(57)【要約】我々は、電力用半導体スイッチング装置を、完全オフ状態、飽和オン状態及び少なくとも一つの中間状態を含む複数の状態の選択された一つへ制御する制御器を記載する。スイッチング装置制御器は、装置の電圧を識別する電圧識別入力と、装置を流れる電流を識別する電流識別入力と、装置に駆動信号を与える制御出力と、一以上の調整可能パラメータに応じた応答を駆動信号に与えるべく識別入力及び制御出力に結合された負のフィードバック制御回路と、スイッチング装置を選択された状態へ制御するべく、特に装置の実効抵抗を制御することによって、状態指令データに応答して調整可能パラメータを制御する回路制御器とを含む。好ましい中間状態は、アクティブ低電流状態及びアクティブ低電圧状態を含む。
2015510382.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１及び第２入／出力端子並びに制御端子を有する半導体スイッチング装置を、完全オフ状態、飽和オン状態、及び前記完全オフ状態と前記飽和オン状態との間にある少なくとも一つの中間状態を含む複数の状態の選択された一つへ制御する半導体スイッチング装置制御器であって、
装置指令データを受信して前記スイッチング装置のための指定された前記状態を画定するインタフェイスと、
前記入／出力端子の電圧を識別する電圧識別入力と、
前記入／出力端子を介して前記半導体スイッチング装置を流れる電流を識別する電流識別入力と、
前記制御端子に駆動信号を与える制御出力と、
前記識別された電圧及び識別された電流に応答して前記駆動信号を与えるべく前記電圧識別入力、前記電流識別入力、及び前記制御出力に結合されたフィードバック制御回路であって、前記フィードバック制御回路は一以上の調整可能パラメータを有し、かつ、前記識別された電圧及び識別された電流への前記駆動信号の応答が前記一以上の調整可能パラメータに依存するフィードバック制御回路と、
前記インタフェイスに及び前記フィードバック制御回路に結合された回路制御器であって、前記指令データに応答して前記一以上の調整可能パラメータを制御するべく構成された回路制御器と
を含み、
前記一以上の調整可能パラメータの状態が、前記フィードバック制御回路からの前記駆動信号によって設定された前記スイッチング装置の状態を決定し、
前記指令された状態が、前記回路制御器が前記半導体スイッチング装置を前記完全オフ状態、前記飽和オン状態及び前記少なくとも一つの中間状態へ制御することを目的として前記一以上の調整可能パラメータの状態を画定するスイッチング装置制御器。
【請求項２】
前記半導体スイッチング装置は絶縁ゲート装置であり、
前記フィードバック制御回路は、前記一以上の調整可能パラメータの前記状態に応答して前記制御端子に流入／前記制御端子から流出する電荷を制御する制御可能電流駆動回路を含む、請求項１に記載のスイッチング装置制御器。
【請求項３】
前記フィードバック制御回路は、前記半導体スイッチング装置を一の抵抗値まで制御するべく構成された負のフィードバック制御回路であり、
前記一以上の調整可能パラメータは、前記負のフィードバック制御回路の一以上の制御ループ利得パラメータを含み、
前記回路制御器は、前記一以上の制御ループ利得パラメータを制御するべく構成されて前記半導体スイッチング装置が前記複数の状態の状態間を移動するように前記抵抗値を調整する、請求項１又は２に記載の半導体スイッチング装置制御器。
【請求項４】
前記電圧識別入力、前記電流識別入力及び前記制御出力の一以上に結合されたスイッチング装置状態検出システムであって、前記スイッチング装置が前記指令された状態にある時を検出するスイッチング装置状態検出システムをさらに含み、
前記回路制御器は、前記指令された状態が到達された時に前記インタフェイスから承認データを送信するべく構成される、請求項１、２又は３に記載の半導体スイッチング装置制御器。
【請求項５】
前記少なくとも一つの中間状態は、前記駆動信号がゼロより大きくかつ前記半導体スイッチング装置のターンオンしきい値電圧未満の電圧にあるオフしきい値状態を含み、
前記パラメータは第１電圧基準パラメータを含む、請求項１から４のいずれか一項に記載の半導体スイッチング装置制御器。
【請求項６】
前記少なくとも一つの中間状態は、前記駆動信号が前記飽和オン状態の前記駆動信号の電圧未満かつ前記半導体スイッチング装置のターンオフしきい値電圧より大きい電圧にあるオンしきい値状態を含み、
前記パラメータは第２電圧基準パラメータを含む、請求項１から５のいずれか一項に記載の半導体スイッチング装置制御器。
【請求項７】
前記少なくとも一つの中間状態は、前記駆動信号の値によって画定されたしきい値状態を含み、
前記フィードバック制御回路は、前記制御出力からの入力を有するしきい値状態制御フィードバックループであって、前記駆動信号を、指令された前記しきい値状態に対応する前記調整可能パラメータによって画定された値まで制御するべく構成されたしきい値状態制御フィードバックループを含む、請求項１から６のいずれか一項に記載の半導体スイッチング装置制御器。
【請求項８】
前記少なくとも一つの中間状態は、前記半導体スイッチング装置のアクティブ状態を含み、
前記フィードバック制御回路は、前記電圧識別入力及び前記電流識別入力の一方又は双方からの入力を有するアクティブ状態制御ループであって、前記駆動信号を、指令された前記アクティブ状態に対応する一以上の前記調整可能パラメータによって画定された値まで制御するべく構成されたアクティブ状態制御ループを含む、請求項１から７のいずれか一項に記載の半導体スイッチング装置制御器。
【請求項９】
前記アクティブ状態は、前記識別された電流がゼロより大きくかつ前記半導体スイッチング装置の前記飽和オン状態にある前記識別された電流の値未満であるアクティブ低電流状態を含む、請求項８に記載の半導体装置制御器。
【請求項１０】
前記アクティブ状態は、前記識別された電圧が前記完全オフ状態にある前記識別された電圧未満かつ前記飽和オン状態の前記識別された電圧より大きいアクティブ低電圧状態を含む、請求項８又は９に記載の半導体装置制御器。
【請求項１１】
前記アクティブ状態制御ループは、前記電圧識別入力に結合された第１制御回路と、前記電流識別入力に結合された第２制御回路とを含み、
前記第１制御回路は、前記識別された電圧をスケーリングする第１電圧スケーリングパラメータに応答する回路を含み、
前記第２制御回路は、前記識別された電流をスケーリングする第２電流スケーリングパラメータに応答する回路を含み、
前記回路制御器は、前記電圧スケーリングパラメータ及び前記電流スケーリングパラメータの一方又は双方を変更することによって、前記指令されたアクティブ状態への／前記指令されたアクティブ状態からの遷移を制御するべく構成されて前記半導体スイッチング装置の実効抵抗を制御する、請求項８、９又は１０に記載の半導体装置制御器。
【請求項１２】
前記回路制御器は、前記中間状態の２つ又は４つを画定するように前記一以上の調整可能パラメータを制御するべく構成される、請求項１から１１のいずれか一項に記載の半導体装置制御器。
【請求項１３】
前記中間状態は、
前記半導体スイッチング装置を流れる前記電流が完全オフ電流と飽和オン電流との中間であるアクティブ低電流状態と、
前記識別された電圧が前記半導体スイッチング装置の完全オフ電圧と飽和オン電圧との中間であるアクティブ低電圧状態と
を含む、請求項１２に記載の半導体装置制御器。
【請求項１４】
半導体スイッチング装置のスイッチングを制御するスイッチング装置制御器を使用する方法であって、
前記半導体スイッチング装置を初期完全オフ又は飽和オン状態から中間状態へスイッチングする指令を受信することと、
前記半導体スイッチング装置を前記初期状態から前記中間状態へ制御することと、
前記半導体スイッチング装置が前記中間状態にあることの決定をすることと、
前記決定に応答して前記スイッチング装置が前記中間状態にあることの承認をすることと、
前記承認に後続して、前記中間状態から後続状態へスイッチングするさらなる指令を受信することと、
前記半導体スイッチング装置を前記後続状態へと制御することと
を含む方法。
【請求項１５】
前記完全オフ状態及び前記飽和オン状態間でスイッチングするときに前記半導体スイッチング装置を複数の連続する前記中間状態へと制御することを含み、
前記半導体スイッチング装置が連続する前記中間状態のそれぞれにあることを、後続する前記中間状態へ移動する前に決定することをさらに含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記中間状態は、
前記半導体スイッチング装置の制御電圧がゼロより大きくかつ前記半導体スイッチング装置のターンオンしきい値電圧未満であるオフしきい値状態と、
前記半導体スイッチング装置の制御電圧が前記装置の飽和オン電圧未満かつ前記半導体装置のターンオフしきい値電圧よりも大きいオンしきい値状態と、
前記半導体スイッチング装置を流れる電流が完全オフ電流と飽和オン電流との中間であるアクティブ低電流状態と、
前記半導体スイッチング装置間の電圧が、前記装置が飽和オンであるときに前記装置間の完全オフ電圧未満かつ前記装置間の電圧よりも大きいアクティブ低電圧状態と
の２つ以上を含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
半導体スイッチング装置を制御するスイッチング装置制御器であって、
指令の受信及び承認の送信のためのインタフェイスと、
前記半導体スイッチング装置を初期完全オフ又は飽和オン状態から中間状態へスイッチングする指令を受信する手段と、
前記半導体スイッチング装置を前記初期状態から前記中間状態へ制御する手段と、
前記半導体スイッチング装置が前記中間状態にあることの決定をする手段と、
前記決定に応答して前記スイッチング装置が前記中間状態にあることの承認をする手段と、
前記承認に後続して前記中間状態から後続状態へスイッチングするさらなる指令を受信する手段と、
前記半導体スイッチング装置を前記後続状態へ制御する手段と
を含むスイッチング装置制御器。
【請求項１８】
第１及び第２入／出力端子並びに制御端子を有する半導体スイッチング装置を制御する半導体スイッチング装置制御器であって、
前記半導体スイッチング装置の状態を制御する制御信号を受信する制御入力と、
前記入／出力端子の電圧を識別する電圧識別入力と、
前記入／出力端子を介してスイッチング装置を流れる電流を識別する電流識別入力と、
前記制御端子に駆動信号を与える制御出力と、
前記電圧識別入力、前記電流識別入力並びに前記制御入力及び前記制御出力に結合されたフィードバック制御システムと
を含み、
前記制御信号は、前記半導体スイッチング装置の標的実効抵抗を画定し、
前記フィードバック制御回路は、前記識別された電圧及び前記識別された電流が一緒になって前記標的実効抵抗を実装するように前記駆動信号を制御するべく構成されるスイッチング装置制御器。
【請求項１９】
前記フィードバック制御システムは、前記標的実効抵抗と前記識別された電圧及び前記識別された電流から決定された装置抵抗との差分に依存する駆動信号を与えるべく構成された負のフィードバック制御システムであり、
前記負のフィードバック制御システムは、前記差分をゼロに向かって低減するべく構成される、請求項１８に記載の半導体スイッチング装置制御器。
【請求項２０】
前記フィードバック制御システムは、
前記電圧識別入力に結合された第１制御回路と、
前記電流識別入力に結合された第２制御回路と
を含み、
前記第１制御回路は、前記識別された電圧をスケーリングする第１電圧スケーリングパラメータに応答する回路を含み、
前記第２制御回路は、前記識別された電流をスケーリングする第２電流スケーリングパラメータに応答する回路を含み、
前記第１制御回路及び前記第２制御回路は、前記半導体スイッチング装置の識別された装置抵抗を画定する信号を与えるべく結合され、
前記駆動信号は、前記標的実効抵抗と前記識別された装置抵抗との組み合わせに応答する、請求項１８又は１９に記載の半導体スイッチング装置制御器。
【請求項２１】
前記第１及び第２制御回路のそれぞれの前記電圧スケーリングパラメータ及び前記電流スケーリングパラメータを制御するべく前記制御入力が結合されて前記標的実効抵抗が画定される、請求項２０に記載の半導体スイッチング装置制御器。
【請求項２２】
前記スケーリングされた識別された電圧と前記スケーリングされた識別された電流との差分に応じて差分信号を与えるべく前記第１及び第２制御回路に結合された差分器と、
前記差分信号に応答して前記駆動信号を与えるべく前記差分器に及び前記制御出力に結合された駆動回路と
をさらに含む、請求項１９、２０又は２１に記載の半導体スイッチング装置制御器。
【請求項２３】
前記半導体スイッチング装置は絶縁ゲート装置であり、
前記駆動器駆動回路は、前記差分信号に応答して前記半導体スイッチング装置の前記制御端子に流入／前記制御端子から流出する電荷を制御する制御可能電流装置回路を含む、請求項２２に記載の半導体スイッチング装置制御器。
【請求項２４】
半導体スイッチング装置を制御する方法であって、
前記半導体スイッチング装置の第１及び第２入／出力端子間の電圧を識別することと、
前記半導体スイッチング装置を介して前記第１及び第２入／出力端子間を流れる電流を識別することと、
前記識別された電圧及び電流に応答して、前記半導体スイッチング装置が受動抵抗のように挙動するように前記半導体スイッチング装置の制御端子の信号を制御することと
を含む方法。
【請求項２５】
前記半導体スイッチング装置は絶縁ゲート装置であり、
前記制御接続は前記絶縁ゲートとの接続を含み、
前記方法は、前記装置の標的実効抵抗に応答して前記識別された電圧の前記識別された電流に対する比を制御するべく、前記絶縁ゲートに注入され又は前記絶縁ゲートから除去される電荷を制御することをさらに含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
ＩＧＢＴのスイッチングを制御する半導体スイッチング装置制御器であって、
標的ゲート電圧値Ｖｇ、標的コレクタ電流値Ｉｃ、標的コレクタ・エミッタ電圧値Ｖｃｅ及び標的実効抵抗値Ｒｅの一以上を画定するデータを格納する一組の一以上のレジスタと、
前記ＩＧＢＴの前記Ｖｇ、Ｉｃ及びＶｃｅを制御するべく構成されたフィードバック制御ループと、
前記ＩＧＢＴの前記Ｖｇ、Ｉｃ、Ｖｃｅ及びＲｅの一以上を標的として前記格納されたデータに従って前記フィードバック制御ループを制御する制御器と
を含み、
前記制御器は、前記Ｖｇ、Ｉｃ、Ｖｃｅ及びＲｅの一以上により画定された中間状態を標的として前記ＩＧＢＴの前記スイッチングを制御するべく構成されるスイッチング装置制御器。
【請求項２７】
前記レジスタは、前記Ｖｇ並びに前記Ｉｃ及びＶｃｅ又は前記Ｒｅのいずれかを画定するデータを格納するべく構成され、
前記デジタル制御器は前記ＩＧＢＴを、前記Ｖｇ、Ｉｃ、Ｖｃｅ及びＲｅの一以上によりそれぞれが画定された複数の前記中間状態に保持するべく構成される、請求項２６に記載の半導体スイッチング装置制御器。
【請求項２８】
前記デジタル制御器は、前記ＩＧＢＴのコレクタ・エミッタ電圧とコレクタ電流との組み合わせにより画定された標的ＩＧＢＴ抵抗に従って前記フィードバック制御ループを制御することによって前記中間状態を標的とするべく構成される、請求項２６又は２７に記載の半導体スイッチング装置制御器。
【請求項２９】
ＭＯＳＦＥＴのスイッチングを制御する半導体スイッチング装置制御器であって、
標的ゲート電圧値Ｖｇ、標的ドレイン電流値ＩＤ、標的ドレイン・ソース電圧値ＶＤＳ及び標的実効抵抗値Ｒｅの一以上を画定するデータを格納する一組の一以上のレジスタと、
前記ＭＯＳＦＥＴの前記Ｖｇ、ＩＤ及びＶＤＳを制御するべく構成されたフィードバック制御ループと、
前記ＭＯＳＦＥＴの前記Ｖｇ、ＩＤ、ＶＤＳ及びＲｅの一以上を標的とするように前記格納されたデータに従って前記フィードバック制御ループを制御する制御器と
を含み、
前記制御器は、前記Ｖｇ、ＩＤ、ＶＤＳ及びＲｅの一以上により画定された中間状態を標的とするべく構成されて前記ＭＯＳＦＥＴの前記スイッチングを制御するスイッチング装置制御器。
【請求項３０】
前記レジスタは、前記Ｖｇ並びに前記ＩＤ及びＶＤＳ又は前記Ｒｅのいずれかを画定するデータを格納するべく構成され、
前記デジタル制御器は前記ＭＯＳＦＥＴを、前記Ｖｇ、ＩＤ、ＶＤＳ及びＲｅの一以上によりそれぞれが画定された複数の前記中間状態に保持するべく構成される、請求項２０に記載の半導体スイッチング装置制御器。
【請求項３１】
前記デジタル制御器は、前記ＭＯＳＦＥＴのドレイン・ソース電圧とドレイン電流との組み合わせにより画定された標的ＭＯＳＦＥＴ抵抗に従って前記フィードバック制御ループを制御することによって前記中間状態を標的とするべく構成される、請求項２９又は３０に記載の半導体スイッチング装置制御器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体スイッチング装置、特に電力用半導体スイッチング装置を制御する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
我々が特に関心を寄せる電力用半導体スイッチング装置は典型的に、１アンペアを超える電流搬送性能を有し、かつ、１００ボルトを超える電圧で動作可能である。我々が関心を寄せる装置の実施形態は、１０アンペア、５０アンペア若しくは１００アンペアを超える電流を搬送することができ、及び／又は５００ボルト若しくは１ｋＶを超える装置間電圧差を維持することができる。
【０００３】
かかる装置は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）並びに（縦又は横型）ＭＯＳＦＥＴのようなＦＥＴ及びＪＦＥＴを含み、ＬＩＬＥＴ（横型反転層エミッタトランジスタ）、ＧＴＯ（ゲートターンオフサイリスタ）、ＩＧＣＴ（集積型ゲート整流サイリスタ）等のような装置も潜在的に含む。我々が記載する方法は、特定タイプの装置アーキテクチャに限られないので、電力スイッチング装置は、例えば縦又は横型装置であり、シリコン及び炭化ケイ素を含むがこれらに限られない技術範囲で製造される。
【０００４】
このタイプのスイッチング装置は、洋上風力設備から電力を搬送することができるタイプの高電圧送電線、特に直流送電線のスイッチング、及び、例えば機関車用モータのようなモータ等のための中電圧（例えば１ｋＶを超える）のスイッチングを含む用途を有する。
【０００５】
かかる装置の制御には特定の問題が存在する。一つには、関連する高電流／電圧によって、例えば制御システムのエラー又は電力スイッチング装置の過剰な電力散逸若しくは過電圧のようなエラーが潜在的に深刻な影響を有し得ることになるからである。加えて、これらの装置は電気的ノイズのある環境下で動作する場合が多く、さらには、望まれる定格を達成するべく数十又は数百の装置が直列及び／又は並列に接続される。かかる配列では、装置のスイッチングは、慎重に同期をとる必要がなる。制御方法は、接続された多くの装置の一つが故障する状況にも対処できることが好ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】独国特許出願公開第３８２６５０９（Ａ１）号明細書
【発明の概要】
【０００７】
したがって、本発明によれば、第１及び第２入／出力端子並びに制御端子を有する半導体スイッチング装置を、完全オフ状態、飽和オン状態、及び当該完全オフ状態と当該飽和オン状態との間にある少なくとも一つの中間状態を含む複数の状態の選択された一つへ制御する半導体スイッチング装置制御器が設けられる。当該スイッチング装置制御器は、装置指令データを受信して当該スイッチング装置のための指令された当該状態を画定するインタフェイスと、当該入／出力端子の電圧を識別する電圧識別入力と、当該入／出力端子を介して当該半導体スイッチング装置を流れる電流を識別する電流識別入力と、当該制御端子に駆動信号を与える制御出力と、当該識別された電圧及び識別された電流に応答して当該駆動信号を与えるべく当該電圧識別入力、当該電流識別入力、及び当該制御出力に結合されたフィードバック制御回路であって、当該フィードバック制御回路は一以上の調整可能パラメータを有し、かつ、当該識別された電圧及び識別された電流への当該駆動信号の応答が当該一以上の調整可能パラメータに依存するフィードバック制御回路と、当該インタフェイスに及び当該フィードバック制御回路に結合された回路制御器であって、当該指令データに応答して当該一以上の調整可能パラメータを制御するべく構成された回路制御器とを含む。当該一以上の調整可能パラメータの状態が、当該フィードバック制御回路からの当該駆動信号によって設定された当該スイッチング装置の状態を決定し、当該指令された状態が、当該回路制御器が当該半導体スイッチング装置を当該完全オフ状態、当該飽和オン状態及び当該少なくとも一つの中間状態へ制御することを目的として当該一以上の調整可能パラメータの状態を画定する。
【０００８】
かかる制御器の実施形態により、潜在的に数百に及ぶ電力用半導体スイッチング装置を、制御かつ同期された態様でスイッチングすることができる。大まかにいえば、完全オフと飽和オン状態との間にある一以上の中間状態を設けることにより当該装置の導通状態を制御することができるので、多数の装置の導通状態をロックステップ式に変更するように制御することができる。これにより、スイッチングの同期のほか、電流／電圧負荷を多数装置間で均等に共有することの確保が支援される。スイッチング装置の状態を決定するべく使用される単数又は複数の調整可能パラメータは、ゲート電圧基準レベルのような電流若しくは電圧値、並びに／又は、フィードバック制御回路（後にさらに記載）の一以上のフィードバックループのスケーリング若しくはオフセットパラメータ、及び／若しくは、制御器の制御ループの一部を形成するスイッチの状態を画定するパラメータである。
【０００９】
制御された電力用半導体スイッチング装置は、導入で述べたタイプのものを含む任意範囲の装置であるが、本発明の複数の実施形態は、好ましくはＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）又はＭＯＳＦＥＴである絶縁ゲート型装置に適用される場合に特に有利である。かかる装置にとって好ましいのは、一以上の調整可能パラメータが変化するときのスイッチング装置の制御端子（ゲート）に流入する／制御端子（ゲート）から流出する電荷を制御するフィードバック制御回路が制御可能電流駆動回路を含むことである。これにより、ゲートコンデンサ及び（可変）ミラー容量の駆動が容易となる。かかる容量は低インピーダンス電圧源によって駆動され得るが、これは制御困難となり得る。対照的に、電流（電荷）制御によれば、装置間電圧の変化速度、及び装置を流れる電流の変化速度を正確に制御することが容易となる。
【００１０】
制御器のいくつかの特に有利な実装では、フィードバック制御回路は負のフィードバック回路である。単数又は複数のパラメータは、当該回路の制御ループ利得パラメータを含み、当該回路は、スイッチング装置を一定の抵抗値まで制御するべく構成される。回路制御器が当該ループ利得パラメータを制御して当該抵抗値を調整するので、当該スイッチング装置が複数状態間で移動される。
【００１１】
すなわち、制御器の複数の実施形態により、識別された電圧及び電流フィードバック信号に基づいてスイッチ装置の挙動を制御するように負のフィードバックを用いる制御システムが得られる。その結果、当該スイッチ装置は、まるで受動抵抗であるかのように挙動する。この場合、この実効抵抗を変更するべく、すなわち装置を高抵抗から例えば低抵抗へ移動させるべく、この制御ループのパラメータを変更することができる。この抵抗変化の副産物は、スイッチング対象の外部回路において「スイッチ遷移事象」を達成することである。すなわち、複数の実施形態では、制御システムは、制御ループにあるスイッチ装置の挙動を制御する一定数のスケーリングパラメータを有する。当該パラメータを調整して、スイッチ装置がまるで受動抵抗であるかのように挙動させることができる。これは、オームの法則Ｒ＝Ｖ／Ｉに関連する。すなわち、当該回路は、認識されたフィードバック値Ｖ及びＩを変更することによって制御ループの実効Ｒを変更する。
【００１２】
フィードバック制御回路は、アナログ回路、デジタル回路、又はこれら双方の組み合わせのいずれかに実装することができる。
【００１３】
制御器のいくつかの好ましい実施形態は、指令された中間状態の達成完了時を検出し、かつ、その応答として当該インタフェイスを介して承認データを送り返すスイッチング装置状態検出システムを含む。これにより、ロックステップ式にスイッチングするべく多数の装置の同期をとることが容易となる。検出された中間状態に応じて状態検出システムは、制御端子（ゲート）電圧、装置間電圧、及び装置を流れる電流の一以上を識別する。
【００１４】
いくつかの好ましい実施形態では、完全オフ及び飽和オン状態のほか、複数の画定された中間状態も制御器によって得られる。完全オフ状態では、スイッチング装置はオフにされ、かつ、装置を流れる電流は実質的にゼロ、すなわち漏れ電流が流れるのみである。得られる一つの後続中間状態はオフしきい値状態である。この状態では、スイッチング装置が依然としてオフではあるがゲート電圧が完全オフ状態のものよりも大きく（詳細にはゼロを超え）かつ当該装置のターンオンしきい値電圧未満である。オプションとして、制御器は、装置自体からこの電圧の値を学習するべく構成される（このことが当該装置によって可能なのは、ゲート電圧が制御可能であり、かつ、当該装置を流れる電流が識別可能だからである）。得られるさらなる中間状態は、この状態の「鏡像」である。これは、オンしきい値状態である。この状態では、ゲート電圧は、当該装置の飽和オン（飽和）状態のもの未満であるが当該装置のターンオフしきい値を超える。再びであるが、このオンしきい値電圧は、制御器によって学習され、及び／又は識別された装置間電圧に応じて調整される。代替的に、制御器は、これらの電圧値を画定する一以上のレジスタを揮発性又は不揮発性メモリに含む（プログラムされた値が、例えば装置データシートから導出される）。
【００１５】
アナログ制御回路の複数の実施形態は、駆動信号電圧を制御する制御出力から調整可能電圧制御パラメータによって画定された値へのフィードバックループを含む。このパラメータはその後、当該装置をオフしきい値又はオンしきい値状態へ制御するべく調整される（ここでは選択されることも含む）。かかるしきい値状態制御フィードバックループがアナログ制御回路に対して与えられる場合、これは、このフィードバックループがアウトにスイッチングされ、かつ、他の制御ループがインにスイッチングされるように（後に述べる）、スイッチング可能であることが好ましい。すなわち、さらに一般的には、制御器の複数の実施形態は、多数のフィードバックループを含み、望まれるフィードバックループを、典型的にはデジタル制御器である回路制御器の制御を受けてスイッチング可能に選択することができる。
【００１６】
完全オフ状態からオフしきい値状態への及び飽和オン状態からオンしきい値状態への（及びその逆の）スイッチング装置の制御は、詳しくはゲート電圧のみを制御することにより準静的に行われる。装置を流れる／装置間の高電流／電圧の変化がほとんど又はまったく存在しないからである。しかしながら、制御器のいくつかの好ましい実施形態はまた、一以上の画定されたアクティブ中間状態を与える。この場合、スイッチング装置は、装置を流れる電流／装置間の電圧が制御され、かつ、装置が完全にオフ又は全体的にオンではないという意味で、詳しくはスイッチング装置はオンではあるが飽和オン状態ではないという意味でアクティブである。かかるアクティブ状態においてフィードバック制御回路は、電力用装置を流れる電流及び当該装置間の電圧の能動的な制御のための制御ループを含む。指令されたアクティブ状態を達成するべく、この制御ループの一以上のパラメータが制御される。すなわち、このアクティブ状態の制御を目的として、前述のしきい値状態制御ループは、実装されている場合にはアウトにスイッチングされる。いくつかの特に好ましい実施形態では、フィードバック制御回路はスイッチング装置を標的抵抗まで制御し、かつ、回路制御器制御は、望まれるアクティブ状態を達成するべくこの標的抵抗を制御する。すなわち、大まかにいえば、スイッチング装置制御器のいくつかの好ましい実施形態により、電力用半導体スイッチング装置は事実上、受動抵抗のように挙動する。
【００１７】
このアクティブ状態制御ループの複数の実施形態により、スイッチング装置を異なる中間アクティブ状態間で双方向制御することが容易となる。これは、例えば故障が影響を与え得る被制御装置又は他の装置に問題点が検出された場合に、先の「良好であることが既知の」又は他のなんらかの安全な状態へ戻すように装置を制御することができるので有用である。これは、巻き添え損害を制限する点で有用となり得る。高電力システムにおいて一つの装置の故障は、他の装置の故障につながる連鎖反応を引き起こす場合が多いからである。
【００１８】
制御器によって実装される一つの好ましいアクティブ状態は、アクティブ低電流状態である。この場合、スイッチは、アクティブである一方、画定された低電流が装置を流れるが装置間にはほぼ全電圧が存在する状態にある。したがって、かかるアクティブ低電流状態では、識別された電流はゼロよりも大きいが依然として相対的に低い。すなわち、例えば５アンペア、１アンペア、０．１アンペア、１０ｍＡ、１ｍＡ又は１００μＡ未満のような、少なくとも飽和オン電流未満である。この状態での装置間の電圧は、１００ボルト、５００ボルト又は１ｋＶよりも大きく、例えば識別された電圧の最大値の９０％よりも大きい。しかしながら、原則として、低電流状態においてはなんらかの装置間電圧が存在する（これは、誘導負荷を駆動する場合に生じ得ることだが、電流がスイッチを介して逆流することにより逆並列ダイオードが導通する場合には負ともなり得る）。
【００１９】
制御器の複数の実施形態に実装される他の有用なアクティブ状態は、アクティブ低電圧状態である。この状態では、装置間に画定された低電圧が存在する（飽和電圧よりも上であるが完全オフ電圧／完全にスイッチングされた供給電圧未満の電圧）。したがって、複数の実施形態では、この状態にあると識別された装置間電圧は、例えば１０ボルトのオーダーの５０ボルト、３０ボルト若しくは２０ボルト未満であり、又は識別された電圧の最大電圧の１０％若しくは５％未満である。さらに、識別された電圧は、飽和オン状態のもの（例えば２ボルトのオーダー）よりも大きい。すなわち、識別された電圧は、２ボルト、３ボルト、５ボルト又は１０ボルトよりも大きい。アクティブ低電圧状態では全電流が装置を流れるが、原則として、いくらかの電流はこの状態にある装置を流れる。
【００２０】
前述のように、好ましいいくつかの実装では、アクティブ状態制御ループが、スイッチング装置を受動抵抗のように挙動させるべく制御する。したがって、複数の実施形態では、アクティブ状態制御ループは、電圧識別入力に結合された第１制御回路であって電圧スケーリングパラメータに応答する回路を組み入れた第１制御回路と、電流識別入力に結合された第２制御回路であって電流スケーリングパラメータに応答する回路を組み入れた第２制御回路とを含む。アクティブ状態制御ループはこの場合、これら２つのスケーリングされたパラメータを、例えば差分回路において結合する。組み合わされた結果はその後、制御出力からの駆動信号を制御するべく使用される。このようにして、（デジタル）回路制御器は、装置に対する標的抵抗を事実上変更するべく、電圧スケーリング及び電流スケーリングパラメータの一方又は双方を変更することにより、一のアクティブ状態への／一のアクティブ状態からの／複数のアクティブ状態間の遷移を制御する。
【００２１】
好ましい複数の実施形態では、制御器は、一対のスイッチング可能制御ループを有する組み合わされた制御回路であって、アクティブ中間状態及びしきい値中間状態のそれぞれの対ごとに一つの制御回路を使用することにより、２つのアクティブ中間状態及び２つのしきい値中間状態の双方を実装する。
【００２２】
関連する側面では、本発明は、半導体スイッチング装置のスイッチングを制御するべくスイッチング装置制御器を使用する方法を与える。この方法は、当該半導体スイッチング装置を初期完全オフ又は飽和オン状態から中間状態へスイッチングする指令を受信することと、当該半導体スイッチング装置を当該初期状態から当該中間状態へ制御することと、当該半導体スイッチング装置が当該中間状態にあることの決定をすることと、当該決定に応答して当該スイッチング装置が当該中間状態にあることの承認をすることと、当該承認に後続して、当該中間状態から後続状態へスイッチングするさらなる指令を受信することと、当該半導体スイッチング装置を当該後続状態へ制御することとを含む。
【００２３】
複数の実施形態では、スイッチング装置が制御されてなり得る一以上の画定された中間状態を与えることと、画定された中間状態が達成されたときに承認信号を送信することとにより、複数のかかる装置を同期制御することが容易となる。さらに、本方法の複数の実施形態により、例えば他の装置の故障検出時に、フェイルセーフ機構として中間状態から先の状態へ戻すように装置を制御することができる。
【００２４】
本方法のいくつかの好ましい実施形態では、スイッチング装置は、完全オフ及び飽和オン状態間のスイッチング時に複数の連続する中間状態へ制御される。これらの中間状態のそれぞれが報告されて後続状態変更指令を待ってから後続状態へ移動する。前述のように、いくつかの好ましい実施形態では、中間状態は、オフしきい値状態、オンしきい値状態、アクティブ低電流状態及びアクティブ低電圧状態の一以上を含む。
【００２５】
関連する側面では、本発明は、半導体スイッチング装置を制御するスイッチング装置制御器を与える。このスイッチング装置制御器は、指令の受信及び承認の送信のためのインタフェイスと、当該半導体スイッチング装置を初期完全オフ又は飽和オン状態から中間状態へスイッチングする指令を受信する手段と、当該半導体スイッチング装置を当該初期状態から当該中間状態へ制御する手段と、当該半導体スイッチング装置が当該中間状態にあることの決定をする手段と、当該決定に応答して当該スイッチング装置が当該中間状態にあることの承認をする手段と、当該承認に後続して当該中間状態から後続状態へスイッチングするさらなる指令を受信する手段と、当該半導体スイッチング装置を当該後続状態へ制御する手段とを含む。
【００２６】
前述のように、電力用半導体スイッチング装置制御器のいくつかの好ましい実施形態により、制御されたスイッチング装置は事実上受動抵抗として挙動する。
【００２７】
したがって、さらなる側面では、本発明は、第１及び第２入／出力端子並びに制御端子を有する半導体スイッチング装置を制御する半導体スイッチング装置制御器を与える。このスイッチング装置制御器は、当該半導体スイッチング装置の状態を制御する制御信号を受信する制御入力と、当該入／出力端子の電圧を識別する電圧識別入力と、当該入／出力端子を介してスイッチング装置を流れる電流を識別する電流識別入力と、当該制御端子に駆動信号を与える制御出力と、当該電圧識別入力、当該電流識別入力並びに当該制御入力及び当該制御出力に結合されたフィードバック制御システムとを含む。当該制御信号は、当該半導体スイッチング装置の標的実効抵抗を画定する。当該フィードバック制御回路は、当該識別された電圧及び当該識別された電流が一緒になって当該標的実効抵抗を実装するように当該駆動信号を制御するべく構成される。
【００２８】
再びであるが、制御器は、アナログ回路若しくはデジタル回路（オプションとして部分的に若しくは全体的にソフトウェア制御される回路を含む）、又はその２つの組み合わせに実装することができる。
【００２９】
制御信号は標的抵抗を、一組の標的スイッチ状態の一つに画定する。いくつかの好ましい実施形態では、制御入力は、装置／回路の標的実効抵抗を画定するべく、各制御回路の電圧スケーリング及び電流スケーリングパラメータを制御する。前述のように、装置の状態はこの場合、この標的実効抵抗を変更することによって制御することができる。その結果、装置は一の状態から他の状態へ制御される。好ましい複数の実施形態では、第１及び第２制御回路からの信号は差分がとられ、得られるエラー信号が、駆動回路詳しくはゲート駆動回路を制御するべく使用される。駆動回路（ゲート駆動回路）は好ましくは、前述のように電流（電荷測定）駆動回路である。
【００３０】
識別された電圧及び電流によって測定される制御システム全体の挙動により、装置に実効抵抗が与えられる。スケーリングパラメータが標的実効抵抗を画定する。したがって、複数の実施形態では、負のフィードバック制御システムが、識別された電圧及び電流を介して測定された画定された標的抵抗と実際の実効抵抗との差分に比例する駆動信号を与え、この差分をゼロへと駆動するように構成される。
【００３１】
複数の実施形態では、差分信号は制御ループエラー信号である。制御ループエラー信号は、負のフィードバックゆえに、かかる方向で、かつ、このエラーに比例する大きさで主要スイッチ装置の制御ゲートを駆動する。その結果、このエラー信号は経時的にゼロまで低減される。これは、制御器の複数の実施形態の重要な動作原理である。これにより、本質的に非線形のスイッチ装置の制御が容易となるからであり、特に、本質的に非線形の装置が、その本来の特性とは著しく異なる線形抵抗を有する受動抵抗のように挙動するものへと変わるからである。
【００３２】
さらなる関連する側面では、本発明は、半導体スイッチング装置を制御する方法を与える。この方法は、当該半導体スイッチング装置の第１及び第２入／出力端子間の電圧を識別することと、当該半導体スイッチング装置を介して当該第１及び第２入／出力端子間を流れる電流を識別することと、当該半導体スイッチング装置の制御端子の信号を、当該半導体スイッチング装置が受動抵抗のように挙動するように、当該識別された電圧及び電流に応答して制御することとを含む。
【００３３】
再びであるが、好ましい複数の実施形態では、スイッチング装置は絶縁ゲートを有する。ゲートに注入され及び／又はゲートから除去される電荷が制御される。その結果、ゲートの電界が制御され、詳しくは識別された電圧の識別された電流に対する比が制御される。これにより、その中間状態の一以上にあるスイッチング装置に対する標的実効抵抗が達成される。
【００３４】
なおもさらなる関連する側面では、本発明は、ＩＧＢＴのスイッチングを制御する半導体スイッチング装置制御器を与える。このスイッチング装置制御器は、標的ゲート電圧値Ｖｇ、標的コレクタ電流値Ｉｃ、標的コレクタ・エミッタ電圧値Ｖｃｅ及び標的実効抵抗値Ｒｅの一以上を画定するデータを格納する一組の一以上のレジスタと、当該ＩＧＢＴの当該Ｖｇ、Ｉｃ及びＶｃｅを制御するべく構成されたフィードバック制御ループと、当該ＩＧＢＴの当該Ｖｇ、Ｉｃ、Ｖｃｅ及びＲｅの一以上を標的とする当該格納されたデータに従って当該フィードバック制御ループを制御する制御器とを含む。当該制御器は、当該Ｖｇ、Ｉｃ、Ｖｃｅ及びＲｅの一以上によって画定された中間状態を標的として当該ＩＧＢＴの当該スイッチングを制御するべく構成される。
【００３５】
複数の実施形態では、レジスタは、一の状態に対するＶｇ値のほか、Ｉｃ値及びＶｃｅ値の対及び／又はＲｅ値（制御システム／ＩＧＢＴ全体の標的抵抗を画定する）も格納する。制御器はこの場合、ＩＧＢＴを複数の中間状態のそれぞれに保持するべく構成される。それぞれは、格納されたＶｇ値、Ｉｃ値、Ｖｃｅ値及びＲｅ値の一以上によって画定される。対応する方法を、ＭＯＳＦＥＴを制御するべく使用することができる。
【００３６】
したがって、対応する側面では、ＭＯＳＦＥＴのスイッチングを制御する半導体スイッチング装置制御器が与えられる。このスイッチング装置制御器は、標的ゲート電圧値Ｖｇ、標的ドレイン電流値ＩＤ、標的ドレイン・ソース電圧値ＶＤＳ及び標的実効抵抗値Ｒｅの一以上を画定するデータを格納する一組の一以上のレジスタと、当該ＭＯＳＦＥＴの当該Ｖｇ、ＩＤ及びＶＤＳを制御するべく構成されたフィードバック制御ループと、当該ＭＯＳＦＥＴの当該Ｖｇ、ＩＤ、ＶＤＳ及びＲｅの一以上を標的とする当該格納されたデータに従って当該フィードバック制御ループを制御する制御器とを含む。当該制御器は、当該Ｖｇ、ＩＤ、ＶＤＳ及びＲｅの一以上によって画定された中間状態を標的として当該ＭＯＳＦＥＴの当該スイッチングを制御するべく構成される。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
添付図面を参照して、例示のみではあるが、本発明のこれら及び他の側面を以下にさらに述べる。
【００３８】
【図１】図１ａ及び１ｂはそれぞれ、副制御器に結合された中央制御器を含む協調制御システムと組み合わされた本発明の一実施形態に係るスイッチング装置制御器、及び当該制御器のためのデジタル論理の詳細を示す。
【図２ａ】ブリッジ用途における電力用半導体スイッチング装置制御システムの一例を示す。
【図２ｂ】図２ａの配列の詳細を示す。
【図３ａ】ＩＧＢＴのゲート電荷に対する電流／電圧の曲線を示す。複数の異なる中間状態が例示される。ＩＧＢＴは、本発明に係るスイッチング装置制御器の一実施形態により制御されてこれらの中間状態になる。装置回路トポロジの第１及び第２例はそれぞれ、抵抗負荷及び誘導負荷をスイッチングする。
【図３ｂ】ＩＧＢＴのゲート電荷に対する電流／電圧の曲線を示す。複数の異なる中間状態が例示される。ＩＧＢＴは、本発明に係るスイッチング装置制御器の一実施形態により制御されてこれらの中間状態になる。装置回路トポロジの第１及び第２例はそれぞれ、抵抗負荷及び誘導負荷をスイッチングする。
【図３ｃ】ＩＧＢＴのゲート電荷に対する電流／電圧の曲線を示す。複数の異なる中間状態が例示される。ＩＧＢＴは、本発明に係るスイッチング装置制御器の一実施形態により制御されてこれらの中間状態になる。装置回路トポロジの第１及び第２例はそれぞれ、抵抗負荷及び誘導負荷をスイッチングする。
【図４】ＩＧＢＴの時間に対する電圧／電流の曲線を示す。スイッチ状態変更指令と新状態への遷移が完了したときの応答とを一緒に伴うスイッチング装置制御器によって与えられる装置の複数の状態及び遷移が例示される。
【図５】本発明に係る電力用半導体スイッチング装置制御器の一実施形態の模式的な回路図を示す。
【図６】一対の設定レジスタバンクを組み入れたスイッチング装置制御器を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
図１を参照すると、電力用半導体スイッチング装置制御システム１００の一例は、複数の副制御器１２０（一つのみが例示される）に結合された中央制御器１１０を含む。そして、副制御器１２０は複数のスイッチング装置制御器１３０（再びであるが一つのみが例示される）に結合される。図１の例では副制御器が設けられるが、制御システムは、中央制御器のみを用いてよく、又は多数レベルの（入れ子式）副制御器を用いてもよい。電力エレクトロニクスのシステム又は回路は一般に、それぞれが一つの又は典型的には多数のスイッチ装置を含む複数のスイッチを含む。図１の例では、電力用半導体スイッチング装置はＩＧＢＴ１３２である。ただし、ＭＯＳＦＥＴ、ＪＦＥＴ等のような装置も用いることができる。
【００４０】
例示のように、スイッチング装置制御器（スイッチ装置）１３０はデジタル論理を含む。これは、装置制御器１３０を副制御器１２０に接続するバス１２２とのインタフェイスをなす。好ましい複数の実施形態では、装置制御器１３０は、このバスを介して電力を受ける。制御器は、装置制御器／スイッチ装置１３０の低電圧部分に給電するべくバスから電力を導出する電源回路１４１を含む。動作上、デジタル論理１４０は、指令及び設定情報をバス１２２を介して受信して承認及び他のデータによって応答する。詳細については、本願と同日に出願された我々の同時係属中の英国特許出願を参照のこと。
【００４１】
デジタル論理１４０は、フィードバック制御回路１３８とのインタフェイスをなす。フィードバック制御回路１３８は、例示される例では、ＩＧＢＴ１３２を駆動するゲート駆動器１３６に結合される。一例の実装では、フィードバック制御回路は、アナログ及びデジタル回路の混合を含む。例示される例では、スイッチ装置制御器と副制御器との接続は、高速ポイントツーポイント接続であるが、共有バスも用いてよい。一つの実施形態では、接続はツイスト銅線ペアを含む。スイッチング装置制御器への電源を与えるべく、同じペア又は追加のペアを用いてもよい。代替的に、光ファイバ接続も用いることができる。かかる配列により、スイッチング状態間の遷移を制御するべく、例えば１００Ｍｂｉｔ／ｓ又は１Ｇｂｉｔ／ｓよりも速い高速データ転送が容易となる。
【００４２】
後にさらに述べる図６は、図１のデジタル論理１４０の詳細を示す。後に述べることだが、中央制御器からのリアルタイムメッセージによりスイッチ状態が要求される（及び達成時に同様に承認される）一方、設定及びモニタリングデータを非リアルタイムメッセージにより送受信することができる。すなわち、バス１２２とのインタフェイスは、リアルタイム論理１５０及び非リアルタイム論理１５２を含む。複数の実施形態では、制御器は、マルチプレクサ１５６によって選択可能な設定データを格納する２つのレジスタバンク１５４ａ、ｂを含む。レジスタバンクは、デジタル論理によってプログラムされる。デジタル論理は、どのレジスタバンクがアクティブとなるか、及びどのレジスタバンクが書き込み可能であるかも制御する。アクティブなレジスタバンクが、後に述べる能動フィードバック制御ループの状態を設定するパラメータ情報を与える。アクティブでないレジスタバンクは、通信インタフェイスを介して更新することができる。その後、この新パラメータデータによりシステム状態が制御されるようにアクティブにされる。これにより、制御器設定のリアルタイム更新が可能となり、かつ、多くのスイッチ／制御器を有するシステムにおける同期更新も可能となる。
【００４３】
後に詳述するように、図１のスイッチング装置制御器１３０の好ましい複数の実施形態は、半導体スイッチング装置の電圧を識別する電圧識別回路１４２と、当該装置を流れる電流を識別する電流識別回路１４４とを含む。全体的なシステムのいくつかの好ましい実施形態では、これらの識別回路のいずれか又は双方からのデータは、要求により、副制御器１２０及び中央制御器１１０の一方又は双方へフィードバックされる。
【００４４】
フルブリッジ（Ｈブリッジ）、ハーフブリッジ又は３相インバータのような電力変換器では、各スイッチ位置が一以上の半導体スイッチング装置を含む。導入で述べたタイプの高電圧及び／又は高電流用途では、多くの半導体スイッチング装置は、それぞれが各スイッチング装置制御器を有して直列及び／又は並列に接続される。図２ａは、Ｈブリッジ電力変換器２００の一例を示す。これは、例えばＤＣからＡＣへ又はその逆の変換を目的として用いられる。この例では、Ｈブリッジ２０４の各スイッチ２０２ａ〜ｄは、図２ｂに詳細に示されるような一組の半導体スイッチング装置ダイを含む。図２ｂの拡大図では、単数の制御可能スイッチ２０２は、例えばそれぞれが炭化ケイ素ダイを含む９つの電力用半導体スイッチング装置２１０を含む。多数の装置が並列接続されて電圧レベルを作り、その後、電圧レベルを直列接続するべく複数の組の多数の装置が直列接続される。他の実施形態では、単数のスイッチング装置制御器が、２つ以上のスイッチ又は装置ダイを制御する。各スイッチ２１０は、各スイッチング装置制御器１３０を有する。そして、各スイッチング装置制御器１３０は、副制御器１２０ａ、ｂの一方に結合される。
【００４５】
例示のように、別個のバスが副制御器とスイッチング装置制御器との間に延びる結果、各スイッチング装置制御器に対しかかるバスの一つが存在する。一つの例示的なシステムでは、副制御器が、各スイッチング装置制御器に対して３０の別個のバス接続を与える。すなわち、例えば、３６の半導体スイッチを用いる図２ａのＨブリッジに対して、２つの副制御器が用いられる。当業者であればわかることだが、多数のスイッチを有する高電圧及び／又は電流の電力回路では、数百又は潜在的には数千の半導体スイッチング装置が用いられる。かかる配列では、電力用半導体スイッチング装置は、直列かつ並列に接続可能な必要がある。スイッチング装置制御器システムは、これらの装置のスイッチングを同期して、すなわち事実上、実質的に同時に制御できる必要がある。
【００４６】
同時制御を容易とするべく、一定数のスイッチ状態が画定される。これらは、大まかには以下のとおりである（ただし、他の実装では、これよりも多い又は少ない状態も用いられる）。
状態１：完全オフ（スイッチがオフにされ、漏れ電流のみが流れる。）
状態２：低ゲート電圧ありのオフ（スイッチはオフにされるが、ゲートしきい値電圧に近い。）
状態３：アクティブ低電流（スイッチはアクティブであるが、画定された低電流が流れる状態にある。）
状態４：アクティブ低電圧（スイッチはアクティブであるが、スイッチ間に画定された低電圧（飽和電圧よりも上）が存在する状態にある。）
状態５：高ゲート電圧ありオン（スイッチはオンにされかつ飽和であるが、完全飽和ではない。）
状態６：飽和オン（スイッチは飽和されたオン状態にある。）
【００４７】
要求されたスイッチ状態の通信が、中央制御器からスイッチング装置へのリアルタイムメッセージによって行われる。加えて、設定及びモニタリングデータを、非リアルタイムメッセージによって交換することができる。
【００４８】
大まかには、装置、例えばＩＧＢＴ電力用半導体スイッチング装置がオフの場合、装置間に、例えば１ｋＶのオーダーの高電圧が存在する。存在するのは、実質的にゼロの電流（漏れ電流のみ）及び実質的にゼロのゲート電圧（又は、装置によっては負のゲート電圧）である。ゲートに電流を注入すると、ゲート電圧が少しだけ増加する。その結果、例えば０．１〜１アンペアのオーダーのわずかな電流が流れ始める。これにより事実上、直列結合装置が同時にアクティブとなる。これの状態を達成するには、ゲート充電時間及び伝播遅延を考慮すると、例えば５０ｎｓ〜１μｓのオーダーとなる。この状態から、ゲートに電流をさらに注入すると、ゲート電圧がさらに増加して、例えば１００アンペアのオーダーの、実質的に多くの電流が装置に流れる状態に到達する。装置間には依然として、１０ボルトのオーダーの残留又は「アクティブ」低電圧が存在する。最終的にゲート電圧は、シリコン装置に対する１５ボルトのオーダー、又は炭化ケイ素装置に対する２０ボルトのオーダーであるその全電圧まで駆動される。その時点で、装置は飽和されてその全電流が流れ、及び装置間に、例えば２ボルトのオーダーの最小かつ飽和の（完全）オン電圧が得られる。
【００４９】
上述の概要的記載は簡潔であるが、以下では、いくつかの例の状態及び遷移について詳細に述べる。
【００５０】
ここで図３ａを参照すると、図１のＩＧＢＴのゲート電荷Ｑｇに対するコレクタ・エミッタ電圧Ｖｃｅ、コレクタ電流Ｉｃ及びゲート電圧Ｖｇのグラフが示される。スイッチング装置制御器の好ましい複数の実施形態は、ＩＧＢＴを、電圧制御装置ではなく電流制御又は電荷制御装置とみなす。これは、ＩＧＢＴのゲートを制御可能電流源によって駆動することで達成される。ゲート電界（及びゲート電圧）はゲート電荷の関数であるが、低インピーダンス電圧源であっても電圧源から装置を駆動することと対比すると、装置を電流制御されるものとみなすことと電流源から装置を駆動することとの間には明確な差異が存在する。これは、装置が、（ゲートとエミッタ又はソースとの間に）固有のゲート容量を有するからであり、かつ、（ゲートとコレクタ又はドレインとの間に）Ｖｃｅの変化率に依存する値を有するミラー容量も有するからである。ＩＧＢＴを電流駆動によって制御することにより装置は、Ｖｃｅ及びＩｃの一方又は双方が変化するがＶｇは実質的に一定である状態間を遷移することができる。さらに、装置を制御可能電流／電荷によって駆動することにより、ＶｃｅのｄＶ／ｄｔ及びＩｃのｄＩ／ｄｔを制御することが容易となる。
【００５１】
すなわち図３ａを参照すると、装置が完全オフの初期状態Ｓ１において存在するのは、実質的にゼロのゲート電荷であり、ゲート電圧も実質的にゼロである。この条件では、Ｖｃｅは実質的に最大である。すなわち、装置は、コレクタ端子及びエミッタ端子間に適用される全電圧をサポートしている。また、Ｉｃは実質的にゼロである。すなわち、無視できる漏れ電流のみが流れる。図３ａは、ゲート電圧がゼロとなるオフにされている例の装置に対する曲線を示すが、当業者であれば、特定の装置によってはゲート電荷Ｑｇ及びゲート電圧Ｖｇが双方とも、装置が完全オフの場合に代替的に負となることがわかる。
【００５２】
電荷がＩＧＢＴのゲートに注入されると、ゲート電圧が次第に上昇して装置は第２状態Ｓ２になる。第２状態Ｓ２では、装置は依然として完全オフであるが、ゲート電圧は、装置がオンになり始める電圧をわずかに下回っている。我々は、これを低しきい値電圧ＶｔｈＬとして言及する。これは、装置の使用条件（温度範囲）により画定されるどんな状況でも装置がアクティブにはならないことを保証し得るゲート電圧である。この低しきい値電圧は、温度の関数であり、かつ、装置自体の関数でもある。典型的には、電力ＩＧＢＴに対してこの電圧は３ボルトのオーダーである。
【００５３】
ＩＧＢＴのゲートへの電荷注入を続けると、装置は状態Ｓ２から状態Ｓ３まで移動する。状態Ｓ３では、装置は、部分的にオン（アクティブ）であり、かつ、制御された低電流が装置を流れている。ゲートに電荷が注入されると、装置は低しきい値電圧に到達してＩＧＢＴは導通し始める。さらに電荷が注入されると、装置はさらに導通してコレクタ電流Ｉｃは、図示のように、注入された電荷とともに上昇する。状態Ｓ３の位置は、コレクタ電流の画定値によって画定される。コレクタ電流の画定値では、装置が低電流プラトー（すなわち、画定されたコレクタ電流が装置を流れる点であって、フィードバック制御システムによって一定に保持される点）に保持される。
【００５４】
スイッチ装置のゲートにさらに電荷が注入されると、装置は、状態Ｓ３から状態Ｓ４へ遷移する。この遷移の間、コレクタ電流は最大値まで増大し、かつ、装置間のコレクタ・エミッタ電圧は最小値近くにまで下降する。状態Ｓ３及びＳ４間のＶｃｅ及びＩｃの曲線の正確な形状は、装置が接続された回路のトポロジ及び関連づけられた回路のインダクタンス／容量／抵抗に依存する。例えば、抵抗負荷により、コレクタ・エミッタ電圧が直線的に減少するにつれてコレクタ電流は直線的に増加する。ダイオード負荷とは対照的に、ひとたびダイオードがスイッチングしきい値に到達するとコレクタ電流は急速に増加する。これは、図３ｂ及び３ｃに模式的に例示される。図３ｂ及び３ｃはそれぞれ、抵抗負荷をスイッチングするＩＧＢＴ、及び、例えば典型的なブースト変換器構成に見られるタイプの、ＩＧＢＴが誘導負荷をスイッチングする誘導ダイオードクランプ回路を示す。誘導ダイオードクランプ負荷によりコレクタ電流は最初に、電圧が不変のまま最大点まで直線的に増加し、その後当該電流が不変のまま電圧が最小点まで直線的に下降する。
【００５５】
しかしながら、当業者であれば、状態Ｓ３及びＳ４間の領域におけるＶｃｅ及びＩｃの曲線の正確な遷移は関連性がないことがわかる。開始点及び終了点すなわち各状態が、双方とも十分に画定されているからである。すなわち状態Ｓ４において装置は、オン（アクティブ）であるが、装置が飽和オンの場合にＶｃｅよりも上回るコレクタ・エミッタ電圧を依然としてサポートしている。状態Ｓ４の位置は、この低電圧プラトーのＶｃｅ電圧値によって画定される。これは例えば、１０〜５０ボルトのオーダーである。
【００５６】
状態Ｓ４では、ゲート電圧は、いわゆる高しきい値電圧ＶｔｈＨ未満である。この高しきい値電圧は、ゲート電圧が低減されるときに装置がちょうど飽和から逸脱し始める最小電圧である。すなわち、状態Ｓ４から状態Ｓ５へ移動するとき、装置は完全にオンとなりかつ飽和となる。ＩＧＢＴのゲートへ電荷を注入し続けると、ゲート電圧は、関連づけられたゲート容量が充電されるまで実質的に一定のままであり、その後上昇して高しきい値電圧ＶｔｈＨに到達する。状態Ｓ５は、この高しきい値電圧と等しい（又はこれを超える）ゲート電圧によって画定される。換言すれば、ゲート電圧がＶｔｈＨまで下がる場合、装置が飽和のままであることを保証することができる。ＶｔｈＨの典型的な値は７〜９ボルトの範囲にある。例えば１０〜１５ボルト（又は炭化ケイ素装置に対して２０ボルトのオーダーまで）のようなこれよりも大きな電圧では、装置は完全に飽和する。上側のしきい値電圧は、装置を流れる電流に部分的に依存する。
【００５７】
一実施形態では、状態Ｓ２及びＳ５は、ゲート電圧を画定された基準電圧値と対比することによって画定される。これらは、制御器に、例えば制御器の一以上のレジスタにプログラムすることができ、及び／又は制御器に、装置がちょうど飽和から逸脱し始め／アクティブになり始める点を学習する学習モードを設けることができる。この場合オプションとして、温度変動のためのエラーマージンが適用される。
【００５８】
ＩＧＢＴのゲートへ電荷を注入し続けると、ゲート電圧は、装置が完全に飽和オンとなる状態Ｓ６に到達するまで増加し続ける。状態Ｓ６は、例えば制御器にプログラムされたゲート電圧値によって画定される。
【００５９】
図３ａに例示される曲線は双方向性である。すなわち、装置は、ＩＧＢＴのゲートに電荷を注入すること／ＩＧＢＴのゲートから電荷を除去することにより、例示の状態のいずれの間でも移動することができる。特に、状態Ｓ３及びＳ４の達成は、装置の低電流プラトー及び低電圧プラトーの値によって画定される。ただし、動作上、そのタイミングは、装置が動作する回路に依存する。例えば、状態Ｓ３からＳ４への遷移タイミングは、Ｖｃｅがどれほど迅速に崩壊するかに依存する。
【００６０】
制御器のいくつかの好ましい実施形態では、スイッチング装置を状態Ｓ３及びＳ４間で、詳しくは状態Ｓ２及びＳ５間で移動させるべく能動フィードバック制御ループが用いられる。好ましい複数の実施形態では、この能動的な制御は、装置をまるで受動抵抗であるかのように挙動させるべく制御することによってＶｃｅ及びＩｃ双方を並列同時制御する制御ループを用いる。すなわち、複数の実施形態では、この能動フィードバック制御は、ＶｃｅとＩｃとの比を画定する。これにより、スイッチング装置の実効抵抗が決定される。装置は、当該装置の実効標的抵抗を変更することにより一の状態から他の状態へ移動される。フィードバックループはその後、電圧及び電流を画定された比に維持するべく動作する。
【００６１】
すなわち、大まかにいえば、制御器は、スイッチング装置を状態Ｓ１からＳ６の間で双方向的に移動するべく動作する。ここで、Ｓ２及びＳ５（並びに事実上はＳ１及びＳ６）が装置データシートにより固定され、かつ、Ｓ３及びＳ４は、低電流プラトー及び低電圧プラトーのレベルを選択することにより画定される。複数の実施形態では、低電流プラトーは、例えば１００ｍＡ、１０ｍＡ、１ｍＡ又は０．１ｍＡ未満の著しい低電流を含む。
【００６２】
様々な状態間の経時的な動きを図４に例示する。図４は、Ｙ軸に電圧／電流を示し、Ｖｃｅ、Ｉｃ及びＶｇの変動を再び例示する。ただし、この図では、これらの変動は、Ｘ軸を時間としたものであって、ゲート電荷としたものではない。例示の例では、装置は、飽和オフ状態Ｓ１から始まり、飽和オン状態Ｓ６へ向かって移動し、ひいては装置のターンオンを示す。しかしながら、それに対応して、同様の曲線の組が、装置をオフにする反対方向に追従し得る。時間軸の注釈によって例示されるように、装置は、特定の状態へ移動すべきとの指令を受信するスイッチング制御器によって、例えば「Ｓ２へ移動」のように一の状態から他の状態へ遷移される。関連する状態へひとたび到達すると、スイッチング制御器は「ＯＫ」との承認を返す。前述のシステムの文脈では、スイッチング装置制御器は、状態変更指令を中央又は副制御器から受信する。複数のスイッチを同期的に制御するべく、中央又は副制御器は、指令を複数の装置すべてに送信して同じ画定された状態へ移動させる。その後、これらすべてのスイッチング装置制御器からの承認を待ってから、次の状態変更のための指令の送信に進む。このようにしてスイッチが同期的に移動するべく制御される。これにより、スイッチングプロセスの間に電流／電圧を多数の装置間で均衡させることが容易となる。その結果、例えば、一つの装置には、他の装置がスイッチングされる前においては、当該組に対する電圧／電流の全体が見えない。さらに、状態間の移動は可逆的なので、問題点が検出されると（又はスイッチング装置制御器によって示されると）、一つ又は一群の装置を移動させて初期状態まで戻すことができる。これは、問題点又は潜在的な問題点の検出時、一組のスイッチング装置を既知の「良好」又は安全状態へ戻すべく使用される。その結果、装置同士の間の巻き添え損害のリスクが低減される。
【００６３】
図４に例示される状態は図３ａに示されるものに対応するが、図４では、当該状態が待機時間持続するので、各状態は関連する曲線上の点ではなくプラトーによって示される。図４に例示される状態間の遷移のいくつかは、時間的制約がない。例えば、状態Ｓ１及びＳ２並びにＳ５及びＳ６間の遷移はゆっくり生じる。これらの領域にはＶｃｅ又はＩｃの変化が存在しないからである。すなわち、中央／副制御器が発する指令には、これらの状態に関して時間的制約が存在しない。対照的に、状態Ｓ３及びＳ４は相対的に短い期間であることが好ましい。Ｖｃｅ及びＩｃが一緒に変化する状態Ｓ２及びＳ５間の領域にわたっては、局所的なフィードバック制御を適用してこれらの状態間の遷移を制御することが好ましい。
【００６４】
ここで図５を参照すると、本発明の一実施形態に係る電力用半導体スイッチング装置制御器５００が示される。これは、電力用半導体スイッチング装置を上記状態Ｓ１からＳ６の選択された一つへ制御するべく構成される。図１のものと同じ要素は、同じ参照番号によって示される。
【００６５】
図５では、アナログ制御回路１３８が、制御可能電流源（及びシンク）５０４を駆動する増幅器５０２を含む。制御可能電流源（及びシンク）５０４は、電流駆動信号をＩＧＢＴ１３２のゲートに与える。電圧フィードバック回路１４２が、電圧識別信号をスケーリング回路５０６に与えて、識別された信号を係数αだけスケーリングする。電流識別回路１４４が、電流識別信号を第２スケーリング回路５０８に与える。第２スケーリング回路５０８は、電流識別信号を係数βだけスケーリングする。スケーリングされた電圧及び電流識別信号は、結合回路  ５１０、詳しくは差分回路に与えられる。差分回路は、電流増幅器５０２、５０４のためのエラー信号を与える。それと一緒に、これらの回路ブロックは、外部スイッチ回路の識別された電圧及び電流に応じてスイッチ装置を画定された状態に保持するべく設計された能動フィードバック制御機構を与える。
【００６６】
第２しきい値状態制御ループが、ゲート電圧フィードバックライン５１６によって与えられる。これは、ゲート電圧制御出力５２０を導出するべく、さらにエラー信号を電流増幅器５０２／５０４に与えるべく、回路５１８においてゲート電圧基準と対比される。スイッチ５２２は、アクティブ状態制御ループの出力及びゲート電圧制御ループの出力間のスイッチングを行うことができる。その結果、ゲート電圧制御が状態Ｓ２まで及び状態Ｓ５を超えて適用され、かつ、アクティブ状態制御ループが状態Ｓ２及びＳ５間に適用される。
【００６７】
デジタル制御器１４０は、フィードバック利得パラメータα及びβ、電圧及び電流のオフセット値、ゲート電圧基準、並びにスイッチ５２２の位置を設定する一組の制御信号を与える。制御器はまた、Ｖｃｅ、Ｉｃ及びＶｇの値を識別するべく識別信号を受信する。制御器は、各状態Ｓ１からＳ６の様々な制御システムパラメータを格納するための一組のレジスタ５３０を含む。
【００６８】
図示のスイッチ位置では、識別されたゲート電圧が、基準（又は要求された）ゲート電圧信号と対比されてエラー信号が生成される。このエラー信号は、負のフィードバック制御ループにおいてスイッチ装置の制御ゲートの中に又は外へ電流を駆動するのみならず、標的ゲート電圧に到達した時、ひいては望まれる状態Ｓ２又はＳ５が達成された時を決定するべくゼロと対比することもできる（注目に値することだが、Ｖｃｅが実質的に不変なので、ミラー容量はここではなんの役割も果たさない）。
【００６９】
状態Ｓ３及びＳ４を介して状態Ｓ２及びＳ５間で移動するべく、デジタル制御器１４０は実効抵抗値を画定する。実効抵抗値は、電圧及び電流フィードバック利得パラメータを計算するべく使用される。当該パラメータは、制御ループの挙動を画定する。測定されたＶｃｅ及びＩｃ識別信号は、実効抵抗並びにデジタル制御器制御α及びβを決定するべく使用される。ＩＧＢＴは、標的実効抵抗によって画定された動作曲線上の位置まで移動される。低電流プラトー状態Ｓ３では、装置は高標的抵抗を有する。低電圧プラトー状態Ｓ４では、装置は低標的抵抗を有する。標的抵抗は、状態Ｓ３及びＳ４間で移動するように変更され、以下の式で表すことができる。
【数１】
2015510382.tif 000003
【００７０】
これは、オームの法則Ｖ＝Ｉ×Ｒに由来する。制御ループに対する関係を満たすＶ及びＩの組み合わせが常に存在する。これは、現実の受動抵抗に対する場合にも当てはまる。
【００７１】
すなわち、複数の実施形態では、制御システムは、この式の関係が当てはまるように動作する。この式からのいずれの偏差もエラー信号をもたらす。エラー信号は、この偏差が修正されて当該エラー信号がゼロまで駆動されるようにスイッチ装置の制御ゲートを駆動する。これが、負のフィードバックループの動作原理である。したがって、制御ループ利得パラメータα及びβは、特定された状態Ｓ１からＳ６に対するＶ及びＩ間の望まれる制御関係を与えるべく調整される。これは事実上、その状態に対するＲｅ値（実効抵抗）を設定する。複数の実施形態では、デジタル制御器１４０は、装置の標的抵抗を、例えば状態Ｓ３に画定し、その後この標的抵抗を変更して当該装置を状態Ｓ４まで（又はその逆に）移動させるように動作する。
【００７２】
図５には示されないが、好ましいいくつかの実装では、デジタル制御器はまた、例えばスリープモード、シャットダウンモード等に入る指令を実装する付加的な機能を与える。さらに、デジタル制御器は、例えば識別された電圧／電流についての情報、及び／又は、過電流、過電圧又は過温度のような潜在的な故障条件の警告を与えるモニタリング及びステータス／警告データをバス１２２を介して送信できることが好ましい。複数の実施形態では、デジタル制御器とのインタフェイスは、パケットデータインタフェイスである。これは、リアルタイム（高優先順位）及び非リアルタイム（低優先順位）データパケットの双方を扱うことができる。かかる場合、スイッチング装置制御器において状態指令を受信し、かつ、承認信号を返すべく高優先順位／リアルタイムデータパケットが使用される。モニタリング／ステータス／警告データのためには非リアルタイム（低優先順位）が用いられる。
【００７３】
図６はさらに、図５のスイッチング装置制御器とともに用いられるレジスタバンク配列を例示する。望ましくは、画定された時刻に、例えばスイッチング作動が生じない時に、スイッチング装置制御器の設定を更新することができる。しかしながら、設定データは、リアルタイムデータパケットで送信するには大きすぎるので、複数の実施形態では、設定情報は、「影の設定」を利用する２段階のプロセスで更新される。
【００７４】
すなわち図６を参照すると、スイッチング装置制御器は、一対のレジスタバンク１５４ａ、ｂを組み入れる。これらの一方が、影の設定データ及び他の格納アクティブ設定データを格納する。設定変更が望まれる場合、例えば低優先順位の非リアルタイムデータを使用して、影の設定データが、関連するスイッチング装置制御器のすべてに対して更新される。影の設定への変更は、装置制御器のスイッチング挙動に影響を与えない。その後、更新された設定をアクティブにすることが望まれる場合、単数のリアルタイム作動指令が用いられて、アクティブなレジスタバンクを指定するスイッチング、又は影のレジスタバンクからアクティブなレジスタバンクへのデータコピーのいずれかが行われる。
【００７５】
我々が記載した複数の方法は、スイッチング装置を任意の電流又は電圧で制御することに適しているが、これらは電力用半導体スイッチング装置を制御するべく特に有利である。
【００７６】
もちろん、多くの他の有効な代替例が当業者には想起される。本発明は上述の実施形態に限られず、かつ、添付の請求項の要旨及び範囲内において当業者に明らかな修正例をも包含することを理解されたい。
【図１】
2015510382.tif 000004
【図２ａ】
2015510382.tif 000005
【図２ｂ】
2015510382.tif 000006
【図３ａ】
2015510382.tif 000007
【図３ｂ】
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【図３ｃ】
2015510382.tif 000009
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
2015510382.tif 000013
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