(57)【要約】  車両での絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）デバイスの使用に関する制御システムおよび方法が提供される。例示的な制御方法は、影響を受けたコンバータのＩＧＢＴデバイスの動作での障害状況を指示するステータス信号を受信するステップを含む。例示的な方法は、影響を受けたコンバータのすべてのＩＧＢＴをターンオフする制御信号を送出するステップをさらに含む。加えて例示的な方法は、ＩＧＢＴの各々が成功裏にターンオフしたかどうかを指示する、ＩＧＢＴの各々に対する第２のステータス信号を受信するステップを含む。例示的な方法は、障害信号の継続時間に応じて、障害状況が飽和状況または指定の範囲外にある電源に関するという指示を生成するステップをさらに含む。【選択図】図３
2014508496.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
影響を受けたコンバータの絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）デバイスの動作での障害状況を指示するステータス信号を受信するステップと、
前記影響を受けたコンバータのすべてのＩＧＢＴをターンオフする制御信号を送出するステップと、
前記ＩＧＢＴの各々が成功裏にターンオフしたかどうかを指示する、前記ＩＧＢＴの各々に対する第２のステータス信号を受信するステップと、
障害信号の継続時間に応じて、前記障害状況が飽和状況または指定の範囲外にある電源に関するという指示を生成するステップと
を含む制御方法。
【請求項２】
ゲートドライブからコントローラに前記ステータス信号を送信するステップを含む、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記ステータス信号が光通信リンクを介して送信され、前記制御信号が別個の光通信リンクを介して送信される、請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記障害状況が、前記制御信号が前記ステータス信号と同じである場合に指示される、請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記障害状況を指示する前記ステータス信号を受信する後の特定の時間にリセット動作を遂行するステップを含む、請求項１記載の方法。
【請求項６】
オン制御信号の送信を、前記リセット動作後の特定の時間まで遅延するステップを含む、請求項５記載の方法。
【請求項７】
オン制御信号の送信を、前記リセット動作後の特定の時間まで、または前記障害状況が止まった後まで、どちらかより長い方で遅延するステップを含む、請求項５記載の方法。
【請求項８】
影響を受けたコンバータの絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）と、
前記影響を受けたコンバータの前記ＩＧＢＴの動作での障害状況を指示するステータス信号を受信し、前記影響を受けたコンバータのすべてのＩＧＢＴをターンオフする制御信号を送出し、前記影響を受けたコンバータの前記ＩＧＢＴのすべてが成功裏にターンオフしたかどうかを指示する第２のステータス信号を受信し、障害信号の継続時間に応じて、前記障害状況が飽和状況または指定の範囲外にある電源に関するという指示を生成するコントローラと
を備えるインバータシステム。
【請求項９】
前記コントローラに前記ステータス信号を送信する前記ＩＧＢＴの各々に関連するゲートドライブを備える、請求項８記載のインバータシステム。
【請求項１０】
関連するゲートドライブの位置にある、前記ステータス信号を送信する光通信リンクと、前記制御信号を送信する別個の光通信リンクとを備える、請求項８記載のインバータシステム。
【請求項１１】
前記障害状況が、前記制御信号が前記ステータス信号と同じである場合に指示される、請求項８記載のインバータシステム。
【請求項１２】
前記コントローラが、前記障害状況を指示する前記ステータス信号を受信する後の特定の時間にリセット動作を遂行する、請求項８記載のインバータシステム。
【請求項１３】
オン制御信号の送信が、前記リセット動作後の特定の時間まで遅延される、請求項１２記載のインバータシステム。
【請求項１４】
オン制御信号の送信が、前記リセット動作後の特定の時間まで、または前記障害状況が止まった後まで、どちらかより長い方で遅延される、請求項１２記載のインバータシステム。
【請求項１５】
複数の絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）を備えるＩＧＢＴコンバータと、
前記ＩＧＢＴにより電力供給される複数の電子デバイスと、
前記ＩＧＢＴコンバータの前記ＩＧＢＴのうちの１つの動作での障害状況を指示するステータス信号を受信し、前記ＩＧＢＴコンバータのすべてのＩＧＢＴをターンオフする制御信号を送出し、前記ＩＧＢＴの各々が成功裏にターンオフしたかどうかを指示する、前記ＩＧＢＴの各々に対する第２のステータス信号を受信し、障害信号の継続時間に応じて、前記障害状況が飽和状況または指定の範囲外にある電源に関するという指示を生成するコントローラと
を備える車両用電力システム。
【請求項１６】
前記コントローラに前記ステータス信号を送信するゲートドライブを備える、請求項１５記載の電力システム。
【請求項１７】
前記ステータス信号を送信する光通信リンクと、前記制御信号を送信する別個の光通信リンクとを備える、請求項１５記載の電力システム。
【請求項１８】
前記障害状況が、前記制御信号が前記ステータス信号と同じである場合に指示される、請求項１５記載の電力システム。
【請求項１９】
前記コントローラが、前記障害状況を指示する前記ステータス信号を受信する後の特定の時間にリセット動作を遂行する、請求項１５記載の電力システム。
【請求項２０】
オン制御信号の送信が、前記リセット動作後の特定の時間まで遅延される、請求項１９記載の電力システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の例示的な実施形態は、一般には、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）インバータなどの電子デバイスの電力の取扱い能力を向上させるためのシステムおよび方法に関する。さらにそのような例示的な実施形態は、ＩＧＢＴインバータの温度をモデリング、監視、かつ低減することに関するものであり得る。
【背景技術】
【０００２】
例えば機関車などの牽引車両は、車両の車輪を駆動するために電気牽引モータを用いる。これらの車両の一部ではモータは交流（ＡＣ）モータであり、交流モータのスピードおよび動力は、モータの界磁巻線に供給されるＡＣ電力の周波数および電圧を変動させることにより制御される。普通、電力は、ＤＣ電力として車両システム内の一部の点に供給され、その後、ＩＧＢＴなどの１組のスイッチを含む、そのようなインバータの回路により、制御された周波数および電圧振幅のＡＣ電力に変換される。一部のシステムでは電力は、インバータのレッグに結合される電気バッテリのバンクから引き出される場合がある。
【０００３】
動作中ＩＧＢＴインバータは、飽和外（ｏｕｔ−ｏｆ−ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ）動作に遭遇する場合があり、その場合ＩＧＢＴインバータは「オン」状態にある、または「オン」状態にただターンされるだけであり、一方で関連する補足物のモジュール（例えばＩＧＢＴ、ダイオードまたは母線）または負荷は、故障しており短絡を表す。さらにＩＧＢＴインバータは、低電圧電源範囲外状況（ｌｏｗ  ｖｏｌｔａｇｅ  ｐｏｗｅｒ  ｓｕｐｐｌｙ  ｏｕｔ  ｏｆ  ｒａｎｇｅ  ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ）に遭遇する場合がある。
【０００４】
飽和外状況に対処する、知られている方法には、外部抵抗器Ｒｇと直列に比較的大きな抵抗値を挿入することがある。これらの方法では、電流の低減の速度は非常に低速である。したがってデバイスが、追加された抵抗値により提供される「ソフトスイッチングオフ」の間、短絡電流を第１のレベルに制約する場合、第１のレベルは容認可能なレベルに低下しない場合がある。電流低減のタイミングを、ＩＧＢＴデバイスに損害を与えないようにするために比較的精密な様式で制御する必要がある場合もある。これらの状況を検出し、これらの状況に応答する、改善されたシステムおよび方法が望ましい。
【発明の概要】
【０００５】
手短に言えば、例示的な実施形態によって、車両での絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）デバイスの使用に関する制御システムおよび方法が提供される。例示的な制御方法は、影響を受けたコンバータのＩＧＢＴデバイスの動作での障害状況を指示するステータス信号を受信するステップを含む。「影響を受けた」コンバータは、障害状況を指示するステータス信号がそれに関して生成されたＩＧＢＴデバイスを有するコンバータである。例示的な方法は、影響を受けたコンバータのすべてのＩＧＢＴをターンオフする制御信号を送出するステップをさらに含む。加えて例示的な方法は、ＩＧＢＴの各々が成功裏にターンオフしたかどうかを指示する、ＩＧＢＴの各々に対する第２のステータス信号を受信するステップを含む。例示的な方法は、障害信号の継続時間に応じて、障害状況が飽和状況または指定の範囲外にある電源に関するという指示を生成するステップをさらに含む。
【０００６】
一実施形態は、インバータシステムに関する。例示的なインバータシステムは、影響を受けたコンバータの絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）を備える。例示的なインバータシステムは、影響を受けたコンバータのＩＧＢＴの動作での障害状況を指示するステータス信号を受信するコントローラをさらに備える。コントローラは、影響を受けたコンバータのすべてのＩＧＢＴをターンオフする制御信号を送出する。コントローラは、影響を受けたコンバータのＩＧＢＴが成功裏にターンオフしたかどうかを指示する第２のステータス信号を受信する。コントローラは、障害信号の継続時間に応じて、障害状況が飽和状況または指定の範囲外にある電源に関するという指示をさらに生成する。
【０００７】
さらに別の実施形態は、車両用電力システムに関する。例示的な電力システムは、複数の絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）を備えるＩＧＢＴコンバータを含む。複数の電子デバイスが、ＩＧＢＴにより電力供給される。例示的な電力システムは、ＩＧＢＴコンバータのＩＧＢＴのうちの１つの動作での障害状況を指示するステータス信号を受信するコントローラをさらに含む。コントローラは、ＩＧＢＴコンバータのすべてのＩＧＢＴをターンオフする制御信号を送出する。コントローラは、ＩＧＢＴの各々が成功裏にターンオフしたかどうかを指示する第２のステータス信号を受信する。加えてコントローラは、障害信号の継続時間に応じて、障害状況が飽和状況または指定の範囲外にある電源に関するという指示を生成する。
【０００８】
本発明のこれらおよび他の特徴、態様、および利点は、図面全体を通して類似の符号が類似の部分を表す付随する図面を参照して以下の詳細な説明を読むことで、より良く理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】例示的な実施形態によるインバータ制御回路を用い得るディーゼル電気機関車のブロック図である。
【図２】例示的な実施形態による電力システムのブロック図である。
【図３】例示的な実施形態によるＩＧＢＴインバータ用制御システムのブロック図である。
【図４】例示的な実施形態によるＩＧＢＴ回路４００の概略図である。
【図５】図４に示すＩＧＢＴ回路の動作を解説するのに有用であるグラフである。
【図６】飽和外状況を解説するのに有用であるグラフ６００である。
【図７】飽和外状況への起こり得る応答を解説するのに有用であるグラフである。
【図８】例示的な実施形態による飽和外状況を検出する回路の概略図である。
【図９】本技法による飽和外状況を検出する比較器回路である。
【図１０】例示的な実施形態による飽和外状況を検出するための比較器回路の動作を解説するのに有用なグラフである。
【図１１】実施形態による飽和外状況の検出に応答したソフトターンオフの遂行を解説するのに有用なグラフである。
【図１２】本技法の実施形態による飽和外事象の発生後のＩＧＢＴデバイスの保護を解説するのに有用なグラフである。
【図１３】実施形態によるＩＧＢＴ制御回路の概略図である。
【図１４】実施形態によるＩＧＢＴをターンオンする処理を解説するのに有用であるグラフである。
【図１５】実施形態によるＩＧＢＴをターンオフする処理を解説するのに有用であるグラフである。
【図１６】実施形態による飽和外保護動作を遂行する処理を解説するのに有用であるグラフである。
【図１７】実施形態によるＩＧＢＴデバイスでの飽和外状況について識別かつ対処する方法の処理フロー図である。
【図１８】実施形態による障害のタイプを決定する方法である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１は、例示的な実施形態によるインバータ制御回路を用い得るディーゼル電気機関車のブロック図である。機関車は、簡略化した部分断面図で示され、参照番号１００により全体的に表される。図１では見えない複数の牽引モータが、駆動輪１０２の後ろに位置し、車軸１０４に駆動関係で結合される。図１では見えない複数の補助モータが、機関車の様々な場所に位置し、送風機またはラジエータファンのような様々な補助負荷に結合される。モータは交流（ＡＣ）電気モータであり得る。下記で詳細に解説するように機関車１００は、モータへの電力を制御するための複数の電気インバータ回路を含み得る。
【００１１】
図２は、本発明の例示的な実施形態による電力システムのブロック図である。参照番号２００により全体的に表される電力システムは、オフハイウェイ車両へのＡＣ電力を制御するために使用され得るが、図１の用途で示す機関車１００では、個々のインバータにより各々が制御される４〜６個のＡＣ電気モータが用いられる。電力システム２００は、ディーゼル機関（図示せず）などの車両上の内燃機関により駆動されるオルタネータ２０２を含む。オルタネータ２０２の電力出力は、界磁制御２０４により指示される界磁励磁制御により調節される。オルタネータ２０２からの電力は、整流器２０６により整流され、１つまたは複数のインバータ２０８に結合される。インバータ２０８は、１つまたは複数のＡＣモータ２１０に付与するために、ＤＣ電力をＡＣ電力、可変周波数、および／または可変電圧振幅に変換するために高電力ＩＧＢＴを使用する場合がある。
【００１２】
図１を再び参照すると、電力回路は少なくとも部分的に機器室１０６に位置する。インバータ２０８および界磁制御２０４ならびに他の電子構成要素用の制御電子回路は、機器室１０６内のラックに保持される回路ボード上に配設され得る。機器室１０６内部では、電力変換において使用される高電力ＩＧＢＴ半導体デバイスは、空冷ヒートシンク１０８に装着され得る。
【００１３】
図３は、例示的な実施形態によるＩＧＢＴインバータ用制御システム３００のブロック図である。制御システム３００はプロセッサコントローラ３０２を含み、プロセッサコントローラ３０２は、光ファイバ通信リンクを介して制御システム３００の残りの部分に接続され得る。バッテリ３０４は、ステップアップ／ダウンＨブリッジ３０６に電力を給送する。図３に示すようにバッテリは、７５〜８０ボルトｄｃの公称出力を有し得る。ステップアップ／ダウンＨブリッジ３０６は、図３で破線を用いて指示されるゲートドライブ３０８に、２５ＫＨｚでの２００ｖｐ−ｐの出力を提供する。ゲートドライブ３０８は、例として牽引インバータ、補助インバータまたはダブルＨブリッジコンバータ内のＩＧＢＴを駆動するために使用され得る。
【００１４】
ゲートドライブ３０８は、ステップアップ／ダウンＨブリッジ３０６からの出力を受け取る絶縁変圧器３１０を含む。絶縁変圧器３１０は、正レギュレータ３１２および負レギュレータ３１４に出力を給送する。正レギュレータ３１２および負レギュレータ３１４は、それらの１５ｖおよび−１５ボルトの出力をそれぞれ、複数の出力ＦＥＴ３１６に給送する。出力ＦＥＴ３１６は、本明細書で説明するようなＩＧＢＴインバータを駆動するために使用される。
【００１５】
本明細書で解説するように、例示的な実施形態は、ＩＧＢＴインバータの様々な状況に対処することを検出することに関する。１つのそのような状況は、ＩＧＢＴインバータの飽和外動作である。飽和外動作状況が検出されるとき、（例えば図３に示すような）論理カードに障害を通信する処理が遂行され、一続きの処置が、影響を受けたＩＧＢＴインバータを損害から保護するために行われる。
【００１６】
例示的な実施形態によって検出かつ対処され得る別の状況は、低電圧供給範囲外状況である。ゲートドライブ３０８は、この状況を検出し、関連するＩＧＢＴインバータを保護するために一連の処置に着手することができる。さらに例示的な実施形態を、機関車、オフハイウェイ車両、船舶システムまたは風力システムを含む広範囲の用途で用いることができる。
【００１７】
典型的な電力システムでは、ＩＧＢＴに提供されるＶｇｅの正レベルは、適正なＩＧＢＴオン状態電圧を提供するために１４ボルトより大きい。電圧は、１８００ＶＤＣでの短絡耐量を提供するために、典型的には１６．５ボルトより低くあるべきである。このことは、レギュレータの出力に直すと、正供給電圧が１２．５ボルトから１６．５ボルトの間であるべきであることを意味する。ゲートドライブ３０８は、この範囲外の供給電圧を検出する。飽和外動作または低電圧供給範囲外状況の事象では、ゲートドライブ３０８は、ＩＧＢＴインバータを故障することから保護するために制御された様式で、ＩＧＢＴインバータをスイッチオフするように動作する。
【００１８】
図３に示す例示的な実施形態では、プロセッサコントローラ３０２とゲートドライブ３０８との間の光ファイバリンクは、点弧コマンドリンクとは独立している。代わりに光ファイバリンクは、プロセッサコントローラ３０２（牽引モータ制御−ＴＭＣまたは補助論理制御−ＡＬＣ）をホストする論理カードにゲートドライブ３０８からステータス情報を提供するために使用される。このステータスフィードバックは、以下のものを含み得る。
１．ＩＧＢＴがターンオンしている。
２．ＩＧＢＴがターンオフしている。
３．ゲートドライブが飽和外保護を遂行した。
４．ゲートドライブが低電圧電源範囲外保護を遂行した。
【００１９】
ＩＧＢＴがターンオンしているか、それともターンオフしているかに関するステータス情報によって、プロセッサコントローラ３０２をホストする論理カードが、上側ＩＧＢＴと下側ＩＧＢＴとの間のインターロッキングを遂行することが可能になり、そのことによって、その補足物がターンオフされない、またはその負荷が故障しているというデバイスへのオンコマンドの発行を防止する。したがってＩＧＢＴは、短絡状況でターンオンすることが防止される。
【００２０】
ゲートドライブ３０８が飽和外保護動作を遂行したか、それとも低電圧電源範囲外保護動作を遂行したかに関するステータス情報を、ＩＧＢＴがゲートドライブ３０８により局所的にターンオフされたことを指示するために、論理カードにより使用することができる。さらにこの情報を、ＩＧＢＴ用オフコマンドを発行するために論理カードに信号通信することができる。障害情報に応じてコントローラは、動作を回復するための適切な手順にしたがうことになる。
【００２１】
図４は、例示的な実施形態によるＩＧＢＴ回路４００の概略図である。ＩＧＢＴ回路４００は、ＩＧＢＴＴ１  ４０４およびＩＧＢＴＴ２  ４０６の両端に電圧Ｖｄｃを提供するコンデンサ４０２を含む。ダイオードＤ１  ４０８がＩＧＢＴＴ１  ４０４の出力の両端に接続され、ダイオードＤ２  ４１０がＩＧＢＴＴ２  ４０６の出力の両端に接続される。負荷４１２がダイオードＤ１  ４０８の両端に接続され、負荷４１４がダイオードＤ２  ４１０の両端に接続される。
【００２２】
本明細書で指示するように例示的な実施形態では、飽和外状況の識別および保護を、そのような事象が発生するときに提供する。インバータまたはＨブリッジの構成でのＩＧＢＴの通常動作において、１つのレッグすなわち１つの相の動作を考えてみる。例証目的で、ＩＧＢＴＴ１  ４０４がオフであること、およびその後ＩＧＢＴＴ２  ４０６がターンオフされることを仮定する。この時点でスイッチＳ１は閉状態であり、スイッチｓ２は開状態である。スイッチＳ１およびＳ２の位置は、他の２つの相のＩＧＢＴのステータスにより定められる。負荷電流は、ループＬｌｏａｄ＞ダイオードＤ１  ４０８＞スイッチＳ１内を環流している。
【００２３】
図５は、図４に示すＩＧＢＴ回路４００の動作を解説するのに有用であるグラフ５００である。グラフ５００は、コマンドトレース５０２およびＶｇｅトレース５０４を含む。加えてグラフ５００は、Ｉｃトレース５０６およびＶｃｅトレース５０８を含む。
【００２４】
例示的な実施形態ではゲートドライブ３０８は、負Ｖｇｅバイアスを付与し、ＩＧＢＴＴ１  ４０４のゲート−エミッタ間端子に正電圧を付与することができる。ＩＧＢＴＴ１  ４０４は、（図５にＩｆｗで指示する）環流ループからの電流を引き継ぎ、その電流を図４の底部のＬｌｏａｄに付与する。その後Ｉｃは、ある速度で増大している。
ｄＩｃ（ｔ）／ｄｔ＝Ｖｄｃ／Ｌ１
ただし
Ｌ１＝コンデンサの内部ｌ（ｌｃ）と、ｌｓ１＋ｌｓ２＋ｌｓ３＋ｌｓ４＋Ｌｌｏａｄ＋ｌｓ６＋ｌｓ７＋ｌｓ８の和であり、ｌｃ＋ｌｓ１＋ｌｓ２＋ｌｓ３＋ｌｓ４＋ｌｓ６＋ｌｓ７＋ｌｓ８＜＜＜Ｌｌｏａｄであるので、Ｌ１は近似的にＬｌｏａｄに等しい。
ハードなＶｄｃ供給を仮定すると電流は、コマンドトレース５０２上の点５１０で示すようにＩＧＢＴＴ１  ４０４がターンオフされるまでこの速度で増大し続けることになる。
【００２５】
Ｔ１がオフに指令されるとき（点５１０）、ゲートドライブは、Ｖｇｅを急速に逆転し、したがって−ｖｅバイアスをＩＧＢＴＴ１  ４０４に付与する。この時点でスイッチＳ１は依然として開状態であり、Ｓ２は閉状態である。Ｖｃｅ両端の電圧が回復し始め、Ｉｃ（ｔ）電流が、ＩＧＢＴのスピードおよび回路の漂遊インダクタンスに応じて高速度でスイッチオフしている。ＩＧＢＴＴ２  ４０６を通る電流は、環流ループＬｌｏａｄ−＞Ｄ２−＞Ｓ２に方向転換され、そのことによって負荷電流を比較的不変に維持する。
【００２６】
ＩＧＢＴＴ１  ４０４を通るＩｃ（ｔ）の急速な低減によって、ＩＧＢＴＴ１  ４０４のＣ−＞Ｅ端子間でのピークＶｐでの電圧オーバーシュートが、電圧がＶｄｃに回復する前に引き起こされる。
Ｖｐ＝−（ｄＩｃ（ｔ）／ｄｔ）＊Ｌｏ
ただしＬｏ＝ｌｃ＋ｌｓ１＋ｌｓ２＋ｌｓ３＋ｌｓ４＋ｌｓ５＋ｌｓ６＋ｌｓ７＋ｌｓ８である。
【００２７】
図６は、飽和外状況を解説するのに有用であるグラフ６００である。グラフ６００は、コマンドトレース６０２およびＶｇｅトレース６０４を含む。加えてグラフ６００は、Ｉｃトレース６０６およびＶｃｅトレース６０８を含む。
【００２８】
本明細書で解説するようにＩＧＢＴは、それが短絡の際にターンオンされるとき、またはデバイスがオンである間に短絡が発生するとき、飽和外で動作している。このことは、以下の場合に起こり得る。
１．同じ位相でのその補足物のＩＧＢＴ、またはそのダイオードが短絡される。
このことは、補足物のＩＧＢＴが破壊されるという理由、または、制御の誤動作に起因して両方のＩＧＢＴがオンに指令されたという理由、または、ノイズにより結果として補足物のＩＧＢＴがオンになるという理由のいずれかで起こり得る。
２．接地により生出される短絡が存在する。
３．負荷が短絡を生じさせる。
【００２９】
すべてのこれらの飽和外の場合では、ＩＧＢＴを通る電流は、次式の速度で、もはや負荷を通って流れずに（図６での急速に増大するＩｃトレース６０６により示すように）急速に増大することになる。
（ｄＩｃ（ｔ）／ｄｔ）＝Ｖｄｃ／Ｌｏ
Ｌｏが１００ｎＨ程度のものであるならば、障害電流の上昇の速度は非常に速い。この急速な速度によってＩｃ（ｔ）は、１マイクロ秒の何分の１かの間にＩＧＢＴの定格ピーク電流を上回り、デバイスは「飽和外」で動作している。
【００３０】
典型的にはＩＧＢＴは、２つの仕様によって製造される。
１．ＩＧＢＴが、何らの損害もこうむることなく、短時間の間Ｉｃｐを制約可能であるレベル。これは典型的には、デバイスのピーク定格電流の６から７倍である。
２．ＩＧＢＴが、何らの損害もこうむることなく、この極端に高い電流を導通可能である短い継続時間。これは典型的には１０ｕ秒であったが、最近では、それは一部の製造物により２０ｕ秒に向かって延長されている。
【００３１】
飽和外動作の別の特性に重要性がある。始まりの際、ＩＧＢＴがターンオンしているので、デバイスの両端での電圧は飽和レベル（数ボルトのＶｃｅ＿ｓａｔ）に向かって低減され始めるが、デバイスはその電圧ブロッキング能力を回復する（飽和外）。
【００３２】
図７は、飽和外状況への起こり得る応答を解説するのに有用であるグラフ７００である。さらにグラフ７００は、「ソフトターンオフ」として知られる処理の効果を示す。グラフ７００は、コマンドトレース７０２およびＶｇｅトレース７０４を含む。加えてグラフ７００は、Ｉｃトレース７０６およびＶｃｅトレース７０８を含む。
【００３３】
用語ソフトターンオフは、ゲートドライブが、ハードターンオフより穏やかまたは漸進的な短絡電流の低減を遂行し、したがって（ｄｉ／ｄｔに比例する）電圧オーバーシュートを制限することを指示する。ソフトターンオフでは、非常に大きな抵抗値がＲｇと直列に配置される場合があり、電流の低減の速度は非常に低速である。デバイスが「ソフトスイッチングオフ」の間、短絡電流をＩｃｐ１（図７）に制約する場合、Ｉｃｐ１はＩｃｐ２（図７）に低下するだけとなる。さらにソフトターンオフの最後の部分ではＶｇｅが増大し、そのことによってＩｃもまた増大する。タイミングが、Ｉｃｐ２がデバイスの定格より低いままであるようなものでないならば、デバイスは「ハードターンオフ」の間に破壊されることになる。実施形態では「ソフトターンオフ」および「ハードターンオフ」は相互に相対的なものであり、前者は後者より漸進的または穏やかなターンオフを指し、例えばソフトターンオフは、ハードターンオフより穏やかまたは漸進的な短絡電流の低減を含み得るものであり、ハードターンオフは、ソフトターンオフより急激または急峻な短絡電流の低減を含む。
【００３４】
実施形態では、ソフトターンオフの間にＩＧＢＴのゲートに付与される電圧は、ＩＧＢＴの定格しきい値電圧よりわずかに大きい。「わずかにより大きい」電圧の量は、ソフトターンオフの継続時間によって決まる。継続時間が長いほど、その電圧が到達するレベルは高くなる。一般には本明細書での「わずかにより大きい」電圧は、０．５Ｖから１．０Ｖの程度である。デバイスが「ソフトスイッチングオフ」の間、短絡電流をＩｃｐ１（図７）に制約する場合、Ｉｃｐ１はＩｃｐ２（図７）に低下するだけとなる。さらにソフトターンオフの最後の部分ではＶｇｅが増大し、そのことによってＩｃもまた増大する。タイミングが、Ｉｃｐ２がデバイスの定格より低いままであるようなものでないならば、デバイスは「ハードターンオフ」の間に破壊されることになる。実施形態では「ソフトターンオフ」および「ハードターンオフ」は相互に相対的なものであり、前者は後者より漸進的または穏やかなターンオフを指し、例えばソフトターンオフは、ハードターンオフより穏やかまたは漸進的な短絡電流の低減を含み得るものであり、ハードターンオフは、ソフトターンオフより急激または急峻な短絡電流の低減を含む。
【００３５】
例示的な実施形態は、飽和外状況を検出するように、かつ、飽和外状況が発生するときにＩＧＢＴデバイスを制御可能にスイッチオフすることによりＩＧＢＴデバイスに対する保護を提供するように適合される。飽和外状況を検出しハード（通常）オフコマンドを発行することは実行可能ではない、その理由は、Ｉｃｐが典型的には、デバイスの仕様の上限より数倍高いからというものである。このことは破壊的な（ｄＩｃ（ｔ）／ｄｔ）をもたらしてしまうことになり、その（ｄＩｃ（ｔ）／ｄｔ）によって、式Ｖｐ＝−（ｄＩｃ（ｔ）／ｄｔ）＊Ｌｏから、電圧過渡状態のためにスイッチングオフの際にＩＧＢＴが故障することになる。さらにＩＧＢＴが飽和外障害のもとで故障している場合、１００ｎＨ程度のものである漂遊インダクタンスを除いて、インバータを通る電流を制限するものは存在しない。このことは、数百キロアンペアの起こり得る電流をもたらすことになる。そのような電流は短い継続時間の間でも、ＩＧＢＴが開回路状況で故障することになるまで、インバータ内で重大な損害を引き起こし、母線等に損害を与えることになる。
【００３６】
例示的な電力システム用途では、電力回路の負の戻りは「浮遊する」負の戻りシステムを用い、このことは、負の戻りがシャーシ接地に接続されないことを意味する。絶縁破壊がインバータ回路とシャーシとの間で発生する場合、その絶縁破壊は短絡局面をもたらさないことになる。さらに短絡は、２つ以上の絶縁破壊が存在する場合にのみ発生することになる。これに対して、絶縁破壊が発生する事例を識別するために地絡検出を用いる場合があり、そのことによって、２つ以上の地絡の発生が同時に起こる局面を防止する。
【００３７】
絶縁変圧器３１０は、（バッテリ駆動負荷のような）低電圧の補助システムが、地絡の問題がより頻繁に発生し得る場合に、その問題点を電力回路に伝搬させることを防止するために使用される。負荷内の短絡は、通常は漸進的に現れ、コンバータを通る電流の増大から検出され得る。過電流保護システムが、そのような障害のもとでシステムデバイスを保護することが可能である。しかしながら本明細書で解説するように、ＩＧＢＴがターンオンしており（または現在オンであり）、「完全短絡」負荷状況に遭遇するという出来事が存在する。そのような出来事が発生すると、ＩＧＢＴは「飽和外」で動作することを強いられる。例示的な実施形態では、飽和外状況の識別を提供し、影響を受けたＩＧＢＴを制御可能にスイッチオフし、影響を受けたＩＧＢＴを障害に関連する大きなエネルギーから保護するためにゲートドライブ３０８により行われる処置を容易にする。
【００３８】
危険な状態にあるＩＧＢＴをスイッチオフかつ保護した後、ゲートドライブ３０８は、障害が発生したことを、光ファイバリンクを介してプロセッサコントローラ３０２に通知する。応答してプロセッサコントローラ３０２は、そのコンバータ内の残りのＩＧＢＴにオフコマンドを発行し、ステータス光ファイバフィードバックを介して、デバイスがターンオフされたことをチェックする。故障したＩＧＢＴのために障害が発生する場合、そのステータスフィードバックは、この特定のデバイスが「ターンオフすることに失敗した」ことを指示する。そうでない場合、ＩＧＢＴの接合部の過熱を防止するための期間の後、プロセッサコントローラ３０２は障害をリセットしコンバータの動作を継続する。
【００３９】
ＩＧＢＴ動作に関する２つの変数が、ＩＧＢＴが飽和外状況で動作しているときに変わる。第１の変数は、Ｉｃが定格電流の６から７倍の異常に高いレベルに到達するということである。第２の変数は、Ｖｃｅは低いＶｃｅ  ｓａｔレベル（数ボルト）に低減されるのではなく、リンクコンデンサ４０２に付与されるＶｄｃに近いままであるということである。
【００４０】
図８は、例示的な実施形態による飽和外状況を検出する回路８００の概略図である。回路８００は、ＩＧＢＴＴ１  ８０２を含むゲートドライブ３０８の一部分を示す。ゲートドライブ３０８の接地面８０４は、ＩＧＢＴＴ１  ８０２のエミッタ電位に接続される。ゲートドライブ３０８に入った後、コレクタ電圧は大きなＲ１抵抗値（２Ｍオーム）により減衰され得る。この信号は、図８に示すように処理され比較器８０６に入る。デバイスがオンでありＶｃｅ＞Ｖｒｅｆであるならば、飽和外状況が識別される。
【００４１】
図９は、本技法による飽和外状況を検出する比較器回路９００である。比較器回路９００は、回路８００（図８）に示す比較器８０６の実施形態を示す。
【００４２】
ゲートドライブの飽和外検出比較器８０６に到達する電圧（ｖ＿ｄｅｔ（ｔ））は、単にＶｃｅ（ｔ）の減衰された異形ではない。ｖ＿ｄｅｔ（ｔ）はＲ*およびＣ*によって決まる時間により遅延され、ただしＲ*は近似的にＲ１に等しく、Ｃ*はＣとケースの漂遊容量との和である。デバイスがターンオンしている事象では、Ｖｃｅ（ｔ）はＶｄｃから通常状況のもとで降下することになる。詳細にはＶｄｃは、数ボルトでありＶｄｃと比較して無視できるＶｃｅ＿ｓａｔに降下する。その場合、次式のようになる。
Ｖｄｅｔ（ｔ）＝［Ｖｄｃ］＊［１−ＥＸＰ（−ｔ／（Ｒ*＊Ｃ*）］
本明細書ではＴｏと表される、Ｖｄｅｔ（ｔ）が通常状況のもとでＶｒｅｆに到達するのにどれだけ長くかかることになるかを知ることは有用であり得る。ＶｄｅｔをＶｒｅｆで置換し、ｔをＴｏで置換し、Ｔｏに関して解くことにより次式を得る。
Ｔｏ＝（Ｒ*＊Ｃ*）＊｛−ｌｎ［１−［Ｖｒｅｆ／（Ｖｄｃ）］］｝  （式１）
図１０は、例示的な実施形態による飽和外状況を検出するための比較器回路の動作を解説するのに有用なグラフ１０００である。グラフ１０００は、コマンドトレース１００２およびＶｇｅトレース１００４を含む。加えてグラフ１０００は、Ｉｃトレース１００６およびＶｃｅトレース１００８を含む。
【００４３】
通常状況のもとでは、Ｖｇｅが「しきい値」電圧（典型的には約８Ｖ）に到達し、デバイスがスイッチオンし始めるＴｏ時間後、Ｖｄｅｔは依然として≧Ｖｒｅｆである。したがってＶｇｅ≧しきい値の後、Ｖｄｅｔ＞Ｖｒｅｆであるかどうかを検査して飽和外動作を識別する前にＴｏ時間待つことが望ましい。
【００４４】
Ｖｒｅｆは、ゲートするためにゲートドライブ３０８が使用されることになるデバイスのより大きなＶｃｅ＿ｓａｔより数倍高いことが望ましい。加えてＶｒｅｆは、デバイスが動作させられることになる任意のＶｄｃより数倍低くあるべきである。一実施形態ではＶｒｅｆは、１２．５ボルトであるように選定される場合がある。さらなる実施形態ではボード上のＣの値は、Ｃ*がケースおよび漂遊容量を含めて３０ｕＦとなるように１５ｐＦである。
【００４５】
式１から「Ｔｏ」が、Ｒ*、Ｃ*およびリンク電圧Ｖｄｃによって決まることが認められ得る。したがって、Ｖｄｃが高いほど「Ｔｏ」は小さい。典型的な値は以下の通りである。
Ｔｏ（１８００Ｖ）＝０．５μ秒は、短絡電力が高いので良好である。
Ｔｏ（１５０Ｖ）＝５．９６μ秒は、電力が相当により低いのでやはり良好である。
【００４６】
図１１は、実施形態による飽和外状況の検出に応答したソフトターンオフの遂行を解説するのに有用なグラフ１１００である。グラフ１１００は、コマンドトレース１１０２およびＶｇｅトレース１１０４を含む。加えてグラフ１１００は、Ｉｃトレース１１０６およびＶｃｅトレース１１０８を含む。
【００４７】
実施形態によるソフトターンオフを、飽和外状況が識別されるときに初期に遂行することができる。そのようなソフトターンオフではＶｇｅを、約２．５マイクロ秒（μ秒）の間に、約＋１５ボルトのレベルからしきい値電圧（約８ボルト）より少しだけ高いレベルに低減することが可能である。そのようにすると、高い短絡電流を０にまで低減することが可能である。このタイミングは、使用されるデバイスの定格によって決まる。次にハードターンオフを遂行して、ＩＧＢＴのｇ−ｅの両端に逆バイアスを付与し、ＩＧＢＴをオフに維持し、したがってＩＧＢＴを保護することができる。＋１５Ｖから約＋８ＶにＶｇｅを低減することでは、通常のＲｇ＿ｏｎと直列に挿入されることになるわずかな小さなもの（例えばＲｇ＿ｏｎと同じ程度の大きさ）を必要とする。
【００４８】
Ｖｇｅをしきい値電圧より少しだけ高く低減することによって、短絡電流は、ソフトターンオフ処置の間に完全にスイッチオフされる。したがってハードターンオフ処置の間、Ｖｇｅが−１５Ｖに低減され得るときに、スイッチオフされるために残された電流は存在しない。したがって−ｄｉ／ｄｔは発生せず、第２の電圧オーバーシュートは存在しない。
【００４９】
図１２は、本技法の実施形態による飽和外事象の発生後のＩＧＢＴデバイスの保護を解説するのに有用であるグラフ１２００である。グラフ１２００は、Ｖｇｅトレース１２０４、Ｉｃトレース１２０６およびＶｃｅ１２０８を含む。
【００５０】
グラフ１２００に示すように、電圧スイッチングオフオーバーシュート＝９５ｎＨ＊３２５０Ａ／ｕ秒＝３０９Ｖであり、初期のソフトターンオフの間に発生する。スイッチオフする間のＶｐｅａｋは、１７００Ｖ＋３０９Ｖ＝２００９Ｖに等しく、ソフトターンオフの間に発生する。
【００５１】
図１３は、実施形態によるＩＧＢＴ制御回路１３００の概略図である。ＩＧＢＴ制御回路１３００は、Ｖｐｏｓ入力１３０２、ソフト「ターンオフ」信号入力１３０４、ゲートオン信号入力１３０６、ゲートオフ信号入力１３０８、Ｖｎｅｇ入力１３１０、ＩＧＢＴゲート１３１２、およびＩＧＢＴエミッタ１３１４を含む。ＩＧＢＴ制御回路１３００では、追加の抵抗値（Ｒ３）を、ソフトターンオフを動作させるためにＲｇ＿ｏｎ（Ｒ１）と直列に挿入することができ、約２．５μ秒後、ＦＥＴをゲートすることによりこれらの抵抗値の両方を除去しＲｇ＿ｏｆｆ（Ｒ２）を挿入する。ゲートドライブがソフトターンオフ処置の状態にある２．５μ秒の継続時間は、デバイスの電力定格によって決まることに留意されたい。
【００５２】
実施形態では飽和外事象の発生を、ＩＧＢＴデバイスを包含する電力システムの外部に位置する論理カード上のプロセッサコントローラ３０２に報告することができる。本明細書で論述するように、この通信は光ファイバ通信リンクを介して行われ得る。一実施形態では２つの独立した通信リンクが設けられ、一方のリンクはコマンド用であり、他方のリンクはステータス情報用である。コマンド通信リンクによって、論理カードからゲートドライブへの「マークアップされた」コマンド信号の送信が可能になり得る。飽和外事象を含む様々な障害の発生に関する情報を、ステータス通信リンクを介してゲートドライブ３０８からプロセッサコントローラ３０２に通信することができる。本明細書で解説するように、ステータス通信リンクを介して送信されるステータス情報は、ＩＧＢＴデバイスがオンであるか、それともオフであるか、または、ＩＧＢＴデバイスがオンからオフに遷移しているか、それともその逆に遷移しているかを含み得る。したがって動作状況が通常であるとき、同じＩＧＢＴに対するコマンドおよびステータスの信号は、相互の鏡像となる。
【００５３】
実施形態では、ＩＧＢＴをターンオンするためのコマンド信号はオンである光により表され、ＩＧＢＴをターンオフするためのコマンド信号はオフである光により表される。一実施形態では、ＩＧＢＴがオンであることを指示するステータス信号はオフである光により指示され、ＩＧＢＴがオフであることを指示するステータス信号はオンである光により指示される。
【００５４】
例としてプロセッサコントローラ３０２は、一定の間隔で（例えば２μ秒ごとに）各々の個々のＩＧＢＴにコマンドを送信することができる。加えてプロセッサコントローラ３０２は、一定の間隔で（例えば２μ秒ごとに）ＩＧＢＴの各々に対するフィードバックを受信することができる。ＩＧＢＴに対してオンパルスを、そのＩＧＢＴの補足物が依然としてオンである間に執行することを防止するために、フィードバック情報を制御デバイス（例えばＦＰＧＡコントローラ）により使用することができる。加えて光ファイバ通信システムは、ハードウェアによって、ＩＧＢＴに対してオンパルスを、そのＩＧＢＴの補足物がやはりオンに指令されている間に送信することを防止するために、コマンド通信リンク上のインターロックを用いることができる。
【００５５】
以下の考察は、ＩＧＢＴがプロセッサコントローラ３０２に送信し得る様々なステータス状況に関する。送信され得る１つのステータス状況は、ＩＧＢＴがターンオンしているときである。ゲートドライブ３０８が光ファイバコマンド通信リンクを介してターンオンするためのコマンドを受信するとき、ゲートドライブ３０８は、本明細書でＴ１と表されるフィルタリング期間を経ることになる。実施形態ではＴ１は、オンコマンドを表すハイの論理信号を受信するとき（例えば光ファイバ受信器が２４ｄｂｍ以上の光強度を受信するとき）に始まる。応答時間Ｔ１は、０．５μｓ以上のグリッチ／ノイズフィルタリング期間を含み得るものであり、ゲート応答をさらに含む。一例ではＴ１は、０．５μｓから２．５μｓの間である。
【００５６】
（グリッチに対するフィルタリングの後で）ゲートドライブ３０８が有効なコマンドを受信した後、ゲートドライブ３０８は、障害が存在しないこと（例えば飽和外が存在しないこと、電源故障が存在しないこと）を最初にチェックすることができる。電源故障の例には、高いか低いかのいずれかの電源範囲外がある。ゲートドライブ３０８は、ゲートドライブ３０８およびデバイスが確かにオフ段階にあるかどうかを決定するために、Ｖｇｅが−１０＋／−０．５ボルト以下であるかどうかをさらにチェックすることができる。ゲートドライブ３０８は、最小オフタイマが活動状態でないかどうかをさらにチェックすることができる。一例では最小のオフまたはオンの期間は、最小オンが必ずしも観測されないソフトターンオフ保護動作が発生するときを除いて、２０．０μｓ±１４％である。チェックのいずれかが失敗するならば、ゲートドライブ３０８は、抑制機能が残っている限り、オフのままであることになり、障害ステータスを生成することができる（すなわち、コマンドはハイであるがフィードバックはハイとなる）。すべてのチェックが成功であるならば、ゲートドライブ３０８は、ゲートＭＯＳＦＥＴを点弧することにより例示的なスイッチングオン処理を経ることができる。
【００５７】
図１４は、実施形態によるＩＧＢＴをターンオンする処理を解説するのに有用であるグラフ１４００である。グラフ１４００は、コマンドトレース１４０２およびＶｇｅトレース１４０４を含む。加えてグラフ１４００は、Ｉｃトレース１４０６およびＶｃｅトレース１４０８を含む。グラフ１４００は、ステータストレース１４１０をさらに有する。
【００５８】
Ｔ１は、適切なゲートＭＯＳＦＥＴがゲートされるときに終わる。時間Ｔ１の終わりでは、ゲート電圧が上昇し始め、最小オンタイマ（最小オン＝１８．３μｓ±１４％）が（本明細書で考察する）Ｔ２タイマとともに開始させられる。ゲート電圧が５±０．２５ボルトより高く変化するとき、そのことは出力ＭＯＳＦＥＴがターンオンされることを指示するが、ゲートドライブ３０８は、ＩＧＢＴがターンオンしていることを指示するためにステータス信号をローに変化させるべきである。本明細書で説明するようにステータスフィードバックは、ゲートドライブ３０８がコマンドに応答して処置を行ったことの証拠を供与するものであり、単にゲートドライブがコマンドを受信したという確認応答ではない。
【００５９】
Ｔ２期間によってＩＧＢＴゲート電圧が、Ｖｃｅ電圧が飽和外に関してチェックするために監視される前に、ハイ（例えば＞１４Ｖ）に到達し、ＩＧＢＴをターンオンすることが可能になる。一例では、Ｔ２＝８．５μｓ±１４％である。
【００６０】
図１５は、実施形態によるＩＧＢＴをターンオフする処理を解説するのに有用であるグラフ１５００である。グラフ１５００は、コマンドトレース１５０２およびＶｇｅトレース１５０４を含む。加えてグラフ１５００は、Ｉｃトレース１５０６およびＶｃｅトレース１５０８を含む。グラフ１５００は、ステータストレース１５１０をさらに有する。
【００６１】
ＩＧＢＴをターンオフする処理は、ステータス情報がゲートドライブ３０８からプロセッサコントローラ３０２に送出され得る別の状況である。オンからオフへのコマンドの変化が受信されたとき、ゲートドライブ３０８は、障害状況が存在するかどうかを決定するためにチェックを遂行することができる。障害の例には、電源範囲外を含む電源故障がある。電源障害が発生した場合、ゲートドライブはすでに、保護用のターンオフを遂行し障害ステータスを生成しているはずである。ゲートドライブ３０８は、最小オンタイマが活動状態であるかどうかをさらにチェックすることができる。チェックが成功であるならば、ゲートドライブは特定の保護処理を経ることになる。
【００６２】
図１５に示すＴ３期間は、図１４を参照して説明したターニングオン処理からのＴ１期間と同様である。したがってＴ３は、ゲートドライブ３０８がオフコマンドを表すローの論理信号（例えば光がない）を受信するときに始まる。Ｔ３期間は、適切なゲートＭＯＳＦＥＴがゲートされるときに終わる。応答時間Ｔ３は、０．５μ秒以上であり得るグリッチ／ノイズフィルタリング期間であり、ゲート応答をさらに含む。一例ではＴ３は、０．５μ秒から２．５μ秒の間の範囲にある。
【００６３】
時間Ｔ３の終わりでは、ゲート電圧が負バイアスレベルに向かって下降し始め、最小オフタイマがＴ４タイマとともに開始させられる。図１５に示すＴ４期間によって、ＩＧＢＴが完全にターンオフすることが可能になる。このＴ４期間は、Ｖｇｅが最大限の負バイアスに到達するためのＴ３の終わりからの時間、Ｖｃｅがローのリンク電圧に対する１０ｕｓのスイッチングオフオーバーシュートから回復するための時間（例えば５μｓ）、および、ＩＧＢＴがＩｃテール電流を消滅させるためにかかることになる時間（例えば５μｓ）を含む。一例ではＴ４は、２０μ秒＋／−１４％の範囲にある。
【００６４】
ゲート電圧が−１０±０．５ボルトより低く変化するとき、そのことはターニングオフ出力回路が活動状態にされることを指示するが、ゲートドライブ３０８は、ＩＧＢＴがターンオフしていることを指示するために（ステータストレース１５１０により示す）ステータス信号をハイに変化させることになる。したがってステータスフィードバックは、ゲートドライブ３０８がオフコマンドに関して処置を行ったことの証拠として役立つものであり、単にゲートドライブ３０８がオフコマンドを受信したという確認応答ではない。
【００６５】
図１６は、実施形態による飽和外保護動作を遂行する処理を解説するのに有用であるグラフ１６００である。グラフ１６００は、コマンドトレース１６０２およびＶｇｅトレース１６０４を含む。加えてグラフ１６００は、Ｉｃトレース１６０６およびＶｃｅトレース１６０８を含む。グラフ１６００は、ステータストレース１６１０をさらに有する。
【００６６】
ゲートドライブ３０８が飽和外状況を検出するとき、（ステータストレース１６１０により表す）ステータス信号は、障害検出を指示するためにハイになる。時間期間Ｔ６の終わりでは（Ｔ７の始まりでは）、ゲートドライブは期間Ｔ７（２０μｓ±１４％）に対する障害ステータス信号を生成する。
【００６７】
以下の考察は、プロセッサコントローラ３０２をホストする論理カードの動作に関する。プロセッサコントローラが、障害を指示するステータスを受信するとき、プロセッサコントローラは、そのコンバータ内のすべてのＩＧＢＴにオフコマンドを発行し、ステータス光ファイバフィードバックを介して、デバイスがターンオフされたことをチェックする。故障したＩＧＢＴのために障害が発生する場合、そのステータスフィードバックは、この特定のデバイスが「ターンオフすることに失敗した」ことを指示する。
【００６８】
図１６に示す例では、障害ステータスを受信した４０ｕ秒後（Ｔ７より十分大きい）、プロセッサコントローラ３０２は再びステータス信号を検査する。（ＩＧＢＴがオフに指令されているのでコマンドはローであるが）ステータスがハイであるならば、障害は「飽和外」であったということであり、その理由は、そのような障害はＴ７＝２０μ秒＜４０μ秒後に障害ステータスを生成することを停止したであろうからというものである。その後論理カードは、飽和外インシデントをロギングし論理カードをリセットするために、飽和外障害が発生したことをシステムコントローラに通知する。
【００６９】
実施形態では論理カードは、１０秒の期間の間、システムコントローラが論理カードをリセットすることを試みた場合でも、ゲートドライブにオンパルスをこれ以上は送信しない。このステップは、ＩＧＢＴの接合部の過熱を防止するために行われる。１０秒の期間の後、このインバータ内のすべてのＩＧＢＴが機能することをチェックしており、システムによりリセットされているメインコントローラが、コンバータの動作を再開する。
【００７０】
期間Ｔ６の間ゲートドライブ３０８は、いかなるコマンド信号も無視し、障害ステータスを返す。期間Ｔ７の間ゲートドライブ３０８は、コマンド信号を無視するか無視しないかのいずれかであり得る。ゲートドライブ３０８は、コマンド信号が「オフ」に移行し、その後再び「オン」に移行するまで、ＩＧＢＴをオフに維持する。
【００７１】
飽和外状況を取扱うことに加えて、実施形態では、低電圧電源範囲外状況に関する障害にさらに対処可能である。実施形態ではゲートドライブは、低電圧電源により電力供給される。この低電圧電源は、バッテリ電圧（公称７５Ｖ〜８０Ｖｄｃ）から動作し、ゲートドライブ３０８に２００Ｖのピークツーピーク出力を提供する（図３）。
【００７２】
ゲートドライブ３０８は、この電圧を受け取り、ステップダウン絶縁変圧器３１０の使用後、＋１５Ｖおよび−１５Ｖのレールを設定するために２つの独立したレギュレータ３１２、３１４を使用する。これらの電圧は、デバイスをターンオン／オフするために、スイッチングＭＯＳＦＥＴ３１６を介してＩＧＢＴのゲート−エミッタ間端子に提供される。
【００７３】
実施形態では、ＩＧＢＴに提供されるＶｇｅの正レベルは、適正なＩＧＢＴオン状態電圧を保証するために１４ボルトより大きいが、さらに、１８００ＶＤＣでの短絡耐量を保証するために１６．５Ｖより低くあるべきである。このことは、レギュレータの出力に直すと、正供給電圧が、−４０℃から７５℃の間の動作温度に対して１２．５Ｖから１６．５Ｖの間であるべきであることを意味する。正レギュレータ３１２により提供される正供給電圧がこの範囲外であるならば、ゲートドライブ３０８は、「供給電圧範囲外」を検出することになり、制御可能にＩＧＢＴをターンオフする。検出後ゲートドライブ３０８は、２００μ秒の期間または障害の継続時間（どちらか最長のもの）の間、コマンド信号と同じであるステータス信号を送信することにより、（論理カードによりホストされる）プロセッサコントローラ３０２に戻るように障害ステータスを提供する。このことは、コマンド信号およびステータス信号が相互の鏡像である通常動作とは逆であることに留意されたい。
【００７４】
論理カードが障害ステータスを受信するとき、論理カードは、そのコンバータ内のすべてのＩＧＢＴにオフコマンドを発行し、ステータス光ファイバフィードバックを介して、デバイスがターンオフされたことをチェックする。故障したＩＧＢＴのために障害が発生する場合、そのステータスフィードバックは、この特定のデバイスが「ターンオフすることに失敗した」ことを指示する。
【００７５】
実施形態では論理カードは、飽和外障害と低電圧電源範囲外障害とを区別する。例として論理カードが障害ステータスを受信した４０ｕ秒後、論理カードは再びステータス信号を検査する。ステータスがローであるならば（コマンドは、はるかに前にローにターンされている）、障害は低電圧電源範囲外障害であると決定される。この例ではゲートドライブ３０８は、飽和外障害の場合にわずか２０μ秒の間障害ステータスを返す。
【００７６】
次いで論理カードは、「電源範囲外」インシデントをロギングするために、低電圧電源範囲外障害が発生したことをシステムコントローラに通知することができる。論理カードは、障害ステータスを受信した２．５秒後に自動的にリセット可能であるが、論理カードは、ゲートドライブの出力コンデンサが再充電されることを可能にするために、２．５秒のさらなる期間または障害信号の継続時間（どちらか最長のもの）の間、ゲートドライブにオンパルスをこれ以上は送信しないことになる。上記の期間の後、論理カードがこのインバータ内のすべてのＩＧＢＴが機能することをチェックし、コンバータの動作を再開する。
【００７７】
図１７は、実施形態によるＩＧＢＴデバイスでの飽和外状況について識別かつ対処する方法の処理フロー図１７００である。ブロック１７０２では、電圧が、ＩＧＢＴデバイスのゲートに、ＩＧＢＴをターンオンするために付与される。ブロック１７０４に示すように、ＩＧＢＴのゲート−エミッタ間電圧が測定される。測定されたゲート−エミッタ間電圧が電圧基準と比較され（ブロック１７０６）、測定されたゲート−エミッタ間電圧が電圧基準を上回るならば障害状況が生成される（ブロック１７０８）。
【００７８】
ブロック１７１０では、ＩＧＢＴのゲートに付与される電圧を、ＩＧＢＴの定格しきい値電圧よりわずかに大きい電圧に低減することにより、障害状況に応答してソフトターンオフが始動される。ブロック１７１２では、ＩＧＢＴのゲートに付与される電圧を、ＩＧＢＴの定格しきい値電圧より低く低減することにより、ソフトターンオフの始動を過ぎた特定の時間期間後にハードターンオフが始動される。
【００７９】
図１８は、実施形態による障害のタイプを決定する方法１８００である。ブロック１８０２では、ＩＧＢＴデバイスの障害状況を指示するステータス信号が受信される。ブロック１８０４に示すように、ＩＧＢＴデバイスのすべてのＩＧＢＴをターンオフする制御信号が送出される。ブロック１８０６では、ＩＧＢＴの各々が成功裏にターンオフしたかどうかを指示する、ＩＧＢＴの各々に対する第２のステータス信号が受信される。ブロック１８０８に示すように、障害状況が飽和外障害であるという指示は、第２のステータス信号が、ＩＧＢＴのうちの１つまたは複数が特定の時間期間以内にターンオフしなかったことを指示する場合に生成される。そうでない場合、障害状況が電源範囲外障害であるという指示が生成される（ブロック１８０８）。
【００８０】
別の実施形態は、制御方法に関する。方法は、電圧を、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）デバイスのゲートに、ＩＧＢＴをターンオンするために付与するステップを含む。方法は、ＩＧＢＴのコレクタ−エミッタ間電圧を測定するステップをさらに含む。方法は、測定されたコレクタ−エミッタ間電圧を電圧基準と比較するステップをさらに含む。方法は、測定されたコレクタ−エミッタ間電圧が電圧基準を上回るならば障害状況を生成するステップをさらに含む。方法は、ＩＧＢＴのゲートに付与される電圧を、ＩＧＢＴの定格しきい値電圧よりわずかに大きい電圧に低減することにより、障害状況に応答してソフトターンオフを始動するステップをさらに含む。方法は、ＩＧＢＴのゲートに付与される電圧を、定格しきい値電圧より低く負値に低減することにより、ソフトターンオフの始動を過ぎた特定の時間期間後にハードターンオフを始動し、そのことによってＩＧＢＴに負電圧バイアスを提供するステップをさらに含む。
【００８１】
方法の別の実施形態では、障害状況は飽和外障害状況を含む。
【００８２】
方法の別の実施形態では、ソフトターンオフを始動するステップは、コントローラにステータス信号を送出するステップを含む。
【００８３】
方法の別の実施形態では、ステータス信号は障害状況を含む。
【００８４】
方法の別の実施形態では、ステータス信号は光通信リンクを介して送出される。
【００８５】
方法の別の実施形態では、ソフトターンオフを始動するステップは、コントローラからコマンド信号を受信するステップを含む。
【００８６】
方法の別の実施形態では、方法は、コマンドの受信すると、ＩＧＢＴのコレクタ−エミッタ間電圧を、測定するステップをさらに含む。
【００８７】
別の実施形態は、インバータシステムに関する。システムは、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）であって、ＩＧＢＴをターンオンするためにＩＧＢＴのゲートに電圧が付与されるＩＧＢＴを備える。システムは、ＩＧＢＴのコレクタ−エミッタ間電圧を測定し、測定されたコレクタ−エミッタ間電圧を電圧基準と比較し、測定されたコレクタ−エミッタ間電圧が電圧基準を上回るならば障害状況を生成するゲートドライブをさらに備える。ゲートドライブは、ＩＧＢＴのゲートに付与される電圧を、ＩＧＢＴの定格しきい値電圧よりわずかに大きい電圧に低減することにより、障害状況に基づいてＩＧＢＴのソフトターンオフを遂行し、ＩＧＢＴのゲートに付与される電圧を、定格しきい値電圧より低く負値に低減することにより、ソフトターンオフの始動を過ぎた特定の時間期間後にハードターンオフを遂行し、そのことによってＩＧＢＴに負電圧バイアスを提供する。
【００８８】
インバータシステムの別の実施形態では、障害状況は飽和外障害状況を含む。
【００８９】
インバータシステムの別の実施形態では、ソフトターンオフは、コントローラにステータス信号を送出することにより部分的に始動される。
【００９０】
インバータシステムの別の実施形態では、ステータス信号は障害状況を含む。
【００９１】
インバータシステムの別の実施形態では、ステータス信号は光通信リンクを介して送出される。
【００９２】
インバータシステムの別の実施形態では、ソフトターンオフは、コントローラからコマンド信号を受信することにより部分的に始動される。
【００９３】
インバータシステムの別の実施形態では、コマンドの受信すると、ＩＧＢＴのコレクタ−エミッタ間電圧が、測定される。
【００９４】
別の実施形態は、車両用電力システムに関する。システムは、複数の絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）であって、各々が、ＩＧＢＴをターンオンするためにゲートに電圧が付与される複数のＩＧＢＴを備える。システムは、ＩＧＢＴにより電力供給される複数の電子デバイスをさらに備える。システムは、複数のＩＧＢＴのコレクタ−エミッタ間電圧を測定し、測定されたコレクタ−エミッタ間電圧を電圧基準と比較し、測定されたコレクタ−エミッタ間電圧が電圧基準を上回るならば複数のＩＧＢＴのうちの１つに対する障害状況を生成するゲートドライブをさらに備える。ゲートドライブは、複数のＩＧＢＴのうちの１つのゲートに付与される電圧を、複数のＩＧＢＴのうちの１つの定格しきい値電圧よりわずかに大きい電圧に低減することにより、障害状況に基づいて複数のＩＧＢＴのうちの１つのソフトターンオフを遂行し、複数のＩＧＢＴのうちの１つのゲートに付与される電圧を、定格しきい値電圧より低く負値に低減することにより、ソフトターンオフの始動を過ぎた特定の時間期間後にハードターンオフを遂行し、そのことによって複数のＩＧＢＴのうちの１つに負電圧バイアスを提供する。
【００９５】
電力システムの別の実施形態では、障害状況は飽和外障害状況を含む。
【００９６】
電力システムの別の実施形態では、ソフトターンオフは、コントローラにステータス信号を送出することにより部分的に始動される。
【００９７】
電力システムの別の実施形態では、ステータス信号は障害状況を含む。
【００９８】
電力システムの別の実施形態では、ステータス信号は光通信リンクを介して送出される。
【００９９】
電力システムの別の実施形態では、ソフトターンオフは、コントローラからコマンド信号を受信することにより部分的に始動される。
【０１００】
別の実施形態は、インバータシステムに関する。システムは、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）を備え、ＩＧＢＴは、ＩＧＢＴのゲートに電圧が付与されるときにターンオンするように構成される。システムは、活動状態にされるときに、ＩＧＢＴがターンオンされるときにＩＧＢＴのコレクタ−エミッタ間電圧を測定し、測定されたコレクタ−エミッタ間電圧を電圧基準と比較し、測定されたコレクタ−エミッタ間電圧が電圧基準を上回るならば障害状況を生成するように構成されるゲートドライブをさらに備える。ゲートドライブは、活動状態にされるときに、ＩＧＢＴのゲートに付与される電圧を、ＩＧＢＴの定格しきい値電圧よりわずかに大きい電圧に低減することにより、障害状況に基づいてＩＧＢＴのソフトターンオフを遂行するように、かつ、ＩＧＢＴのゲートに付与される電圧を、定格しきい値電圧より低く負値に低減することにより、ソフトターンオフの始動を過ぎた特定の時間期間後にハードターンオフを遂行するようにさらに構成され、そのことによってＩＧＢＴに負電圧バイアスを提供する。
【０１０１】
上記の説明は、例証的であり制約的ではないことが意図されることを理解されたい。例えば上記で説明した実施形態（および／またはそれらの態様）を、相互に組み合わせて使用することができる。加えて多くの修正を、本発明の範囲から逸脱することなく、本発明の教示に個別の局面または材料を適合させるために行うことができる。本明細書で説明した材料の寸法およびタイプは、本発明の実施形態を例証することが意図されるものであるが、それらは決して限定的ではなく、本質的には例示的である。他の実施形態が、上記の説明を再検討することで明らかとなり得る。したがって本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲を、そのような特許請求の範囲に権利が付与される等価物の最大限の範囲とともに参照して決定すべきである。
【０１０２】
添付の特許請求の範囲では、用語「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」および「その中で（ｉｎ  ｗｈｉｃｈ）」は、それぞれの用語「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」および「そこにおいて（ｗｈｅｒｅｉｎ）」の平易な英語の相当語句として使用される。さらに以下の特許請求の範囲では、用語「第１の」、「第２の」、「第３の」、「上側」、「下側」、「底部」、「頂部」、「アップ」、「ダウン」等は、単に標識として使用され、それらの対象に数値的または位置的な要件を課すことは意図されない。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は表記されず、そのような特許請求の範囲の限定で、さらなる構造を欠いた機能の記述が後に続く「ための手段」という語句を明確に使用しない限り、米国特許法第１１２条第６項に基づいて解釈されることは意図されない。
【０１０３】
本明細書では、単数形で記載し単語「ａ」または「ａｎ」を用いて手続を行った要素またはステップは、複数の前記要素またはステップを除外しないと、そのような除外を明示的に記述しない限りは理解すべきである。さらに本発明の「一実施形態」への参照は、記載した特徴をやはり組み込む追加的な実施形態の存在を除外すると解釈されることは意図されない。さらに、そうではないと明示的に記述しない限り、個別の特質を有する１つの要素または複数の要素を「備える」、「含む」、または「有する」実施形態は、その特質を有さない追加的なそのような要素を含み得る。
【０１０４】
ある程度の変更を、上記で説明した制御方法において、本明細書に含まれる本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく行うことが可能であるので、上記の説明の、または付随する図面に示した主題のすべては、本明細書で発明の概念を例証する例と単に解釈するものとし、本発明を限定するとはみなさないものとすることが意図される。
【符号の説明】
【０１０５】
１００  機関車
１０２  駆動輪
１０４  車軸
１０６  機器室
１０８  空冷ヒートシンク
２００  電力システム
２０２  オルタネータ
２０４  界磁制御
２０６  整流器
２０８  インバータ
２１０  ＡＣモータ
３００  制御システム
３０２  プロセッサコントローラ
３０４  バッテリ
３０６  ステップアップ／ダウンＨブリッジ
３０８  ゲートドライブ
３１０  絶縁変圧器
３１２  正レギュレータ
３１４  負レギュレータ
３１６  出力ＦＥＴ、スイッチングＭＯＳＦＥＴ
４００  ＩＧＢＴ回路
４０２  コンデンサ
４０４  ＩＧＢＴＴ１
４０６  ＩＧＢＴＴ２
４０８  ダイオードＤ１
４１０  ダイオードＤ２
４１２、４１４  負荷
５００  グラフ
５０２  コマンドトレース
５０４  Ｖｇｅトレース
５０６  Ｉｃトレース
５０８  Ｖｃｅトレース
５１０  点
６００  グラフ
６０２  コマンドトレース
６０４  Ｖｇｅトレース
６０６  Ｉｃトレース
６０８  Ｖｃｅトレース
７００  グラフ
７０２  コマンドトレース
７０４  Ｖｇｅトレース
７０６  Ｉｃトレース
７０８  Ｖｃｅトレース
８００  回路
８０２  ＩＧＢＴＴ１
８０４  接地面
８０６  比較器
９００  比較器回路
１０００  グラフ
１００２  コマンドトレース
１００４  Ｖｇｅトレース
１００６  Ｉｃトレース
１００８  Ｖｃｅトレース
１１００  グラフ
１１０２  コマンドトレース
１１０４  Ｖｇｅトレース
１１０６  Ｉｃトレース
１１０８  Ｖｃｅトレース
１２００  グラフ
１２０４  Ｖｇｅトレース
１２０６  Ｉｃトレース
１２０８  Ｖｃｅ
１３００  ＩＧＢＴ制御回路
１３０２  Ｖｐｏｓ入力
１３０４  ソフト「ターンオフ」信号入力
１３０６  ゲートオン信号入力
１３０８  ゲートオフ信号入力
１３１０  Ｖｎｅｇ入力
１３１２  ＩＧＢＴゲート
１３１４  ＩＧＢＴエミッタ
１４００  グラフ
１４０２  コマンドトレース
１４０４  Ｖｇｅトレース
１４０６  Ｉｃトレース
１４０８  Ｖｃｅトレース
１４１０  ステータストレース
１５００  グラフ
１５０２  コマンドトレース
１５０４  Ｖｇｅトレース
１５０６  Ｉｃトレース
１５０８  Ｖｃｅトレース
１５１０  ステータストレース
１６００  グラフ
１６０２  コマンドトレース
１６０４  Ｖｇｅトレース
１６０６  Ｉｃトレース
１６０８  Ｖｃｅトレース
１６１０  ステータストレース
１７００  処理フロー図
１７０２、１７０４、１７０６、１７０８、１７１０、１７１２  ブロック
１８００  方法
１８０２、１８０４、１８０６、１８０８  ブロック
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【国際調査報告】
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