、電源電圧の範囲にとど
まり、そのスイッチング損失も低減する。また、オフ時
の上記コンデンサに係る振動電流による損失の発生もな
い。

更に、上記スナバ−回路のコンデンサと並列にダイオー
ドを追加接続したものでは、実際のスナバ−回路には存
在し得る浮遊インダクタンスとコンデンサとによる高周
波振動電流の発生が防止され誘導障害等の弊害が解消さ
れる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例によるスナバ−回路を設け
たチョッパ回路を示す回路図、第２図はその動作を説明
するための区分した各モード毎の等価回路図、第３図は
その電圧電流波形図、第４図は浮遊インダクタンスを考
慮した場合の回路図、第５図および第６図は第４図の回
路の動作を説明するためのそれぞれ等価回路図および電
圧電流波形図、第７図は他の実施例によるものを示す回
路図、第８図および第９図は第７図の回路の動作を説明
するためのそれぞれ等価回路図および電圧電流波形図、
第１０図は従来のスナバ−回路を設けたチョッパ回路を
示す回路図、第１１図は第１０図に対応する各モード毎
の等価回路図、第１２図はその電圧電流波形図である。 図において、く１）は直流電源、（２）は負荷、（３）
はスイッチング素子としてのトランジスタ、（４）はフ
リーホイルダイオード、（９）＜１３）はダイオード、
（１０）は抵抗、（１１）はコンデンサである。 なお、 各図中同一符号は同一または相当部分を示す。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）負荷とスイッチング素子とを直列にして電源に接
   続し、更に上記負荷と並列にフリーホイルダイオードを
   接続したチョッパ回路における上記スイッチング素子の
   オフ時に発生する過電圧を抑制するものにおいて、 ダイオードとコンデンサとの直列体を上記フリーホイル
   ダイオードと並列に接続し、更に抵抗を上記ダイオード
   と並列に接続してなるスナバー回路。
2. （２）請求項１記載のスナバー回路のコンデンサと並列
   にダイオードを追加接続したことを特徴とするスナバー
   回路。