(57)【要約】【課題】低インダクタンスで高効率のインダクションマシンを設計するための方法及びシステムを提供すること。【解決手段】電気駆動システムは、インダクションマシン（６０）と、該インダクションマシン（６０）に電気的に結合されたインダクションマシン（６０）を駆動するためのパワー変換器（５８）と、を含む。パワー変換器（５８）は複数の炭化ケイ素（Ｓｉｃ）切替えデバイス（７２〜８２）を備える。本電気駆動システムはさらに、パワー変換器（５８）に電気的に結合されると共に、ピーク対ピーク電流リップルが概ね５パーセント未満となるように複数のＳｉｃ切替えデバイス（７２〜８２）に対して所与の切替え周波数で切替え信号を送るようにプログラムされた制御器（１１４）を含む。【選択図】図２
2012115134.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
インダクションマシン（６０）と、
前記インダクションマシン（６０）に電気的に結合させたインダクションマシン（６０）を駆動するためのパワー変換器（５８）であって、複数の炭化ケイ素（Ｓｉｃ）切替えデバイス（７２〜８２）を備えたパワー変換器（５８）と、
前記パワー変換器（５８）に電気的に結合されると共に、ピーク対ピーク電流リップルが概ね５パーセント未満となるように複数のＳｉｃ切替えデバイス（７２〜８２）に対して所与の切替え周波数で切替え信号を送るようにプログラムされた制御器（１１４）と、
を備える電気駆動システム。
【請求項２】
前記複数のＳｉｃ切替えデバイス（７２〜８２）は複数のＳｉｃ金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）（８４〜９４）を含む、請求項１に記載の電気駆動システム。
【請求項３】
前記複数のＳｉｃ切替えデバイス（７２〜８２）は少なくとも５０ｋＨｚの周波数での切替えが可能である、請求項１に記載の電気駆動システム。
【請求項４】
前記パワー変換器（５８）はさらに、複数のＳｉｃ  ＭＯＳＦＥＴ（８４〜９４）と逆並列配列で接続させた複数のダイオード（９６〜１０６）を備える、請求項１に記載の電気駆動システム。
【請求項５】
前記パワー変換器（５８）は３相パワー変換器である、請求項１に記載の電気駆動システム。
【請求項６】
前記パワー変換器（５８）はＮ個の位相（ここで、Ｎは２、３、４、５、６、７、８及び９のうちの１つ）を備える多相パワー変換器である、請求項１に記載の電気駆動システム。
【請求項７】
前記インダクションマシン（６０）はＮ本の位相巻き線を備える、請求項６に記載の電気駆動システム。
【請求項８】
前記パワー変換器（５８）は単相パワー変換器である、請求項１に記載の電気駆動システム。
【請求項９】
前記制御器（１１４）は、複数のＳｉｃ切替えデバイス（７２〜８２）を制御するためのＰＷＭ信号を発生させるようにプログラムされたパルス幅変調（ＰＷＭ）制御器である、請求項１に記載の電気駆動システム。
【請求項１０】
電池、ウルトラキャパシタ及びフライホイールのうちの少なくとも１つを含む電圧源（５０）をさらに備える請求項１に記載の電気駆動システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は全般的には漏れインダクタンスが小さいインダクションモータに関し、またさらに詳細には、炭化ケイ素金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）を含むパワー変換器を提供することによって低インダクタンスで高効率のインダクションマシンを設計するための方法及びシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
インダクションマシンは、能動的なシリコン切替えデバイスを備えたパワー変換器を用いて駆動されるのが典型的である。切替えデバイスは、ＤＣ供給パワーをインダクションマシンの駆動に使用可能なＡＣパワーに変換するためにパルス幅変調（ＰＷＭ）技法を用いて動作させるのが典型的である。ＰＷＭにおける切替えデバイスは、一連のＤＣパルスを用いて駆動させる。誘導性負荷の両端に対してパワー変換器から突然に電圧が加えられると、負荷を通る電流は時間と共にほとんど直線的に増加する。次いで電圧がオフになっても、負荷を通る電流は瞬時にゼロまで降下せずインダクタの磁場の崩壊に伴って時間と共に概ね直線的に減少しており、また電流はフリーホイールダイオード内を流れる。したがって負荷の両端にパワー変換器によって加えれる入力電圧パルスは、のこぎり歯様の電流波形に類似する。出力電流の変動は典型的には電流リップルとして知られている。
【０００３】
電流リップルは一般にインダクタ内でのエネルギーの浪費になるため望ましくなく、また負荷内に不用な脈動を生じさせることがある。電流リップルは望ましくないＥＭＩ及び力学的振動を生成させると共に、モータ内に高調波損失を生じさせる。高調波電流は固定子と回転子の導体を通って流れて高調波銅損を生起しており、また高調波フラックスはコアの表面に自身を閉じ込めかつ固定子及び回転子のティース内に高調波コア損失を生起する。電流リップルが大きいほど、インダクションマシンの電流波形の品質がそれだけ低くなる。
【０００４】
電流リップルは主に、ＰＷＭ電圧波形内に包含された高調波に由来する。所与のＤＣバス電圧では、電流リップルは主にパワー変換器の切替え周波数及びマシンの過渡または漏れインダクタンスに依存する。式１はマシン電流リップル率をマシンのピーク基本位相電流に関する比として表したものである。
【０００５】
ｋripple＝（ＶDC・ＴS）／（Ｉmax・４Ｌσ）        （式１）
ここで、Ｉmaxはピーク基本位相電流（Ａ）、ＶDCはＤＣバス電圧（Ｖ）、ＴSは切替え周期（ｓ）、またＬσはマシン過渡インダクタンス（Ｈ）である。
【０００６】
インダクションマシンのある位相の漏れインダクタンスがそれに見合って大きい場合、パワー変換器内の切替えデバイスの切替え周波数と無関係にその電流リップルが低くなるのが通常である。したがって、インダクションマシンの漏れインダクタンスが大きいほど、出力電流波形は理想的な波形にそれだけより近づく。したがってインダクションマシンは典型的には、低電流リップルを維持するように十分に高い漏れインダクタンスを有するように設計される。
【０００７】
しかし、高い漏れインダクタンスを有するようにマシンを設計すると、マシン効率の低下やマシンフラックス減弱能力の低下を含む多くの欠点が伴う。さらに、漏れインダクタンスが上昇するとパワーシステム内におけるラインノッチング（ｌｉｎｅ  ｎｏｔｃｈｉｎｇ）を介して高調波が注入される。
【０００８】
多くの用途ではある特定の位相に関連する漏れインダクタンスがそれに見合って低くなっている。この低い漏れインダクタンスは、同じ搬送波周波数について電流リップルがかなり大きくなることを意味する。高電流リップルでは、潜在的に受け容れられない量のノイズがモータ内に注入される。電流リップルが十分に高い場合、このためにその出力にその指定の特性を外れた動作をさせる可能性がある。例えば電気モータの場合では、電流リップルが上昇するとモータのトルク及び速度に対する制御が低下することになる。電流リップルが十分に高い場合、モータはその適正な電流レンジ域内で動作しないために故障する可能性がある。
【０００９】
インダクションマシンのコーナー点を超える速度に関して広い速度レンジにわたって一定またはほぼ一定の出力パワーで駆動用及びインダクションモータを動作させることが望ましい例えば牽引用途などで使用されるインダクションマシンにとって、フラックス減弱能力の拡張は重要な特性の１つである。コーナー点未満のモータ速度での動作のことは「一定トルク」領域の動作と呼ぶことが多く、またインダクションマシンのコーナー点を超える動作のことは多くの場合、「一定パワー」動作モードでの動作と呼ばれる。一般に、低漏れインダクタンスのインダクションマシン設計によれば、インダクションマシンの基本速度の３倍を超える速度レンジにわたる「一定パワー」モードの動作が可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許出願第２０１００２００９３１  Ａ１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
したがって、高品質の電流波形を維持すると共に、マシン効率の上昇及びマシンのフラックス減弱能力の拡張のために低い漏れインダクタンスで動作するようにインダクションマシンを設計することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の一態様による電気駆動システムは、インダクションマシンと、該インダクションマシンに電気的に結合されたインダクションマシンを駆動するためのパワー変換器と、を含む。このパワー変換器は複数の炭化ケイ素（Ｓｉｃ）切替えデバイスを備える。本電気駆動システムはさらに、パワー変換器に電気的に結合されると共に、ピーク対ピーク電流リップルが概ね５パーセント未満となるように複数のＳｉｃ切替えデバイスに対して所与の切替え周波数で切替え信号を送るようにプログラムされた制御器を含む。
【００１３】
本発明の別の態様による電気駆動システムを製造する方法は、所与の漏れインダクタンスを有するインダクションマシンを提供するステップと、複数のＳｉｃ切替えデバイスを有する電源に結合可能なＳｉｃパワー変換器を提供するステップと、を含む。本方法はさらに、複数のＳｉｃ切替えデバイスに対してインダクションマシンの所与の漏れインダクタンスに由来して生成され得る電流リップルを最小限にするようなレートで切替え信号を送るようにプログラムされた制御器を提供するステップを含む。さらに本方法は、インダクションマシンの駆動のためにインダクションマシンに対してかつ制御器に対してＳｉｃパワー変換器を結合させるステップを含む。
【００１４】
本発明の別の態様による輸送手段駆動システムは、インダクションモータに電気的に結合されて該インダクションモータを駆動しているパワー変換器を含む。このパワー変換器は複数のＳｉｃ切替えデバイスを含み、かつこのインダクションモータは所与の漏れインダクタンスを有するように設計される。本輸送手段駆動システムはさらに、インダクションモータの所与の漏れインダクタンスに由来して生成される電流リップルを最小限にするレートでＳｉｃ切替えデバイスを切替えさせるように複数のＳｉｃ切替えデバイスに対して切替え信号を送るようにプログラムされた制御器を含む。
【００１５】
別の様々な特徴及び利点は、以下の詳細な説明及び図面から明らかとなろう。
【００１６】
図面では、本発明を実施するために目下のところ企図される実施形態を図示している。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】従来のインダクションマシン駆動システムを表した図である。
【図２】本発明の一実施形態による低インダクタンスで高効率のインダクションマシン駆動システムを表した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図１は、従来の３相インダクションマシン駆動システム１０を表している。システム１０は、ＡＣインダクションマシン１４にパワー供給するＡＣ波形になるように変換または逆変換されるＤＣ入力電圧を提供するＤＣリンク１２を含む。ＤＣリンク１２の両端にはＤＣリンク１２上の電圧ＶDCに対するフィルタ処理のために入力フィルタコンデンサ１６を結合させている。パワーがＤＣリンク１２からＡＣインダクションマシン１４まで流れる際にＤＣリンク１２からの入力電圧がパワー変換器１８によって受け取られる。パワーの流れるこの方向のことは、「モータ動作」モードでの動作と呼ぶことが多い。パワーの流れる方向がインダクションマシン１４からパワー変換器１８へ向かう場合、パワー変換器１８に対する入力電圧はインダクションマシン１４からのＡＣであり、またパワー変換器１８からの出力はＤＣリンク１２上のＤＣ電圧である。ＡＣインダクションマシン１４からパワー変換器１８へのパワーの流れを伴う動作のことを、回生制動モードでの動作と呼ぶことが多く、これは例えば下り勾配において所与の速度値を保持することが望ましい輸送手段や、こうした輸送手段の減速時において有用である。
【００１９】
パワー変換器１８は、位相レグごとに直列接続した２つの切替えデバイスを有する典型的な３相インバータである。例えばデバイス２０及び２２は第１位相レグを形成し、デバイス２４及び２６は第２位相レグを形成し、かつデバイス２８及び３０は第３位相レグを形成する。デバイス２０〜３０は例えば、シリコンＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ、シリコンバイポーラダーリントンパワートランジスタ、ＧＴＯ、ＳＣＲ、またはインダクションマシン１４のパワー定格に応じて１５〜２０ｋＨｚを超えない切替え周波数を有するＩＧＣＴタイプのデバイスといった従来のシリコン半導体切替えデバイスである。ダイオード３２、３４、３６、３８、４０、４２はそれぞれのシリコン切替えデバイス２０〜３０の両端に逆並列の関係で結合させている。
【００２０】
図２は、本発明の一実施形態によるインダクションマシン駆動システム４４を表している。駆動システム４４はＤＣソース電圧ＶS４８を有するＤＣリンク４６を含む。駆動システム４４はさらに、ＤＣソース電圧ＶS４８を提供する電源５０を含む。一実施形態では電源５０は、ＡＣ源５４と、ＡＣ源５４の電圧をＤＣリンクまたはソース電圧ＶSに変換するように構成された整流器５２と、を含む。別の実施形態では電源５０は、電池、燃料電池、または付属のパワー電子変換器を備えたフライホイールなどのＤＣ電源５４を含む。さらに別の実施形態では電源５０は、電池、燃料電池、ウルトラキャパシタ、ソース電圧をＤＣリンクまたはソース電圧ＶSまでブーストする双方向ＤＣ対ＤＣ電圧変換器５２に結合させた付属のパワー電子制御を備えたフライホイールなどのＤＣ電源５４を含む。ＤＣリンク４６はインダクションマシン６０を駆動するパワー変換器またはインバータ５８にＤＣ出力電圧ＶDC５６を供給する。正のＤＣレール６４と負のＤＣレール６６の間に入力フィルタコンデンサ６２を図示しており、これは正と負のレール６４、６６間のパワー品質を保証するように電源５０からの高周波電流に対してフィルタ機能を提供するように働く。
【００２１】
インダクションマシン６０は、固定子６８及び回転子アセンブリ７０を含む。本発明の様々な実施形態ではインダクションマシン６０は、例えばそれぞれモータとしても発電機としても動作し得る篭型回転子またはスリップリング回転子を有する非同期のマシンとすることがある。
【００２２】
パワー変換器５８はＤＣリンク４６からＤＣ出力電圧ＶDC５６を受け取り、このＤＣ出力電圧を変換してインダクションマシン６０を駆動するのに適した形態のＡＣパワーを提供する。一実施形態ではパワー変換器５８は、複数の切替えデバイス７２、７４、７６、７８、８０、８２を有する３相ＤＣ対ＡＣインバータである。各切替えデバイス７２〜８２は、炭化ケイ素（Ｓｉｃ）ＭＯＳＦＥＴ８４、８６、８８、９０、９２、９４と、関連する逆並列ダイオード９６、９８、１００、１０２、１０４、１０６と、を含む。一実施形態ではＳｉｃ  ＭＯＳＦＥＴ８４〜９４は、５０ｋＨｚを超える切替え周波数を有するＧｅｎｅｒａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｃｏｍｐａｎｙにより製造されるＳｉｃ  ＭＯＳＦＥＴである。
【００２３】
Ｓｉｃは、高電圧かつ高パワーの用途においてシリコンに対する魅力的な代替品となる材料特性を有する結晶性物質である。例えばＳｉｃは、大きなバンドギャップを有しており、与える漏れ電流が非常に小さく高温度動作が容易になる。実際に、Ｓｉｃサブストレート上に製造された半導体デバイスは、２００度Ｃを超える温度に耐えることが可能である。Ｓｉｃはまた、シリコンの場合の約１０倍の高い絶縁破壊電界及びシリコンの場合の約３倍の熱伝導率を有しており、これによりＳｉｃ回路ではより高いパワー密度に対応することが可能である。さらにＳｉｃの高い電子移動度により、同様のシリコン切替えデバイスに対して少なくとも１０倍の切替え性能利得を実現することが可能な幾つかのＳｉｃ回路による高速度の切替えが可能となる。したがってＳｉｃは、次世代のパワー半導体デバイスの製造に使用するのに有利な物質であると見なされている。こうしたＳｉｃデバイスには例えば、ショットキーダイオード、サイリスタ及びＭＯＳＦＥＴが含まれる。Ｓｉｃ  ＭＯＳＦＥＴは従来のシリコンＭＯＳＦＥＴと比べてより小さく製造することが可能であるため、Ｓｉｃ  ＭＯＳＦＥＴは自動推進環境内に収容することが可能でありかつより高い温度で動作することが可能である。
【００２４】
図２で左から右に順に、切替えデバイス７２、７４は第１の出力位相１０８に関連付けされており、切替えデバイス７６、７８は第２の出力位相１１０に関連付けされており、また切替えデバイス８０、８２は第３の出力位相１１２に関連付けされている。図２では３相パワー変換器と３相インダクションマシンを図示しているが、当業者であれば本発明の実施形態が単相や別の多相の実施形態にも等しく適用可能であることを理解されよう。例えば代替的な実施形態は、例えばｎ相（ここで、ｎ＝１、２、４、５、６、７、８、９またはこれより大きい数）など位相の数を様々にした構成を含んでおり、この際にパワー変換器の各位相は、その各々がダイオード９６、９８と同様の対応する逆並列ダイオードを備えたデバイス８４、８６と同様の複数の切替えデバイスを含む。こうした代替的な実施形態ではインダクションマシン６０はパワー変換器５８の位相数と一致した数の位相巻き線を含むことになることは当業者であれば理解されよう。一例として代替的な一実施形態は、５本の位相巻き線を有するインダクションマシンに結合された５相パワー変換器を含むことがある。
【００２５】
Ｓｉｃ  ＭＯＳＦＥＴ８４〜９４に対してそれぞれのライン１１６を介して結合させた制御器１１４は、Ｓｉｃ  ＭＯＳＦＥＴ８４〜９４の切替えを独立に制御するように構成されている。一実施形態ではその制御器１１４がＰＷＭ制御器であると共に、Ｓｉｃ  ＭＯＳＦＥＴ８４〜９４を制御するためのＰＷＭ信号を発生させるようにプログラムされている。本発明の実施形態に対しては代替的な制御技法も等しく適用可能であることは当業者であれば理解されよう。
【００２６】
Ｓｉｃ  ＭＯＳＦＥＴ８４〜９４の切替え周波数が高いため、電流波形の品質に対する電流リップルのマイナスの影響を懸念することなく低い漏れインダクタンスによってインダクションマシン６０を設計することが可能である。すなわちインダクションマシン６０は良質の波形を維持しながら低い漏れインダクタンスを有することが可能である。一実施形態ではピーク対ピーク電流リップルが概ね５％未満である。インダクションマシン６０の漏れインダクタンスを低下させることによってインダクションマシン６０に対する電圧が上昇し、これによりインダクションマシン６０の効率を大幅に向上させることができる。さらに、インダクションマシン６０の漏れインダクタンスを低下させることによってそのフラックス減弱能力が拡張され、これにより「一定パワー」動作モードでの駆動システム４４の動作が可能な速度レンジの拡大が可能となる。一定パワー速度レンジは、そのトルクを最大値または一定値に保持することが可能なインダクションマシンの基本速度に対する「一定パワー」での動作のための最大速度の比を意味することが多い。
【００２７】
したがって本発明の一実施形態による電気駆動システムは、インダクションマシンと、該インダクションマシンに電気的に結合されたインダクションマシンを駆動するためのパワー変換器と、を含む。このパワー変換器は複数の炭化ケイ素（Ｓｉｃ）切替えデバイスを備える。本電気駆動システムはさらに、パワー変換器に電気的に結合されると共に、ピーク対ピーク電流リップルが概ね５パーセント未満となるように複数のＳｉｃ切替えデバイスに対して所与の切替え周波数で切替え信号を送るようにプログラムされた制御器を含む。
【００２８】
本発明の別の実施形態による電気駆動システムを製造する方法は、所与の漏れインダクタンスを有するインダクションマシンを提供するステップと、複数のＳｉｃ切替えデバイスを有する電源に結合可能なＳｉｃパワー変換器を提供するステップと、を含む。本方法はさらに、複数のＳｉｃ切替えデバイスに対してインダクションマシンの所与の漏れインダクタンスに由来して生成され得る電流リップルを最小限にするようなレートで切替え信号を送るようにプログラムされた制御器を提供するステップを含む。さらに本方法は、インダクションマシンの駆動のためにインダクションマシンに対してかつ制御器に対してＳｉｃパワー変換器を結合させるステップを含む。
【００２９】
本発明のさらに別の実施形態による輸送手段駆動システムは、インダクションモータに電気的に結合されて該インダクションモータを駆動しているパワー変換器を含む。このパワー変換器は複数のＳｉｃ切替えデバイスを含み、かつこのインダクションモータは所与の漏れインダクタンスを有するように設計される。本輸送手段駆動システムはさらに、インダクションモータの所与の漏れインダクタンスに由来して生成される電流リップルを最小限にするレートでＳｉｃ切替えデバイスを切替えさせるように複数のＳｉｃ切替えデバイスに対して切替え信号を送るようにプログラムされた制御器を含む。
【００３０】
この記載では、本発明（最適の形態を含む）を開示するため、並びに当業者による任意のデバイスやシステムの製作と使用及び組み込んだ任意の方法の実行を含む本発明の実施を可能にするために例を使用している。本発明の特許性のある範囲は本特許請求の範囲によって規定していると共に、当業者により行われる別の例を含むことができる。こうした別の例は、本特許請求の範囲の文字表記と異ならない構造要素を有する場合や、本特許請求の範囲の文字表記と実質的に差がない等価的な構造要素を有する場合があるが、本特許請求の範囲の域内にあるように意図したものである。
【符号の説明】
【００３１】
１０  従来の３相インダクションマシン駆動システム
１２  ＤＣリンク
１４  ＡＣインダクションマシン
１６  入力フィルタコンデンサ
１８  パワー変換器
２０  切替えデバイス
２２  切替えデバイス
２４  切替えデバイス
２６  切替えデバイス
２８  切替えデバイス
３０  切替えデバイス
３２  ダイオード
３４  ダイオード
３６  ダイオード
３８  ダイオード
４０  ダイオード
４４  本発明の一実施形態によるインダクションマシン駆動システム
４６  ＤＣリンク
４８  ＤＣソース電圧ＶS
５０  電源
５２  整流器
５４  ＡＣ電源、ＤＣ電源
５６  ＤＣ出力電圧ＶDC
５８  パワー変換器またはインバータ
６０  インダクションマシン
６２  入力フィルタコンデンサ
６４  正のＤＣレール
６６  負のＤＣレール
６８  固定子
７０  回転子アセンブリ
７２  切替えデバイス
７４  切替えデバイス
７６  切替えデバイス
７８  切替えデバイス
８０  切替えデバイス
８２  切替えデバイス
８４  Ｓｉｃ  ＭＯＳＦＥＴ
８６  Ｓｉｃ  ＭＯＳＦＥＴ
８８  Ｓｉｃ  ＭＯＳＦＥＴ
９０  Ｓｉｃ  ＭＯＳＦＥＴ
９２  Ｓｉｃ  ＭＯＳＦＥＴ
９４  Ｓｉｃ  ＭＯＳＦＥＴ
９６  逆並列ダイオード
９８  逆並列ダイオード
１００  逆並列ダイオード
１０２  逆並列ダイオード
１０４  逆並列ダイオード
１０６  逆並列ダイオード
【図１】
2012115134.tif 000003
【図２】
2012115134.tif 000004