スイッチング装置のサージ電圧抑制回路
【課題】
本願発明の目的は、電圧変動する蓄電池の上流側とＩＧＢＴのコレクタが接続されるスイッチング装置において、サージ電圧を効果的に抑制するサージ電圧抑制回路を提供することである。
【解決手段】
ＩＧＢＴのスイッチング回路に設けられた各ＩＧＢＴのコレクタとベース間に、ツェナーダイオードとスイッチング素子が配され、ツェナーダイオードのカソード側がＩＧＢＴのコレクタに接続され、ツェナーダイオードのアノード側はスイッチング素子のコレクタに接続され、スイッチング素子のエミッタはＩＧＢＴのベースに接続され、かつ、スイッチング素子のベースは蓄電池の上流側に接続されてなり、ＩＧＢＴの動作時に、ＩＧＢＴのコレクタ電圧が、蓄電池の電圧とツェナーダイオードのツェナー電圧の合計より大きくなると、スイッチング素子がオンされる。
本願発明の目的は、電圧変動する蓄電池の上流側とＩＧＢＴのコレクタが接続されるスイッチング装置において、サージ電圧を効果的に抑制するサージ電圧抑制回路を提供することである。
【解決手段】
ＩＧＢＴのスイッチング回路に設けられた各ＩＧＢＴのコレクタとベース間に、ツェナーダイオードとスイッチング素子が配され、ツェナーダイオードのカソード側がＩＧＢＴのコレクタに接続され、ツェナーダイオードのアノード側はスイッチング素子のコレクタに接続され、スイッチング素子のエミッタはＩＧＢＴのベースに接続され、かつ、スイッチング素子のベースは蓄電池の上流側に接続されてなり、ＩＧＢＴの動作時に、ＩＧＢＴのコレクタ電圧が、蓄電池の電圧とツェナーダイオードのツェナー電圧の合計より大きくなると、スイッチング素子がオンされる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子の動作時に発生するサージ電圧を抑制する回路に関し、特に電圧変動する蓄電池に接続された電力用ＩＧＢＴの高速スイッチング動作時に発生するサージ電圧を抑制する回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
ハイブリッド建設機械は、短時間内での繰り返し作業が多く、モータ等の電動装置に対する負荷が大幅に、急激に、しかも頻繁に変動する。
【０００３】
モータ等の電動装置を駆動するために、ＩＧＢＴを用いたスイッチング素子を使用している。このＩＧＢＴにおいては高速スイッチングを行った場合、素子がターンオフするとき高いｄＶ／ｄｔから大きなサージ過電圧が発生する。ハイブリッド建設機械では負荷変動の激しいモータ等の電動装置を高電圧で駆動するためにサージ過電圧の現象が顕著となる。
【０００４】
なお以下において、本願発明ではハイブリッド電源システムから電力が供給される電動装置は本質的でないのでその説明を省略する。
【０００５】
図９は、建設機械用ハイブリッド電源システムの構成例である。
【０００６】
図９において、ハイブリッド電源システム１は主電源１０と副電源５０とからなる。主電源１０（発電電動機により発生した電力をドライバーを介して供給されるのであるが、等価的に電池１１として表現している。）は電池１１（電圧Ｖ０）を有しており、正極ライン１２および負極ライン１３を介して副電源５０と接続される。副電源５０は、ＡＣリンク双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５０Ａとエネルギー蓄積装置である蓄電池３０（電圧Ｖ１）とで構成される。ＡＣリンク双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５０Ａは、低圧側インバータ５０Ｂと高圧側インバータ５０Ｃと変圧器５０Ｄとで構成される。
【０００７】
低圧側インバータ５０Ｂと、高圧側インバータ５０Ｃは、低圧側インバータ５０Ｂの正極と高圧側インバータ５０Ｃの負極とが加極性となるように電気的に直列接続されている。
【０００８】
低圧側インバータ５０Ｂは、変圧器５０Ｄのコイル５０ｄにブリッジ接続された４つのＩＧＢＴ５１、５２、５３、５４と、ＩＧＢＴ５１、５２、５３、５４それぞれに並列に極性が逆向きに接続されたダイオード１５１、１５２、１５３、１５４を含んで構成されている。ＩＧＢＴとは絶縁ゲートバイポーラトランジスタのことで、高速スイッチング用半導体素子として使用される。ＩＧＢＴ５１、５２、５３、５４は、ゲートにスイッチング信号が印加されることによりオンされ、コレクタからエミッタに電流が流れる。
【０００９】
蓄電池３０の正極端子３０ａは、正極ライン３１を介してＩＧＢＴ５１のコレクタに電気的に接続されている。ＩＧＢＴ５１のエミッタはＩＧＢＴ５２のコレクタに電気的に接続されている。ＩＧＢＴ５２のエミッタは、負極ライン３２を介して蓄電池３０の負極端子３０ｂに電気的に接続されている。
【００１０】
同様に、蓄電池３０の正極端子３０ａは、正極ライン３１を介してＩＧＢＴ５３のコレクタに電気的に接続されている。ＩＧＢＴ５３のエミッタはＩＧＢＴ５４のコレクタに電気的に接続されている。ＩＧＢＴ５４のエミッタは、負極ライン３２を介して蓄電池３０の負極端子３０ｂに電気的に接続されている。
【００１１】
ＩＧＢＴ５１のエミッタ（ダイオード１５１のアノード）およびＩＧＢＴ５２のコレクタ（ダイオード１５２のカソード）は、変圧器５０Ｄのコイル５０ｄの一方の端子に接続されているとともに、ＩＧＢＴ５３のエミッタ（ダイオード１５３のアノード）およびＩＧＢＴ５４のコレクタ（ダイオード１５４のカソード）は、変圧器５０Ｄのコイル５０ｄの他方の端子に接続されている。
【００１２】
ＩＧＢＴ５１、５４の組とＩＧＢＴ５２、５３の組は交互にオン、オフされる。
【００１３】
高圧側インバータ５０Ｃは、変圧器５０Ｄのコイル５０ｅにブリッジ接続された４つのＩＧＢＴ５５、５６、５７、５８と、ＩＧＢＴ５５、５６、５７、５８それぞれに並列に極性が逆向きに接続されたダイオード１５５、１５６、１５７、１５８を含んで構成されている。ＩＧＢＴ５５、５６、５７、５８は、ゲートにスイッチング信号が印加されることによりオンされ、コレクタからエミッタに電流が流れる。
【００１４】
ＩＧＢＴ５５、５７のコレクタは、正極ライン１２を介して主電源１０の電池１１に電気的に接続されている。ＩＧＢＴ５５のエミッタはＩＧＢＴ５６のコレクタに電気的に接続されている。ＩＧＢＴ５７のエミッタはＩＧＢＴ５８のコレクタに電気的に接続されている。ＩＧＢＴ５６、５８のエミッタは、正極ライン３１、つまり低圧側インバータ５０ＢのＩＧＢＴ５１、５３のコレクタに電気的に接続されている。
【００１５】
ＩＧＢＴ５５のエミッタ（ダイオード１５５のアノード）およびＩＧＢＴ５６のコレクタ（ダイオード１５６のカソード）は、変圧器５０Ｄのコイル５０ｅの一方の端子に電気的に接続されているとともに、ＩＧＢＴ５７のエミッタ（ダイオード１５７のアノード）およびＩＧＢＴ５８のコレクタ（ダイオード１５８のカソード）は、変圧器５０Ｄのコイル５０ｅの他方の端子に電気的に接続されている。
【００１６】
ＩＧＢＴ５５、５８の組とＩＧＢＴ５６、５７の組は交互にオン、オフされる。
【００１７】
ＩＧＢＴ５５、５７のコレクタが接続される正極ライン１２とＩＧＢＴ５６、５８のエミッタが接続される正極ライン３１の間にはキャパシタ３３が電気的に接続されている。キャパシタ３３はサージ吸収用であり小容量キャパシタでよい。
【００１８】
変圧器５０Ｄは、一定値Ｌの漏れインダクタンス（図９ではコイル５０ｄ側にＬ/２、コイル５０ｅ側にＬ/２となるように分割している）を有している。
【００１９】
上記構成のハイブリッド電源システム１によれば、電動装置の負荷が大幅、急激、かつ頻繁に変動したとしても、副電源５０から主電源１０の電力容量を補う電力供給を行うことができる。一方、副電源５０の蓄電池３０は大きな電圧変動を伴う。
【００２０】
具体的には、ハイブリッド建設機械では、主電源の電圧Ｖ０は６００Ｖ程度の高電圧に維持される。一方、副電源の蓄電池３０の電圧Ｖ１は３００Ｖ程度以下の低電圧であり、たとえば１５０Ｖ〜２７０Ｖの大きな電圧変動範囲で使用される。
【００２１】
ところでハイブリッド電源システム１の場合、ＩＧＢＴをオン状態からオフ状態にスイッチすると（以下ターンオフという）、オン状態で流れていた大電流が急に遮断されるため、たとえば蓄電池３０とＩＧＢＴ５１を接続する配線等に起因する浮遊インダクタンス（以下リードインダクタンスという）により、ＩＧＢＴのコレクタとエミッタ間の電圧が蓄電池３０の電圧に重畳してはね上がる。このはね上がった電圧はターンオフサージ電圧（以下単にサージ電圧Ｖｓという）といわれる。
【００２２】
次にターンオフで発生するサージ電圧について説明する。
【００２３】
図１０は図９のＩＧＢＴ５１近傍の部分回路である。
【００２４】
図１０において、蓄電池３０の正極端子３０ａとＩＧＢＴ５１のコレクタ５１Ｃは正極ライン３１を介して接続されている。図１０はリードインダクタンスをＬ０として示している。
【００２５】
図１１は図１０の部分回路に発生したサージ電圧波形の模式図である。
【００２６】
図１１の横軸はＩＧＢＴ５１をオン、オフする時間軸である。縦軸はＩＧＢＴ５１のコレクタとエミッタ間の電圧Ｖc-eである。
【００２７】
ＩＧＢＴ５１がオンのときはコレクタ５１Ｃとエミッタ５１Ｅ間が導通するのでＶc-eはゼロであるが、たとえば時間ｔ１でＩＧＢＴ５１をターンオフすると、蓄電池３０の電圧Ｖ１とリードインダクタンスL０に起因するＬ０（ｄｉ／ｄｔ）の大きさのサージ電圧Ｖｓを合計した電圧（＝Ｖ１＋Ｖｓ）がコレクタ５１Ｃに印加される。ｉはリードインダクタンスＬ０を流れる電流値である。サージ電圧は電流ｉの時間的変化率に比例するため、ＩＧＢＴ５１のスイッチング速度が大きくなるほどサージ電圧Ｖｓも大きくなる。
【００２８】
時間ｔ１にＩＧＢＴ５１をターンオフすると、サージ電圧Ｖｓは最大電圧Ｖｓｍａｘに到達し、その後蓄電池３０の電圧Ｖ１に重畳して高速減衰振動する。高速減衰振動による高周波ノイズ（以下放射ノイズという）は有害電波として周囲に放射される。時間ｔ２におけるＩＧＢＴ５１のターンオフでも同じことが行われる。上記したことはターンオフで大きなサージ電圧を発生する他のＩＧＢＴにも同様にあてはまる。
【００２９】
そこで従来、ターンオフで発生するＩＧＢＴのサージ電圧を抑制する方法として、各ＩＧＢＴにスナバ回路を付けてサージ電圧を吸収する方法がある。スナバ回路の場合、ＲＣ回路を用いるためスイッチング速度が高くなるとスナバ回路の損失が顕著になる。
【００３０】
スナバ回路の欠点を克服する回路が下記特許文献１に開示されている。
【００３１】
図１２は特許文献１におけるサージ電圧抑制回路の原理を説明する図である。
【００３２】
なお特許文献１では、複数のツェナーダイオードを並列して設けた回路としている。ここでは特許文献１における基本原理が分かればよいので、以下では説明を簡単にするためにツェナーダイオードの数を１個とした。
【００３３】
図１２が図１０と異なるところは、ツェナーダイオード７０Ｔのアノード側がＩＧＢＴ５１のゲート５１Ｇと接続され、ツェナーダイオード７０Ｔのカソード側が抵抗９０Ｒを介してＩＧＢＴ５１のコレクタ５１Ｃと接続されることである。
【００３４】
上記サージ電圧抑制回路により以下の動作が行われる。
【００３５】
（１）ＩＧＢＴ５１のコレクタ５１Ｃとゲート５１Ｇ間の電圧Ｖc-gがツェナーダイオード７０Ｔのツェナー電圧Ｖtより大きくなると、ＩＧＢＴ５１のゲート５１Ｇにツェナーダイオード７０Ｔを介して電流が流れＩＧＢＴ５１のゲート５１Ｇがオンされる。
【００３６】
（２）すると、ＩＧＢＴ５１のコレクタ５１Ｃとエミッタ５１Ｅ間が導通してコレクタ電圧Ｖｃが急激に低下する。
【００３７】
（３）コレクタ電圧Ｖｃが急激に低下し、コレクタ５１Ｃとゲート５１Ｇ間の電圧Ｖc-gがツェナー電圧Ｖｔ以下になると、コレクタ５１Ｃとゲート５１Ｇ間は遮断されゲート５１Ｇはオフになる。
【００３８】
上記（１）〜（３）の動作により、大きなサージ電圧Ｖsが発生しても、コレクタ５１Ｃとゲート５１Ｇ間の電圧Ｖc-gが、コレクタ５１Ｃとゲート５１Ｇ間に設けたツェナーダイオード７０Ｔのツェナー電圧Ｖｔ以上になることが抑制される。
【００３９】
図１３はツェナーダイオード７０Ｔでサージ電圧が抑制された場合の電圧波形を説明するための図である。ここでは蓄電池３０の電圧を２７０Ｖとし、ツェナー電圧を２８０Ｖとした場合を想定している。
【００４０】
なお、コレクタ５１Ｃとエミッタ５１Ｅ間の電圧Ｖc-eとコレクタ５１Ｃとゲート５１Ｇ間の電圧Ｖc-gは厳密には異なるが、両者の電圧差は小さく、本願発明ではその違いは本質的ではないので、以下ではＶc-eとＶc-gを近似的に同じものとして説明する。
【００４１】
図１３の場合、時間ｔ１にＩＧＢＴ５１をターンオフすると、蓄電池３０の電圧（Ｖ１＝２７０Ｖ）にリードインダクタンスを起因として発生したサージ電圧Ｖｓが重畳される。
【００４２】
図１３の時間軸のｔ１〜ｔ１１間（領域Ｒ１）は、サージ電圧Ｖｓが２８０Ｖで抑制される。その後２８０Ｖで抑制されたサージ電圧Ｖｓは急激に減衰して（時間軸のｔ１１〜ｔ１２間：領域Ｒ２）、高速振動することなく蓄電池３０の２７０Ｖの電圧波形に重畳される。すなわち、サージ電圧は最大１０Ｖの大きさで抑制される。これにより、サージ電圧による放射ノイズの発生が抑制される。上記動作は時間ｔ２におけるターンオフにおいても同様である。
【特許文献１】特開平１１−１７８３１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００４３】
ところで、建設機械用ハイブリッド電源システムでは副電源の蓄電池の電圧変動が大きい。そのため、特許文献１に開示されたサージ電圧抑制回路をハイブリッド電源システム１に適用すると以下の問題が生じる。
【００４４】
すでに説明したように、図１２において、ツェナーダイオード７０Ｔのツェナー電圧を２８０Ｖに設定した場合、蓄電池３０の電圧が２７０Ｖ程度であれば蓄電池３０の電圧より約１０Ｖ高い２８０Ｖを上限値としてサージ電圧抑制回路が効果的に作動する。すなわちサージ電圧は最大でも１０Ｖの大きさで抑制され、結果として放射ノイズの発生が抑制される。
【００４５】
一方、図１２において、ツェナー電圧を２８０Ｖに設定しておき、蓄電池３０が電圧変動して１５０Ｖになった場合を想定する。
【００４６】
この場合はツェナーダイオード７０Ｔのツェナー電圧が２８０Ｖであるので、蓄電池３０の電圧１５０Ｖから２８０Ｖに存在するサージ電圧Ｖｓは特に抑制されることがない。
【００４７】
図１４はツェナーダイオード７０Ｔでサージ電圧Ｖｓが抑制されないときの電圧波形を説明するための図である。
【００４８】
時間ｔ１にターンオフされると、コレクタ５１Ｃとエミッタ５１Ｅ間の電圧Ｖc-eは蓄電池３０の電圧Ｖ１（＝１５０Ｖ）＋サージ電圧Ｖｓとなる。
【００４９】
ところが図１４に示すように、ツェナーダイオード７０Ｔのツェナー電圧Ｖｔを２８０Ｖに設定しているため、１５０Ｖ〜２８０Ｖ間に存在するサージ電圧Ｖｓは全く抑制できない。言い換えると、１３０Ｖの最大電圧Ｖｓｍａｘをもつサージ電圧による放射ノイズが発生する。この放射ノイズはたとえば周囲にあるラジオに対して有害電波となる。
【００５０】
以上のように、蓄電池に大きな電圧変動がある場合、特許文献１に開示されたサージ電圧抑制回路ではターンオフにより発生するサージ電圧を効果的に抑制できない。
【００５１】
上記問題に鑑み、本願発明の目的は、電圧変動する蓄電池の上流側とＩＧＢＴのコレクタが接続されるスイッチング装置において、ＩＧＢＴの動作時に発生するリードインダクタンスを起因とするサージ電圧を効果的に抑制するサージ電圧抑制回路を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００５２】
以上のような目的を達成するために、第１発明は、
電圧変動する蓄電池と接続された複数のＩＧＢＴを有するサージ電圧抑制回路であって、
前記ＩＧＢＴのスイッチング回路は、少なくとも２つのＩＧＢＴが直列に接続された第１の回路と、前記第１の回路と同様な構成の第２の回路が並列に接続され、
前記第１の回路、第２の回路に設けられたそれぞれのＩＧＢＴのコレクタとベース間に、ツェナーダイオードとスイッチング素子が配され、
前記ツェナーダイオードのカソード側が前記ＩＧＢＴのコレクタに接続され、
前記ツェナーダイオードのアノード側は前記スイッチング素子のコレクタに接続され、
前記スイッチング素子のエミッタは第１の抵抗と第１のダイオードを介して前記ＩＧＢＴのベースに接続され、かつ、前記スイッチング素子のベースは第２の抵抗と第２のダイオードを介して前記蓄電池の上流側に接続されてなり、
前記ＩＧＢＴの動作時に、前記ＩＧＢＴのコレクタ電圧が、前記蓄電池の電圧と前記ツェナーダイオードのツェナー電圧の合計より大きくなると、前記スイッチング素子がオンされることを特徴とする。
【００５３】
第２発明は、
電圧変動する蓄電池と接続された複数のＩＧＢＴを有するサージ電圧抑制回路であって、
前記ＩＧＢＴのスイッチング回路は、少なくとも２つのＩＧＢＴが直列に接続された第１の回路と、前記第１の回路と同様な構成の第２の回路が並列に接続され、
前記第１の回路、第２の回路に設けられたそれぞれのＩＧＢＴのベースと前記蓄電池の上流側端子間にツェナーダイオードが配され、
前記ＩＧＢＴのコレクタとベース間にスイッチング素子が配され、
前記スイッチング素子のコレクタは前記ＩＧＢＴのコレクタと接続され、
前記ツェナーダイオードのカソード側が第１の抵抗を介して前記スイッチング素子のベースに接続され、
前記スイッチング素子のエミッタは第１の抵抗と第１のダイオードを介して前記ＩＧＢＴのベースに接続され、かつ、前記ツェナーダイオードのアノード側は第１のダイオードを介して前記蓄電池の上流側に接続されてなり、
前記ＩＧＢＴの動作時に、前記ＩＧＢＴのコレクタ電圧が、前記蓄電池の電圧と前記ツェナーダイオードのツェナー電圧の合計より大きくなると、前記スイッチング素子がオンされることを特徴とする。
【００５４】
上記請求項１、２に係わる発明は基本的なサージ電圧抑制の動作は同じであるので、ここでは第１発明における場合を図２を用いて説明する。
【００５５】
図２のサージ電圧抑制回路６０では、ＩＧＢＴ５１の動作に伴い以下の動作が行われる。
【００５６】
（１）ＩＧＢＴ５１がターンオフする。
【００５７】
（２）ターンオフ後、リードインダクタンスＬ０を起因とするサージ電圧Ｖｓが発生する。
【００５８】
（３）サージ電圧の発生によりＩＧＢＴ５１のコレクタ電圧Ｖｃが上昇する。
【００５９】
（４）コレクタ電圧Ｖｃが蓄電池３０の電圧Ｖ１とツェナーダイオード７０Ｔのツェナー電圧Ｖｔの合計電圧値より大きくなると、すなわち、Ｖｃ＞Ｖ１＋Ｖｔになると、ツェナーダイオード７０Ｔに逆電流７０Ｔｉが流れる。
【００６０】
（５）すると、スイッチング８０のオン電流がＩＧＢＴ５１のゲート５１Ｇ側に流れ込み、ゲート５１Ｇはオン状態になる。
【００６１】
（６）ＩＧＢＴ５１がオン状態になると、コレクタ５１Ｃの電圧Ｖｃは急激に低下する。
【００６２】
（７）コレクタ５１Ｃの電圧Ｖｃは蓄電池３０の電圧Ｖ１とツェナー電圧Ｖｔとの合計以上になることが抑制される。
【００６３】
同様に図１のほかのＩＧＢＴのサージ電圧抑制回路６０、６０Ａについても同じことがいえる。
【００６４】
第３発明は、
電圧変動する蓄電池と接続された複数のＩＧＢＴを有するサージ電圧抑制回路であって、
前記ＩＧＢＴのスイッチング回路は、少なくとも２つのＩＧＢＴが直列に接続された第１の回路と、前記第１の回路と同様な構成の第２の回路が並列に接続され、
前記第１の回路、第２の回路に設けられたそれぞれのＩＧＢＴのコレクタとベース間に、ツェナーダイオードとスイッチング素子が配され、
前記ツェナーダイオードのカソード側が前記ＩＧＢＴのコレクタに接続され、
前記ツェナーダイオードのアノード側は前記スイッチング素子のコレクタに接続され、
前記ＩＧＢＴのコレクタが第１の抵抗とコンデンサを介して前記蓄電池の下流側に接続され、
前記スイッチング素子のエミッタは第２の抵抗と第１のダイオードを介して前記ＩＧＢＴのベースに接続され、かつ、前記スイッチング素子のベースは第３の抵抗と第２のダイオードを介して前記第１の抵抗の端子と前記コンデンサの端子の間の導体経路に接続されてなり、
前記ＩＧＢＴの動作時に、前記ＩＧＢＴのコレクタ電圧が、前記蓄電池の電圧と前記ツェナーダイオードのツェナー電圧の合計より大きくなると、前記スイッチング素子がオンされることを特徴とする。
【００６５】
第３発明を図７を用いて説明する。
【００６６】
図７のサージ電圧抑制回路６０Ｂでは、ＩＧＢＴ５１の動作に伴い以下の動作が行われる。
【００６７】
（１）ＩＧＢＴ５１がターンオフする。
【００６８】
（２）ターンオフ後、リードインダクタンスＬ０を起因とするサージ電圧Ｖｓが発生する。
【００６９】
（３）サージ電圧の発生によりＩＧＢＴ５１のコレクタ電圧Ｖｃが上昇する。
【００７０】
（４）コレクタ電圧Ｖｃを平滑回路１１０で平滑する。平滑点１１０Ａの平滑電圧をＶｈとする。平滑電圧Ｖｈは近似的にコレクタ５１Ｃに印加された蓄電池３０の電圧Ｖ１で表される。言い換えれば平滑回路１１０における蓄電池３０の正極とコンデンサ１１０Ｃの正極は同電位である。
【００７１】
（５）コレクタ電圧Ｖｃが蓄電池３０の電圧Ｖ１とツェナーダイオード７０Ｔのツェナー電圧Ｖｔの合計電圧値より大きくなると、すなわち、Ｖｃ＞Ｖ１＋Ｖｔになると、ツェナーダイオード７０Ｔに逆電流７０Ｔｉが流れる。
【００７２】
（６）すると、スイッチング８０のオン電流がＩＧＢＴ５１のゲート５１Ｇ側に流れ込み、ゲート５１Ｇはオン状態になる。
【００７３】
（７）ＩＧＢＴ５１がオン状態になると、コレクタ５１Ｃの電圧Ｖｃは急激に低下する。
【００７４】
（８）コレクタ５１Ｃの電圧Ｖｃは蓄電池３０の電圧Ｖ１とツェナー電圧Ｖｔとの合計以上になることが抑制される。
【００７５】
同様に図６のほかのＩＧＢＴのサージ電圧抑制回路６０Ｂについても同じことがいえる。
【発明の効果】
【００７６】
第１発明乃至第３発明によれば、蓄電池の電圧が大きく変動しても、ＩＧＢＴの動作時に発生するリードインダクタンスを起因とするサージ電圧を効果的に抑制することができ、有害な放射ノイズを周囲に放射させることがない。
【００７７】
また、定格の小さいツェナーダイオードを用いてサージ電圧を抑制できるので、サージ電圧抑制回路の構成を小型にでき、サージ電圧抑制回路の製造コストを低減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００７８】
以下、本願発明のスイッチング装置のサージ電圧抑制回路の実施例について図を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００７９】
図１は、実施例１において本願発明を適用した建設機械用ハイブリッド電源システムの図である。
【００８０】
図１において、ハイブリッド電源システム１は、主電源１０と副電源５０とからなる。主電源１０（発電電動機により発生した電力をドライバーを介して供給されるのであるが、等価的に電池１１として表現している。）は電池１１（電圧Ｖ０）を有しており、正極ライン１２および負極ライン１３を介して副電源５０と接続される。副電源５０は、ＡＣリンク双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５０Ａとエネルギー蓄積装置である蓄電池３０（電圧Ｖ１）とで構成される。ＡＣリンク双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５０Ａは、低圧側インバータ５０Ｂ１と高圧側インバータ５０Ｃ１と変圧器５０Ｄとで構成される。
【００８１】
低圧側インバータ５０Ｂ１と、高圧側インバータ５０Ｃ１は、低圧側インバータ５０Ｂ１の正極と高圧側インバータ５０Ｃ１の負極とが加極性となるように電気的に直列接続されている。
【００８２】
低圧側インバータ５０Ｂ１は、変圧器５０Ｄのコイル５０ｄにブリッジ接続された４つのＩＧＢＴ５１、５２、５３、５４と、ＩＧＢＴ５１、５２、５３、５４それぞれに並列に極性が逆向きに接続されたダイオード１５１、１５２、１５３、１５４を含んで構成されている。ＩＧＢＴとは絶縁ゲートバイポーラトランジスタのことで、高速スイッチング用半導体素子として使用される。ＩＧＢＴ５１、５２、５３、５４は、ゲートにスイッチング信号が印加されることによりオンされ、コレクタからエミッタに電流が流れる。
【００８３】
蓄電池３０の正極端子３０ａは、正極ライン３１を介してＩＧＢＴ５１のコレクタに電気的に接続されている。ＩＧＢＴ５１のエミッタはＩＧＢＴ５２のコレクタに電気的に接続されている。ＩＧＢＴ５２のエミッタは、負極ライン３２を介して蓄電池３０の負極端子３０ｂに電気的に接続されている。
【００８４】
同様に、蓄電池３０の正極端子３０ａは、正極ライン３１を介してＩＧＢＴ５３のコレクタに電気的に接続されている。ＩＧＢＴ５３のエミッタはＩＧＢＴ５４のコレクタに電気的に接続されている。ＩＧＢＴ５４のエミッタは、負極ライン３２を介して蓄電池３０の負極端子３０ｂに電気的に接続されている。
【００８５】
ＩＧＢＴ５１のエミッタ（ダイオード１５１のアノード）およびＩＧＢＴ５２のコレクタ（ダイオード１５２のカソード）は、変圧器５０Ｄのコイル５０ｄの一方の端子に接続されているとともに、ＩＧＢＴ５３のエミッタ（ダイオード１５３のアノード）およびＩＧＢＴ５４のコレクタ（ダイオード１５４のカソード）は、変圧器５０Ｄのコイル５０ｄの他方の端子に接続されている。
【００８６】
ＩＧＢＴ５１、５４の組とＩＧＢＴ５２、５３の組は交互にオン、オフされる。
【００８７】
高圧側インバータ５０Ｃ１は、変圧器５０Ｄのコイル５０ｅにブリッジ接続された４つのＩＧＢＴ５５、５６、５７、５８と、ＩＧＢＴ５５、５６、５７、５８それぞれに並列に極性が逆向きに接続されたダイオード１５５、１５６、１５７、１５８を含んで構成されている。ＩＧＢＴ５１、５２、５３、５４は、ゲートにスイッチング信号が印加されることによりオンされ、コレクタからエミッタに電流が流れる。
【００８８】
ＩＧＢＴ５５、５７のコレクタは、正極ライン１２を介して主電源１０の電池１１に電気的に接続されている。ＩＧＢＴ５５のエミッタはＩＧＢＴ５６のコレクタに電気的に接続されている。ＩＧＢＴ５７のエミッタはＩＧＢＴ５８のコレクタに電気的に接続されている。ＩＧＢＴ５６、５８のエミッタは、正極ライン３１、つまり低圧側インバータ５０ＢのＩＧＢＴ５１、５３のコレクタに電気的に接続されている。
【００８９】
ＩＧＢＴ５５のエミッタ（ダイオード１５５のアノード）およびＩＧＢＴ５６のコレクタ（ダイオード１５６のカソード）は、変圧器５０Ｄのコイル５０ｅの一方の端子に電気的に接続されているとともに、ＩＧＢＴ５７のエミッタ（ダイオード１５７のアノード）およびＩＧＢＴ５８のコレクタ（ダイオード１５８のカソード）は、変圧器５０Ｄのコイル５０ｅの他方の端子に電気的に接続されている。
【００９０】
ＩＧＢＴ５５、５８の組とＩＧＢＴ５６、５７の組は交互にオン、オフされる。
【００９１】
ＩＧＢＴ５５、５７のコレクタが接続される正極ライン１２とＩＧＢＴ５６、５８のエミッタが接続される正極ライン３１の間にはキャパシタ３３が電気的に接続されている。キャパシタ３３はサージ吸収用であり小容量キャパシタでよい。
【００９２】
変圧器５０Ｄは一定値Ｌの漏れインダクタンス（図１ではコイル５０ｄ側にＬ/２、コイル５０ｅ側にＬ/２となるように分割している）を有している。インバータの高速スイッチング制御を用いて、漏れインダクタンスに一時的に蓄積させた電力を副電源５０あるいは主電源１０へ伝送する。
【００９３】
詳しくは、力行モード（蓄電池３０から主電源１０への電力伝送時）の場合、低圧側インバータ５０Ｂ１の位相を高圧側インバータ５０Ｃ１に対し進み位相とする。その際、変圧器５０Ｄを介して、低圧側インバータ５０Ｂ１は蓄電池３０の電圧Ｖ１の約２倍の高電圧の電力を主電源１０側に伝送する。
【００９４】
回生モード（主電源１０から蓄電池３０への電力伝送時）の場合、低圧側インバータ５０Ｂの位相を高圧側インバータ５０Ｃ１に対し遅れ位相とする。その際、変圧器５０Ｄを介して、主電源１０は電池１１の電圧Ｖ０の略半分の低電圧の電力を蓄電池３０側に伝送する。
【００９５】
また、図１の低圧側インバータ５０Ｂ１および高圧側インバータ５０Ｃ１には、それぞれのＩＧＢＴの近傍にサージ電圧抑制回路６０が設けられる。
【００９６】
以上のように、ハイブリッド電源システム１によれば、電動装置の負荷が大幅、急激、かつ頻繁に変動したとしても、副電源５０から主電源１０の電力容量を補う電力供給を行うことができる。これにより、電動装置を一定の高電圧範囲内で効率よく駆動することができる。一方、副電源５０の蓄電池３０は大きな電圧変動を伴う。
【００９７】
具体的には、ハイブリッド建設機械では、主電源１０の電圧Ｖ０は６００Ｖ程度の高電圧に維持される。一方、副電源５０の蓄電池３０の電圧Ｖ１は３００Ｖ程度以下の低電圧であり、たとえば１５０Ｖ〜２７０Ｖの大きな電圧変動範囲で使用される。
【００９８】
これから実施例１のサージ電圧抑制回路６０の構成およびその作用について詳しく説明する。なお、図１の８個のサージ電圧抑制回路６０は構成およびその動作が基本的に同じであるため、以下では低圧側インバータ５０Ｂ１のＩＧＢＴ５１側のサージ電圧抑制回路を代表させて説明する。
【００９９】
（サージ電圧抑制回路６０の構成）
図２はＩＧＢＴ５１側のサージ電圧抑制回路６０の部分図である。
【０１００】
すなわち、スイッチング素子８０のエミッタ８０Ｅとツェナーダイオード７０Ｔのアノードが接続される。スイッチング素子８０のベース８０Ｂが抵抗９０Ｒ１およびダイオード１００Ｄ１を介して蓄電池３０の正極端子３０ａに接続される。スイッチング素子８０のコレクタ８０Ｃが抵抗９０Ｒ２およびダイオード１００Ｄ２を介してＩＧＢＴ５１のゲート５１Ｇに接続される。ツェナーダイオード７０ＴのカソードがＩＧＢＴ５１のコレクタ５１Ｃに接続される。ツェナーダイオード７０ＴのアノードとＩＧＢＴ５１のゲート５１Ｇが抵抗９０Ｒ３で接続される。抵抗９０Ｒ１は電流制限用抵抗であり、正極端子３０ａとスイッチング素子８０の間にあればどこでもよい。また、蓄電池３０の正極端子３０ａとＩＧＢＴ５１のコレクタ５１Ｃ間にはリードインダクタンスＬ０が示されている。
【０１０１】
（サージ電圧抑制回路６０の動作）
次ぎにサージ電圧抑制回路６０の動作について説明する。
【０１０２】
図２のサージ電圧抑制回路６０では、ＩＧＢＴ５１の動作に伴い以下の動作が行われる。
【０１０３】
（１）ＩＧＢＴ５１がターンオフする。
【０１０４】
（２）ターンオフ後、リードインダクタンスＬ０を起因とするサージ電圧Ｖｓが発生する。
【０１０５】
（３）サージ電圧の発生によりＩＧＢＴ５１のコレクタ電圧Ｖｃが上昇する。
【０１０６】
（４）コレクタ電圧Ｖｃが蓄電池３０の電圧Ｖ１とツェナーダイオード７０Ｔのツェナー電圧Ｖｔの合計電圧値より大きくなると、すなわち、Ｖｃ＞Ｖ１＋Ｖｔになると、ツェナーダイオード７０Ｔに逆電流７０Ｔｉが流れる。
【０１０７】
（５）すると、スイッチング８０のオン電流がＩＧＢＴ５１のゲート５１Ｇ側に流れ込み、ゲート５１Ｇはオン状態になる。
【０１０８】
（６）ＩＧＢＴ５１がオン状態になると、コレクタ５１Ｃの電圧Ｖｃは急激に低下する。
【０１０９】
（７）コレクタ５１Ｃの電圧Ｖｃは蓄電池３０の電圧Ｖ１とツェナー電圧Ｖｔとの合計以上になることが抑制される。
【０１１０】
図３は蓄電池の電圧が１５０Ｖ、ツェナー電圧が１０Ｖの場合のサージ電圧抑制を説明する図である。横軸はＩＧＢＴのオン、オフする時間である。縦軸はＩＧＢＴのコレクタ５１Ｃとエミッタ５１Ｅ間の電圧Ｖc-eである。
【０１１１】
図３において、蓄電池３０の電圧Ｖ１は１５０Ｖであり、ＩＧＢＴ５１が時間ｔ１にターンオフされると、リードインダクタンスＬ０を起因としたサージ電圧Ｖｓが発生し、コレクタ５１Ｃの電圧ＶｃはＶ１（＝１５０Ｖ）＋Ｖｓまで上がろうとする。
【０１１２】
次ぎにコレクタ５１Ｃの電圧Ｖｃが１６０Ｖ以上になると、ツェナーダイオード７０Ｔに逆電流７０Ｔｉが流れるため、ＩＧＢＴ５１がオン状態になる。ＩＧＢＴ５１がオンするとコレクタ５１Ｃとエミッタ５１Ｅは導通する。そのため電圧Ｖc-eは急激に低下する。これにより電圧Ｖc-eは１６０Ｖ以上になることがない。すなわち、サージ電圧Ｖｓは時間ｔ１１まで最大１０Ｖの大きさで抑制され、それ以後急激に減衰し時間ｔ１２にサージ電圧はゼロとなる。結果としてＩＧＢＴ５１が放射ノイズを放射することがない。時間ｔ２におけるターンオフでも同様である。
【０１１３】
同様に図１の低圧側インバータ５０Ｂ１の他の３つのＩＧＢＴ側のサージ電圧抑制回路６０についても同じことがいえる。
【０１１４】
また図１の高圧側インバータ５０Ｃ１のサージ電圧抑制回路６０の場合は、スイッチング素子８０のベース８０Ｂが抵抗９０Ｒ１およびダイオード１００Ｄ１を介してキャパシタ３３の正極端子３３ａ（＝電池１１の電圧Ｖ０）に接続される。すなわち、サージ電圧抑制回路６０の上記（１）〜（７）の動作説明において、蓄電池３０の電圧Ｖ１をキャパシタ３３の電圧、すなわち電池１１の電圧Ｖ０に置き換えればよい。したがって、高圧側インバータ５０Ｃ１のサージ電圧抑制回路６０の動作は、低圧側インバータ５０Ｂ１のサージ電圧抑制回路６０の動作と基本的に同じであるのでその説明を省略する。
【０１１５】
このように、実施例１では、それぞれのＩＧＢＴのコレクタの電圧Ｖｃと蓄電池３０の電圧Ｖ１または電池１１の電圧Ｖ０の相対的な電圧差に基づきサージ電圧を抑制している。
【０１１６】
以上説明したように、実施例１によれば、電圧変動する蓄電池の正極側電極とＩＧＢＴのコレクタ側が接続された高速スイッチング装置において、ＩＧＢＴの動作時に発生するリードインダクタンスを起因とするサージ電圧を効果的に抑制することができる。
【０１１７】
また、実施例１のサージ電圧抑制回路は相対的な電圧に基づく抑制回路であるため、回路に使用するツェナーダイオードの定格を小さくすることができる。これにより、サージ電圧抑制回路の小型化および製造コスト低減が可能となる。
【実施例２】
【０１１８】
次ぎに本願発明の実施例２について説明する。
【０１１９】
実施例２の場合も、図１のハイブリッド電源システム１に適用した場合について説明する。
【０１２０】
図１の低圧側インバータ５０Ｂ１および高圧側インバータ５０Ｃ１には、それぞれのＩＧＢＴの近傍に本願発明のサージ電圧抑制回路６０が設けられている。以下では実施例２のサージ電圧抑制回路６０をサージ電圧抑制回路６０Ａと呼ぶ。なお、図１の８個のサージ電圧抑制回路６０Ａは構成およびその動作が基本的に同じであるため、以下では低圧側インバータ５０Ｂ１のＩＧＢＴ５１側のサージ電圧抑制回路を代表させて説明する。
【０１２１】
（サージ電圧抑制回路６０Ａの構成）
図４はＩＧＢＴ５１側のサージ電圧抑制回路６０Ａの部分図である。
【０１２２】
図４において、スイッチング素子８０のベース８０Ｂが抵抗９０Ｒ１およびダイオード１００Ｄ１を介してツェナーダイオード７０Ｔのカソードに接続される。抵抗９０Ｒ１は電流制限用抵抗であり、正極端子３０ａとスイッチング素子８０の間にあればどこでもよい。スイッチング素子８０のエミッタ８０ＥがＩＧＢＴ５１のコレクタ５１Ｃに接続される。スイッチング素子８０のコレクタ８０Ｃが抵抗９０Ｒ２およびダイオード７０Ｄ２を介してＩＧＢＴ５１のゲート５１Ｇに接続される。ツェナーダイオード７０Ｔのアノードが蓄電池３０の正極端子３０ａに接続される。また、蓄電池３０の正極端子３０ａとＩＧＢＴ５１のコレクタ５１Ｃ間にはリードインダクタンスＬ０が示されている。
【０１２３】
（サージ電圧抑制回路６０Ａの動作）
次ぎにサージ電圧抑制回路６０Ａの動作について説明する。
【０１２４】
図４のサージ電圧抑制回路６０Ａでは、ＩＧＢＴ５１の動作に伴い以下の動作が行われる。
【０１２５】
（１）ＩＧＢＴ５１がターンオフする。
【０１２６】
（２）ターンオフ後、リードインダクタンスＬ０を起因とするサージ電圧Ｖｓが発生する。
【０１２７】
（３）サージ電圧の発生によりＩＧＢＴ５１のコレクタ電圧Ｖｃが上昇する。
【０１２８】
（４）コレクタ電圧Ｖｃが蓄電池３０の電圧Ｖ１とツェナーダイオード７０Ｔのツェナー電圧Ｖｔの合計電圧値より大きくなると、すなわち、Ｖｃ＞Ｖ１＋Ｖｔになると、ツェナーダイオード７０Ｔに逆電流７０Ｔｉが流れる。
【０１２９】
（５）すると、スイッチング８０のオン電流がＩＧＢＴ５１のゲート５１Ｇ側に流れ込み、ゲート５１Ｇはオン状態になる。
【０１３０】
（６）ＩＧＢＴ５１がオン状態になると、コレクタ５１Ｃの電圧Ｖｃは急激に低下する。
【０１３１】
（７）コレクタ５１Ｃの電圧Ｖｃは蓄電池３０の電圧Ｖ１とツェナー電圧Ｖｔとの合計以上になることが抑制される。
【０１３２】
図５は蓄電池の電圧１５０Ｖ、ツェナー電圧１０Ｖの場合のサージ電圧抑制を説明する図である。横軸はＩＧＢＴのオン、オフする時間である。縦軸はＩＧＢＴのコレクタ５１Ｃとエミッタ５１Ｅ間の電圧Ｖc-eである。
【０１３３】
図５において、蓄電池３０の電圧Ｖ１は１５０Ｖであり、時間ｔ１にＩＧＢＴ５１がターンオフされるとサージ電圧Ｖｓが発生し、コレクタ５１Ｃの電圧は１５０＋Ｖｓになろうとする。次ぎにコレクタ電圧Ｖｃが１６０Ｖ以上になると、ツェナーダイオード７０Ｄに逆電流７０Ｔｉが流れるため、ＩＧＢＴ５１がオン状態になる。ＩＧＢＴ５１がオンするとコレクタ５１Ｃとエミッタ５１Ｅは導通する。そのためコレクタ電圧Ｖｃは急激に低下する。これにより電圧Ｖc-eは１６０Ｖ以上になることがない。すなわち、サージ電圧Ｖｓは時間ｔ１１まで最大１０Ｖの大きさで抑制され、それ以後急激に減衰し時間ｔ１２にサージ電圧はゼロとなる。結果として結果としてＩＧＢＴ５１が放射ノイズを放射することがない。時間ｔ２におけるターンオフでも同様である。
【０１３４】
同様に図１の低圧側インバータ５０Ｂ１の他の３つのＩＧＢＴ側のサージ電圧抑制回路６０Ａについても同じことがいえる。
【０１３５】
また図１の高圧側インバータ５０Ｃ１のサージ電圧抑制回路６０Ａの場合は、ツェナーダイオード７０Ｔのアノードがキャパシタ３３の正極端子３３ａ（＝電池１１の電圧Ｖ０）に接続される。すなわち、サージ電圧抑制回路６０Ａの上記（１）〜（７）の動作説明において、蓄電池３０の電圧Ｖ１をキャパシタ３３の電圧、すなわち電池１１の電圧Ｖ０に置き換えればよい。したがって、高圧側インバータ５０Ｃ１のサージ電圧抑制回路６０Ａの動作は、低圧側インバータ５０Ｂ１のサージ電圧抑制回路６０Ａの動作と基本的に同じであるのでその説明を省略する。
【０１３６】
以上説明したように、実施例２によれば、電圧変動する蓄電池の正極電極側とＩＧＢＴのコレクタ側が接続される高速スイッチング装置において、ＩＧＢＴの動作中に生じるサージ電圧を効果的に抑制することができる。
【０１３７】
また、実施例２のサージ電圧抑制回路は相対的な電圧に基づく抑制回路であるため、回路に使用するツェナーダイオードの定格を小さくすることができる。これにより、サージ電圧抑制回路の小型化および製造コスト低減が可能となる。
【実施例３】
【０１３８】
実施例１と実施例２は、ＩＧＢＴのコレクタ電圧Ｖｃと蓄電池３０の電圧Ｖ１の電圧差を利用する回路構成であった。
【０１３９】
それに対して実施例３は、ＩＧＢＴのコレクタ電圧Ｖｃとコレクタ電圧Ｖｃを平滑した電圧Ｖｈの電圧差を利用する回路構成である。
【０１４０】
実施例３の場合も、ハイブリッド電源システムに適用した場合について説明する。
【０１４１】
図６は、実施例３において本願発明を適用した建設機械用ハイブリッド電源システムの図である。
【０１４２】
図１と異なるところは、低圧側インバータ５０Ｂ１が低圧側インバータ５０Ｂ２となっており、高圧側インバータ５０Ｃ１が高圧側インバータ５０Ｃ２なっていることである。低圧側インバータ５０Ｂ２および高圧側インバータ５０Ｃ２のそれぞれのＩＧＢＴの近傍には実施例３のサージ電圧抑制回路６０Ｂが設けられている。８個のサージ電圧抑制回路６０Ｂは同じ構造であり、その動作も基本的に同じである。なお、図１の８個のサージ電圧抑制回路６０Ｂは構成およびその動作が基本的に同じであるため、以下では低圧側インバータ５０Ｂ２のＩＧＢＴ５１側のサージ電圧抑制回路を代表させて説明する。
【０１４３】
（サージ電圧抑制回路６０Ｂの構成）
図７はＩＧＢＴ５１側のサージ電圧抑制回路６０Ｂの部分図である。
【０１４４】
すなわち、スイッチング素子８０のエミッタ８０Ｅがツェナーダイオード７０Ｔのアノードに接続される。スイッチング素子８０のベース８０Ｂが抵抗９０Ｒ１およびダイオード１００Ｄ１を介して、平滑回路１１０の平滑点１１０Ａに接続される。スイッチング素子８０のコレクタ８０Ｃが抵抗９０Ｒ２およびダイオード１００Ｄ２を介してＩＧＢＴ５１のゲート５１Ｇに接続される。ツェナーダイオード７０ＴのカソードがＩＧＢＴ５１のコレクタ５１Ｃに接続される。抵抗１１０Ｒの一端がＩＧＢＴ５１のコレクタ５１Ｃに接続され、他端がコンデンサ１１０Ｃの一端に接続される。コンデンサ１１０Ｃの他端が蓄電池３０の負極側と接続される。抵抗９０Ｒ１は電流制限用抵抗である。抵抗９０Ｒ１の配置は、平滑点１１０Ａとスイッチング素子８０の間にあればどこでもよい。また、蓄電池３０とＩＧＢＴ５１のコレクタ５１Ｃ間にはリードインダクタンスＬ０が示されている。
【０１４５】
（サージ電圧抑制回路６０Ｂの動作）
次ぎに上記サージ電圧抑制回路６０Ｂの動作について説明する。
【０１４６】
図７のサージ電圧抑制回路６０Ｂでは、ＩＧＢＴ５１の動作に伴い以下の動作が行われる。
【０１４７】
（１）ＩＧＢＴ５１がターンオフする。
【０１４８】
（２）ターンオフ後、リードインダクタンスＬ０を起因とするサージ電圧Ｖｓが発生する。
【０１４９】
（３）サージ電圧の発生によりＩＧＢＴ５１のコレクタ電圧Ｖｃが上昇する。
【０１５０】
（４）コレクタ電圧Ｖｃを平滑回路１１０で平滑する。平滑点１１０Ａの平滑電圧をＶｈとする。平滑電圧Ｖｈは近似的にコレクタ５１Ｃに印加された蓄電池３０の電圧Ｖ１で表される。言い換えれば平滑回路１１０における蓄電池３０の正極とコンデンサ１１０Ｃの正極は同電位である。
【０１５１】
（５）コレクタ電圧Ｖｃが蓄電池３０の電圧Ｖ１とツェナーダイオード７０Ｔのツェナー電圧Ｖｔの合計電圧値より大きくなると、すなわち、Ｖｃ＞Ｖ１＋Ｖｔになると、ツェナーダイオード７０Ｔに逆電流７０Ｔｉが流れる。
【０１５２】
（６）すると、スイッチング８０のオン電流がＩＧＢＴ５１のゲート５１Ｇ側に流れ込み、ゲート５１Ｇはオン状態になる。
【０１５３】
（７）ＩＧＢＴ５１がオン状態になると、コレクタ５１Ｃの電圧Ｖｃは急激に低下する。
【０１５４】
（８）コレクタ５１Ｃの電圧Ｖｃは蓄電池３０の電圧Ｖ１とツェナー電圧Ｖｔとの合計以上になることが抑制される。
【０１５５】
実施例３におけるサージ電圧抑制の態様は、実施例１の図３および実施例２の図５に説明した内容と基本的に同じである。また実施例３で得られる効果も実施例１および実施例２の場合と全く同じである。したがって、これらの説明については省略する。
【０１５６】
同様に図６の低圧側インバータ５０Ｂ２の他の３つのＩＧＢＴ側のサージ電圧抑制回路６０Ｂについても同じことがいえる。
【０１５７】
また図６の高圧側インバータ５０Ｃ２のサージ電圧抑制回路６０Ｂの動作は、低圧側インバータ５０Ｂ２のサージ電圧抑制回路６０Ｂの動作と基本的に同じであるのでその説明を省略する。
【０１５８】
以上説明したように、本願発明によれば、電圧変動する蓄電池の正極電極側とＩＧＢＴのコレクタ側が接続される高速スイッチング装置において、ＩＧＢＴの動作中に生じるサージ電圧を効果的に抑制することができる。
【０１５９】
また、本願発明のサージ電圧抑制回路は相対的な電圧に基づく抑制回路であるため、回路に使用するツェナーダイオードの定格を小さくすることができる。これにより、サージ電圧抑制回路の小型化および製造コスト低減が可能となる。
【０１６０】
なお、上記実施例ではハイブリッド電源システム用高速スイッチング素子としてＩＧＢＴを想定したが、パワーＭＯＳＦＥＴ等の電力用スイッチング素子であってもよい。
【０１６１】
上記実施例では本願発明を建設機械用ハイブリッド電源システムに適用して説明したが、本願発明は電圧変動の大きい蓄電池に接続されたスイッチング素子のサージ電圧抑制回路として一般的に適用できる。
【０１６２】
また上記実施例では、ＩＧＢＴを使用した昇圧器の回路を用いて説明したが、昇圧器以外であってもたとえばモータドライバーであっても同様な作用効果をもたらすことができる。
【０１６３】
図８は、３相のモータを駆動するドライバー回路にサージ電圧抑制回路を適用した例である。ドライバー回路２００は、２つのＩＧＢＴが直列に接続された第１の回路２０１と、第１の回路と同様な第２の回路２０２および第３の回路２０３が並列に接続され、前記直列に接続されたＩＧＢＴのエミッタとコレクタ間の導体経路にモータの信号線２０４，２０５，２０６が接続されているものである。図中のコイルＡＡはモータのコイルを表している。
【０１６４】
図８に示すドライバー回路２００の場合であっても、図に示すように本願実施例のサージ電圧抑制回路６０を接続すればサージ電圧を抑制することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１６５】
【図１】図１は、実施例１において本願発明を適用した建設機械用ハイブリッド電源システムの図である。
【図２】図２はＩＧＢＴ５１側のサージ電圧抑制回路６０の部分図である。
【図３】図３は蓄電池の電圧１５０Ｖ、ツェナー電圧１０Ｖの場合のサージ電圧抑制を説明する図である。
【図４】図４はＩＧＢＴ５１側のサージ電圧抑制回路６０Ａの部分図である。
【図５】図５は蓄電池の電圧１５０Ｖ、ツェナー電圧１０Ｖの場合のサージ電圧抑制を説明する図である。
【図６】図６は、実施例３において本願発明を適用した建設機械用ハイブリッド電源システムの図である。
【図７】図７はＩＧＢＴ５１側のサージ電圧抑制回路６０Ｂの部分図である。
【図８】図８は３相のモータを駆動するドライバー回路にサージ電圧抑制回路を適用した例である。
【図９】図９は建設機械用ハイブリッド電源システムの構成例である。
【図１０】図１０は図９のスイッチング素子５１近傍の部分回路である。
【図１１】図１１は図１０の部分回路に発生したサージ電圧波形の模式図である。
【図１２】図１２は特許文献１におけるサージ電圧抑制回路の原理を説明する図である。
【図１３】図１３はツェナーダイオード７０Ｔでサージ電圧が抑制された場合の電圧波形を説明するための図である。
【図１４】図１４はツェナーダイオード７０Ｔでサージ電圧が抑制されない場合の電圧波形を説明するための図である。
【符号の説明】
【０１６６】
Ｖ１ 蓄電池の電圧
Ｌ 変圧器の漏れインダクタンス
Ｌ０ リードインダクタンス
１０ 主電源
３０ 蓄電池
５０ 副電源
５０Ａ ＡＣリンク双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ
５０Ｂ、５０Ｂ１、５０Ｂ２ 低圧側インバータ
５０Ｃ、５０Ｃ１、５０Ｃ２ 高圧側インバータ
６０ サージ電圧抑制回路
７０Ｔ ツェナーダイオード
８０ スイッチング素子
１１０ 平滑回路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子の動作時に発生するサージ電圧を抑制する回路に関し、特に電圧変動する蓄電池に接続された電力用ＩＧＢＴの高速スイッチング動作時に発生するサージ電圧を抑制する回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
ハイブリッド建設機械は、短時間内での繰り返し作業が多く、モータ等の電動装置に対する負荷が大幅に、急激に、しかも頻繁に変動する。
【０００３】
モータ等の電動装置を駆動するために、ＩＧＢＴを用いたスイッチング素子を使用している。このＩＧＢＴにおいては高速スイッチングを行った場合、素子がターンオフするとき高いｄＶ／ｄｔから大きなサージ過電圧が発生する。ハイブリッド建設機械では負荷変動の激しいモータ等の電動装置を高電圧で駆動するためにサージ過電圧の現象が顕著となる。
【０００４】
なお以下において、本願発明ではハイブリッド電源システムから電力が供給される電動装置は本質的でないのでその説明を省略する。
【０００５】
図９は、建設機械用ハイブリッド電源システムの構成例である。
【０００６】
図９において、ハイブリッド電源システム１は主電源１０と副電源５０とからなる。主電源１０（発電電動機により発生した電力をドライバーを介して供給されるのであるが、等価的に電池１１として表現している。）は電池１１（電圧Ｖ０）を有しており、正極ライン１２および負極ライン１３を介して副電源５０と接続される。副電源５０は、ＡＣリンク双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５０Ａとエネルギー蓄積装置である蓄電池３０（電圧Ｖ１）とで構成される。ＡＣリンク双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５０Ａは、低圧側インバータ５０Ｂと高圧側インバータ５０Ｃと変圧器５０Ｄとで構成される。
【０００７】
低圧側インバータ５０Ｂと、高圧側インバータ５０Ｃは、低圧側インバータ５０Ｂの正極と高圧側インバータ５０Ｃの負極とが加極性となるように電気的に直列接続されている。
【０００８】
低圧側インバータ５０Ｂは、変圧器５０Ｄのコイル５０ｄにブリッジ接続された４つのＩＧＢＴ５１、５２、５３、５４と、ＩＧＢＴ５１、５２、５３、５４それぞれに並列に極性が逆向きに接続されたダイオード１５１、１５２、１５３、１５４を含んで構成されている。ＩＧＢＴとは絶縁ゲートバイポーラトランジスタのことで、高速スイッチング用半導体素子として使用される。ＩＧＢＴ５１、５２、５３、５４は、ゲートにスイッチング信号が印加されることによりオンされ、コレクタからエミッタに電流が流れる。
【０００９】
蓄電池３０の正極端子３０ａは、正極ライン３１を介してＩＧＢＴ５１のコレクタに電気的に接続されている。ＩＧＢＴ５１のエミッタはＩＧＢＴ５２のコレクタに電気的に接続されている。ＩＧＢＴ５２のエミッタは、負極ライン３２を介して蓄電池３０の負極端子３０ｂに電気的に接続されている。
【００１０】
同様に、蓄電池３０の正極端子３０ａは、正極ライン３１を介してＩＧＢＴ５３のコレクタに電気的に接続されている。ＩＧＢＴ５３のエミッタはＩＧＢＴ５４のコレクタに電気的に接続されている。ＩＧＢＴ５４のエミッタは、負極ライン３２を介して蓄電池３０の負極端子３０ｂに電気的に接続されている。
【００１１】
ＩＧＢＴ５１のエミッタ（ダイオード１５１のアノード）およびＩＧＢＴ５２のコレクタ（ダイオード１５２のカソード）は、変圧器５０Ｄのコイル５０ｄの一方の端子に接続されているとともに、ＩＧＢＴ５３のエミッタ（ダイオード１５３のアノード）およびＩＧＢＴ５４のコレクタ（ダイオード１５４のカソード）は、変圧器５０Ｄのコイル５０ｄの他方の端子に接続されている。
【００１２】
ＩＧＢＴ５１、５４の組とＩＧＢＴ５２、５３の組は交互にオン、オフされる。
【００１３】
高圧側インバータ５０Ｃは、変圧器５０Ｄのコイル５０ｅにブリッジ接続された４つのＩＧＢＴ５５、５６、５７、５８と、ＩＧＢＴ５５、５６、５７、５８それぞれに並列に極性が逆向きに接続されたダイオード１５５、１５６、１５７、１５８を含んで構成されている。ＩＧＢＴ５５、５６、５７、５８は、ゲートにスイッチング信号が印加されることによりオンされ、コレクタからエミッタに電流が流れる。
【００１４】
ＩＧＢＴ５５、５７のコレクタは、正極ライン１２を介して主電源１０の電池１１に電気的に接続されている。ＩＧＢＴ５５のエミッタはＩＧＢＴ５６のコレクタに電気的に接続されている。ＩＧＢＴ５７のエミッタはＩＧＢＴ５８のコレクタに電気的に接続されている。ＩＧＢＴ５６、５８のエミッタは、正極ライン３１、つまり低圧側インバータ５０ＢのＩＧＢＴ５１、５３のコレクタに電気的に接続されている。
【００１５】
ＩＧＢＴ５５のエミッタ（ダイオード１５５のアノード）およびＩＧＢＴ５６のコレクタ（ダイオード１５６のカソード）は、変圧器５０Ｄのコイル５０ｅの一方の端子に電気的に接続されているとともに、ＩＧＢＴ５７のエミッタ（ダイオード１５７のアノード）およびＩＧＢＴ５８のコレクタ（ダイオード１５８のカソード）は、変圧器５０Ｄのコイル５０ｅの他方の端子に電気的に接続されている。
【００１６】
ＩＧＢＴ５５、５８の組とＩＧＢＴ５６、５７の組は交互にオン、オフされる。
【００１７】
ＩＧＢＴ５５、５７のコレクタが接続される正極ライン１２とＩＧＢＴ５６、５８のエミッタが接続される正極ライン３１の間にはキャパシタ３３が電気的に接続されている。キャパシタ３３はサージ吸収用であり小容量キャパシタでよい。
【００１８】
変圧器５０Ｄは、一定値Ｌの漏れインダクタンス（図９ではコイル５０ｄ側にＬ/２、コイル５０ｅ側にＬ/２となるように分割している）を有している。
【００１９】
上記構成のハイブリッド電源システム１によれば、電動装置の負荷が大幅、急激、かつ頻繁に変動したとしても、副電源５０から主電源１０の電力容量を補う電力供給を行うことができる。一方、副電源５０の蓄電池３０は大きな電圧変動を伴う。
【００２０】
具体的には、ハイブリッド建設機械では、主電源の電圧Ｖ０は６００Ｖ程度の高電圧に維持される。一方、副電源の蓄電池３０の電圧Ｖ１は３００Ｖ程度以下の低電圧であり、たとえば１５０Ｖ〜２７０Ｖの大きな電圧変動範囲で使用される。
【００２１】
ところでハイブリッド電源システム１の場合、ＩＧＢＴをオン状態からオフ状態にスイッチすると（以下ターンオフという）、オン状態で流れていた大電流が急に遮断されるため、たとえば蓄電池３０とＩＧＢＴ５１を接続する配線等に起因する浮遊インダクタンス（以下リードインダクタンスという）により、ＩＧＢＴのコレクタとエミッタ間の電圧が蓄電池３０の電圧に重畳してはね上がる。このはね上がった電圧はターンオフサージ電圧（以下単にサージ電圧Ｖｓという）といわれる。
【００２２】
次にターンオフで発生するサージ電圧について説明する。
【００２３】
図１０は図９のＩＧＢＴ５１近傍の部分回路である。
【００２４】
図１０において、蓄電池３０の正極端子３０ａとＩＧＢＴ５１のコレクタ５１Ｃは正極ライン３１を介して接続されている。図１０はリードインダクタンスをＬ０として示している。
【００２５】
図１１は図１０の部分回路に発生したサージ電圧波形の模式図である。
【００２６】
図１１の横軸はＩＧＢＴ５１をオン、オフする時間軸である。縦軸はＩＧＢＴ５１のコレクタとエミッタ間の電圧Ｖc-eである。
【００２７】
ＩＧＢＴ５１がオンのときはコレクタ５１Ｃとエミッタ５１Ｅ間が導通するのでＶc-eはゼロであるが、たとえば時間ｔ１でＩＧＢＴ５１をターンオフすると、蓄電池３０の電圧Ｖ１とリードインダクタンスL０に起因するＬ０（ｄｉ／ｄｔ）の大きさのサージ電圧Ｖｓを合計した電圧（＝Ｖ１＋Ｖｓ）がコレクタ５１Ｃに印加される。ｉはリードインダクタンスＬ０を流れる電流値である。サージ電圧は電流ｉの時間的変化率に比例するため、ＩＧＢＴ５１のスイッチング速度が大きくなるほどサージ電圧Ｖｓも大きくなる。
【００２８】
時間ｔ１にＩＧＢＴ５１をターンオフすると、サージ電圧Ｖｓは最大電圧Ｖｓｍａｘに到達し、その後蓄電池３０の電圧Ｖ１に重畳して高速減衰振動する。高速減衰振動による高周波ノイズ（以下放射ノイズという）は有害電波として周囲に放射される。時間ｔ２におけるＩＧＢＴ５１のターンオフでも同じことが行われる。上記したことはターンオフで大きなサージ電圧を発生する他のＩＧＢＴにも同様にあてはまる。
【００２９】
そこで従来、ターンオフで発生するＩＧＢＴのサージ電圧を抑制する方法として、各ＩＧＢＴにスナバ回路を付けてサージ電圧を吸収する方法がある。スナバ回路の場合、ＲＣ回路を用いるためスイッチング速度が高くなるとスナバ回路の損失が顕著になる。
【００３０】
スナバ回路の欠点を克服する回路が下記特許文献１に開示されている。
【００３１】
図１２は特許文献１におけるサージ電圧抑制回路の原理を説明する図である。
【００３２】
なお特許文献１では、複数のツェナーダイオードを並列して設けた回路としている。ここでは特許文献１における基本原理が分かればよいので、以下では説明を簡単にするためにツェナーダイオードの数を１個とした。
【００３３】
図１２が図１０と異なるところは、ツェナーダイオード７０Ｔのアノード側がＩＧＢＴ５１のゲート５１Ｇと接続され、ツェナーダイオード７０Ｔのカソード側が抵抗９０Ｒを介してＩＧＢＴ５１のコレクタ５１Ｃと接続されることである。
【００３４】
上記サージ電圧抑制回路により以下の動作が行われる。
【００３５】
（１）ＩＧＢＴ５１のコレクタ５１Ｃとゲート５１Ｇ間の電圧Ｖc-gがツェナーダイオード７０Ｔのツェナー電圧Ｖtより大きくなると、ＩＧＢＴ５１のゲート５１Ｇにツェナーダイオード７０Ｔを介して電流が流れＩＧＢＴ５１のゲート５１Ｇがオンされる。
【００３６】
（２）すると、ＩＧＢＴ５１のコレクタ５１Ｃとエミッタ５１Ｅ間が導通してコレクタ電圧Ｖｃが急激に低下する。
【００３７】
（３）コレクタ電圧Ｖｃが急激に低下し、コレクタ５１Ｃとゲート５１Ｇ間の電圧Ｖc-gがツェナー電圧Ｖｔ以下になると、コレクタ５１Ｃとゲート５１Ｇ間は遮断されゲート５１Ｇはオフになる。
【００３８】
上記（１）〜（３）の動作により、大きなサージ電圧Ｖsが発生しても、コレクタ５１Ｃとゲート５１Ｇ間の電圧Ｖc-gが、コレクタ５１Ｃとゲート５１Ｇ間に設けたツェナーダイオード７０Ｔのツェナー電圧Ｖｔ以上になることが抑制される。
【００３９】
図１３はツェナーダイオード７０Ｔでサージ電圧が抑制された場合の電圧波形を説明するための図である。ここでは蓄電池３０の電圧を２７０Ｖとし、ツェナー電圧を２８０Ｖとした場合を想定している。
【００４０】
なお、コレクタ５１Ｃとエミッタ５１Ｅ間の電圧Ｖc-eとコレクタ５１Ｃとゲート５１Ｇ間の電圧Ｖc-gは厳密には異なるが、両者の電圧差は小さく、本願発明ではその違いは本質的ではないので、以下ではＶc-eとＶc-gを近似的に同じものとして説明する。
【００４１】
図１３の場合、時間ｔ１にＩＧＢＴ５１をターンオフすると、蓄電池３０の電圧（Ｖ１＝２７０Ｖ）にリードインダクタンスを起因として発生したサージ電圧Ｖｓが重畳される。
【００４２】
図１３の時間軸のｔ１〜ｔ１１間（領域Ｒ１）は、サージ電圧Ｖｓが２８０Ｖで抑制される。その後２８０Ｖで抑制されたサージ電圧Ｖｓは急激に減衰して（時間軸のｔ１１〜ｔ１２間：領域Ｒ２）、高速振動することなく蓄電池３０の２７０Ｖの電圧波形に重畳される。すなわち、サージ電圧は最大１０Ｖの大きさで抑制される。これにより、サージ電圧による放射ノイズの発生が抑制される。上記動作は時間ｔ２におけるターンオフにおいても同様である。
【特許文献１】特開平１１−１７８３１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００４３】
ところで、建設機械用ハイブリッド電源システムでは副電源の蓄電池の電圧変動が大きい。そのため、特許文献１に開示されたサージ電圧抑制回路をハイブリッド電源システム１に適用すると以下の問題が生じる。
【００４４】
すでに説明したように、図１２において、ツェナーダイオード７０Ｔのツェナー電圧を２８０Ｖに設定した場合、蓄電池３０の電圧が２７０Ｖ程度であれば蓄電池３０の電圧より約１０Ｖ高い２８０Ｖを上限値としてサージ電圧抑制回路が効果的に作動する。すなわちサージ電圧は最大でも１０Ｖの大きさで抑制され、結果として放射ノイズの発生が抑制される。
【００４５】
一方、図１２において、ツェナー電圧を２８０Ｖに設定しておき、蓄電池３０が電圧変動して１５０Ｖになった場合を想定する。
【００４６】
この場合はツェナーダイオード７０Ｔのツェナー電圧が２８０Ｖであるので、蓄電池３０の電圧１５０Ｖから２８０Ｖに存在するサージ電圧Ｖｓは特に抑制されることがない。
【００４７】
図１４はツェナーダイオード７０Ｔでサージ電圧Ｖｓが抑制されないときの電圧波形を説明するための図である。
【００４８】
時間ｔ１にターンオフされると、コレクタ５１Ｃとエミッタ５１Ｅ間の電圧Ｖc-eは蓄電池３０の電圧Ｖ１（＝１５０Ｖ）＋サージ電圧Ｖｓとなる。
【００４９】
ところが図１４に示すように、ツェナーダイオード７０Ｔのツェナー電圧Ｖｔを２８０Ｖに設定しているため、１５０Ｖ〜２８０Ｖ間に存在するサージ電圧Ｖｓは全く抑制できない。言い換えると、１３０Ｖの最大電圧Ｖｓｍａｘをもつサージ電圧による放射ノイズが発生する。この放射ノイズはたとえば周囲にあるラジオに対して有害電波となる。
【００５０】
以上のように、蓄電池に大きな電圧変動がある場合、特許文献１に開示されたサージ電圧抑制回路ではターンオフにより発生するサージ電圧を効果的に抑制できない。
【００５１】
上記問題に鑑み、本願発明の目的は、電圧変動する蓄電池の上流側とＩＧＢＴのコレクタが接続されるスイッチング装置において、ＩＧＢＴの動作時に発生するリードインダクタンスを起因とするサージ電圧を効果的に抑制するサージ電圧抑制回路を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００５２】
以上のような目的を達成するために、第１発明は、
電圧変動する蓄電池と接続された複数のＩＧＢＴを有するサージ電圧抑制回路であって、
前記ＩＧＢＴのスイッチング回路は、少なくとも２つのＩＧＢＴが直列に接続された第１の回路と、前記第１の回路と同様な構成の第２の回路が並列に接続され、
前記第１の回路、第２の回路に設けられたそれぞれのＩＧＢＴのコレクタとベース間に、ツェナーダイオードとスイッチング素子が配され、
前記ツェナーダイオードのカソード側が前記ＩＧＢＴのコレクタに接続され、
前記ツェナーダイオードのアノード側は前記スイッチング素子のコレクタに接続され、
前記スイッチング素子のエミッタは第１の抵抗と第１のダイオードを介して前記ＩＧＢＴのベースに接続され、かつ、前記スイッチング素子のベースは第２の抵抗と第２のダイオードを介して前記蓄電池の上流側に接続されてなり、
前記ＩＧＢＴの動作時に、前記ＩＧＢＴのコレクタ電圧が、前記蓄電池の電圧と前記ツェナーダイオードのツェナー電圧の合計より大きくなると、前記スイッチング素子がオンされることを特徴とする。
【００５３】
第２発明は、
電圧変動する蓄電池と接続された複数のＩＧＢＴを有するサージ電圧抑制回路であって、
前記ＩＧＢＴのスイッチング回路は、少なくとも２つのＩＧＢＴが直列に接続された第１の回路と、前記第１の回路と同様な構成の第２の回路が並列に接続され、
前記第１の回路、第２の回路に設けられたそれぞれのＩＧＢＴのベースと前記蓄電池の上流側端子間にツェナーダイオードが配され、
前記ＩＧＢＴのコレクタとベース間にスイッチング素子が配され、
前記スイッチング素子のコレクタは前記ＩＧＢＴのコレクタと接続され、
前記ツェナーダイオードのカソード側が第１の抵抗を介して前記スイッチング素子のベースに接続され、
前記スイッチング素子のエミッタは第１の抵抗と第１のダイオードを介して前記ＩＧＢＴのベースに接続され、かつ、前記ツェナーダイオードのアノード側は第１のダイオードを介して前記蓄電池の上流側に接続されてなり、
前記ＩＧＢＴの動作時に、前記ＩＧＢＴのコレクタ電圧が、前記蓄電池の電圧と前記ツェナーダイオードのツェナー電圧の合計より大きくなると、前記スイッチング素子がオンされることを特徴とする。
【００５４】
上記請求項１、２に係わる発明は基本的なサージ電圧抑制の動作は同じであるので、ここでは第１発明における場合を図２を用いて説明する。
【００５５】
図２のサージ電圧抑制回路６０では、ＩＧＢＴ５１の動作に伴い以下の動作が行われる。
【００５６】
（１）ＩＧＢＴ５１がターンオフする。
【００５７】
（２）ターンオフ後、リードインダクタンスＬ０を起因とするサージ電圧Ｖｓが発生する。
【００５８】
（３）サージ電圧の発生によりＩＧＢＴ５１のコレクタ電圧Ｖｃが上昇する。
【００５９】
（４）コレクタ電圧Ｖｃが蓄電池３０の電圧Ｖ１とツェナーダイオード７０Ｔのツェナー電圧Ｖｔの合計電圧値より大きくなると、すなわち、Ｖｃ＞Ｖ１＋Ｖｔになると、ツェナーダイオード７０Ｔに逆電流７０Ｔｉが流れる。
【００６０】
（５）すると、スイッチング８０のオン電流がＩＧＢＴ５１のゲート５１Ｇ側に流れ込み、ゲート５１Ｇはオン状態になる。
【００６１】
（６）ＩＧＢＴ５１がオン状態になると、コレクタ５１Ｃの電圧Ｖｃは急激に低下する。
【００６２】
（７）コレクタ５１Ｃの電圧Ｖｃは蓄電池３０の電圧Ｖ１とツェナー電圧Ｖｔとの合計以上になることが抑制される。
【００６３】
同様に図１のほかのＩＧＢＴのサージ電圧抑制回路６０、６０Ａについても同じことがいえる。
【００６４】
第３発明は、
電圧変動する蓄電池と接続された複数のＩＧＢＴを有するサージ電圧抑制回路であって、
前記ＩＧＢＴのスイッチング回路は、少なくとも２つのＩＧＢＴが直列に接続された第１の回路と、前記第１の回路と同様な構成の第２の回路が並列に接続され、
前記第１の回路、第２の回路に設けられたそれぞれのＩＧＢＴのコレクタとベース間に、ツェナーダイオードとスイッチング素子が配され、
前記ツェナーダイオードのカソード側が前記ＩＧＢＴのコレクタに接続され、
前記ツェナーダイオードのアノード側は前記スイッチング素子のコレクタに接続され、
前記ＩＧＢＴのコレクタが第１の抵抗とコンデンサを介して前記蓄電池の下流側に接続され、
前記スイッチング素子のエミッタは第２の抵抗と第１のダイオードを介して前記ＩＧＢＴのベースに接続され、かつ、前記スイッチング素子のベースは第３の抵抗と第２のダイオードを介して前記第１の抵抗の端子と前記コンデンサの端子の間の導体経路に接続されてなり、
前記ＩＧＢＴの動作時に、前記ＩＧＢＴのコレクタ電圧が、前記蓄電池の電圧と前記ツェナーダイオードのツェナー電圧の合計より大きくなると、前記スイッチング素子がオンされることを特徴とする。
【００６５】
第３発明を図７を用いて説明する。
【００６６】
図７のサージ電圧抑制回路６０Ｂでは、ＩＧＢＴ５１の動作に伴い以下の動作が行われる。
【００６７】
（１）ＩＧＢＴ５１がターンオフする。
【００６８】
（２）ターンオフ後、リードインダクタンスＬ０を起因とするサージ電圧Ｖｓが発生する。
【００６９】
（３）サージ電圧の発生によりＩＧＢＴ５１のコレクタ電圧Ｖｃが上昇する。
【００７０】
（４）コレクタ電圧Ｖｃを平滑回路１１０で平滑する。平滑点１１０Ａの平滑電圧をＶｈとする。平滑電圧Ｖｈは近似的にコレクタ５１Ｃに印加された蓄電池３０の電圧Ｖ１で表される。言い換えれば平滑回路１１０における蓄電池３０の正極とコンデンサ１１０Ｃの正極は同電位である。
【００７１】
（５）コレクタ電圧Ｖｃが蓄電池３０の電圧Ｖ１とツェナーダイオード７０Ｔのツェナー電圧Ｖｔの合計電圧値より大きくなると、すなわち、Ｖｃ＞Ｖ１＋Ｖｔになると、ツェナーダイオード７０Ｔに逆電流７０Ｔｉが流れる。
【００７２】
（６）すると、スイッチング８０のオン電流がＩＧＢＴ５１のゲート５１Ｇ側に流れ込み、ゲート５１Ｇはオン状態になる。
【００７３】
（７）ＩＧＢＴ５１がオン状態になると、コレクタ５１Ｃの電圧Ｖｃは急激に低下する。
【００７４】
（８）コレクタ５１Ｃの電圧Ｖｃは蓄電池３０の電圧Ｖ１とツェナー電圧Ｖｔとの合計以上になることが抑制される。
【００７５】
同様に図６のほかのＩＧＢＴのサージ電圧抑制回路６０Ｂについても同じことがいえる。
【発明の効果】
【００７６】
第１発明乃至第３発明によれば、蓄電池の電圧が大きく変動しても、ＩＧＢＴの動作時に発生するリードインダクタンスを起因とするサージ電圧を効果的に抑制することができ、有害な放射ノイズを周囲に放射させることがない。
【００７７】
また、定格の小さいツェナーダイオードを用いてサージ電圧を抑制できるので、サージ電圧抑制回路の構成を小型にでき、サージ電圧抑制回路の製造コストを低減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００７８】
以下、本願発明のスイッチング装置のサージ電圧抑制回路の実施例について図を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００７９】
図１は、実施例１において本願発明を適用した建設機械用ハイブリッド電源システムの図である。
【００８０】
図１において、ハイブリッド電源システム１は、主電源１０と副電源５０とからなる。主電源１０（発電電動機により発生した電力をドライバーを介して供給されるのであるが、等価的に電池１１として表現している。）は電池１１（電圧Ｖ０）を有しており、正極ライン１２および負極ライン１３を介して副電源５０と接続される。副電源５０は、ＡＣリンク双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５０Ａとエネルギー蓄積装置である蓄電池３０（電圧Ｖ１）とで構成される。ＡＣリンク双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５０Ａは、低圧側インバータ５０Ｂ１と高圧側インバータ５０Ｃ１と変圧器５０Ｄとで構成される。
【００８１】
低圧側インバータ５０Ｂ１と、高圧側インバータ５０Ｃ１は、低圧側インバータ５０Ｂ１の正極と高圧側インバータ５０Ｃ１の負極とが加極性となるように電気的に直列接続されている。
【００８２】
低圧側インバータ５０Ｂ１は、変圧器５０Ｄのコイル５０ｄにブリッジ接続された４つのＩＧＢＴ５１、５２、５３、５４と、ＩＧＢＴ５１、５２、５３、５４それぞれに並列に極性が逆向きに接続されたダイオード１５１、１５２、１５３、１５４を含んで構成されている。ＩＧＢＴとは絶縁ゲートバイポーラトランジスタのことで、高速スイッチング用半導体素子として使用される。ＩＧＢＴ５１、５２、５３、５４は、ゲートにスイッチング信号が印加されることによりオンされ、コレクタからエミッタに電流が流れる。
【００８３】
蓄電池３０の正極端子３０ａは、正極ライン３１を介してＩＧＢＴ５１のコレクタに電気的に接続されている。ＩＧＢＴ５１のエミッタはＩＧＢＴ５２のコレクタに電気的に接続されている。ＩＧＢＴ５２のエミッタは、負極ライン３２を介して蓄電池３０の負極端子３０ｂに電気的に接続されている。
【００８４】
同様に、蓄電池３０の正極端子３０ａは、正極ライン３１を介してＩＧＢＴ５３のコレクタに電気的に接続されている。ＩＧＢＴ５３のエミッタはＩＧＢＴ５４のコレクタに電気的に接続されている。ＩＧＢＴ５４のエミッタは、負極ライン３２を介して蓄電池３０の負極端子３０ｂに電気的に接続されている。
【００８５】
ＩＧＢＴ５１のエミッタ（ダイオード１５１のアノード）およびＩＧＢＴ５２のコレクタ（ダイオード１５２のカソード）は、変圧器５０Ｄのコイル５０ｄの一方の端子に接続されているとともに、ＩＧＢＴ５３のエミッタ（ダイオード１５３のアノード）およびＩＧＢＴ５４のコレクタ（ダイオード１５４のカソード）は、変圧器５０Ｄのコイル５０ｄの他方の端子に接続されている。
【００８６】
ＩＧＢＴ５１、５４の組とＩＧＢＴ５２、５３の組は交互にオン、オフされる。
【００８７】
高圧側インバータ５０Ｃ１は、変圧器５０Ｄのコイル５０ｅにブリッジ接続された４つのＩＧＢＴ５５、５６、５７、５８と、ＩＧＢＴ５５、５６、５７、５８それぞれに並列に極性が逆向きに接続されたダイオード１５５、１５６、１５７、１５８を含んで構成されている。ＩＧＢＴ５１、５２、５３、５４は、ゲートにスイッチング信号が印加されることによりオンされ、コレクタからエミッタに電流が流れる。
【００８８】
ＩＧＢＴ５５、５７のコレクタは、正極ライン１２を介して主電源１０の電池１１に電気的に接続されている。ＩＧＢＴ５５のエミッタはＩＧＢＴ５６のコレクタに電気的に接続されている。ＩＧＢＴ５７のエミッタはＩＧＢＴ５８のコレクタに電気的に接続されている。ＩＧＢＴ５６、５８のエミッタは、正極ライン３１、つまり低圧側インバータ５０ＢのＩＧＢＴ５１、５３のコレクタに電気的に接続されている。
【００８９】
ＩＧＢＴ５５のエミッタ（ダイオード１５５のアノード）およびＩＧＢＴ５６のコレクタ（ダイオード１５６のカソード）は、変圧器５０Ｄのコイル５０ｅの一方の端子に電気的に接続されているとともに、ＩＧＢＴ５７のエミッタ（ダイオード１５７のアノード）およびＩＧＢＴ５８のコレクタ（ダイオード１５８のカソード）は、変圧器５０Ｄのコイル５０ｅの他方の端子に電気的に接続されている。
【００９０】
ＩＧＢＴ５５、５８の組とＩＧＢＴ５６、５７の組は交互にオン、オフされる。
【００９１】
ＩＧＢＴ５５、５７のコレクタが接続される正極ライン１２とＩＧＢＴ５６、５８のエミッタが接続される正極ライン３１の間にはキャパシタ３３が電気的に接続されている。キャパシタ３３はサージ吸収用であり小容量キャパシタでよい。
【００９２】
変圧器５０Ｄは一定値Ｌの漏れインダクタンス（図１ではコイル５０ｄ側にＬ/２、コイル５０ｅ側にＬ/２となるように分割している）を有している。インバータの高速スイッチング制御を用いて、漏れインダクタンスに一時的に蓄積させた電力を副電源５０あるいは主電源１０へ伝送する。
【００９３】
詳しくは、力行モード（蓄電池３０から主電源１０への電力伝送時）の場合、低圧側インバータ５０Ｂ１の位相を高圧側インバータ５０Ｃ１に対し進み位相とする。その際、変圧器５０Ｄを介して、低圧側インバータ５０Ｂ１は蓄電池３０の電圧Ｖ１の約２倍の高電圧の電力を主電源１０側に伝送する。
【００９４】
回生モード（主電源１０から蓄電池３０への電力伝送時）の場合、低圧側インバータ５０Ｂの位相を高圧側インバータ５０Ｃ１に対し遅れ位相とする。その際、変圧器５０Ｄを介して、主電源１０は電池１１の電圧Ｖ０の略半分の低電圧の電力を蓄電池３０側に伝送する。
【００９５】
また、図１の低圧側インバータ５０Ｂ１および高圧側インバータ５０Ｃ１には、それぞれのＩＧＢＴの近傍にサージ電圧抑制回路６０が設けられる。
【００９６】
以上のように、ハイブリッド電源システム１によれば、電動装置の負荷が大幅、急激、かつ頻繁に変動したとしても、副電源５０から主電源１０の電力容量を補う電力供給を行うことができる。これにより、電動装置を一定の高電圧範囲内で効率よく駆動することができる。一方、副電源５０の蓄電池３０は大きな電圧変動を伴う。
【００９７】
具体的には、ハイブリッド建設機械では、主電源１０の電圧Ｖ０は６００Ｖ程度の高電圧に維持される。一方、副電源５０の蓄電池３０の電圧Ｖ１は３００Ｖ程度以下の低電圧であり、たとえば１５０Ｖ〜２７０Ｖの大きな電圧変動範囲で使用される。
【００９８】
これから実施例１のサージ電圧抑制回路６０の構成およびその作用について詳しく説明する。なお、図１の８個のサージ電圧抑制回路６０は構成およびその動作が基本的に同じであるため、以下では低圧側インバータ５０Ｂ１のＩＧＢＴ５１側のサージ電圧抑制回路を代表させて説明する。
【００９９】
（サージ電圧抑制回路６０の構成）
図２はＩＧＢＴ５１側のサージ電圧抑制回路６０の部分図である。
【０１００】
すなわち、スイッチング素子８０のエミッタ８０Ｅとツェナーダイオード７０Ｔのアノードが接続される。スイッチング素子８０のベース８０Ｂが抵抗９０Ｒ１およびダイオード１００Ｄ１を介して蓄電池３０の正極端子３０ａに接続される。スイッチング素子８０のコレクタ８０Ｃが抵抗９０Ｒ２およびダイオード１００Ｄ２を介してＩＧＢＴ５１のゲート５１Ｇに接続される。ツェナーダイオード７０ＴのカソードがＩＧＢＴ５１のコレクタ５１Ｃに接続される。ツェナーダイオード７０ＴのアノードとＩＧＢＴ５１のゲート５１Ｇが抵抗９０Ｒ３で接続される。抵抗９０Ｒ１は電流制限用抵抗であり、正極端子３０ａとスイッチング素子８０の間にあればどこでもよい。また、蓄電池３０の正極端子３０ａとＩＧＢＴ５１のコレクタ５１Ｃ間にはリードインダクタンスＬ０が示されている。
【０１０１】
（サージ電圧抑制回路６０の動作）
次ぎにサージ電圧抑制回路６０の動作について説明する。
【０１０２】
図２のサージ電圧抑制回路６０では、ＩＧＢＴ５１の動作に伴い以下の動作が行われる。
【０１０３】
（１）ＩＧＢＴ５１がターンオフする。
【０１０４】
（２）ターンオフ後、リードインダクタンスＬ０を起因とするサージ電圧Ｖｓが発生する。
【０１０５】
（３）サージ電圧の発生によりＩＧＢＴ５１のコレクタ電圧Ｖｃが上昇する。
【０１０６】
（４）コレクタ電圧Ｖｃが蓄電池３０の電圧Ｖ１とツェナーダイオード７０Ｔのツェナー電圧Ｖｔの合計電圧値より大きくなると、すなわち、Ｖｃ＞Ｖ１＋Ｖｔになると、ツェナーダイオード７０Ｔに逆電流７０Ｔｉが流れる。
【０１０７】
（５）すると、スイッチング８０のオン電流がＩＧＢＴ５１のゲート５１Ｇ側に流れ込み、ゲート５１Ｇはオン状態になる。
【０１０８】
（６）ＩＧＢＴ５１がオン状態になると、コレクタ５１Ｃの電圧Ｖｃは急激に低下する。
【０１０９】
（７）コレクタ５１Ｃの電圧Ｖｃは蓄電池３０の電圧Ｖ１とツェナー電圧Ｖｔとの合計以上になることが抑制される。
【０１１０】
図３は蓄電池の電圧が１５０Ｖ、ツェナー電圧が１０Ｖの場合のサージ電圧抑制を説明する図である。横軸はＩＧＢＴのオン、オフする時間である。縦軸はＩＧＢＴのコレクタ５１Ｃとエミッタ５１Ｅ間の電圧Ｖc-eである。
【０１１１】
図３において、蓄電池３０の電圧Ｖ１は１５０Ｖであり、ＩＧＢＴ５１が時間ｔ１にターンオフされると、リードインダクタンスＬ０を起因としたサージ電圧Ｖｓが発生し、コレクタ５１Ｃの電圧ＶｃはＶ１（＝１５０Ｖ）＋Ｖｓまで上がろうとする。
【０１１２】
次ぎにコレクタ５１Ｃの電圧Ｖｃが１６０Ｖ以上になると、ツェナーダイオード７０Ｔに逆電流７０Ｔｉが流れるため、ＩＧＢＴ５１がオン状態になる。ＩＧＢＴ５１がオンするとコレクタ５１Ｃとエミッタ５１Ｅは導通する。そのため電圧Ｖc-eは急激に低下する。これにより電圧Ｖc-eは１６０Ｖ以上になることがない。すなわち、サージ電圧Ｖｓは時間ｔ１１まで最大１０Ｖの大きさで抑制され、それ以後急激に減衰し時間ｔ１２にサージ電圧はゼロとなる。結果としてＩＧＢＴ５１が放射ノイズを放射することがない。時間ｔ２におけるターンオフでも同様である。
【０１１３】
同様に図１の低圧側インバータ５０Ｂ１の他の３つのＩＧＢＴ側のサージ電圧抑制回路６０についても同じことがいえる。
【０１１４】
また図１の高圧側インバータ５０Ｃ１のサージ電圧抑制回路６０の場合は、スイッチング素子８０のベース８０Ｂが抵抗９０Ｒ１およびダイオード１００Ｄ１を介してキャパシタ３３の正極端子３３ａ（＝電池１１の電圧Ｖ０）に接続される。すなわち、サージ電圧抑制回路６０の上記（１）〜（７）の動作説明において、蓄電池３０の電圧Ｖ１をキャパシタ３３の電圧、すなわち電池１１の電圧Ｖ０に置き換えればよい。したがって、高圧側インバータ５０Ｃ１のサージ電圧抑制回路６０の動作は、低圧側インバータ５０Ｂ１のサージ電圧抑制回路６０の動作と基本的に同じであるのでその説明を省略する。
【０１１５】
このように、実施例１では、それぞれのＩＧＢＴのコレクタの電圧Ｖｃと蓄電池３０の電圧Ｖ１または電池１１の電圧Ｖ０の相対的な電圧差に基づきサージ電圧を抑制している。
【０１１６】
以上説明したように、実施例１によれば、電圧変動する蓄電池の正極側電極とＩＧＢＴのコレクタ側が接続された高速スイッチング装置において、ＩＧＢＴの動作時に発生するリードインダクタンスを起因とするサージ電圧を効果的に抑制することができる。
【０１１７】
また、実施例１のサージ電圧抑制回路は相対的な電圧に基づく抑制回路であるため、回路に使用するツェナーダイオードの定格を小さくすることができる。これにより、サージ電圧抑制回路の小型化および製造コスト低減が可能となる。
【実施例２】
【０１１８】
次ぎに本願発明の実施例２について説明する。
【０１１９】
実施例２の場合も、図１のハイブリッド電源システム１に適用した場合について説明する。
【０１２０】
図１の低圧側インバータ５０Ｂ１および高圧側インバータ５０Ｃ１には、それぞれのＩＧＢＴの近傍に本願発明のサージ電圧抑制回路６０が設けられている。以下では実施例２のサージ電圧抑制回路６０をサージ電圧抑制回路６０Ａと呼ぶ。なお、図１の８個のサージ電圧抑制回路６０Ａは構成およびその動作が基本的に同じであるため、以下では低圧側インバータ５０Ｂ１のＩＧＢＴ５１側のサージ電圧抑制回路を代表させて説明する。
【０１２１】
（サージ電圧抑制回路６０Ａの構成）
図４はＩＧＢＴ５１側のサージ電圧抑制回路６０Ａの部分図である。
【０１２２】
図４において、スイッチング素子８０のベース８０Ｂが抵抗９０Ｒ１およびダイオード１００Ｄ１を介してツェナーダイオード７０Ｔのカソードに接続される。抵抗９０Ｒ１は電流制限用抵抗であり、正極端子３０ａとスイッチング素子８０の間にあればどこでもよい。スイッチング素子８０のエミッタ８０ＥがＩＧＢＴ５１のコレクタ５１Ｃに接続される。スイッチング素子８０のコレクタ８０Ｃが抵抗９０Ｒ２およびダイオード７０Ｄ２を介してＩＧＢＴ５１のゲート５１Ｇに接続される。ツェナーダイオード７０Ｔのアノードが蓄電池３０の正極端子３０ａに接続される。また、蓄電池３０の正極端子３０ａとＩＧＢＴ５１のコレクタ５１Ｃ間にはリードインダクタンスＬ０が示されている。
【０１２３】
（サージ電圧抑制回路６０Ａの動作）
次ぎにサージ電圧抑制回路６０Ａの動作について説明する。
【０１２４】
図４のサージ電圧抑制回路６０Ａでは、ＩＧＢＴ５１の動作に伴い以下の動作が行われる。
【０１２５】
（１）ＩＧＢＴ５１がターンオフする。
【０１２６】
（２）ターンオフ後、リードインダクタンスＬ０を起因とするサージ電圧Ｖｓが発生する。
【０１２７】
（３）サージ電圧の発生によりＩＧＢＴ５１のコレクタ電圧Ｖｃが上昇する。
【０１２８】
（４）コレクタ電圧Ｖｃが蓄電池３０の電圧Ｖ１とツェナーダイオード７０Ｔのツェナー電圧Ｖｔの合計電圧値より大きくなると、すなわち、Ｖｃ＞Ｖ１＋Ｖｔになると、ツェナーダイオード７０Ｔに逆電流７０Ｔｉが流れる。
【０１２９】
（５）すると、スイッチング８０のオン電流がＩＧＢＴ５１のゲート５１Ｇ側に流れ込み、ゲート５１Ｇはオン状態になる。
【０１３０】
（６）ＩＧＢＴ５１がオン状態になると、コレクタ５１Ｃの電圧Ｖｃは急激に低下する。
【０１３１】
（７）コレクタ５１Ｃの電圧Ｖｃは蓄電池３０の電圧Ｖ１とツェナー電圧Ｖｔとの合計以上になることが抑制される。
【０１３２】
図５は蓄電池の電圧１５０Ｖ、ツェナー電圧１０Ｖの場合のサージ電圧抑制を説明する図である。横軸はＩＧＢＴのオン、オフする時間である。縦軸はＩＧＢＴのコレクタ５１Ｃとエミッタ５１Ｅ間の電圧Ｖc-eである。
【０１３３】
図５において、蓄電池３０の電圧Ｖ１は１５０Ｖであり、時間ｔ１にＩＧＢＴ５１がターンオフされるとサージ電圧Ｖｓが発生し、コレクタ５１Ｃの電圧は１５０＋Ｖｓになろうとする。次ぎにコレクタ電圧Ｖｃが１６０Ｖ以上になると、ツェナーダイオード７０Ｄに逆電流７０Ｔｉが流れるため、ＩＧＢＴ５１がオン状態になる。ＩＧＢＴ５１がオンするとコレクタ５１Ｃとエミッタ５１Ｅは導通する。そのためコレクタ電圧Ｖｃは急激に低下する。これにより電圧Ｖc-eは１６０Ｖ以上になることがない。すなわち、サージ電圧Ｖｓは時間ｔ１１まで最大１０Ｖの大きさで抑制され、それ以後急激に減衰し時間ｔ１２にサージ電圧はゼロとなる。結果として結果としてＩＧＢＴ５１が放射ノイズを放射することがない。時間ｔ２におけるターンオフでも同様である。
【０１３４】
同様に図１の低圧側インバータ５０Ｂ１の他の３つのＩＧＢＴ側のサージ電圧抑制回路６０Ａについても同じことがいえる。
【０１３５】
また図１の高圧側インバータ５０Ｃ１のサージ電圧抑制回路６０Ａの場合は、ツェナーダイオード７０Ｔのアノードがキャパシタ３３の正極端子３３ａ（＝電池１１の電圧Ｖ０）に接続される。すなわち、サージ電圧抑制回路６０Ａの上記（１）〜（７）の動作説明において、蓄電池３０の電圧Ｖ１をキャパシタ３３の電圧、すなわち電池１１の電圧Ｖ０に置き換えればよい。したがって、高圧側インバータ５０Ｃ１のサージ電圧抑制回路６０Ａの動作は、低圧側インバータ５０Ｂ１のサージ電圧抑制回路６０Ａの動作と基本的に同じであるのでその説明を省略する。
【０１３６】
以上説明したように、実施例２によれば、電圧変動する蓄電池の正極電極側とＩＧＢＴのコレクタ側が接続される高速スイッチング装置において、ＩＧＢＴの動作中に生じるサージ電圧を効果的に抑制することができる。
【０１３７】
また、実施例２のサージ電圧抑制回路は相対的な電圧に基づく抑制回路であるため、回路に使用するツェナーダイオードの定格を小さくすることができる。これにより、サージ電圧抑制回路の小型化および製造コスト低減が可能となる。
【実施例３】
【０１３８】
実施例１と実施例２は、ＩＧＢＴのコレクタ電圧Ｖｃと蓄電池３０の電圧Ｖ１の電圧差を利用する回路構成であった。
【０１３９】
それに対して実施例３は、ＩＧＢＴのコレクタ電圧Ｖｃとコレクタ電圧Ｖｃを平滑した電圧Ｖｈの電圧差を利用する回路構成である。
【０１４０】
実施例３の場合も、ハイブリッド電源システムに適用した場合について説明する。
【０１４１】
図６は、実施例３において本願発明を適用した建設機械用ハイブリッド電源システムの図である。
【０１４２】
図１と異なるところは、低圧側インバータ５０Ｂ１が低圧側インバータ５０Ｂ２となっており、高圧側インバータ５０Ｃ１が高圧側インバータ５０Ｃ２なっていることである。低圧側インバータ５０Ｂ２および高圧側インバータ５０Ｃ２のそれぞれのＩＧＢＴの近傍には実施例３のサージ電圧抑制回路６０Ｂが設けられている。８個のサージ電圧抑制回路６０Ｂは同じ構造であり、その動作も基本的に同じである。なお、図１の８個のサージ電圧抑制回路６０Ｂは構成およびその動作が基本的に同じであるため、以下では低圧側インバータ５０Ｂ２のＩＧＢＴ５１側のサージ電圧抑制回路を代表させて説明する。
【０１４３】
（サージ電圧抑制回路６０Ｂの構成）
図７はＩＧＢＴ５１側のサージ電圧抑制回路６０Ｂの部分図である。
【０１４４】
すなわち、スイッチング素子８０のエミッタ８０Ｅがツェナーダイオード７０Ｔのアノードに接続される。スイッチング素子８０のベース８０Ｂが抵抗９０Ｒ１およびダイオード１００Ｄ１を介して、平滑回路１１０の平滑点１１０Ａに接続される。スイッチング素子８０のコレクタ８０Ｃが抵抗９０Ｒ２およびダイオード１００Ｄ２を介してＩＧＢＴ５１のゲート５１Ｇに接続される。ツェナーダイオード７０ＴのカソードがＩＧＢＴ５１のコレクタ５１Ｃに接続される。抵抗１１０Ｒの一端がＩＧＢＴ５１のコレクタ５１Ｃに接続され、他端がコンデンサ１１０Ｃの一端に接続される。コンデンサ１１０Ｃの他端が蓄電池３０の負極側と接続される。抵抗９０Ｒ１は電流制限用抵抗である。抵抗９０Ｒ１の配置は、平滑点１１０Ａとスイッチング素子８０の間にあればどこでもよい。また、蓄電池３０とＩＧＢＴ５１のコレクタ５１Ｃ間にはリードインダクタンスＬ０が示されている。
【０１４５】
（サージ電圧抑制回路６０Ｂの動作）
次ぎに上記サージ電圧抑制回路６０Ｂの動作について説明する。
【０１４６】
図７のサージ電圧抑制回路６０Ｂでは、ＩＧＢＴ５１の動作に伴い以下の動作が行われる。
【０１４７】
（１）ＩＧＢＴ５１がターンオフする。
【０１４８】
（２）ターンオフ後、リードインダクタンスＬ０を起因とするサージ電圧Ｖｓが発生する。
【０１４９】
（３）サージ電圧の発生によりＩＧＢＴ５１のコレクタ電圧Ｖｃが上昇する。
【０１５０】
（４）コレクタ電圧Ｖｃを平滑回路１１０で平滑する。平滑点１１０Ａの平滑電圧をＶｈとする。平滑電圧Ｖｈは近似的にコレクタ５１Ｃに印加された蓄電池３０の電圧Ｖ１で表される。言い換えれば平滑回路１１０における蓄電池３０の正極とコンデンサ１１０Ｃの正極は同電位である。
【０１５１】
（５）コレクタ電圧Ｖｃが蓄電池３０の電圧Ｖ１とツェナーダイオード７０Ｔのツェナー電圧Ｖｔの合計電圧値より大きくなると、すなわち、Ｖｃ＞Ｖ１＋Ｖｔになると、ツェナーダイオード７０Ｔに逆電流７０Ｔｉが流れる。
【０１５２】
（６）すると、スイッチング８０のオン電流がＩＧＢＴ５１のゲート５１Ｇ側に流れ込み、ゲート５１Ｇはオン状態になる。
【０１５３】
（７）ＩＧＢＴ５１がオン状態になると、コレクタ５１Ｃの電圧Ｖｃは急激に低下する。
【０１５４】
（８）コレクタ５１Ｃの電圧Ｖｃは蓄電池３０の電圧Ｖ１とツェナー電圧Ｖｔとの合計以上になることが抑制される。
【０１５５】
実施例３におけるサージ電圧抑制の態様は、実施例１の図３および実施例２の図５に説明した内容と基本的に同じである。また実施例３で得られる効果も実施例１および実施例２の場合と全く同じである。したがって、これらの説明については省略する。
【０１５６】
同様に図６の低圧側インバータ５０Ｂ２の他の３つのＩＧＢＴ側のサージ電圧抑制回路６０Ｂについても同じことがいえる。
【０１５７】
また図６の高圧側インバータ５０Ｃ２のサージ電圧抑制回路６０Ｂの動作は、低圧側インバータ５０Ｂ２のサージ電圧抑制回路６０Ｂの動作と基本的に同じであるのでその説明を省略する。
【０１５８】
以上説明したように、本願発明によれば、電圧変動する蓄電池の正極電極側とＩＧＢＴのコレクタ側が接続される高速スイッチング装置において、ＩＧＢＴの動作中に生じるサージ電圧を効果的に抑制することができる。
【０１５９】
また、本願発明のサージ電圧抑制回路は相対的な電圧に基づく抑制回路であるため、回路に使用するツェナーダイオードの定格を小さくすることができる。これにより、サージ電圧抑制回路の小型化および製造コスト低減が可能となる。
【０１６０】
なお、上記実施例ではハイブリッド電源システム用高速スイッチング素子としてＩＧＢＴを想定したが、パワーＭＯＳＦＥＴ等の電力用スイッチング素子であってもよい。
【０１６１】
上記実施例では本願発明を建設機械用ハイブリッド電源システムに適用して説明したが、本願発明は電圧変動の大きい蓄電池に接続されたスイッチング素子のサージ電圧抑制回路として一般的に適用できる。
【０１６２】
また上記実施例では、ＩＧＢＴを使用した昇圧器の回路を用いて説明したが、昇圧器以外であってもたとえばモータドライバーであっても同様な作用効果をもたらすことができる。
【０１６３】
図８は、３相のモータを駆動するドライバー回路にサージ電圧抑制回路を適用した例である。ドライバー回路２００は、２つのＩＧＢＴが直列に接続された第１の回路２０１と、第１の回路と同様な第２の回路２０２および第３の回路２０３が並列に接続され、前記直列に接続されたＩＧＢＴのエミッタとコレクタ間の導体経路にモータの信号線２０４，２０５，２０６が接続されているものである。図中のコイルＡＡはモータのコイルを表している。
【０１６４】
図８に示すドライバー回路２００の場合であっても、図に示すように本願実施例のサージ電圧抑制回路６０を接続すればサージ電圧を抑制することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１６５】
【図１】図１は、実施例１において本願発明を適用した建設機械用ハイブリッド電源システムの図である。
【図２】図２はＩＧＢＴ５１側のサージ電圧抑制回路６０の部分図である。
【図３】図３は蓄電池の電圧１５０Ｖ、ツェナー電圧１０Ｖの場合のサージ電圧抑制を説明する図である。
【図４】図４はＩＧＢＴ５１側のサージ電圧抑制回路６０Ａの部分図である。
【図５】図５は蓄電池の電圧１５０Ｖ、ツェナー電圧１０Ｖの場合のサージ電圧抑制を説明する図である。
【図６】図６は、実施例３において本願発明を適用した建設機械用ハイブリッド電源システムの図である。
【図７】図７はＩＧＢＴ５１側のサージ電圧抑制回路６０Ｂの部分図である。
【図８】図８は３相のモータを駆動するドライバー回路にサージ電圧抑制回路を適用した例である。
【図９】図９は建設機械用ハイブリッド電源システムの構成例である。
【図１０】図１０は図９のスイッチング素子５１近傍の部分回路である。
【図１１】図１１は図１０の部分回路に発生したサージ電圧波形の模式図である。
【図１２】図１２は特許文献１におけるサージ電圧抑制回路の原理を説明する図である。
【図１３】図１３はツェナーダイオード７０Ｔでサージ電圧が抑制された場合の電圧波形を説明するための図である。
【図１４】図１４はツェナーダイオード７０Ｔでサージ電圧が抑制されない場合の電圧波形を説明するための図である。
【符号の説明】
【０１６６】
Ｖ１ 蓄電池の電圧
Ｌ 変圧器の漏れインダクタンス
Ｌ０ リードインダクタンス
１０ 主電源
３０ 蓄電池
５０ 副電源
５０Ａ ＡＣリンク双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ
５０Ｂ、５０Ｂ１、５０Ｂ２ 低圧側インバータ
５０Ｃ、５０Ｃ１、５０Ｃ２ 高圧側インバータ
６０ サージ電圧抑制回路
７０Ｔ ツェナーダイオード
８０ スイッチング素子
１１０ 平滑回路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電圧変動する蓄電池と接続された複数のＩＧＢＴを有するサージ電圧抑制回路であって、
前記ＩＧＢＴのスイッチング回路は、少なくとも２つのＩＧＢＴが直列に接続された第１の回路と、前記第１の回路と同様な構成の第２の回路が並列に接続され、
前記第１の回路、第２の回路に設けられたそれぞれのＩＧＢＴのコレクタとベース間に、ツェナーダイオードとスイッチング素子が配され、
前記ツェナーダイオードのカソード側が前記ＩＧＢＴのコレクタに接続され、
前記ツェナーダイオードのアノード側は前記スイッチング素子のコレクタに接続され、
前記スイッチング素子のエミッタは第１の抵抗と第１のダイオードを介して前記ＩＧＢＴのベースに接続され、かつ、前記スイッチング素子のベースは第２の抵抗と第２のダイオードを介して前記蓄電池の上流側に接続されてなり、
前記ＩＧＢＴの動作時に、前記ＩＧＢＴのコレクタ電圧が、前記蓄電池の電圧と前記ツェナーダイオードのツェナー電圧の合計より大きくなると、前記スイッチング素子がオンされることを特徴とするスイッチング装置のサージ電圧抑制回路。
【請求項２】
電圧変動する蓄電池と接続された複数のＩＧＢＴを有するサージ電圧抑制回路であって、
前記ＩＧＢＴのスイッチング回路は、少なくとも２つのＩＧＢＴが直列に接続された第１の回路と、前記第１の回路と同様な構成の第２の回路が並列に接続され、
前記第１の回路、第２の回路に設けられたそれぞれのＩＧＢＴのベースと前記蓄電池の上流側端子間にツェナーダイオードが配され、
前記ＩＧＢＴのコレクタとベース間にスイッチング素子が配され、
前記スイッチング素子のコレクタは前記ＩＧＢＴのコレクタと接続され、
前記ツェナーダイオードのカソード側が第１の抵抗を介して前記スイッチング素子のベースに接続され、
前記スイッチング素子のエミッタは第１の抵抗と第１のダイオードを介して前記ＩＧＢＴのベースに接続され、かつ、前記ツェナーダイオードのアノード側は第１のダイオードを介して前記蓄電池の上流側に接続されてなり、
前記ＩＧＢＴの動作時に、前記ＩＧＢＴのコレクタ電圧が、前記蓄電池の電圧と前記ツェナーダイオードのツェナー電圧の合計より大きくなると、前記スイッチング素子がオンされることを特徴とするスイッチング装置のサージ電圧抑制回路。
【請求項３】
電圧変動する蓄電池と接続された複数のＩＧＢＴを有するサージ電圧抑制回路であって、
前記ＩＧＢＴのスイッチング回路は、少なくとも２つのＩＧＢＴが直列に接続された第１の回路と、前記第１の回路と同様な構成の第２の回路が並列に接続され、
前記第１の回路、第２の回路に設けられたそれぞれのＩＧＢＴのコレクタとベース間に、ツェナーダイオードとスイッチング素子が配され、
前記ツェナーダイオードのカソード側が前記ＩＧＢＴのコレクタに接続され、
前記ツェナーダイオードのアノード側は前記スイッチング素子のコレクタに接続され、
前記ＩＧＢＴのコレクタが第１の抵抗とコンデンサを介して前記蓄電池の下流側に接続され、
前記スイッチング素子のエミッタは第２の抵抗と第１のダイオードを介して前記ＩＧＢＴのベースに接続され、かつ、前記スイッチング素子のベースは第３の抵抗と第２のダイオードを介して前記第１の抵抗の端子と前記コンデンサの端子の間の導体経路に接続されてなり、
前記ＩＧＢＴの動作時に、前記ＩＧＢＴのコレクタ電圧が、前記蓄電池の電圧と前記ツェナーダイオードのツェナー電圧の合計より大きくなると、前記スイッチング素子がオンされることを特徴とするスイッチング装置のサージ電圧抑制回路。
【請求項１】
電圧変動する蓄電池と接続された複数のＩＧＢＴを有するサージ電圧抑制回路であって、
前記ＩＧＢＴのスイッチング回路は、少なくとも２つのＩＧＢＴが直列に接続された第１の回路と、前記第１の回路と同様な構成の第２の回路が並列に接続され、
前記第１の回路、第２の回路に設けられたそれぞれのＩＧＢＴのコレクタとベース間に、ツェナーダイオードとスイッチング素子が配され、
前記ツェナーダイオードのカソード側が前記ＩＧＢＴのコレクタに接続され、
前記ツェナーダイオードのアノード側は前記スイッチング素子のコレクタに接続され、
前記スイッチング素子のエミッタは第１の抵抗と第１のダイオードを介して前記ＩＧＢＴのベースに接続され、かつ、前記スイッチング素子のベースは第２の抵抗と第２のダイオードを介して前記蓄電池の上流側に接続されてなり、
前記ＩＧＢＴの動作時に、前記ＩＧＢＴのコレクタ電圧が、前記蓄電池の電圧と前記ツェナーダイオードのツェナー電圧の合計より大きくなると、前記スイッチング素子がオンされることを特徴とするスイッチング装置のサージ電圧抑制回路。
【請求項２】
電圧変動する蓄電池と接続された複数のＩＧＢＴを有するサージ電圧抑制回路であって、
前記ＩＧＢＴのスイッチング回路は、少なくとも２つのＩＧＢＴが直列に接続された第１の回路と、前記第１の回路と同様な構成の第２の回路が並列に接続され、
前記第１の回路、第２の回路に設けられたそれぞれのＩＧＢＴのベースと前記蓄電池の上流側端子間にツェナーダイオードが配され、
前記ＩＧＢＴのコレクタとベース間にスイッチング素子が配され、
前記スイッチング素子のコレクタは前記ＩＧＢＴのコレクタと接続され、
前記ツェナーダイオードのカソード側が第１の抵抗を介して前記スイッチング素子のベースに接続され、
前記スイッチング素子のエミッタは第１の抵抗と第１のダイオードを介して前記ＩＧＢＴのベースに接続され、かつ、前記ツェナーダイオードのアノード側は第１のダイオードを介して前記蓄電池の上流側に接続されてなり、
前記ＩＧＢＴの動作時に、前記ＩＧＢＴのコレクタ電圧が、前記蓄電池の電圧と前記ツェナーダイオードのツェナー電圧の合計より大きくなると、前記スイッチング素子がオンされることを特徴とするスイッチング装置のサージ電圧抑制回路。
【請求項３】
電圧変動する蓄電池と接続された複数のＩＧＢＴを有するサージ電圧抑制回路であって、
前記ＩＧＢＴのスイッチング回路は、少なくとも２つのＩＧＢＴが直列に接続された第１の回路と、前記第１の回路と同様な構成の第２の回路が並列に接続され、
前記第１の回路、第２の回路に設けられたそれぞれのＩＧＢＴのコレクタとベース間に、ツェナーダイオードとスイッチング素子が配され、
前記ツェナーダイオードのカソード側が前記ＩＧＢＴのコレクタに接続され、
前記ツェナーダイオードのアノード側は前記スイッチング素子のコレクタに接続され、
前記ＩＧＢＴのコレクタが第１の抵抗とコンデンサを介して前記蓄電池の下流側に接続され、
前記スイッチング素子のエミッタは第２の抵抗と第１のダイオードを介して前記ＩＧＢＴのベースに接続され、かつ、前記スイッチング素子のベースは第３の抵抗と第２のダイオードを介して前記第１の抵抗の端子と前記コンデンサの端子の間の導体経路に接続されてなり、
前記ＩＧＢＴの動作時に、前記ＩＧＢＴのコレクタ電圧が、前記蓄電池の電圧と前記ツェナーダイオードのツェナー電圧の合計より大きくなると、前記スイッチング素子がオンされることを特徴とするスイッチング装置のサージ電圧抑制回路。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２００９−２６８３０５（Ｐ２００９−２６８３０５Ａ）
【公開日】平成２１年１１月１２日（２００９．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１１７１０３（Ｐ２００８−１１７１０３）
【出願日】平成２０年４月２８日（２００８．４．２８）
【出願人】（０００００１２３６）株式会社小松製作所 (1,686)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１１月１２日（２００９．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年４月２８日（２００８．４．２８）
【出願人】（０００００１２３６）株式会社小松製作所 (1,686)
【Ｆターム（参考）】
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