(57)【要約】      （修正有）【課題】電力スイッチの短絡保護手段を提供する。【解決手段】ゲートドライブユニット２００は、測定ユニット２０４、多重抵抗ドライビングデバイス、および処理ユニット２１０を含む。測定ユニットは、電力スイッチ１０８の主端子の両端間の電圧を測定する。ドライビングデバイスは、複数の個別に制御可能な抵抗要素を含む。処理ユニットは、電力スイッチを作動させるために電力スイッチの制御電極に印加される制御電圧を制御する。処理ユニットは、主端子の両端間の電圧が短絡事象を表すことに応じて、抵抗要素のうちのどれが異なる時間に電力スイッチに制御電圧を少なくとも部分的に伝導するかを変更するために、多重抵抗ドライビングデバイスの抵抗要素を個別に作動または非作動にさせる。処理ユニットは、制御電圧が減少する速度を制御するために、抵抗要素のうちのどれを作動または非作動にさせるかを変更する。【選択図】図２
2015216839.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンバータ中の電力スイッチを動作させるためのゲートドライブユニットであって、
電力スイッチの主端子の両端間の第１の電圧を測定するように構成された測定ユニットと、
前記電力スイッチの制御電極に伝導的に結合された多重抵抗ドライビングデバイスであり、少なくとも１つの電圧源と前記電力スイッチの前記制御電極との間に伝導的に結合された複数の個別に制御可能な抵抗要素を含む、多重抵抗ドライビングデバイスと、
前記電力スイッチを作動させるために、前記電力スイッチの前記制御電極に前記電圧源によって印加される制御電圧を制御するように構成された処理ユニットであり、前記電力スイッチの前記主端子の両端間の前記第１の電圧が第１のタイプの短絡事象を表すことに応じて、前記抵抗要素のうちのどれが前記制御電圧を前記電圧源から前記電力スイッチの前記制御電極に異なる時間に少なくとも部分的に伝導するかを変更するために、前記多重抵抗ドライビングデバイスの前記抵抗要素を個別に作動または非作動にさせるように構成され、第１のタイプの短絡事象が生じていることに応じて、前記電力スイッチを非作動にする間、前記制御電圧が減少する速度を制御するように前記抵抗要素のうちのどれを作動または非作動にさせるかを変更するように構成された、処理ユニットと
を含む、ゲートドライブユニット。
【請求項２】
前記多重抵抗ドライビングデバイスが、各電圧源と前記電力スイッチの前記制御電極との間に複数の並列段で互いに接続された前記抵抗要素を含み、前記多重抵抗ドライビングデバイスが、前記抵抗要素に結合された複数のスイッチをさらに含み、前記処理ユニットが、前記制御電圧を分割し減少させるために、前記抵抗要素を通して前記電力スイッチの前記制御電極に前記制御電圧を伝導するのをそれぞれ実施または防止するために前記スイッチを個別に作動または非作動にさせるように構成される、請求項１記載のゲートドライブユニット。
【請求項３】
前記処理ユニットが、前記電力スイッチの前記制御電極に印加される前記制御電圧を異なる時間に異なる量だけ分割し減少させるために前記スイッチのうちのどれを前記異なる時間に作動させるかを変更するように構成される、請求項２記載のゲートドライブユニット。
【請求項４】
前記処理ユニットが、前記電力スイッチが作動した後の指定期間を終了した後、前記電力スイッチ主端子の両端間の前記第１の電圧が短絡検出閾値を超えるとき、前記電力スイッチの前記制御電極に印加される前記制御電圧が減少する前記速度を制御するために前記抵抗要素を個別に作動または非作動にさせ始めるように構成される、請求項１記載のゲートドライブユニット。
【請求項５】
前記処理ユニットが、さらに、前記電力スイッチの前記主端子の両端間の前記第１の電圧が、異なる第２のタイプの短絡事象を表すことに応じて、前記電力スイッチの前記制御電極に印加される前記制御電圧が減少する前記速度を制御するために前記抵抗要素を個別に作動または非作動にさせ始めるように構成され、前記電力スイッチの前記主端子の両端間の前記第１の電圧は、前記電力スイッチが閉じられたときに前記電力スイッチの前記主端子の両端間の前記電圧が短絡検出閾値より下に減少し、次に、前記短絡検出閾値より上に増加したが、前記電力スイッチの前記制御電極の前記制御電圧が、依然として、前記電力スイッチを閉じるように構成されている場合、前記第２のタイプの短絡事象を表す、請求項１記載のゲートドライブユニット。
【請求項６】
前記電力スイッチの前記主端子の両端間の前記第１の電圧が前記第２のタイプの短絡事象を表すことに応じて、前記処理ユニットが、指定遅延期間を待ち、前記遅延期間が終了した際、前記多重抵抗ドライビングデバイスの前記抵抗要素を個別に作動または非作動にさせることにより前記制御電圧が減少する前記速度を制御することによって、前記電力スイッチの前記制御電極に印加される前記制御電圧を減少させるように構成される、請求項５記載のゲートドライブユニット。
【請求項７】
前記処理ユニットが、前記多重抵抗ドライビングデバイスを制御して、前記電力スイッチの前記制御電極に印加される前記制御電圧を初期作動レベルに増加させるように構成され、前記処理ユニットは、さらに、前記電力スイッチの前記主端子の両端間の前記第１の電圧が前記指定期間の後に前記第１のタイプの短絡事象を表していないことに応じて、前記制御電圧を前記初期作動レベルより上に増加させるように構成される、請求項１記載のゲートドライブユニット。
【請求項８】
電力スイッチの主端子を通して伝導される電流の変化速度をモニタするステップと、
前記電流の前記変化速度が指定検出速度よりも速くなるときを決定するステップと、
前記電流の前記変化速度が、前記指定検出速度を超えたことに応じて、短縮された第１の期間内に制御電圧を中間レベルに低下させ、それに続いて、前記制御電圧が前記中間レベルに低下した、または前記電流の前記変化速度が第１の指定閾値より下に減少した、または前記電力スイッチにかけられる電圧が第２の指定閾値より上に増加した後の第２の期間の終了のうちの少なくとも１つの後に前記制御電圧を、増加したレベルに増加させるステップと、
前記電力スイッチにかけられる前記電圧が第３の指定閾値より上にあるときに第３の指定期間の後に前記制御電圧の減少勾配を制御することによって短絡電流をターンオフするステップと
を含む方法。
【請求項９】
前記電力スイッチの前記主端子を通る前記電流の前記変化速度が、第２のタイプの短絡事象が生じていることに応じて前記指定検出速度を超える、請求項８記載の方法。
【請求項１０】
前記制御電圧は、異なる時間に前記電力スイッチの制御電極に供給される制御電圧を少なくとも部分的に伝導するために、多重抵抗ドライビングデバイスの複数の個別に制御可能な抵抗要素のうちのどれが作動状態であるかを変更することによって低下される、請求項８記載の方法。
【請求項１１】
電力スイッチの主端子の両端間の第１の電圧を測定するステップと、
前記電力スイッチの前記主端子の両端間の前記第１の電圧が第１のタイプの短絡事象を表すことに応じて、制御電圧を、制御された速度で減少させるステップと
を含む方法。
【請求項１２】
前記制御電圧を減少させるステップが、電圧源と前記電力スイッチの制御電極との間に結合された多重抵抗ドライビングデバイスの抵抗要素を個別に作動または非作動にさせるステップであり、前記抵抗要素が、前記抵抗要素のうちのどれが制御電圧を前記電圧源から前記電力スイッチの前記制御電極に異なる時間に少なくとも部分的に伝導するかを変更するために個別に作動または非作動にされる、ステップを含む、請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
前記電力スイッチの前記制御電極に印加される前記制御電圧を異なる時間に異なる量だけ分割し減少させるために前記スイッチのうちのどれを前記異なる時間に作動させるかを変更するステップをさらに含む、請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
前記電力スイッチの前記主端子の両端間の前記第１の電圧が短絡検出閾値を超えるとき、前記電力スイッチの前記制御電極に印加される前記制御電圧が減少する前記速度を制御するために、前記抵抗要素を個別に作動または非作動にさせるステップが、前記電力スイッチが作動した後の指定期間を終了した後、始まる、請求項１１記載の方法。
【請求項１５】
前記電力スイッチの前記主端子の両端間の前記第１の電圧が、異なる第２のタイプの短絡事象を表すことに応じて、前記電力スイッチの前記制御電極に印加される前記制御電圧が減少される前記速度を制御するために前記抵抗要素を個別に作動または非作動にさせるステップであり、前記電力スイッチの前記主端子の両端間の前記第１の電圧は、前記電力スイッチが閉じられたときに前記電力スイッチの前記主端子の両端間の前記第１の電圧が短絡検出閾値より下に減少し、次に、前記短絡検出閾値より上に増加したが、前記電力スイッチの前記制御電極の前記制御電圧が、依然として、前記電力スイッチを閉じるように構成されている場合、前記第２のタイプの短絡事象を表す、ステップをさらに含む、請求項１１記載の方法。
【請求項１６】
前記電力スイッチの前記主端子の両端間の前記第１の電圧が前記第２のタイプの短絡事象を表すことに応じて、前記電力スイッチの前記制御電極に印加される前記制御電圧は、指定遅延期間を待ち、前記遅延期間が終了した際、前記多重抵抗ドライビングデバイスの前記抵抗要素を個別に作動または非作動にさせることにより前記制御電極に印加される前記制御電圧が減少する前記速度を制御することによって減少される、請求項１５記載の方法。
【請求項１７】
前記電力スイッチの前記制御電極に印加される前記制御電圧を初期作動レベルに増加させるステップと、前記電力スイッチの前記主端子の両端間の前記第１の電圧が前記指定期間の後に前記第１のタイプの短絡事象を表していないことに応じて、前記電力スイッチの前記制御電極に印加される前記制御電圧を前記作動レベルより上に増加させるステップとをさらに含む、請求項１１記載の方法。
【請求項１８】
コンバータ中の電力スイッチを動作させるためのゲートドライブユニットであって、
電力スイッチの主端子の両端間の第１の電圧を測定するように構成された測定ユニットと、
前記電力スイッチを作動させるために制御電圧を受け取る前記電力スイッチの制御電極に伝導的に結合されるように構成された多重抵抗ドライビングデバイスであり、前記制御電圧を供給する電圧源と前記電力スイッチの前記制御電極との間に伝導的に結合された複数の個別に制御可能な抵抗要素を含む、多重抵抗ドライビングデバイスと、
前記電力スイッチの前記主端子の両端間の前記第１の電圧が第１のタイプの短絡事象を示すことに応じて、前記電力スイッチの前記制御電極に印加される前記制御電圧を、異なる時間に前記抵抗要素の異なる組の間で分割し、前記制御電圧を減少させ、前記電力スイッチを非作動にさせるために、前記多重抵抗ドライビングデバイスの前記抵抗要素を個別に作動または非作動にさせるように構成される処理ユニットであり、前記電力スイッチを非作動にする間、前記制御電圧が減少する速度を、前記電力スイッチの前記主端子の両端間の前記第１の電圧の大きさに基づいて制御するように構成される、処理ユニットと
を含む、ゲートドライブユニット。
【請求項１９】
前記処理ユニットが、前記抵抗要素の前記組のうちのどれを、前記異なる時間に、前記電力スイッチの前記主端子の両端間の前記第１の電圧の大きさに基づいて作動または非作動の少なくとも一方にさせるかを変更するように構成される、請求項１８記載のゲートドライブユニット。
【請求項２０】
前記処理ユニットが、前記抵抗要素の前記組の１つまたは複数が、前記電力スイッチの前記主端子の両端間の前記第１の電圧の前記大きさに基づいて作動または非作動の少なくとも一方にさせるように構成される、請求項１８記載のゲートドライブユニット。
【請求項２１】
前記多重抵抗ドライビングデバイスが、少なくとも１つの電圧源と前記電力スイッチの前記制御電極との間に複数の並列段で互いに接続された前記抵抗要素を含み、前記多重抵抗ドライビングデバイスが、前記抵抗要素に結合された複数のスイッチをさらに含み、前記処理ユニットが、前記制御電圧を分割し減少させるために、前記抵抗要素を通して前記電力スイッチの前記制御電極に前記供給電圧を伝導するのをそれぞれ実施または防止するために前記スイッチを個別に作動または非作動にさせるように構成される、請求項１８記載のゲートドライブユニット。
【請求項２２】
前記処理ユニットは、前記電力スイッチが作動した後の指定期間を終了した後、前記電力スイッチ主端子の両端間の前記第１の電圧が短絡検出閾値を超えるとき、前記電力スイッチの前記制御電極に印加される前記制御電圧が減少する前記速度を制御するために前記抵抗要素を個別に作動または非作動にさせ始めるように構成される、請求項１８記載のゲートドライブユニット。
【請求項２３】
前記処理ユニットが、さらに、前記電力スイッチの前記主端子の両端間の前記第１の電圧が、異なる第２のタイプの短絡事象を表すことに応じて、前記電力スイッチの前記制御電極に印加される前記制御電圧が減少される前記速度を制御するために前記抵抗要素を個別に作動または非作動にさせ始めるように構成され、前記電力スイッチの前記主端子の両端間の前記第１の電圧は、前記電力スイッチが閉じられたときに前記電力スイッチの前記主端子の両端間の前記制御電圧が短絡検出閾値より下に減少し、次に、前記短絡検出閾値または別の閾値の少なくとも一方より上に増加したが、前記電力スイッチの前記制御電極の前記制御電圧が、依然として、前記電力スイッチを閉じるように構成されている場合、前記第２のタイプの短絡事象を表す、請求項１８記載のゲートドライブユニット。
【請求項２４】
前記電力スイッチの前記主端子の両端間の前記第１の電圧が前記第２のタイプの短絡事象を表すことに応じて、前記処理ユニットが、指定遅延期間を待ち、前記遅延期間が終了した際、前記多重抵抗ドライビングデバイスの前記抵抗要素を個別に作動または非作動にさせることにより前記制御電圧が減少する前記速度を制御することによって、前記電力スイッチの前記制御電極に印加される前記制御電圧を減少させるように構成される、請求項２３記載のゲートドライブユニット。
【請求項２５】
前記処理ユニットが、前記多重抵抗ドライビングデバイスを制御して、前記電力スイッチの前記制御電極に印加される前記制御電圧を初期作動レベルに増加させるように構成され、前記処理ユニットは、さらに、前記電力スイッチの前記主端子の両端間の前記第１の電圧が前記指定期間の後に前記第１のタイプの短絡事象を表していないことに応じて、前記制御電圧を前記初期作動レベルより上に増加させるように構成される、請求項１８記載のゲートドライブユニット。
【請求項２６】
電力スイッチがターンオンされた後、短絡事象を検出するステップであり、前記短絡事象は、前記電力スイッチがターンオンされたときに始まる期間が終了した後、前記電力スイッチの主端子の両端間の電圧が第１の閾値を超えるときを決定する、または制御端子電流がゲートドライブユニットに逆流するかもしくは前記電力スイッチの制御電極電圧が基準電圧を超えるときを決定する、または前記主端子通る電流が閾値電流を超えるときを決定する、または前記主端子を通る前記電流の変化速度が閾値速度を超えるときを決定することの少なくとも１つによって検出される、ステップと、
前記短絡事象が検出された後の指定期間を待つ、または前記電力スイッチの前記主端子の両端間の前記電圧が前記第１の閾値よりも大きい第２の閾値を超えるまで待つステップと、
前記電力スイッチの前記制御電極電圧の制御された減少勾配を用いる前記制御電圧の保護ターンオフを起動するステップであり、前記保護ターンオフが、ゲートドライブユニットからの前記制御電極電圧を前記電力スイッチの伝導閾値電圧より上の少なくとも２つの異なる値に減少させることを含む、ステップと
を含む方法。
【請求項２７】
電力スイッチに係わる短絡事象を検出するステップと、
前記電力スイッチに供給される制御電圧の変化速度の減少を前記短絡事象に応答して制御するステップと
を含む方法。
【請求項２８】
前記短絡事象のタイプを識別するステップをさらに含み、前記制御電圧がいつ減少されるかのタイミングが、前記短絡事象の前記タイプに基づく、請求項２７記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に記載する主題の実施形態は、高電力コンバータまたは他の構成要素を含む回路などの回路における電流の伝導を制御するために使用される電力スイッチなどのスイッチに関する。本明細書に記載する１つまたは複数の態様は、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ、および逆導通ＩＧＢＴのような電圧制御電力半導体スイッチに関する。
【背景技術】
【０００２】
回路のスイッチは、スイッチが閉じられて、電流源から１つまたは複数の負荷に電流を伝導する作動状態すなわちオン状態と、スイッチが開かれて、電流の伝導を妨げる非作動状態すなわちオフ状態との間を交互に入れ替える。これらのスイッチおよび／またはスイッチを含む回路は、回路の異なる場所で様々な異なる短絡に出会うことがある。短絡のタイプおよび深刻さに応じて、スイッチは損傷または破壊されることがある。
【０００３】
いくつかの異なるタイプの短絡は、スイッチの損傷または破壊を防止するのに異なる保護方式を必要とする。ヒューズ、ゲートドライバなどのような現在の保護デバイスは、いくつかの短絡に直面するときスイッチを保護するには不十分なことがある。
【０００４】
例えば、いくつかの短絡は、スイッチが最初に作動される、すなわち、ターンオンされるときに生じる。これらの短絡は比較的急速に生じ、これらの短絡は、比較的大量の電流が伝導される回路ではスイッチを非常に迅速に損傷または破壊することがある。これらのタイプの回路のヒューズは、大電流がスイッチを損傷または破壊しないように時間内に切れることができないことがある。
【０００５】
いくつかの他の短絡はスイッチが閉じられた後に生じ、電流がスイッチを通して負荷に伝導されている。これらの短絡は、スイッチが電流で飽和され、電流の伝導を単にオフに切り替えることができないことがあるという点でスイッチにとって危険であることがある。スイッチを制御するのに使用される電圧（例えば、ゲート電圧）を突然除去または低減すると、スイッチが損傷または破壊されることになる場合がある。
【０００６】
スイッチを短絡から保護する１つの知られている試みには、短絡ターンオフ時に過電圧からスイッチを保護するアクティブクランピングが含まれる。しかし、アクティブクランピングは、アナログ回路の徹底的な調整と、すべての動作条件に対する最適性能とを必要とすることがあり、それは、不可能でないにしても達成することが困難である場合がある
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第８５０３１４６号明細書
【発明の概要】
【０００８】
本明細書で説明する本発明の主題の１つの例では、コンバータを動作させるためのゲートドライブユニットが提供される。ゲートドライブユニットは、測定ユニット、多重抵抗ドライビングデバイス、および処理ユニットを含む。測定ユニットは、電力スイッチの主端子の両端間の第１の電圧を測定するように構成される。多重抵抗ドライビングデバイスは、電力スイッチの制御電極に伝導的に結合される。多重抵抗ドライビングデバイスは、電圧源と電力スイッチの制御電極との間に伝導的に結合された複数の個別に制御可能な抵抗要素を含む。処理ユニットは、電力スイッチを作動させるために、電力スイッチの制御電極に電圧源によって印加される制御電圧を制御するように構成される。処理ユニットは、さらに、電力スイッチの主端子の両端間の第１の電圧が第１のタイプの短絡事象を表すことに応じて、抵抗要素のうちのどれが制御電圧を電圧源から電力スイッチの制御電極に異なる時間に少なくとも部分的に伝導するかを変更するために、多重抵抗ドライビングデバイスの抵抗要素を個別に作動または非作動にさせるように構成される。処理ユニットは、さらに、第１のタイプの短絡事象が生じていることに応じて、電力スイッチを非作動にする間、制御電圧が減少する速度を制御するように抵抗要素のうちのどれを作動または非作動にさせるかを変更するように構成される。
【０００９】
本明細書で説明する本発明の主題の別の例では、短絡保護を行う方法は、電力スイッチの主端子を通して伝導される電流の変化速度をモニタするステップと、電流の変化速度が指定検出速度よりも速くなるときを決定するステップと、電流の変化速度が指定検出速度を超えたことに応じて、異なる時間に電力スイッチの制御電極に供給される制御電圧を少なくとも部分的に伝導するために、多重抵抗ドライビングデバイスの複数の個別に制御可能な抵抗要素のうちのどれが作動状態であるかを変更するステップとを含む。抵抗要素のうちのどれが異なる時間に作動状態であるかを変更すると、電力スイッチの制御電極に供給される制御電圧が減少する速度が制御される。
【００１０】
本発明の主題の別の例では、方法は、電力スイッチの主端子を通して伝導される電流の変化速度をモニタするステップと、電流の変化速度が指定検出速度よりも速くなるときを決定するステップと、電流の変化速度が指定検出速度を超えたことに応じて、制御電圧を中間レベルに低下させ、それに続いて、制御電圧が中間レベルに低下した、または電流の変化速度が第１の指定閾値より下に減少した、または電力スイッチにかけられる電圧が第２の指定閾値より上に増加した後の第２の期間の終了のうちの少なくとも１つの後に制御電圧を、増加したレベルに増加させるステップとを含む。制御電圧は、異なる時間に電力スイッチの制御電極に供給される制御電圧を少なくとも部分的に伝導するために、多重抵抗ドライビングデバイスの複数の個別に制御可能な抵抗要素のうちのどれが作動状態であるかを変更することによって低下される。この方法は、さらに、電力スイッチにかけられる電圧が第３の指定閾値より上にあるときに第３の指定期間の後に制御電圧の減少勾配を制御することによって短絡電流をターンオフするステップを含むことができる。
【００１１】
本発明の主題の別の例では、方法（例えば、短絡保護を行うための）は、電力スイッチの主端子の両端間の第１の電圧を測定するステップと、電力スイッチの主端子の両端間の第１の電圧が第１のタイプの短絡事象を表すことに応じて、電圧源と電力スイッチの制御電極との間に結合された多重抵抗ドライビングデバイスの抵抗要素を個別に作動または非作動にさせるステップとを含む。抵抗要素は、抵抗要素のうちのどれが制御電圧を電圧源から電力スイッチの制御電極に異なる時間に少なくとも部分的に伝導するかを変更するために個別に作動または非作動にされる。抵抗要素を個別に作動または非作動にさせると、制御電圧は制御された速度で減少される。
【００１２】
本明細書で説明する本発明の主題の別の例では、コンバータを動作させるためのゲートドライブユニットは、測定ユニット、多重抵抗ドライビングデバイス、および処理ユニットを含む。測定ユニットは、電力スイッチの主端子の両端間の第１の電圧を測定するように構成される。多重抵抗ドライビングデバイスは、電力スイッチを作動させるために制御電圧を受け取る電力スイッチの制御電極に伝導的に結合されるように構成される。多重抵抗ドライビングデバイスは、制御電圧を供給する電圧源と電力スイッチの制御電極との間に伝導的に結合された複数の個別に制御可能な抵抗要素を含む。処理ユニットは、電力スイッチの主端子の両端間の第１の電圧が第１のタイプの短絡事象を示すことに応じて、電力スイッチの制御電極に印加される制御電圧を、異なる時間に抵抗要素の異なる組の間で分割し、制御電圧を減少させ、電力スイッチを非作動にさせるために、多重抵抗ドライビングデバイスの抵抗要素を個別に作動または非作動にさせるように構成される。処理ユニットは、電力スイッチを非作動にする間、制御電圧が減少する速度を、電力スイッチの主端子の両端間の第１の電圧の大きさに基づいて制御するように構成される。
【００１３】
本明細書で説明する主題は、添付図面を参照して非限定の実施形態の以下の説明を読むことから一層よく理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本明細書で説明する本発明の主題の１つの例による電力トラクションコンバータ回路（ｐｏｗｅｒ  ｔｒａｃｔｉｏｎ  ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ  ｃｉｒｃｕｉｔ）の回路図である。
【図２】本明細書で説明する本発明の主題の１つの例によるゲートドライブユニットまたはシステムの回路図である。
【図３】本明細書で説明する本発明の主題の１つの例による図２に示した多重抵抗ドライビングデバイスの回路図である。
【図４】本明細書で説明する本発明の主題の１つの例による図１に示した電力スイッチおよび図２に示したゲートドライビングユニットの動作に関する電圧を示す図である。
【図５】本明細書で説明する本発明の主題の１つの例による図１に示した電力スイッチおよび図２に示したゲートドライビングユニットの動作に関する電圧および電流を示す図である。
【図６】本明細書で説明する本発明の主題の１つの例による図１に示した電力スイッチの図２に示したゲート端子に印加されるゲート電圧を示す図である。
【図７】図２に示したゲートドライブユニットに含まれうる多重電流源デバイスの別の実施形態を示す図である。
【図８】本明細書で説明する本発明の主題の１つの例による電力スイッチに対する短絡保護を行う方法の流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本明細書で説明する本発明の主題の１つまたは複数の実施形態は、１つまたは複数の異なるタイプの短絡の場合に、電力コンバータの絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）のような半導体電力スイッチなどの電力スイッチを保護するゲートドライブユニットおよび方法に関する。本明細書の説明はＩＧＢＴのような半導体電力スイッチに焦点を合わせているが、本発明の主題の実施形態がすべてそのように限定されているわけではない。本明細書で説明する本発明の主題の様々な態様を使用して、他のタイプの電力スイッチに対して短絡保護を行うことができる。
【００１６】
１つの態様において、測定ユニットは短絡を検出し、プログラマブルドライビング段またはデバイスは、ドライビング段またはデバイスを制御するために、電力スイッチの制御電極に印加される制御電圧と、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）または他のタイプのプロセッサなどの処理ユニットとを制御する。制御電圧は、オプションとして、この電圧が電力スイッチを作動または非作動にさせるのでゲート電圧、作動電圧などと呼ぶことがある。例えば、電力スイッチの制御電極に制御電圧を印加すると、電力スイッチが作動して、電力スイッチの主端子間に電圧を伝導させることができる。ドライビング段またはデバイスは、少なくとも１つの実施形態では多重抵抗ドライビングデバイスと呼ぶことがある。このシステムおよび方法は、電力コンバータ（例えば、電力供給部または電源）と電気負荷とを含む回路における異なるタイプの短絡の間を区別することができる。次に、このシステムおよび方法は、検出された異なるタイプの短絡に異なる保護機構を与えることができる。短絡に対して保護を行うときの応答は、少なくともいくつかの現在知られている短絡保護機構よりも速くすることができ、その結果、電力スイッチへのストレスが減少し、スイッチの破壊的損傷を短絡事象の間避けることができる。
【００１７】
１つのタイプの短絡（短絡事象とも呼ばれる）は、電力スイッチがターンオンされて（例えば、作動されて）電流を伝導するときに生じることがある。このタイプの短絡は、第１のタイプの短絡事象、すなわちＳＣ１と呼ぶことができる。ＳＣ１事象は、電力スイッチの主端子の両端間の電圧を測定することによって検出することができる。ＳＣ１事象の場合には、指名電力スイッチがオフ状態である間に、回路の少なくとも１つの阻止要素が故障して伝導状態になっている。その後、指名電力スイッチがターンオンされると、エネルギー供給要素を通る低インピーダンスループが閉じられ、それにより、電流が電力スイッチ主端子を通ることになり、その電流は正常動作で現われる電流レベルを超える。ＭＯＳＦＥＴおよびＩＧＢＴのようないくつかのタイプの電力半導体スイッチは非飽和により制御レベルに短絡電流を制限しており、これは、電力スイッチの主端子の両端間の電圧を持ち上げ、電力スイッチ主端子を通る短絡電流を制限するモードに入ることを意味する。電圧源コンバータという名前の１つのタイプの電力コンバータでは、エネルギー供給要素はＤＣリンクキャパシタとすることができる。故障した阻止要素が同じコンバータ脚部の別の電力スイッチであり、別の電力スイッチはターンオフされるように制御されるが、伝導状態であることがある。１つの例では、電力スイッチのコレクタ−エミッタ電圧を測定することができる。電力スイッチ主端子の両端間の電圧が、指定期間（ｔ1、８マイクロ秒または別の長さの時間など）の後、依然としてある閾値（例えば、４０ボルトまたは別の閾値）より上にある場合、ＳＣ１事象はゲートドライブユニットによって検出され、ゲートドライブユニットは電力スイッチの保護ターンオフ手順を実行する。以下で説明するように、保護ターンオフ手順は、制御電圧（Ｖge）が減少する速度または傾斜を制御することを含むことができる。少なくとも１つの実施形態では、そのような手順は「ソフトターンオフ」と呼ぶことができる。
【００１８】
一方、電力スイッチ主端子の両端間の電圧が、指定期間の後、閾値より下にある場合、ターンオンの成功が処理ユニットによって認識され、ＳＣ１事象は識別されない。
【００１９】
別のタイプの短絡事象は、電力スイッチがターンオンされた後に生じることがあり、過度の電流が少なくとも初期に電力スイッチを通って伝導される。この短絡事象は、第２のタイプの短絡事象、すなわちＳＣ２事象と呼ぶことができる。ＳＣ２事象は、スイッチのターンオンが成功した後（例えば、ＳＣ１事象が検出されなかった後）、生じることがある。ＳＣ２事象は、電力スイッチが依然としてターンオンされており、電流を伝導している間のブランキング期間の後、電力スイッチにかけられる電圧が閾値を超えるとき、検出することができる。ＳＣ２事象は、さらに、制御端子電流がドライバに逆流するとき、制御端子電圧が基準電圧（例えば、＋１５Ｖなどのようなオン静的動作電圧）を超えるなどの別の方法で検出することができる。
【００２０】
ＳＣ２事象は、負荷における外部ショート、コンバータ脚部の対向する電力スイッチの内部ショート、回路のバスバーにおけるショート、または別の要因などの様々な要因によって引き起こされうる。ＳＣ２事象による電力スイッチの損傷は、ＳＣ１事象によって引き起こされる損傷よりも厳しいことがあり、それは、電力スイッチ主端子の電流および電圧レベルがより大きくなることがあるからである。非飽和中に電力スイッチ主端子の両端間の電圧が上昇すると、それは電力スイッチが電流限界モードに変化することを意味し、ミラー効果により電力スイッチの制御電極に電流が送り込まれ、それが、電力スイッチの制御電極に印加される制御電圧を電圧源から供給される電圧より上に引き上げることがある。これは、電力スイッチの主端子に供給される電流（例えば、コレクタ−エミッタ電流、すなわちＩceなどの供給電流）のオーバーシュート（例えば、上位安全閾値より上への上昇）と、電力スイッチにおける非常に高いストレスとをもたらすことがある。電力スイッチ主端子の両端間の電圧がＤＣリンク電圧（例えば、キャパシタ１１０によって供給される電圧）に達すると、電力スイッチ主端子を通る電流（Ｉce）は比較的迅速であるが制御されていない速度で静的短絡電流まで減少している場合があり、それが電力スイッチ主端子の両端間の電圧の高いオーバーシュートをもたらすことがあり、それにより、電力スイッチが破壊されることがある。１つの態様では、電力スイッチは、短絡電流が定常状態（例えば、少なくとも指定期間の間、閾値速度よりも速く増加または減少していない）に達する前にＳＣ２事象の識別に応じてターンオフとなることができない。さもなければ、電力スイッチ主端子の両端間の電圧の高いオーバーシュートが生じうる。
【００２１】
ＳＣ２事象の識別に応答して、別の保護手順を実行することができる。処理ユニットは、タイマ、またはさもなければ時間経過追跡（ｔｒａｃｋ  ｐａｓｓａｇｅ  ｏｆ  ｔｉｍｅ）を含むことができる。処理ユニットは、ＳＣ２事象の検出に応じてタイマを始動することができる。タイマが事前定義された値（例えば、４マイクロ秒または別の期間）に達すると、制御電圧（Ｖge）傾斜を制御することによる保護ターンオフが、上述と同様に起動される。例えば、制御電圧（Ｖge）が減少する速度は、短絡電流が定常状態に達したことを保証するためのこの期間が終了した後に制御される。制御電圧（Ｖge）は、電力スイッチ主端子の両端間の電圧のオーバーシュートを防止するためにゆっくり減少するように制御される。オプションとして、電力スイッチ主端子の両端間の電圧をＳＣ２事象の識別に応じてモニタすることができ、ゲート電圧の保護ターンオフは、期間の終了に加えて、電力スイッチ主端子の両端間の電圧がＤＣリンク電圧（例えば、電力コンバータによって供給される電圧）のほぼ７５％（または別の値）より上である場合に実行される。
【００２２】
別の態様では、電力スイッチ主端子を通る電流（Ｉce）、および／または電力スイッチ主端子を通る電流の時間に対する変化速度
【００２３】
【数１】
2015216839.tif 000003
をモニタすることによって、ＳＣ２事象をより速く識別することができる。これにより、電力スイッチ主端子を通る電流（Ｉce）が増加する（例えば、電力スイッチ主端子を通る電流（Ｉce）の立上がりエッジで）とき、ＳＣ２事象の検出が可能になる。ＳＣ２事象をそのように検出する際、多重抵抗ドライビングデバイスは、制御電圧（Ｖge）を指定値（例えば、１３ボルトまたは別の値）以下まで下げる第１の抵抗器構成を有する（例えば、デバイスにおけるある組合せの抵抗要素を作動させて、第１の電圧分割回路を形成する）ように制御される。これにより、制御電圧（Ｖge）および／または電力スイッチ主端子を通る電流（Ｉce）のオーバーシュートを防止することができる。追加として、タイマを開始することができる。タイマが第１の事前定義された値に達する、かつ／またはｄＩｃｅ／ｄｔがある閾値より下に減少する、かつ／または電力スイッチ主端子の両端間の電圧がある閾値より上に増加すると、多重抵抗ドライビングデバイスの異なるゲート抵抗器構成が確立されて、制御電圧（Ｖge）が１４．５ボルトまたは別の値などまで増加する。これにより、電力スイッチ主端子を通る電流（Ｉce）の非制御フォールバックと、電力スイッチ主端子の両端間の電圧（Ｖce）のオーバーシュートとを防止することができる。タイマが第２の事前定義された値に達した後、制御電圧を制御することによる保護ターンオフが、本明細書で説明するように実行される。例えば、多重抵抗ドライビングデバイスの抵抗器構成を時間に対して変更して、指定速度で、または電力スイッチ制御閾値電圧、例えば−１５Ｖよりも低い供給電圧と、電力スイッチ制御電極との間で単一の抵抗器が切り替えられる場合に普通なら生じるはずの速度よりも遅い速度で、制御電圧を徐々に減少させることができる。
【００２４】
異なる短絡事象間を識別し、次に、識別された短絡事象に基づいて保護方式または手順を行う本発明のゲートドライブユニットおよび方法を提供することによって、異なる短絡事象中の電力スイッチへのストレスを減少させることができる。このストレスを減少させると、電力スイッチの故障率を下げることができる。その結果、回路のコンバータ故障率の減少が達成される、より多くのコンバータを利用可能にすることができる、電力コンバータのヒューズの必要性を減少または除去することができる、などである。
【００２５】
本明細書で説明する本発明のゲートドライブユニットおよび方法の別の態様は、電力スイッチの静的オン状態ゲート電圧を増加させることができるようにする。例えば、上述の改善された短絡保護を用いて、電力スイッチの制御電極に印加される制御電圧（Ｖge）を、上述の短絡保護なしに使用される制御電圧の上限と比べて増加させることができる。
【００２６】
図１は、本明細書で説明する本発明の主題の１つの例による電力供給回路１００の回路図を示す。回路１００は、１つまたは複数の発電機１０２を伝導経路１０６（例えばバス、電線、ケーブルなど）を介して１つまたは複数の負荷１０４に伝導的に結合する。発電機１０２は、負荷１０４に電力を供給するために電流または電圧を発生または供給するオルタネータ、発電機、電力系統、バッテリなどを表すことができる。図示の例では、負荷１０４は主電動機を表すが、代替として、電気エネルギー（例えば、電流および／または電圧）を消費して仕事を実行する他のシステムまたはデバイスを表すことができる。
【００２７】
回路１００は、電力コンバータ１１２から負荷１０４への電気エネルギーの伝導を制御するために状態間を交互に入れ替えるいくつかの電力スイッチ１０８（例えば、電力スイッチ１０８Ａ〜Ｆ）を含む。例えば、電力スイッチ１０８は、電力スイッチ１０８を通して発電機１０２と負荷１０４との間で電流または電圧を伝導する作動または「オン」状態に作動することができ、電力コンバータ１１２と負荷１０４との間の電流または電圧の伝導を防止する非作動または「オフ」状態に非作動にすることができる。スイッチ１０８は、発電機１０２から負荷１０４への、および／または負荷１０４から発電機１０２への電流の伝導を制御することができる。例えば、１つの実施形態では、電流は、負荷１０４からスイッチ１０８のうちの１つまたは複数を通って発電機１０２に伝導されうる。１つの態様では、電力スイッチ１０８のうちの１つまたは複数は、ＩＧＢＴまたは他のタイプのスイッチなどの半導体電力スイッチである。代替として、電力スイッチ１０８は別のタイプのスイッチとすることができる。
【００２８】
電力スイッチ１０８は異なる時間にオン状態とオフ状態との間を交互に入れ替えて、発電機１０２によって負荷１０４に供給される多相の電流の伝導を制御することができる。図示の例では、電力スイッチ１０８は対で配列されている。例えば、スイッチ１０８Ａ、１０８Ｂは１つの対とすることができ、スイッチ１０８Ｃ、１０８Ｄは別の対とすることができ、スイッチ１０８Ｅ、１０８Ｆは別の対とすることができる。各対のスイッチ１０８は、負荷１０４への電流の位相の伝導を制御するために、一度に対のスイッチ１０８の一方のみがオンとなるように交互に入れ替えることができる。代替として、スイッチ１０８は別の配列とすることができ、かつ／または別の数のスイッチ１０８を使用することができる。
【００２９】
スイッチ１０８は、低インダクタンスバスバーネットワークを用いて、転流、短絡などのような短時間事象の間電気エネルギーを供給するＤＣリンクキャパシタ１１０に接続することができる。短絡事象が生じた場合、負荷１０４のインダクタンスは橋絡され、ＤＣリンクキャパシタ１１０を通る低誘導性経路が形成される。例えば、電力スイッチ１０８Ａ、１０８Ｃ、または１０８Ｅが故障した場合、対応する電力スイッチ１０８Ｂ、１０８Ｄ、または１０８Ｆがターンオンされるとき、スイッチ１０８の同じ対の対応する電力スイッチ１０８Ｂ、１０８Ｄ、または１０８Ｆは短絡事象を経験する。ゲートドライブユニットは、本明細書で説明するターンオフ手順のうちの１つまたは複数を実施することによって、対応する電力スイッチ１０８Ｂ、１０８Ｄ、または１０８Ｆを保護することができる。
【００３０】
電力スイッチ１０８は、１つまたは複数のゲートドライブユニットを使用して制御され、短絡事象に起因する損傷または故障から保護されうる。本明細書で説明するように、これらのゲートドライブユニットは、異なるタイプの短絡事象を検出および識別し、どのタイプの短絡事象が識別されたかに応じて、電力スイッチ１０８が短絡事象によって損傷されることから保護する異なる手順を実施することができる。
【００３１】
図２は、本明細書で説明する本発明の主題の１つの例によるゲートドライブユニット２００の回路図である。ゲートドライブユニット２００は、電力スイッチ１０８に係わる異なる短絡事象間を区別するように動作し、どの事象が生じたかに応じて、電力スイッチ１０８の損傷または故障を防止するために改善措置を実施する。
【００３２】
ゲートドライブユニット２００は、ゲートドライバ電力供給部２２４および電力スイッチ１０８に伝導的に結合される。１つの実施形態では、ゲートドライブユニットのガルバニ絶縁コンバータは、ゲートドライバ電力供給部２２４によって送出される電圧を＋１５Ｖおよび−１５Ｖのようにすることができる電圧源２１８および２２０に変換する。電圧源２１８および２２０は、電力スイッチ１０８を作動させるために電力スイッチ１０８の制御電極２１２に印加される制御電圧の供給源を示す。ゲートドライバ電力供給部２２４は、発電機１０２によって供給される電流以外の電圧または他の電気エネルギーを供給するバッテリまたは他のデバイスを示すことができる。
【００３３】
ゲートドライブユニット２００は、ゲートドライブユニット２００を１つまたは複数の電力スイッチ１０８の補助端子に接続することによって図１に示した回路１００に含まれうる。ゲートドライブユニット２００は、各電力スイッチのゲートドライブユニット２００を作動または非作動にさせることができるコントローラボード２０２に接続される。
【００３４】
ゲートドライブユニット２００は、１つまたは複数の構成要素および／またはプロセッサ（例えば、コンピュータマイクロプロセッサ）を含む、および／またはそれらに接続されるハードウェア回路または回路システムを含む。ゲートドライブユニット２００の１つの構成要素は、電力スイッチ１０８の電圧を測定する測定ユニット２０４（図２では「Ｖceレベル検出」）である。図示の実施形態において、測定ユニット２０４は、電力スイッチ１０８の補助端子２０６、２０８の両端間の電圧を感知し、それは電力スイッチの主端子２３０、２３２の両端間の電圧を示す。電気接続２０６および２３０ならびに２０８および２３２は、電気的にほぼ同等な接続である。これらの端子間には、主端子からトランジスタチップまでのモジュール内部配線のインダクタンスを反映する数ナノヘンリ範囲の小さいインダクタンスがある。電力スイッチの補助端子ならびに主端子は、両方とも、主題で説明するような電力スイッチ状態の識別に好適である。電力スイッチ１０８がＩＧＢＴ電力スイッチである場合、電力スイッチ１０８のコレクタ端子２０６とエミッタ端子２０８との両端間の電圧降下などのこの電圧は、コレクタ電圧またはコレクタ−エミッタ電圧（Ｖce）と呼ぶことができる。代替として、測定ユニット２０４は別のタイプの電気量を測定し、かつ／または別の場所で電気量を測定することができる。測定ユニット２０４は、電圧計のハードウェアまたはこれに類するものなどの、電圧、電流、または別の電気量を測定する１つまたは複数のハードウェア回路または回路システムを含むかまたは示すことができる。
【００３５】
ゲートドライブユニット２００は、制御電圧（Ｖge）が電力スイッチ１０８の制御電極２１２に印加される速度を制御する処理ユニットまたはドライビングユニット２１０（図２では「制御およびタイミング論理」）をさらに含む。この制御電圧（Ｖge）は、電圧源２１８および２２０から供給され、スイッチ１０８を作動または非作動にさせるように制御することができる。例えば、指定電圧レベルより上に制御電圧を増加させると、スイッチ１０８は、閉じて、電流または電圧を負荷１０４に伝導することができ、一方、指定レベルより下に制御電圧を減少させると、スイッチ１０８は開くことができる。処理ユニット２１０は、コンピュータマイクロプロセッサ、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）などのような１つまたは複数のプロセッサを含む、および／またはそれらに接続されるハードウェア回路または回路システムを含むことができる。
【００３６】
ゲートドライブユニット２００は、ゲートドライブユニット２００の多重抵抗ドライビングデバイス２１４（図２では「ドライビング段」）の構成または状態を変更することによって制御電圧（Ｖge）を制御する。多重抵抗ドライビングデバイス２１４は、スイッチ１０８の制御電極２１２に供給される制御電圧（Ｖge）を変更するように個別に制御できるいくつかの抵抗要素（例えば、抵抗器）を含む。例えば、多重抵抗ドライビングデバイス２１４は、電圧供給源２１８および２２０からの制御電圧（Ｖge）を受け取ることができ、スイッチ１０８の制御電極２１２に印加される制御電圧（Ｖge）を減少させるために電圧分割器として動作することができる。以下で説明するように、処理ユニット２１０は、制御電圧（Ｖge）を時間とともに変更するために、時間とともに多重抵抗ドライビングデバイス２１４の抵抗構成を変更することができる。処理ユニット２１０は、このような方法で、短絡事象の識別に応答してスイッチ１０８への損傷を防止するために制御電圧（Ｖge）の減少の速度を制御するように動作することができる。
【００３７】
図３は、本明細書で説明する本発明の主題の１つの例による多重抵抗ドライビングデバイス２１４の回路図３００を示す。図示の例では、多重抵抗ドライビングデバイスまたは段２１４は、互いに並列ないくつかのプッシュプル出力段３０２（例えば、段３０２ａ〜ｄ）であって、電圧供給源２１８および２２０ならびに電力スイッチ１０８に伝導的に結合されるいくつかのプッシュプル出力段３０２（例えば、段３０２ａ〜ｄ）を含む。段３００は、電圧供給源２１８および２２０と、ゲートドライブユニット２００（図２に示した）の内部の電力スイッチ１０８の制御電極２１２との間で互いに並列とすることができる。多重抵抗ドライビングデバイス２１４は、４つの並列段３０２を含んでいるが、オプションとして、より多いまたはより少ない数の段３０２を含むことができる。
【００３８】
スイッチ３０６は、入力ライン２１６（図２にも示した）に沿って処理ユニット２１０（図２に示した）から受け取った入力信号（例えば電圧、電流、または他の信号）によって制御される金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）または他のスイッチを含むことができる。スイッチ３０６は、処理ユニット２１０が、入力ライン２１６の異なるものに沿って入力信号を別々に伝達することによって、個別のスイッチ３０６を個別に作動または非作動にさせる（例えば、ターンオンまたはターンオフさせる）ことができるから、処理ユニット２１０によって個別に制御可能とすることができる。抵抗器スイッチ３０６を作動にさせると、電圧源２１８および２１９から受け取った制御電圧の少なくとも一部が、電圧源２２４の下流の抵抗器スイッチ３０６に接続された抵抗要素３０４を通って流れる。スイッチ３０６の異なる組合せを作動または非作動にさせて、制御電圧が多重抵抗ドライビングデバイス２１４を通して伝導されるときに制御電圧が経験する全抵抗を変更することができる。例えば、多重抵抗ドライビングデバイス２１４は電圧分割器として動作することができ、スイッチ３０６は制御電圧（Ｖge）を変更する（例えば、減少させる）ように個別に制御され、制御電圧（Ｖge）は多重抵抗ドライビングデバイス２１４から出力線２２２（図２にも示した）に出力され、出力線２２２は減少した制御電圧（Ｖge）を電力スイッチ１０８の制御電極２１２に伝導する。
【００３９】
例えば、段３０２は、複数の抵抗要素３０４（例えば、抵抗器）およびスイッチ３０６を含む。各段３０２には２つの抵抗要素３０４および２つのスイッチ３０６があり、その結果、図示の実施形態では、合計で８つの抵抗要素３０４（例えば、抵抗要素３０４ａ〜ｈ）と、合計で８つのスイッチ３０６（例えば、スイッチ３０６ａ〜ｈ）とがある。代替として、別の数の抵抗要素３０４とすることができる。スイッチ３０６は、制御電圧が入力ライン２１８から抵抗要素３０４を通して伝導されるようにするか、またはそれを防止するように個別に制御することができる。例えば、処理ユニット２１０は抵抗器スイッチ３０６ａをターンオンして、制御電圧の少なくとも一部が抵抗要素３０４ａを通ってライン２２２を介して制御電極２１２に伝導するようにする、抵抗器スイッチ３０６ｂをターンオンして、制御電圧の少なくとも一部が抵抗要素３０４ｂを通ってライン２２２を介して制御電極２１２に伝導するようにする、などである。処理ユニット２１０は、さらに、抵抗器スイッチ３０６ａをターンオフして、制御電圧が抵抗要素３０４ａを通ってライン２２２を介して制御電極２１２に伝導しないようにする、抵抗器スイッチ３０６ｂをターンオフして、制御電圧が抵抗要素３０４ｂを通ってライン２２２を介して制御電極２１２に伝導しないようにする、
などである。
【００４０】
図示の例において、各段が２つのスイッチ３０６および２つの抵抗要素３０４を含む並列な４つの段３０２を用いると、すべてのスイッチがオフの状態の重要でない構成を除いて、ターン「オフ」される全部の抵抗（例えば、Ｒgoffによって表される、制御電圧のうちの１つが伝導される抵抗器３０４ｂ、ｄ、ｆ、ｈによって与えられる電気抵抗）、およびターン「オン」される全部の抵抗（例えば、Ｒgonによって表される、制御電圧のうちの１つが伝導される抵抗器３０４ａ、ｃ、ｅ、ｇによって与えられる電気抵抗）の１５個の可能な値がある。
【００４１】
１つの態様では、多重抵抗ドライビングデバイス２１４から電力スイッチ１０８の制御電極２１２に伝導される制御電圧（Ｖge）は、以下の関係式で表すことができ、
【００４２】
【数２】
2015216839.tif 000004
ここで、Ｖgeは、制御電極に出力される制御電圧を表し、Ｖonは、ゲートドライバ電力供給部２２４からのデバイス２１４によって受け取られる制御電圧の正の成分（例えば、ライン２１８で伝導される＋１５ボルトまたは別の値）を表し、Ｖｏｆｆは、ゲートドライバ電力供給部２２４からのデバイス２１４によって受け取られる制御電圧の負の成分（例えば、ライン２２０で伝導される−１５ボルトまたは別の値）を表し、Ｒgoffは、抵抗器３０４ｂ、ｄ、ｆ、ｈが作動されることによって与えられる並列抵抗を表し、Ｒgonは、抵抗器３０４ａ、ｃ、ｅ、ｇが作動されることによって与えられる並列抵抗を表す。
【００４３】
図示の例では、４つの並列段３０２を用いて、電源電圧２１８と電源電圧２２０との間の中間レベルに制御電圧（Ｖge）を設定するための２２５個の可能な構成があり、それにより、制御電圧（Ｖge）の比較的細かい調整が可能になる。多重抵抗ドライビングデバイス２１４の構成は、どの抵抗器３０４がターンオンまたはターンオフされるかを表す。例えば、異なる構成は、異なる抵抗器３０４をターンオンさせ、異なる抵抗器をターンオフさせることができる。
【００４４】
図４は、本明細書で説明する本発明の主題の１つの例による図１に示した電力スイッチ１０８および図２に示したゲートドライビングユニット２００の動作に関する電圧および電流を示す。図４に示した電圧は、第１のタイプの短絡事象（ＳＣ１）の検出と、ＳＣ１事象が電力スイッチ１０８（図１に示した）を損傷しないようにするために、ゲートドライブユニット２００（図２に示した）によって実施される応答手順との１つの例を例証する。図４に示した電圧は、電力スイッチ主端子の両端間の電圧４００、制御電圧（Ｖge）４０２、および短絡電流（Ｉsc）４０４を含む。信号４００、４０２、４０４は、時間を表す水平軸４０６および信号の大きさを表す垂直軸４０８と一緒に示されている。縦軸４０８の目盛りは、異なる信号では異なることがある。例えば、縦軸４０８の目盛りは、短絡電流４０４では電力スイッチ主端子の両端間の電圧の１０分の１にすることができ、縦軸４０８の目盛りは、制御電圧４０２では電力スイッチ主端子の両端間の電圧４００の１００倍にすることができる。その結果、短絡電流４０４の大きさは、実際に示されているものの１０分の１であり、制御電圧４０２の大きさは、電力スイッチ主端子の両端間の電圧４００を基準にして実際に示されているものの１００倍でありうる。
【００４５】
動作時に、電力スイッチ１０８は、作動時間４１０に、デバイス２１４（図２に示した）から出力される制御電圧４０２を低い非作動レベル４１２（例えば、−１５ボルトまたは別の電圧）から高い作動レベル４１４の方に増加させることによってターンオンされる。電力スイッチ主端子の両端間の電圧４００は、電力スイッチ１０８がターンオンされると、減少する（例えば、０ボルトまたはほぼ０ボルトに）と予想される。しかし、図４に示すように、電力スイッチ主端子の両端間の電圧４００は、ほんのわずかしか減少せず、その後、以前の大きさまで増加する。
【００４６】
測定ユニット２０４は、電力スイッチ主端子の両端間の電圧４００をモニタし、電力スイッチ主端子の両端間の電圧４００を処理ユニット２１０（図２に示した）に報告する。処理ユニット２１０は、作動時間４１０で始まる指定期間４１８が終了した後、電力スイッチ主端子の両端間の電圧４００が短絡（ＳＣ）検出閾値４１６以上であるかどうかを決定する。期間４１８は、８マイクロ秒または別の期間などの比較的短い期間とすることができる。オプションとして、処理ユニット２１０は、電力スイッチ主端子の両端間の電圧４００がＳＣ検出閾値４１６以上であり、期間４１８の間、ＳＣ検出閾値４１６以上にとどまっているかどうかを決定することができる。電力スイッチ主端子の両端間の電圧４００が、期間４１８の後、ＳＣ検出閾値４１６以上である場合、処理ユニット２１０は、ＳＣ１事象が生じたと決定する。オプションとして、測定ユニット２０４は、電力スイッチ主端子の両端間の電圧４００が、ＳＣ１事象が生じたことを示しているかどうかを決定する。
【００４７】
ＳＣ検出閾値４１６および期間４１８は、発電機１０２のタイプ、および／または発電機１０２によって電力を供給される負荷１０４、および／または電力スイッチのタイプに基づくことができる。
【００４８】
図４に示すように、ＳＣ１事象により、短絡電流４０４が増加し、ここで考えているスイッチでは、実質的に一定な、しかし高い短絡電流レベルに達する。電流４０４が平坦域を有するのはこれによって説明することができる。これらの短絡電流４０４は、電力スイッチ１０８を通って流れる電流を表すことができ、スイッチ１０８を損傷することがある。ＳＣ１事象が、電力スイッチ主端子の両端間の電圧４００に基づいて識別される場合、処理ユニット２１０は、ソフトターンオフ手順を実施して、ＳＣ１事象を停止させる（例えば、短絡電流４０４を除去するかまたは著しく減少させることによって）ことができる。１つの態様では、この手順は、制御された速度で制御電圧４０２を減少させることを含む。例えば、制御電圧４０２を遮断または除去すると、期間４１８にまたはその直後に垂直またはほぼ垂直な勾配または立ち下がり端を有する制御電圧４０２がもたらされることになる。これは、電力スイッチ主端子の両端間の電圧４００にスパイクまたはオーバーシュートを引き起こすことがあり、それが電力スイッチ１０８を損傷することがある。
【００４９】
代わりに、図示の例では、処理ユニット２１０は、期間４１８の後に制御電圧４０２の減少部分４２０が減少している勾配または減少速度４２４が、ゼロでない勾配を有する（例えば、勾配が、垂直またはほとんど垂直ではない）ように時間に対する制御電圧４０２の減少を制御する。処理ユニット２１０は、制御電圧４０２が減少する速度４２４が、通常のターンオフ手順が適用されるときよりも遅くなるように減少部分４２０にわたり制御電圧４０２の勾配を制御することができる。
【００５０】
処理ユニット２１０は、多重抵抗ドライビングデバイス２１４（図２に示した）の抵抗要素３０４（図３に示した）のうちのどれが異なる時間にオンまたはオフであるか（上述のように）を変更することによって制御電圧４０２の減少を制御する。例えば、第１の時間に、抵抗要素３０４の第１のサブセットをオンにすることができ、一方、後の第２の時間に、抵抗要素３０４の異なる第２のサブセットをオンにする、などである。どの抵抗要素３０４が、異なる時間に入力制御電圧４０２を少なくとも部分的に伝導し分割するかを変更することにより、デバイス２１４から出力されるゲート電圧４０２が、時間に対して変更される。異なる時間に、どの抵抗要素３０４がオンであり、どの抵抗要素３０４がオフであるかを指示するスイッチングパターンに応じて、制御電圧を伝導する抵抗要素３０４の組は時間とともに変化することができる。電力スイッチ１０８の入力容量は抵抗要素３０４と一緒に働いて、デバイス２１４によって出力される制御電圧４０２の離散的な段差を平滑化するのに役立つローパスフィルタとして動作することができる。スイッチングパターンは、負荷１０４のタイプおよび／または電力スイッチのタイプに基づいて変更することができる。スイッチングパターンは、処理ユニット２１０に、例えば、処理ユニット２１０の不揮発性メモリに、または別の場所などに記憶することができる。
【００５１】
制御電圧４０２は、どの抵抗要素３０４が時間に対してオンであるかを変更することによって比較的ゆっくり減少する。制御電圧４０２は、指定速度よりも速くない速度で減少する。しばらくして、短絡電流４０４は止められる。制御電圧４０２は、電力スイッチ１０８が完全にターンオフされるまでゆっくり減少し続けることができる。多重抵抗ドライビングデバイス２１４のどの抵抗要素３０４がオンまたはオフであるかの様々な可能な構成を使用すると、制御電圧４０２を減少させる可能性（例えば、自由度）の増加を可能にすることができる。例えば、抵抗要素３０４の多数の並列段を含まないドライビングユニットとは対照的に、ドライビングデバイス２１４は、制御電圧４０２の比較的小さく離散的な減少を達成できるようにする抵抗要素３０４の様々な配列を有する。
【００５２】
１つの態様では、制御電圧４０２が減少する速度４２４は、制御電圧４０２を減少させるのにより少ない配列の抵抗要素３０４が使用された場合に制御電圧４０２が減少する速度よりも遅い。例えば、すべてが同時にターンオンまたはターンオフされる単一の組の抵抗器しか有していないゲートドライブユニットとは対照的に、制御電圧４０２が減少する速度４２４は、１つの組の抵抗器しか作動されない場合に制御電圧４０２が減少する速度よりも遅くすることができる。異なる時間に多重抵抗ドライビングデバイス２１４の抵抗要素３０４の多数の異なる組を作動させると、制御電圧４０２は、抵抗要素３０４の１つの静的な（例えば、時間に対して変化しない）組を単にターンオンするよりも遅い速さで減少させることができる。
【００５３】
図４に示すように、短絡電流４０４の減少により、電力スイッチ主端子の両端間の電圧４００が、時間的に対応する増加期間４２２にわたり増加することがある。ソフトターンオフ手順の始動に応じた電力スイッチ主端子の両端間の電圧４００のこの増加は、電力スイッチ主端子の両端間の電圧４００の第２のオーバーシュートと呼ぶことができる。電力スイッチ主端子の両端間の電圧４００の第２のオーバーシュートの大きさは、制御電圧４０２が減少する速度によって決まる。例えば、制御電圧４０２が減少する速度が速くなる（例えば、減少部分４２０の勾配がより垂直になる）につれて、電力スイッチ主端子の両端間の電圧４００の第２のオーバーシュートの大きさは増加する。逆に、制御電圧４０２が減少する速度が遅くなる（例えば、減少部分４２０の勾配がより水平になる）につれて、電力スイッチ主端子の両端間の電圧４００の第２のオーバーシュートの大きさは減少する。制御電圧４０２の減少速度は、電力スイッチ主端子の両端間の電圧４００の第２のオーバーシュートの大きさがあまりに大きくなり（例えば、上位電圧限界４２６を超え）、スイッチ１０８を損傷するのを防止するには十分な遅さであるが、電力スイッチ１０８が短絡状態にあまりに長い時間とどまるのを防止するには十分な速さであることを保証するように多重抵抗ドライビングデバイス２１４のスイッチングパターンを生成することができる。
【００５４】
抵抗要素３０４は、制御電圧４２０が閾値（例えば、０ボルト）より下に減少する、またはスイッチ１０８が非作動にされるより低いレベル４１２まで制御電圧４２０が減少する、または制御電圧４２０が少なくとも指定期間の間制御された速度で減少するまで、時間とともに異なる構成で作動または非作動にされ続けることが可能である。次に、電力スイッチ１０８は非作動にされ、ＳＣ１事象は、短絡電流４０４および／またはコレクタ電圧４００が電力スイッチ１０８を損傷することなく終了する。
【００５５】
ゲートドライブユニット２００で検出することができる別のタイプの短絡事象は、第２の短絡事象、すなわちＳＣ２である。電力スイッチ１０８が首尾よくターンオンした後、ＳＣ２事象が生じることがある。例えば、電力スイッチ１０８がターンオンされた後、ＳＣ１事象が検出されない（例えば、電力スイッチ１０８が期間４１８中に作動された後、電力スイッチ主端子の両端間の電圧がＳＣ検出閾値４１６より下である）場合、電力スイッチ１０８は、短絡事象なしに首尾よくターンオンされた可能性がある。
【００５６】
しかし、電力スイッチ１０８が首尾よく作動された後、電気エネルギーが電力スイッチ１０８によって伝導されている状態で、別の第２のタイプの短絡事象（ＳＣ２）が生じることがある。例えば、電力スイッチ１０８が作動された後、外部ショートが負荷１０４に生じることがあり、電力スイッチ１０８のコンバータ脚部の内部ショート、または電力スイッチ１０８のバスバーのショートなどが生じることがある。このタイプの短絡事象はより厳しいことがある。
【００５７】
ＳＣ２事象を検出するために、電力スイッチ主端子の両端間の電圧が、期間４１８の後、測定ユニット２０４および／または処理ユニット２１０によって検査される。電力スイッチ主端子の両端間の電圧が、期間４１８の後、ＳＣ検出閾値４１６を超えている場合、測定ユニット２０４および／または処理ユニット２１０は、ＳＣ２事象が生じていると決定する。
【００５８】
図５は、本明細書で説明する本発明の主題の１つの例による図１に示した電力スイッチ１０８および図２に示したゲートドライビングユニット２００の動作変数を示す。図５に示した電圧は、第２のタイプの短絡事象（ＳＣ２）の検出と、電力スイッチ１０８への損傷を防止するためにＳＣ２事象の識別に応じてゲートドライブユニット２００（図２に示した）によって実施されうる応答手順の１つの例とを例証する。
【００５９】
図５に示した電圧は、電力スイッチ主端子の両端間の電圧５００、制御電圧（Ｖge）５０２、およびショートを経験するデバイスを通る電流Ｉｃｅ５０４を含む。これらの信号５００、５０２、５０４は、図４のＳＣ１事象の説明図で示した同様に指名された信号４００、４０２、４０４を表すことができる。信号５００、５０２、５０４は、時間を表す水平軸５０６および電圧の大きさを表す垂直軸４０８と一緒に示されている。図４に関連して上述したように、縦軸４０８の目盛りは、異なる信号５００、５０２、５０４では異なることがある。
【００６０】
図５の図示の例では、電力スイッチ１０８が発電機１０２と負荷１０４との間で電気エネルギーを伝導する間、コレクタ電圧５００はＳＣ検出閾値４１６より下にとどまる。電力スイッチ主端子の両端間の電圧５００は、少なくとも期間４１８の間、このＳＣ検出閾値４１６よりも少ない。次に、期間４１８が終了した後、電力スイッチ主端子の両端間の電圧５００は、デバイスがオンである間、ＳＣ検出閾値４１６より上に増加する。
【００６１】
電力スイッチ主端子の両端間の電圧５００が増加すると、この電圧により、ミラー効果に起因して電力スイッチ１０８の制御電極２１２（図２に示した）に電流が送り込まれることがあり、それにより、次に、電力スイッチ１０８の制御電圧５０２が、電圧源２１８によって供給される電圧より上に増加することがある。これにより、例えば図５に電流スパイク５２０で示すように、コレクタ端子２３０に伝導される電流（例えば、コレクタ電流Ｉce）が増加し、場合によっては電力スイッチ１０８を損傷する。電力スイッチ主端子の両端間の電圧５００が、発電機１０２およびＤＣリンクキャパシタによって供給されるＤＣリンク電圧まで増加した後、電力スイッチ主端子を通る電流（Ｉce）は、電力スイッチ１０８を通るより低い短絡電流レベル５２６までフォールバックする（例えば、減少する）ことになる。この非制御フォールバックにより、電力スイッチ主端子の両端間の電圧５００は、ＤＣリンク電圧より上に大幅に増加することがあり、それが電力スイッチ１０８を損傷または破壊することがある。
【００６２】
この損傷または破壊を防止するために、電力スイッチ１０８を通って伝導される短絡電流５０４を除去するのにゲートドライブユニット２００によって使用される手順は、短絡電流５０４が減少または除去される時期を、この短絡電流５０４が定常状態（例えば、指定速度よりも速い速度で増加または減少していない）に達するまで遅延することを含むことができる。
【００６３】
この手順は、測定ユニット２０４および／または処理ユニット２１０が電力スイッチ主端子の両端間の電圧５００をモニタし、電力スイッチ主端子の両端間の電圧５００がＳＣ検出閾値４１６より上に増加する（例えば、短絡検出時間５０８において）ときを決定することを含むことができる。次に、処理ユニット２１０は、検出時間５０８の後、遅延タイマ、またはさもなければ時間経過追跡を始めることができる。検出時間５０８の後の指定遅延期間５１０の後、処理ユニット２１０は、制御された速度で制御電圧５０２を比較的ゆっくり減少させるために多重抵抗ドライビングデバイス２１４を制御し始めることができる。１つの実施形態では、遅延期間５１０は４マイクロ秒であるが、使用されている電力スイッチ１０８、発電機１０２、および／または負荷１０４に応じて別の期間を使用することができる。
【００６４】
処理ユニット２１０は、ＳＣ１事象の検出に応答して制御電圧４０２（図４に示した）が減少される速度４２４（図４に示した）と同じかまたは異なる制御された減少速度５２４で制御電圧５０２を減少させることができる。上述のように、処理ユニット２１０は、異なる時間に制御電圧５０２を伝導させるかまたは伝導させないためにどの抵抗要素３０４（図３に示した）を作動または非作動にさせるかを変更することによって、制御された速度で制御電圧５０２を減少させることができる。図５に示すように、制御電圧５０２は、比較的遅い（例えば、制御電圧５０２の単なるターンオフよりも遅い）速さで減少される。制御電圧５０２は、電力スイッチ１０８がターンオフされるまで減少し続ける（例えば、制御電圧５０２はゼロに達するか、またはより低いレベル４１２まで減少する）ことができる。制御電圧５０２を徐々に減少させることにより、短絡電流５０４は、短絡電流５０４が止められるまで制御電圧５０２とほぼ同じまたは同じ速度で減少する。
【００６５】
制御電圧５０２の減少開始を遅延することにより、短絡電流５０４が定常状態にあるときに制御電圧５０２の保護ターンオフ（例えば、制御された速度で）が実行されるのを保証することができる。例えば、図５に示すように、短絡電流５０４は、短絡電流５０４が指定量を超えて変化しておらず、かつ／または短絡電流５０４の変化が比較的遅い速さで（例えば、指定速度よりも遅く）生じるとき、定常状態期間５１２にわたって定常状態に達している。短絡電流５０４がそのような定常状態に達した後、制御電圧５０２は、電力スイッチ主端子の両端間の電圧５００が過度に増加し、電力スイッチ１０８を損傷または破壊するのを避けるために、ゆっくり減少させることができる。図５に示すように、電力スイッチ主端子の両端間の電圧５００は、制御電圧５０２の保護ターンオフターン手順を始動する際にわずかに増加することがある（例えば、増加部分５１４で示されている）が、この増加は、制御電圧５０２がより速い速さで減少する、急にターンオフする、および／または短絡電流５０４が定常状態に達する前に減少する場合よりもかなり少なくなりうる。
【００６６】
オプションとして、制御電圧５０２の保護ターンオフ手順は、電力スイッチ主端子の両端間の電圧５００の大きさに基づいて始動することができる。例えば、測定ユニット２０４および／または処理ユニット２１０は、電力スイッチ主端子の両端間の電圧５００をモニタして、電力スイッチ主端子の両端間の電圧５００がＤＣリンク電圧（例えば、発電機１０２によって発生または出力された電圧）の指定割合またはパーセンテージを達するかまたは超えるときを決定することができる。１つの態様では、この割合またはパーセンテージは７５％または別の割合またはパーセンテージとすることができる。電力スイッチ主端子の両端間の電圧５００がＤＣリンク電圧のこの割合またはパーセンテージに達した後、制御電圧５０２は、上述のように制御された速度５２４で減少される。
【００６７】
１つの実施形態では、制御電圧５０２は、電力スイッチ主端子の両端間の電圧５００がＤＣリンク電圧の指定割合またはパーセンテージに達するかまたは超えることに応じて、これが検出時間５０８の後どれくらいの期間生じるかに関係なく、制御された速度で減少させることができる。例えば、処理ユニット２１０は、制御電圧５０２の減少を開始する前に遅延期間５１０の終了を待たないことがある。代替として、処理ユニット２１０は、遅延期間５１０が終了し、かつ電力スイッチ主端子の両端間の電圧５００がＤＣリンク電圧の指定割合またはパーセンテージに達するかまたは超えるまで制御電圧５０２の制御された減少を始動しないことがある。
【００６８】
電力スイッチ主端子の両端間の電圧５００をモニタして、ＳＣ２事象を識別し、かつ／または制御電圧５０２の保護ターンオフを始動するときを決定することに加えてまたはその代替として、測定ユニット２０４および／または処理ユニット２１０は、電力スイッチ主端子を通る電流（Ｉce）、および／または電力スイッチ主端子を通る電流の変化速度
【００６９】
【数３】
2015216839.tif 000005
をモニタすることができる。電力スイッチ主端子を通る電流（Ｉce）は、上述のように、電力スイッチ１０８のコレクタ端子２３０に伝導される電流を含むことができる。測定ユニット２０４は、電力スイッチ主端子を通る電流（Ｉce）を感知することができ、処理ユニット２１０は、電力スイッチ主端子を通る電流（Ｉce）が、指定電流検出閾値を超えるとき、および／または電力スイッチ主端子を通る電流の変化速度が指定検出速度よりも速くなるときを決定することができる。電力スイッチ主端子を通る電流（Ｉce）および／または電力スイッチ主端子を通る電流の変化速度の増加は、電力スイッチ主端子の両端間の電圧５００がＳＣ２事象に起因して迅速に増加していることを示すことができる。
【００７０】
別の測定ユニット２２６（図２の「Ｖkepeレベル検出」）は、電力スイッチ主端子を通る電流（Ｉce）および／または時間に対する電力スイッチ主端子を通る電流の変化速度
【００７１】
【数４】
2015216839.tif 000006
を感知することができる。測定ユニット２２６は、１つまたは複数の構成要素および／またはプロセッサ（例えば、コンピュータマイクロプロセッサ）を含む、かつ／またはそれらに接続されるハードウェア回路または回路システムを含むことができる。図示の実施形態では、測定ユニット２２６は、ケルビン（または補助）エミッタとパワーエミッタ（または主エミッタ端子）接続（例えば、図２の２３２）との間の電圧を感知する。電力スイッチを通る主電流が流れているこれらの接続間に漂遊インダクタンスが存在することがある。
【００７２】
電力スイッチ主端子を通る電流（Ｉce）が電流検出閾値より上に増加すること、および／または電力スイッチ主端子を通る電流（Ｉce）の変化速度が指定速度よりも速いことを検出した際、処理ユニット２１０は、多重抵抗ドライビングデバイス２１４の抵抗要素３０４の第１の指定の組を作動させることができる。これにより、制御電圧５０２は、１３ボルトまたは別の値などの指定の第１の電圧に減少する。制御電圧５０２はこの指定電圧に比較的速く減少することができ、その結果、制御電圧５０２および／または電力スイッチ主端子を通る電流（Ｉce）は過度に増加またはオーバーシュートせず、電力スイッチ１０８に損傷をもたさない。処理ユニット２１０は、制御電圧５０２を指定電圧に減少させる際にタイマを始動させることができ、指定遅延期間が達せられると、次に、処理ユニット２１０は、多重抵抗ドライビングデバイス２１４の抵抗要素３０４の異なる第２の指定の組を作動させることができる。この指定遅延期間は、期間５１０と異なっても、または同じであってもよい。
【００７３】
第２の組の抵抗要素３０４は、制御電圧５０２を１４．５ボルトまたは別の値などの指定の第２の電圧に増加させるように作動される。制御電圧５０２を減少させ、次に増加させると、電力スイッチ主端子を通る電流（Ｉce）の非制御フォールバックまたは減少を防止することができ、それは、電力スイッチ主端子の両端間の電圧５００がはるかに大きくオーバーシュートまたは増加して、電力スイッチ１０８に損傷を引き起こすのを防止するのを支援する。
【００７４】
次に、処理ユニット２１０は、制御電圧５０２が指定増加した後の第２の指定遅延期間を待つことができる。この第２の遅延期間は、遅延期間５１０と同じであっても、または異なっていてもよい。この第２の遅延期間の後、次に、処理ユニット２１０は上述の保護ターンオフ手順を実施することができる。例えば、処理ユニット２１０は、制御された速度５２４で制御電圧５０２を徐々に減少させるために、多重抵抗ドライビングデバイス２１０のどの抵抗デバイス３０４が、異なる時間に制御電圧を伝導しているかを変更することができる。制御電圧５０２は、電力スイッチ１０８が非作動にされるまで減少し続けることができる。図５に示すように、制御電圧５０２のこの制御は、電力スイッチ１０８を損傷または破壊することがある電力スイッチ主端子の両端間の電圧５００のかなり大きいオーバーシュートを避けながら短絡電流５０４を消すことができる。
【００７５】
図２に示したゲートドライブユニット２００の説明に戻って、本明細書で説明する本発明の主題の別の態様では、電力スイッチ１０８を作動させるために電力スイッチ１０８に印加される制御電圧（Ｖge）は増加させることができる。ＩＧＢＴなどの電力スイッチ１０８の飽和電圧（ＶceSat）は、電力スイッチ１０８に印加される制御電圧（Ｖge）に依存することができる。いくつかの電力スイッチ１０８では、１５ボルト（または別の値）の制御電圧（Ｖge）を使用して、電力スイッチ１０８をターンオンすることができる。しかし、いくつかの電力スイッチ１０８は、電力スイッチ１０８に印加できる制御電圧（Ｖge）のより大きい限界、例えば、２０ボルト（または別の値）などを有する。電力スイッチ１０８の制御電圧（Ｖge）を増加させると、電力スイッチ１０８を通して伝導される電圧または電流の損失を減少させることができるが、制御電圧（Ｖge）の増加によって引き起こされる短絡電流の増加に起因して、短絡事象中の電力スイッチ１０８へのストレスを増加させることもある。例えば、比較的大きい電流では、電力スイッチ１０８を通る電圧または電流の伝導によって引き起こされる伝導損失は、制御電圧（Ｖge）を３３％または別の値だけ増加させる（例えば、１５ボルトから２０ボルトに）ことなどによって制御電圧（Ｖge）が増加されるとき、ほぼ１０％（または別の量）だけ減少されうる。
【００７６】
制御電圧（Ｖge）を安全に増加させるために、ゲートドライブユニット２００は、電力スイッチ１０８の作動の間、多重抵抗ドライビングデバイス２１４を使用して制御電圧（Ｖge）を制御可能に増加させることができる。図６は、本明細書で説明する本発明の主題の１つの例による、電力スイッチ１０８（図１に示した）の制御電極２１２（図２に示した）に印加される制御電圧６００を示す。制御電圧６００は、時間を表す水平軸６０２および制御電圧６００の大きさを表す垂直軸６０４と一緒に示されている。
【００７７】
電力スイッチ１０８をターンオンするのに先立ち、制御電圧６００は、供給電圧２２０を表す上述のより低い４１２レベルにある。電力スイッチ１０８が作動時間６１０にターンオンされると、処理ユニット２１０は、制御電圧（Ｖge）が増加している速度を制御するために、多重抵抗ドライビングデバイス２１４のどの抵抗要素３０４（図３に示した）が、異なる時間にターンオンされるかまたはターンオフされるかを変更する。制御電圧（Ｖge）が電力スイッチ１０８の指定閾値電圧（Ｖth）６０６に達するまで、異なる抵抗要素３０４が時間に対してターンオンまたはターンオフされる。処理ユニット２１０は、制御電圧（Ｖge）が上位レベル４１４（例えば、１５ボルトまたは別の値などの電力スイッチ１０８を作動またはターンオンさせる電圧）に達するまで、どの抵抗要素３０４が制御電圧（Ｖge）を伝導しているかを変更し続けることができる。
【００７８】
次に、処理ユニット２１０は、制御電圧（Ｖge）を上位レベル４１４にまたはその近くに保持するために、作動される抵抗要素３０４の変更を停止することができる。上述のように、処理ユニット２１０は、短絡事象（例えば、ＳＣ１事象）が検出されたかどうかを決定するために指定期間４１８の間待つことができる。短絡事象が期間４１８中に検出されなかった場合、処理ユニット２１０は、他の供給電圧２１８を表す上位閾値６０８（例えば、２０ボルトまたは別の値）に制御電圧（Ｖge）を再び増加させるために、どの抵抗要素３０４を作動または非作動にさせるかを変更することができる。その結果、制御ドライブユニット２００は、上述のように短絡事象に対する保護を向上させながら、制御電圧（Ｖge）をより大きい大きさに増加させて、電力スイッチ１０８の損失を減少させることができる。
【００７９】
上述のように、多重抵抗ドライビングデバイス２１４を使用して、制御電圧（Ｖge）、および／または制御電圧（Ｖge）が変化する速度を制御することができる。代替として、１つまたは複数の他のデバイスを使用して、制御電圧（Ｖge）、および／または制御電圧（Ｖge）が変化する速度を制御することができる。１つの例として、Petar J. Grbovic,”An IGBT Gate Driver For Feed-Forward Control Of Turn-On Losses And Reverse Recovery Current,”IEEE Transactions On Power Electronics, Vol. 23, No. 2, March 2008に記載されているゲートドライバを使用することができる。Ｇｒｂｏｖｉｃのゲートドライバは、ブースティング段に送り込まれる電圧基準を発生する。ブースティング段は、基準電圧に従う（例えば、基準電圧と同じまたは同様に変化する）電圧を出力し、ＩＧＢＴなどの電力スイッチ１０８の入力容量を充電するために電流を供給することができる。電圧基準は、処理ユニット２１０または別のデバイスなどの処理デバイスによって制御されるデジタル−アナログコンバータ（ＤＡＣ）で発生させることができる。次に、ゲート電圧、およびゲート電圧の変化速度は、処理ユニット２１０が電圧基準を制御することによって制御される。例えば、処理ユニット２１０は、制御された速度に従って電圧基準を変化させ、それにより、ドライビング段によって出力される制御電圧を、やはり制御された速度で変化させることができる。
【００８０】
代替として、制御電圧は、ゲートドライビングユニット２００が電力スイッチの入力容量を一定またはほぼ一定の電流で充電することによって制御することができる。これにより、制御電圧は、制御された速度（例えば、一定またはほぼ一定のスルーレートを有する）で変化することができる。制御電圧に対してそのような制御を実施する１つの例として、大きいインダクタを電気エネルギーで充電し、次に、電力スイッチ１０８の制御電極２１２に放電することができる。一例として、米国特許出願公開第２０１０／０１９８０７号に記載されているインダクタを使用することができる。
【００８１】
本明細書で説明および図示するゲートドライブユニットの別の態様では、ゲートドライブユニットの処理ユニットは、制御電圧が減少する速度を、コンバータのＤＣリンク電圧に基づいて制御可能に減少させることができる。例えば、コンバータのＤＣリンク電圧が増加するとき、処理ユニットは、制御電圧が減少する速度を減少させることができ（例えば、制御電圧をより遅く減少させることができ）、一方、コンバータのＤＣリンク電圧が減少するとき、処理ユニットは、制御電圧が減少する速度を増加させることができる（例えば、制御電圧をより速く減少させることができる）。制御電圧は、電力スイッチの主端子の両端に印加される電流の大きいオーバーシュートを防止するために、供給電圧が大きければ大きいほど遅い速さで減少させることができる。１つの例では、処理ユニットは、電力スイッチの主端子の両端間の第１の電圧が指定の大きさよりも小さいことに応じて、制御電圧が減少する速度を増加させることができ、電力スイッチの主端子の両端間の第１の電圧が指定の大きさと少なくとも同じくらい大きいことに応じて、制御電圧が増加される速度を減少させることができる。
【００８２】
処理ユニットは、多重抵抗ドライビングデバイスの抵抗要素のどの組が１つまたは複数の異なる時間に作動または非作動にされるかを変更することによって制御電圧の減少の速度を制御することができる。例えば、第１の期間の間、抵抗要素の第１の組を作動させることができ、抵抗要素の異なる第２の組を非作動にすることができる。例えば、後続の第２の期間の間、抵抗要素の第３の組を作動させることができ、抵抗要素の異なる第４の組を非作動にすることができる、などである。これらの組のうちの１つまたは複数に含まれる抵抗要素は、供給電圧に基づいて処理ユニットによって変更することができる。例えば、抵抗要素の異なる組を、供給電圧の異なる範囲に対して指定することができる。供給電圧がこれらの範囲のどれに入るかに応じて、処理ユニットは、どの抵抗要素が第１、第２、第３、第４などの組に含まれるかを変更することができる。
【００８３】
オプションとして、処理ユニットは、多重抵抗ドライビングデバイスの異なる組の抵抗要素が作動または非作動にされる期間を変更することによって、制御電圧の減少の速度を制御することができる。例えば、第１の組の抵抗要素が作動され、第２の組の抵抗要素が非作動にされる第１の期間、第３の組の抵抗要素が作動され、第４の組の抵抗要素が非作動にされる第２の期間などを、供給電圧の変化に基づいて変更することができる。
【００８４】
図７は、図２に示したゲートドライブユニット２００に含まれうる多重電流源デバイス７００の別の実施形態を示す。デバイス７００は、ライン２１８、２２０を通じてゲート駆動電力供給部２２４から制御電圧を受け取る。ライン２１８、２２０から受け取る制御電圧は±１５ボルトとして示されているが、別の電圧を供給することができる。デバイス７００は、図３に示した、それぞれ、抵抗要素３０４およびスイッチ３０６と同様または同一とすることができる抵抗要素７０２およびスイッチ７０４を含む。
【００８５】
図３に示した多重抵抗ドライビングデバイス２１４とは対照的に、抵抗要素およびスイッチの場所が、図７に示したデバイス７００では取り替えられている。例えば、電圧供給２１８および２２０からの制御電圧は、スイッチ７０４を通して伝導されるのに先立ち抵抗要素７０２を通して伝導される。これらの場所で、抵抗要素７０２は、スイッチ７０４の制御電圧に負フィードバックを与える分流抵抗器の役割をする。スイッチ７０４は作動領域で働き、可変抵抗器のように作用することができる。電力スイッチ１０８が作動されると、スイッチ７０４は時間とともに減少する比較的大きい抵抗を有する。これらの抵抗は、スイッチ７０４のゲート端子が充電される（例えば、１５ボルトまたは別の値のゲート電圧を受け取る）まで減少することができる。その結果、スイッチ７０４は、スイッチ７０４を通ってライン２２２を介して電力スイッチ１０８の制御電極２１２に出力される制御電圧を徐々に増加させる。逆に、制御電圧を減少させ、それにより、スイッチ７０４の抵抗が、時間とともに増加し、その結果、電力スイッチ１０８の制御電極２１２に出力される制御電圧を徐々に減少させることができる。１つの態様では、スイッチ７０４のゲート端子を充電させるのに必要とされる抵抗は、抵抗要素７０２、および／またはスイッチ７０４のオン抵抗（Ｒdson）によって与えられる抵抗の大きさによって規定することができる。
【００８６】
図８は、本明細書で説明する本発明の主題の１つの例による電力スイッチに対する短絡保護を行う方法８００の流れ図を示す。方法８００は、図２に示したゲートドライブユニット２００の１つまたは複数の実施形態を使用して実施することができる。
【００８７】
８０２において、電力スイッチが作動される。電力スイッチは、電力スイッチを閉じるためのプロセスを始動することによって作動され、その結果、電力スイッチは電気エネルギーを電力供給部から負荷まで伝導し始めることができる。１つの例では、電力スイッチの作動は、電力スイッチの制御電極に印加される制御電圧を増加させることによって始まる。
【００８８】
８０４において、制御電圧が電力スイッチの起動レベルまで増加される。例えば、制御電圧は、電力スイッチが閉じ、電気エネルギーを電力供給部から負荷まで伝導し始める大きさまで増加させることができる（例えば、制御されたまたは遅延された速度で）。
【００８９】
８０６において、電力スイッチの主端子の両端間の電圧がモニタされる。例えば、電力スイッチの主端子に印加される電圧は、定期的にまたは別のやり方で測定することができる。８０８において、電力スイッチの主端子の両端間の電圧を検査して、電力スイッチの主端子の両端間の電圧が短絡検出閾値を超えているかどうかを決定する。１つの態様では、電力スイッチが作動した後の指定期間の後に測定された電力スイッチの主端子の両端間の電圧を検査して、電力スイッチの主端子の両端間の電圧が検出閾値を超えているかどうかを決定する。供給電圧が検出閾値を超えている場合、これは、第１のタイプの短絡事象（ＳＣ１）の発生を示すことができる。その結果、方法８００の流れは８１０に続くことができる。電力スイッチの主端子の両端間の電圧が検出閾値を超えていない場合、電力スイッチの主端子の両端間の電圧は、電力スイッチが首尾よく閉じてまたは作動して、ＳＣ１事象が生じることなく電気エネルギーを電力供給部から負荷まで伝導していることを示すことができる。その結果、方法８００の流れは８１２または８１４に続くことができる。
【００９０】
８１０において、制御された速度での制御電圧の保護ソフトターンオフが実行される。上述のように、制御電圧は、制御電圧の供給を単に遮断するよりも遅い速度で減少させることができる。制御電圧を減少させる速度は、いくつかの抵抗要素のうちのどれを作動させて、多重抵抗ドライビングデバイスを通して制御電圧を伝導し、制御電圧を分割するか、またはさもなければ減少させるかを時間に対して調整することによって制御することができる。オプションとして、他の技法を使用して、本明細書で説明するように制御電圧の減少を制御することができる。制御電圧は、電力スイッチが開けられるかまたは非作動にされ、もはや電気エネルギーを電力供給部から負荷に伝導しなくなるまで減少し続けることができる。
【００９１】
８１２において、制御電圧は、オプションとして、電力スイッチの作動レベルより上に増加させることができる。上述のように、いったん電力スイッチが閉じ、ＳＣ１事象の検出なしに電流を伝導していれば、制御電圧は電力スイッチの伝導損失を減少させるためにさらに増加させることができる。
【００９２】
８１４において、電力スイッチの主端子の両端間の電圧をモニタし続ける。例えば、電力スイッチが閉じられて、電流を電力供給部から負荷まで伝導している間、電力スイッチの主端子の両端間の電圧を定期的にまたは別のやり方で測定することができる。
【００９３】
８１６において、電力スイッチの主端子の両端間の電圧を検査して、電力スイッチが閉じられて電流を伝導している間、電力スイッチの主端子の両端間の電圧が短絡検出閾値電圧を超えているかどうかを決定する。電力スイッチの主端子の両端間の電圧が閾値（検出閾値または別の閾値など）を超えている場合、第２のタイプの短絡事象（ＳＣ２）が生じているとして識別される。その結果、方法８００の流れは８１８に進むことができる。一方、コレクタ電圧が検出閾値を超えていない場合、ＳＣ２事象は識別されず、方法８００は、電力スイッチの主端子の両端間の電圧の継続的なモニタリングおよび検査のために８１４に戻ることができる。
【００９４】
８１８において、制御電圧の保護ソフトターンオフ手順は、少なくとも指定遅延期間の間遅延される。上述のように、短絡電流または電圧が定常状態に達したことを保証するように手順を変更することができる。８２０において、制御電圧の保護ソフトターンオフが遅延した後に実行される。制御電圧は、単純なターンオフ方法よりも遅い速度で減少させることができる。制御電圧を減少させる速度は、いくつかの抵抗要素のうちのどれを作動させて、多重抵抗ドライビングデバイスを通して制御電圧を伝導し、制御電圧を分割するか、またはさもなければ減少させるかを時間に対して調整することによって制御することができる。オプションとして、他の技法を使用して、本明細書で説明するように制御電圧の減少を制御することができる。制御電圧は、電力スイッチが開けられるかまたは非作動にされ、もはや電流を伝導しなくなるまで減少し続けることができる。
【００９５】
本明細書で説明する本発明の主題の１つの例では、コンバータを動作させるためのゲートドライブユニットが提供される。ゲートドライブユニットは、測定ユニット、多重抵抗ドライビングデバイス、および処理ユニットを含む。測定ユニットは、電力スイッチの主端子の両端間の第１の電圧を測定するように構成される。多重抵抗ドライビングデバイスは、電力スイッチの電気絶縁された制御電極に伝導的に結合される。多重抵抗ドライビングデバイスは、電圧源と電力スイッチの制御電極との間に伝導的に結合された複数の個別に制御可能な抵抗要素を含む。処理ユニットは、電力スイッチを作動させるために、電力スイッチの制御電極に電圧源によって印加される電圧を制御するように構成される。処理ユニットは、さらに、電力スイッチの主端子の両端間の第１の電圧が第１のタイプの短絡事象を表すことに応じて、抵抗要素のうちのどれが異なる時間に電圧源から電力スイッチの制御電極に制御電圧を少なくとも部分的に伝導するかを変更するために、多重抵抗ドライビングデバイスの抵抗要素を個別に作動または非作動にさせるように構成される。処理ユニットは、さらに、第１のタイプの短絡事象が生じていることに応じて、電力スイッチを非作動にする間、制御電圧が減少する速度を制御するように抵抗要素のうちのどれを作動または非作動にさせるかを変更するように構成される。
【００９６】
１つの態様では、多重抵抗ドライビングデバイスは、電圧源と電力スイッチの制御電極との間に複数の並列段で互いに接続された抵抗要素を含む。多重抵抗ドライビングデバイスは、さらに、抵抗要素に結合された複数のスイッチを含むことができる。処理ユニットは、制御電圧を分割し減少させるために、抵抗要素を通して電力スイッチの制御電極に制御電圧を伝導するのをそれぞれ実施または防止するためにスイッチを個別に作動または非作動にさせるように構成することができる。
【００９７】
１つの態様では、処理ユニットは、電力スイッチの制御電極に印加される制御電圧を異なる時間に異なる量だけ分割し減少させるためにスイッチのうちのどれを異なる時間に作動させるかを変更するように構成される。
【００９８】
１つの態様では、処理ユニットは、電力スイッチが作動した後の指定期間を終了した後、電力スイッチ主端子の両端間の第１の電圧が短絡検出閾値を超えるとき、電力スイッチの制御電極に印加される制御電圧が減少する速度を制御するために、抵抗要素を個別に作動または非作動にさせ始めるように構成される。
【００９９】
１つの態様では、処理ユニットは、さらに、電力スイッチの主端子の両端間の第１の電圧が、異なる第２のタイプの短絡事象を表すことに応じて、電力スイッチの制御電極に印加される制御電圧が減少される速度を制御するために、抵抗要素を個別に作動または非作動にさせ始めるように構成される。電力スイッチの主端子の両端間の第１の電圧は、電力スイッチが閉じられたときに電力スイッチの主端子の両端間の制御電圧が短絡検出閾値より下に減少し、次に、短絡検出閾値より上に増加したが、電力スイッチの制御電極の制御電圧が、依然として、電力スイッチを閉じるように構成されている場合、第２のタイプの短絡事象を表す。
【０１００】
１つの態様では、電力スイッチの主端子の両端間の第１の電圧が第２のタイプの短絡事象を表すことに応じて、処理ユニットは、指定遅延期間を待ち、遅延期間が終了した際、多重抵抗ドライビングデバイスの抵抗要素を個別に作動または非作動にさせることにより制御電圧が減少する速度を制御することによって、電力スイッチの制御電極に印加される制御電圧を減少させるように構成される。
【０１０１】
１つの態様では、処理ユニットは、多重抵抗ドライビングデバイスを制御して、電力スイッチの制御電極に印加される制御電圧を初期作動レベルに増加させるように構成される。処理ユニットは、さらに、電力スイッチの主端子の両端間の第１の電圧が指定期間の後に第１のタイプの短絡事象を表していないことに応じて、制御電圧を初期作動レベルより上に増加させるように構成することができる。
【０１０２】
本明細書で説明する本発明の主題の別の例では、短絡保護を行う方法は、電力スイッチの主端子を通って伝導される電流の変化速度をモニタするステップと、電流の変化速度が指定検出速度よりも速くなるときを決定するステップと、電流の変化速度が指定検出速度を超えたことに応じて、異なる時間に電力スイッチの制御電極に供給される制御電圧を少なくとも部分的に伝導するために、多重抵抗ドライビングデバイスの複数の個別に制御可能な抵抗要素のうちのどれが作動状態であるかを変更するステップとを含む。抵抗要素のうちのどれが異なる時間に作動状態であるかを変更すると、電力スイッチの制御電極に供給される制御電圧が減少する速度が制御される。
【０１０３】
１つの態様では、電力スイッチの主端子を横切る電流の変化速度は、第２のタイプの短絡事象が生じていることに応じて指定検出速度を超える。
【０１０４】
１つの態様では、抵抗要素のうちのどれが異なる時間に作動状態であるかを変更するステップは、異なる時間に抵抗要素の異なる組で制御電圧を分割するステップを含む。
【０１０５】
本明細書で説明する本発明の主題の別の例では、ゲートドライブユニットは、測定ユニット、複数の個別に制御可能な抵抗要素を有する多重抵抗ドライビングデバイス、および処理ユニットを含む。測定ユニットは、電力スイッチの主端子を横切って伝導される電流の変化速度をモニタするように構成される。処理ユニットは、電流の変化速度が指定検出速度よりも速くなるときを決定するように構成される。処理ユニットは、さらに、電流の変化速度が指定検出速度を超えたことに応じて、異なる時間に電力スイッチの制御電極に供給される制御電圧を少なくとも部分的に伝導するために、多重抵抗ドライビングデバイスの抵抗要素のうちのどれが作動状態であるかを変更するように構成される。処理ユニットは、電力スイッチの制御電極に供給される制御電圧が減少する速度を制御するために、抵抗要素のうちのどれが異なる時間に作動状態であるかを変更することができる。
【０１０６】
１つの態様では、電力スイッチの主端子を横切る電流の変化速度は、第２のタイプの短絡事象が生じていることに応じて指定検出速度を超える。
【０１０７】
１つの態様では、処理ユニットは、異なる時間に抵抗要素の異なる組で制御電圧を分割するために、抵抗要素のうちのどれが異なる時間に作動状態であるかを変更するように構成される。
【０１０８】
本発明の主題の別の例では、方法（例えば、短絡保護を行うための）は、電力スイッチの主端子の両端間の第１の電圧を測定するステップと、電力スイッチの主端子の両端間の第１の電圧が第１のタイプの短絡事象を表すことに応じて、電圧源と電力スイッチの制御電極との間に結合された多重抵抗ドライビングデバイスの抵抗要素を個別に作動または非作動にさせるステップとを含む。抵抗要素は、抵抗要素のうちのどれが制御電圧を電圧源から電力スイッチの制御電極に異なる時間に少なくとも部分的に伝導するかを変更するために個別に作動または非作動にされる。抵抗要素を個別に作動または非作動にさせると、制御電圧は制御された速度で減少される。
【０１０９】
本発明の主題の別の例では、方法は、電力スイッチの主端子を通って伝導される電流の変化速度をモニタするステップと、電流の変化速度が指定検出速度よりも速くなるときを決定するステップと、電流の変化速度が指定検出速度を超えたことに応じて、短縮された第１の期間内に制御電圧を中間レベルに低下させるステップと、それに続いて、制御電圧が中間レベルに低下した、または電流の変化速度が第１の指定閾値より下に減少した、または電力スイッチにかけられる電圧が第２の指定閾値より上に増加した後の第２の期間の終了のうちの少なくとも１つの後に制御電圧を増加したレベルに増加させるステップとを含む。制御電圧は、電力スイッチの制御電極に供給される制御電圧を異なる時間に少なくとも部分的に伝導するために、多重抵抗ドライビングデバイスの複数の個別に制御可能な抵抗要素のうちのどれが作動状態であるかを変更することによって低下される。この方法は、さらに、電力スイッチにかけられる電圧が第３の指定閾値より上にあるときに第３の指定期間の後に制御電圧の減少勾配を制御することによって短絡電流をターンオフするステップを含むことができる。
【０１１０】
１つの態様では、抵抗要素を個別に作動または非作動にさせるステップは、抵抗要素に接続されたスイッチを個別に作動または非作動にさせるステップを含む。スイッチは、電力スイッチの制御電極に印加される制御電圧を分割し減少させるために、抵抗要素を通して電力スイッチの制御電極に印加される制御電圧の伝導をそれぞれ実施または防止するように作動または非作動にさせることができる。
【０１１１】
１つの態様では、この方法は、さらに、電力スイッチの制御電極に印加される制御電圧を異なる時間に異なる量だけ分割し減少させるために、スイッチのうちのどれを異なる時間に作動させるかを変更するステップを含むことができる。
【０１１２】
１つの態様では、電力スイッチの主端子の両端間の第１の電圧が短絡検出閾値を超えるとき、電力スイッチの制御電極に印加される制御電圧が減少する速度を制御するために、抵抗要素を個別に作動または非作動にさせるステップは、電力スイッチが作動した後の指定期間を終了した後、始まる。
【０１１３】
１つの態様では、この方法は、さらに、電力スイッチの主端子の両端間の第１の電圧が、異なる第２のタイプの短絡事象を表すことに応じて、電力スイッチの制御電極に印加される制御電圧が減少する速度を制御するために、抵抗要素を個別に作動または非作動にさせるステップを含む。電力スイッチの主端子の両端間の第１の電圧は、電力スイッチが閉じられたときに電力スイッチの主端子の両端間の第１の電圧が短絡検出閾値より下に減少し、次に、短絡検出閾値より上に増加したが、電力スイッチの制御電極の制御電圧が、依然として、電力スイッチを閉じるように構成されている場合、第２のタイプの短絡事象を表すことができる。
【０１１４】
１つの態様では、電力スイッチの主端子の両端間の第１の電圧が第２のタイプの短絡事象を表すことに応じて、電力スイッチの制御電極に印加される制御電圧は、指定遅延期間を待ち、遅延期間が終了した際、多重抵抗ドライビングデバイスの抵抗要素を個別に作動または非作動にさせることにより制御電極に印加される制御電圧が減少する速度を制御することによって減少される。
【０１１５】
１つの態様では、この方法は、さらに、電力スイッチが少なくとも１つの指定期間の間作動されるとき、電力スイッチの制御電極に印加される制御電圧を初期作動レベルに増加させるステップと、電力スイッチの主端子の両端間の第１の電圧が指定期間の後に第１のタイプの短絡事象を表していないことに応じて、電力スイッチの制御電極に印加される制御電圧を作動レベルより上に増加させるステップとを含む。
【０１１６】
本明細書で説明する本発明の主題の別の例では、コンバータを動作させるためのゲートドライブユニットは、測定ユニット、多重抵抗ドライビングデバイス、および処理ユニットを含む。測定ユニットは、電力スイッチの主端子の両端間の第１の電圧を測定するように構成される。多重抵抗ドライビングデバイスは、電力スイッチを作動させるために制御電圧を受け取る電力スイッチの制御電極に伝導的に結合されるように構成される。多重抵抗ドライビングデバイスは、制御電圧を供給する電圧源と電力スイッチの制御電極との間に伝導的に結合された複数の個別に制御可能な抵抗要素を含む。処理ユニットは、電力スイッチの主端子の両端間の第１の電圧が第１のタイプの短絡事象を示すことに応じて、電力スイッチの制御電極に印加される制御電圧を異なる時間に抵抗要素の異なる組の間で分割し、制御電圧を減少させ、電力スイッチを非作動にさせるために、多重抵抗ドライビングデバイスの抵抗要素を個別に作動または非作動にさせるように構成される。処理ユニットは、電力スイッチを非作動にする間、制御電圧が減少する速度を、電力スイッチの主端子の両端間の第１の電圧の大きさに基づいて制御するように構成される。
【０１１７】
１つの態様では、処理ユニットは、電力スイッチの主端子の両端間の第１の電圧が指定の大きさよりも小さいことに応じて、制御電圧が減少される速度を増加させ、電力スイッチの主端子の両端間の第１の電圧が指定の大きさと少なくとも同じくらい大きいことに応じて、制御電圧が増加される速度を減少させるように構成される。
【０１１８】
１つの態様では、処理ユニットは、抵抗要素の組のうちのどれを異なる時間に作動または非作動の少なくとも一方にさせるかを、電力スイッチの主端子の両端間の第１の電圧の大きさに基づいて変更するように構成される。
【０１１９】
１つの態様では、処理ユニットは、どれくらいの期間抵抗要素の組のうちの１つまたは複数を、電力スイッチの主端子の両端間の第１の電圧の大きさに基づいて、作動または非作動の少なくとも一方にさせるかを変更するように構成される。
【０１２０】
１つの態様では、多重抵抗ドライビングデバイスは、電圧源と電力スイッチの制御電極との間に複数の並列段で互いに接続された抵抗要素を含む。多重抵抗ドライビングデバイスは、さらに、抵抗要素に結合された複数のスイッチを含むことができる。処理ユニットは、制御電圧を分割し減少させるために、抵抗要素を通して電力スイッチの制御電極に制御電圧を伝導するのをそれぞれ実施または防止するためにスイッチを個別に作動または非作動にさせるように構成することができる。
【０１２１】
１つの態様では、処理ユニットは、電力スイッチが作動した後の指定期間を終了した後、電力スイッチ主端子の両端間の第１の電圧が短絡検出閾値を超えるとき、電力スイッチの制御電極に印加される制御電圧が減少する速度を制御するために抵抗要素を個別に作動または非作動にさせ始めるように構成される。
【０１２２】
１つの態様では、処理ユニットは、さらに、電力スイッチの主端子の両端間の第１の電圧が、異なる第２のタイプの短絡事象を表すことに応じて、電力スイッチの制御電極に印加される制御電圧が減少する速度を制御するために抵抗要素を個別に作動または非作動にさせ始めるように構成される。電力スイッチの主端子の両端間の第１の電圧は、電力スイッチが閉じられたときに電力スイッチの主端子の両端間の制御電圧が短絡検出閾値より下に減少し、次に、短絡検出閾値より上に増加したが、電力スイッチの制御電極の制御電圧が、依然として、電力スイッチを閉じるように構成されている場合、第２のタイプの短絡事象を表す。
【０１２３】
１つの態様では、電力スイッチの主端子の両端間の第１の電圧が第２のタイプの短絡事象を表すことに応じて、処理ユニットは、指定遅延期間を待ち、遅延期間が終了した際、多重抵抗ドライビングデバイスの抵抗要素を個別に作動または非作動にさせることにより制御電圧が減少する速度を制御することによって、電力スイッチの制御電極に印加される制御電圧を減少させるように構成される。
【０１２４】
１つの態様では、処理ユニットは、多重抵抗ドライビングデバイスを制御して、電力スイッチの制御電極に印加される制御電圧を初期作動レベルに増加させるように構成され、処理ユニットは、さらに、電力スイッチの主端子の両端間の第１の電圧が指定期間の後に第１のタイプの短絡事象を表していないことに応じて、制御電圧を初期作動レベルより上に増加させるように構成される。
【０１２５】
別の実施形態では、方法は、電力スイッチがターンオンされた後、短絡事象を検出するステップを含み、短絡事象は、電力スイッチがターンオンされたときに始まる期間が終了した後、電力スイッチの主端子の両端間の電圧が閾値を超えるときを決定する、または制御端子電流がゲートドライブユニットに逆流するかもしくは電力スイッチの制御電圧が基準電圧を超えるときを決定する、または主端子を通る電流が閾値電流を超えるときを決定する、または主端子を通る電流の変化速度が閾値速度を超えるときを決定することのうちの少なくとも１つによって検出される。この方法は、さらに、短絡事象を検出した後に指定期間を待つステップと、制御電圧の制御された減少勾配を用いる制御電圧の保護ターンオフを起動するステップとを含む。保護ターンオフは、制御電圧を少なくとも２つの異なる段階に減少させることを含む。例えば、制御電圧は、制御された速度で第１の減少した値に減少させ、次に、同じまたは異なる制御された速度でより低い第２の減少した値に減少させることができる、などである。
【０１２６】
別の実施形態では、方法は、電力スイッチに係わる短絡事象を検出するステップと、電力スイッチに供給される制御電圧の変化速度の減少を短絡事象に応答して制御するステップとを含む。
【０１２７】
１つの態様では、この方法は、短絡事象のタイプを識別するステップをさらに含む。制御電圧をいつ減少させるかのタイミングは、短絡事象のタイプに基づくことができる。
【０１２８】
上述の説明は例示的なものであり、限定するものではないことを理解されたい。例えば、上述の実施形態（および／またはその態様）は互いに組み合わせて使用することができる。加えて、本発明の範囲から逸脱することなく、本発明の主題の教示に特定の状況または材料を適合させるように多くの変形を行うことができる。本明細書で説明する材料の寸法およびタイプは本発明の主題のパラメータを定義するように意図されているが、それらは決して限定ではなく、例示的な実施形態である。多くの他の実施形態が、上述の説明を再検討する際に当業者には明らかになるであろう。それゆえに、本発明の主題の範囲は、添付の特許請求の範囲を参照して、そのような特許請求の範囲が権利を与えられる均等物の全範囲とともに決定されるべきである。添付の特許請求の範囲において、用語「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」および「ここで（ｉｎ  ｗｈｉｃｈ）」は、それぞれの用語「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」および「ここで（ｗｈｅｒｅｉｎ）」の平易な英語の均等物として使用される。その上、以下の特許請求の範囲において、用語「第１の」、「第２の」、および「第３の」などは単に標識として使用され、対象物に数の要件を課すことを意図するものではない。さらに、以下の特許請求の範囲の限定は、ミーンズプラスファンクション形式で書かれておらず、そのような請求の限定が、句「のための手段（ｍｅａｎｓ  ｆｏｒ）」とそれに続くさらなる構造のない機能の記述を明確に使用していない限り、米国特許法第１１２条第６段落（３５  Ｕ．Ｓ．Ｃ．  §  １１２（ｆ））に基づいて解釈すべきものではない。
【０１２９】
本明細書は、本発明の主題のいくつかの実施形態を開示し、さらに、任意のデバイスまたはシステムを製作し使用すること、および任意の組み込まれた方法を実行することを含む本発明の主題の実施形態を当業者が実践できるように例を使用する。本発明の主題の特許性のある範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が思いつく他の例を含むことができる。そのような他の例は、特許請求の範囲の文字どおりの言語と異ならない構造要素を有する場合、または特許請求の範囲の文字どおりの言語と実質的な差のない均等な構造要素を含む場合、特許請求の範囲の範囲内にあるものである。
【０１３０】
本発明の主題のいくつかの実施形態の前述の説明は、添付図面に関連して読まれるとき一層よく理解されるであろう。図が様々な実施形態の機能ブロックのダイアグラムを示す限り、機能ブロックはハードウェア回路間の分割を必ずしも示していない。したがって、例えば、機能ブロック（例えば、プロセッサまたはメモリ）の１つまたは複数は、単一片のハードウェア（例えば、汎用信号プロセッサ、マイクロコントローラ、ランダムアクセスメモリ、ハードディスクなど）で実施することができる。同様に、プログラムはスタンドアロンプログラムとすることができる、オペレーティングシステムにサブルーチンとして組み込むことができる、インストールされたソフトウェアパッケージの機能とすることができる、などである。様々な実施形態は、図に示した配列および手段に限定されない。
【０１３１】
本明細書で使用するとき、単数で記載され、「１つの（ａ）」または「１つの（ａｎ）」という語に続く要素またはステップは、排除が明確に述べられていない限り、複数の前記要素またはステップを排除しないと理解されるべきである。さらに、本発明の主題の「１つの実施形態」への言及は、記載された特徴を同様に組み込む追加の実施形態の存在を排除すると解釈されるものではない。その上、そうでないと明確に述べられない限り、特定の性質を有する１つの要素または複数の要素を「備える、含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、または「有する（ｈａｖｉｎｇ）」実施形態は、その性質を有していない追加のそのような要素を含むことができる。
【符号の説明】
【０１３２】
１００  電力供給回路
１０２  発電機
１０４  負荷
１０６  伝導経路
１０８  電力スイッチ
１０８Ａ〜Ｆ  スイッチ
１１０  ＤＣリンクキャパシタ
１１２  電力コンバータ
２００  ゲートドライブユニット、ゲートドライビングユニット、制御ドライブユニット
２０２  コントローラボード
２０４  測定ユニット
２０６  補助端子、電気接続、コレクタ端子
２０８  補助端子、電気接続、エミッタ端子
２１０  処理ユニット、ドライビングユニット、多重抵抗ドライビングデバイス
２１２  電力スイッチの制御電極
２１４  多重抵抗ドライビングデバイス
２１６  入力ライン
２１８、２２０  電圧源、電圧供給源、電源電圧、供給電圧
２２２  出力線、ライン
２２４  ゲートドライバ電力供給部、ゲート駆動電力供給部、電圧源
２２６  測定ユニット
２３０  電力スイッチの主端子、電気接続、コレクタ端子
２３２  電力スイッチの主端子、電気接続、
３００  多重抵抗ドライビングデバイスの回路図
３０２  プッシュプル出力段
３０２ａ〜ｄ  段
３０４  抵抗要素
３０４ａ〜ｈ  抵抗要素
３０６  スイッチ
３０６ａ〜ｈ  スイッチ
４００  電力スイッチ主端子の両端間の電圧
４０２  制御電圧、入力制御電圧、ゲート電圧
４０４  短絡電流
４０６  水平軸
４０８  垂直軸
４１０  作動時間
４１２  非作動レベル
４１４  作動レベル、上位レベル
４１６  短絡（ＳＣ）検出閾値
４１８  指定期間
４２０  制御電圧の減少部分
４２２  増加期間
４２４  制御電圧が減少する速度
４２６  上位電圧限界
５００  電力スイッチ主端子の両端間の電圧、コレクタ電圧
５０２  制御電圧
５０４  短絡電流
５０６  水平軸
５０８  短絡検出時間
５１０  指定遅延期間
５１２  定常状態期間
５１４  増加部分
５２０  電流スパイク
５２４  制御された減少速度
５２６  より低い短絡電流レベル
６００  制御電圧
６０２  水平軸
６０４  垂直軸
６０６  電力スイッチの指定閾値電圧
６０８  上位閾値
６１０  作動時間
７００  多重電流源デバイス
７０２  抵抗要素
７０４  スイッチ
【図１】
2015216839.tif 000007
【図２】
2015216839.tif 000008
【図３】
2015216839.tif 000009
【図４】
2015216839.tif 000010
【図５】
2015216839.tif 000011
【図６】
2015216839.tif 000012
【図７】
2015216839.tif 000013
【図８】
2015216839.tif 000014
【外国語明細書】
2015216839000001.pdf