(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの電圧源（１）、とりわけ電力供給回路網と、少なくとも１つの電流源（２）、とりわけ負荷との間で電気エネルギーを変換するためのマトリックスコンバータであって、前記マトリックスコンバータは、前記電圧源（１）を前記電流源（２）に接続するスイッチ（６；１６）のマトリックスを含み、
それぞれの前記スイッチ（６；１６）が、ダイヤモンドからなる光導電層（４；１４）を介して、お互いに接続された２つの端子（５；１５）を有し、
それぞれの前記スイッチ（６；１６）が、前記スイッチ（６；１６）の前記２つの端子（５；１５）間に介在するダイヤモンドからなる前記光導電層（４；１４）を照射する光源（７）によって制御されることを特徴とする、マトリックスコンバータ。
【請求項２】
前記スイッチ（６；１６）のマトリックスの前記端子（５；１５）が、同一平面上に配置されたことを特徴とする、請求項１に記載のマトリックスコンバータ。
【請求項３】
前記スイッチ（６；１６）のダイヤモンドからなる前記光導電層が、化学気相成長（ＣＶＤ）法によって得られるダイヤモンド基板（４；１４）から構成されることを特徴とする、請求項１または２に記載のマトリックスコンバータ。
【請求項４】
前記端子（５；１５）が、チタン、プラチナ、および、金を順々に蒸着することによって、前記ダイヤモンド基板（４；１４）を金属めっきすることによって形成されることを特徴とする、請求項３に記載のマトリックスコンバータ。
【請求項５】
前記光源（７）が、紫外線光源であることを特徴とする、請求項３または４に記載のマトリックスコンバータ。
【請求項６】
ただ１つの前記ダイヤモンド基板（４）が、マトリックスの前記スイッチ（６）のすべての前記端子（５；１５）を支持することを特徴とする、請求項３から５のいずれか一項に記載のマトリックスコンバータ。
【請求項７】
前記コンバータのそれぞれの前記スイッチ（１６）が、セラミック基板（１３）によって支持された個々の前記ダイヤモンド基板（１４）によって形成され、前記個々のダイヤモンド基板（１４）が、ガラス（２０）の層を介して、支持セラミック基板に接合されることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載のマトリックスコンバータ。
【請求項８】
それぞれの前記スイッチ（１６）が、前記支持セラミック基板（１３）に取り付けられた導体トラック（１９）によって前記電圧源（１）および前記電流源（２）のそれぞれに接続された前記２つの端子（１５）を有することを特徴とする、請求項７に記載のマトリックスコンバータ。
【請求項９】
前記セラミック基板（１３）が、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなることを特徴とする、請求項６または７に記載のマトリックスコンバータ。
【請求項１０】
前記セラミック基板（１３）が、前記導体トラック（１９）を支持する面とは反対側にあり、かつ、流れる冷却液によって冷却される面を有することを特徴とする、請求項７から９のいずれか一項に記載のマトリックスコンバータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電力供給回路網のような電圧源とモータのような電流源との間で電気エネルギーを変換するためのマトリックスコンバータに関する。本発明は、とりわけ、鉄道分野における主電動機を制御するのに利用することができる。
【０００２】
【従来の技術】
米国特許出願公開第ＵＳ２００１／００２６４２７Ａ１号明細書は、三相回路網から非同期モータへ電力を供給するための、双方向スイッチからなる３×３マトリックスを備えたマトリックスコンバータを開示している。同じ結果を得るために、直列に接続されかつ平滑コンデンサと結合されなければならないＤＣ−ＡＣ無停電電源装置（ＵＰＳ）、ＤＣ−ＤＣチョッパー、およびＡＣ−ＤＣ整流器、を必要とする通常使用される固定構造を有するコンバータとは異なり、そのようなマトリックスコンバータは、それのモジュール式トポロジーによって、様々なスイッチを適切に制御することにより、所与の交流（ＡＣ）を異なる電圧および異なる周波数のＡＣに直接に変換できるという利点を有する。
【０００３】
しかしながら、そのようなマトリックスコンバータにおいては、双方向スイッチは、ダイオードおよび絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）素子を接続することによって構成され、その双方向スイッチは、高い電圧に耐えることができないという欠点を有する。なぜなら、現在市販されているほとんどの耐久性のあるＩＧＢＴ素子は、動作電圧が約６．５ｋＶまでに制限されているからである。さらに、そのようなＩＧＢＴ素子は、それのコレクタおよびエミッタから絶縁されなければならない制御ゲートを有するという欠点を有し、このことは、ＩＧＢＴ素子の端子間の電圧が高くなれば、問題を発生させる。
【０００４】
【特許文献１】
欧州特許出願公開第ＥＰ０９０１１５８Ａ号明細書
【特許文献２】
米国特許出願公開第ＵＳ２００１／００２６４２７Ａ１号明細書
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、本発明の目的は、高い電圧において動作することのできる新しい種類のマトリックスコンバータを提供することである。本発明のもう１つの目的は、スイッチ制御が、当然ながら、前記スイッチの端子から分離されたマトリックスコンバータを提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
このために、本発明は、少なくとも１つの電圧源、とりわけ電力供給回路網と、少なくとも１つの電流源、とりわけ負荷との間で電気エネルギーを変換するためのマトリックスコンバータを提供し、前記マトリックスコンバータは、前記電圧源を前記電流源に接続するスイッチからなるマトリックスを含み、前記マトリックスコンバータは、それぞれの前記スイッチが、ダイヤモンドからなる光導電層を介してお互いに接続された２つの端子を有し、それぞれのスイッチは、スイッチの２つの端子間に介在するダイヤモンドからなる光導電層を照射する光源によって制御されることを特徴とする。
【０００７】
特定の実施形態において、本発明によるマトリックスコンバータは、１つ以上の、次の特徴を単独でかまたは技術的に実現可能な組み合わせで有してもよい。すなわち、マトリックスのスイッチの端子が、同一平面上に配置される。スイッチのダイヤモンドからなる光導電層が、化学気相成長（ＣＶＤ）法によって得られるダイヤモンド基板から構成される。端子が、チタン、プラチナ、および、金を順々に蒸着することによって、ダイヤモンド基板を金属めっきすることによって形成される。光源が、紫外線光源である。ただ１つのダイヤモンド基板が、マトリックスのスイッチのすべての端子を支持する。コンバータのそれぞれのスイッチが、セラミック基板によって支持された個々のダイヤモンド基板によって形成され、個々のダイヤモンド基板は、ガラスの層を介して、支持セラミック基板に接合される。それぞれのスイッチが、支持セラミック基板に取り付けられた導体トラックによって電圧源および電流源のそれぞれに接続された２つの端子を有する。セラミック基板が、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなる。セラミック基板が、導体トラックを支持する面とは反対側にあり、かつ、流れる冷却液によって冷却される面を有する。
【０００８】
添付の図面を参照して、限定しない例として記載された本発明の２つの実施形態に関する以下の説明を読むことによって、本発明の目的、特徴、利点をより良く理解することができる。
【０００９】
図面をわかりやすくするために、本発明を理解するのに必要な構成要素だけしか図示しない。図面を通して、同一の構成要素は、同一の符号を有する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明によるマトリックスコンバータの特定の実施形態を示す。このマトリックスコンバータは、例えば、三相の電力供給回路網によって電力を供給される３つの入口コネクタ１と、例えば、非同期モータへエネルギーを供給する３つの出口コネクタ２とを有する。
【００１１】
この図面に示されるように、マトリックスコンバータは、支持体３を含み、その支持体３は、プラスチック材料から製造され、形状が実質的に正方形であり、また、それの中央において、ダイヤモンド基板４を支持する。ダイヤモンド基板４は、それ自体が良く知られているように、化学気相成長（ＣＶＤ）法によって製造され、例えば、約１５０ミリメートル（ｍｍ）の幅と、約５０マイクロメートル（μｍ）の厚さとを有する。
【００１２】
ダイヤモンド基板４は、３×３マトリックスの形で配置された９対の金属めっきされた端子５を備えた上面を有し、金属めっきされた端子５のそれぞれの対は、それぞれのダイヤモンドスイッチ６の端子５を構成し、それらの端子は、それらの２つの端子間の高い電位差に耐えるように、約１０ｍｍの間隔で配置される。例えば、このような金属めっきされた端子５は、次の段階からなる金属めっき法によって、ダイヤモンド基板４上に得ることができる。すなわち、ダイヤモンド基板の上面に感光性樹脂を塗り、マスクを介して金属めっきされるべき領域を光に暴露することにより、その領域から樹脂を取り除き部分的に樹脂で覆われたダイヤモンド基板の表面にチタン、プラチナ、および金を順々に蒸着することによって金属めっきし、ダイヤモンド基板をアセトンに浸すことによって残った樹脂を取り除く。
【００１３】
図１および図２に示されるように、紫外線光源７が、それぞれのダイヤモンドスイッチ６の２つの端子５間の間隙に向けて配置され、それぞれの光源７は、命令されたときに、それぞれのダイヤモンドスイッチ６の２つの端子５間のダイヤモンド表面４を照射し、それによって、２つの端子５間を電気的に導通させることのできるビーム（図面では点線で示される）を有する。光源７は、有利には、支持体３の上面に取り付けられた支柱８に固定されたプレート（図示せず）によって支持され、それらの光源７は、コンバータの制御回路を構成する制御回路によって、お互いに独立して制御される。
【００１４】
コンバータの３つの入口コネクタ１および３つの出口コネクタ２は、ダイヤモンドスイッチ６からなるマトリックスの３つの行および３つの列のそれぞれに位置を合わせて配置され、それぞれのコネクタ１および２の端部は、支持体３によって支持される。それぞれの入口コネクタ１は、入口コネクタ１と一直線をなして配置された３つのダイヤモンドスイッチ６それぞれの２つの端子５の一方にアルミ線９によって電気的に接続され、ダイヤモンドスイッチ６の他方の端子５は、そのダイヤモンドスイッチ６を含む列に位置を合わせて配置された出口コネクタ２に接続される。
【００１５】
このようなマトリックスコンバータは、ダイヤモンドスイッチの端子間の高い電圧に耐えることができ、かつ、当然ながら、コンバータを介して双方向に電気を流すことのできるダイヤモンドスイッチを有するという利点がある。さらに、そのようなコンバータは、ダイヤモンドスイッチを光学的に制御することによって制御され、そのような制御は、当然ながら、スイッチの端子間の電位から分離されるという利点を提供する。最後に、コンバータのトポロジーは、光学的な制御によって、モジュール式になされるので、そのようなマトリックスコンバータは、単相または三相のＡＣ−ＡＣ直接変換、または、ＡＣ−ＤＣ変換、または、そのコンバータがＤＣ電圧源に接続されていれば、ＤＣ−ＤＣ変換などのあらゆる種類の変換を可能にする。
【００１６】
図３は、本発明によるコンバータの変形の実施形態を示す。この図面に示されるように、マトリックスコンバータは、窒化アルミニウムＡｌＮからなるセラミック基板１３を含み、そのセラミック基板１３上には、３つの入口コネクタ１および３つの出口コネクタ２が、取り付けられる。セラミック基板１３は、３×３マトリックスパターンとして配置された９つのくぼみを備え、それぞれのくぼみは、図４により詳細に示されるように、ガラス２０によって取り囲まれた約１０ｍｍの辺を備えた正方形のダイヤモンド基板１４を含む。オプションとしてセラミックを充填されたガラス領域２０は、ダイヤモンド基板１４とセラミック基板１３との間の境界を形成し、３．５に近い膨張率αを有するという利点を提供し、ダイヤモンド（α＝１）とＡｌＮ基板（α＝４．５）との膨張率の差によって生じる力を弱めるのを可能にする。
【００１７】
図４に示されるように、それぞれのダイヤモンド基板１４は、お互いに対称な２つの位置に配置された２つの金属めっきされた端子１５を備え、それらの端子１５は、ダイヤモンドスイッチ１６の２つの端子を構成し、かつ、アルミ線２１によって、ガラス２０の層の周辺でＡｌＮ基板１３に取り付けられた２つの接続タブ１９ａのそれぞれに接続される。接続タブ１９ａは、ＡｌＮ基板１３の表面を金属めっきすることによって形成された導体トラック１９に接続され、その導体トラック１９は、それが、マトリックスの同じ行に沿って配置された３つのダイヤモンドスイッチ１６それぞれの端子１５の一方に１つの入口コネクタ１を接続するように構成され、それらのダイヤモンドスイッチ１６のその他の３つの端子１５は、３つの出口コネクタ２のそれぞれに接続される。
【００１８】
紫外線光源７（図３だけに示される）は、すべてのダイヤモンド基板１４のそれぞれに向けて配置され、それぞれの光源７は、命令されたときに、動作し、それぞれのダイヤモンドスイッチ１６の２つの端子１５間の間隙を照射し、その２つの端子１５間を電気的に導通させることができる。光源７は、有利には、セラミック基板１３の上面に取り付けられた支柱８に固定された図３に鎖線で示されるプレート２２によって支持され、そして、その光源７は、制御回路によって個々に制御される。
【００１９】
セラミック基板１３の裏面は、有利には、マニホールド（図示せず）を流れる冷却液が通過し、マトリックスコンバータが動作しているときにダイヤモンドスイッチ１６から放出される熱を除去するのを可能にする。この場合、ダイヤモンド基板の厚さは、コンバータの動作電圧に適合させたものであり、例えば、ダイヤモンドスイッチの端子と冷却液との間の約５ｋＶの電位差に耐えるための５０μｍの厚さから約２０ｋＶの電位差に耐えるための２００μｍの厚さにまで変化してもよい。
【００２０】
変形のこのような実施形態は、図１の実施形態で必要とされるダイヤモンド基板の面積よりも小さい面積しか必要としないという利点を有し、それによって、そのようなコンバータを製造するコストを削減することができる。
【００２１】
本発明によるコンバータは、有利には、架線電圧を使用する鉄道車両のための主電動機を制御するのに使用されてもよく、このコンバータのモジュール式トポロジーによって、ダイヤモンドスイッチの制御を変えるだけで、主電動機を様々な種類の架線電圧に適合させることができる。
【００２２】
当然ながら、本発明は、ただ単に例としてここで説明および図示された実施形態に決して限定されるものではない。とりわけ、様々な構成要素の構成または等価な代替技術の使用に関しては、本発明の保護範囲を逸脱せずに、変更がさらに可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の特定の実施形態によるマトリックスコンバータの斜視図である。
【図２】図１に示されるマトリックスコンバータのダイヤモンドスイッチの断面図である。
【図３】本発明によるコンバータの変形の実施形態によるマトリックスコンバータの斜視図である。
【図４】図３に示されるコンバータのダイヤモンドスイッチの詳細図である。
【符号の説明】
１  入口コネクタ
２  出口コネクタ
３  支持体
４、１４  ダイヤモンド基板
５  端子
６、１６  ダイヤモンドスイッチ
７  紫外線光源
８  支柱
９  アルミ線
１３  セラミック基板
１５  端子
１９  導体トラック
１９ａ  接続タブ
２０  ガラス
２１  アルミ線
２２  プレート
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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