(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）からなるマトリックスを含み、
それぞれの前記スイッチ（６、１６）が、それぞれが平行な別個の平面上に配置された２つの端子（５、９；１５、１９）と、前記スイッチ（６；１６）の前記２つの端子（５、９；１５、１９）間に挿入された光導電性ダイヤモンド基板とを有し、
それぞれの前記スイッチ（６；１６）が、前記２つの端子（５、９；１５、１９）間に挿入された前記ダイヤモンド基板（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】
前記ダイヤモンド基板（４；１４）が、化学気相成長（ＣＶＤ）法によって得られることを特徴とする、請求項１に記載のマトリックスコンバータ。
【請求項３】
前記端子（５、１９）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２に記載のマトリックスコンバータ。
【請求項４】
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１から３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５】
前記スイッチ（６；１６）ごとに、前記光源（７）が、前記スイッチの前記２つの端子（５、９；１５、１９）の一方に向けて配置され、前記端子（５；１５）が、前記光源（７）からの放射が前記２つの端子（５，９；１５，１９）間に挿入された前記ダイヤモンド基板（４；１４）へ通り抜けるのを可能とする少なくとも１つの開口（５ａ；１５ａ）を備えることを特徴とする、請求項１から４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６】
ただ１つのダイヤモンド基板（４）が、前記スイッチ（６）からなるマトリックスのすべての前記端子（５、９）間に挿入されたことを特徴とする、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、前記支持するセラミック基板に接合されたことを特徴とする、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、前記セラミック基板（１３）の一方の面に配置された導体トラック（１１）によって電圧源（１）に接続された１つの端子（１５）と、前記セラミック基板（１３）の反対側の面に取り付けられた導体トラック（１９）によって電流源（２）に接続された１つの端子（１９）と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７または８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フィルタ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】
米国特許出願公開第ＵＳ２００１／００２６４２７Ａ１号明細書
【特許文献２】
国際公開第ＷＯ９９６７７９８Ａパンフレット
【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ができ、それにもかかわらず、きわめて小型で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、それぞれのスイッチが、それぞれが平行な別個の平面上に配置された２つの端子と、スイッチの２つの端子間に挿入された光導電性ダイヤモンド基板とを有し、それぞれのスイッチが、２つの端子間に挿入されたダイヤモンド基板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、ダイヤモンド基板が、化学気相成長（ＣＶＤ）法によって得られる。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。スイッチごとに、光源が、スイッチの２つの端子の一方に向けて配置され、前記端子が、少なくとも１つの開口を備え、その開口によって、２つの端子間に挿入されたダイヤモンド基板へ前記光源からの放射を透過させることができる。ただ１つのダイヤモンド基板が、スイッチからなるマトリックスのすべての端子間に挿入される。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、前記個々のダイヤモンド基板が、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、セラミック基板の一方の面に配置された導体トラックによって電圧源に接続された１つの端子と、セラミック基板の反対側の面に取り付けられた導体トラックによって電流源に接続された１つの端子とを有する。
【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。図面をより明確なものにするために、コンバータのいくつかの構成要素は、詳細図だけにしか示されない。
【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、１５０ミリメートル（ｍｍ）の辺を備え、また、それの中央に開口を備え、その開口は、支持体３の両方の面へ開口しており、光導電性ダイヤモンド基板４を収容する。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る。
【００１２】
ダイヤモンド基板４は、３つの入口コネクタ１と接触する上面を有し、それらの入口コネクタ１は、平行に配置されたそれぞれの導体バーから構成される。それぞれの入口コネクタ１は、一般的には、形が直線状であり、ダイヤモンド基板４に面しており、そして、その入口コネクタ１は、３つの入口コネクタ１の環状部分１ａが３×３マトリックスパターンとして配列されるように配置された３つの環状部分１ａを局所的に備える。
【００１３】
入口コネクタ１、出口コネクタ２、および、ダイヤモンド基板４だけを図示した図２に示されるように、ダイヤモンド基板４の裏面は、３つの出口コネクタ２と接触し、それらの３つの出口コネクタ２は、平行に配置され、かつ、３つの入口コネクタ１に対して直角に配置されたそれぞれの導体バーから構成される。それぞれの出口コネクタ２は、一般的には、形が直線状であり、ダイヤモンド基板４に面しており、そして、その出口コネクタ２は、３つの円板状バルジ９を局所的に備え、それらのバルジ９は、それぞれの円板９が、図２において鎖線で示されるダイヤモンド基板４の反対側の面に配置された入口コネクタ１のそれぞれの環状部分１ａに位置が合うように配置される。
【００１４】
図３および図４は、マトリックスコンバータに取り付けられたダイヤモンドスイッチ６の構造をより詳細に示す。これらの図面に示されるように、それぞれの環状部分１ａは、それの中央に、開口を備え、その開口において、ダイヤモンド基板４の上面が、これらの図面だけにしか示されない金属めっきされた端子５によって覆われる。金属めっきされた端子５は、隣接する環状部分１ａに接合されたアルミ線２１によって、入口コネクタ１に電気的に接続され、端子５と、その端子５に位置を合わせてダイヤモンド基板４の反対側の面に配置された円板９とは、ダイヤモンドスイッチ６の２つの端子を構成する。
【００１５】
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放射に暴露することによって、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。
【００１６】
２つの端子５および９間の電気伝導が、命令されたときに、端子５に向けて配置された紫外線光源７をオンにすることによって得られ、その端子５は、金属めっきされていない複数の円弧状のスロット５ａを備え、それらのスロット５ａは、光源７から放射された放射をそこから透過させ、ダイヤモンドスイッチ６の端子５および９間に存在する量のダイヤモンド４を照射し、それによって、前記２つの端子間を電気的に導通させる。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に固定された図１に鎖線で示されるプレート２２によって支持される。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。
【００１７】
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、そのトポロジーは、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。
【００１８】
図５から図８は、本発明によるコンバータの変形の実施形態を示し、それらは、好ましい実施形態に相当するものである。図５および図６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）からなり、３×３マトリックスパターン状に配置された９つの円形の孔を備えるセラミック基板１３を含み、、それぞれの孔は、セラミック基板１３の両側に開口し、ガラス領域２０によって取り囲まれた直径が約１０ｍｍの円筒形のダイヤモンド基板１４を収容する。
【００１９】
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。
【００２０】
図５に示されるように、セラミック基板１３の上面は、平行に配置されたそれぞれの導体トラック１１によって基板１３上に延びてセラミック基板１３の一辺から突き出た３つの入口コネクタ１を備え、それぞれの導体トラック１１は、ダイヤモンド基板１４からなる３×３マトリックスの行と一直線をなすように配置される。それぞれの導体トラック１１は、当該入口コネクタ１と一直線をなすように配置された３つのダイヤモンド基板１４それぞれの周囲に延びる３つの環状部分１１ａを含む。
【００２１】
図６に示されるように、セラミック基板１３の裏面は、入口コネクタ１に対して直角に配置され、かつ、セラミック基板１３の一辺から突き出ている３つの出口コネクタ２を備える。３つの出口コネクタ２は、平行に配置されたそれぞれの導体トラック１２によって、基板１３上に拡張され、それぞれの導体トラック１２は、ダイヤモンド基板１４からなる３×３マトリックスの列と一直線をなすように配置される。出口コネクタ２のそれぞれの導体トラックは、当該出口コネクタ２と一直線をなすように配置された３つのダイヤモンド基板１４それぞれの周囲に延びる３つの環状部分１２ａを含む。
【００２２】
図７および図８に示されるように、それぞれのダイヤモンド基板１４は、金属めっきされた端子１５および１９のそれぞれによって実質的に表面全体を覆われた上面および裏面を有し、それらの上面端子１５および裏面端子１９（これらの図面だけにしか示されない）は、ダイヤモンドスイッチ１６の２つの端子を構成する。このような金属めっきされた端子１５および１９は、例えば、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１４上に得られてもよい。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放射に暴露することによって、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。
【００２３】
それぞれのダイヤモンド基板１４の上面端子１５は、ダイヤモンド基板１４の周囲に配置された導体トラック１１の環状部分１１ａにアルミ線２１によって接続され、それぞれのダイヤモンド基板１４の裏面端子１９は、ダイヤモンド基板１４の周囲に配置された導体トラック１２の環状部分１２ａにアルミ線２１（図７に鎖線で示される）によって接続される。
【００２４】
図７を参照すると、ダイヤモンド基板の上面端子１５の中央部分は、金属めっきされていない複数の円弧状のスロット１５ａを備え、それらのスロット１５ａは、ダイヤモンド基板１４に向けて配置された光源７から放射された紫外線放射を透過させ、上面端子１５と裏面端子１９と間に配置された量のダイヤモンド基板１４を照射し、それによって、２つの端子間を電気的に導通させる。光源７は、有利には、支持体１３の上面に取り付けられた支柱８に固定されたプレート（この図面には示されない）によって支持され、それらの光源７は、制御回路によって、個々に制御される。
【００２５】
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提供し、それによって、コンバータを製造するコストを削減することができる。
【００２６】
本発明の変形の実施形態に関係なく、ダイヤモンド基板の厚さ（例えば、ＣＶＤ法によって形成される）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、ダイヤモンド基板の２つの面間の約５ｋＶの電圧に耐えるための５０μｍの厚さから約２０ｋＶの電圧に耐えるための２００μｍの厚さにまで変化してもよい。
【００２７】
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。
【００２８】
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に示されるコンバータの簡略化した斜視図であり、入口コネクタと出口コネクタとが、ダイヤモンド基板上にどのように組み立てられるかを示す。
【図３】図１に示されるコンバータに取り付けられたダイヤモンドスイッチの詳細断面図である。
【図４】図３に示されるスイッチの詳細斜視図である。
【図５】本発明の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上面の斜視図である。
【図６】図５に示されるコンバータの裏面の斜視図である。
【図７】図５および図６に示されるコンバータのダイヤモンドスイッチの詳細斜視図である。
【図８】図７に示されるスイッチの線ＶＩＩＩ−ＶＩＩＩに沿った詳細断面図である。
【符号の説明】
１  入口コネクタ
１ａ  環状部分
２  出口コネクタ
３  支持体
４、１４  ダイヤモンド基板
５、９、１５  端子
５ａ、１５ａ  スロット
６、１６  ダイヤモンドスイッチ
７  紫外線光源
８  支柱
１１、１２、１９  導体トラック
１１ａ、１２ａ  環状部分
１３  セラミック基板
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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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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