(57)【要約】【課題】電圧が高く、かつ送電線のインダクタンスが低い条件において、固体電力コントローラの固体スイッチのパルス幅変調によって実施された電流制限が妨害されない電力生成システムを提供する。【解決手段】電力生成システム１００が、固体電力コントローラ１０８Ａ，１０８Ｂ，１０８Ｃを有した電力供給モジュール１０７によって、直流負荷１０９Ａ，１０９Ｂ，１０９Ｃに電力を供給するように構成された発電１０２と、該発電機１０２と電力供給モジュール１０７との間に接続され、互いに直列に接続される抵抗および固体スイッチと並列に接続されたインダクタを備えてなる減結合フィルタ１０６と、を備えている。減結合フィルタ１０６の固体スイッチは、固体電力コントローラの電流制限条件において開き、固体電力コントローラの電流制限条件でないときには閉じるように構成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体電力コントローラを有した電力供給モジュールによって、直流負荷に電力を供給するように構成された発電機と、
前記発電機と前記電力供給モジュールとの間に接続され、互いに直列に接続される抵抗および固体スイッチと並列に接続されたインダクタを備えてなる減結合フィルタと、
を備え、
前記減結合フィルタの前記固体スイッチは、前記固体電力コントローラの電流制限条件において開き、前記固体電力コントローラの電流制限条件でないときには閉じるように構成されていることを特徴とする電力生成システム。
【請求項２】
前記発電機は、永久磁石発電機であり、前記電力生成システムは、前記発電機と前記減結合フィルタとの間に配置されたアクティブ整流器をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の電力生成システム。
【請求項３】
前記発電機は、誘導発電機であり、前記電力生成システムは、前記発電機と前記減結合フィルタとの間に配置されたコンバータをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の電力生成システム。
【請求項４】
前記発電機は、巻線界磁形同期発電機であり、前記電力生成システムは、前記発電機と前記減結合フィルタとの間に配置されたパッシブ整流器をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の電力生成システム。
【請求項５】
前記パッシブ整流器と前記減結合フィルタとの間の点と、前記発電機との間に接続された発電機制御ユニットをさらに備えることを特徴とする請求項４に記載の電力生成システム。
【請求項６】
前記電力供給モジュールは、各直流負荷にそれぞれ接続された複数の固体電力コントローラを備えることを特徴とする請求項１に記載の電力生成システム。
【請求項７】
前記固体電力コントローラは、出力フィルタと直列に接続された主固体スイッチを備え、前記出力フィルタは、第１のインダクタ、キャパシタおよび第２のインダクタを備え、第２のインダクタは、互いに直列に接続された抵抗および第２の固体スイッチと並列に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の電力生成システム。
【請求項８】
前記第２の固体スイッチは、前記固体電力コントローラの電流制限条件において閉じ、前記固体電力コントローラの電流制限条件でないときに開くように構成されていることを特徴とする請求項７に記載の電力生成システム。
【請求項９】
前記主固体スイッチは、前記固体電力コントローラの電流制限条件において、パルス幅変調を用いて前記固体電力コントローラにわたる負荷電流を制限するように構成されていることを特徴とする請求項７に記載の電力生成システム。
【請求項１０】
固体電力コントローラを有する電力供給モジュールを備えてなる電力生成システムにおいて、発電機および前記電力供給モジュールとの間に接続され、互いに直列に接続される抵抗および固体スイッチと並列に接続されたインダクタを備えてなる減結合フィルタを動作する方法であって、
前記発電機によって前記電力供給モジュールの前記固体電力コントローラを介して直流負荷に電力を供給するステップと、
前記固体電力コントローラの電流制限条件において、前記減結合フィルタの前記固体スイッチを開くステップと、
前記固体電力コントローラの電流制限条件でないときに、前記減結合フィルタの前記固体スイッチを閉じるステップと、
を含む方法。
【請求項１１】
前記発電機は、永久磁石発電機であり、前記電力生成システムは、前記発電機と前記減結合フィルタとの間に配置されたアクティブ整流器をさらに備えることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記発電機は、誘導発電機であり、前記電力生成システムは、前記発電機と前記減結合フィルタとの間に配置されたコンバータをさらに備えることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記発電機は、巻線界磁形同期発電機であり、前記電力生成システムは、前記発電機と前記減結合フィルタとの間に配置されたパッシブ整流器をさらに備えることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
前記パッシブ整流器と前記減結合フィルタとの間の点と、前記発電機との間に接続された発電機制御ユニットをさらに備えることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記電力供給モジュールは、各直流負荷にそれぞれ接続された複数の固体電力コントローラを備えることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１６】
前記固体電力コントローラは、出力フィルタと直列に接続された主固体スイッチを備え、前記出力フィルタは、第１のインダクタ、キャパシタおよび第２のインダクタを備え、第２のインダクタは、互いに直列に接続された抵抗および第２の固定スイッチと並列に接続されていることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１７】
前記固体電力コントローラの電流制限条件において、前記第２の固体スイッチを閉じるステップと、
前記固体電力コントローラの電流制限条件でないときに、前記第２の固体スイッチを開くステップと、
をさらに含むことを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記固体電力コントローラの電流制限条件において、前記固体電力コントローラにわたる負荷電流を制限するように前記主固体スイッチをパルス幅変調するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、電力生成・供給システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ハイブリッドの車両（ｈｙｂｒｉｄ  ｖｅｈｉｃｌｅ）が、電力供給システムを組み込んだ電力生成システム（ＥＰＧＳ）を備えることができる。電力供給システムは、１つまたは複数の固体電力コントローラ（ＳＳＰＣ）を備えることができる。固体電力コントローラ（ＳＳＰＣ）は、伝統的な電気機械回路のブレーカの代わりとして、例えば、軍事用途または航空宇宙用途の電力供給システムにおいて使用されている。固体電力コントローラは、種々の電気的負荷に電力を供給するとともに、上記の電気的負荷を保護することができる。電気機械的装置と比較して、固体電力コントローラは、比較的速い応答時間をもたらし、オフ時の過渡状態におけるアーキングやオン時の過渡状態におけるバウンシングを無くすことができる。また、固体電力コントローラは、電気機械的装置と比較して、故障分離を繰り返しているときにひどく劣化（ｓｅｖｅｒｅ  ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ）しない。固体電力コントローラの重量および大きさは比較的小さいものとなり得る。固体電力コントローラによって、保護および診断の向上が容易となり、効率的な電力供給構成およびパッケージング（ｐａｃｋａｇｉｎｇ）技術がもたらされる。しかし、固体電力コントローラ内のスイッチ装置は、内部抵抗に起因した高い電流レベルでの電流制限時に過度の熱を生じさせ得るので、比較的複雑な熱管理技術が必要となることがあり、これにより、電力供給システムの複雑さ、コストおよび重量が増加する。
【０００３】
本発明の出願人に譲渡され、２０１０年３月１０日に出願された、本願の参照となる特許文献１においては、固体電力コントローラの出力部と直流負荷との間に配置された送電線のインダクタンスを用いつつ、固体電力コントローラの固体スイッチのパルス幅変調（ＰＷＭ）によって実施された電流制限について説明している。ある用途、例えば、航空機用途では、直流バス電圧は、比較的低く（約２７０Ｖｄｃ）、送電線は、その長さが比較的長いために、非常に高いインダクタンスを有し得る。しかし、他の用途、例えば、軍事用車両の用途では、直流バス電圧は、比較的高く（約６００Ｖｄｃを超過する）、送電線は、比較的短くされているために、比較的低いインダクタンスを有し得る。上記のように電圧が高く、かつ送電線のインダクタンスが低い条件では、非常に高いスイッチ周波数にあっても、固体電力コントローラの固体スイッチのパルス幅変調によって実施された電流制限が妨害され得る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許出願第１２／７２０，７０３号
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の１つの特徴は、電力生成システム（ＥＰＧＳ）が、固体電力コントローラを有した電力供給モジュールによって、直流（ＤＣ）負荷に電力を供給するように構成された発電機と、該発電機と電力供給モジュールとの間に接続され、互いに直列に接続される抵抗および固体スイッチと並列に接続されたインダクタを備えてなる減結合フィルタと、を備えていることである。減結合フィルタの固体スイッチは、固体電力コントローラ（ＳＳＰＣ）の電流制限条件において開き、固体電力コントローラの電流制限条件でないときには閉じるように構成されている。
【０００６】
本発明の他の特徴は、固体電力コントローラ（ＳＳＰＣ）を有する電力供給モジュールを有してなる電力生成システム（ＥＰＧＳ）において、発電機および電力供給モジュールとの間に接続され、互いに直列に接続される抵抗および固体スイッチと並列に接続されたインダクタを備えてなる減結合フィルタを動作する方法が、発電機によって電力供給モジュールの固体電力コントローラを介して直流（ＤＣ）負荷に電力を供給するステップと、固体電力コントローラの電流制限条件において、減結合フィルタの固体スイッチを開くステップと、固体電力コントローラの電流制限条件でないときに、減結合フィルタの固体スイッチを閉じるステップと、を含むことである。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】永久磁石発電機を備えた電力生成・供給システムの実施例を示した図である。
【図２】誘導発電機を備えた電力生成・供給システムの実施例を示した図である。
【図３】巻線界磁形同期発電機を備えた電力生成・供給システムの実施例を示した図である。
【図４】減結合フィルタの実施例を示した図である。
【図５】固体電力コントローラの実施例を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
固体電力コントローラを有した電力生成・供給システムの減結合フィルタの実施例と、固体電力コントローラを有した電力生成・供給システムの減結合フィルタを動作する方法とが、詳細に後述される例示的な実施例と共に提供される。減結合フィルタを用いることにより、送電線のインダクタンスが比較的低いものとなり得る高電圧直流電力生成・供給システムの直流負荷の供給および保護に固体電力コントローラの技術を適用することができる。ここで、直流負荷は、一定の電力負荷、例えば、直流−直流コンバータ、エクスポートインバータ（ｅｘｐｏｒｔ  ｉｎｖｅｒｔｅｒ）およびモータ駆動部を備えている。したがって、直流バス電圧レベルが高いときの電流制限能力を向上させることができ、容量性負荷のソフトスタート時の突入電流を制御することができる。また、負荷チャネルのいずれか１つの過負荷条件において、負荷チャネルの間の干渉を減少させることができる。また、１つまたは複数の負荷チャネルの電流制限条件において、調整点（ＰＯＲ）での電圧制限およびシステムバスの電力の質が向上する。さらに、個々の負荷の前方端部におけるフィルタリングの要求を減少させることができ、個々の負荷におけるプレチャージ（Ｐｒｅ−ｃｈａｒｇｅ）機能を無くすことができ、これにより、システム全体の重量、大きさおよびコストが減少する。最後に、電力変換ユニット（ＰＣＵ）内に高電圧かつ高電流の直流電力を含むことにより、システムの安全性が向上する。
【０００９】
図１には、電力生成・供給システム１００が示されており、該電力生成・供給システム１００は、原動機１０１の作動により電力を生成する永久磁石（ＰＭ）発電機１０２を備えている。永久磁石発電機１０２に接続された電力変換ユニット１０３が、発電機１０２からの電力を制御および変換し、直流負荷１０９Ａ，１０９Ｂ，１０９Ｃへ電力を供給する。電力変換ユニット１０３は、アクティブ整流器１０４、減結合フィルタ１０６および電力供給モジュール１０７を備えている。電力供給モジュール１０７は、複数の固体電力コントローラ１０８Ａ，１０８Ｂ，１０８Ｃを備えている。電力供給モジュール１０７の固体電力コントローラ１０８Ａ，１０８Ｂ，１０８Ｃは、直流負荷１０９Ａ，１０９Ｂ，１０９Ｃにそれぞれ接続されている。固体電力コントローラ１０８Ａ，１０８Ｂ，１０８Ｃの各々は、直流負荷１０９Ａ，１０９Ｂ，１０９Ｃの各々に負荷保護機能を提供し、該負荷保護機能は、負荷ショート時の電流制限および容量性負荷のプレチャージ時の突入電流制御を含む。固体電力コントローラ１０８Ａ，１０８Ｂ，１０８Ｃおよび直流負荷１０９Ａ，１０９Ｂ，１０９Ｃは、例示の目的のみで示されており、電力供給モジュール１０７は、各負荷にぞれぞれ接続された適当な数の固体電力コントローラを備えることができる。アクティブ整流器１０４は、永久磁石発電機１０２から受けた可変電圧と、可変負荷条件とに応答して、調整点（ＰＯＲ）１０５においてシステムバス電圧を制御する。減結合フィルタ１０６は、固体電力コントローラ１０８Ａ，１０８Ｂ，１０８Ｃのいずれかの過負荷条件において、調整点１０５で電圧歪み（ｖｏｌｔａｇｅ  ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ）を最小化する。減結合フィルタ１０６は、固体スイッチを備えており、該固体スイッチは、電力変換ユニット１０３の動作条件に基づいて減結合フィルタ１０６にわたる制動抵抗およびインダクタンスを制御する。これは、図４でさらに詳細に説明される。また、固体電力コントローラ１０８Ａ，１０８Ｂ，１０８Ｃは、任意選択的な固体スイッチをそれぞれ備えることができ、該固体スイッチは、固体電力コントローラの作動条件に基づいて固体電力コントローラにわたる制動抵抗およびインダクタンスを制御する。これは、図５でさらに詳細に説明される。
【００１０】
図２には、電力生成・供給システム２００が示されており、該電力生成・供給システム２００は、原動機２０１の作動により電力を生成する誘導発電機（ＩＭ）２０２を備えている。誘導発電機２０２に接続された電力変換ユニット２０３は、コンバータ２０４と、減結合フィルタ２０６と、複数の固体電力コントローラ２０８Ａ，２０８Ｂ，２０８Ｃを備えた電力供給モジュール２０７とを備えている。電力供給モジュール２０７の固体電力コントローラ２０８Ａ，２０８Ｂ，２０８Ｃは、直流負荷２０９Ａ，２０９Ｂ，２０９Ｃにそれぞれ接続されている。固体電力コントローラ２０８Ａ，２０８Ｂ，２０８Ｃの各々は、直流負荷２０９Ａ，２０９Ｂ，２０９Ｃの各々に負荷保護機能を提供し、該負荷保護機能は、負荷ショート時の電流制限および容量性負荷のプレチャージ時の突入電流制御を含む。固体電力コントローラ２０８Ａ，２０８Ｂ，２０８Ｃおよび直流負荷２０９Ａ，２０９Ｂ，２０９Ｃは、例示の目的のみで示されており、電力供給モジュール２０７は、各負荷にぞれぞれ接続された適当な数の固体電力コントローラを備えることができる。減結合フィルタ２０６は、１つまたは複数の固体電力コントローラ２０８Ａ，２０８Ｂ，２０８Ｃの過負荷条件において、調整点２０５で電圧歪みを最小化する。減結合フィルタ２０６は、固体スイッチを備えており、該固体スイッチは、電力変換ユニット２０３の動作条件に基づいて減結合フィルタ２０６の制動抵抗を制御する。これは、図４でより詳細に説明される。また、固体電力コントローラ２０８Ａ，２０８Ｂ，２０８Ｃは、任意選択的な固体スイッチをそれぞれ備えることができ、該固体スイッチは、固体電力コントローラの作動条件に基づいて固体電力コントローラにわたる制動抵抗およびインダクタンスを制御する。これは、図５でさらに詳細に説明される。
【００１１】
図３には、電力生成・供給システム３００が示されており、該電力生成・供給システム３００は、原動機３０１の作動により電力を生成する巻線界磁形同期発電機（ＷＦＳＧ）３０２を備えている。巻線界磁形同期発電機３０２に接続された電力変換ユニット３０３は、パッシブ整流器３０４、発電機制御ユニット（ＧＣＵ）３０５、減結合フィルタ３０６および電力供給モジュール３０７を備えている。発電機制御ユニット３０５は、パッシブ整流器３０４と減結合フィルタ３０６との間に位置した調整点の条件に基づいて巻線界磁形同期発電機３０２を制御する。電力供給モジュール３０７は、直流負荷３０９Ａ，３０９Ｂ，３０９Ｃにそれぞれ接続された複数の固体電力コントローラ３０８Ａ，３０８Ｂ，３０８Ｃを備えている。固体電力コントローラ３０８Ａ，３０８Ｂ，３０８Ｃの各々は、直流負荷３０９Ａ，３０９Ｂ，３０９Ｃの各々に負荷保護機能を提供し、該負荷保護機能は、負荷ショート時の電流制限および容量性負荷のプレチャージ時の突入電流制御を含む。固体電力コントローラ３０８Ａ，３０８Ｂ，３０８Ｃおよび直流負荷３０９Ａ，３０９Ｂ，３０９Ｃは、例示の目的のみで示されており、電力供給モジュール３０７は、各負荷にぞれぞれ接続された適当な数の固体電力コントローラを備えることができる。減結合フィルタ３０６は、１つまたは複数の固体電力コントローラ３０８Ａ，３０８Ｂ，３０８Ｃの過負荷条件において、電力生成・供給システム３００の電圧歪みを最小化する。減結合フィルタ３０６は、固体スイッチを備えており、該固体スイッチは、電力変換ユニット３０３の動作条件に基づいて減結合フィルタ３０６にわたる制動抵抗を制御する。これは、図４でさらに詳細に説明される。また、固体電力コントローラ３０８Ａ，３０８Ｂ，３０８Ｃは、任意選択的な固体スイッチをそれぞれ備えることができ、該固体スイッチは、固体電力コントローラの作動条件に基づいて固体電力コントローラにわたる制動抵抗およびインダクタンスを制御する。これは、図５でさらに詳細に説明される。
【００１２】
図４には、減結合フィルタ１０６，２０６，３０６のいずれかとすることができる減結合フィルタ４００の実施例が示されている。減結合フィルタ４００は、制動抵抗４０３と並列に接続されたインダクタ４０２を備えており、制動抵抗４０３は、固体スイッチ４０４と直列に接続されている。図１および図２の実施例の調整点１０５，２０５に入力部４０１を接続することができ、また、図３の実施例のパッシブ整流器３０４の出力部に入力部４０１を接続することができる。出力部４０５が、電力供給モジュール１０７，２０７，３０７に接続される。通常の動作時には、固体スイッチ４０４は、制動抵抗４０３によって減結合フィルタ４００にわたるシステムの制動をもたらすように閉じられる。減結合フィルタ４００に接続される電力供給モジュール１０７，２０７，３０７に配置された固体電力コントローラ（固体電力コントローラ１０８Ａ−Ｃ，２０８Ａ−Ｃ，３０８Ａ−Ｃのいずれか）に電流制限条件が存在する場合には、固体スイッチ４０４は、インダクタ４０２によって減結合フィルタ４００にわたる付加的な出力インピーダンスを与えるように開かれる。過負荷条件において、固体スイッチ４０４を開くことにより付加的な出力インピーダンスを与えると、電流制限時において、電圧歪みが最小化し、電力生成・供給システム１００，２００，３００の電力の質が向上する。
【００１３】
図５には、電力供給モジュール１０７，２０７，３０７の固体電力コントローラ１０８Ａ−Ｃ，２０８Ａ−Ｃ，３０８Ａ−Ｃのいずれかとすることができる固体電力コントローラ５００の実施例が示される。入力部５０１が、減結合フィルタ１０６，２０６，３０６の出力部４０５に接続されている。通常の動作時には、電力は、固体電力コントローラ５００において、入力部５０１から主固体スイッチ５０３を通して、直流負荷１０９Ａ−Ｃ，２０９Ａ−Ｃ，３０９Ａ−Ｃに接続された出力部５１３へと通流する。主固体スイッチ５０３は、ダイオード５０４に接続されている。主固体スイッチ５０３は、固体電力コントローラ５００に接続された故障した負荷を非接続にし、容量性負荷のプレチャージ時に、パルス幅変調を用いて突入電流を制限することにより、主固体スイッチ５０３に関連した電力生成・供給システムを保護し、かつ、過負荷条件において、出力電流センサ５１２から受けた電流データに応答してパルス幅変調を用いて電流を制限する。過電圧保護ダイオード５０５，５１１が、スイッチ５０３およびフィルタインダクタ５０８の各々の出力側に、入力部５０２から共通の電圧を受けるように接続されている。固体電力コントローラ５００は、インダクタ５０６、キャパシタ５０７およびインダクタ５０８を有した出力フィルタをさらに備えている。ここで、インダクタ５０８は、制動抵抗５０９と並列に接続されており、制動抵抗５０９は、第２の固体スイッチ５１０と直列に接続されている。第２の固体スイッチ５１０は、固体電力コントローラ５００の電流制限モードにおいて、抵抗５０９により出力フィルタにわたる付加的なシステムの制動をもたらすように閉じられ、フィルタリングを向上させるように固体電力コントローラ５００の通常の作動時に開かれる。
【００１４】
例示的な実施例の技術的な効果および恩恵は、電力の質を向上させることと、回路のショート条件における電力生成・供給システムの電圧歪みを最小化することを含む。
【００１５】
本明細書において使用される専門用語は、特定の実施例のみを説明する目的で用いられ、本発明を制限するものではない。当業者であれば、本発明の真意および範囲から逸脱することなく、種々の変更および修正がなされてもよいことを認めるだろう。
【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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