(57)【要約】本発明は中間回路コンデンサ（９）とこの中間回路コンデンサ（９）に並列に配置された回路枝路（６ａ〜６ｅ）とを含む電圧中間回路コンバータを備えた回路装置に関する。各回路枝路（６ａ〜６ｅ）は直列接続された２つのスイッチング素子（７ａ〜７ｅ，８ａ〜８ｅ）をそれぞれ有する。短絡電流から保護するために短絡サイリスタ（１１）が設けられる。中間回路コンデンサ（９）および回路枝路（６ａ〜６ｅ）に短絡保護装置（１０）が接続される。短絡保護装置（１０）は短絡サイリスタ（１１）と短絡サイリスタ（１１）に対して逆向きに導通する直列接続の保護ダイオード対（１２ａ〜１２ｅ，１３ａ〜１３ｅ）とから成る並列回路から構成されている。短絡保護装置（１０）は中間回路コンデンサ（９）に並列接続され、回路枝路（６ａ〜６ｅ）の直列接続された２つのスイッチング素子（７ａ〜７ｅ，８ａ〜８ｅ）間の接続点がそれぞれ短絡保護装置（１０）の直列接続された２つの保護ダイオード（１２ａ〜１２ｅ，１３ａ〜１３ｅ）間の接続点に接続されている。
2005531277.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中間回路コンデンサ（９）と直列接続されたスイッチング素子（７ａ〜７ｅ，８ａ〜８ｅ）を有し中間回路コンデンサ（９）に並列接続された回路枝路（６ａ〜６ｅ）とを含む電圧中間回路コンバータを備え、短絡電流および過電圧から保護するために短絡サイリスタ（１１）が設けられている回路装置において、中間回路コンデンサ（９）および回路枝路（６ａ〜６ｅ）に、短絡サイリスタ（１１）とこの短絡サイリスタ（１１）に対して逆向きに導通する直列接続された保護ダイオード対（１２ａ〜１２ｅ，１３ａ〜１３ｅ）とから成る並列回路から構成された短絡保護装置（１０）が接続され、短絡保護装置（１０）は中間回路コンデンサ（９）に並列接続され、回路枝路（６ａ〜６ｅ）の直列接続された２つのスイッチング素子（７ａ〜７ｅ，８ａ〜８ｅ）間の接続点が短絡保護装置（１０）の直列接続された２つの保護ダイオード（１２ａ〜１２ｅ，１３ａ〜１３ｅ）間の接続点にそれぞれ接続されていることを特徴とする電圧中間回路コンバータを備えた回路装置。
【請求項２】
短絡保護装置（１０）が中間回路コンデンサ（９）および系統側の回路枝路（６ａ，６ｂ）にのみ接続されていることを特徴とする請求項１に記載の回路装置。
【請求項３】
短絡保護装置（１０）が中間回路コンデンサ（９）および負荷側の回路枝路（６ｃ〜６ｅ）にのみ接続されていることを特徴とする請求項１に記載の回路装置。
【請求項４】
回路枝路（６ａ〜６ｅ）のスイッチング素子（７ａ〜７ｅ，８ａ〜８ｅ）がＩＧＢＴであることを特徴とする請求項１乃至３の１つに記載の回路装置。
【請求項５】
短絡保護装置（１０）が２本の接続線に配置された付加的な保護ダイオード（１４，１５）を介して中間回路コンデンサ（９）に接続され、第１の接続線の付加的な保護ダイオード（１４）が第２の接続線の付加的な保護ダイオード（１５）に対して逆向きに導通することを特徴とする請求項１乃至４の１つに記載の回路装置。
【請求項６】
短絡サイリスタ（１１）に電流制限部品が付設されていることを特徴とする請求項１乃至５の１つに記載の回路装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、中間回路コンデンサと直列接続されたスイッチング素子を有し中間回路コンデンサに並列接続された回路枝路とを含む電圧中間回路コンバータを備え、短絡電流および過電圧から保護するために短絡サイリスタが設けられている回路装置に関する。
【０００２】
このスイッチング素子は例えばサイリスタ、特に逆並列接続されたフリーホイールダイオードを有するＧＴＯサイリスタのような遮断可能な部品である。
【０００３】
この種の回路装置は、雑誌ZEV-DET Glasers Annalenの別刷り、２／３号、１９９４年発行のRudolf Wagner「北アメリカにおけるディーゼル機関車用三相交流駆動技術（"Drehstrom-Antriebstechnik fuer Diesellokomotiven in Nordamerika" ）により公知である。そこに記載されている三相交流駆動技術は電源と三相交流電動機との間に電圧中間回路コンバータを必要とする。制動運転中に走行電動機は発電機として動作し、電圧中間回路コンバータに電流が還流される。その場合、コンバータ内に存在するＧＴＯサイリスタが過電流および過電圧によって損傷を受けることがある。
【０００４】
上述の論文から、そのような損傷を避けるためにハードウエア保護システムを用いることが知られている。同論文では過電圧を緩和するために単純な短絡サイリスタを使用することも提案されている。というのは、サイリスタは僅かな空間しか必要とせず、しかも保護システムとしてコスト的に手頃でもあるからである。
【０００５】
この保護システムは、コンバータがＧＴＯサイリスタを備えている場合にのみ使用可能である。というのは、ＧＴＯサイリスタは電流負担能力が高いからである。
【０００６】
本発明の課題は、保護動作の場合における回路枝路のフリーホイールダイオードの衝撃電流負担を軽減し、それによって従来よりも僅かな衝撃電流負担能力しか持っていないフリーホイールダイオード、例えばボンディング接続されたＩＧＢＴモジュールのフリーホイールダイオードを使用可能とする、電圧中間回路コンバータを備えた回路装置を提供することである。特に、コンバータがスイッチング素子としてＩＧＢＴおよびそのフリーホイールダイオードを含む場合にも回路装置の使用を可能としなければならない。
【０００７】
この課題は本発明により、中間回路コンデンサおよび回路枝路に、短絡サイリスタとこの短絡サイリスタに対して逆向きに導通する直列接続された保護ダイオード対とから成る並列回路から構成された短絡保護装置が接続され、短絡保護装置は中間回路コンデンサに並列接続され、回路枝路の直列接続された２つのスイッチング素子間の接続点が短絡保護装置の直列接続された２つの保護ダイオード間の接続点にそれぞれ接続されていることによって達成される。
【０００８】
本発明による回路装置において新規である保護ダイオードにはコンバータの通常運転中に電流が流れない。保護ダイオードはコンバータの転流過程にも関与しない。従って、保護ダイオードは好ましいことに短絡サイリスタの点弧の際に生じる僅かな順方向電圧つまり大きな許容電流衝撃に最適化される。保護ダイオードはあまり良好なスイッチング特性を持っていなくてもよい。すなわち、コンバータの良好なスイッチング特性は回路枝路におけるスイッチング素子のフリーホイールダイオードによって保証される。
【０００９】
特に、良好なスイッチング特性が回路枝路のフリーホイールダイオードによって保証され、他方では、良好な通流特性が短絡保護装置の保護ダイオードによって保証される利点が得られる。それによって有利な組合せが与えられる。
【００１０】
故障すなわち短絡の場合、短絡サイリスタが点弧され、中間回路コンデンサが放電させられる。中間回路コンデンサの放電後、保護ダイオード対と回路枝路のスイッチング素子のフリーホイールダイオード対とがそれぞれ並列接続される。その結果、回路枝路のフリーホイールダイオードは保護ダイオードによって負荷側または系統側に生じた短絡電流から解放される。
【００１１】
特に回路枝路およびそこに存在するスイッチング素子が過電流および過電圧から保護される利点が得られる。
【００１２】
例えば短絡保護装置は中間回路コンデンサおよび系統側の回路枝路にのみ接続されている。他の例によれば、短絡保護装置は中間回路コンデンサおよび負荷側の回路枝路にのみ接続されている。この代替案によれば、必要に応じてコンバータの特に当該部分のみを短絡から保護することのできる利点が得られる。
【００１３】
回路枝路のスイッチング素子は例えばＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）である。このトランジスタは公知の保護装置に接続しても従来では短絡から常に保護可能ではなかった。というのは、ＩＧＢＴは過電圧および過電流にＧＴＯより良好に耐えられないからである。本発明による回路装置によれば、敏感なＩＧＢＴおよびそのフリーホイールダイオードでさえも短絡から確実に保護される利点が得られる。
【００１４】
例えば短絡保護装置は２本の接続線に配置された付加的な保護ダイオードを介して中間回路コンデンサに接続され、第１の接続線の付加的な保護ダイオードは第２の接続線の付加的な保護ダイオードに対して逆向きに導通する。これによって短絡電流からの保護がさらに改善される。なぜなら、短絡電流は短絡サイリスタの導通方向に関して同じ向きであるからである。
【００１５】
例えば短絡サイリスタに電流制限部品が付設される。その場合、電流制限部品はオーム抵抗、インダクタンス、変圧器、またはそれらの部品の組合せであってよい。そのような付加的な電流制限部品は電流通流をさらに制限するのに適している。
【００１６】
本発明による回路装置によれば、単純な手段によってコンバータが短絡電流を確実に避けることができ、しかもコンバータにＩＧＢＴを使用することが可能になる。
【００１７】
次に図面を参照して本発明による回路装置の一実施例を詳細に説明する。
図１は電圧中間回路コンバータおよび短絡保護装置を備えた回路装置の回路図である。
図２はコンバータの系統側のみが保護されている回路装置の回路図である。
図３はコンバータの負荷側のみが保護されている回路装置の回路図である。
図４および図５は回路枝路中に存在する直列接続のスイッチング素子対の例を示す回路図である。
図６〜図９は短絡サイリスタに接続されている電流制限部品を示す回路図である。
【００１８】
図１によれば、通常の電圧中間回路コンバータは電源用の接続端子１，２、並びに三相電動機用の接続端子３〜５を有している。接続端子１〜５は回路枝路６ａ〜６ｅにおいて直列接続された一方のスイッチング素子７ａ〜７ｅと他方のスイッチング素子８ａ〜８ｅとの間の接続点にそれぞれ接続されている。２つのスイッチング素子（例えば７ａ，８ａ）からなる１つの直列回路が１つの回路枝路（例えば６ａ）を形成する。回路枝路６ａ〜６ｅは互いに並列接続されかつ中間回路コンデンサ９に並列接続されている。
【００１９】
中間回路コンデンサ９および回路枝路６ａ〜６ｅに短絡保護装置１０が接続されている。短絡保護装置１０は短絡サイリスタ１１とこの短絡サイリスタ１１に対して逆向きに導通する直列接続された保護ダイオード対１２ａ〜１２ｅ，１３ａ〜１３ｅとから成る並列回路から構成されている。短絡保護装置１０は中間回路コンデンサ９に並列接続されると共に、回路枝路６ａ〜６ｅの直列接続された２つのスイッチング素子７ａ〜７ｅ，８ａ〜８ｅ間の接続点が短絡保護装置１０の直列接続された２つの保護ダイオード１２ａ〜１２ｅ，１３ａ〜１３ｅ間の接続点にそれぞれ接続されている。
【００２０】
短絡サイリスタ１１と中間回路コンデンサ９との並列回路を形成する２つの接続線には、それぞれ付加的な保護ダイオード１４，１５が配置されている。これらの保護ダイオード１４，１５は互いに逆向きに導通する。
【００２１】
図１〜３において、同じ符号は同じ部品に対応している。図２，３の両実施形態は図１の実施形態とは、図２では短絡保護装置１０が中間コンデンサ９および系統側の回路枝路６ａ，６ｂにのみ設けられ、図３では短絡保護装置１０が中間コンデンサ９および負荷側の回路枝路６ｃ〜６ｅにのみ設けられている点でのみ異なっている
【００２２】
図４，５は、回路枝路６ａ〜６ｅが２つのスイッチング素子７ａ〜７ｅ，８ａ〜８ｅによって構成される２つの例を示す。図４は２つのＧＴＯサイリスタ１６，１７とそれに逆並列接続されたフリーホイーリングダイオード１８，１９とを示している。２つのＧＴＯサイリスタ１６，１７および２つのフリーホイーリングダイオード１８，１９はそれぞれ直列接続されている。
【００２３】
図５は図４と同様の回路装置を示している。しかし、ここでは図４のＧＴＯサイリスタ１６，１７の代わりにＩＧＢＴトランジスタ２０，２１が用いられている。
【００２４】
図６〜９は電流制限部品を付設した短絡サイリスタ１１を示す。図６では電流制限部品としてインダクタンス２２が直列接続されている。図７では電流制限部品としてオーム抵抗２３が直列接続されている。図８では電流制限部品としてインダクタンス２２とオーム抵抗２３との並列回路が直列接続されている。図９では電流制限部品として変圧器２４の一次巻線が直列接続され、変圧器２４の二次巻線の両端子間にオーム抵抗２５が接続されている。
【００２５】
本発明の回路装置によれば、短絡によって生ずるコンバータの過電圧および過電流を単純な手段によって確実に抑制することができる。さらに、回路枝路６ａ〜６ｅに敏感なＩＧＢＴおよびそのフリーホイーリングダイオードを適用することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】電圧中間回路コンバータおよび短絡保護装置を備えた回路装置の回路図
【図２】コンバータの系統側のみが保護されている回路装置の回路図
【図３】コンバータの負荷側のみが保護されている回路装置の回路図
【図４】回路枝路中に存在する直列接続のスイッチング素子対の一例を示す回路図
【図５】回路枝路中に存在する直列接続のスイッチング素子対の他の例を示す回路図
【図６】短絡サイリスタに接続されている電流制限部品の第１例を示す回路図
【図７】短絡サイリスタに接続されている電流制限部品の第２例を示す回路図
【図８】短絡サイリスタに接続されている電流制限部品の第３例を示す回路図
【図９】短絡サイリスタに接続されている電流制限部品の第４例を示す回路図
【符号の説明】
【００２７】
６ａ〜６ｅ  回路枝路
７ａ〜７ｅ  スイッチング素子
８ａ〜８ｅ  スイッチング素子
９  中間回路コンデンサ
１０  短絡保護装置
１１  短絡サイリスタ
１２ａ〜１２ｅ  保護ダイオード
１３ａ〜１３ｅ  保護ダイオード
１４  保護ダイオード
１５  保護ダイオード
１６  ＧＴＯサイリスタ
１７  ＧＴＯサイリスタ
１８  フリーホイーリングダイオード
１９  フリーホイーリングダイオード
２０  ＩＧＢＴトランジスタ
２１  ＩＧＢＴトランジスタ
２２  インダクタンス
２３  オーム抵抗
２４  変圧器
２５  オーム抵抗
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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2005531277.tif 000013
2005531277.tif 000014
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