(57)【要約】【課題】直列および／または並列に接続された電力半導体スイッチ（Ｓ１ ．．． Ｓ４ ）の動的な負荷平衡化法が、開示されている。【解決手段】各電力半導体スイッチ（Ｓ１ ．．． Ｓ４ ）に依存しない、システム全体に有効な同期走査タイミング（ｔｓｊ ）を、回路（１，４）全体の同期事象（ｅｓ）にもとづき決めることにより、電力半導体スイッチ（Ｓ１ ．．． Ｓ４ ）に対する個々の切換え信号（ｉＧ１，ｉＧ２）を発生させるものである。走査タイミング（ｔｓｊ ）と同期して測定された実測値（ａｉ ）と電力半導体スイッチ（Ｓ１ ．．． Ｓ４ ）の非同期状態変数（ａ（ｔ））の予め設定可能な目標値（ａＳ ）との間の制御偏差は、同じ切換え周期またはそれ以降の切換え周期において低減される。これに代わって、電力半導体スイッチ（Ｓ１ ．．． Ｓ４ ）の非同期状態変数（ａ（ｔ））が、全体的な値として予め設定した閾値（εａ ）を上回った場合に、時間の実測値（ｔａｉ ）を測定することにより、時間の実測値（ｔａｉ ）と時間の目標値（ｔａｓ ）間の制御偏差が最小化される。実施例は、全体的な値として予め設定可能な時間間隔（Δｔ０ ）だけ走査タイミング（ｔｓｊ ）をずらすこと、例えば実測値（ａｉ ，ｔａｉ ）を平均することにより、目標値を局所的な値または全体的な値として設定すること、非同期状態変数（ａ（ｔ））の勾配をさらに平衡化することに関するものである。中央からの走査コマンドが不要となり、そのことにより、切換えの同期性を改善でき、切換え時間を短縮でき、ならびに動的切換え損失を低減することができる。
2004516767.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
各電力半導体スイッチ（Ｓ１ −Ｓ４ ）が、第一の電力端子またはコレクタ（Ｃ）、第二の電力端子またはエミッタ（Ｅ）、ならびに少なくとも一つの制御端子またはゲート（Ｇ）を持ち、この制御端子（Ｇ）には電力半導体スイッチの回路（１，４）の切換えプロセスを開始するための切換えコマンド（ｚ）が供給され、この制御端子（Ｇ）が、電力半導体スイッチ（Ｓ１ −Ｓ４ ）の状態関数の制御偏差にもとづき、個々の切換え信号を用いて駆動可能である、電力半導体スイッチ（Ｓ１ −Ｓ４ ）の回路（１，４）を動的に平衡化する方法において、
ａ）この状態関数は、時間に依存する非同期状態変数（ａ（ｔ））であり、その状態変数の実測値（ａｉ ）は、少なくとも一つの同期走査タイミング（ｔｓｊ ）において測定され、その際この同期走査タイミング（ｔｓｊ ）は、各電力半導体スイッチ（Ｓ１ −Ｓ４ ）に関する、回路（１，４）の同期事象（ｅＳ ）にもとづき、独立して決定されること、
ｂ）この切換え信号（ｉＧ１，ｉＧ２）は、同じ切換え周期またはそれ以降の切換え周期の一つにおいて、時間的にずらされるか、またはその振幅を変化させられ、その結果この実測値（ａｉ ）と予め設定可能な目標値（ａＳ ）間の制御偏差が低減されるものであること、
を特徴とする方法。
【請求項２】
ａ）前記の同期走査タイミング（ｔｓｊ ）は、各電力半導体スイッチ（Ｓ１ −Ｓ４ ）において、局所的な値として決定されること、および／または、
ｂ）前記の同期走査タイミング（ｔｓｊ ）は、前記の同期事象（ｅＳ ）の基準タイミング（ｔｓｊ ）を電力半導体スイッチ（Ｓ１ −Ｓ４ ）に共通な予め設定可能な時間間隔（Δｔ０ ）だけ遅らせる、または早めることによって決定されること、
を特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
ａ）前記の非同期状態変数（ａ（ｔ））の目標値（ａＳ ）は、複数の、または全ての非同期状態変数（ａ（ｔ））の実測値（ａｉ ）の平均値から、全体的な値として決定されること、または、
ｂ）前記の非同期状態変数（ａ（ｔ））の目標値（ａＳ ）は、局所的な値として選定され、しかも特にこの非同期状態変数（ａ（ｔ））の定常値からの偏差と同じに選定され、その偏差は、この非同期状態変数（ａ（ｔ））の最大振幅の予想値の１０％より小さいこと、ならびに、
ｃ）特に、直列回路（４）の閉路プロセスまたは並列回路（１）の開路プロセスに対しては、この非同期状態変数（ａ（ｔ））の目標値（ａＳ ）と実測値（ａｉ ）の直流成分（ａＤＣ）が差し引かれること、
を特徴とする請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
ａ）二つの同期走査タイミング（ｔｓｊ ）において、実測値（ａｉ ）が測定され、それらの勾配（ｄａｉ ／ｄｔ）と目標値の勾配（ｄａＳ ／ｄｔ）から、前記の制御偏差が決定されること、
ｂ）前記の切換え信号（ｉＧ１，ｉＧ２）に対する制御偏差は、勾配（ｄａｉ ／ｄｔ）が高すぎることまたは低すぎることに対応しており、この切換え信号の振幅は、同じ切換え周期またはそれ以降の切換え周期の一つにおいて、減衰または増幅されること、ならびに、
ｃ）特に、第一の走査タイミングは、前記の同期事象（ｅＳ ）の基準タイミング（ｔｓ）に対して僅かな時間間隔を置いて選定され、走査タイミング（ｔｓｊ ）間の差分は、第二の走査タイミングによって近似されること、
を特徴とする請求項１から３までのいずれか一つに記載の方法。
【請求項５】
各電力半導体スイッチ（Ｓ１ −Ｓ４ ）が、第一の電力端子またはコレクタ（Ｃ）、第二の電力端子またはエミッタ（Ｅ）、ならびに少なくとも一つの制御端子またはゲート（Ｇ）を持ち、この制御端子（Ｇ）には電力半導体スイッチの回路（１，４）の切換えプロセスを開始するための切換えコマンド（ｚ）が供給され、この制御端子（Ｇ）が、電力半導体スイッチ（Ｓ１ −Ｓ４ ）の状態関数の制御偏差にもとづき、個々の切換え信号（ｉＧ１，ｉＧ２）を用いて駆動可能である、電力半導体スイッチ（Ｓ１ −Ｓ４ ）の回路（１，４）を動的に平衡化する方法において、
ａ）この状態関数は、電力半導体スイッチ（Ｓ１ −Ｓ４ ）の非同期状態変数（ａ）に依存する時間関数（ｔ（ａ））と同じに選定され、その際この非同期状態変数（ａ）対して、電力半導体スイッチ（Ｓ１ −Ｓ４ ）に共通な、少なくとも一つの閾値（εａ ）が、全体的な値として予め設定され、この閾値（εａ ）を上回る場合に、各電力半導体スイッチ（Ｓ１ −Ｓ４ ）に対して、個々の時間の実測値（ｔａｉ ）が測定されること、
ｂ）この時間の実測値（ｔａｉ ）に対する走査タイミング（ｔｓ）は、回路（１，４）の同期事象（ｅＳ ）によって固定されること、
ｃ）この切換え信号（ｉＧ１，ｉＧ２）は、同じ切換え周期またはそれ以降の切換え周期の一つにおいて、時間的にずらされるか、またはその振幅を変化させられ、その結果この時間の実測値（ｔａｉ ）と予め設定可能な時間の目標値（ｔａＳ ）間の制御偏差が低減されるものであること、
を特徴とする方法。
【請求項６】
前記の時間の目標値（ｔａＳ ）は、時間の実測値（ｔａｉ ）の最大値から全体的な値として決定されるか、または前記の時間の目標値（ｔａＳ ）は、局所的な値として選定されることを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項７】
各電力半導体スイッチ（Ｓ１ −Ｓ４ ）に対して、
ａ）前記の制御偏差は、前記の時間の実測値（ｔａｉ ）と時間の目標値（ｔａＳ ）間の差分から、局所的な値として決定されること、または、
ｂ）前記の基準タイミング（ｔｓ）は、この時間の目標値（ｔａＳ ）の近傍に選定され、この制御偏差は、この時間の実測値（ｔａｉ ）によって近似されること、および／または、
ｃ）前記の切換え信号（ｉＧ１，ｉＧ２）は、最初に遅らされ、および／またはその振幅を最初に減衰されること、
を特徴とする請求項５または６のいずれか一つに記載の方法。
【請求項８】
ａ）前記の非同期状態変数（ａ（ｔ））の二つの閾値（εａ ）に対して、時間の実測値（ｔａｉ ）が測定され、それらの勾配と目標値の勾配から、前記の制御偏差が決定されること、および、
ｂ）前記の切換え信号（ｉＧ１，ｉＧ２）に対する制御偏差が、勾配が高すぎることまたは低すぎることに対応しており、この切換え信号の振幅が、同じ切換え周期またはそれ以降の切換え周期において、減衰または増幅されること、
を特徴とする請求項５から７までのいずれか一つに記載の方法。
【請求項９】
ａ）前記の非同期状態変数（ａ（ｔ））として、直列回路（４）においては、コレクタ・エミッタまたはアノード・カソード電圧（ｖＣＥ３ （ｔ），ｖＣＥ４ （ｔ））、あるいはコレクタ・エミッタまたはアノード・カソード電圧の勾配が、並列回路（１）においては、コレクタ電流またはアノード電流（ｉＣ１（ｔ），ｉＣ２（ｔ））、あるいはコレクタ電流の勾配またはアノード電流の勾配が、選定されること、および／または、
ｂ）前記の同期状態変数（ｘ（ｔ））として、直列回路（４）においては、コレクタ電流またはアノード電流（ｉＣ （ｔ））、あるいはコレクタ電流の勾配またはアノード電流の勾配が、並列回路（１）においては、コレクタ・エミッタまたはアノード・カソード電圧（ｖＣＥ（ｔ））、あるいはコレクタ・エミッタまたはアノード・カソード電圧の勾配が、選定されること、
を特徴とする請求項１から８までのいずれか一つに記載の方法。
【請求項１０】
ａ）前記の同期事象（ｅＳ ）は、同期状態変数（ｘ（ｔ））の予め設定可能な閾値（εＳ ）を超えること、または横切ること、または達成することとして定義されること、または、
ｂ）前記の同期事象（ｅＳ ）は、相異なる電力半導体スイッチ（Ｓ１ −Ｓ４ ）の非同期状態変数（ａ（ｔ））の逆方向の振幅変化として定義されること、
ｃ）特に、前記の同期事象（ｅＳ ）は、その閾値（εＳ ）の同期状態変数（ｘ（ｔ））の定常値からの偏差が、同期状態変数（ｘ（ｔ））の最大振幅の予想値の１０％より小さいと選定されることによって、切換えプロセスの始めに選定されること、
を特徴とする請求項１から９までのいずれか一つに記載の方法。
【請求項１１】
ａ）並列回路（１）の開路プロセスに対して、前記の同期事象（ｅＳ ）は、並列回路（１）に直列に配置された転流ダイオード（ＤＳ ）が導通状態にあるフェーズＡにおいて、非同期状態変数（ａ（ｔ））が、予め設定可能な閾値（εａ ’’）を下回ることとして近似的に定義されること、または、
ｂ）直列回路（４）の閉路プロセスに対して、前記の同期事象（ｅｓ６’）は、転流ダイオード（ＤＳ ）が遮断状態にあるフェーズＢにおいて、非同期状態変数（ａ（ｔ））が、予め設定可能な閾値（εＳ６）を下回ることとして近似的に定義されること、または、
ｃ）前記の同期事象（ｅＳ ）は、回路（１，４）に直列に配置された転流ダイオード（ＤＳ ）が導通状態にあるフェーズＡと、この転流ダイオード（ＤＳ ）が遮断状態にあるフェーズＢとの間で変化することとして定義されること、
を特徴とする請求項１から９までのいずれか一つに記載の方法。
【請求項１２】
ａ）並列回路（１）の開路プロセスに対して、前記の同期事象（ｅＳ ）の基準タイミング（ｔｓ）は、コレクタ・エミッタまたはアノード・カソード電圧（ＶＣＥ（ｔ））が閾値を上回り、かつコレクタ・エミッタまたはアノード・カソード電圧の勾配が閾値、特にゼロの閾値を下回るタイミングと同じに選定されること、または、
ｂ）直列回路（４）の閉路プロセスに対して、前記の同期事象（ｅｓ）の基準タイミング（ｔｓ）は、コレクタ・エミッタまたはアノード・カソード電圧（ＶＣＥ（ｔ））が閾値（εＳ６）を下回るタイミングと同じに選定されること、特に、この閾値（εＳ６）は、直列回路（４）に直列に配置された転流ダイオード（ＤＳ ）が導通状態にあるフェーズＡの終りにおけるコレクタ・エミッタまたはアノード・カソード電圧（ＶＣＥ（ｔ））の予想値より小さいこと、
を特徴とする請求項１から１１までのいずれか一つに記載の方法。
【請求項１３】
ａ）実測値（ａｉ ）が目標値（ａＳ ）に先行するか、または時間の実測値（ｔａｉ ）が時間の目標値（ｔａＳ ）に先行する場合の制御偏差に対する切換え信号（ｉＧ１，ｉＧ２）は、時間的に遅らされるか、またはその振幅を減衰されること、または、
ｂ）実測値（ａｉ ）が目標値（ａＳ ）に遅れるか、または時間の実測値（ｔａｉ ）が時間の目標値（ｔａＳ ）に遅れる場合の制御偏差に対する切換え信号（ｉＧ１，ｉＧ２）は、時間的に早められるか、またはその振幅を増幅されること、ならびに、
ｃ）特に、この切換え信号（ｉＧ１，ｉＧ２）は、ゲート電流（ｉＧ１，ｉＧ２）、ゲート電圧、またはゲート電流の時間積分であること、
を特徴とする請求項１から１２までのいずれか一つに記載の方法。
【請求項１４】
前記の切換えコマンド（ｚ）は、中央制御部から、少なくとも一つの第一の電力半導体スイッチ（Ｓ１ ）に伝送されること、ならびに、
ａ）そこから、局所的な閉路コマンドが、第二の電力半導体スイッチ（Ｓ１ −Ｓ４ ）に分配され、および／または、
ｂ）第二の電力半導体スイッチ（Ｓ１ −Ｓ４ ）によって、切換えプロセスが識別され、それにもとづき、特に同期および／または非同期状態変数（ｘ（ｔ），ａ（ｔ））の変化を観測することにより、局所的な切換えコマンドが生成されること、
を特徴とする請求項１から１３までのいずれか一つに記載の方法。
【請求項１５】
ａ）前記の回路（１，４）は、牽引、高圧直流送電、無線送信、誘導加熱、誘導溶接用のスイッチモジュール、特にインバータのハーフブリッジ辺であること、および／または、
ｂ）前記の電力半導体スイッチ（Ｓ１ −Ｓ４ ）は、ＢＪＴ，ＩＧＢＴ，ＭＯＳＦＥＴ，サイリスタ，ＧＴＯ，ＭＣＴ，またはこれらを組み合わたものであること、
を特徴とする請求項１から１４までのいずれか一つに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電力エレクトロニクス分野に関連するものである。それは、独立請求項の上位概念にもとづく、電力半導体スイッチを動的に平衡化する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
そのような直列に接続された電力半導体スイッチを動的に同期化する方法は、Ｃ． Ｇｅｒｓｔｅｒ氏の論文である「Ｆａｓｔ Ｈｉｇｈ−ｐｏｗｅｒ／Ｈｉｇｈ−ｖｏｌｔａｇｅ Ｓｗｉｔｃｈ Ｕｓｉｎｇ Ｓｅｒｉｅｓ−ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ＩＧＢＴｓ ｗｉｔｈ Ａｃｔｉｖｅ Ｇａｔｅ−ｃｏｎｔｏｒｌｌｅｄ Ｖｏｌｔａｇｅ−ｂａｌａｎｃｉｎｇ， Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ １９９４ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｘｐｏｓｉｔｉｏｎ，Ｖｏｌ． １， ｐｐ． ４６９−４７２， ＩＥＥＥ， Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ （１９９４）」に開示されている。集中的な制御によって、システム全体に有効な走査タイミングが提供されている。この走査タイミングにおいて、局所的な測定システムを用いて、ＩＧＢＴの個々のコレクタ・エミッタ電圧を求め、この実測値と予め設定した基準値から、個々の差分電圧または制御偏差を検出している。それ以降の切換え周期において、各ＩＧＢＴに対する切換えコマンドを遅延させて、制御偏差を最小化するとともに、コレクタ・エミッタ電圧を平衡化している。この方法においては、中央制御部から局所的な測定システムへの信号伝送時における制御不能な時間偏差が問題となる。これらの伝送時間の間における補償されない偏差によって、最大電圧上昇速度が制限されることになる。そのことから、特に伝送時間のばらつきが大きい廉価な光学的接続を利用する場合には、動的損失が増加するのを甘受しつつ、切換え速度を低下しなければならない。さらに別の問題は、制御偏差と必要な時間遅延間の関係が比較的不確実で、良くても経験的に知られているだけであり、それ以降の切換え周期でようやく修正を行うことができるということにある。そのうえ、この方法においては、中央の走査タイミングを限られた時間スロット内に適合させることが必要となる。さらに、実測値をデジタル形式で中央制御部に供給するためには、アナログ・デジタル変換器が必要である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
この発明の課題は、個々の電力半導体スイッチの正確な同期と構成全体の高い切換え速度を実現可能とする、電力半導体スイッチを動的に同期化するための改善された方法を提示することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
第一の観点においては、この発明にもとづく解決法は、各電力半導体スイッチが、第一の電力端子またはコレクタ、第二の電力端子またはエミッタ、ならびに少なくとも一つの制御端子またはゲートを持ち、この制御端子には、特に中央制御部から、電力半導体スイッチの回路の切換えプロセスを開始するための切換えコマンドが供給され、この制御端子が、電力半導体スイッチの状態関数の制御偏差にもとづき、個々の切換え信号を用いて駆動可能である、電力半導体スイッチの回路を動的に平衡化する方法において、その際さらに、この状態関数は、時間に依存する非同期状態変数であり、その状態変数の実測値は、少なくとも一つの同期走査タイミングにおいて測定され、その際この同期走査タイミングは、各電力半導体スイッチに関する、回路の同期事象にもとづき、独立して決定されること、この切換え信号は、同じ切換え周期またはそれ以降の切換え周期の一つにおいて、時間的にずらされるか、またはその振幅を変化させられ、その結果この実測値と予め設定可能な目標値間の制御偏差が低減されるものであることにある。同期走査タイミングを局所的な値として生成することによって、電力半導体スイッチの制御部またはゲート駆動部に、時間的に同期した形で中央の走査コマンドを分配する必要性がなくなる。それでも、各電力半導体スイッチにおける同期事象が、同じ値の状態変数、または回路の別の測定可能な値を生成するということによって、同期化が保証されるものである。
【０００５】
一つの実施例においては、同期走査タイミングを、各電力半導体スイッチにおいて局所的な値として決定する。同期事象の基準タイミングを、電力半導体スイッチに共通に設定可能な時間間隔だけ時間的に戻すか、または進めることによって、同期走査タイミングを決定することができる。そのことによって、走査タイミングを、切換えプロセスの柔軟に設定可能なタイミングに配置することができ、その際この時間間隔を時間に厳しくない形で伝達できるとともに、各ゲート駆動部で局所的な値として保存することが可能となる。
【０００６】
別の実施例は、複数の、または全部の非同期状態変数の実測値の平均から、非同期状態変数の目標値を全体的な値として決定することに関係したものである。目標値は、制御偏差を計算するためだけに必要とされるので、全体としての目標値の場合には、その伝達は、時間に厳しいものではない。それに代わって、または補足的に、目標値は、電力半導体スイッチによって、局所的な値として、ならびに特に非同期状態変数の定常値からの偏差と等しく選定され、その偏差は、非同期状態変数の最大振幅の予想値の１０％よりも小さい。有利には、直列回路の閉路プロセス、または並列回路の開路プロセスに対して、電子的な処理を簡単化するために、非同期状態変数の目標値と実測値の直流成分が差し引かれる。
【０００７】
さらに別の実施例では、二つの同期走査タイミングにおいて、実測値が測定され、それらの勾配と勾配の目標値から、制御偏差が求められ、その制御偏差が高すぎる勾配か、低すぎる勾配かに対応しており、それに対する切換え信号の振幅が、同じ切換え周期またはそれ以降の切換え周期の一つにおいて、減衰されるか、または増幅される。特に、第一の走査タイミングは、同期事象の基準タイミングに対して小さい時間間隔で選定され、走査タイミング間の差分は、二番目の走査タイミングによって近似される。さらに勾配を制御することにより、電力半導体スイッチの切換え挙動を動的に同期化することの正確性が、一層改善されるものである。
【０００８】
第二の観点においては、この発明にもとづく解決法は、各電力半導体スイッチが、第一の電力端子またはコレクタ、第二の電力端子またはエミッタ、ならびに少なくとも一つの制御端子またはゲートを持ち、この制御端子には電力半導体スイッチの回路の切換えプロセスを開始するための切換えコマンドが供給され、この制御端子が、電力半導体スイッチの状態関数の制御偏差にもとづき、個々の切換え信号を用いて駆動可能である、電力半導体スイッチの回路を動的に平衡化する方法において、その際さらに、この状態関数は、電力半導体スイッチの非同期状態変数に依存する時間関数と同じに選定され、この非同期状態変数対して、電力半導体スイッチに共通な、少なくとも一つの閾値が、全体的な値として予め設定され、この閾値を上回るか、横切るか、達成した場合に、各電力半導体スイッチに対して、個々の時間の実測値が測定されること、この時間の実測値に対する走査タイミングは、回路の同期事象によって固定されること、この切換え信号は、同じ切換え周期またはそれ以降の切換え周期の一つにおいて、時間的にずらされるか、またはその振幅を変化させられ、その結果この時間の実測値と予め設定可能な時間の目標値間の制御偏差が低減されるものであることにある。時間に依存する非同期状態変数の逆関数を利用して、全体的な値としての閾値を超えることから、電力半導体スイッチの非同期性の程度を評価することができるとともに、各電力半導体スイッチにおいて、非同期性を個々に修正することができるものである。
【０００９】
これに対応する実施例においては、時間の目標値は、時間の実測値の最大値から、全体的な値として決定されるか、あるいは局所的な値として選定される。またしても、全体的な値としての時間の目標値の伝達は、時間に厳しいものではない。制御偏差を時間の実測値と時間の目標値間の差分から局所的な値として決定するか、あるいは基準タイミングを時間の目標値の近くに選定することができるとともに、制御偏差を時間の実測値で近似するか、および／ または切換え信号を最初に遅延させるか、および／ またはその振幅を最初に減衰させることができる。最後に述べた措置によって、非同期に切り換えられる電力半導体スイッチは、時間的に遅らせて閉路することも、時間的に早めて閉路することも可能であるとともに、その振幅を増幅することも、減衰させることも可能である。最後に、非同期状態変数の二つの閾値に対して、実測値を測定し、その勾配および勾配の目標値から、制御偏差を求め、その制御偏差が高すぎる勾配か、低すぎる勾配かに対応して、それに対する切換え信号の振幅を、同じ切換え周期またはそれ以降の切換え周期の一つにおいて、減衰したり、増幅することができる。
【００１０】
非同期状態変数に対する例は、直列回路の場合には、コレクタ・エミッタまたはアノード・カソード電圧、あるいはコレクタ・エミッタまたはアノード・カソード電圧の勾配であり、もしくは並列回路の場合には、コレクタまたはアノード電流、あるいはコレクタまたはアノード電流の勾配である。同期状態変数に対する例は、直列回路の場合には、コレクタまたはアノード電流、あるいはコレクタ電流またはアノード電流の勾配であり、もしくは並列回路の場合には、コレクタ・エミッタまたはアノード・カソード電圧、あるいはコレクタ・エミッタまたはアノード・カソード電圧の勾配である。
【００１１】
同期事象に対する例は、同期状態変数が予め設定可能な閾値を超えることか、横切ることか、または達成すること、あるいは相異なる電力半導体スイッチの非同期状態変数が逆方向に振幅変化することである。特に、閾値の同期状態変数の定常値からの偏差を、同期状態変数の最大振幅の予想値の１０％より小さく選定することによって、切換えプロセスの開始時における同期事象を選定するものである。
【００１２】
別の実施例においては、並列回路の開路に対して、同期事象は、転流ダイオード（Ｆｒｅｉｌａｕｆｄｉｏｄｅ ）が導通状態であるフェーズＡにおいて、非同期状態変数が予め設定可能な閾値を下回るか、横切るか、あるいは達成することとして、近似的に定義される。もしくは、直列回路の閉路に対して、同期事象は、転流ダイオードが遮断状態であるフェーズＢにおいて、非同期状態変数が予め設定可能な閾値を下回るか、横切るか、あるいは達成することとして、近似的に定義される。これに代わって、同期事象を、回路に直列に配置された転流ダイオードが導通状態にあるフェースＡと、この転流ダイオードが遮断状態にあるフェーズＢとの間で変化することとして定義することもできる。この変化は、ＡからＢに、またはＢからＡに起こることができる。並列回路の開路に対して、同期事象の基準タイミングを、コレクタ・エミッタまたはアノード・カソード電圧が閾値を超え、コレクタ・エミッタまたはアノード・カソード電圧の勾配が閾値、特にゼロを下回るタイミングと同じに選定することもできる。もしくは、直列回路の閉路に対して、同期事象の基準タイミングを、コレクタ・エミッタまたはアノード・カソード電圧が閾値を下回るタイミングと同じに選定することができる。特に、この閾値を、フェーズＡの終りにおけるコレクタ・エミッタまたはアノード・カソード電圧の予想値よりも小さく選定することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
この発明のその他の実施形態、利点および応用については、独立請求項ならびに以下における図面にもとづく説明から、明らかとなる。
【００１４】
図においては、同じ部品に対しては、同じ符号が振られている。
【００１５】
図１ａでは、二つの並列の電力半導体スイッチＳ１ とＳ２ は、それぞれに付属するゲート駆動部２，３によって駆動される。各ゲート駆動部２，３は、中央の切換えコマンドｚと、さらに時間間隔の目標値Δｔｒｅｆ と、少なくとも一つの同期事象または同期変数ｘ、および少なくとも一つの非同期変数ａの実測値および目標値とを受ける。典型的には、実測値ｘとａは、電力半導体スイッチＳ１ とＳ２ において、局所的な値として測定される。ゲート駆動部２，３においては、入力値ｚ，Δｔｒｅｆ ，ｘおよびａにもとづき、制御信号または切換え信号、すなわちゲート電流ｉＧ１，ｉＧ２か、ゲート電圧ｖＣＧ１ ，ｖＣＧ２ か、ゲート電流ｉＧ１，ｉＧ２の時間積分が生成され、電力半導体スイッチＳ１ またはＳ２ の制御端子あるいはゲートＧに供給される。コレクタ・エミッタ電圧ｖＣＥ（場合によっては、アノード・カソード電圧とも呼ばれる）は、並列回路１では、二つの電力半導体スイッチＳ１ とＳ２ において同じであり、そのため同期状態変数となる。しかし、電力半導体スイッチＳ１ とＳ２ の相異なる切換え挙動のため、コレクタ電流ｉＣ１，ｉＣ２（場合によっては、アノード電流とも呼ばれる）は互いに異なり、動的に同期化される必要がある。
【００１６】
図１ｂは、閉路プロセスに関して、切換えコマンドｚ（ｔ）、同期状態関数または（時間に依存する）状態変数ｘ（ｔ）＝ｖＣＥ（ｔ）、ならびに非同期状態関数または（時間に依存する）状態変数ａ１ （ｔ）＝ｉＣ１（ｔ）とａ２ （ｔ）＝ｉＣ２（ｔ）の典型的な時間の推移を表している。ここに示した例では、ａ１ （ｔ）が先行し、および／またはａ２ （ｔ）が遅れている。測定法としては、コレクタ電流ｉＣ１（ｔ），ｉＣ２（ｔ）は、電力回路におけるインダクタンス、例えばエミッタ・インダクタンスによる電圧降下を積分することによって求める。有利には、積分区間の始まりを、測定するコレクタ電流ｉＣ１（ｔ），ｉＣ２（ｔ）の主要な過渡現象の始まりの近くに選定する。それによって、積分信号における、偏差による揺らぎが最小化される。ａ１ （ｔ）とａ２ （ｔ）を動的に平衡化するための、この発明にもとづく４つの方法を、以下に示す。
【００１７】
第一の場合には、同期事象ｅｓ１ は、同期状態変数ｘ（ｔ）に関する閾値εＳ１を設定することとして定義される。閾値εＳ１を達成すること、ここでは下回ることが、各電力半導体スイッチＳ１ ，Ｓ２ において、または場合によっては空間的に隣接する電力半導体スイッチグループに関して、局所的に測定され、それに対応する基準タイミングｔｓ１ が固定される。この基準タイミングｔｓ１ に対して相対的に時間間隔Δｔ０ を加えて、走査タイミングｔｓ１０が生成され、そのタイミングにおいて、非同期状態変数ａ１ （ｔ）とａ２ （ｔ）の曲線の軌跡上における非同期事象ｅａ１ とｅａ２ に対して、実測値ｉＣ１０ とｉＣ２０ が測定される。詳しくは描かれていない制御ループにおいて、実測値ｉＣ１０ とｉＣ２０ を、予め設定可能な目標値と比較して、制御偏差を求め、個々の切換え信号ｉＣ１とｉＣ２を時間的に遅らせるか、または早めて、および／またはその振幅を適合させ、その結果同じ切換え周期またはそれ以降の切換え周期において制御偏差を低減するものである。このようにして、非同期状態変数ａ１ （ｔ）とａ２ （ｔ）は、すくなくとも切換えプロセスの基本部分に対して、相当に一致するようになる、すなわち非同期状態変数ａ１ （ｔ）とａ２ （ｔ）は同期し、すべての電力半導体スイッチＳ１ ，Ｓ２ は、基本的に同じコレクタ電流ｉＣ１（ｔ）≒ｉＣ２（ｔ）と同じ熱負荷を伝達することになる。切換え時間は、高い同期性を保持しつつ、極度に短く、すなわち１μｓ以下、有利には５００ｎｓ、特に有利には１００ｎｓ以下の範囲内で選定することができ、それに対応して動的切換え損失を最小化することができる。
【００１８】
第二の場合においては、非同期状態変数ａ１ （ｔ）とａ２ （ｔ）の少なくとも一つに対して、勾配の実測値が測定されて、勾配の目標値と比較され、そして同じ切換え周期またはそれ以降の切換え周期において、それに対応する制御偏差が低減されるものである。このため、少なくとも一つの第二の走査タイミングｔｓ２０が生成され、それに対応する非同期事象ｅａ２２とｅａ１３に対して、実測値ｉＣ２２ とｉＣ１３ を求め、二つの組を成す実測値ｉＣ１０ ，ｉＣ１３ ；ｉＣ２０ ，ｉＣ２２ と走査タイミングの差分ｔｓ２０−ｔｓ１０とから、それぞれ勾配の実測値ｄａ２ ／ｄｔおよび／またはｄａ１ ／ｄｔを形成するものである。
【００１９】
第三の場合においては、非同期状態変数ａ１ （ｔ）とａ２ （ｔ）に対して、共通の、または全体的な値としての閾値εａ を予め設定し、閾値εａ を超える場合に、非同期事象ｅａ２１とｅａ１１に対して、時間の実測値ｔａ１ とｔａ２ を測定する。基準タイミングとしては、またもやｔｓ１ を利用し、差分Δｔ１ ＝ｔａ１ −ｔｓ１ からｔａ１ を、ならびに差分Δｔ２ ＝ｔａ２ −ｔｓ１ からｔａ２ を求める。有利には、制御偏差は、時間の実測値の差分ｔａ２ −ｔａ１ ＝Δｔ２ −Δｔ１ に比例して算定され、個々の切換え信号を変化させることによって最小化されるものである。
【００２０】
第四の場合においては、二つの閾値εａ とεａ ’ が予め設定され、それに対応する非同期事象ｅａ１１，ｅａ１２，ｅａ２１およびｅａ２２に対して、時間の実測値ｔａ１ ，ｔａ１２，ｔａ２ およびｔａ２２が測定され、これらの閾値の差分εａ ’ −εａ とそれぞれに対応する時間の実測値の差分ｔａ１２−ｔａ１ とｔａ２２−ｔａ２ から、勾配の実測値ｄａ２ ／ｄｔおよび／またはｄａ１ ／ｄｔを算定し、勾配の目標値と比較して制御偏差を求めるものである。
【００２１】
上述の場合においては、有利には、同期事象ｅｓ１ の基準タイミングｔｓ１ 、走査タイミングｔｓ１０とｔｓ２０、および非同期の時間の実測値ｔａ１ ，ｔａ１２，ｔａ２ ，ｔａ２２は、回路１に対して直列に配置された転流ダイオードＤＳ （図４ｂ）が導通状態にある、切換えプロセスのフェーズＡに配置される。フェーズＡにおける基準タイミングｔｓ１ は、転流ダイオードＤＳ が遮断状態にあるフェーズＢにおける第二の同期事象ｅｓ２ の基準タイミングｔｓ２ によって置き換えることもできる。この第二の同期事象ｅｓ２ は、同時状態変数ｘ（ｔ）が、切換えプロセスの前（図示のとおり）、または後における同期状態変数ｘ（ｔ）の定常値を参照して定義された閾値εＳ２を超えるか、下回ることとして定義される。
【００２２】
図１ｃは、並列回路１に関する典型的な開路プロセスを描いている。例として、三つの場合について述べる。基準タイミングならびに同じく走査タイミングｔｓ３ は、フェーズＢにおける同期状態関数ｘ（ｔ）＝ｖＣＥ（ｔ）の同期事象ｅｓ３ に対する閾値εＳ３を規定することによって、予め設定することができる。開路プロセス中における電力半導体スイッチＳ１ とＳ２ の平衡化を実現するために、非同期状態関数ａ１ （ｔ）＝ｉＣ１（ｔ）とａ２ （ｔ）＝ｉＣ２（ｔ）の実測値ｉＣ１３ ，ｉＣ２３ は、目標値、例えば切換えコマンドｚ（ｔ）による切換えプロセスの開始前の定常値と比較され、対応する制御偏差が最小化される。これに代って、基準タイミングならびに同じく走査タイミングｔｓ４ は、フェーズＢからフェーズＡに代わることの同期事象として定義することができる。またもや、非同期の実測値ｉＣ１４ とｉＣ２４ 間の差分は、制御偏差と非同期性に対する尺度であり、最小化されるべきものである。第三の実施例においては、閾値εａ ’’は、開路前の定常値ａＤＣ以下で予め設定され、フェーズＢ中にある非同期事象ｅａ４１とｅａ４２に対して、基準タイミングｔｓ３ とｔｓ４ に関連して時間の実測値ｔａ４１とｔａ４２が決定され、目標値との比較により、制御偏差が計算される。
【００２３】
図２ａは、例として、個々のまたは非同期のコレクタ・エミッタ電圧ｖＣＥ３ とｖＣＥ４ （場合によってはアノード・カソード電圧と呼ばれる）、および同期コレクタ電流ｉＣ （場合によってはアノード電流と呼ばれる）、ならびにゲート電流ｉＧ３とｉＧ４を持つ電力半導体スイッチＳ３ とＳ４ の直列回路４の場合を図示している。図２ｂは、閉路プロセスを図示している。基準タイミングは、基本的に従前のとおり同期状態関数ｘ（ｔ）＝ｉＣ （ｔ）における同期事象により定義される（図示されていない）。少なくとも二つの非同期状態変数ａ１ （ｔ）＝ｖＣＥ３ （ｔ）とａ２ （ｔ）＝ｖＣＥ４ （ｔ）が測定可能な逆方向の変化を示した場合、基準タイミングｔｓ５ において、準同期事象ｅｓ５ が発生する。走査タイミングｔｓ５０は、フェーズＡに配置され、その結果非同期切換え時において、非同期状態変数の相異なる実測値ｖＣＥ３０とｖＣＥ４０を測定することができ、これらのことから制御偏差を導き出すことができる。走査タイミングｔｓ５０を選定する代わりに、非同期状態変数ａ１ （ｔ）とａ２ （ｔ）に対する全体的な値としての閾値εａ ’’’ を予め設定するもでき、それに対応する実測値ｅａ５１とｅａ５２から、制御偏差を決定することができる。同期事象ｅｓ６ の基準タイミングｔｓ６ として、フェーズＡとＢ間の移行タイミングを利用することもできる。フェーズＢにおける同期事象ｅｓ６’の基準タイミングは、コレクタ・エミッタ電圧ｖＣＥが、特にフェーズＡの終わりにおけるコレクタ・エミッタ電圧ｖＣＥの予想値よりも小さい閾値εＳ６を下回ることとして選定することもできる。
【００２４】
図２ｃは、開路プロセスを図示している。例として、典型的にはフェーズＢにおける同期走査タイミングｔｓ７ での非同期の実測値ｖＣＥ３７とｖＣＥ４７の取得について図示している。これに代わって、フェーズＡにおいて、同期状態関数ｘ（ｔ）＝ｉＣ （ｔ）に関する基準タイミングｔｓ８ を決定するための全体的な値としての閾値εＳ８を予め設定し、非同期状態関数ａ１ （ｔ）＝ｖＣＥ３ （ｔ）とａ２ （ｔ）＝ｖＣＥ４ （ｔ）に対する共通の閾値εａ ｉｖを用いて、非同期の時間の実測値ｔａ８１とｔａ８２を決定することができる。
【００２５】
実測値と目標値からの制御偏差の計算が、上述のとおり行われる。一般的には、その制御偏差が目標値に対する実測値の先行、または時間の目標値に対する時間の実測値の先行に対応する場合の切換え信号は、時間的に遅らされるか、振幅を減衰させられ、あるいはその制御偏差が目標値に対する実測値の後行、または時間の目標値に対する時間の実測値の後行に対応する場合の切換え信号は、時間的に早められるか、振幅を増幅させられるものであると言うことができる。
【００２６】
図３は、この発明にもとづくゲート駆動部２，３の動作に関するブロック回路図を図示している。符号５は、少なくとも一つの同期状態変数ｘ（ｔ）と少なくとも一つの対応する閾値εＳ （εＳ１，εＳ２，εＳ３，εＳ４，εＳ５，εＳ６，εＳ７，εＳ８）に対する閾値スイッチを示している。符号６は、非同期状態変数ａまたはａ（ｔ）（ａ１ （ｔ），ａ２ （ｔ））、および少なくとも一つの対応する閾値εａ （εａ ，ε’ ａ ，ε’’ａ ，εａ ’’’ ，εａ ｉｖ）に対する閾値スイッチを示している。符号の付与方法に関して、一般的に、実測値と目標値は、非同期状態関数ａ（ｔ）に対してはａｉ とａＳ と、同期状態関数ｘ（ｔ）に対してはｘｉ とｘＳ と、同期事象ｅｓ１．．．ｅｓ３ ，ｅｓ５．．．ｅｓ８ はｅＳ と、非同期事象ｅａ１ ，ｅａ２ ，ｅａ１１，ｅａ１２，ｅａ１３，ｅａ２１，ｅａ２２，ｅａ４１，ｅａ４２，ｅａ５１，ｅａ５２，ｅａ８１，ｅａ８２はｅａ と、基準タイミングｔｓ１．．．ｔｓ８ はｔｓと、走査タイミングｔｓ１０，ｔｓ２０，ｔｓ３ ，ｔｓ４ ，ｔｓ５０はｔｓｊ と、非同期の時間の実測値ｔａ１ ，ｔａ１２，ｔａ２ ，ｔａ２２，ｔａ４１，ｔａ４２，ｔａ５１，ｔａ５２，ｔａ８１，ｔａ８２はｔａｉ と、それらに対応する目標値はｔａｓ と表示可能であることを補足しておく。さらに、ｔ（ａ）は、非同期状態変数に依存した時間関数を示すものである。タイマー７は、第一の信号ｘまたはａに対して開始信号７ａを、第二の信号ａまたはｘに対して停止信号７ｂを、カウンタ８に発出する。このカウンタは、時間間隔の実測値Δｔを生成し、それは、差分増幅器９において時間間隔の目標値Δｔｒｅｆ と比較される。この比較値または差分値は、回路１，４の切換えコマンドｚと一緒に、制御可能な遅延回路１０を駆動するために供給され、その遅延開路では、ゲート電流発生器１１を駆動して所望のゲート電流ｉＧ１またはｉＧ２、あるいは一般的に個々の切換え信号を生成する。
【００２７】
図４ａは、直列回路４に対する、図４ｂは、並列回路１に対する、電力半導体スイッチ回路１，４に対して直列に配置された転流ダイオードＤＳ および電圧源１３と負荷１２を有する電源回路を図示している。
【００２８】
回路１，４は、牽引、高圧直流送電、無線送信、誘導加熱、誘導溶接用のスイッチモジュール、特にインバータのハーフブリッジ辺（Ｈａｌｂｂｒｕｅｃｋｅｎｚｗｅｉｇ ）の構成部品となることができる。回路１，４は、並列回路１、直列回路４、または直列と並列回路１，４の組み合わせとすることができる。電力半導体スイッチＳ１ −Ｓ４ は、例えばＢＪＴ、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ、サイリスタ、ＧＴＯ、ＭＣＴ、またはこのような構成素子の組み合わせである。
【００２９】
全体として、この発明にもとづき、回路１，４の同期事象に関連して、電力半導体スイッチＳ１ −Ｓ４ の非同期事象を局所的な測定装置により検出し、実質的に同期化することにより、中央の切換えコマンドｚに依存しない、電力半導体スイッチの動的な切換え挙動の平衡化が実現されるものである。基本的に、切換えコマンドｚは、少なくとも部分的に分散した形で分配することもできる。例えば、少なくとも一つの第一の電力半導体スイッチＳ１ が、中央制御部から切換えコマンドｚを受けて、さらに第二の電力半導体スイッチＳ２ −Ｓ４ に対して、局所的な閉路コマンドとして転送することができる。しかし、その他の電力半導体スイッチＳ２ −Ｓ４ は、例えば自身の同期および／または非同期状態変数ｘ（ｔ）および／またはａ（ｔ）の変化の観測にもとづき、自ら切換えプロセスを識別し、局所的な切換えコマンドを生成することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１ａ】例として、二つの電力半導体スイッチを持つ並列回路の模式図
【図１ｂ】図１ａの並列回路に対する閉路プロセスの模式図
【図１ｃ】図１ａの並列回路に対する開路プロセスの模式図
【図２ａ】例として、二つの電力半導体スイッチを持つ直列回路の模式図
【図２ｂ】図２ａの直列回路に対する閉路プロセスの模式図
【図２ｃ】図２ａの直列回路に対する開路プロセスの模式図
【図３】この発明にもとづくゲート駆動部の機能方法に関する構成図
【図４ａ】直列に配置された転流ダイオードを持つ直列回路を表す図
【図４ｂ】直列に配置された転流ダイオードを持つ並列回路を表す図
【符号の説明】
１            並列回路
２，３        ゲート駆動部
４            直列回路
５，６        閾値回路
７            タイマー
７ａ          開始信号
７ｂ          停止信号
８            カウンタ
９            差分増幅器
１０            遅延回路
１１            ゲート電流発生器
１２            負荷
１３            電圧源
ａ            非同期状態変数
ａＤＣ          非同期状態変数の直流成分
ｅａ          非同期事象
ｅｓ          同期事象
ｉＣ           コレクタまたはアノード電流
ｉＧ           ゲート電流
ｔａ          時間
ｔｓ          走査（基準）タイミング
ｖＣＥ          コレクタ・エミッタまたはアノード・カソード電圧
ｖＣＧ          ゲート電圧
ｘ            同期状態変数
ｚ            切換えコマンド
ε            閾値
Ａ            転流ダイオード（ＤＳ ）が導通状態にあるフェーズ
Ｂ            転流ダイオード（ＤＳ ）が遮断状態にあるフェーズ
Ｃ            コレクタ
ＤＳ           転流ダイオード
Ｅ            エミッタ
Ｇ            ゲート
Ｓ            電力半導体スイッチ
Δｔ          時間間隔の実測値
Δｔｒｅｆ        時間間隔の目標値
【国際公開パンフレット】
2004516767.tif 000003
2004516767.tif 000004
2004516767.tif 000005
2004516767.tif 000006
2004516767.tif 000007
2004516767.tif 000008
2004516767.tif 000009
2004516767.tif 000010
2004516767.tif 000011
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【国際調査報告】
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2004516767.tif 000031
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2004516767.tif 000033
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