(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直列に電気接続された第１の及び第２の逆導通絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＲＣ−ＩＧＢＴ）（Ｓ１、Ｓ２）を制御する方法であって、
第１のＲＣ−ＩＧＢＴ（Ｓ１）のコレクタ（Ｃ１）がＤＣ電圧源（Ｃ）の正極に電気接続され、第２のＲＣ−ＩＧＢＴ（Ｓ２）のエミッタ（Ｅ２）が該ＤＣ電圧源（Ｃ）の負極に電気接続され、
第１のＲＣ−ＩＧＢＴ（Ｓ１）のエミッタ（Ｅ１）が第２のＲＣ−ＩＧＢＴ（Ｓ２）のコレクタ（Ｃ２）に電気接続されてＡＣ端子（Ａ）を形成し、該方法が、    
該ＡＣ端子（Ａ）の出力電流の大きさを選択された閾値と比較することと、
第１の及び第２のＲＣ−ＩＧＢＴの各ゲート（Ｇ１、Ｇ２）にゲート電圧（ｂ１〜ｇ１、ｂ２〜ｇ２）を印加することであって、前記ゲート電圧は、該ＡＣ端子（Ａ）の出力電流の方向に基づいて、該ＡＣ端子（Ａ）の出力電流の大きさの選択された閾値との該比較に基づいて、及び各ＲＣ−ＩＧＢＴの目標とされるターンオン及びターンオフ瞬間を示すコマンド信号（Ｃｍｄ）に基づいて、制御されることとを含み、該ＡＣ端子（Ａ）の出力電流の大きさが選択された閾値を超えることを前記比較が示し、一方のＲＣ−ＩＧＢＴがＩＧＢＴモードで動作し他方のＲＣ−ＩＧＢＴがダイオードモードで動作していることを出力電流の方向が示す場合には、該コマンド信号（Ｃｍｄ）によって示される目標とされる各ターンオン及びターンオフ瞬間中にＩＧＢＴモードで動作するＲＣ−ＩＧＢＴに、高レベル及び低レベルゲート電圧パルスをそれぞれ印加する、方法。    
【請求項２】
該ＡＣ端子（Ａ）の出力電流の大きさが選択された閾値を超えることを前記比較が示し、一方のＲＣ−ＩＧＢＴがＩＧＢＴモードで動作し他方のＲＣ−ＩＧＢＴがダイオードモードで動作していることを出力電流の方向が示す場合、
該コマンド信号（Ｃｍｄ）によって示される他方のＲＣ−ＩＧＢＴの目標とされるターンオフ瞬間よりも前のある期間（δ２）中以外、低レベルゲート電圧を他方のＲＣ−ＩＧＢＴに印加することであって、該期間（δ２）中、他方のＲＣ−ＩＧＢＴに高レベルゲート電圧パルスが印加し維持されること
を更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
該ＡＣ端子（Ａ）の出力電流の大きさが選択された閾値を超えることを前記比較が示し、一方のＲＣ−ＩＧＢＴがＩＧＢＴモードで動作し他方のＲＣ−ＩＧＢＴがダイオードモードで動作していることを出力電流の方向が示す場合、
該コマンド信号（Ｃｍｄ）によって示される、他方のＲＣ−ＩＧＢＴの目標とされるいかなるターンオン又はターンオフ瞬間に関わらず、他方のＲＣ−ＩＧＢＴに低レベルゲート電圧を印加し維持すること
を更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
該ＡＣ端子（Ａ）の出力電流の大きさが選択された閾値を超えないことを前記比較が示す場合、
該コマンド信号（Ｃｍｄ）によって示される、各ＲＣ−ＩＧＢＴの目標とされる各ターンオン及びターンオフ瞬間中に、両方のＲＣ−ＩＧＢＴに高レベル及び低レベルゲート電圧パルスをそれぞれ印加することを更に含む、請求項２又は３に記載の方法。
【請求項５】
前記ＲＣ−ＩＧＢＴのうちの一方に対する高レベルゲート電圧の印加、及び他方のＲＣ−ＩＧＢＴに対する高レベルゲート電圧の印加が、ブランキング時間（δ１）によって分離されるように、ゲート電圧が第１の及び第２のＲＣ−ＩＧＢＴ（Ｓ１、Ｓ２）に印加され、該ブランキング時間中、低レベルゲート電圧が前記ＲＣ−ＩＧＢＴの両方に印加される、請求項１から４の何れか一項に記載の方法。
【請求項６】
該ＤＣ電圧源がエネルギー蓄積素子（Ｃ）である、請求項１から５の何れか一項に記載の方法。
【請求項７】
第１の及び第２のＲＣ−ＩＧＢＴがハーフブリッジ構成であるか又はフルブリッジ構成に含まれ、ストレージ素子に電気接続されている、請求項１から６の何れか一項に記載の方法。
【請求項８】
第１の及び第２のＲＣ−ＩＧＢＴ（Ｓ１、Ｓ２）が、カスケード接続されたセルの分岐のセル内に含まれ、該ＡＣ端子（Ａ）の出力電流の測定値が、該分岐を通る電流を測定することによって取得される、請求項１から７の何れか一項に記載の方法。
【請求項９】
第１の及び第２のＲＣ−ＩＧＢＴ（Ｓ１、Ｓ２）の各々が、バイモード絶縁ゲートトランジスタ（ＢＩＧＴ）である、請求項１から８の何れか一項に記載の方法。
【請求項１０】
直列に電気接続された第１の及び第２の逆導通絶縁ゲートバイポーラトランジスタ  （ＲＣ−ＩＧＢＴ）（Ｓ１、Ｓ２）を制御するためのコントローラ（１１０）であって、
第１のＲＣ−ＩＧＢＴ（Ｓ１）のコレクタ（Ｃ１）がＤＣ電圧源（Ｃ）の正極に電気接続され、第２のＲＣ−ＩＧＢＴ（Ｓ２）のエミッタ（Ｅ２）が該ＤＣ電圧源の負極に電気接続され、
第１のＲＣ−ＩＧＢＴ（Ｓ１）のエミッタ（Ｅ１）が第２のＲＣ−ＩＧＢＴ（Ｓ２）のコレクタ（Ｃ２）に電気接続されてＡＣ端子（Ａ）を形成し、
該コントローラ（１１０）が、
各ＲＣ−ＩＧＢＴの目標とされるターンオン及びターンオフ瞬間を示すコマンド信号（Ｃｍｄ）を受信するように適合された、入力回路と、
測定された前記ＡＣ端子（Ａ）の出力電流の大きさ及び方向についての情報を電流計から受信し、
該ＡＣ端子（Ａ）の測定された出力電流の大きさを選択された閾値と比較し、
受信した該コマンド信号（Ｃｍｄ）に基づいて、測定された出力電力の方向についての受信した情報に基づいて、及び測定された該ＡＣ端子（Ａ）の出力電流の大きさと選択された閾値との該比較に基づいて、第１の及び第２のＲＣ−ＩＧＢＴ（Ｓ１、Ｓ２）の各ゲート（Ｇ１、Ｇ２）に印加するためのゲート電圧（ｂ１〜ｇ１、ｂ２〜ｇ２）を決定する
ように適合された、プロセッサと、
第１の及び第２のＲＣ−ＩＧＢＴ（Ｓ１、Ｓ２）の各ゲート（Ｇ１、Ｇ２）に接続された、出力回路と
を備え、該出力回路は更に、決定されたゲート電圧を第１の及び第２のＲＣ−ＩＧＢＴ（Ｓ１、Ｓ２）の各ゲートに印加するように適合され、該コントローラは、該ＡＣ端子（Ａ）の出力電流の大きさが選択された閾値を超えることを前記比較が示す場合、及び、一方のＲＣ−ＩＧＢＴがＩＧＢＴモードで動作し他方のＲＣ−ＩＧＢＴがダイオードモードで動作していることを、受信した出力電流の方向についての情報が示す場合、
該コマンド信号によって示される目標とされる各ターンオン及びターンオフ瞬間中にＩＧＢＴモードで動作するＲＣ−ＩＧＢＴに、高レベル及び低レベルゲート電圧パルスをそれぞれ印加するように更に適合される、コントローラ（１１０）。
【請求項１１】
該ＡＣ端子（Ａ）の出力電流の大きさが選択された閾値を超えることを前記比較が示し、一方のＲＣ−ＩＧＢＴがＩＧＢＴモードで動作し他方のＲＣ−ＩＧＢＴがダイオードモードで動作していることを、受信した出力電流の方向についての情報が示す場合、
該コマンド信号（Ｃｍｄ）によって示される他方のＲＣ−ＩＧＢＴの目標とされるターンオフ瞬間よりも前のある期間（δ２）中以外、低レベルゲート電圧を他方のＲＣ−ＩＧＢＴに印加し維持することであって、該期間中、他方のＲＣ−ＩＧＢＴに高レベルゲート電圧パルスが印加される
ように構成された、請求項１０に記載のコントローラ（１１０）。
【請求項１２】
該ＡＣ端子（Ａ）の出力電流の大きさが選択された閾値を超えることを前記比較が示し、一方のＲＣＩＧＢＴがＩＧＢＴモードで動作し他方のＲＣ−ＩＧＢＴがダイオードモードで動作していることを、受信した出力電流の方向についての情報が示す場合、
該コマンド信号（Ｃｍｄ）によって示される、他方のＲＣ−ＩＧＢＴの目標とされるいかなるターンオン又はターンオフ瞬間に関わらず、他方のＲＣ−ＩＧＢＴに低レベルゲート電圧を印加し維持する
ように構成された、請求項１０に記載のコントローラ（１１０）。
【請求項１３】
該ＡＣ端子（Ａ）の出力電流の大きさが選択された閾値を超えないということを前記比較が示す場合、
該コマンド信号（Ｃｍｄ）によって示される、各ＲＣ−ＩＧＢＴの目標とされる各ターンオン及びターンオフ瞬間中に、両方のＲＣ−ＩＧＢＴに高レベル及び低レベルゲート電圧パルスをそれぞれ印加する
ように構成された、請求項１１又は１２に記載のコントローラ（１１０）。
【請求項１４】
第１の及び第２のＲＣ−ＩＧＢＴ（Ｓ１、Ｓ２）がバイモード絶縁ゲートトランジスタ（ＢＩＧＴ）である、請求項１０から１３の何れか一項に記載のコントローラ（１１０）。
【請求項１５】
ＡＣ電流とＤＣ電流との間の変換のための電圧源コンバータであって、
直列に電気接続された少なくとも第１の及び第２のＲＣ−ＩＧＢＴ（Ｓ１、Ｓ２）を備える接続されたＲＣ−ＩＧＢＴ装置であって、
第１のＲＣ−ＩＧＢＴ（Ｓ１）のコレクタ（Ｃ１）がＤＣ電圧源（Ｃ）の正極に電気接続され、第２のＲＣ−ＩＧＢＴ（Ｓ２）のエミッタ（Ｅ２）が該ＤＣ電圧源の負極に電気接続され、
第１のＲＣ−ＩＧＢＴ（Ｓ１）のエミッタ（Ｅ１）がＡＣ端子（Ａ）で第２のＲＣ−ＩＧＢＴ（Ｓ２）のコレクタ（Ｃ２）に電気接続された、ＲＣ−ＩＧＢＴ装置と、
該ＲＣ−ＩＧＢＴ装置に電気接続された、請求項１０から１４の何れか一項に記載のコントローラと
を備えた、電圧源コンバータ。
【請求項１６】
請求項１から９の何れか一項に記載の方法を、第１のＲＣ−ＩＧＢＴ及び第２のＲＣ−ＩＧＢＴ（Ｓ１、Ｓ２）に接続されたプログラマブル処理ユニットに実施させるための指令を含むデータキャリアを含んだ、コンピュータプログラムであって、
第１の及び第２のＲＣ−ＩＧＢＴ（Ｓ１、Ｓ２）が直列に電気接続され、
第１のＲＣ−ＩＧＢＴ（Ｓ１）のコレクタ（Ｃ１）がＤＣ電圧源（Ｃ）の正極に電気接続され、第２のＲＣ−ＩＧＢＴ（Ｓ２）のエミッタが該ＤＣ電圧源（Ｃ）の負極に電気接続され、
第１のＲＣ−ＩＧＢＴ（Ｓ１）のエミッタがＡＣ端子（Ａ）で第２のＲＣ−ＩＧＢＴ（Ｓ２）のコレクタに電気接続された、コンピュータプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に記載の発明はパワー半導体デバイスに関する。より詳細には、本発明は、逆導通絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＲＣ−ＩＧＢＴ）、具体的には、バイモード絶縁ゲートトランジスタ（ＢＩＧＴ）を制御する方法、並びに、そのようなＲＣ−ＩＧＢＴを制御するためのコントローラに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＩＧＢＴは、電圧源コンバータを含む高圧ＤＣ（ＨＶＤＣ）機器などのハイパワースイッチング機器において、広く利用されている。このような応用において、ＩＧＢＴは、並列に配置され逆トランジスタ方向（「フリーホイールダイオード」）に導通するダイオードと組み合わされるのが典型的である。
【０００３】
ＲＣ−ＩＧＢＴは、逆トランジスタ方向に導通するダイオードにトランジスタが組み合わされたチップである。このコンセプトで多くのチップデザインが提示されて利用され、これがバイモード絶縁ゲートトランジスタ（ＢＩＧＴ）へと発展した。本明細書で使用するＲＣ−ＩＧＢＴという語は、従来型のＲＣ−ＩＧＢＴ及びＢＩＧＴを包含する。ＲＣ−ＩＧＢＴは、トランジスタモードとも称されるＩＧＢＴモード（正のコレクタ−エミッタ電流）、及び、逆モードとも称されるダイオードモード（負のコレクタ−エミッタ電流）の両方で動作可能である。しかしながら、ダイオードモードにおけるアノード効率はゲート電圧に依存する。ゲートがオフされる場合ダイオードモードにおけるアノード効率は高いが、一方、ゲートがオンされる場合アノード効率は低下する。他のＲＣ−ＩＧＢＴデザインに対するＢＩＧＴの利点は特に、ＩＧＢＴモード及びダイオードモードの両方におけるソフトなターンオフ挙動である。より初期のＲＣ−ＩＧＢＴ技術よりも更に、ＢＩＧＴにおける逆リカバリ損失を低減することも可能となるようである。
【０００４】
「Ａ  ｈｉｇｈ  ｃｕｒｒｅｎｔ  ３３００  Ｖ  ｍｏｄｕｌｅ  ｅｍｐｌｏｙｉｎｇ  ｒｅｖｅｒｓｅ  ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ  ＩＧＢＴｓ  ｓｅｔｔｉｎｇ  ａ  ｎｅｗ  ｂｅｎｃｈｍａｒｋ  ｉｎ  ｏｕｔｐｕｔ  ｐｏｗｅｒ  ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ」と題するＲａｈｉｍｏらによる記事（「Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  ２０ｔｈ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ  ｏｎ  Ｐｏｗｅｒ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｄｅｖｉｃｅｓ  ＆  ＩＣｓ」（２００８年５月１８〜２２日））に、ＲＣ−ＩＧＢＴにおけるゲート−エミッタ電圧制御の諸態様が議論されている。
【発明の概要】
【０００５】
本発明の目的は、スイッチングサイクルにおける全体的なエネルギー効率が向上するような方式で、一対のＲＣ−ＩＧＢＴのゲート−エミッタ電圧を制御することである。ＲＣ−ＩＧＢＴのペアは、電圧源コンバータにおいて、例えばフルブリッジ（Ｈ−ブリッジなど）又はハーフブリッジで配置され得る。
【０００６】
従って、本発明は、独立請求項に記載の特徴を有する、制御方法及びコントローラを提供する。本発明の有利な実施形態は、従属請求項によって規定される。
【０００７】
第１の態様によれば、直列に接続された第１及び第２の逆導通絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＲＣ−ＩＧＢＴ）を制御する方法が提供される。第１のＲＣ−ＩＧＢＴのコレクタは直流電流（ＤＣ）電圧源の正極に電気的に接続され、第２のＲＣ−ＩＧＢＴのエミッタはＤＣ電圧源の負極に電気的に接続される。更に、第１のＲＣ−ＩＧＢＴのエミッタは第２のＲＣ−ＩＧＢＴのコレクタに電気的に接続され、交流電流（ＡＣ）端子を形成する。本方法は、第１のＲＣ−ＩＧＢＴ及び第２のＲＣ−ＩＧＢＴの各ゲートにゲート電圧を印加することを含む。ゲート電圧は、出力電流のＡＣ端子上の大きさ及び方向に基づいて、及び、各ＲＣ−ＩＧＢＴの目標とされる（ｔａｒｇｅｔｅｄ）ターンオン及びターンオフの瞬間を示すコマンド信号（Ｃｍｄ）に基づいて制御される。
【０００８】
第２の態様によれば、第１のＲＣ−ＩＧＢＴ及び第２のＲＣ−ＩＧＢＴを制御するためのコントローラが提供される。第１のＲＣ−ＩＧＢＴのコレクタがＤＣ電圧源の正極に電気接続され、第２のＲＣ−ＩＧＢＴのエミッタがＤＣ電圧源の負極に電気接続されるように、第１のＲＣ−ＩＧＢＴ及び第２のＲＣ−ＩＧＢＴは直列に電気接続される。第１のＲＣ−ＩＧＢＴのエミッタは第２のＲＣ−ＩＧＢＴのコントローラに電機接続されてＡＣ端子を形成し、コントローラは、ＡＣ端子から流れる出力電流を測定するために配置された方向電流計に接続される。コントローラは、各ＲＣ−ＩＧＢＴの目標とされるターンオン及びターンオフ瞬間を示すコマンド信号を受信するように適合された入力回路を備える。コントローラはまた、ＡＣ端子上で測定された出力電流の大きさ及び方向についての電流計からの情報を受信するように適合された、プロセッサを備える。プロセッサは更に、受信されたコマンド信号、並びに測定された出力電流の大きさ及び方向についての受信された情報に基づいて、第１のＲＣ−ＩＧＢＴ及び第２のＲＣ−ＩＧＢＴの各ゲートに印加するためのゲート電圧を決定するように適合される。コントローラは更に、第１のＲＣ−ＩＧＢＴ及び第２のＲＣ−ＩＧＢＴの各ゲートに接続された出力回路を備え、出力回路は、決定されたゲート電圧を第１のＲＣ−ＩＧＢＴ及び第２のＲＣ−ＩＧＢＴの各ゲートに印加するように適合される。
【０００９】
第３の態様によれば、ＡＣ電流とＤＣ電流との間で変換するための電圧源コンバータが提供される。電圧源コンバータは、直列に電気接続された少なくとも第１のＲＣ−ＩＧＢＴと第２のＲＣ−ＩＧＢＴとを備える、接続されたＲＣ−ＩＧＢＴの構成を備え、
第１のＲＣ−ＩＧＢＴのコレクタがＤＣ電圧源の正極に電気接続され、第２のＲＣ−ＩＧＢＴのエミッタがＤＣ電圧源の負極に電気接続されるように構成される。第１のＲＣ−ＩＧＢＴのエミッタは、ＡＣ端子を形成するために第２のＲＣ−ＩＧＢＴのコレクタに電気接続される。電圧源コンバータは、本発明の第２の態様によるコントローラを更に備える。
【００１０】
第４の態様によれば、コンピュータプログラムが提供される。コンピュータプログラム製品は、第１のＲＣ−ＩＧＢＴ及び第２のＲＣ−ＩＧＢＴに接続されたプログラマブル処理装置に本発明の第１の態様による方法を実施させるための指令を含む、データキャリアを備える。
【００１１】
本発明の実施形態は、モードに応じたスイッチング制御が可能であるという点で有利である。ＲＣ−ＩＧＢＴのスイッチングを、コマンド信号に加えてＡＣ端子における出力電流の方向に基づいて制御することにより、抵抗を減らしこれによりＲＣ−ＩＧＢＴの導通損失を低減するために、ダイオードモードで動作する場合にＲＣ−ＩＧＢＴに印加されるゲート電圧の低下が可能となる。更に、ダイオードモードにあるＲＣ−ＩＧＢＴがターンオフされようとするときに高レベルゲート電圧を印加することは、蓄積電荷を最小限に抑え且つ逆リカバリ損失を低減させ得る。出力電流の大きさに基づいてスイッチングを制御することにより、低い出力電流の方向を誤るリスクも低減され得る。従って、本発明により、ＲＣ−ＩＧＢＴにおける導通損失及びスイッチング損失を信頼性の高い方式で低減させる可能性がもたらされる。
【００１２】
本発明の幾つかの実施形態のように、大きな（即ち、選択された電流大きさ閾値を上回る）出力電流に応答した、ＲＣ−ＩＧＢＴの少なくとも幾つかのスイッチングを省略することにより、スイッチング損失を考慮することが可能となり有利である。    
【００１３】
上述したＤＣ電圧源は、高圧直流電流（ＨＶＤＣ）電力伝送システム、光起電力素子、又はストレージ素子であり得ることを理解されたい。更に、第１のＲＣ−ＩＧＢＴ及び第２のＲＣ−ＩＧＢＴは、ハーフブリッジ構成などのセル構成に含まれるか、フルブリッジ構成に含まれるか、又はストレージ素子に電気接続され得る。第１のＲＣ−ＩＧＢＴ及び第２のＲＣ−ＩＧＢＴは、カスケード接続されたセルの分岐のセルに含まれ、ＡＣ端子の出力電流の測定値は、分岐内の任意の位置で分岐間で電流を測定する方向電流計によって取得され得ることも理解されたい。電流計は、出力電流についての情報を一又は複数のコントローラに供給し得る。従って、本開示の種々の実施形態によれば、例えば、複数のカスケード接続されたセルの幾つかの分岐を備え且つコンバータのＡＣ端子とＤＣ端子との間に接続されたＨＶＤＣコンバータにおいて、各分岐の分岐電流を測定し、これを出力電流についての情報として複数のコントローラに提供し、複数のセルにゲート制御をもたらすことが可能である。分岐電流は、アームリアクタ近傍などの適切とされるアームの位置で測定され得る。結果として、分岐電流はＲＣ−ＩＧＢＴ近傍で局所的に測定される必要がない。
【００１４】
第１のＲＣ−ＩＧＢＴ及び第２のＲＣ−ＩＧＢＴは一対のＢＩＧＴであり得る。
【００１５】
コマンド信号が制御ユニットによって生成され得、制御ユニットは、方向電流計から受信された情報に基づいて、第１のＲＣ−ＩＧＢＴ及び第２のＲＣ−ＩＧＢＴからの出力電流の大きさ及び方向を決定し、出力電流の方向及び大きさをコントローラへ送達するようにも適合され得ることも理解されたい。
【００１６】
上述のように、本発明の一態様によれば、プログラマブル処理ユニットを制御するためのコンピュータ可読指令が提供される。そのような指令は、指令が記憶されたコンピュータ可読媒体を含むコンピュータプログラム製品の形態で配布され得る。具体的には、指令は、一又は複数のＲＣ−ＩＧＢＴに高レベルゲート電圧及び低レベルゲート電圧を供給することを担う、ＦＰＧＡ又はゲートユニットのマイクロコントローラにロードされ得る。
【００１７】
本発明の更なる目的、特徴、及び利点は下記の詳細な説明、添付図面、及び添付の特許請求の範囲から明らかとなる。本発明の種々の特徴は、異なる請求項に記載されていても、下記に記載する実施形態以外の実施形態で組み合わせ可能であるということを当業者は理解するであろう。
【００１８】
上述の及びその他の本発明の目的、特徴、及び利点は、本発明の実施形態の例示的且つ非限定的な詳細説明によって深く理解されるであろう。下記の添付図面が参照される。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】ハーフブリッジ構成にある２つのＲＣ−ＩＧＢＴを示す概略図である。
【図２】種々のシナリオ及び実施形態による、第１のＲＣ−ＩＧＢＴ及び第２のＲＣ−ＩＧＢＴに印加される経時的な各ゲート信号を示す概略グラフである。
【図３】種々のシナリオ及び実施形態による、第１のＲＣ−ＩＧＢＴ及び第２のＲＣ−ＩＧＢＴに印加される経時的な各ゲート信号を示す概略グラフである。
【図４】本発明の一実施形態による制御方法のフロー図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
すべての図は概略的なものであり、一般的に、本発明を明示するのに必要な部分のみを示しているが、その他の部分は省略されるか示唆されるのみである。
【００２１】
図１を参照し、ここではＢＩＧＴの形態の２つのＲＣ−ＩＧＢＴを備えるハーフブリッジ回路を説明する。
【００２２】
図１は、電圧源コンバータ内のハーフブリッジ１００の回路図であり、ここで、Ｓ１及びＳ２で表す第１のＲＣ−ＩＧＢＴ及び第２のＲＣ−ＩＧＢＴが、この例ではキャパシタなどのエネルギー蓄積素子の形態で、ＤＣ電圧源Ｃと直列に配置されている。ＡＣ端子Ａにおいて、第１のＲＣ−ＩＧＢＴ（Ｓ１）のエミッタＥ１は第２のＲＣ−ＩＧＢＴ（Ｓ２）のコレクタＣ２に電気機接続され、第１のＲＣ−ＩＧＢＴ（Ｓ１）及び第２のＲＣ−ＩＧＢＴ（Ｓ２）は、ＤＣ電圧源から直流電流を受け、ＡＣ端子Ａにおいて負荷（図示せず）に出力電流を供給するように適合される。本開示の文脈において、正の出力電流は第１のＲＣ−ＩＧＢＴ（Ｓ１）の順方向に対応する。各ＲＣ−ＩＧＢＴ（Ｓ１、Ｓ２）のゲート端子Ｇ１、Ｇ２  は、ゲート電圧を各ゲートＧ１、Ｇ２に供給することによってＲＣ−ＩＧＢＴ（Ｓ１、Ｓ２）を制御するように適合された  コントローラ１１０に電気接続される。出力電流の大きさ及び方向を表す情報  をコントローラに提供するために、電流計１２０がコントローラに接続される。更に、第１のＲＣ−ＩＧＢＴ（Ｓ１）のコレクタＣ１は、ＤＣ電圧源Ｃの正極に電気接続され、エミッタＥ２は、ＤＣ電圧源Ｃの負極に電気接続される。電圧源コンバータ内でハーフブリッジ１００が動作しているとき、上位制御ユニット１３０がコントローラ１１０に、各ＲＣ−ＩＧＢＴ（Ｓ１、Ｓ２）の所望の目標とされるターンオン及びターンオフ瞬間を示すコマンド信号Ｃｍｄを提供する。ハーフブリッジ１００を正確に機能させ且つＤＣ電圧源Ｃの短絡を確実に防止するために、ＲＣ−ＩＧＢＴ（Ｓ１、Ｓ２）の一方のみが一度にオンされるべきである。従って、ＲＣ−ＩＧＢＴ（Ｓ１  ）がオンされようとするとき、ＲＣ−ＩＧＢＴ（Ｓ２）はオフされるべきである。下記で詳述するように、種々の実施形態でＲＣ−ＩＧＢＴを適切な方式で制御するために、コントローラ１１０はコマンド信号Ｃｍｄを解釈し、ゲート電圧を各ＲＣ−ＩＧＢＴ（Ｓ１、Ｓ２）に印加する。
【００２３】
図２は、本発明の実施形態による、図１に示す第１のＲＣ−ＩＧＢＴ及び第２のＲＣ−ＩＧＢＴ（Ｓ１、Ｓ２）などの第１のＲＣ−ＩＧＢＴ及び第２のＲＣ−ＩＧＢＴを制御するためにコントローラ１１０に提供されるコマンド信号Ｃｍｄを時間の関数として示す。図２に示すように、この実施例で、コマンド信号Ｃｍｄは第１の値２１で始まり、次いで、第１の値２１と第２の値２２との間で変化する。ここで、第１の値２１は、上位制御ユニット１３０が、電圧源コンバータに適用されるタイミング設定に依存して、近い将来、目標とされる瞬間において、第１のＲＣ−ＩＧＢＴ（Ｓ１）のターンオンと第２のＲＣ−ＩＧＢＴ（Ｓ２）のターンオフとを所望することを示す。同様に、第２の値２２は、近い将来の、第２のＲＣ−ＩＧＢＴ（Ｓ２）の所望のターンオンと第１のＲＣ−ＩＧＢＴ（Ｓ１）の所望のターンオフとを示す。種々の実施形態及び種々のシナリオによる、コマンド信号Ｃｍｄに応答してコントローラ１１０によって第１のＲＣ−ＩＧＢＴ及び第２のＲＣ−ＩＧＢＴ（Ｓ１、Ｓ２）に印加される各ゲート電圧（ａ１〜ｇ１、ａ２〜ｇ２）もまた、図２に示される。ゲート電圧は、ゲートのＯＮ状態（即ち、制御されたＲＣ−ＩＧＢＴが順方向及び逆方向に導通できる）に対応する高レベルゲート電圧と、ゲートのＯＦＦ状態（即ち、制御されたＲＣ−ＩＧＢＴが逆方向のみに導通できる）に対応する低レベルゲート電圧という２つの異なるレベルで印加され得る。高レベルゲート電圧は、第１の成分固有閾値を上回るゲート電圧に対応し得、該閾値を超えるとＲＣ−ＩＧＢＴは順方向に導通できる。高レベルゲート電圧の１つのエピソード又は複数の連続的エピソードは、例えば、経時的に変化するゲート電圧もしくは複数の連続的ゲート電圧値を印加することによって実現され得、ここで、印加されたゲート電圧の値の各々は第１の成分固有閾値を上回り、ＲＣ−ＩＧＢＴによって高レベルとして経験される。同様に、低レベルゲート電圧は、第２の成分固有閾値よりも小さいゲート電圧に対応し得、該閾値を下回るとＲＣ−ＩＧＢＴは逆方向にのみ導通する。低レベルゲート電圧の１つのエピソード又は複数の連続的エピソードは、第２の成分固有閾値値よりも小さいゲート電圧値を印加することによって実現され得る。例示目的で、例えば１０Ｖよりも大きいすべてのゲート電圧がＲＣ−ＩＧＢＴのゲートのオン状態をトリガし得、例えば５Ｖよりも小さいすべてのゲート電圧がＲＣ−ＩＧＢＴのゲートのオフ状態をトリガし得るとしても、３０００ＶのＲＣ−ＩＧＢＴについての定格高レベルゲート電圧は、典型的には１５Ｖに相当し得、定格低レベルゲート電圧は０Ｖに相当し得る。
【００２４】
下記の種々の実施形態によれば、コントローラ１１０は、コマンド信号Ｃｍｄに基づくのみならず、ＡＣ端子Ａ上の出力電流の大きさ及び方向にも基づいてＲＣ−ＩＧＢＴ（Ｓ１、Ｓ２）を制御する。出力電流の大きさは、出力電流の方向がいつ変わることになるかという表示を提供し得る。出力電流の大きさが小さい場合、これは電流方向が近い将来変化することを示す一方、より大きい出力電流は、電流方向が近い将来変化しないことが確実であるということを示す。従って、本明細書に記載の実施形態によれば、コントローラ１１０は、出力電流の大きさについての情報を使用して、ＲＣ−ＩＧＢＴを所望に応じて制御する。従って、電流方向が近い将来変化しそうであるか否かという所望の表示を提供するために、ゼロでない電流大きさ閾値が選択され得る。電流大きさ閾値のレベルは、種々の用途において異なり得るが、例えば、典型的なＨＶＤＣ電圧源コンバータにおいて、典型的には５０〜１００Ａに設定され得る。測定された出力電流の大きさを単一の電流大きさ閾値と比較するかわりに、幾つかの実施形態によれば、該測定された出力電流が正の閾値及び負の閾値と比較され得、これらの値は等しい大きさもしくは異なる大きさを有し得る。
【００２５】
再び図２を参照すると、ゲート電圧ａ１及びａ２は、ＡＣ端子Ａ上の出力電流が正の閾値よりも小さく負の閾値を上回るシナリオに対応し、これらの閾値は、上述のように、電流方向が近い将来変化しそうであるか否かの所望の表示を提供するために選択されている。そのような出力電流について、ＲＣ−ＩＧＢＴは、コマンド信号Ｃｍｄによって示されるようにターンオン及びターンオフするために、目標とされるターンオン瞬間においては高レベルゲート電圧を印加し、目標とされるターンオフ瞬間においては低レベルゲート電圧を印加することによって制御され、ここでも、ＤＣ電圧源Ｃが短絡しないことを確実にするために整流間で適切なブランキング時間δ１を用いる。ブランキング時間δ１の間、ＲＣ−ＩＧＢＴのどちらもがオンされないように、両方のＲＣ−ＩＧＢＴに低レベルゲート電圧が印加される。従って、第１のＲＣ−ＩＧＢＴ（Ｓ１）のターンオン及び第２のＲＣ−ＩＧＢＴのターンオンは、ブランキング時間δ１によって分離される。このように、コマンド信号Ｃｍｄの第１の値２１に応答して高レベルゲート電圧が第１のＲＣ−ＩＧＢＴ（Ｓ１）に印加され、コマンド信号Ｃｍｄの第２の値２２に応答して低レベル電圧が第２のＲＣ−ＩＧＢＴ（Ｓ２）に印加され、低レベルゲート電圧が第１のＲＣ−ＩＧＢＴ（Ｓ１）に印加されて高レベルゲート電圧が第２のＲＣ−ＩＧＢＴ（Ｓ２）に印加される。
【００２６】
更に図２を参照すると、ゲート電圧ｂ１及びｂ２は、第１のＲＣ−ＩＧＢＴ及び第２のＲＣ−ＩＧＢＴからの出力電流が正の閾値を上回るシナリオに対応する。このシナリオは、第１のＲＣ−ＩＧＢＴ（Ｓ１）がＩＧＢＴモードで動作する一方、第２のＲＣ−ＩＧＢＴ（Ｓ２）がダイオードモードで動作していることを意味する。従って、第１のＲＣ−ＩＧＢＴ（Ｓ１）に印加されるゲート電圧ｂ１は、コマンド信号Ｃｍｄの変化に従い高レベルと低レベルゲート電圧との間で変化する。しかしながら、第２のＲＣ−ＩＧＢＴ（Ｓ２）に印加されるゲート電圧ｂ２は、ダイオードでの導通損失の低減を考慮して、低レベルで維持される。ブランキング時間δ１（図示せず）は、ゲート電圧ｂ１がコマンド信号Ｃｍｄの第１の値２１に応答して低レベル電圧から高レベル電圧に戻るように変化する前に適用され得る。
【００２７】
ゲート電圧ｃ１及びｃ２もまた、ＡＣ端子Ａ上の出力電流が正の閾値を上回るシナリオに対応する。第１のＲＣ−ＩＧＢＴ（Ｓ１）に印加されるゲート電圧ｃ１は、ゲート電圧ｂ１と同様、高レベルと低レベルとの間で変化する。しかしながら、第２のＲＣ−ＩＧＢＴ（Ｓ２）に印加されるゲート電圧ｃ２は、コマンド信号Ｃｍｄに示されるように第１のＲＣ−ＩＧＢＴ（Ｓ１）をターンオンする前の期間中（即ち、第２のＲＣ−ＩＧＢＴ（Ｓ２）の目標とされるターンオフ瞬間の前も）高レベル電圧である。目標とされるターンオフ瞬間よりも前に高レベルゲート電圧を第２のＲＣ−ＩＧＢＴ（Ｓ２）に印加する理由は、第２のＲＣ−ＩＧＢＴの電荷を低減し、これによりスイッチング損失を低減するためである。ゲート電圧ｃ２に示される高レベル電圧は、限定された期間（δ２）印加され、ゲート電圧ｃ１の高レベルからブランキング時間（δ１）、分離される。
【００２８】
ゲート電圧ｃ２の高レベルの印加のタイミングは、例えば、コントローラ１１０が物理的コマンド信号Ｃｍｄを受信する時点と、適切なゲート電圧を印加することによってコントローラがコマンド信号によって示されるコマンドを実行すると期待される実際の目標とされる時間的瞬間との間の、ある合意済みの時間遅延によって実現され得る。該時間遅延は期間δ２よりも長いことが望ましく、物理的コマンド信号が第２の値２２から第１の値２１へ変化するときからの反応時間を収容するために用いられ得、これにより、第２のＲＣ−ＩＧＢＴ（Ｓ２）がターンオフを目標とされるよりも前に高レベル電圧を第２のＲＣ−ＩＧＢＴ（Ｓ２）に印加でき、即ち、該時間遅延は、コマンド信号Ｃｍｄの変化によって指定される第１のＲＣ−ＩＧＢＴ（Ｓ１）のターンオンに先立つブランキング時間よりも前の期間δ２中に実行されねばならない。
【００２９】
図２に示すゲート電圧ｄ１及びｄ２は、ＡＣ端子Ａ上の出力電流がはじめは正の閾値を上回り、次いで正の閾値を下回るが負の閾値よりも大きいというシナリオに対応し、このことは時点ｔにおいて検知される。従って、図示のゲート電圧ｄ２で示されるように、コマンド信号Ｃｍｄの第２の値２２に応答して、及び出力電流が正の閾値を下回るという事実に応答して、高レベルゲート電圧が時間ｔで第２のＲＣ−ＩＧＢＴ（Ｓ２）に印加される。第２のＲＣ−ＩＧＢＴ（Ｓ２）に印加される高レベルゲート電圧は、コマンド信号Ｃｍｄに示されるように、第２のＲＣ−ＩＧＢＴ（Ｓ２）の次の目標とされるターンオフまで維持され、ここでゲート電圧は低レベルに戻る。第１のＲＣ−ＩＧＢＴに印加されるゲート電圧ｄ１は、上述のゲート電圧ａ１と同様、２つのＲＣ−ＩＧＢＴ（Ｓ１及びＳ２）が同時にターンオンされることがないことを確実にするために、第２の値２２から第１の値２１に戻すコマンド信号交流に応答した低レベルから高レベルへのスイッチングよりも前に、ブランキング時間δ１が導入される。
【００３０】
図３は、図２を参照して上述したものと同様のコマンド信号Ｃｍｄを示す。ゲート電圧ｅ１及びｅ２は、ＡＣ端子Ａからの出力電流が負の閾値を下回るシナリオに対応する。このシナリオは、第１のＲＣ−ＩＧＢＴ（Ｓ１）がダイオードモードにある一方、第２のＲＣ−ＩＧＢＴ（Ｓ２）がＩＧＢＴモードにあることを意味する。従って、第１のＲＣ−ＩＧＢＴ（Ｓ１）に印加されるゲート電圧ｅ１は低レベルに維持され、ゲート電圧ｅ２は、コマンド信号の第１の値２１に応答した低レベルとコマンド信号Ｃｍｄの第２の値２２に応答した高レベルとの間で変化する。
【００３１】
図示のゲート電圧ｆ１及びｆ２もまた、ＡＣ端子Ａからの出力電流が負の閾値を下回るシナリオに対応する。しかしながら、ゲート電圧ｆ１に示すように、期間δ２中、第１の値２１から第２の値２２まで変化するコマンド信号Ｃｍｄによって示される第１のＲＣ−ＩＧＢＴ（Ｓ１）の目標とされるターンオフよりも前に、高レベルゲート電圧が第１のＲＣ−ＩＧＢＴ（Ｓ１）に印加される。ゲート電圧ｆ１によって示される第１のＲＣ−ＩＧＢＴ（Ｓ１）のゲート制御は、ゲート電圧ｃ２によって示される第２のＲＣ−ＩＧＢＴ（Ｓ２）のゲート制御に対応する。ＩＧＢＴモードにある第２のＲＣ−ＩＧＢＴ（Ｓ２）に印加されるゲート電圧ｆ２は、ゲート電圧ｅ２を参照して説明したことに従い、変化する。しかしながら、この実施例に示すように、第１のＲＣ−ＩＧＢＴ（Ｓ１）に対する高レベルゲート電圧の印加と第２のＲＣ−ＩＧＢＴ（Ｓ２）に対する高レベルゲート電圧の印加との間に、ブランキング時間δ１が適用され得る。
【００３２】
図示のゲート電圧ｇ１及びｇ２は、時点ｔで検知されるように、出力電流がはじめは負の閾値を下回り、次いで負の閾値を超えて上昇するが正の閾値よりも小さいというシナリオに対応する。従って、図示のゲート電圧ｇ１に示すように、コマンド信号Ｃｍｄの第１の値２１に応答して、及び出力電流が負の閾値を上回り且つ正の閾値を下回るという事実に応答して、時間ｔで高レベルゲート電圧が第１のＲＣ−ＩＧＢＴ（Ｓ１）に印加される。第２のＲＣ−ＩＧＢＴ（Ｓ２）に印加されるゲート電圧ｇ２は、上述のゲート電圧ａ１に対応する。図示のように、ブランキング時間δ１が、各ＲＣ−ＩＧＢＴ（Ｓ１、Ｓ２）に対する高レベルゲート電圧の印加を分離する。    
【００３３】
最後に、図４は、本発明の実施形態による、図１のＲＣ−ＩＧＢＴを制御するための制御アルゴリズムを示すフロー図である。制御アルゴリズムはコントローラ１１０によって実施され得る。ステップ４１１で、コマンド信号の状態が検証される。この実施例で、コマンド信号は、図２との関連で説明したように第１の値２１と第２の値２２との間で変化すると想定される。コマンド信号が第１の値２１を有する場合、このことは直近の目標とされる第１のＲＣ−ＩＧＢＴのターンオン及び第２のＲＣ−ＩＧＢＴのターンオフをシグナリングし、アルゴリズムはステップ４１２に進み、ここで、ＡＣ端子Ａの出力電流の大きさが、選択された電流大きさ閾値と比較される。出力電流の大きさが電流大きさ閾値を超えない場合、次いで、ステップ４１３で、コマンド信号によって示される目標とされる状態に従ってＲＣ−ＩＧＢＴを制御するために、ゲート電圧が第１のＲＣ−ＩＧＢＴ及び第２のＲＣ−ＩＧＢＴの各ゲートに印加され、即ち高レベルゲート電圧が第１のＲＣ−ＩＧＢＴのゲートに印加され、低レベルゲート電圧が第２のＲＣ−ＩＧＢＴに印加される。しかしながら、ステップ４１２で出力電流の大きさが電流大きさ閾値を超えることが検知される場合、次いで、ステップ４１４で、出力電流の方向がチェックされる。ここで、正の電流は第１のＲＣ−ＩＧＢＴの順方向に相当する。出力電流が正である場合、第１のＲＣ−ＩＧＢＴはＩＧＢＴモードで動作し、ステップ４１５で示すようにコマンド信号に従って制御され、即ち、高レベルゲート電圧が第１のＲＣ−ＩＧＢＴに印加され、低レベルゲート電圧が第２のＲＣ−ＩＧＢＴに印加される。一方、出力電流が負である場合、このことは第１のＲＣ−ＩＧＢＴがダイオードモードで動作し、上述のようにスイッチング損失を低減するために、第１のＲＣ−ＩＧＢＴに対するコマンド信号に従ったゲート電圧の通常の印加が省略され得ることを示す。従って、ステップ４１４で出力電流が負であると検知される場合、ステップ４１６に示すように、低レベルゲート電圧が第１のＲＣ−ＩＧＢＴ及び第２のＲＣ−ＩＧＢＴの両方に印加される。ステップ４１１でコマンド信号が第２の値２２を有することが検知される場合、第２の値２２は後続する第１のＲＣ−ＩＧＢＴの目標とされるターンオフ及び第２のＲＣ−ＩＧＢＴのターンオンをシグナリングするので、反対の動作が実施される。次いで、アルゴリズムはステップ４１７に進み、ここでＡＣ端子Ａの出力電流の大きさが選択された電流大きさ閾値と比較される。出力電流の大きさが電流大きさ閾値を超えない場合、次いで、ステップ４１３で、コマンド信号によって示される目標とされる状態に従ってＲＣ−ＩＧＢＴを制御するために、ゲート電圧が第１のＲＣ−ＩＧＢＴ及び第２のＲＣ−ＩＧＢＴの各ゲートに印加され、即ち、低レベルゲート電圧が第１のＲＣ−ＩＧＢＴのゲートに印加され、高レベルゲート電圧が第２のＲＣ−ＩＧＢＴに印加される。しかしながら、ステップ４１７で出力電流の大きさが電流大きさ閾値を超えることが検知される場合、次いで、ステップ４１９で、出力電流の方向がチェックされる。出力電流が負である場合、第２のＲＣ−ＩＧＢＴはＩＧＢＴモードで動作し、ステップ４１５で示すように、コマンド信号に従って制御され、これにより低レベルゲート電圧が第１のＲＣ−ＩＧＢＴに印加され、高レベルゲート電圧が第２のＲＣ−ＩＧＢＴに印加される。一方、出力電流が正である場合、このことは第２のＲＣ−ＩＧＢＴがダイオードモードで動作し、上述のようにスイッチング損失を低減するために、第２のＲＣ−ＩＧＢＴに対するコマンド信号に従った高レベルゲート電圧の通常の印加が省略され得ることを示す。従って、ステップ４１４で出力電流が正であると検知される場合、ステップ４２１に示すように、低レベルゲート電圧が第１のＲＣ−ＩＧＢＴ及び第２のＲＣ−ＩＧＢＴの両方に印加される。ステップ４２２でコマンド信号の状態の変化が検知される場合、アルゴリズムは再びステップ４１１に戻る。任意選択的に、ステップ４１１に戻る前にステップ４２３が実施されてもよく、ここで、両方のＲＣ−ＩＧＢＴが同時にターンオンされないことを確実にするためブランキング時間を実装するために、選択された期間δ１中、低レベルゲート電圧が両方のＲＣ−ＩＧＢＴに印加される。他の実施形態では、図４に示すアルゴリズムが、図２及び３のゲート電圧ｃ２及びｆ１に示すように、スイッチング損失を更に低減するために期間δ２中に高レベルゲートパルスを実装するように補正され得ることを理解されたい。
【００３４】
上記で説明したように、図４に示す制御アルゴリズムはコンピュータで実行可能な指令として実装されてよく、それら指令が記憶されたコンピュータ可読媒体を含むコンピュータプログラム製品の形態で配布及び使用される。例示として、コンピュータ可読媒体がコンピュータストレージ媒体及び通信媒体を含んでもよい。当業者にとって既知であるように、コンピュータストレージ媒体は、コンピュータ可読指令、データ構造、プログラムモジュール又はその他のデータなど、情報を記憶するための任意の方法又は技術で実装された、揮発性及び非揮発性、着脱可能及び着脱不能な媒体の両方を含む。コンピュータストレージ媒体は、非限定的に、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、フラッシュメモリもしくは他のメモリ技術、ＣＤ−ＲＯＭ、デジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）もしくは他の光学式ディスクストレージ、磁気カセット、磁気テープ、磁気ディスクストレージもしくは他の磁気ストレージデバイスを含む。更に、通信媒体は、典型的には、コンピュータ可読指令、データ構造、プログラムモジュール又は変調されたデータ信号におけるその他のデータ（キャリアウェーブ又はその他の伝送メカニズムなど）を具現化し、且つ任意の情報伝達媒体を含むことが、当業者に既知である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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