(57)【要約】本発明は、共振回路（１６）を具備するコンバータに関する。該コンバータは、電流バルブ（２、３）を流れる電流の変化率（ｄＩ／ｄｔ）を測定するための装置（３１）と、前記測定装置（３１）と協働してコンバータ内の短絡を検出するための検出装置（３２）とを具備し、該検出装置（３２）は、所定の制限時間（ｔｌｉｍ）を上回る時間に亘って測定装置（３１）により測定された電流の変化率（ｄＩ／ｄｔ）が電流変化率の所定の極限値（ｄＩ／ｄｔｌｉｍ）以上である際に、短絡電流を検出するように適応されている。本発明はこのようなコンバータを制御する方法にも関する。
2005503749.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンバータの直流電圧側の正と負の２つの電極（４、５）間に配設された少なくとも２つの電流バルブ（２、３）の直列接続であって、各電流バルブが、ターンオフ型の半導体構成要素（１３ａ、１３ｂ）と、それと逆並列に接続された整流構成要素（１４ａ、１４ｂ）とが設けられた少なくとも１つの回路（１２）を具備し、交流電圧相線（１１）が、２つの電流バルブ間の直列接続部の、相出力部と称される中間点（１０）に接続されて該直列接続部を２つの部分（１ａ、１ｂ）に等分している直列接続と、
電流バルブのターンオフ型の半導体構成要素（１３ａ、１３ｂ）のそれぞれと並列に接続されたスナバキャパシタ（１５）と、少なくとも１つのインダクタ（１７）と、相電流の転流に際して前記スナバキャパシタ（１５）を再充電するためのターンオフ型の半導体構成要素（２０ａ、２０ｂ）が設けられた補助バルブ（１８）とを有する共振回路（１６）と、
電流バルブのターンオフ型の半導体構成要素（１３ａ、１３ｂ）のターンオン及びターンオフを制御するための制御装置（２４）と、
を具備するコンバータであって、
当該コンバータが、電流バルブ（２、３）を流れる電流の変化率（ｄＩ／ｄｔ）を測定するための装置（３１）と、前記測定装置（３１）と協働して該コンバータ内の短絡を検出するための検出装置（３２）とを具備し、所定の制限時間（ｔｌｉｍ）を上回る間、前記測定装置（３１）により測定された電流の変化率（ｄＩ／ｄｔ）が所定の電流の変化率の極限値（ｄＩ／ｄｔｌｉｍ）以上であるとき、該検出装置（３２）が短絡電流を検出するように適応されていることを特徴とするコンバータ。
【請求項２】
各電流バルブ（２、３）には、電流バルブ（２、３）の電流の変化率（ｄＩ／ｄｔ）の大きさを最大値（ｄＩ／ｄｔｍａｘ）に制限するための手段（４０）が設けられていることを特徴とする請求項１に記載のコンバータ。
【請求項３】
電流バルブ（２、３）の電流の変化率（ｄＩ／ｄｔ）の大きさを最大値（ｄＩ／ｄｔｍａｘ）に制限するための各電流バルブ（２、３）の手段（４０）は、電流バルブのターンオフ型の半導体構成要素（１３ａ、１３ｂ）の各々に、ターンオフ型の各半導体構成要素（１３ａ、１３ｂ）のゲート（Ｇ）とエミッタ（Ｅ）との間に配設されたキャパシタ（４１）を具備することを特徴とする請求項２に記載のコンバータ。
【請求項４】
前記手段（４０）は、電流バルブのターンオフ型の半導体構成要素（１３ａ、１３ｂ）の各々に、前記ゲートと前記エミッタとの間に配設されたキャパシタ（４１）と直列に、ターンオフ型の各半導体構成要素（１３ａ、１３ｂ）のゲート（Ｇ）とエミッタ（Ｅ）との間に配設されたツェナーダイオード（４２）をさらに具備することを特徴とする請求項３に記載のコンバータ。
【請求項５】
測定装置（３１）は、測定装置（３１）により測定された電流の変化率（ｄＩ／ｄｔ）が電流の変化率の極限値（ｄＩ／ｄｔｌｉｍ）以上であるとき、それを示す信号を検出装置（３２）に送信するように適応されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のコンバータ。
【請求項６】
測定装置（３１）が、測定された電流の変化率（ｄＩ／ｄｔ）の値を示す測定信号を検出装置（３２）に送信するように適応されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のコンバータ。
【請求項７】
測定装置（３１）が、電流バルブ（２、３）の前記直流接続部の２つの部分のうち第１の部分（１ａ）における電流の変化率（ｄＩ／ｄｔ）を測定するための第１の測定部材（３１ａ）と、電流バルブ（２、３）の前記直流接続部の２つの部分のうち第２の部分（１ｂ）における電流の変化率（ｄＩ／ｄｔ）を測定するための第２測定部材（３１ｂ）とを具備することを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載のコンバータ。
【請求項８】
電流バルブに含まれるターンオフ型の半導体構成要素（１３ａ、１３ｂ）と、それと逆並列に接続された整流構成要素（１４ａ、１４ｂ）とを有する少なくとも１つの回路（１２）には、前記回路（１２）に含まれるターンオフ型の半導体構成要素（１３ａ、１３ｂ）と直列に、前記回路（１２）に属するスナバキャパシタ（１５）と並列に接続された、電流の変化率（ｄＩ／ｄｔ）を測定するための測定部材（３１ａ、３１ｂ）が設けられていることを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載のコンバータ。
【請求項９】
所定の制限時間値（ｔｌｉｍ）を上回る間、測定された電流の変化率（ｄＩ／ｄｔ）が電流の変化率の極限値（ｄＩ／ｄｔｌｉｍ）以上であった結果、検出装置（３２）が短絡電流を検出したとき、制御装置（２４）が電流バルブ（２、３）のターンオフ型の半導体構成要素（１３ａ、１３ｂ）のターンオフを開始するように適応されていることを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載のコンバータ。
【請求項１０】
検出装置（３２）と協働して電流バルブ（２、３）の電流強度（Ｉ）を測定するための装置（３３）を具備し、測定された電流強度が所定の電流強度の極限値（Ｉｌｉｍ）を上回ったとき、該検出装置（３２）が短絡電流を検出するように適応されていることを特徴とする請求項１ないし９のいずれかに記載のコンバータ。
【請求項１１】
電流強度（Ｉ）を測定するための装置（３３）が、電流バルブ（２、３）の前記直列接続部の２つの部分のうち第１の部分（１ａ）における電流強度（Ｉ）を測定するための第１の測定部材（３３ａ）と、電流バルブ（２、３）の前記直列接続部の２つの部分のうち第２の部分（１ｂ）における電流強度（Ｉ）を測定するための第２の測定部材（３３ｂ）とを具備することを特徴とする請求項１０に記載のコンバータ。
【請求項１２】
測定された電流強度（Ｉ）が所定の電流強度の極限値（Ｉｌｉｍ）を上回った結果、検出装置（３２）が短絡電流を検出したとき、制御装置（２４）が電流バルブ（２、３）のターンオフ型の半導体構成要素（１３ａ、１３ｂ）のターンオフを開始するように適応されていることを特徴とする請求項１０又は１１に記載のコンバータ。
【請求項１３】
制御装置（２４）は、電流バルブ（２、３）の前記直流接続部の２つの部分（１ａ、１ｂ）の一方において測定された電流強度（Ｉ）が所定の電流強度の極限値（Ｉｌｉｍ）を上回ったとき、まず直列接続の他方の部分（１ｂ、１ａ）において電流バルブのターンオフ型の半導体構成要素（１３ｂ、１３ａ）のターンオフを開始し、その後測定された電流強度（Ｉ）が所定の電流強度の極限値（Ｉｌｉｍ）を上回った直列接続の部分（１ａ、１ｂ）における電流バルブのターンオフ型の半導体構成要素（１３ａ、１３ｂ）のターンオフを開始することを特徴とする請求項１２に記載のコンバータ。
【請求項１４】
制御装置（２４）は、直列部分の他方の部分（１ｂ、１ａ）において電流バルブのターンオフ型の半導体構成要素（１３ｂ、１３ａ）のターンオフの開始した後、所定の遅延時間（ｔｄ）をおいて、測定された電流強度（Ｉ）が所定の電流強度の極限値（Ｉｌｉｍ）を上回った直列接続の部分（１ａ、１ｂ）における電流バルブのターンオフ型の半導体構成要素（１３ａ、１３ｂ）のターンオフを開始するように適応されていることを特徴とする請求項１３に記載のコンバータ。
【請求項１５】
電流バルブ（２、３）のターンオフ型の各半導体構成要素（１３ａ、１３ｂ）には、制御装置（２４）から受信した制御信号の誘導により、ターンオフ型の関連半導体構成要素（１３ａ、１３ｂ）のターンオン及びターンオフを実行するように適応された制御ユニット（２５）が設けられており、該各制御ユニット（２５）が、制御信号の受信確認を制御装置（２４）に返信するように適応されていることと、
制御装置（２４）は、電流バルブ（２、３）の直列接続の他方の部分における全ての制御ユニット（２５）から、ターンオフ型の関連半導体構成要素（１３ｂ、１３ａ）のターンオフに関連する前記制御信号の受信確認を受信した場合のみ、電流バルブ（２、３）の直列接続の一方の部分における電流バルブのターンオフ型の半導体構成要素（１３ａ、１３ｂ）のターンオフを可能にするように適応されていることと、
を特徴とする請求項１ないし１４のいずれかに記載のコンバータ。
【請求項１６】
各電流バルブ（２、３）は、電流バルブの整流構成要素（１４ａ、１４ｂ）における遮断電圧を検出するための部材（２５）を具備することと、
制御装置（２４）は、電流バルブ（２、３）の直列接続の他方の部分（１ｂ、１ａ）の各電流バルブから、電流バルブの整流構成要素（１４ｂ、１４ａ）において遮断電圧が検出されたことを示す信号を受信した場合のみ、電流バルブ（２、３）の直列接続の一方の部分（１ａ、１ｂ）においてターンオフ型の半導体構成要素（１３ａ、１３ｂ）のターンオンを可能にするように適応されていることと、
を特徴とする請求項１ないし１５のいずれかに記載のコンバータ。
【請求項１７】
各電流バルブ（２、３）は、電流バルブの整流構成要素（１４ａ、１４ｂ）における遮断電圧を検出するための部材（２５）を具備することと、
ターンオン信号が異なる極性に配設された電流バルブに送信されてから所定の期間内に電流バルブにおいて遮断電圧が検出されない場合、制御装置（２４）が電流バルブ（２、３）のターンオフ型の半導体構成要素（１３ａ、１３ｂ）のターンオフを開始するように適応されていることと、
を特徴とする請求項１ないし１６のいずれかに記載のコンバータ。
【請求項１８】
コンバータの直流電圧側の２電極（４、５）間に配設された少なくとも２つの中間リンクキャパシタ（７、８）の直列接続と、
相出力部（１０）と中間リンクキャパシタ（７、８）の前記直列接続の中間点（９）との間に配設されたインダクタ（１７）と補助バルブ（１８）との直列接続を含む共振回路（１６）とを具備するＡＲＣＰコンバータであって、
前記補助バルブ（１８）が、互いに異なる極性に配設された少なくとも２つのターンオフ型の半導体構成要素（２０ａ、２０ｂ）を含むことを特徴とする請求項１ないし１７のいずれかに記載のコンバータ。
【請求項１９】
コンバータの直流電圧側の正と負の２つの電極（４、５）間に配設された少なくとも２つの電流バルブ（２、３）の直列接続であって、各電流バルブが、ターンオフ型の半導体構成要素（１３ａ、１３ｂ）と、それと逆並列に接続された整流構成要素（１４ａ、１４ｂ）とが設けられた少なくとも１つの回路（１２）を具備し、交流電圧相線（１１）が、２つの電流バルブ間の直列接続の相出力部と称される中間点（１０）に接続されて該直列接続を２つの部分（１ａ、１ｂ）に等分している直列接続と、
電流バルブのターンオフ型の半導体構成要素（１３ａ、１３ｂ）のそれぞれと並列に接続されたスナバキャパシタ（１５）と、少なくとも１つのインダクタ（１７）と、相電流の転流に関連して前記スナバキャパシタ（１５）を再充電するためのターンオフ型の半導体構成要素（２０ａ、２０ｂ）が設けられた補助バルブ（１８）とを有する共振回路（１６）と、
電流バルブのターンオフ型の半導体構成要素（１３ａ、１３ｂ）のターンオン及びターンオフを制御するための制御装置（２４）と、
を具備するコンバータを制御する方法であって、
電流バルブ（２、３）を流れる電流の変化率（ｄＩ／ｄｔ）を測定し、電流の変化率の極限値（ｄＩ／ｄｔｌｉｍ）と比較し、所定の制限時間（ｔｌｉｍ）を上回る間、測定された電流の変化率（ｄＩ／ｄｔ）が電流の変化率の極限値（ｄＩ／ｄｔｌｉｍ）以上であるとき、短絡電流を検出することを特徴とする方法。
【請求項２０】
各電流バルブ（２、３）の電流の変化率（ｄＩ／ｄｔ）の大きさを、最大値（ｄＩ／ｄｔｍａｘ）に制限することを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
各電流バルブ（２、３）の電流の変化率（ｄＩ／ｄｔ）の大きさを、電流バルブのターンオフ型の半導体構成要素（１３ａ、１３ｂ）の各一方において、ターンオフ型の各半導体構成要素（１３ａ、１３ｂ）のゲート（Ｇ）とエミッタ（Ｅ）との間に、好ましくはツェナーダイオード（４２）と直列に配設されたキャパシタ（４１）を用いて最大値（ｄＩ／ｄｔｍａｘ）に制限することを特徴とする請求項１９又は２０に記載の方法。
【請求項２２】
所定の制限時間値（ｔｌｉｍ）を上回る間、測定された電流のの極限値（ｄＩ／ｄｔ）が電流の変化率の極限値（ｄＩ／ｄｔｌｉｍ）以上であった結果、短絡電流が検出されたとき、制御装置（２４）が電流バルブ（２、３）のターンオフ型の半導体構成要素（１３ａ、１３ｂ）のターンオフを開始するように適応されていることを特徴とする請求項１９ないし２１のいずれかに記載の方法。
【請求項２３】
電流バルブにおける電流強度（Ｉ）を測定し、測定された電流強度が所定の電流強度の極限値（Ｉｌｉｍ）を上回るとき、短絡電流を検出することを特徴とする請求項１９ないし２２のいずれかに記載の方法。
【請求項２４】
測定された電流強度（Ｉ）が所定の電流強度の極限値（Ｉｌｉｍ）を上回った結果、短絡電流が検出されたとき、制御装置（２４）が電流バルブ（２、３）のターンオフ型の半導体構成要素（１３ａ、１３ｂ）のターンオフを開始するように適応されていることを特徴とする請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
制御装置（２４）は、測定された電流強度（Ｉ）が電流バルブ（２、３）の前記直流接続部の２つの部分（１ａ、１ｂ）の一方において所定の電流強度の極限値（Ｉｌｉｍ）を上回ったとき、まず直列接続の他方の部分（１ｂ、１ａ）において電流バルブのターンオフ型の半導体構成要素（１３ｂ、１３ａ）のターンオフを開始し、その後、測定された電流強度（Ｉ）が所定の電流強度の極限値（Ｉｌｉｍ）を上回った直列接続の部分（１ａ、１ｂ）において電流バルブのターンオフ型の半導体構成要素（１３）のターンオフを開始することを特徴とする請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
直列部分の他方の部分（１ｂ、１ａ）において電流バルブのターンオフ型の半導体構成要素（１３ｂ、１３ａ）のターンオフを開始した後、所定の遅延時間（ｔｄ）をおいて、測定された電流強度（Ｉ）が所定の電流強度の極限値（Ｉｌｉｍ）を上回った直列接続の部分（１ａ、１ｂ）において、電流バルブのターンオフ型の半導体構成要素（１３ａ、１３ｂ）のターンオフを開始するように制御装置（２４）が適応されていることを特徴とする請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
電流バルブ（２、３）のターンオフ型の各半導体構成要素（１３ａ、１３ｂ）のターンオン及びターンオフは、制御装置（２４）から受信した制御信号により誘導される制御ユニット（２５）を用いて実行され、各制御ユニット（２５）が制御信号の受信確認を制御装置（２４）に返信することと、
制御装置（２４）は、電流バルブ（２、３）の直列接続の他方の部分における全ての制御ユニット（２５）から、ターンオフ型の関連半導体構成要素（１３ｂ、１３ａ）のターンオフに関する前記制御信号の受信確認を受信した場合のみ、電流バルブ（２、３）の直列接続の一方の部分で電流バルブのターンオフ型の半導体構成要素（１３ａ、１３ｂ）のターンオフを許容するように適応されていることと、
を特徴とする請求項１９ないし２６のいずれかに記載の方法。
【請求項２８】
電流バルブの整流構成要素（１４ａ、１４ｂ）において遮断電圧を検出することと、
制御装置（２４）は、電流バルブ（２、３）の直列接続の他方の部分（１ｂ、１ａ）の各電流バルブから、遮断電圧が電流バルブの整流構成要素（１４ｂ、１４ａ）で検出されたことを示す信号を受信した場合のみ、電流バルブ（２、３）の直列接続の一方の部分（１ａ、１ｂ）における電流バルブのターンオフ型の半導体構成要素（１３ａ、１３ｂ）のターンオンを許容にするように適応されていることと、
を特徴とする請求項１９ないし２７のいずれかに記載の方法。
【請求項２９】
コンバータの整流構成要素（１４ａ、１４ｂ）の遮断電圧を検出することと、
ターンオン信号が異なる極性に配設された電流バルブに送信されてから所定の期間内に、電流バルブにおいて遮断電圧が検出されかった場合、制御装置（２４）が電流バルブ（２、３）のターンオフ型の半導体構成要素（１３ａ、１３ｂ）のターンオフを開始するように適応されていることと、
を特徴とする請求項１９ないし２８のいずれかに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の序文に記載されたコンバータ及びそのようなコンバータを制御する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、特にＶＳＣコンバータに関する。直流電圧網と交流電圧網を接続するためのＶＳＣコンバータは、１９９５年にストックホルムロイヤル工業大学(Royal Institute of Technology)のAnders Lindbergによる論文「PWM and control of two and three level high voltage source converters」で既に紹介されている。この文献では、このようなコンバータを利用しながら高電圧直流電流（ＨＶＤＣ）用の直流電圧網を介して送電するプラントが説明されている。当該論文の発表以前は、直流電圧網と交流電圧網間の送電用プラントは送電所で網転流ＣＳＣ（Current Source Converter）コンバータを使用することを前提としていた。しかし、この論文で完全に新しい概念が開示された。該概念は、高圧直流電流の場合そこに過電圧がかかる直流電圧網と、そこに接続される交流電圧網との間の送電のための強制転流用にＶＳＣ(Voltage Source Converter)コンバータを代替的に用いることを前提としている。それにより、ＨＶＤＣにおける網転流形ＣＳＣコンバータの使用と比較して複数の注目すべき長所が提供される。中でも、有効電力と無効電力の消費量を個別に制御可能であること、及び、コンバータ内で転流誤りが発生するリスクがないので、網転流形ＣＳＣで起こり得るような転流誤りが、異なるＨＶＤＣリンク間で送信されるリスクがないことに言及できる。さらに、弱交流電圧網又はそれ自身何も発生させない網（無交流電圧網）に給電することができる。
【０００３】
本発明のコンバータは、例えば直流電圧網から交流電圧網に対して送電するために、高圧直流電流（ＨＶＤＣ）用の直流電圧網を介して送電するためのプラント内に具備することができる。この場合、当該コンバータは、直流電圧側が直流電圧網に接続され、交流電圧側が交流電圧網に接続される。しかし、本発明のコンバータは、高圧ジェネレータ又はモータ等の負荷に直接接続することもできる。その場合、当該コンバータは、その直流電圧側または交流電圧側でジェネレータ又はモータに接続される。本発明は、これらの用途に限定されず、これに対して、ＳＶＣ（静止形無効電力補償器）又はバックツーバック局での変換への使用にも適する場合がある。当該コンバータの直流電圧側の電圧は、有利には、１０−４００ｋＶ、好ましくは１３０−４００ｋＶの高圧である。本発明のコンバータは、上記以外に他形式のＦＡＣＴＳ（フレキシブル交流送電システム）装置にも具備することができる。
【０００４】
ＶＳＣコンバータには複数の構成が知られている。あらゆる構成において、ＶＳＣコンバータは、いわゆる電流バルブを複数具備し、各電流バルブは、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）又はＧＴＯ（ゲートターンオフ形サイリスタ）等のターンオフ型の半導体素子と、それと逆並列に接続されたフリーホイールダイオードと称されるダイオード形の整流部材とを具備する。ターンオフ型の各半導体素子は、通常、高圧用途において、複数の直列接続に構成されて同時制御される、複数の個別のＩＧＢＴ、又はＧＴＯ等のターンオフ型の半導体構成要素で製作される。高圧の用途では、遮断状態の各電流バルブにより保持電圧を確保するため、比較的多数のそのような半導体構成要素が必要とされる。同じように、各整流部材は複数の直列接続整流部材で構成される。ターンオフ型の半導体構成要素及び整流構成要素は、複数の直列接続された回路で構成された電流バルブにあり、その各回路は、つまり、ターンオフ型の半導体構成要素と、それと逆並列に接続された整流構成要素とを具備する。
【０００５】
コンバータの電流バルブのターンオフ型の半導体構成要素におけるターンオフ損失、つまり、これらがターンオフされる際のターンオフ型の半導体構成要素における損失を制限するため、ターンオフ型の各半導体素子を介して並列接続された、いわゆるスナバキャパシタ形態の容量性部材を構成することは周知である。また、相電流の転流に関して前記スナバキャパシタを再充電するための、いわゆる共振回路が設けられたコンバータを提供することも周知である。これによって、電流バルブのターンオフ型の半導体素子におけるターンオン損失、つまり、これらがターンオンする際の、ターンオフ型の半導体素子における損失を制限することも可能である。
【０００６】
インダクタンスとキャパシタンスに基づく実質的に損失のない多様な形態の転流回路が開発され、転流に伴うＶＳＣコンバータの損失を低下させるために使用される。この種のコンバータは、「ソフトスイッチコンバータ」と称される。このようなコンバータの一例として、ＡＲＣＰＣコンバータ（補助共振転流ポール形コンバータ）を挙げることができる。これらのコンバータは、電流バルブの整流部材から別の電流バルブのターンオフ型の半導体素子に対する相電流の転流に関して電流バルブのスナバキャパシタを再充電させるように適応された共振回路を具備する。それにより、前記半導体素子は、高圧でなく低圧でターンオンすることができ、よって電流バルブの半導体素子におけるターンオン損失が制限される。また、電流バルブのターンオフ型の半導体素子から別の電流バルブの整流部材に対して相電流が転流される際、つまり、第1電流バルブの半導体素子のターンオフに関して、相電流が低いために相出力における電圧のスイッチング時間が不当に長くなるようなときにも、共振回路は使用される。
【０００７】
場合によっては、コンバータの電流バルブに短絡電流が発生し、電流バルブのターンオフ型の半導体構成要素が絶縁破壊しないようにこれに対処できることが必要になる。このような短絡電流は、例えば、極性を異にする電流バルブが通電しているときに、禁じられた電流バルブのターンオンが実行された場合に起こる。それは例えば、電流バルブのターンオフ型の半導体構成要素のターンオン及びターンオフを制御する制御装置で誤動作が発生したような場合である。このような場合、電流バルブを流れる電流は、該電流バルブのターンオフ型の半導体素子の電流飽和レベルに到達するまで急上昇する。ターンオフ型の半導体素子の電流飽和レベルに到達すると、半導体構成要素をターンオフすることは困難であり、多くの場合は不可能である。したがって、半導体構成要素が電流飽和レベルに到達する前に、電流バルブのターンオフ型の半導体構成要素を保護するために必要な手段を講じることができるよう、コンバータに発生する短絡電流を極めて迅速に検出可能であることが必要である。
【特許文献１】
米国特許第５５７２４１８号
【特許文献２】
米国特許第５８２８５３９号
【特許文献３】
米国特許第５９９０７２４号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的
本発明の目的は、コンバータの電流バルブに発生する短絡回路電流の効率的で素早い検出を可能にすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明によれば、前記目的は、請求項１に記載のコンバータ及び請求項１９に記載の方法によって達成することができる。
【００１０】
本発明の解決手段によれば、電流バルブを流れる電流の変化率が測定され、電流の変化率の極限値と比較される。所定の制限時間を上回る時間に亘り、測定された電流の変化率が電流の変化率の極限値以上である際に短絡電流が検出される。
【発明の効果】
【００１１】
共振回路が設けられたコンバータにおける電流の変化率は、通常、共振回路内にインダクタがあるために低い。電流の変化率が大きくなることは、結果的に通常状態との偏差を示す。コンバータの電気回路内の任意箇所の短絡に関連して、そのような大きな電流変化率が生ずる。電流の変化率を測定することにより、非常に早い段階で短絡電流を検出することができるので、短絡電流が電流バルブのターンオフ型の半導体構成要素の電流飽和レベルに達するような高い値に到達する前に、電流バルブのターンオフ型の半導体構成要素のターンオフを含め、所要の保護対策を実行することができる。また、例えば、スナバキャパシタの再充電に関連するなど、通常の動作状態の間、電流バルブに大きな電流変化率を伴う短い間隔が発生する場合もある。さらに、特に、共振回路に含まれるインダクタ及び補助バルブの助けなしに実行される電流バルブのターンオフ型の半導体構成要素のターンオフ後、転流振動によって、高い電流変化率が短期間発生する場合もある。しかし、短絡電流が招く高い電流変化率は、通常の動作状態の間に時折発生する高い電流変化率よりも期間が長い。高い電流変化率の期間を検討することにより、短絡電流が招く高い電流変化率と、短絡電流によるものではない高い電流変化率とを識別することができる。検出された高い電流変化率の期間と所定の制限時間との比較により、結果的に、通常の動作状態の間に発生する高い電流変化率を、短絡電流が招く高い電流変化率から除去することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の好ましい実施形態によれば、各電流バルブは、該電流バルブの電流変化率の大きさを最大値までに制限する手段が設けられる。コンバータの電流バルブの電流変化率を制限する手段は異なる構成において公知であり、電流の上昇が急速過ぎることに起因する、つまり、電流の変化率が大きすぎることに起因する、電流バルブの構成要素の過負荷を防止するために使用される。このように電流バルブにおける電流の変化率を最大値以下に制限することは、発生する短絡電流の電流変化率が電流バルブにおける対応する最大値に制限されることも意味する。これによって、通常、電流バルブに短絡電流が発生する瞬間から、電流バルブのターンオフ型の半導体構成要素が電流飽和レベルに到達する瞬間まで一定時間が経過する。この時間を、例えば、問題の電流バルブをターンオフするように使用することができる。
【００１３】
本発明のさらに好ましい実施形態によれば、ターンオフ型の半導体構成要素と、それと逆並列に接続される整流構成要素とを有する電流バルブに含まれる少なくとも１つの回路は、該回路に含まれるターンオフ型の半導体構成要素と直列に且つ該回路に属するスナバキャパシタと並列に接続された電流の変化率を測定するための測定部材が設けられる。この様態では、前記回路を流れる電流の変化率のみが測定されて、回路に属するスナバキャパシタを流れる電流の変化率は測定されない。これにより、上記転流振動が招く高い電流の変化率の測定部材による登録が回避される。
【００１４】
本発明の特に好ましい実施形態では、電流バルブの電流強度も測定され、測定された電流強度が所定の電流強度の極限値を上回ると短絡電流が検出される。これにより、誤動作によるターンオン、または極性を異にする電流バルブがターンオン状態になると同時にその他何らかの誤動作によって電流バルブが通電することにより引き起こされる短絡電流に対する保護を改善することができる。このような誤動作の状況に関し、当初から通電状態にある電流バルブの電流強度が誤動作の状況が発生する前に非常に高い通常レベルになっているために、短絡電流の発生に関連してこの電流バルブの電流強度が電流バルブのターンオフ型の半導体構成要素のターンオフが不可能となるレベルまであまりに急速に到達するため、電流バルブのターンオフを実行する時間がないというリスクがある。しかし、当初から通電状態にある電流バルブの電流強度が通常レベルを上回る時間を登録することにより、上述の電流バルブの電流強度が電流バルブのターンオフ型の半導体構成要素のターンオフが不可能となるレベルに到達する前に、誤動作のターンオンにより短絡電流が発生した極性を異にする電流バルブのターンオフを実行する十分な時間が取れる。
【００１５】
本発明のさらに好ましい実施形態によれば、制御装置は、電流バルブの直列接続部の２つの部分の一方で測定された電流強度が所定の電流強度の極限値を上回るとき、まず直列接続の他方の部分で電流バルブのターンオフ型の構成要素のターンオフを開始し、その後、所定の遅延時間を置いて、測定された電流強度が所定の電流強度の極限値を上回った直列接続の部分で電流バルブのターンオフ型の半導体構成要素のターンオフを開始する。前記遅延時間の適切な選択により、ターンオフ型の半導体構成要素のターンオフが開始される前に、誤動作でターンオンした電流バルブのターンオフは、当初から通電状態にある電流バルブにおける電流強度を、ターンオフ型の半導体構成要素が確実にターンオフできるレベルに低下させる時間を確保することができる。
【００１６】
本発明のさらに好ましい実施形態によれば、電流バルブの直列接続の他方の部分の全ての制御ユニットから、ターンオフ型の関連半導体構成要素のターンオフに関する制御信号の受信確認が受信された場合、及び／又は、電流バルブの直列接続の他方の部分の各電流バルブから、電流バルブの整流構成要素で遮断電圧(Blocking voltage)が検出されたことを示す信号が受信された場合のみ、電流バルブの直列接続の一方の部分で電流バルブのターンオフ型の半導体構成要素のターンオンが可能になる。これにより、互いに極性を異にする電流バルブが同時にターンオン状態になり、それにより通電状態となっている場合の安全性が向上する。
【００１７】
本発明のコンバータ及び発明の方法のさらに好ましい実施形態は、従属請求項及び以下の詳細な説明から明らかである。
【００１８】
本発明の解決法は、一般的に、例えば、共振回路を備えた上述の種類のコンバータ等、「ソフトスイッチコンバータ」形式のコンバータに適用できる。本発明の解決法が適用可能なコンバータの種類のさらなる例として、”Three level Auxiliary Resonant Pole Commutated Pole Inverter for High Power Applications”（Cho J G, Baek J W, Yoo D W, Won C Y, IEEE, 1996）に記載された種類の３レベルＡＲＣＰコンバータ、及び、例えば特許文献１に記載された種類の擬似共振ＰＷＭコンバータに言及することができる。
【実施例】
【００１９】
添付図を参照する実施例により本発明をさらに詳述する。
【００２０】
本発明の異なる実施形態によるコンバータが図１ないし図３に示されている。本明細書では、各コンバータはいわゆるＶＳＣコンバータである。図１ないし３では、交流電圧相線のうちの１相に接続されたコンバータの一部のみが図示されており、通常相は３相であるが、単相交流電圧網に接続される際にはコンバータ全体を構成することもできる。コンバータの図示された部分は、いわゆる相脚を構成し、例えば三相交流電圧網に適したコンバータは、図示されたような３つの相脚を有する。
【００２１】
図１ないし図３に示されたコンバータ１の相脚は、コンバータの直流電圧側の２つの電極４、５間に直列接続された２つの電流バルブ２、３を有する。いわゆる中間リンクキャパシタを少なくとも２つ有する直流電圧中間リンク６は、２つの電極４、５間に設けられる。図示されたコンバータにおいて、中間リンク６は、２つの直列接続中間リンクキャパシタ７、８を有する。前記キャパシタ７、８の中間点９は、本明細書では一般的な例として各電極に＋Ｕｄ／２及び−Ｕｄ／２の電位を形成するように接地されている。Ｕｄは２つの電極４、５間の電圧である。しかし、接地点９は、例えば、ＳＶＣに適用する場合は排除できる。
【００２２】
コンバータの相出力部を構成する２つの電流バルブ２、３間の直列接続の中間点１０は、交流電圧相線１１に接続される。この様にして、前記直列接続は、それぞれ電流バルブ２と３を有する２つの部分１ａ、１ｂに等分される。３つの相脚を有する実施形態では、コンバータは、結果的に、３相交流電圧網の各交流電圧相線に接続される３相出力部を有する。相出力は通常ブレーカ、変圧器等の形態の電気的な装置を介して交流電圧網に接続される。
【００２３】
図１と図２で示された実施形態では、各電流バルブ２、３には、ＩＧＢＴ、ＩＧＣＴ、ＭＯＳＦＥＴ、ＪＦＥＴ、ＭＣＴ又はＧＴＯ等のターンオフ型の半導体構成要素１３ａ、１３ｂと、それと逆並列に接続されたフリーホイールダイオードと称されるダイオード形態の整流構成要素１４ａ、１４ｂとを含む回路１２が設けられる。電流バルブ２、３の各々には、電流バルブに含まれるターンオフ型の半導体構成要素１３ａ、１３ｂと並列に接続されるスナバキャパシタと称される容量性部材１５が設けられる。
【００２４】
上述したように、各電流バルブは、複数の直列接続されたターンオフ型の半導体構成要素からなるターンオフ型の半導体素子と、複数の直列接続された整流構成要素からなる整流部材とを具備することができる。これらターンオフ型の半導体構成要素と整流構成要素とが、図３によりさらに詳細に説明されるように、複数の直列接続された回路に構成された電流バルブ２、３の各々を構成している。
【００２５】
電流バルブの半導体構成要素１３ａ、１３ｂのターンオフに関連して、当該半導体構成要素と並列に接続されたキャパシタ１５が充電される。続いて半導体構成要素がターンオンされたときにスナバキャパシタ１５がこの充電を維持する場合、ターンオン損失が半導体構成要素で発生する。このようなターンオン損失を排除、或いは少なくとも低減し、高スイッチング周波数を利用できるようにするため、スナバキャパシタ１５が共振回路１６に含まれる。これにより、電流バルブの半導体構成要素１３ａ、１３ｂをターンオンしようとするとき、ターンオンされると各半導体構成要素にかかる電圧がゼロとなるか、またはそれに近似するように、電流バルブのスナバキャパシタ１５を放電させることができ、それによりターンオン損失が制限される。
【００２６】
共振回路１６の直流電圧中間リンクの中間点９と相出力部１０との間にキャパシタを配置することもできる。
【００２７】
図１ないし図３に示されたコンバータは、ＡＲＣＰコンバータと称される種類である。共振回路１６は、本明細書ではいわゆる擬似共振形であり、２つの電流バルブ間で電流が転流されると、つまり、コンバータの相出力部上の電圧の充電が完了すると、共振のみが開始されることを意味する。
【００２８】
図１及び図２に示された各実施形態では、共振回路１６は、相出力１０と、前記直列接続中間リンクキャパシタ７、８の中間点９との間に配設された、インダクタ１７と補助バルブ１８の直列接続部を具備する。補助バルブ１８は、２つ一組の直列接続補助バルブ回路１９を具備し、各補助バルブ回路は、ＩＧＢＴ、ＩＧＣＴ、ＭＯＳＦＥＴ、ＪＦＥＴ、ＭＣＴ又はＧＴＯ等のターンオフ型の半導体構成要素２０ａ、２０ｂと、それと逆並列に接続されるダイオード形態の整流構成要素２１ａ、２１ｂとを有する。２つの補助バルブ回路１９のターンオフ型の半導体構成要素２０ａ、２０ｂは、互いに極性が逆になるように構成される。当該補助バルブ１８は、一方向又は他方向に導通可能な双方向性バルブで構成される。
【００２９】
本明細書及び特許請求の範囲における補助バルブなる表現は、コンバータの共振回路１６に含まれる電流バルブを示す。
【００３０】
補助バルブ１８は、図３に示したように、しかるべき場合には、複数の直列接続補助バルブ回路群を具備することもできる。図３に示した実施形態では、共振回路は、複数の直列接続補助バルブ回路群２２からなる補助バルブ１８を具備し、各群が上記形態の２つの直列接続補助バルブ回路１９を有する。図３には、補助バルブ１８の補助バルブ回路には２つの直列接続群２２のみが示されているが、それより多くの群数であってもよい。補助バルブ１８の補助バルブ回路の群数は、電流バルブ２、３の直列接続された回路１２の数とは無関係に最適化することができ、特に補助バルブが遮断状態に維持可能な電圧、及び使用する個別の半導体構成要素２０ａ、２０ｂの特性に依存する。一般的に、遮断状態の補助バルブ１８は電極電圧の半分、つまり、Ｕｄ／２を保持すればよく、それに対して電流バルブ２、３の各々は、電極電圧Ｕｄ全体を遮断状態に保持できるように形成されなければならない。
【００３１】
図３に示した実施形態では、各電流バルブ２、３は、上述に基づいて、各々がターンオフ型の半導体構成要素１３ａ、１３ｂと、それと逆並列に接続されたダイオード形態の整流構成要素１４ａ、１４ｂとを有する複数の直列接続された回路１２を具備する。図３では、各電流バルブ２、３には上述した形態の直列接続された回路１２が２つのみ図示されているが、直列接続された回路１２の数は、当然、さらに多くてもよい。特にコンバータを設計する電圧に基づいて、各電流バルブ２、３の前記直列接続された回路１２の数は、２から数百まで拡張することができる。
【００３２】
各電流バルブ２、３の直列接続された回路１２それぞれには、該回路に含まれるターンオフ型の半導体構成要素１３ａ、１３ｂと並列に接続されたスナバキャパシタ１５が設けられる。各スナバキャパシタ１５のキャパシタンスは、電流バルブのターンオフ型の半導体構成要素のターンオフに対して、各電流バルブに含まれるターンオフ型の半導体構成要素１３ａ、１３ｂ間に適切な電圧配分が可能となるよう高くなければならない。スナバキャパシタ１５のキャパシタンスの選定は場合に応じて、特に、ターンオフ型の半導体構成要素１３ａ、１３ｂと整流構成要素１４ａ、１４ｂの対応電流容量に依存して、調整される。
【００３３】
図３に示されたように、補助バルブ１８内の補助バルブ回路１９の各群２２は自己制御ユニット２３を適宜具備しており、該制御ユニットは、当該群に含まれるターンオフ型の半導体構成要素２０ａ、２０ｂのターンオン及びターンオフを制御するように適応されている。補助バルブの全ての制御ユニット２３は、全制御ユニット２３に制御信号を送信するように適応された共通制御装置２４に接続される。これにより、補助バルブの全補助バルブ回路１９の同時制御が確保される。
【００３４】
図３に示されたように、コンバータの電流バルブ２、３に含まれるターンオフ型の各半導体構成要素１３ａ、１３ｂは、ターンオン及びターンオフを制御するように適応された自己制御ユニット２５を備えることがさらに好ましい。電流バルブの全制御ユニット２５は、電流バルブ２、３に含まれる全制御ユニット２５に制御信号を送信するように適応された共通制御装置２４に接続される。これにより、電流バルブの全半導体構成要素１３ａ、１３ｂの同時制御が確保される。本実施例では、補助バルブの制御ユニット２３と電流バルブの制御ユニット２５は、同一の制御ユニット２４に接続されている。制御ユニット２３、２５は、それらが制御装置２４からターンオン信号及びターンオフ信号を受信したとき、前記ターンオン信号／ターンオフ信号を受信した確認として、信号を制御装置２４に返信するように適応されていることが好ましい。
【００３５】
図１と図２に示したコンバータは、図３の概略的に示したものと対応する制御装置２４及び制御ユニット２３、２５を備えることを意図しているが、図１と図２には図示されていない。
【００３６】
本発明のコンバータは、ＰＷＭ技術（ＰＷＭ＝パルス幅変調）で制御されることが好ましい。前記制御装置２４には、図７に概略的に示されたモジュレータ３０から所望の転流の瞬間を示す信号が供給される。
【００３７】
本発明のコンバータには、電流バルブ２、３を流れる電流の変化率ｄＩ／ｄｔを測定するための装置３１と、前記測定装置３１と協働してコンバータの短絡を検出するための検出装置３２とが設けられる。これらの装置は図７に概略的に示されている。当該検出装置３２は、所定の制限時間ｔｌｉｍを上回る間、測定装置３１により測定された電流の変化率ｄＩ／ｄｔが、所定の電流変化率の極限値ｄＩ／ｄｔｌｉｍ以上であるとき、短絡電流を検出するように適応されている。電流変化率の極限値ｄＩ／ｄｔｌｉｍは、それが通常の転流プロセスの間に電流バルブを流れる電流変化率の通常値をわずかに上回るように適宜選択される。電流バルブを流れる電流変化率ｄＩ／ｄｔが通常値を上回っている時間の長さを調査することにより、前述したように、短絡電流が招く電流変化率の値の上昇を、通常の動作状態の間に発生するそのような電流変化率の値の上昇と識別することができる。制限時間ｔｌｉｍは、通常の動作状態の間に発生する電流変化率の値の上昇が、制限時間ｔｌｉｍに相当する時間内に、電流変化率の極限値ｄＩ／ｄｔｌｉｍより低いレベルに低下する時間を有するように選択され、それにより、そのような電流変化率の値の上昇が排除され、短絡電流の誤検出を招かない。
【００３８】
当該検出装置３２は、図７に示されたように、制御装置２４に組み込まれてもよく、それとは別体のユニットを構成してもよい。検出装置３２と測定装置３１を共通ユニットに統合することもできる。
【００３９】
第１の実施形態によれば、測定装置３１は、測定装置による電流変化率の測定値ｄＩ／ｄｔが電流変化率の極限値ｄＩ／ｄｔｌｉｍ以上であるとき、これを示す信号を検出装置３２に送信するように適応されている。この場合、電流変化率の測定値ｄＩ／ｄｔと、電流変化率の極限値ｄＩ／ｄｔｌｉｍとの比較が測定装置自体で行われ、該測定装置は、電流変化率の測定値ｄＩ／ｄｔが電流変化率の極限値ｄＩ／ｄｔｌｉｍ以上であるとき、信号を検出装置３２に送信する。第２実施形態によれば、測定装置３１は、電流変化率の測定値ｄＩ／ｄｔを示す測定信号を検出装置３２に、好ましくは連続的に送信するように適応されている。後者の場合、結果的に、電流変化率の測定値ｄＩ／ｄｔと、電流変化率の極限値ｄＩ／ｄｔｌｉｍとの比較は検出装置３２で行われる。
【００４０】
前記測定装置３１は、電流バルブの直列接続の前記２つの部分のうちの第１部分１ａにおける電流変化率ｄＩ／ｄｔを測定するための少なくとも１つの第１測定部材３１ａと、電流バルブの直列接続の他方の部分１ｂにおける電流変化率ｄＩ／ｄｔを測定するための第２測定部材３１ｂとを具備する。
【００４１】
特に好ましい実施形態によれば、電流バルブに含まれるターンオフ型の半導体構成要素と、それと逆並列に接続された整流構成要素を有する少なくとも１つの回路１２は、図２に示したように、該回路１２に含まれるターンオフ型の半導体構成要素１３ａ、１３ｂと直列に、該回路１２に属するスナバキャパシタ１５と並列に接続された、電流変化率ｄＩ／ｄｔの測定のための測定部材３１ａ、３１ｂを具備する。図２に示した実施形態では、測定部材３１ａ、３１ｂは、前記回路に含まれる整流構成要素１４ａ、１４ｂとも直列に接続されている。
【００４２】
各電流バルブ２、３には、該電流バルブ２、３を流れる電流変化率ｄＩ／ｄｔの大きさを最大値ｄＩ／ｄｔｍａｘに制限するための手段が設けられるとさらに好ましい。本実施形態では、電流変化率の極限値ｄＩ／ｄｔｌｉｍが、最大値ｄＩ／ｄｔｍａｘを上回ることが許容されない、つまり、電流変化率の極限値ｄＩ／ｄｔｌｉｍは、この最大値ｄＩ／ｄｔｍａｘ以下になるように選択されることが理解される。さらに好ましい実施形態によれば、図４に示すように、当該手段は、電流バルブのターンオフ型の半導体構成要素１３ａ、１３ｂの各々にキャパシタ４１を具備する。該キャパシタは、ターンオフ型の各半導体構成要素１３ａ、１３ｂのゲートＧとエミッタＥとの間に配設される。ゲートとエミッタとの間の全キャパシタンス、つまり、ターンオフ型の半導体構成要素の自己キャパシタンスとキャパシタ４１の合計は、制御電流の大きさと共にゲートとエミッタの間の電圧の変化率を決定し、それにより次に、ターンオフ型の半導体構成要素を流れる電流の変化率が決定される。ゲートとエミッタの間のキャパシタ４１の所望のキャパシタンス値を選択することにより、電流の変化率は、所望の最大値に制限される。最大値ｄＩ／ｄｔｍａｘは、この場合、短絡電流の検出とターンオフの実行のために十分な時間が確保され、短絡電流が、ターンオフが保証されるレベルより上に上昇するのを抑制するように適応される。特定の電圧レベルＶｔｈにおいて、ターンオフ型の半導体構成要素は導通を開始する。ターンオン遅延及びターンオン動作に必要な充電を不必要に増大させないように、ゲートＧとエミッタＥとの間に、前記キャパシタ４１と直列にツェナーダイオード４２が配設される。該ツェナーダイオードは、ゲート電圧がＶｔｈに近似すると導通を開始する。これは、適切な電圧で導通を開始するツェナーダイオードを選択することにより達成される。図４には、電流源４３も図示されており、該電流源は、ターンオフ型の関連半導体構成要素１３ａ、１３ｂのターンオンする間に電流をゲートＧに供給するように、制御部材４４により制御される。電流源４３と制御部材４４は、前述の種類の制御ユニット２５内に含まれる。上述したような種類の電流変化率制限手段は、特許文献２に開示されている。
【００４３】
電流バルブのターンオフ型の半導体構成要素１３ａ、１３ｂの過負荷を防止するため、所定の制限時間ｔｌｉｍを上回る間、電流変化率の測定値ｄＩ／ｄｔが電流変化率の極限値ｄＩ／ｄｔｌｉｍ以上となった結果、検出装置３２が短絡電流を検出したとき、電流バルブ２、３のターンオフ型の半導体構成要素１３ａ、１３ｂのターンオフを開始するように制御装置２４が適応されなければならない。
【００４４】
３つの異なるプロセスにおいて電流バルブに流れる電流の変化を示す曲線が図５に示されている。図５のＩ１で表記された第１曲線は、電流バルブのターンオフ型の半導体構成要素の通常のソフトターンオンを示している。図５のＩ２で表記された第２曲線は、電流バルブに短絡電流が発生して誤動作した場合の電流の変化を示している。曲線Ｉ１及びＩ２から明らかなように、電流バルブを流れる電流は、通常のソフトターンオンの場合より誤動作の場合にさらに急上昇する、つまり、電流変化率ｄＩ／ｄｔは相当に大きくなる。誤動作の場合、電流変化率の大きさは、前述の最大値ｄＩ／ｄｔｍａｘに制限される。曲線Ｉ２は、ｔ＝ｔｏｆｆの瞬間に電流バルブのターンオフ型の半導体構成要素のターンオフが実行され、それと同時に電流バルブを流れる電流がゼロに近づいていく誤動作の場合を示している。図５のＩ３で表記された第３曲線は、電流バルブのハードターンオンを示している。このようなハードターンオンは、コンバータの始動時、及び、転流プロセスの間の電流バルブ又は補助バルブのターンオン又はターンオフの一時的な誤タイミングに関連して発生する。ハードターンオンの場合、電流バルブを流れる電流に、大きさが前記最大値ｄＩ／ｄｔｍａｘに制限される大きな電流変化率が短時間、ｔ＝ｔｈ以内の間に発生する。電流変化率の極限値ｄＩ／ｄｔｌｉｍが、曲線Ｉ１とＩ２の電流上昇段階における電流変化率の値の間に設定しなければならないことが分かる。さらに、制限時間ｔｌｉｍがｔｈよりわずかに大きく設定されなければならないことが分かる。
【００４５】
本発明の特に好ましい実施形態によれば、コンバータは、検出装置３２と協働して電流バルブ２、３を流れる電流の強度Ｉを測定するための装置３３も具備する。該検出装置３２は、測定された電流強度が所定の電流強度の極限値Ｉｌｉｍを上回るとき、短絡電流を検出するように構成される。電流強度の極限値Ｉｌｉｍは、負荷電流の最大予測値よりわずかに上回るように適切に選択される。
【００４６】
第１変形例によれば、測定装置３３は、該測定装置により測定された電流強度Ｉが電流強度の極限値Ｉｌｉｍを上回る際に、これを示す信号を検出装置３２に送信するように適応されている。この場合、測定された電流強度と電流強度の極限値Ｉｌｉｍとの比較が測定装置自体で行われ、測定された電流強度が電流強度の極限値Ｉｌｉｍを上回る場合、前記測定装置が信号を検出装置に送信する。第２変形例によれば、測定装置３３は、測定された電流強度の値を示す測定信号を検出装置３２に、好ましくは連続的に送信するように適応されている。後者の場合、測定された強度と電流強度の極限値Ｉｌｉｍとの比較は検出装置３２で行われる。
【００４７】
前記測定装置３３は、電流バルブ２、３の直流接続の前記２つの部分のうち一方の第１の部分１ａにおける電流強度を測定するための少なくとも１つの第１測定部材３３ａと、他方の部分１ｂにおける電流強度を測定するための第２測定部材３３ｂとを具備する。
【００４８】
電流強度と所定の電流強度の極限値との比較により、前述したように、誤動作のターンオン、又は、極性を異にする電流バルブがターンオン状態にあるきに通電状態となる（つまり、電流バルブの直列接続の前記２つの部分の一方１ａ、１ｂにおける電流バルブ２、３が、他方の部分１ｂ、１ａにおける電流バルブがターンオン状態であるときに通電状態となる）他の何らかの誤動作に起因して電流バルブが招く短絡電流に対する保護を改善することができる。
【００４９】
電流バルブのターンオフ型の半導体構成要素１３ａ、１３ｂの過負荷を防止するため、測定された電流強度Ｉが所定の電流強度の極限値Ｉｌｉｍを上回る結果、検出装置３２が短絡電流を検出するとき、制御装置２４は、電流バルブ２、３のターンオフ型の半導体構成要素１３ａ、１３ｂのターンオフを開始するように適応されなければならない。本明細書で問題とする種類の誤動作の状況に関連して、前述のように、誤動作状況の発生前に当初から通電状態にある電流バルブの電流強度が非常に高い通常レベル状態にあるために、短絡電流の発生に関する電流バルブの電流強度が、ほぼ瞬時に、電流バルブのターンオフ型の半導体構成要素のターンオフが不可能となるレベルにまで到達するというリスクがある。その結果、制御装置２４は、測定された電流強度Ｉが、電流バルブの直列接続の一方の部分１ａ、１ｂにおいて所定の電流強度の極限値Ｉｌｉｍを上回るとき、まず直列接続の他方の部分１ｂ、１ａにおいて電流バルブのターンオフ型の半導体構成要素のターンオフを開始し、その後、測定された電流強度Ｉが所定の電流強度の極限値Ｉｌｉｍを上回った部分１ａ、１ｂにおいて電流バルブのターンオフ型の半導体構成要素１３ａ、１３ｂのターンオフを開始するように適応される。これを確実に行うように、制御装置２４は、測定された電流強度Ｉが所定の電流強度の極限値Ｉｌｉｍを上回った直列接続の部分１ａ、１ｂにおける電流バルブのターンオフ型の半導体構成要素１３ａ、１３ｂのターンオフを、他方の部分１ｂ、１ａにおいて電流バルブのターンオフ型の半導体構成要素１３ｂ、１３ａのターンオフを開始した後、所定の遅延時間を置いてから開始するように適応されるのが好ましい。
【００５０】
短絡状況に関して、極性が逆となるように配置された２つの電流バルブを流れる電流の変化と、各電流バルブ内のターンオフ型の半導体構成要素のゲートとエミッタの間のそれに対応する電圧変化とを図示した曲線が図６に示されている。曲線Ｉｃ１とＩｃ２は、当初から通電状態にある電流バルブと、誤動作でターンオンされることにより短絡電流を発生させる電流バルブとを流れる電流の変化をそれぞれ示している。曲線Ｖｇｅ１とＶｇｅ２は、当初から通電状態にある電流バルブと、誤動作でターンオンされた電流バルブとに含まれるターンオフ型の半導体構成要素のゲートとエミッタとの間の電圧変化をそれぞれ示している。Ｉｌｉｍは前述の電流強度の極限値を表している。ｔ＝ｔ０の瞬間、誤動作でターンオンされた電流バルブが通電状態になると、当初から通電状態にある電流バルブに流れる電流が即座に急上昇する。電流がＩｌｉｍまで上昇した場合、短絡電流の検出が行われて、ｔ＝ｔｏｆｆ１の瞬間に制御装置２４が誤動作でターンオンされた電流バルブのターンオフを開始する。所定の遅延時間ｔｄの後、ｔ＝ｔｏｆｆ２＝ｔｏｆｆ１＋ｔｄの瞬間に当初から通電状態にある電流バルブに流れる電流のターンオフが開始される。このように、当初から通電状態にある電流バルブに流れる電流は、電流バルブのターンオフの実行前に、電流バルブのターンオフ型の半導体構成要素のターンオフを受容可能なレベルまで低下する時間を有する。
【００５１】
本発明の好ましい実施形態によれば、制御装置２４は、ターンオフ型の関連半導体構成要素１３ａ、１３ｂのターンオフに関する制御信号の受信確認を、前記直列接続の他方の部分１ｂ、１ａにおける全ての制御ユニット２５から受信した場合のみ、電流バルブの直列接続の一方の部分１ａ、１ｂにおける電流バルブのターンオフ型の半導体構成要素１３ａ、１３ｂのターンオンを可能にするように適応される。これにより、誤動作による電流バルブのターンオンが直列接続された電流バルブに短絡電流を引起こすリスクが最少化される。直列接続の他方の部分１ｂ、１ａの電流バルブから、電流バルブの整流構成要素１４ｂ、１４ａにおいて遮断電圧が検出されたことを示す信号を受信した場合のみ、前記直列接続の一方の部分１ａ、１ｂにおいて電流バルブのターンオフ型の半導体構成要素１３ａ、１３ｂのターンオンを可能にするように制御装置２４ｂを適応させることにより、前記リスクに対してさらに安全性が得られる。後者の場合、各電流バルブ２、３は、当然、電流バルブの整流構成要素１４ａ、１４ｂにおける遮断電圧を検出するための部材を設けなければならない。電流バルブの整流構成要素１４ａ、１４ｂにおける遮断電圧を検出するための部材は、適当には、制御ユニット２５で構成される。すなわち、ターンオフ型の半導体構成要素１３ａ、１３ｂと並列に接続された整流構成要素１４ａ、１４ｂに遮断電圧が発生するとき、ターンオフ型の半導体構成要素の制御ユニット２５の電圧を登録することができる。
【００５２】
遮断電圧を示す信号は、通常の及び前述の短絡検出のバックアップとして使用することもでき、その場合、ターンオン信号が電流バルブに送信された後、所定の短期間内に極性を異にする電流バルブにおいて遮断電圧が示されない場合、短絡状況に関して電流バルブのターンオフ型の半導体構成要素の保護対策が自動的に開始される。前記バックアップ方法に対する変形例として、ターンオンされた電流バルブのターンオフ型の半導体構成要素の２つの電極間の電圧変化を、ターンオンプロセスの間、短絡状況の検出のために、測定することができる。後述のような方法は、特許文献３に詳述されている。
【００５３】
図７に概略的に示したように、制御装置２４は、本明細書では２４ａと２４ｂで表記された２つの個別のユニットに適当に分離されている。第１ユニット２４ａは、ＰＷＭモジュレータ３０からの信号により、補助バルブのターンオフ型の半導体構成要素２０ａ、２０ｂ及び電流バルブのターンオフ型の半導体構成要素１３ａ、１３ｂのターンオン及びターンオフの瞬間とシーケンスを計算するように適応される中央演算装置を構成している。第２ユニット２４ｂは、第１ユニット２４ａにより決定された瞬間及びシーケンスにより導かれた正確な瞬間に、補助バルブ又は電流バルブの対象となる制御ユニット２３、２５に、ターンオン及びターンオフ信号を送信する役割を担う。当該第２ユニット２４ｂは、できるだけ速く、できるだけ少ない信号処理ステップで前記対策を始動することができるように、電流バルブのターンオフ型の半導体構成要素１３ａ、１３ｂの過負荷を回避するための上述の保護対策の役割を適切に担う。よって、検出装置３２は、適宜前記第２ユニット２４ｂと通信するように適応されるか、あるいはそれに統合される。
【００５４】
補助バルブのターンオフ型の半導体構成要素の過負荷のリスクを示す誤動作の状況が登録されると、ＰＷＭモジュレータにより制御される転流シーケンスが適切に中断され、モジュレータ３０から制御装置２４の上記第１ユニット２４ａへ、及び／又は、前記第１ユニット２４ａから制御装置２４の上記第２ユニット２４ｂへの信号送信が遮断される。
【００５５】
上述及び特許請求の範囲に記載されたように、電流バルブのターンオフ及びターンオンそれぞれは、各電流バルブが前述したような複数の直列接続された回路１２を具備する場合に、電流バルブのターンオフ型の全半導体構成要素１３ａ、１３ｂのターンオフ及びターンオンそれぞれを同時に行うことを示していると理解されたい。
【００５６】
本発明は、当然、上記好ましい実施形態に限定されず、請求項に記載の本発明の基本的な概念から逸脱することなく、多くの変形例が可能であることは当業者には自明である。例えば、コンバータの各相脚は、３以上の直列接続された電流バルブ、例えば、相出力の両側に２つずつ、合計４つの電流バルブを具備することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】図１は、本発明の第１実施例によるコンバータを図示した簡略回路図である。
【図２】図２は、本発明の第２実施例によるコンバータを図示した簡略回路図である。
【図３】図３は、本発明の第３実施例によるコンバータを図示した簡略回路図である。
【図４】図４は、電流バルブにおける電流変化率の大きさを所定の最大値に制限するための解決法を図示した簡略回路図である。
【図５】図５は、３つの異なるプロセスにおいて電流バルブを流れる電流の変化を示す曲線である。
【図６】図６は、短絡状況に関連して極性を異にする２つの電流バルブを流れる電流の変化、及び各電流バルブに含まれるターンオフ型の半導体構成要素のゲートとエミッタの間の対応する電圧の変化を示す曲線である。
【図７】図７は、本発明の方法を実行するための制御システムを図示した簡略ブロック図である。
【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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