(57)【要約】  スイッチングを実行するために並列に接続された複数のスイッチング素子１２０と、電圧クランプを実行するための１つ以上の主過渡電圧サプレッサ（ＴＶＳ）１３０と、複数のスイッチング素子のうちの１つのスイッチング素子と各々直列に接続された複数の寄生インダクタンス１３４ａ〜ｄと、スイッチング素子と複数の寄生インダクタンスのうちの少なくとも１つの寄生インダクタとの直列接続と並列に各々接続され、複数の寄生インダクタンスのうちの少なくとも１つの寄生インダクタ内に蓄積されたエネルギーを散逸させるための複数の局所ＴＶＳ１３６ａ、ｂとを含む、ＤＣ固体電力制御装置１００を含む方法およびシステムが提供される。
2019530403.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スイッチングを実行するために並列に接続された複数のスイッチング素子（１２０、２２０、３２０、３２０ａ〜３２０ｆ、４２０ａ〜４２０ｆ）と、
電圧クランプを実行するように構成された１つ以上の主過渡電圧サプレッサ（ＴＶＳ）（１３０、２３０、３３０）と、
前記複数のスイッチング素子（１２０、２２０、３２０、３２０ａ〜３２０ｆ、４２０ａ〜４２０ｆ）のうちの１つのスイッチング素子（１２０、２２０、３２０、３２０ａ〜３２０ｆ、４２０ａ〜４２０ｆ）と各々直列に接続された複数の寄生インダクタンス（１３４ａ〜１３４ｄ、２３４ａ〜２３４ｄ、３３４ａ〜３３４ｄ、４３４ａ〜４３４ｄ）と、
（ｉ）前記複数のスイッチング素子（１２０、２２０、３２０、３２０ａ〜３２０ｆ、４２０ａ〜４２０ｆ）のうちの１つのスイッチング素子（１２０、２２０、３２０、３２０ａ〜３２０ｆ、４２０ａ〜４２０ｆ）と前記複数の寄生インダクタンス（１３４ａ〜１３４ｄ、２３４ａ〜２３４ｄ、３３４ａ〜３３４ｄ、４３４ａ〜４３４ｄ）のうちの少なくとも１つの寄生インダクタ（３３２）との直列接続と並列に各々接続され、（ｉｉ）前記複数の寄生インダクタンス（１３４ａ〜１３４ｄ、２３４ａ〜２３４ｄ、３３４ａ〜３３４ｄ、４３４ａ〜４３４ｄ）のうちの少なくとも１つの寄生インダクタ（３３２）内に蓄積されたエネルギーを散逸させるように構成された複数の局所ＴＶＳ（１３６、１３６ａ、１３６ｂ、２３６ａ〜２３６ｃ、３３６ａ、３３６ｂ、４３６ａ〜４３６ｆ）と
を備える、直流固体電力制御装置システム（ＳＳＰＣ）（１００、２００、３００、４００）。
【請求項２】
前記ＳＳＰＣ（１００、２００、３００、４００）に電力を供給するための電圧源（１０２、２０２、３０２、４０２）と、
前記電力を受け取るように構成された負荷（１０４、２０４、３０４、４０４）と、
負荷電流を前記負荷（１０４、２０４、３０４、４０４）に再循環させるように構成されたフライホイールダイオード（１２６、２２６、３２６ａ、３２６ｂ、４２６ａ、４２６ｂ）と
をさらに含む、請求項１に記載のシステム（１００、２００、３００、４００）。
【請求項３】
１つ以上の主ＴＶＳ（１３０、２３０、３３０）と直列に接続されたＴＶＳインダクタをさらに含み、１つ以上のＴＶＳが前記ＴＶＳインダクタからエネルギーを散逸させるように構成されている、
請求項１に記載のシステム（１００、２００、３００、４００）。
【請求項４】
前記複数の局所ＴＶＳは、前記１つ以上の主ＴＶＳの最大合算クランプ電圧よりも大きく、複数のスイッチング素子（１２０、２２０、３２０、３２０ａ〜３２０ｆ、４２０ａ〜４２０ｆ）の最小降伏電圧よりも小さい最小降伏電圧を含む、請求項３に記載のシステム（１００、２００、３００、４００）。
【請求項５】
前記局所ＴＶＳは、前記複数のスイッチング素子（１２０、２２０、３２０、３２０ａ〜３２０ｆ、４２０ａ〜４２０ｆ）のうちの１つのスイッチング素子（１２０、２２０、３２０、３２０ａ〜３２０ｆ、４２０ａ〜４２０ｆ）に各々並列に接続されている、請求項４に記載のシステム（１００、２００、３００、４００）。
【請求項６】
各スイッチング素子（１２０、２２０、３２０、３２０ａ〜３２０ｆ、４２０ａ〜４２０ｆ）に接続された複数のバイアス抵抗器（２３５ａ〜２３５ｃ、４３８ａ〜４３８ｆ）をさらに含み、各局所ＴＶＳ（１３６、１３６ａ、１３６ｂ、２３６ａ〜２３６ｃ、３３６ａ、３３６ｂ、４３６ａ〜４３６ｆ）は、前記複数のバイアス抵抗器（２３５ａ〜２３５ｃ、４３８ａ〜４３８ｆ）のうちの１つのバイアス抵抗器（２３５ａ〜２３５ｃ、４３８ａ〜４３８ｆ）と直列に接続されて、少なくとも１つの寄生インダクタ（３３２）のエネルギーを散逸させる、請求項４に記載のシステム（１００、２００、３００、４００）。
【請求項７】
複数のスイッチング素子（１２０、２２０、３２０、３２０ａ〜３２０ｆ、４２０ａ〜４２０ｆ）が複数の金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）を含み、前記バイアス抵抗器（２３５ａ〜２３５ｃ、４３８ａ〜４３８ｆ）が前記複数のＭＯＳＦＥＴのうちの１つのＭＯＳＦＥＴのゲートに各々接続されている、請求項６に記載のシステム（１００、２００、３００、４００）。
【請求項８】
前記複数のスイッチング素子（１２０、２２０、３２０、３２０ａ〜３２０ｆ、４２０ａ〜４２０ｆ）が複数対のスイッチング素子を含み、各対がスイッチングを実行するために並列に接続されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記ＳＳＰＣ（１００、２００、３００、４００）に電力を供給するための電圧源（１０２、２０２、３０２、４０２）と、
前記電力を受け取るように構成された負荷（１０４、２０４、３０４、４０４）と、
各々が前記電圧源（１０２、２０２、３０２、４０２）と前記負荷（１０４、２０４、３０４、４０４）とにそれぞれ接続され、負荷電流を前記負荷（１０４、２０４、３０４、４０４）に再循環させるように構成された一対のフライホイールダイオード（１２６、２２６、３２６ａ、３２６ｂ、４２６ａ、４２６ｂ）と
をさらに含む、請求項８に記載のシステム（１００、２００、３００、４００）。
【請求項１０】
一対の主ＴＶＳ（１３０、２３０、３３０）と直列に接続されたＴＶＳインダクタをさらに含み、前記１つ以上の主ＴＶＳ（１３０、２３０、３３０）が前記ＴＶＳインダクタからエネルギーを散逸させるように構成されている、
請求項９に記載のシステム（１００、２００、３００、４００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、マルチ半導体固体電力制御装置（ＳＳＰＣ）に関する。特に、本発明はＳＳＰＣにおける誘導性スイッチング過渡現象の管理に関する。
【背景技術】
【０００２】
配電システムでは、そこに含まれる装置のいずれにも電気的故障が発生する可能性がある。この問題を軽減するために、配電システムは通常、これらの電気的故障から保護するための保護回路を用いる。
【０００３】
システム（例えば、航空機システム）において電力に対する需要が高まり、線間電圧を増加させる必要性を駆り立てている。高速かつ制御された電気的故障保護を可能にするために、航空機の配電システム内に高出力ＳＳＰＣが用いられる。電流定格が増加すると、電流を流す半導体の数もそれに対応して増加する。したがって、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）などの複数の半導体装置がＳＳＰＣに通常使用されている。
【０００４】
図１は、電源回路の典型的なＭＯＳＦＥＴベースの直流（ＤＣ）ＳＳＰＣ１０を例示する。ＳＳＰＣ１０は、電圧源（Ｖｓｒｃ）１２と、負荷（Ｚｌｏａｄ）１４と、電圧源１２に接続された上流配線インダクタ（Ｌｕｐ）１６と、下流負荷インダクタ（Ｌｄｎ）１８とを含む。ＳＳＰＣ１０は、スイッチングを実行するために並列に接続されたスイッチング素子（Ｑ１、Ｑ２、Ｑｎ）２０と、スイッチング装置１０のオンオフを可能にするゲート抵抗（Ｒｇ１、Ｒｇ２、Ｒｇｎ）２２と、ゲート電圧ドライバ（Ｖｇａｔｅ）２４とをさらに含む。動作中、ＳＳＰＣを開くと、フライホイールダイオード（Ｄｆｗｄ）２６が負荷インダクタ１８からＳＳＰＣ負荷電流を再循環させる。
【０００５】
２つの主過渡電圧サプレッサ（ＴＶＳ）（Ｄｔｖｓｍａｉｎ１、Ｄｔｖｓｍａｉｎ２）３０は、スイッチング素子２０を保護するために電圧クランプを実行するために用いられる。数百アンペア程度のスイッチング電流は大きな電圧過渡現象を引き起こし、これはスイッチング素子２０への損傷を防ぐためにクランプしなければならない。ＴＶＳ３０はこのクランプを提供するために使用される。
【０００６】
スイッチング素子の数のために、これらの装置によって占有される物理的面積は大きい。その結果、主ＴＶＳ３０とスイッチング素子（Ｑｎ）２０との間に、主ＴＶＳ３０から最も離れたところに分布寄生インダクタンスが存在する。ＴＶＳ３０は、スイッチング素子２０の端子間にクランプ電圧よりも大きい電圧を許容することができる寄生インダクタンスＬｔｖｓ３２を有する。この状態は、それらの寄生インダクタンス（Ｌｐａｒａ１、Ｌｐａｒａ２、Ｌｐａｒａ３、Ｌｐａｒａ４）３４に起因して、スイッチング素子２０内にアバランシェ降伏を引き起こす可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】欧州特許第２９７８００５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前述の欠点を考慮すると、マルチ半導体ＳＳＰＣにおける過渡現象を管理する必要がある。本発明の態様は、配電システム用のＳＳＰＣモジュール、およびＳＳＰＣモジュール内の過渡現象を管理する方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の態様は、マルチ半導体ＳＳＰＣモジュールにおける過渡現象を管理するための手法を提供する。より具体的には、本態様は、スイッチング半導体を寄生インダクタンスから保護するための手法を提供する。バルクＴＶＳデバイスに加えて、より小型で低コストのＴＶＳデバイスを追加で使用することによって、マルチ半導体ＳＳＰＣモジュールの電気的過渡現象を管理するための低コストでスケーラブルなアプローチが提供される。
【００１０】
特定の状況において、本発明の態様は、ＤＣ固体電力制御装置を含むシステムを提供する。ＤＣ固体電力制御装置は、並列に接続されてスイッチングを行う複数のスイッチング素子を含む。また、電圧クランプを実行するための一対の主ＴＶＳ、複数のスイッチング素子のうちの１つのスイッチング素子と直列に各々接続された複数の寄生インダクタンス、および複数の局所ＴＶＳも含まれる。複数の局所ＴＶＳの各々は、スイッチング素子と複数の寄生インダクタンスのうちの少なくとも１つの寄生インダクタンスとの直列結合と並列に接続されて、複数の寄生インダクタンスのうちの少なくとも１つの寄生インダクタ内に蓄積されたエネルギーを散逸させる。
【００１１】
上記は様々な実施例の態様および特徴のいくつかを概略的に概説したものであり、本開示の様々な潜在的な用途の単なる例示であると解釈されるべきである。開示された情報を異なる方法で適用することによって、または開示された実施例の様々な態様を組み合わせることによって、他の有益な結果を得ることができる。したがって、特許請求の範囲によって規定される範囲に加えて、添付の図面と併せて例示的な実施例の詳細な説明を参照することによって、他の態様およびより包括的な理解を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】従来の配電システムにおけるＳＳＰＣを例示する回路図である。
【図２】本発明の実施形態によるＤＣ用途のためのＳＳＰＣを例示する回路図である。
【図３】本発明の他の実施形態によるＤＣ用途のためのＳＳＰＣを例示する回路図である。
【図４】本発明の実施形態による交流（ＡＣ）用途のためのＳＳＰＣを例示する回路図である。
【図５】本発明の別の実施形態によるＡＣ用途のためのＳＳＰＣを例示する回路図である。
【図６】実施形態による、図３に示すＳＳＰＣの例示的な動作を例示するグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図面は、好ましい実施形態を例示するためのものにすぎず、本開示を限定するものとして解釈されるべきではない。以下の図面の説明を可能にすると、本開示の新規な態様が当業者に明らかになるはずである。この詳細な説明では、図面の特徴を示すために数字および文字の表記を使用する。図面および説明における同様のまたは類似の表記は、本発明の実施形態の同様のまたは類似の部分を指すために使用されている。
【００１４】
必要に応じて、詳細な実施形態を本明細書に開示する。開示された実施形態は、様々な代替形態の単なる例示であることを理解されたい。本明細書で使用される場合、「例示的」という語は、例示、標本、モデル、またはパターンとして役立つ実施形態を参照するために広範に使用される。図は、必ずしも一定の縮尺ではなく、特定の構成要素の詳細を示すために、いくつかの特徴が誇張されているか、または最小化されていることがある。他の例では、当業者に知られている周知の構成要素、システム、材料または方法は、本開示を不明瞭にすることを避けるため、詳細には記載されていない。そのため、本明細書で開示される特定の構造的および機能的詳細は、限定として解釈されるのではなく、単に特許請求の範囲の基礎として、および当業者に教示するための代表的な基礎として解釈されるべきである。
【００１５】
本発明の実施形態、例えば図２に例示する実施形態は、寄生回路のインダクタンスに蓄積されたエネルギーを散逸させるために、より低い電力定格を有する局所ＴＶＳデバイスを使用する。以下に示すように、ＳＳＰＣのレイアウト、および結果として生じる寄生インダクタンスの大きさに応じて、ＴＶＳの数はスイッチング半導体１個につきＴＶＳ１個に達することがある。最終的には、より少ないＴＶＳデバイスを使用してパフォーマンスを最適化し、単価を下げることができる。
【００１６】
特に、図２は、実施形態によるＤＣ用途のためのＳＳＰＣ１００を例示する回路図である。一例として、ＳＳＰＣ１００は航空機システムでの使用に適している。しかしながら、本発明は、いかなる特定の種類のシステム内での実施にも限定されない。本発明は、任意の種類の陸上、海上または航空機内で実施することができる。
【００１７】
ＳＳＰＣ１００は、電圧源（Ｖｓｒｃ）１０２と、負荷（Ｚｌｏａｄ）１０４と、電圧源１０２に接続された上流配線インダクタ（Ｌｕｐ）１０６と、負荷１０４に接続された下流負荷インダクタ（Ｌｄｎ）１０８とを含む。ＳＳＰＣ１００は、スイッチングを実行するために並列に接続された複数のスイッチング素子（Ｑ１、Ｑ２、Ｑｎ）１２０（例えば、ＭＯＳＦＥＴ）をさらに含む。また、それぞれのスイッチング素子１２０に各々対応し、それぞれのスイッチング素子１２０のゲートに接続された複数のゲート抵抗（Ｒｇ１、Ｒｇ２、Ｒｇｎ）１２２も含む。図２に示したスイッチング素子はＭＯＳＦＥＴであるが、本発明はこれに限定されない。したがって、本明細書に記載の目的に適した任意の種類のスイッチング素子を実施することができる。
【００１８】
また、スイッチング素子１２０をオンオフに駆動するためにゲート電圧ドライバ（Ｖｇａｔｅ）１２３も含まれる。ゲート抵抗１２２は、ゲート電圧ドライバ１２３からの入力電圧を制御する。
【００１９】
フライホイールダイオード（Ｄｆｗｄ）１２６が負荷インダクタ１０８に接続され、そこから負荷電流を再循環させる。
【００２０】
ＳＳＰＣ１００は、スイッチング素子１２０が所定のゲート閾値電圧を超えないように保護するために電圧クランプを実行するための一対の主ＴＶＳ（Ｄｔｖｓｍａｉｎ１、Ｄｔｖｓｍａｉｎ２）１３０をさらに含む。ＴＶＳ１３０は、寄生ＴＶＳインダクタンスＬｔｖｓ１３２と直列に接続されている。
【００２１】
スイッチング素子１２０は、複数の寄生インダクタンス（Ｌｐａｒａ１、Ｌｐａｒａ２、Ｌｐａｒａ３、Ｌｐａｒａ４）１３４ａ〜１３４ｄと並列に接続されている。また、ＳＳＰＣ１００は、複数のスイッチング素子１２０に対応する複数の局所ＴＶＳ１３６ａ、１３６ｂをさらに含む。
【００２２】
各スイッチング素子１２０は、対応する局所ＴＶＳ１３６ａ、１３６ｂと並列に接続されている。局所ＴＶＳの数は、各スイッチング素子１２０が対応する局所ＴＶＳ１３６を有するように変えることができる。局所ＴＶＳ１３６ａ、１３６ｂは、インダクタンス１３４ａ〜１３４ｄに蓄積されたエネルギーを散逸させるためにより低い定格電力を有する。図２に示すように、ＴＶＳ１３６ａはインダクタンス１３４ａ、１３４ｃに蓄積されたエネルギーを散逸させ、ＴＶＳ１３６ｂは寄生インダクタンス１３４ｂ、１３４ｄに蓄積されたエネルギーを散逸させる。
【００２３】
実施形態では、ＴＶＳ１３０の合算した最大クランプ電圧は、スイッチング素子１２０の最小降伏電圧よりも小さい。さらに、ＴＶＳ１３６ａ、１３６ｂは、ＴＶＳ１３０の最大合算クランプ電圧よりも大きく、かつスイッチング素子１２０の最小降伏電圧よりも小さい最小降伏電圧を有する。したがって、ＴＶＳ１３６ａ、１３６ｂは、寄生インダクタンス１３４ａ〜１３４ｄに蓄積されたエネルギーのみを管理する。ＴＶＳ１３６ａ、１３６ｂは、上流インダクタ１０６および下流インダクタ１０８に蓄積されたエネルギーを管理しない。上流インダクタ１０６および下流インダクタ１０８に蓄積されたエネルギーの大部分は、バルクＴＶＳ構成要素１３０内で散逸される。多くのスイッチング素子を含む大きなＳＳＰＣでは、ＴＶＳデバイス１３０を全てのスイッチング素子１２０に近接させることは現実的ではない。分布型ＴＶＳデバイス１３６ａ、１３６ｂを取り付けることによって、任意の寄生インダクタンスはスイッチング素子１２０ではなくＴＶＳデバイス１３６ａ、１３６ｂで散逸される。
【００２４】
図３は、本発明の他の実施形態によるＳＳＰＣ２００を例示する。ＳＳＰＣ２００は、図２に示すＳＳＰＣ１００と類似の特徴を含む。しかしながら、ＳＳＰＣ２００は、各スイッチング素子２２０に対応するバイアス抵抗器（Ｒｂ）２３５ａ〜２３５ｃと直列に接続された局所ＴＶＳ２３６ａ〜２３６ｃも含み、対応する寄生インダクタンス２３４ａ〜２３４ｄに蓄積されたエネルギーをさらに散逸させる。
【００２５】
図３に示すように、ＳＳＰＣ２００は、電圧源２０２と、負荷２０４と、電圧源２０２および負荷２０４にそれぞれ接続された上流インダクタ２０６および下流インダクタ２０８とを含む。ＳＳＰＣ２００は、スイッチングを実行するための複数のスイッチング素子２２０と複数のゲート抵抗２２２とをさらに含み、各ゲート抵抗２２２は各スイッチング素子２２０のゲートに接続される。ゲート電圧ドライバ２２３は、ゲート抵抗２２２がゲート電圧ドライバ２２３からスイッチング素子２２０への入力電圧を制御するようにゲート抵抗２２２に接続され、それによってスイッチング素子２２０をオンオフ制御する。
【００２６】
フライホイールダイオード２２６は、下流インダクタ２０８に接続されて、負荷２０４からの負荷電流を再循環させる。ＳＳＰＣ２００はさらに、一対の主ＴＶＳ２３０と対応する寄生ＴＶＳインダクタンス２３２とを含む。
【００２７】
さらに、複数の寄生インダクタンス２３４ａ〜２３４ｄが各スイッチング素子２２０に接続されている。複数のバイアス抵抗器（Ｒｂ１、Ｒｂ２、Ｒｂｎ）２３５ａ〜２３５ｃが設けられ、各スイッチング素子２２０に対応する。複数の局所ＴＶＳ（Ｄ１、Ｄ２、Ｄｎ）２３６ａ〜２３６ｃは、バイアス抵抗器２３５ａ〜２３５ｃのうちの対応する１つと各々直列に接続されて、寄生インダクタンス２３４ａ〜２３４ｄに蓄積されたエネルギーのみを散逸させる。あるいは、ＴＶＳ２３６ａ〜２３６ｃは、２つの小信号直列背向ツェナーダイオードによって置き換えることができる。
【００２８】
本発明の実施形態によれば、主ＴＶＳ２３０の合算した最大クランプ電圧は、スイッチング素子２２０の最小降伏電圧よりも小さい。さらに、スイッチング素子２２０の閾値電圧は、各局所ＴＶＳ２３６ａ〜２３６ｃのクランプ電圧と合計することができる。この合計により、局所ＴＶＳ２３６ａ〜２３６ｃの降伏電圧よりも高いクランプ電圧がもたらされる。また、この合計により、主ＴＶＳデバイス２３０の最大クランプ電圧よりも大きい最小クランプ電圧が得られる。
【００２９】
本発明は、ＤＣ用途に限定されず、図４および図５に示すようにＡＣ用途に適用することができる。より具体的には、図４および図５のＳＳＰＣ３００およびＳＳＰＣ４００は、図２および図３のＤＣ  ＳＳＰＣ１００およびＳＳＰＣ２００と同等の双方向ＡＣである。
【００３０】
図４に示すように、ＳＳＰＣ３００は、電圧源３０２と、負荷３０４と、上流インダクタ３０６と、下流インダクタ３０８とを含む。スイッチングを実行するために、複数のスイッチング素子（Ｑ１ａ、Ｑ１ｂ、Ｑ２ａ、Ｑ２ｂ、Ｑｎａ、Ｑｎｂ）３２０ａ〜３２０ｆも設けられる。各スイッチング素子３２０ａ〜３２０ｆにそれぞれ対応し、ゲートに接続された複数のゲート抵抗（Ｒｇ１ａ、Ｒｇ２ｂ、Ｒｇ２ａ、Ｒｇ２ｂ、Ｒｇｎａ、Ｒｇｎｂ）３２２ａ〜３２２ｆも設けられている。
【００３１】
ゲート抵抗３２２ａ〜３２２ｆは、各ゲートとゲート電圧ドライバ３２３との間に接続されており、スイッチング素子３２０に入力する電圧を駆動する。一対のフライホイールダイオード（Ｄｆｗｄａ、Ｄｆｗｄｂ）３２６ａおよび３２６ｂが設けられ、上流インダクタ３０６および下流インダクタ３０８にそれぞれ対応して、ＳＳＰＣ３００の開放中にＤＣ負荷電流の再循環を実行する。
【００３２】
一対の主ＴＶＳ３３０がスイッチング素子３２０ａ〜３２０ｆで電圧クランプを実行するために設けられている。ＴＶＳ３３０は、寄生インダクタ（Ｌｔｖ）３３２を含む。
【００３３】
さらに、複数の寄生インダクタンス３３４ａ〜３３４ｄが、スイッチング素子３２０ａ〜３２０ｄと直列にかつ対応して接続されている。例えば、寄生インダクタンス３３４ａ、３３４ｃは、スイッチング素子３２０ａ、３２０ｂにそれぞれ対応する。
【００３４】
また、ＳＳＰＣ３００は、スイッチング素子３２０ａ〜３２０ｆと並列に、かつ寄生インダクタンス３３４ａ〜３３４ｄと直列に設けられた複数の局所ＴＶＳ３３６ａ、３３６ｂを含む。ＴＶＳ３３６ａが寄生インダクタンス３３４ｂ、３３４ｄからエネルギーを散逸させるように、局所ＴＶＳ３３６ａ、３３６ｂは寄生インダクタンス３３４ａ〜３３４ｄからエネルギーを散逸させる。
【００３５】
図５において、ＳＳＰＣ４００は、図４に示すＳＳＰＣ３００と類似の特徴を含む。さらに、ＳＳＰＣ４００は、電圧源４０２と、負荷４０４と、上流インダクタ４０６および下流インダクタ４０８と、ゲートに複数のゲート抵抗４２２ａ〜４２２ｆが接続された複数のスイッチング素子４２０ａ〜４２０ｆとを含む。複数のゲート抵抗４２３ａ〜４２３ｆは、スイッチング素子４２０ａ〜４２０ｆのゲートと電圧ゲートドライバ４２３との間に接続され、ゲートにおける入力電圧を制御する。
【００３６】
負荷４０４における負荷電流を再循環させるために、一対のフライホイールダイオード４２６ａ、４２６ｂも設けられている。ＳＳＰＣ４００はさらに、複数のバイアス抵抗器（Ｒｂ１ａ、Ｒｂ１ｂ、Ｒｂ２ａ、Ｒｂ２ｂ、Ｒｂｎａ、Ｒｂｎｂ）４３８ａ〜４３８ｆのうちの１つと直列に各々接続され、かつ寄生インダクタンス４３４ａ〜４３４ｄに接続されてそこに蓄えられたエネルギーを散逸させる、複数の局所ＴＶＳ４３６ａ〜４３６ｆを含む。あるいは、ＴＶＳ４３６ａ〜４３６ｆは、他の実施形態に従って、２つの小信号直列背向ツェナーダイオードによって置き換えることができる。
【００３７】
図６は、図２に示したＳＳＰＣ２００の動作例を例示するグラフである。グラフ６００の詳細を、図２を参照して説明する。グラフ６００に示すように、また限定としてではなく例として、（１）の時点の前に、ＳＳＰＣ１００にかかる電圧は２７０ＶＤＣであり、ＳＳＰＣ１００が開いていることを示す。（１）の時点で、ＳＳＰＣ１００は閉じ、電流は１２５０Ａまで上昇する。
【００３８】
グラフ６００上の（２）の時点で、ＳＳＰＣ電流は１２５０Ａを越え、ＳＳＰＣはトリップして開く。主ＴＶＳ１３０のみが取り付けられている場合、（２）の時点で、スイッチング素子１２０を横切るドレイン−ソース間電圧は、１２００Ｖでアバランシェ降伏電圧に達し、それによって損傷を引き起こす。局所ＴＶＳ１３６ａ、１３６ｂを用いると、（２）の時点で、ＭＯＳＦＥＴデバイスを横切るドレイン−ソース間電圧は、約１０００Ｖの二次クランプ電圧に達する。
【００３９】
（２）の時点の直後に、寄生インダクタンス１３４ａ〜１３４ｄおよび主ＴＶＳインダクタンス１３２が散逸され、８５０Ｖで主ＴＶＳ１３０がクランプを引き継ぐ。したがって、局所ＴＶＳ１３６ａ、１３６ｂは、寄生インダクタンス２３４ａ〜２３４ｄに蓄積された少量のエネルギーのみを管理する。（３）の時点で、主ＴＶＳ電流はゼロまで低下し、全ての誘導性エネルギーが散逸される。
【００４０】
本明細書においては、本発明を最良の態様を含めて開示するとともに、あらゆる装置またはシステムの製作および使用ならびにあらゆる関連の方法の実行を含む本発明の実施を当業者にとって可能にするために、いくつかの実施例を使用している。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が想到する他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、特許請求の範囲の文言との差がない構造要素を有する場合、または特許請求の範囲の文言との実質的な差がない等価の構造要素を含む場合、特許請求の範囲内にあることを意図している。
【００４１】
［実施態様１］
スイッチングを実行するために並列に接続された複数のスイッチング素子（１２０、２２０、３２０、３２０ａ〜３２０ｆ、４２０ａ〜４２０ｆ）と、
電圧クランプを実行するように構成された１つ以上の主過渡電圧サプレッサ（１３０、２３０、３３０）と、
前記複数のスイッチング素子（１２０、２２０、３２０、３２０ａ〜３２０ｆ、４２０ａ〜４２０ｆ）のうちの１つのスイッチング素子（１２０、２２０、３２０、３２０ａ〜３２０ｆ、４２０ａ〜４２０ｆ）と各々直列に接続された複数の寄生インダクタンス（１３４ａ〜１３４ｄ、２３４ａ〜２３４ｄ、３３４ａ〜３３４ｄ、４３４ａ〜４３４ｄ）と、
前記複数のスイッチング素子（１２０、２２０、３２０、３２０ａ〜３２０ｆ、４２０ａ〜４２０ｆ）のうちの１つのスイッチング素子（１２０、２２０、３２０、３２０ａ〜３２０ｆ、４２０ａ〜４２０ｆ）と前記複数の寄生インダクタンス（１３４ａ〜１３４ｄ、２３４ａ〜２３４ｄ、３３４ａ〜３３４ｄ、４３４ａ〜４３４ｄ）のうちの少なくとも１つの寄生インダクタ（３３２）との直列接続と並列に各々接続され、前記複数の寄生インダクタンス（１３４ａ〜１３４ｄ、２３４ａ〜２３４ｄ、３３４ａ〜３３４ｄ、４３４ａ〜４３４ｄ）のうちの少なくとも１つの寄生インダクタ（３３２）内に蓄積されたエネルギーを散逸させるように構成された複数の局所過渡電圧サプレッサ（１３６、１３６ａ、１３６ｂ、２３６ａ〜２３６ｃ、３３６ａ、３３６ｂ、４３６ａ〜４３６ｆ）と
を備える、直流固体電力制御装置システム（１００、２００、３００、４００）。
【００４２】
［実施態様２］
前記固体電力制御装置システム（１００、２００、３００、４００）に電力を供給するための電圧源（１０２、２０２、３０２、４０２）と、
前記電力を受け取るように構成された負荷（１０４、２０４、３０４、４０４）と、
負荷電流を前記負荷（１０４、２０４、３０４、４０４）に再循環させるように構成されたフライホイールダイオード（１２６、２２６、３２６ａ、３２６ｂ、４２６ａ、４２６ｂ）と
をさらに含む、実施態様１に記載のシステム（１００、２００、３００、４００）。
【００４３】
［実施態様３］
一対の主過渡電圧サプレッサ（１３０、２３０、３３０）と直列に接続された過渡電圧サプレッサインダクタをさらに含み、１つ以上の過渡電圧サプレッサｓが前記過渡電圧サプレッサインダクタからエネルギーを散逸させるように構成されている、
実施態様１または２に記載のシステム（１００、２００、３００、４００）。
【００４４】
［実施態様４］
前記複数の局所過渡電圧サプレッサｓは、前記１つ以上の主過渡電圧サプレッサｓの最大合算クランプ電圧よりも大きく、複数のスイッチング素子（１２０、２２０、３２０、３２０ａ〜３２０ｆ、４２０ａ〜４２０ｆ）の最小降伏電圧よりも小さい最小降伏電圧を含む、実施態様３に記載のシステム（１００、２００、３００、４００）。
【００４５】
［実施態様５］
前記局所過渡電圧サプレッサｓは、前記複数のスイッチング素子（１２０、２２０、３２０、３２０ａ〜３２０ｆ、４２０ａ〜４２０ｆ）のうちの１つのスイッチング素子（１２０、２２０、３２０、３２０ａ〜３２０ｆ、４２０ａ〜４２０ｆ）に各々並列に接続されている、実施態様４に記載のシステム（１００、２００、３００、４００）。
【００４６】
［実施態様６］
各スイッチング素子（１２０、２２０、３２０、３２０ａ〜３２０ｆ、４２０ａ〜４２０ｆ）に接続された複数のバイアス抵抗器（２３５ａ〜２３５ｃ、４３８ａ〜４３８ｆ）をさらに含み、各局所過渡電圧サプレッサ（１３６、１３６ａ、１３６ｂ、２３６ａ〜２３６ｃ、３３６ａ、３３６ｂ、４３６ａ〜４３６ｆ）は、前記複数のバイアス抵抗器（２３５ａ〜２３５ｃ、４３８ａ〜４３８ｆ）のうちの１つのバイアス抵抗器（２３５ａ〜２３５ｃ、４３８ａ〜４３８ｆ）と直列に接続されて、少なくとも１つの寄生インダクタ（３３２）のエネルギーを散逸させる、実施態様４または５に記載のシステム（１００、２００、３００、４００）。
【００４７】
［実施態様７］
複数のスイッチング素子（１２０、２２０、３２０、３２０ａ〜３２０ｆ、４２０ａ〜４２０ｆ）が複数の金属酸化物半導体電界効果トランジスタを含み、前記バイアス抵抗器（２３５ａ〜２３５ｃ、４３８ａ〜４３８ｆ）が前記複数の金属酸化物半導体電界効果トランジスタのうちの１つの金属酸化物半導体電界効果トランジスタのゲートに各々接続されている、実施態様６に記載のシステム（１００、２００、３００、４００）。
【００４８】
［実施態様８］
スイッチングを実行するために各対が並列に接続された複数対のスイッチング素子（１２０、２２０、３２０、３２０ａ〜３２０ｆ、４２０ａ〜４２０ｆ）と、
電圧クランプを実行するように構成されている１つ以上の主過渡電圧サプレッサ（１３０、２３０、３３０）と、
前記複数対のスイッチング素子（１２０、２２０、３２０、３２０ａ〜３２０ｆ、４２０ａ〜４２０ｆ）のうちの１つのスイッチング素子（１２０、２２０、３２０、３２０ａ〜３２０ｆ、４２０ａ〜４２０ｆ）と各々直列に接続された複数の寄生インダクタンス（１３４ａ〜１３４ｄ、２３４ａ〜２３４ｄ、３３４ａ〜３３４ｄ、４３４ａ〜４３４ｄ）と、
前記複数のスイッチング素子（１２０、２２０、３２０、３２０ａ〜３２０ｆ、４２０ａ〜４２０ｆ）のうちの１つのスイッチング素子（１２０、２２０、３２０、３２０ａ〜３２０ｆ、４２０ａ〜４２０ｆ）と前記複数の寄生インダクタンス（１３４ａ〜１３４ｄ、２３４ａ〜２３４ｄ、３３４ａ〜３３４ｄ、４３４ａ〜４３４ｄ）のうちの少なくとも１つの寄生インダクタ（３３２）との直列接続と並列に各々接続され、前記複数の寄生インダクタンス（１３４ａ〜１３４ｄ、２３４ａ〜２３４ｄ、３３４ａ〜３３４ｄ、４３４ａ〜４３４ｄ）のうちの少なくとも１つの寄生インダクタ（３３２）内に蓄積されたエネルギーを散逸させるように構成された複数の局所過渡電圧サプレッサ（１３６、１３６ａ、１３６ｂ、２３６ａ〜２３６ｃ、３３６ａ、３３６ｂ、４３６ａ〜４３６ｆ）と
を備える、双方向交流固体電力制御装置システム（１００、２００、３００、４００）。
【００４９】
［実施態様９］
固体電力制御装置システム（１００、２００、３００、４００）に電力を供給するための電圧源（１０２、２０２、３０２、４０２）と、
前記電力を受け取るように構成された負荷（１０４、２０４、３０４、４０４）と、
各々が前記電圧源（１０２、２０２、３０２、４０２）と前記負荷（１０４、２０４、３０４、４０４）とにそれぞれ接続され、負荷電流を前記負荷（１０４、２０４、３０４、４０４）に再循環させるように構成された一対のフライホイールダイオード（１２６、２２６、３２６ａ、３２６ｂ、４２６ａ、４２６ｂ）と
をさらに含む、実施態様８に記載のシステム（１００、２００、３００、４００）。
【００５０】
［実施態様１０］
一対の主過渡電圧サプレッサ（１３０、２３０、３３０）と直列に接続された過渡電圧サプレッサインダクタをさらに含み、前記１つ以上の主過渡電圧サプレッサ（１３０、２３０、３３０）が前記過渡電圧サプレッサインダクタからエネルギーを散逸させるように構成されている、
実施態様９に記載のシステム（１００、２００、３００、４００）。
【００５１】
［実施態様１１］
前記１つ以上の過渡電圧サプレッサの合算クランプ電圧は、複数のスイッチング素子（１２０、２２０、３２０、３２０ａ〜３２０ｆ、４２０ａ〜４２０ｆ）の最小降伏電圧よりも低い、実施態様１０に記載のシステム（１００、２００、３００、４００）。
【００５２】
［実施態様１２］
前記局所過渡電圧サプレッサ（１３６、１３６ａ、１３６ｂ、２３６ａ〜２３６ｃ、３３６ａ、３３６ｂ、４３６ａ〜４３６ｆ）は、前記複数のスイッチング素子（１２０、２２０、３２０、３２０ａ〜３２０ｆ、４２０ａ〜４２０ｆ）のうちの１つのスイッチング素子（１２０、２２０、３２０、３２０ａ〜３２０ｆ、４２０ａ〜４２０ｆ）に各々並列に接続されている、実施態様１０または１１に記載のシステム（１００、２００、３００、４００）。
【００５３】
［実施態様１３］
各スイッチング素子（１２０、２２０、３２０、３２０ａ〜３２０ｆ、４２０ａ〜４２０ｆ）に接続された複数のバイアス抵抗器（２３５ａ〜２３５ｃ、４３８ａ〜４３８ｆ）をさらに含み、各局所過渡電圧サプレッサ（１３６、１３６ａ、１３６ｂ、２３６ａ〜２３６ｃ、３３６ａ、３３６ｂ、４３６ａ〜４３６ｆ）は、前記複数のバイアス抵抗器（２３５ａ〜２３５ｃ、４３８ａ〜４３８ｆ）のうちの１つのバイアス抵抗器（２３５ａ〜２３５ｃ、４３８ａ〜４３８ｆ）と直列に接続されて、少なくとも１つの寄生インダクタ（３３２）のエネルギーを散逸させる、実施態様１０乃至１２のいずれか一項に記載のシステム（１００、２００、３００、４００）。
【００５４】
［実施態様１４］
複数のスイッチング素子（１２０、２２０、３２０、３２０ａ〜３２０ｆ、４２０ａ〜４２０ｆ）が複数の金属酸化物半導体電界効果トランジスタを含み、前記バイアス抵抗器（２３５ａ〜２３５ｃ、４３８ａ〜４３８ｆ）が前記複数の金属酸化物半導体電界効果トランジスタのうちの１つの金属酸化物半導体電界効果トランジスタのゲートに各々接続されている、実施態様１３に記載のシステム（１００、２００、３００、４００）。
【００５５】
［実施態様１５］
直流固体電力制御装置において過渡現象を管理する方法であって、前記方法は、
並列に接続された複数のスイッチング素子（１２０、２２０、３２０、３２０ａ〜３２０ｆ、４２０ａ〜４２０ｆ）でスイッチングを実行するステップと、
前記複数のスイッチング素子（１２０、２２０、３２０、３２０ａ〜３２０ｆ、４２０ａ〜４２０ｆ）に接続された１つ以上の主過渡電圧サプレッサ（１３０、２３０、３３０）を使用して電圧クランプを実行するステップと、
複数の寄生インダクタンス（１３４ａ〜１３４ｄ、２３４ａ〜２３４ｄ、３３４ａ〜３３４ｄ、４３４ａ〜４３４ｄ）のうちの少なくとも１つの寄生インダクタ（３３２）を前記複数のスイッチング素子（１２０、２２０、３２０、３２０ａ〜３２０ｆ、４２０ａ〜４２０ｆ）のうちの１つのスイッチング素子（１２０、２２０、３２０、３２０ａ〜３２０ｆ、４２０ａ〜４２０ｆ）と直列に接続するステップと、
局所過渡電圧サプレッサ（１３６、１３６ａ、１３６ｂ、２３６ａ〜２３６ｃ、３３６ａ、３３６ｂ、４３６ａ〜４３６ｆ）を、前記複数のスイッチング素子（１２０、２２０、３２０、３２０ａ〜３２０ｆ、４２０ａ〜４２０ｆ）のうちの１つのスイッチング素子（１２０、２２０、３２０、３２０ａ〜３２０ｆ、４２０ａ〜４２０ｆ）と前記複数の寄生インダクタンス（１３４ａ〜１３４ｄ、２３４ａ〜２３４ｄ、３３４ａ〜３３４ｄ、４３４ａ〜４３４ｄ）のうちの少なくとも１つの寄生インダクタ（３３２）との直列接続と並列に接続し、前記複数の寄生インダクタンス（１３４ａ〜１３４ｄ、２３４ａ〜２３４ｄ、３３４ａ〜３３４ｄ、４３４ａ〜４３４ｄ）のうちの少なくとも１つの寄生インダクタ（３３２）内に蓄積されたエネルギーを散逸させるステップと
を含む、方法。
【符号の説明】
【００５６】
１００  ＳＳＰＣ
１０２  電圧源
１０４  負荷
１０６  上流配線インダクタ
１０８  下流負荷インダクタ
１２０  スイッチング素子
１２２  ゲート抵抗
１２３  ゲート電圧ドライバ
１２６  フライホイールダイオード
１３０  主ＴＶＳ、ＴＶＳデバイス、ＴＶＳ構成要素
１３２  寄生ＴＶＳインダクタンス
１３４ａ〜１３４ｄ  寄生インダクタンス
１３６  局所ＴＶＳ
１３６ａ、１３６ｂ  局所ＴＶＳ、ＴＶＳデバイス
２００  ＳＳＰＣ
２０２  電圧源
２０４  負荷
２０６  上流インダクタ
２０８  下流インダクタ
２２０  スイッチング素子
２２２  ゲート抵抗
２２３  ゲート電圧ドライバ
２２６  フライホイールダイオード
２３０  主ＴＶＳデバイス
２３２  寄生ＴＶＳインダクタンス
２３４ａ〜２３４ｄ  寄生インダクタンス
２３５ａ〜２３５ｃ  バイアス抵抗器
２３６ａ〜２３６ｃ  局所ＴＶＳ
３００  ＳＳＰＣ
３０２  電圧源
３０４  負荷
３０６  上流インダクタ
３０８  下流インダクタ
３２０  スイッチング素子
３２０ａ〜３２０ｆ  スイッチング素子
３２２ａ〜３２２ｆ  ゲート抵抗
３２３  ゲート電圧ドライバ
３２６ａ、３２６ｂ  フライホイールダイオード
３３０  主ＴＶＳ
３３２  寄生インダクタ
３３４ａ〜３３４ｄ  寄生インダクタンス
３３６ａ、３３６ｂ  局所ＴＶＳ
４００  ＳＳＰＣ
４０２  電圧源
４０４  負荷
４０６  上流インダクタ
４０８  下流インダクタ
４２０ａ〜４２０ｆ  スイッチング素子
４２２ａ〜４２２ｆ  ゲート抵抗
４２３  電圧ゲートドライバ
４２３ａ〜４２３ｆ  ゲート抵抗
４２６ａ、４２６ｂ  フライホイールダイオード
４３４ａ〜４３４ｄ  寄生インダクタンス
４３６ａ〜４３６ｆ  局所ＴＶＳ
４３８ａ〜４３８ｆ  バイアス抵抗器
６００  グラフ
【図１】
2019530403.tif 000003
【図２】
2019530403.tif 000004
【図３】
2019530403.tif 000005
【図４】
2019530403.tif 000006
【図５】
2019530403.tif 000007
【図６】
2019530403.tif 000008
【国際調査報告】
2019530403.tif 000009
2019530403.tif 000010
2019530403.tif 000011
2019530403.tif 000012