(57)【要約】      （修正有）【課題】スイッチングハーフアームの2つの連続するスイッチング動作間の不感時間を低減しながら、スイッチングを改善することを可能にする。【解決手段】第1のエネルギーを第2のエネルギーに変換するように構成された電気エネルギー変換器は、2つの第1の端子間に直列に接続された2つのスイッチングハーフアーム42を各々含み、各ハーフアームが少なくとも1つのスイッチを含む少なくとも1つのスイッチングアームと、各スイッチの2つの制御モジュール50とを備える。各制御モジュール50はプログラマブルロジックコンポーネント74を含む。電気エネルギー変換器は、2つの制御モジュールを接続する双方向データリンク53を備える。各制御モジュール50は各スイッチの開放の検出を示すメッセージを他の制御モジュールから受け取っていない限り、関連する各スイッチを閉じるためのコマンドを禁止するように構成される。【選択図】図３
2017189101.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第1の電気エネルギーを第2の電気エネルギーに変換するように構成された電気エネルギー変換器(30)であって、
-  前記第1の電気エネルギーと関連する2つの第1の端子(36)と、
-  前記第2の電気エネルギーと関連する少なくとも1つの第2の端子(38)と、
-  少なくとも1つのスイッチングアーム(40)であって、各スイッチングアーム(40)は、前記2つの第1の端子(36)間に直列に接続され、中間点(44)において互いに接続された2つのスイッチングハーフアーム(42)を含み、前記中間点(44)は、それぞれの第2の端子(38)に接続され、各スイッチングハーフアーム(42)は、少なくとも1つのスイッチ(48)を含む、少なくとも1つのスイッチングアーム(40)と、
2つの制御モジュール(50)であって、各制御モジュール(50)は、それぞれのスイッチングハーフアーム(42)の1つまたは複数のスイッチ(48)を制御するように構成される、2つの制御モジュール(50)とを備えた、電気エネルギー変換器(30)において、
各制御モジュール(50)が、プログラマブルロジックコンポーネント(74)を含むことと、
前記電気エネルギー変換器(30)がさらに、前記2つの制御モジュール(50)を接続する双方向データリンク(53)を備えることと、
各制御モジュール(50)が、前記2つの制御モジュール(50)の他方と関連する前記1つまたは複数のスイッチ(48)の開放の検出を示すメッセージを前記2つの制御モジュールの他方から前記データリンクを介して受け取っていない限り、関連する前記1つまたは複数のスイッチ(48)を閉じるための閉鎖コマンドを禁止するように構成されることとを特徴とする、電気エネルギー変換器(30)。
【請求項２】
前記電気エネルギー変換器(30)は、P個のスイッチングアーム(40)と、2×P個の制御モジュール(50)と、P個の双方向データリンク(53)とを備え、前記制御モジュール(50)は、それぞれの双方向データリンク(53)を介して対になって互いに接続され、
それぞれの対の各制御モジュール(50)は、前記対の前記2つの制御モジュール(50)の他方と関連する前記1つまたは複数のスイッチ(48)の開放の検出を示すメッセージを前記対の前記2つの制御モジュール(50)の他方から前記データリンクを介して受け取っていない限り、関連する前記1つまたは複数のスイッチ(48)を閉じるための閉鎖コマンドを禁止するように構成され、Pは2以上の整数である、請求項1に記載の電気エネルギー変換器(30)。
【請求項３】
前記双方向データリンク(53)は、絶縁リンクであり、前記双方向データリンク(53)によって接続された前記2つの制御モジュール(50)はその時、互いに電気的に絶縁される、請求項1または2に記載の電気エネルギー変換器(30)。
【請求項４】
前記双方向データリンク(53)は、対向するデータ送信方向を有する2つの一方向リンク(76)を含み、各一方向リンク(76)は、オプトカプラ(78)を含む、請求項3に記載の電気エネルギー変換器(30)。
【請求項５】
各制御モジュール(50)は、プログラマブルロジックコンポーネント(74)から成る、請求項1から4のいずれか一項に記載の電気エネルギー変換器(30)。
【請求項６】
各スイッチ(48)は、制御電極(72)および2つの導電電極(70)を含み、各制御モジュール(50)は、対応するスイッチ(48)の前記制御電極(72)の電圧に関連する変数、前記対応するスイッチ(48)の前記導電電極(70)間の電圧に関連する変数、および前記制御モジュール(50)の供給電圧から成る群の中から選択される少なくとも1つの変数、から前記対応するスイッチ(48)の前記開放を検出するように構成される、請求項1から5のいずれか一項に記載の電気エネルギー変換器(30)。
【請求項７】
各スイッチングハーフアーム(42)は、並列に接続されたN個のスイッチングハーフブランチ(46)を含み、Nは、2以上の整数であり、各スイッチングハーフブランチ(46)は、スイッチ(48)を含む、請求項1から6のいずれか一項に記載の電気エネルギー変換器(30)。
【請求項８】
各制御モジュール(50)は、各それぞれのスイッチ(48)のための出力端子(52)を含み、各出力端子(52)は、前記それぞれのスイッチ(48)のための特定の制御信号を送出するように構成される、請求項1から7のいずれか一項に記載の電気エネルギー変換器(30)。
【請求項９】
少なくとも1つの制御モジュール(50)はさらに、それぞれのスイッチングハーフアーム(42)の前記スイッチ(48)のスイッチング動作を同期させるように構成される、請求項1から8のいずれか一項に記載の電気エネルギー変換器(30)。
【請求項１０】
それぞれのスイッチングハーフアーム(42)の前記スイッチ(48)の前記スイッチング動作を同期させることができる各制御モジュール(50)は、所定のスイッチング遅延に基づいて前記スイッチ(48)の前記制御信号の前記送出を制御するように構成され、所定のスイッチング遅延は、前記スイッチングハーフアーム(42)の前記スイッチ(48)の各々と関連する、請求項9に記載の電気エネルギー変換器(30)。
【請求項１１】
前記電気エネルギー変換器(30)は、各スイッチ(48)のためのそれぞれの制御ループ(60)を備え、各制御ループ(60)は、それぞれの出力端子(52)と前記対応するスイッチ(48)との間に接続され、前記対応するスイッチ(48)を開状態および閉状態の中から1つの状態に切り替えるために2つのキャパシタ(62)および2つのスイッチング部材(64)を含む、請求項1から10のいずれか一項に記載の電気エネルギー変換器(30)。
【請求項１２】
少なくとも1つのスイッチ(48)は、双方向スイッチである、請求項1から11のいずれか一項に記載の電気エネルギー変換器(30)。
【請求項１３】
各双方向スイッチ(48)は、制御可能なスイッチング半導体コンポーネント(66)および前記制御可能なスイッチング半導体コンポーネント(66)と逆並列に接続されたダイオード(68)を含む、請求項12に記載の電気エネルギー変換器(30)。
【請求項１４】
電気モータ(26)および前記電気モータ(26)に接続された電気エネルギー変換器(30)を備えた、電気輸送車両(10)のためのけん引チェーン(12)であって、
前記電気エネルギー変換器(30)が、請求項1から13のいずれか一項に記載の電気エネルギー変換器(30)であることを特徴とする、けん引チェーン(12)。
【請求項１５】
けん引チェーン(12)を備えた電気輸送車両(10)であって、前記けん引チェーン(12)が前記電気輸送車両(10)を動かせるように構成された、電気輸送車両(10)において、
前記けん引チェーン(12)が、請求項14に記載のけん引チェーン(12)であることを特徴とする、電気輸送車両(10)。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、第1の電気エネルギーを第2の電気エネルギーに変換するように構成される電気エネルギー変換器に関する。
【０００２】
本発明はまた、電気輸送車両のための、パワートレインともまた呼ばれるけん引チェーンにも関し、けん引チェーンは、電気モータおよび電気モータに接続されたそのような電気エネルギー変換器を備える。
【０００３】
本発明はまた、車両を動かせるように構成されるそのようなけん引チェーンを備える鉄道車両などの電気輸送車両にも関する。
【背景技術】
【０００４】
電気エネルギー変換器は、第1の電気エネルギーと関連する2つの第1の端子と、第2の電気エネルギーと関連する少なくとも1つの第2の端子と、少なくとも1つのスイッチングアームとを備え、各スイッチングアームは、2つの第1の端子間に直列に接続され、中間点において互いに接続された2つのスイッチングハーフアームを含み、中間点は、それぞれの第2の端子に接続される。各スイッチングハーフアームは、少なくとも1つのスイッチを含む。電気エネルギー変換器は、2つの制御モジュールを備え、各制御モジュールは、それぞれのスイッチングハーフアームの1つまたは複数のスイッチを制御するように構成される。
【０００５】
本発明は、輸送分野、特に鉄道輸送、詳しくは機関車および電車などの電気けん引車に当てはまる。
【０００６】
前述の種類の電気エネルギー変換器は、文書米国特許出願公開第2014/0063883A1号から知られている。電気エネルギー変換器は、直流エネルギーを交流エネルギーに変換することができるインバータである。電気エネルギー変換器は、直流エネルギーと関連する2つの第1の端子と、交流エネルギーと関連する1つの第2の端子と、第1の2つの端子間に直列に接続され、中間点において互いに接続された2つのスイッチングハーフアームを含む1つのスイッチングアームとを備え、中間点は、第2の端子に接続される。
【０００７】
各スイッチングハーフアームは、IGBT(絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)などのトランジスタ、およびトランジスタと逆並列に接続されたダイオードによって形成されるスイッチを含む。
【０００８】
電気エネルギー変換器はさらに、スイッチのMLI制御信号を発生させるためのユニット、および発生するMLI信号のための2つのフィルタリングモジュールを備える。各フィルタリングモジュールはその時、特に他のフィルタリングモジュールから受け取る信号に基づいて、それぞれのスイッチングハーフアームの1つまたは複数のスイッチを制御するように構成される。2つのフィルタリングモジュールの組は、2つのスイッチングハーフアームの2つの連続するスイッチング動作間の不感時間を最適化するための回路を形成する。
【０００９】
各フィルタリングモジュールは、電流源と、演算増幅器と、一方では発生するMLI信号、および他方では他のフィルタリングモジュールからの状態信号を受け取るロジックAMDゲートとを含み、ロジックANDゲートの出力は、対応するスイッチングハーフアームのトランジスタの制御電極に電気的に接続される。
【００１０】
しかしながら、そのような電気エネルギー変換器に関しては、2つのスイッチングハーフアームの2つの連続するスイッチング動作間の不感時間は、ときにはなお比較的高いこともある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許出願公開第2014/0063883A1号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は従って、2つのスイッチングハーフアームの2つの連続するスイッチング動作間の不感時間を低減しながら、各スイッチングアーム内のスイッチングを改善することを可能にする電気エネルギー変換器を提案することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
そのため、本発明は、前述の種類の電気エネルギー変換器に関し、各制御モジュールは、プログラマブルロジックコンポーネントを含み、
電気エネルギー変換器はさらに、2つの制御モジュールを接続する双方向データリンクを備え、
各制御モジュールは、2つの制御モジュールの他方と関連する1つまたは複数のスイッチの開放の検出を示すメッセージを2つの制御モジュールの他方からデータリンクを介して受け取っていない限り、関連する1つまたは複数のスイッチを閉じるためのコマンドを禁止するように構成される。
【００１４】
本発明による電気エネルギー変換器に関しては、各制御モジュールは、FPGA(フィールドプログラマブルゲートアレイ)などのプログラマブルロジックコンポーネントを含み、制御モジュールは、それらを接続する双方向データリンクを介して互いに通信する。
【００１５】
2つのスイッチングハーフアームの2つの連続するスイッチング動作間の不感時間の管理はその時、制御モジュール間に直接メッセージを送ることによって最適化される。各制御モジュールは特に、2つの制御モジュールの他方と関連する1つまたは複数のスイッチの開放の検出を示すメッセージを2つの制御モジュールの他方からデータリンクを介して受け取っていない限り、関連する1つまたは複数のスイッチを閉じるためのコマンドを禁止するように構成される。
【００１６】
本発明の他の有利な態様によると、電気エネルギー変換器は、単独でまたはすべての技術的に可能な組み合わせに従って考えられる次の特徴の1つまたは複数を含み、すなわち、
-  電気エネルギー変換器は、P個のスイッチングアームと、2×P個の制御モジュールと、P個の双方向データリンクとを備え、制御モジュールは、それぞれの双方向データリンクを介して対ごとに(by pairs)互いに接続され、それぞれの対の各制御モジュールは、その対の2つの制御モジュールの他方と関連する1つまたは複数のスイッチの開放の検出を示すメッセージをその対内の2つの制御モジュールの他方から対応するデータリンクを介して受け取っていない限り、関連する1つまたは複数のスイッチを閉じるためのコマンドを禁止するように構成され、
Pは、2以上の整数であり、好ましくは3に等しい、
-  双方向データリンクは、絶縁リンクであり、前記双方向データリンクによって接続された2つの制御モジュールは、互いに電気的に絶縁される、
-  双方向データリンクは、対向するデータ伝送方向を有する2つの一方向リンクを含み、各一方向リンクは、オプトカプラを含む、
-  各制御モジュールは、プログラマブルロジックコンポーネントから成る、
-  各スイッチは、制御電極および2つの導電電極を含み、各制御モジュールは、対応するスイッチの制御電極の電圧に関連する変数、対応するスイッチの導電電極間の電圧に関連する変数、および制御モジュールの供給電圧から成る群の中から選択される少なくとも1つの変数から対応するスイッチの開放を検出するように構成される、
-  各スイッチングハーフアームは、並列に接続されたN個のスイッチングハーフブランチを含み、Nは、2以上の整数であり、各スイッチングハーフブランチは、少なくとも1つのスイッチを含み、
数Nは好ましくは、3に等しい、
-  各制御モジュールは、各それぞれのスイッチのための1つの出力端子を含み、各出力端子は、前記それぞれのスイッチのための制御信号を送出するように構成される、
-  少なくとも1つの制御モジュールはさらに、それぞれのスイッチングハーフアームのスイッチのスイッチング動作を同期させるように構成される、
-  それぞれのスイッチングハーフアームのスイッチのスイッチング動作を同期させることができる各制御モジュールは、所定のスイッチング遅延に基づいて前記スイッチの制御信号の送出を制御するように構成され、所定のスイッチング遅延は、前記スイッチングハーフアームのスイッチの各々と関連する、
-  電気エネルギー変換器は、各スイッチのためのそれぞれの制御ループを備え、各制御ループは、それぞれの出力端子と対応するスイッチとの間に接続され、対応するスイッチを開状態および閉状態の中から1つの状態に切り替えるために2つのキャパシタおよび2つのスイッチング部材を含む、
-  少なくとも1つのスイッチは、双方向スイッチである、
-  各双方向スイッチは、制御可能なスイッチング半導体コンポーネントおよび制御可能なスイッチング半導体コンポーネントと逆並列に接続されたダイオードを含み、
少なくとも1つの制御可能なスイッチング半導体コンポーネントは好ましくは、炭化ケイ素から作られる。
【００１７】
本発明はまた、電気輸送車両のための、パワートレインともまた呼ばれるけん引チェーンにも関し、けん引チェーンは、電気モータおよび電気モータに接続された電気エネルギー変換器を備え、電気エネルギー変換器は、上で規定された通りである。
【００１８】
本発明はまた、車両を動かせるように構成されるけん引チェーンを備える、鉄道車両などの電気輸送車両にも関し、けん引チェーンは、上で規定された通りである。
【００１９】
本発明の特徴および利点は、単に限定されない例として提供され、添付の図面を参照して行われる次の説明を読むことでより良く理解されることになる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】けん引チェーンを備える、鉄道車両などの電気輸送車両の概略図であり、けん引チェーンは、電気モータおよび電気モータに接続された電気エネルギー変換器を含む。
【図２】図1の電気エネルギー変換器の概略図であり、変換器は、第1の電気エネルギーを第2の電気エネルギーに変換するように構成され、第1の電気エネルギーと関連する2つの第1の端子と、第2の電気エネルギーと関連する3つの第2の端子と、2つの第1の端子間に並列に接続された3つのスイッチングアームと、6つの制御モジュールとを備え、各スイッチングアームは、2つのスイッチングハーフアームを含み、各制御モジュールは、それぞれのスイッチングハーフアームの1つまたは複数のスイッチを制御するように構成される。
【図３】図2のスイッチングアームの1つと関連する2つの制御モジュール、および2つの制御モジュールを接続する双方向データリンクの概略図である。
【図４】図2のスイッチングアームの1つの電気回路図である。
【図５】スイッチングアームの2つのスイッチングハーフアームのためのスイッチングタイミング図の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
図1において、鉄道車両などの電気輸送車両10は、けん引チェーン12を備え、パワートレインともまた呼ばれるけん引チェーンは、図示されないカテナリに接続可能なパンタグラフ14を含む。
【００２２】
けん引チェーン12は、パンタグラフ14に接続された電気スイッチ16および電気スイッチ16に接続された電気回路ブレーカ18を備える。オプションの追加として、けん引チェーン12は、電気スイッチ16と電気回路ブレーカ18との間に接続され、電気回路ブレーカ18をバイパスする補助設備(auxiliary piece of equipment)20を備える。
【００２３】
電気スイッチ16、電気回路ブレーカ18および補助設備20は、それ自体知られており、より詳細には述べられない。補助設備20は、例えば静止型変換器である。
【００２４】
けん引アセンブリ22は、DCバス24を介して電気回路ブレーカ18に接続される。けん引アセンブリ22は、電気モータ26、電気モータ26に接続された電気エネルギー変換器30を含む。図1の例においては、電気エネルギー変換器30は、DCバス24から導かれる直流電圧から交流電圧をモータ26に送出することを目的としている。
【００２５】
加えて、けん引アセンブリ22は、フィルタデバイス32を含み、特にフィルタリングキャパシタ34を含む。
【００２６】
オプションの追加として、けん引アセンブリ22は、図示されない電気エネルギー貯蔵デバイスを含み、電気エネルギー貯蔵デバイスは、また自立性ボックス(autonomy box)とも呼ばれ、一方では補助電源としての役割を果たし、他方では電気輸送車両10の制動中に電気エネルギーを集めるのに役立つ。電気エネルギー貯蔵デバイスは、例えば電気回路ブレーカ18とフィルタリングキャパシタ34との間のバイパス上に接続される。
【００２７】
電気モータ26は、例えば三相モータなどの交流モータである。
【００２８】
電気エネルギー変換器30は、第1の電気エネルギーを第2の電気エネルギーに変換するように構成される。
【００２９】
図2の例において、電気エネルギー変換器30は、DCバス24と関連する直流エネルギーを電気モータ26と関連する三相エネルギーなどの交流エネルギーに変換するように構成される。第1の電気エネルギーはその時、直流電気エネルギーであり、第2の電気エネルギーは、三相エネルギーなどの交流エネルギーである。
【００３０】
電気エネルギー変換器30は、第1の電気エネルギーと関連する2つの第1の端子36と、第2の電気エネルギーと関連する少なくとも1つの第2の端子38と、P個のスイッチングアーム40とを備え、Pは、1以上の整数である。
【００３１】
図2の例において、電気エネルギー変換器30は、直流エネルギーを三相交流エネルギーに変換し、その時3つの第2の端子38および3つのスイッチングアーム40、すなわち三相エネルギーの各位相のための第2の端子38およびスイッチングアーム40を備える。言い換えれば、スイッチングアーム40の数Pはここでは、3に等しい。
【００３２】
各スイッチングアーム40は、2つの第1の端子36間に直列に接続され、中間点44において互いに接続された2つのスイッチングハーフアーム42を含み、中間点44は、それぞれの第2の端子38に接続される。
【００３３】
オプションの追加として、各スイッチングハーフアーム42は、並列に接続されたN個のスイッチングハーフブランチ46を含み、Nは、2以上の整数であり、各スイッチングハーフブランチ46は、図4に示されるように、少なくとも1つのスイッチ48を含む。各スイッチングハーフアーム42はその時、少なくともN個のスイッチ48を含む。
【００３４】
図4の例において、各スイッチングハーフアーム42は、3つのスイッチングハーフブランチ46を並列に含み、数Nはその時、3に等しい。
【００３５】
別法として、各スイッチングハーフアーム42は、並列に接続されたスイッチングハーフブランチを含まず、1つまたはいくつかのスイッチ48を含み、スイッチ48は、もし適用できるならば、直列に接続される。
【００３６】
電気エネルギー変換器30はさらに、2×P個の制御モジュール50を備え、各制御モジュール50は、図2に示されるように、それぞれのスイッチングハーフアーム42のスイッチ48を制御するように構成される。
【００３７】
オプションの追加として、各制御モジュール50は、各それぞれのスイッチ48のための出力端子52を含み、各出力端子52は、前記それぞれのスイッチ48のための制御信号を送出するように構成される。
【００３８】
図2の例において、電気エネルギー変換器30はその時、6つの制御モジュール50を備え、Pはここでは、3に等しく、それぞれの制御モジュール50は、各スイッチングハーフアーム42のためである。
【００３９】
電気エネルギー変換器30は、P個の双方向データリンク53を備え、制御モジュール50は、それぞれの双方向データリンク53を介して対になって(in pairs)互いに接続される。図2の例において、電気エネルギー変換器30はその時、3つの双方向データリンク53を備える。
【００４０】
電気エネルギー変換器30は、第2の電気エネルギーに関連する少なくとも1つの電気変数を測定するように構成される、図2に示される測定デバイス54と、特に測定デバイス54によって測定される変数または複数の変数に基づいて、異なる制御モジュール50を駆動するように構成される駆動デバイス56とを備える。
【００４１】
電気エネルギー変換器30は、図4に示されるように、各スイッチ48のためのそれぞれの制御ループ60を備える。各制御ループ60は、それぞれの出力端子52と対応するスイッチ48との間に接続され、対応するスイッチ48を開状態および閉状態の中から1つの状態に切り替えるために2つのキャパシタ62および2つのスイッチング部材64を含む。
【００４２】
当業者は、図4において、問題になっているスイッチングアーム40の2つのスイッチングハーフアーム42の1つと関連する制御モジュール50および制御ループ60だけが、図面を簡略化するために図示され、例示される制御モジュール50および制御ループ60が、上側のスイッチングハーフアーム42と関連するそれらであることに気付くであろう。下側のスイッチングハーフアーム42と関連する制御モジュール50および制御ループ60は従って、図4に示されない。
【００４３】
図4の例において、各スイッチングハーフブランチ46は、単一のスイッチ48を含む。
【００４４】
図示されない代替案においては、各スイッチングハーフブランチ46は、対応する第2の端子36とそれぞれの中間点44との間に直列に接続されたいくつかのスイッチ48を含む。これはその時、より高い電圧を有する電気エネルギーを変換することを可能にする。
【００４５】
少なくとも1つのスイッチ48は、例えば双方向スイッチである。各スイッチ48は、好ましくは双方向スイッチである。
【００４６】
スイッチ48がすべて、双方向スイッチであると、電気エネルギー変換器30はその時、もし電流が、第1の端子36から第2の端子38に向かって流れるならば、第1の電気エネルギーを第2の電気エネルギーに変換するように構成され、もし電流が、第2の端子38から第1の端子36に向かって流れるならば、逆に第2の電気エネルギーを第1の電気エネルギーに変換するように構成される双方向変換器である。
【００４７】
第2の電気エネルギーを第1の電気エネルギーに変換するための電気エネルギー変換器30のこの逆動作は、電気輸送車両10の制動中にエネルギーを回収するのに特に有用である。
【００４８】
各双方向スイッチ48は、例えば制御可能なスイッチング半導体コンポーネント66および制御可能なスイッチング半導体コンポーネント66と逆並列に接続されたダイオード68を含む。それ自体知られているように、各制御可能なスイッチング半導体コンポーネント66は、2つの導電電極70および1つの制御電極72を含み、各制御可能なスイッチング半導体コンポーネント66は、その制御電極72を介して、電流が導電電極70間を流れるオン状態と、電流が導電電極70間を流れないオフ状態との間で制御可能である。ダイオード68はその時、導電電極70間に接続される。
【００４９】
各制御モジュール50は、FPGA(フィールドプログラマブルゲートアレイ)などのプログラマブルロジックコンポーネント74を含む。各制御モジュール50は例えば、それぞれのプログラマブルロジックコンポーネント74の形に作られる。各制御モジュール50は好ましくは、プログラマブルロジックコンポーネント74から成る。電気エネルギー変換器30は例えば、2×P個のプログラマブルロジックコンポーネント74を備え、各々は、それぞれの制御モジュール50を形成する。
【００５０】
各制御モジュール50はその時、他の制御モジュール50と関連する1つまたは複数のスイッチ48の開放の検出を示すメッセージを他の対応する制御モジュール50からデータリンク53を介して受け取っていない限り、関連する1つまたは複数のスイッチ48を閉じるためのコマンドを禁止するように構成される。
【００５１】
図2の例において、それぞれの対の各制御モジュール50は、その対の2つの制御モジュール50の他方と関連する1つまたは複数のスイッチ48の開放の検出を示すメッセージをその対の2つの制御モジュール50の他方から対応するデータリンク53を介して受け取っていない限り、関連する1つまたは複数のスイッチ48を閉じるためのコマンドを禁止するように構成される。
【００５２】
各制御モジュール50は、対応するスイッチ48の制御電極72の電圧に関連する変数、対応するスイッチ48の導電電極70間の電圧に関連する変数、および制御モジュール50の供給電圧から成る群の中から選択される少なくとも1つの変数から対応するスイッチ48の開放を検出するように構成される。
【００５３】
より一般的には、各制御モジュール50は、対応するスイッチ48の制御電極72の電圧に関連する変数、対応するスイッチ48の導電電極70間の電圧に関連する変数、および制御モジュール50の供給電圧に基づいて対応するスイッチ48の公称動作、すなわち「適切な動作」を検出するように構成される。それぞれの対の各制御モジュール50はその時、対応するスイッチにおける、また機能不全とも呼ばれる非公称動作、すなわち欠陥の検出を示すメッセージをその対の2つの制御モジュール50の他方から対応するデータリンク53を介して受け取ると、関連する1つまたは複数のスイッチ48を閉じるためのコマンドを、所定の長さの時間、例えば約10マイクロ秒の間、禁止するように構成される。
【００５４】
より一般的には、各制御モジュール50は、対応するスイッチ48の制御電極72の電圧に関連する変数および/または対応するスイッチ48の導電電極70間の電圧に関連する変数の時間につれての発展に基づいて、例えば前記変数の発展を所定のタイミング図と比較することによって対応するスイッチ48の公称動作を検出するように構成される。
【００５５】
それ故に、もし任意の故障原因が、それと関連する1つまたは複数のスイッチ48の開放を命令した対の制御モジュール50によって検出されたならば、その対の他の制御モジュール50は、それと関連する1つまたは複数のスイッチ48を閉じるためのコマンドを禁止する。
【００５６】
各制御モジュール50は好ましくは、前述の群の中の変数の各々から対応するスイッチ48の開放を検出するように構成される。
【００５７】
この開放検出のために考慮される変数が、対応するスイッチ48の制御電極72の電圧、すなわちゲート電圧であるときは、制御モジュール50は、制御電極72の電圧のレベルおよび/または波形を分析するように構成される。制御モジュール50は特に、制御電極72の電圧が、対応するスイッチ48の開放、閉鎖にそれぞれ対応する電圧しきい値に達したかどうかを検証するように構成される。別法としてまたは加えて、制御モジュール50は特に、対応するスイッチ48の開放、閉鎖にそれぞれ対応する制御電極72の電圧の、上昇パルスエッジまたは下降パルスエッジなどのパルスエッジが、所定の最小勾配よりも大きい値を有する勾配を有することを検証するように構成される。
【００５８】
この開放検出のために考慮される変数が、対応するスイッチ48の導電電極70間の電圧であるときは、制御モジュール50は例えば、対応するスイッチ48を開くためのコマンド後に導電電極70間の残留電圧を分析するように構成される。制御モジュール50は特に、前記残留電圧が、予想外に変化するかどうか、例えばそれが、非常に短い期間、例えば約1マイクロ秒にわたって所定のしきい値を連続して超え、次いでそれより下に低下して戻るかどうかを検証するように構成される。
【００５９】
電流が、スイッチ48のダイオード68に流れる、例においては、半導体コンポーネント66の端子にわたる電圧は、スイッチ48の開放コマンド後は飽和電圧よりも低いままである。この場合、スイッチング許可は、制御電極72の電圧が、所定のしきい値より下に低下したすぐ後に送出される。この例において、有利には、対応する対の制御モジュール50は、導電電極70間で電圧値を互いに置き換えることができ、公称動作の検出を示すメッセージを受け取ると、その対の各制御モジュール50は、導電電極70間のそれ自身の電圧の履歴が実際、その対の他の制御モジュール50によって測定される導電電極70間の電圧と矛盾しない(すなわち、逆である)ことを検証する。
【００６０】
オプションの追加として、制御モジュール50はまた、駆動デバイス56によって受け取られるコマンドパルスが、所定の最小値を超える持続時間を有するかどうかを検証するようにも構成される。
【００６１】
有利には、制御モジュール50による閉鎖コマンドの禁止に続いて、対応する制御モジュール50は、対応するメッセージを駆動デバイス56に送る。駆動デバイス56はその結果、それが有するデータの組、すなわち特にスイッチ48における異なる電流および電圧測定結果、行われた閉鎖コマンドの禁止の数、その他に基づいて、閉鎖コマンドを再発行するまたは閉鎖禁止の発端を診断するためのプロトコルを開始することができる。
【００６２】
オプションの追加の一態様によると、少なくとも1つの制御モジュール50はさらに、それぞれのスイッチングハーフアーム42のスイッチ48のスイッチング動作を同期させるように構成される。各制御モジュール50は好ましくは、それが関連するそれぞれのスイッチングハーフアーム42のスイッチ48のスイッチング動作を同期させるように構成される。
【００６３】
それぞれのスイッチングハーフアーム42のスイッチ48のスイッチング動作を同期させることができる各制御モジュール50は、所定のスイッチング遅延に基づいて前記スイッチ48の制御信号の送出を制御するように構成され、所定のスイッチング遅延は、前記スイッチングハーフアーム42のスイッチ48の各々と関連する。
【００６４】
言い換えれば、各制御モジュール50はその時、スイッチ48の特性に基づいて、特にそれらと関連する所定のスイッチング遅延に基づいて、制御ループ60ごとのオフセット方式で、制御信号を制御ループ60に、特にそれらのスイッチング部材64に送出することができる。
【００６５】
当業者はその時、このオプションの追加の一態様によると、各制御モジュール50が、問題になっているスイッチングハーフアーム42の様々なスイッチ48の中で最も速く切り替わる傾向があるスイッチ48のスイッチングを遅らせようとし、反対にこのスイッチングハーフアーム42の前記様々なスイッチ48の中から最も遅く切り替わる傾向があるスイッチ48のスイッチングをできる限り早期に命令しようとすることを理解するであろう。
【００６６】
これらの所定のスイッチング遅延は例えば、スイッチ48について、特に制御可能なスイッチング半導体コンポーネント66について行われる予備試験の間に決定される。実際、これらの遅延またはスイッチング時間は、これらのコンポーネントの固有の特性に依存するので、各スイッチ48に、特に各制御可能なスイッチング半導体コンポーネント66に特有であり、コンポーネントごとの、特に制御可能なスイッチング半導体コンポーネント66ごとの変数であり、製造から生じる。
【００６７】
各双方向データリンク53は、好ましくは絶縁リンクであり、前記双方向データリンク53によって接続された2つの制御モジュール50はその時、互いに電気的に絶縁される。
【００６８】
各双方向データリンク53は例えば、図3に示されるように、対向するデータ伝送方向を有する2つの一方向リンク76を含む。
【００６９】
測定デバイス54は例えば、第2のそれぞれの端子38を通って流れる各電流の強度および/またはこの第2の端子38における電圧、すなわち対応する第2の中間点44を横断する電流および/またはこの第2の中間点44における電圧を測定するように構成される。
【００７０】
駆動デバイス56は、異なる制御モジュール50を駆動し、それ故にエネルギー変換を行うために異なるスイッチングハーフアーム42を制御するように構成される。制御モジュール50の駆動は特に、測定デバイス54によって測定される変数または複数の変数に基づいて行われる。
【００７１】
各制御ループ60は好ましくは、本質的にアナログループであり、スイッチング部材64は例えば、MOSトランジスタなどのトランジスタであり、キャパシタ62は、対応する制御可能なスイッチング半導体コンポーネント66をオン状態およびオフ状態の中から所望の状態に制御するために適切な電圧に制御電極72を駆動するためのエネルギー蓄積を提供するのに役立つ。
【００７２】
各制御ループ60は、非常に短い長さ、典型的には約1または数センチメートルの長さを有する。
【００７３】
各制御ループ60は、非常に低いインダクタンス、例えば約20nHなどの、約数十nHのインダクタンスを有する。
【００７４】
少なくとも1つの制御可能なスイッチング半導体コンポーネント66は例えば、炭化ケイ素(SiC)から作られる。各制御可能なスイッチング半導体コンポーネントは好ましくは、炭化ケイ素から作られる。
【００７５】
少なくとも1つの制御可能なスイッチング半導体コンポーネント66は、トランジスタであり、各制御可能なスイッチング半導体コンポーネント66は、好ましくはトランジスタである。
【００７６】
少なくとも1つの制御可能なスイッチング半導体コンポーネント66は、例えば電界効果トランジスタ(FET)、好ましくは絶縁ゲート電界効果トランジスタであり、より一般的にはMOSFET、または金属酸化物半導体電界効果トランジスタと呼ばれる。各制御可能なスイッチング半導体コンポーネント66は、好ましくはMOSFETトランジスタである。導電電極70はその時、ドレインおよびソース電極であり、制御電極72は、ゲート電極である。
【００７７】
別法として、各制御可能なスイッチング半導体コンポーネント66は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)である。導電電極70はその時、集電電極および送信電極であり、制御電極72は、ゲート電極である。
【００７８】
また別法として、各制御可能なスイッチング半導体コンポーネント66は、サイリスタ、例えばゲートターンオフサイリスタ(GTO)である。
【００７９】
各一方向リンク76は、このリンクによって互いに接続された2つの制御モジュール50を絶縁するためのオプトカプラ78を含む。
【００８０】
各一方向リンク76は、所与の伝送方向を有し、ダイオード80を含む。
【００８１】
それ故に、各制御モジュール50は、FPGAなどの、それぞれのプログラマブルロジックコンポーネント74を含み、同じスイッチングアーム40と関連する制御モジュール50は、それらを接続する双方向データリンク53を介して互いに通信する。
【００８２】
それぞれのスイッチングアーム40の2つのスイッチングハーフアーム42の2つの連続するスイッチング動作間の不感時間の管理はその時、同じスイッチングアーム40に対応する制御モジュール50間に直接メッセージを送ることによって最適化される。
【００８３】
各制御モジュール50は特に、2つの制御モジュール50の他方と関連する1つまたは複数のスイッチ48の開放の検出を示すメッセージを2つの制御モジュール50の他方からデータリンク53を介して受け取っていない限り、関連する1つまたは複数のスイッチ48を閉じるためのコマンドを禁止するように構成される。
【００８４】
同じスイッチングアーム40に対応する制御モジュール50のプログラマブルロジックコンポーネント74間のメッセージの交換を用いた連続するスイッチング動作間の不感時間のそのような管理はその結果、前記不感時間の管理が、電流源、演算増幅器およびロジックANDゲートを各々含むフィルタリングモジュールを用いて行われる、最先端技術の電気エネルギー変換器を用いるよりも、より効率的であり、より低い不感時間値を得ることを可能にする。
【００８５】
例として、それぞれのスイッチングアーム40の2つのスイッチングハーフアーム42の2つの連続するスイッチング動作間の不感時間の値は、本発明による電気エネルギー変換器30を用いると、5μsから20μsの間に含まれ、好ましくは約10μsである。
【００８６】
図5は、所与のスイッチングアーム40の2つのスイッチングハーフアーム42のスイッチングを例示し、文字Aと関連する電圧曲線VGSおよびVDSは、第1のスイッチングハーフアーム42、例えば上側スイッチングハーフアーム、すなわち図3において最上部に位置するもののスイッチ48に対応し、文字Bと関連する電圧曲線VGSおよびVDSは、第2のスイッチングハーフアーム42、例えば図3において底部に位置する、下側スイッチングハーフアーム42のスイッチ48に対応し、文字Cと関連する曲線は、図3の2つの制御モジュール50と同時に駆動デバイス56によって送出される制御電圧を表す。
【００８７】
例として、制御電圧のレベル+15Vは、第1のスイッチングハーフアーム42のスイッチ48の閉鎖(矢印F1)に対応し、第2のスイッチングハーフアーム42のスイッチ48はその時、開いている。レベル0Vは、第1のスイッチングハーフアーム42と第2のスイッチングハーフアーム42との間のスイッチング変化に対応し、2つのスイッチングハーフアーム42のスイッチはその時、開いている。最後に、制御電圧のレベル-15Vは、第2のスイッチングハーフアーム42のスイッチ48の閉鎖に対応し、第1のスイッチングハーフアーム42のスイッチ48はその時、開いている。
【００８８】
図5の例において、スイッチング変化は、+15Vから0Vへの制御電圧の推移(矢印F2)を介して第1のスイッチングハーフアーム42のスイッチ48の開放を命令することによって行われ、それは、第1のスイッチングハーフアーム42のスイッチ48について電圧VGSの降下パルスエッジ(矢印F3)、次いで電圧VDSの上昇パルスエッジ(矢印F4)を引き起こす。第2のスイッチングハーフアーム42のスイッチ48の電圧VDSは、第1のスイッチングハーフアーム42のスイッチ48の電圧VDSに関して逆位相でなければならず、第2のスイッチングハーフアーム42のスイッチ48の電圧VDSはその時、降下パルスエッジ(矢印F4')を有する。第2のスイッチングハーフアーム42のスイッチ48の閉鎖は次に、0Vから-15Vへの制御電圧の推移(矢印F5)を介して命令され、それは、第2のスイッチングハーフアーム42の前記スイッチ48について電圧VGSの上昇パルスエッジ(矢印F6)を引き起こす。
【００８９】
図5のこの例において、それぞれのスイッチングアーム40の2つのスイッチングハーフアーム42の2つの連続するスイッチング動作間の不感時間はその時、矢印F2およびF5にそれぞれ対応するわずかな時間の間の差に等しい。
【００９０】
前に述べられた動作の追加態様によると、各スイッチングハーフアーム42は、このスイッチングハーフアーム42のスイッチ48を制御するように構成された各スイッチングハーフアーム42のための制御モジュール50を用いて、スイッチングハーフアームごとに独立して制御可能である。
【００９１】
さらに、各制御モジュール50が、各スイッチ48のためのそれぞれの出力端子52を含むという事実は、各スイッチ48を個々に制御することを可能にし、それは、特にそれらの製造から生じる特異性を各スイッチ48について考慮することを可能にする。
【００９２】
これはその結果、各スイッチングハーフアーム42内の、従って各スイッチングアーム40内のスイッチングを改善することを可能にする。
【００９３】
各スイッチングハーフアーム42内のスイッチングは、制御モジュール50がさらに、各スイッチングハーフアーム42のスイッチ48のスイッチング動作を同期させるように構成されるとき、さらに改善される。これは、スイッチ48間の、特に制御可能なスイッチング半導体コンポーネント66間の固有の差異をなおより良く解決することを可能にし、これらの差異は例えば、これらの制御可能なスイッチング半導体コンポーネント66の製造に特有であり、スイッチ48ごとに、特に制御可能なスイッチング半導体コンポーネント66ごとに可変スイッチング遅延、または時間を特にもたらす。
【００９４】
制御可能なスイッチング半導体コンポーネント66が、炭化ケイ素から作られると、それらのスイッチングは、はるかにより速く、それは、本発明による電気エネルギー変換器30の動作をさらに改善することを可能にする。
【００９５】
例として、炭化ケイ素から作られた制御可能なスイッチング半導体コンポーネント66のスイッチングは、一般に70から100nsの間に含まれる遅延において行われ、一般に約1μsの遅延において起こる、シリコンから作られた制御可能なスイッチング半導体コンポーネントのそれよりも約10倍速い。
【００９６】
人はそれ故に、本発明による電気エネルギー変換器30が、2つのスイッチングハーフアーム42の2つの連続するスイッチング動作間の不感時間を低減しながら、各スイッチングアーム40内のスイッチングを改善することを可能にすることが分かる。
【符号の説明】
【００９７】
10  電気輸送車両
12  けん引チェーン
14  パンタグラフ
16  電気スイッチ
18  電気回路ブレーカ
20  補助設備
22  けん引アセンブリ
24  DCバス
26  電気モータ
30  電気エネルギー変換器
32  フィルタデバイス
34  フィルタリングキャパシタ
36  第1の端子
38  第2の端子
40  スイッチングアーム
42  スイッチングハーフアーム
44  中間点
46  スイッチングハーフブランチ
48  スイッチ
50  制御モジュール
52  出力端子
53  双方向データリンク
54  測定デバイス
56  駆動デバイス
60  制御ループ
62  キャパシタ
64  スイッチング部材
66  制御可能なスイッチング半導体コンポーネント
68  ダイオード
70  導電電極
72  制御電極
74  プログラマブルロジックコンポーネント
76  一方向リンク
78  オプトカプラ
80  ダイオード
【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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【外国語明細書】
2017189101000001.pdf