(57)【要約】  デバイスは、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）のゲートに印加される１つまたは複数の電圧を調整するように構成されたコントローラを含む。コントローラは、ＩＧＢＴに関連付けられた１つまたは複数の電圧値を受け取り、ゲート信号を生成し、このゲート信号をＩＧＢＴに送出するように構成される。ゲート信号は、ＩＧＢＴを作動状態にする、または非作動状態にするように構成される。コントローラは、電圧クランプ信号を生成し、この電圧クランプ信号を送出して、アクティブスイッチングデバイスを作動状態にする、または非作動状態にするように構成される。アクティブスイッチングデバイスは、少なくとも一部は電圧クランプ信号の１つまたは複数の特性に基づいてＩＧＢＴに関連付けられた１つまたは複数の電圧値を周期的に制限するように構成される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ（２６、３０））のゲート（３６）に印加される１つまたは複数の電圧を調整するように構成されたコントローラ（１６）であって、
前記ＩＧＢＴ（２６、３０）に関連付けられた１つまたは複数の電圧値を受け取り、
前記ＩＧＢＴ（２６、３０）を作動状態にする、または非作動状態にするように構成されたゲート信号（４２）を生成し、前記ゲート信号（４２）を前記ＩＧＢＴ（２６、３０）に送出し、
電圧クランプ信号（４４）を生成し、前記電圧クランプ信号（４４）を送出して、少なくとも一部は前記電圧クランプ信号（４４）の１つまたは複数の特性に基づいて前記ＩＧＢＴ（２６、３０）に関連付けられた前記１つまたは複数の電圧値を周期的に制限するように構成されたアクティブスイッチングデバイス（２８、３４）を作動状態にする、または非作動状態にする、
ように構成されたコントローラ（１６）を備える、デバイス。
【請求項２】
前記コントローラ（１６）が、前記ＩＧＢＴ（２６、３０）に関連付けられた前記１つまたは複数の電圧値をクランプ電圧しきい値に制限するように構成される、請求項１記載のデバイス。
【請求項３】
前記クランプ電圧しきい値が、前記ＩＧＢＴ（２６、３０）の最大電圧定格よりも小さい、請求項２記載のデバイス。
【請求項４】
前記コントローラ（１６）が、前記ゲート信号（４２）の論理的にハイの部分の生成および送出、ならびに前記電圧クランプ信号（４４）の論理的にハイの部分の生成および送出を実質的に同一の時点で行なうように構成される、請求項１記載のデバイス。
【請求項５】
前記ゲート信号（４２）の前記論理的にハイの部分が第１の時点（４６）で論理的にローに戻り、前記電圧クランプ信号（４４）の前記論理的にハイの部分が第２の時点（４８）で論理的にローに戻り、前記第２の時点（４８）が前記第１の時点（４６）の後まで遅延される、請求項４記載のデバイス。
【請求項６】
前記第２の時点（４８）の前記遅延が、前記ＩＧＢＴ（２６、３０）が実質的に完全に非作動状態になるのにかかる時間であり、前記ＩＧＢＴ（２６、３０）に関連付けられた前記１つまたは複数の電圧値が、前記第１の時点（４６）と前記第２の時点（４８）との間でクランプ電圧しきい値に制限される、請求項５記載のデバイス。
【請求項７】
前記第２の時点（４８）の前記遅延がおよそ１０マイクロ秒以下である、請求項５記載のデバイス。
【請求項８】
前記コントローラ（１６）が、前記アクティブスイッチングデバイス（２８、３４）を作動状態にして前記ＩＧＢＴ（２６、３０）に関連付けられた前記１つまたは複数の電圧をクランプ電圧しきい値に制限するように、および前記アクティブスイッチングデバイス（２８、３４）を非作動状態にして前記ＩＧＢＴ（２６、３０）に関連付けられた前記１つまたは複数の電圧が前記クランプ電圧しきい値を超えるようにするように構成される、請求項１記載のデバイス。
【請求項９】
前記アクティブスイッチングデバイス（２８、３４）が、前記ＩＧＢＴ（２６、３０）が非作動状態になるように構成された時間よりも短い時間で非作動状態になるように構成される、請求項８記載のデバイス。
【請求項１０】
前記ＩＧＢＴ（２６、３０）に関連付けられた前記１つまたは複数の電圧が前記クランプ電圧しきい値を超えるようにすることが、前記ＩＧＢＴ（２６、３０）をある期間、最大電圧定格で動作させることを含む、請求項８記載のデバイス。
【請求項１１】
前記ＩＧＢＴ（２６、３０）を前記期間、前記最大電圧定格で動作させることが、前記ＩＧＢＴ（２６、３０）の動作マージンを増加させることを含む、請求項１０記載のデバイス。
【請求項１２】
コンピュータ実行可能コードが記憶された非一時的なコンピュータ可読媒体であって、前記コードが、
ＩＧＢＴ（２６、３０）のゲート（３６）に関連付けられた１つまたは複数の電圧値を受け取り、
前記ＩＧＢＴ（２６、３０）を作動状態にする、または非作動状態にするように構成されたゲート信号（４２）を生成し、前記ゲート信号（４２）を前記ＩＧＢＴ（２６、３０）に送出し、
電圧クランプ信号（４４）を生成し、前記電圧クランプ信号（４４）を送出して、少なくとも一部は前記電圧クランプ信号（４４）の１つまたは複数の特性に基づいて前記ＩＧＢＴ（２６、３０）に関連付けられた前記１つまたは複数の電圧値を周期的に制限するように構成されたアクティブスイッチングデバイス（２８、３４）を作動状態にする、または非作動状態にする、
命令を含む、非一時的なコンピュータ可読媒体。
【請求項１３】
前記コードが、前記ゲート信号（４２）の論理的にハイの部分の生成および送出、ならびに前記電圧クランプ信号（４４）の論理的にハイの部分の生成および送出を実質的に同一の時点で行なう命令を含む、請求項１２記載の非一時的なコンピュータ可読媒体。
【請求項１４】
前記コードが、前記ゲート信号（４２）の前記論理的にハイの部分を第１の時点（４６）で論理的にローに戻し、前記電圧クランプ信号（４４）の前記論理的にハイの部分を第２の時点（４８）で論理的にローに戻す命令を含み、前記第２の時点（４８）が前記第１の時点（４６）の後まで遅延される、請求項１３記載の非一時的なコンピュータ可読媒体。
【請求項１５】
前記コードが、前記アクティブスイッチングデバイス（２８、３４）を作動状態にして前記ＩＧＢＴ（２６、３０）に関連付けられた前記１つまたは複数の電圧をクランプ電圧しきい値に制限し、前記アクティブスイッチングデバイス（２８、３４）を非作動状態にして前記ＩＧＢＴ（２６、３０）に関連付けられた前記１つまたは複数の電圧が前記クランプ電圧しきい値を超えるようにする命令を含む、請求項１２記載の非一時的なコンピュータ可読媒体。
【請求項１６】
前記コードが、前記ＩＧＢＴ（２６、３０）の前記動作マージンを増加させるように、前記ＩＧＢＴ（２６、３０）をある期間、最大電圧定格で動作させる命令を含む、請求項１５記載の非一時的なコンピュータ可読媒体。
【請求項１７】
作動状態にする、または非作動状態にする指示としてのゲート信号（４２）を受け取るように構成された絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ（２６、３０））と、
クランプ電圧しきい値で作動状態になるように構成されたツェナーダイオード（２４、３２）と、
前記ＩＧＢＴ（２６、３０）および前記ツェナーダイオード（２４、３２）に通信可能に結合されたアクティブスイッチングデバイス（２８、３４）であって、作動状態のときは前記ＩＧＢＴ（２６、２８）に関連付けられた１つまたは複数の電圧を前記クランプ電圧しきい値に制限し、非作動状態のときは前記ＩＧＢＴ（２６、３０）に関連付けた前記１つまたは複数の電圧が前記クランプ電圧しきい値を超えるようにするように構成される、アクティブスイッチングデバイス（２８、３４）と、
を備えるデバイス。
【請求項１８】
前記アクティブスイッチングデバイス（２８、３４）が、前記ＩＧＢＴ（２６、３０）が非作動状態になるように構成された時間よりも短い時間で非作動状態になるように構成されたトランジスタを備える、請求項１７記載のデバイス。
【請求項１９】
前記アクティブスイッチングデバイス（２８、３４）が、受け取った電圧クランプ信号（４４）の立ち上がりエッジ部分を検出すると、前記ＩＧＢＴ（２６、３０）に関連付けられた前記１つまたは複数の電圧を前記クランプ電圧しきい値に制限し、前記受け取った電圧クランプ信号（４４）の立ち下がりエッジ部分を検出すると、前記ＩＧＢＴ（２６、３０）に関連付けられた前記１つまたは複数の電圧が前記クランプ電圧しきい値を超えるようにするように構成される、請求項１７記載のデバイス。
【請求項２０】
前記アクティブスイッチングデバイス（２８、３４）が、前記ＩＧＢＴ（２６、３０）に関連付けられた前記１つまたは複数の電圧が前記ツェナーダイオード（２４、３２）を非作動状態にすることによって前記クランプ電圧しきい値を超えるようにするように構成される、請求項１７記載のデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に開示された主題は、電力電子デバイス、より詳細には電圧クランプ電力電子デバイスを動的に作動状態にすることおよび非作動状態にすることに関する。
【背景技術】
【０００２】
分散発電機（例えば、光起電力パネルおよび風力タービン）などのエネルギー生成デバイスは、半導体スイッチングデバイス（例えば、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ））に依存して様々な電力変換動作を行なう。ＩＧＢＴを動作させるために、ゲートドライバ回路または制御装置を介してＩＧＢＴのゲートにパルス電圧信号を提供する。ＩＧＢＴをオフに切り替えている、または非作動状態にしている間、ＩＧＢＴは、高いピーク電圧を受けやすい可能性があるため、ＩＧＢＴを電気的損傷から保護するためにアクティブ電圧クランプがしばしば使用される。特に、ＩＧＢＴのコレクタの電圧がクランプ電圧しきい値を超える場合、クランプ回路を、オンに切り替える、または作動状態にすることができる。残念ながら、クランプ電圧しきい値が典型的にはＩＧＢＴの最大電圧定格よりもはるかに低いため、クランプ回路は、ＩＧＢＴの最大動作電圧範囲を制限することがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】欧州特許出願公開第１９８８６３３号公報
【発明の概要】
【０００４】
当初の請求項に係る発明と範囲が同等のある実施形態について以下に要約する。これらの実施形態は、請求項に係る発明の範囲を限定することは意図されておらず、むしろこれらの実施形態は、単に本発明の可能性のある形態の概要を提供することが意図されている。実際、本発明は、以下に述べる実施形態と同様であっても、または異なっていてもよい様々な形態を包含することができる。
【０００５】
一実施形態において、デバイスは、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）のゲートに印加される１つまたは複数の電圧を調整するように構成されたコントローラを含む。コントローラは、ＩＧＢＴに関連付けられた１つまたは複数の電圧値を受け取り、パルス幅変調ゲート信号を生成し、このゲート信号をＩＧＢＴに送出するように構成される。ゲート信号は、ＩＧＢＴを作動状態にする、または非作動状態にするように構成される。コントローラは、電圧クランプ信号を生成し、この電圧クランプ信号を送出して、アクティブスイッチングデバイスを作動状態にする、または非作動状態にするように構成される。アクティブスイッチングデバイスは、少なくとも一部は電圧クランプ信号の１つまたは複数の特性に基づいて、ＩＧＢＴに関連付けられた１つまたは複数の電圧値を周期的に制限するように構成される。
【０００６】
第２の実施形態において、非一時的なコンピュータ可読媒体は、ＩＧＢＴに関連付けられた１つまたは複数の電圧値を受け取り、ゲート信号を生成し、このゲート信号をＩＧＢＴに送出する命令を有するコードを含む。ゲート信号は、ＩＧＢＴを作動状態にする、または非作動状態にするように構成される。非一時的なコンピュータ可読媒体は、電圧クランプ信号を生成し、この電圧クランプ信号を送出して、アクティブスイッチングデバイスを作動状態にする、または非作動状態にする命令を有するコードを含む。アクティブスイッチングデバイスは、少なくとも一部は電圧クランプ信号の１つまたは複数の特性に基づいて、ＩＧＢＴに関連付けられた１つまたは複数の電圧値を周期的に制限するように構成される。
【０００７】
第３の実施形態において、デバイスは、作動状態にする、または非作動状態にする指示としてのゲート信号を受け取るように構成された絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、所定のクランプ電圧しきい値で作動状態になるように構成されたツェナーダイオード、ならびにＩＧＢＴおよびツェナーダイオードに通信可能に結合されたアクティブスイッチングデバイスを含む。アクティブスイッチングデバイスは、作動状態のときはＩＧＢＴに関連付けられた１つまたは複数の電圧をクランプ電圧しきい値に制限し、非作動状態のときはＩＧＢＴに関連付けられた１つまたは複数の電圧がクランプ電圧しきい値を超えるようにするように構成される。
【０００８】
本発明のこれらのならびに他の特徴、態様、および利点は、図面全体を通して同様の文字が同様の部分を表す添付図面を参照して以下の詳細な説明を読むと、一層よく理解されるようになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本実施形態による電力変換および制御システムのブロック図である。
【図２】実施形態による、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）に対する直列のアクティブクランプ回路の概略図である。
【図３】実施形態による、ゲートおよびクランプ回路を含む、ＩＧＢＴに対するアクティブクランプ回路の概略図である。
【図４】実施形態による、ゲートおよびクランプ制御信号の実施形態のタイミング図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の１つまたは複数の特定の実施形態について以下に記載する。これらの実施形態について簡潔な記載を行なうために、実際の実施態様の特徴すべてについては本明細書に記載されない場合がある。いかなるそうした実際の実施態様の開発においても、いかなるエンジニアリングまたは設計プロジェクトにおいても同様だが、システム関連およびビジネス関連の制約の遵守などの、開発者の特有の目標を実現するために、実施態様毎に変わることがある数多くの実施態様特有の決定を下さなければならないことを理解されたい。さらに、そうした開発努力は、複雑で時間がかかる場合があるが、それにもかかわらず、本開示の利点を有する当業者にとっては設計、作製、および製造のルーチン仕事になるであろうことを理解されたい。
【００１１】
本発明の様々な実施形態の要素を導入する場合、冠詞「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」、「その（ｔｈｅ）」、および「前記（ｓａｉｄ）」は、１つまたは複数の要素があることを意味することが意図されている。用語「備える」、「含む」、および「有する」は、包括的であり、列挙された要素以外のさらなる要素があってもよいことを意味することが意図されている。
【００１２】
本実施形態は、ＩＧＢＴがオフに切り替わっている期間に、ＩＧＢＴを電気的損傷から保護するために使用する電圧クランプ回路を動的に作動状態にすることおよび非作動状態にすることに関する。動的な電圧クランプ回路によって、ＩＧＢＴの電圧が所定のクランプ電圧しきい値を超えて周期的に上昇することができる。より詳細には、本実施形態によって、クランプ回路を周期的に作動状態にすることおよび非作動状態にすることによって、ＩＧＢＴをその最大電圧定格で動作させ、電力変換マージンを増加させることができる。
【００１３】
上記を念頭において、図１は、電力変換および制御システム１０のブロック図である。システム１０は、電力導体１２（例えば、単相または多相）、電力コンバータ１４、通信リンク１８を介してコンバータ１４に通信可能に結合されたコントローラ１６、および通信リンク２０を介してコンバータ１４に通信可能に結合された負荷２２を含むことができる。ある実施形態では、システム１０は、電源、敷衍すると、例えば、負荷２２などの様々な産業機械に提供される速度およびトルクを制御するための始動コンバータ、連続稼働駆動装置、または同様のシステムとして使用されてもよい。例えば、システム１０が始動コンバータである場合、システム１０は、例えば、同期モータ（例えば、負荷２２）を駆動する可変速交流（ＡＣ）駆動システムとして機能してもよい。
【００１４】
ある実施形態では、コンバータ１４は、多くのアクティブ電力電子スイッチングデバイス、例えば、シリコン制御整流器（ＳＣＲ）、サイリスター、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）を含むことができ、それらを使用して、「オン」（例えば、作動および／またはイネーブル）状態と「オフ」（例えば、非作動および／またはディスエーブル）状態とを切り替え、負荷２２への電力の流れを制御することができる。例えば、「オフ」状態では、コンバータ１４のスイッチングデバイスは、電流の流れをリーク電流だけに制限することができる。同様に、例えば、「オン」状態では、コンバータ１４のスイッチングデバイスは、入力電圧があるしきい電圧を超えるときに電流を通すことができる。具体的には、コンバータ１４は、直流（ＤＣ）電力を、ＤＣリアクトルリンクを介して交流（ＡＣ）電力に変換する、または交流（ＡＣ）電力を直流（ＤＣ）電力に変換するいかなる電気デバイス（複数可）であってもよい。さらに理解されるように、コンバータ１４は、１つまたは複数のＩＧＢＴ、およびＩＧＢＴのそれぞれが「オフ」に切り替わっている期間に、ＩＧＢＴのそれぞれのピーク電圧を所定値にクランプまたは制限するためのクランプ回路を含むことができる。
【００１５】
前に論じたように、システム１０は、コントローラ１６も含むことができる。コントローラ１６は、コンバータ１４の動作、敷衍すると、負荷２２への電力の流れを制御することができる。したがって、コントローラ１６は、コンピュータ命令を処理するのに使用することができるプロセッサ、およびコンピュータ命令および他のデータを記憶するために使用することができるメモリを含むことができる。これらの命令は、メモリおよび／または他の記憶装置などの有形の非一時的なコンピュータ可読媒体に記憶されたプログラムにおいてコード化されてもよい。ある実施形態では、コントローラ１６は、コンバータ１４に含まれることがある、例えば、ＩＧＢＴ、ＳＣＲ、サイリスターなどのいくつかのスイッチングデバイスにスイッチング信号を送ることによって、例えば、１つまたは複数の分散発電機（例えば、光起電力パネル、風力タービンなど）から受け取ったＡＣまたはＤＣ電力の変換および／または逆変換を制御することができる。そのような場合、コントローラ１６は、電力導体１２を介して分散発電機から負荷２２に流れる電流の量を制御することができる。
【００１６】
一実施形態では、コントローラ１６は、パルス幅変調（ＰＷＭ）コントローラであってもよい。具体的には、コントローラ１６は、コンバータ１４を制御するための出力電圧（例えば、ＡＣまたはＤＣ）レベルを生成するためにディジタルパルス信号（例えば、ＡＣまたはＤＣ）を使用する１つまたは複数の機能を含むことができる。例えば、コントローラ１６は、コンバータ１４に「オン」／「オフ」期間のＰＷＭ信号を送出することができ、コンバータ１４は、ＰＷＭ信号が論理的にハイのときに（すなわち、ＰＷＭ信号の立ち上がりエッジで）、「オン」に切り替わり、ＰＷＭ信号が論理的にローのときに（すなわち、ＰＷＭ信号の立ち下がりエッジで）、「オフ」に切り替わるように制御されうる。したがって、コントローラ１６は、敷衍すると、例えば、負荷２２の出力（例えば、速度およびトルク）を制御することができる。コンバータ１４は、複数のＩＧＢＴを含んでもよく、したがって、コントローラ１６は、ＩＧＢＴのそれぞれに別々のＰＷＭ信号を送出して、ＩＧＢＴのそれぞれを別々に制御することができることを理解されたい。以下でさらに詳細に論じるように、コントローラ１６は、コンバータ１４に送出される「オン」／「オフ」期間と共に、「ＰＷＭ」クランプ期間を動的に制御するための電気的なクランプ（すなわち、電圧信号がある規定の大きさもしくは設定点を超えるのを抑える）ロジックおよび／またはファームウェアを含むこともできる。
【００１７】
図２は、上で論じたコンバータ１４の一実施形態の概略図である。コンバータ１４は、様々なアクティブクランプ回路を含むことができ、これらのクランプ回路が、例えば、コンバータ１４の上側および下側の電圧（例えば、ＶOUT）の大きさを動的にクランプするように構成されうる。具体的には、アクティブクランプ回路は、ＩＧＢＴ２６（例えば、ＳP）および３０（例えば、ＳN）両端間の電圧を制御し、したがって、ＩＧＢＴ２６および３０を実質的な電気的（例えば、過電圧、過電流などの）損傷から保護することができる。同様に、ツェナーダイオード２４および３２と共に、アクティブ電子スイッチングデバイス２８（例えば、ＳCP）および３４（例えば、ＳCN）は、ＩＧＢＴ２６および３０の電圧を制御し、調整するように構成されうる。例えば、コンバータ１４は、それぞれがある最大電圧（例えば、１７００Ｖ）に定格されたＩＧＢＴ２６および３０を含むＤＣ−ＤＣコンバータであってもよい。続いて、コンバータ１４は、それぞれが逆方向降伏電圧しきい値（例えば、１０００、１２００、１４００Ｖ）を有するツェナーダイオード２４および３２を含むことができる。したがって、ツェナーダイオード２４および３２それぞれは、ＩＧＢＴ２６および３０の電圧を逆方向降伏電圧しきい値（例えば、１０００、１２００、１４００Ｖ）にそれぞれクランプ、または制限することができる。以下でさらに詳細に論じるように、ある実施形態では、ツェナーダイオード２４および３２のクランプ電圧しきい値または逆方向降伏電圧しきい値（例えば、１４００Ｖ）を上回ってＩＧＢＴ２６および３０のそれぞれを動作させることが望ましい場合がある。そのような場合、クランプ作動および／または非作動信号（例えば、ＣＬＡＭＰ＿ＥＮ（１）および／またはＣＬＡＭＰ＿ＥＮ（２））を、例えば、コントローラ１６によって生成し、スイッチングデバイス２８および３４のそれぞれを動的に制御することができる。すなわち、コントローラ１６は、スイッチングデバイス２８および３４のそれぞれが「オン」および／または「オフ」に切り替わるように制御し、したがって、ＩＧＢＴ２６および３０のそれぞれがそれぞれの最大電圧定格（例えば、１７００Ｖ）で周期的に動作することができるようにする。
【００１８】
例えば、以前に論じたように、および図３に具体的に示すように、アクティブクランプ回路は、ＩＧＢＴ２６のコレクタに蓄積することがある高いピーク電圧によって引き起こされる損傷からＩＧＢＴ２６を保護するために使用されうる。図示するように、アクティブクランプ回路は、ＩＧＢＴ２６、ゲート（例えば、ＧＡＴＩＮＧ  ＳＩＧＮＡＬ）およびクランプ（例えば、ＣＬＡＭＰ＿ＥＮ）制御信号、ゲート抵抗器（例えば、ＲCLAMPおよびＲGATE）、ツェナーダイオード２４、アクティブスイッチングデバイス２８、ならびにダイオード３８を含むことができる。図２に関して上記したように、スイッチングデバイス２８は、クランプ信号（例えば、ＣＬＡＭＰ＿ＥＮ）を受け取って「オン」および／または「オフ」になり、ＩＧＢＴ２６を、例えば、その最大定格電圧（例えば、１７００Ｖ）で周期的に動作させることができるように構成されうる。クランプ信号と呼ばれるが、ある実施形態では、クランプ信号（例えば、ＣＬＡＭＰ＿ＥＮ）は、ＰＷＭ信号でもあってもよいことを理解されたい。スイッチングデバイス２８は、入ってくる電気的信号を切り替え、増幅し、または変換するのに役立つ任意のアクティブ電子デバイスであってもよい。例えば、一実施形態において、スイッチングデバイス２８は、ＩＧＢＴであってもよい。しかし、別の実施形態では、スイッチングデバイス２８は、バイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、または他の同様のアクティブ電子デバイスであってもよい。ある実施形態では、スイッチングデバイス２８は、ＩＧＢＴ２６よりも速いスイッチング速度を示すことができる。したがって、スイッチングデバイス２８は、クランプ信号（例えば、ＣＬＡＭＰ＿ＥＮ）の特性（例えば、立ち上がりエッジ、立ち下がりエッジ、デューティサイクルの変化など）の検出に対して実質的に瞬時に「オン」または「オフ」に切り替わることができる。
【００１９】
ある実施形態では、ツェナーダイオード２４は、ＩＧＢＴ２６のコレクタとスイッチングデバイス２８のコレクタとの間に逆バイアス構成で接続されてもよい。すなわち、ＩＧＢＴ２６のコレクタにかかる電圧がツェナーダイオード２４の逆方向降伏電圧しきい値（例えば、１４００Ｖ）を超える場合、ツェナーダイオード２４は、「オン」になり（すなわち、電流を通し）、したがって、普通ならばＩＧＢＴ２６のゲート３６に流れ込んでしまう可能性がある電流（または電力）を消散させることができる。具体的には、ツェナーダイオード２４を通って、ＩＧＢＴ２６のコレクタからスイッチングデバイス２８に流れる電流は、ＩＧＢＴ２６のゲート３６の電圧を増加させることができる。これによって、例えば、ＩＧＢＴ２６がＩＧＢＴ２６の最大電流定格よりも高い電流を通そうするようにさせることができる。より詳細には、ＩＧＢＴ２６が「オフ」に切り替わると（例えば、ゲート信号（ＧＡＴＩＮＧ  ＳＩＧＮＡＬ）が論理的にローのとき）、ＩＧＢＴ２６のコレクタの電圧は、ＩＧＢＴ２６のコレクタに生じることがある寄生インダクタンス（例えば、ＬPP）により上昇することがある。したがって、アクティブクランプ回路は、ピークのコレクタ電圧をほぼツェナーダイオード２４の逆方向降伏電圧しきい値（例えば、１４００Ｖ）に効果的にクランプすることができる。
【００２０】
以前に論じたように、ある実施形態では、ツェナーダイオード２４のクランプ電圧しきい値または逆方向降伏電圧しきい値（例えば、１４００Ｖ）を上回ってＩＧＢＴ２６を動作させることが望ましい場合がある。例えば、１７００Ｖの最大電圧定格を有するＩＧＢＴ２６に対して、電力変換マージンを増加させるために１７００Ｖの電圧定格で動作するようにＩＧＢＴ２６を駆動することが有利な場合がある。すなわち、電圧がツェナーダイオード２４のしきい電圧（例えば、１４００Ｖ）でクランプされる代わりに、その最大電圧（例えば、１７００Ｖ）を超えない限り、ＩＧＢＴ２６をＩＧＢＴ２６の最大電圧定格で動作させることができる。そのような場合、スイッチングデバイス２８およびツェナーダイオード２４（例えば、クランプ回路）が「オン」および／または「オフ」になるように制御するために、したがって、ＩＧＢＴ２６を最大電圧定格（例えば、１７００Ｖ）で周期的に動作させることができるように、クランプイネーブルおよび／またはディスエーブル信号（例えば、ＣＬＡＭＰ＿ＥＮ）をコントローラ１６によって生成することができる。
【００２１】
ここで図４に目を向けると、上で論じたような技法は、ゲート信号４２（ＧＡＴＩＮＧ  ＳＩＧＮＡＬ）および電圧クランプ信号４４（ＣＬＡＭＰ＿ＥＮ）に関して一層よく理解されうる。上でも述べたように、信号４２（ＧＡＴＩＮＧ  ＳＩＧＮＡＬ）および４４（ＣＬＡＭＰ＿ＥＮ）は、コントローラ１６によって生成されたＰＷＭ信号であってもよく、コントローラ１６は、本明細書に開示された方法を行なうための命令を実行することができるプロセッサを含んでもよい。これらの命令は、コントローラ１６のメモリおよび／または他の記憶装置などの有形の非一時的なコンピュータ可読媒体に記憶されたプログラムにおいてコード化されてもよい。ある実施形態では、コントローラ１６は、ＩＧＢＴ２６にゲート信号４２（ＧＡＴＩＮＧ  ＳＩＧＮＡＬ）を送出することができるため、コントローラ１６は、ゲートドライバと呼ばれることがある。具体的には、ＩＧＢＴ２６は、ゲート信号４２（ＧＡＴＩＮＧ  ＳＩＧＮＡＬ）が論理的にハイのときに、「オン」に切り替わり、ゲート信号が論理的にローのときに、「オフ」に切り替わるように制御されうる。同様に、スイッチングデバイス２８およびツェナーダイオード２４が動的に「オン」および／または「オフ」に切り替わるように制御するために、クランプ信号４４（ＣＬＡＭＰ＿ＥＮ）をコントローラ１６によって生成することができる。したがって、クランプ電圧しきい値を超えるすべての場合で、ツェナーダイオード２４がＩＧＢＴ２６の電圧をクランプすることができるのと対照的に、コントローラ１６は、ＩＧＢＴ２６の電圧がいつクランプされるべきかを制御することができる。
【００２２】
図４に示すように、クランプ信号４４（ＣＬＡＭＰ＿ＥＮ）は、ゲート信号４２（ＧＡＴＩＮＧ  ＳＩＧＮＡＬ）が論理的にハイである実質的に同一時点で論理的にハイになることができる。他の実施形態では、クランプ信号４４（ＣＬＡＭＰ＿ＥＮ）は、ゲート信号４２（ＧＡＴＩＮＧ  ＳＩＧＮＡＬ）が論理的にハイになった後しばらくして論理的にハイになってもよい。すなわち、クランプ信号４４（ＣＬＡＭＰ＿ＥＮ）は、ゲート信号４２（ＧＡＴＩＮＧ  ＳＩＧＮＡＬ）が論理的にハイになる直前または直後の時点４７で論理的にハイになってもよい。したがって、ゲート信号４２（ＧＡＴＩＮＧ  ＳＩＧＮＡＬ）のデューティサイクル（すなわち、ゲート信号４２およびクランプ信号４４がパルス周期中にそれぞれ論理的にハイである時間の割合）にわたって、ＩＧＢＴ２６の電圧は、ツェナーダイオード２４のクランプ電圧しきい値にクランプされる。しかし、以前に論じたように、ＩＧＢＴ２６のコレクタにかかる電圧は、「スイッチオフ」期間に、またはゲート信号４２（ＧＡＴＩＮＧ  ＳＩＧＮＡＬ）が論理的にローである期間に上昇することがある。したがって、ゲート信号４２（ＧＡＴＩＮＧ  ＳＩＧＮＡＬ）が（立ち下がりエッジ４６で）論理的にローになる時間と、クランプ信号４４（ＣＬＡＭＰ＿ＥＮ）が（例えば、立ち下がりエッジ４８で）論理的にローになる時間との間に遅延がもたらされうる。そのため、論理的にローになる信号４２と４４との間の遅延期間（すなわち、ＩＧＢＴ２６が実質的に完全に「オフ」に切り替わるのにかかる時間）中に、ＩＧＢＴ２６の電圧は、ツェナーダイオード２４のクランプ電圧しきい値にクランプされ、したがって、過電圧および／または過電流加熱による潜在的な損傷または故障から保護されうる。一実施形態では、遅延期間は、およそ１〜１０マイクロ秒であってもよい。
【００２３】
以前に述べたように、ある実施形態では、ＩＧＢＴ２６のピーク電圧を静的にクランプすることは、望ましくない結果を呈することがある。すなわち、ピーク電圧がクランプ電圧しきい値を上回る限り、たとえＩＧＢＴ２６を周期的に「オフ」に切り替えることができるとしても、ツェナーダイオード２４（例えば、クランプ回路）は、「オン」になる。クランプ電圧しきい値（例えば、１４００Ｖ）は、多くの場合、ＩＧＢＴ２６の最大電圧定格よりも低いため、スイッチングデバイス２８およびツェナーダイオード２４は、実際には、ＩＧＢＴ２６のピーク電圧をＩＧＢＴ２６の最大電圧定格よりもはるかに低いマージンに制限することがある。したがって、ＩＧＢＴ２６が周期的に「オフ」に切り替わるときに、ＩＧＢＴ２６両端間の電圧がツェナーダイオード２４のクランプ電圧しきい値を上回って上昇することができるように、コントローラ１６によって生成されスイッチングデバイス２８に送出されるクランプ信号４４（例えば、ＣＬＡＭＰ＿ＥＮ）をパルス化し、または変調することができる。例えば、クランプ信号４４（例えば、ＣＬＡＭＰ＿ＥＮ）が論理的にロー、敷衍すると、スイッチングデバイス２８が「オフ」の期間に、ＩＧＢＴ２６の最大電圧定格がおよそ１７００Ｖで、クランプ電圧しきい値がおよそ１４００Ｖであるとすれば、ＩＧＢＴ２６を１７００ＶのＩＧＢＴ２６の最大電圧定格により近接させて動作させることができる。したがって、ＩＧＢＴ２６のコレクタにかかる電圧がＩＧＢＴ２６の最大電圧定格（例えば、１７００Ｖ）を超えない限り、ＩＧＢＴ２６を最大電圧定格で動作させ、ＩＧＢＴ２６の電力変換および動作マージンを増加させることができる。
【００２４】
本実施形態の技術的な効果は、ＩＧＢＴを電気的損傷から保護するためのアクティブで動的な電圧クランプに関する。特に、アクティブスイッチングデバイスは、ＩＧＢＴがオフに切り替わっている期間にＩＧＢＴの電圧をクランプするように提供される。しかし、アクティブスイッチングデバイスによって、ＩＧＢＴの電圧をクランプ電圧しきい値を超えて周期的に上昇させることもできる。より詳細には、本実施形態によって、クランプ回路を周期的に非作動状態にすることよってＩＧＢＴをその最大電圧定格で動作させて電力変換マージンを増加させることができる。
【００２５】
本明細書は、最良の態様を含めて本発明を開示する、ならびにすべての当業者が、すべてのデバイスまたはシステムを作り使用すること、およびすべての組み込まれた方法を行なうことを含めて、本発明を実行することができるようにもする、例を使用している。本発明の特許できる範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者が思いつく他の例を含むことができる。そうした他の例は、それらが特許請求の範囲の文言と異ならない構造的要素を有する場合、またはそれらが特許請求の範囲の文言と実質な差がない等価な構造的要素を含んでいる場合、特許請求の範囲の範囲内であることが意図されている。
【符号の説明】
【００２６】
１０  システム
１２  電力導体
１４  コンバータ
１６  コントローラ
１８  通信リンク
２４  ツェナーダイオード
２６  ＩＧＢＴ
２８  スイッチングデバイス
３０  ＩＧＢＴ
３２  ツェナーダイオード
３４  スイッチングデバイス
３６  ゲート
３８  ダイオード
４２  ゲート信号
４４  クランプ信号
４６  立ち下がりエッジ
４７  時点
４８  立ち下がりエッジ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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