(57)【要約】  マトリックスコンバータは、マトリックスコンバータを通って流れる電流を検知するように構造化された１つ以上の電流センサと、いくつかの固体状態トランジスタを含むスイッチのマトリックスと、検知された電流に基づいてマトリックスコンバータを通って流れる電力の故障を検出し、スイッチのマトリックスを制御して外部デバイスを駆動し、かつマトリックスコンバータを通って流れる電力の故障を検出することに応じて、電力がマトリックスコンバータの内部又は外部デバイスの外部に流れることを防止するように切り替えるためにスイッチのマトリックスを制御するように構造化された制御回路と、を含む。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
マトリックスコンバータ（１００）であって、
前記マトリックスコンバータを通って流れる電流を検知するように構造化された１つ以上の電流センサ（１１０）と、
いくつかの固体状態トランジスタを含むスイッチのマトリックス（１３０）と、
前記検知された電流に基づいて前記マトリックスコンバータを通って流れる電力の故障を検出し、前記スイッチのマトリックスを制御して外部デバイス（２０）を駆動し、かつ前記マトリックスコンバータを通って流れる電力の故障を検出することに応じて、電力が前記マトリックスコンバータの内部又は前記外部デバイスの外部に流れることを防止するように切り替えるために前記スイッチのマトリックスを制御するように構造化された制御回路（１４０）と、を備える、マトリックスコンバータ（１００）。
【請求項２】
前記スイッチのマトリックスがオフになると、ガルバニック絶縁を提供するように構造化された絶縁スイッチ（１２０）を更に備える、請求項１に記載のマトリックスコンバータ。
【請求項３】
前記絶縁スイッチが、クリンチ継手である、請求項１に記載のマトリックスコンバータ。
【請求項４】
制御回路が、前記いくつかの固体状態トランジスタの状態を制御することによって、前記外部デバイスを駆動するために前記スイッチのマトリックスを制御するように構造化されている、請求項１に記載のマトリックスコンバータ。
【請求項５】
前記いくつかの固体状態トランジスタが、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、又は集積化ゲート転流型サイリスタ（ＩＧＣＴ）のうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載のマトリックスコンバータ。
【請求項６】
前記固体状態トランジスタのうちの１つ以上が、シリコン（Ｓｉ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、又は窒化ガリウム（ＧａＮ）のうちの少なくとも１つから構成されている、請求項１に記載のマトリックスコンバータ。
【請求項７】
前記制御回路が、前記マトリックスコンバータを通って流れる電力のＡＣ−ＡＣ変換を提供するために前記スイッチのマトリックスを制御するように構造化されている、請求項１に記載のマトリックスコンバータ。
【請求項８】
前記外部デバイスが、電動モータである、請求項１に記載のマトリックスコンバータ。
【請求項９】
エネルギーを吸収し、電圧過渡に対する保護を提供するように構造化されたスナバ回路（４５０）を更に備える、請求項１に記載のマトリックスコンバータ。
【請求項１０】
前記スイッチのマトリックスが、前記いくつかの固体状態トランジスタのうちの１つ及び対応するダイオードを各々含む複数のスイッチを含む、請求項１に記載のマトリックスコンバータ。
【請求項１１】
前記複数のスイッチが、双方向スイッチである、請求項１０に記載のマトリックスコンバータ。
【請求項１２】
前記制御回路が、前記マトリックスコンバータを通って流れる電力の故障を検出したことに応じて、前記複数のスイッチのサブセットを制御して、電力が前記マトリックスコンバータの内部又は前記外部デバイスの外部に流れることを防止するように切り替えるために構造化されている、請求項１０に記載のマトリックスコンバータ。
【請求項１３】
前記複数のスイッチが、少なくとも１２個のスイッチである、請求項１０に記載のマトリックスコンバータ。
【請求項１４】
前記マトリックスコンバータを通って流れる電力を採取し、前記採取された電力を使用して前記マトリックスコンバータの１つ以上の構成要素に電力を供給するように構造化された電力回路を更に備える、請求項１に記載のマトリックスコンバータ。
【請求項１５】
電動モータ及び駆動システム（１）であって、
電源（１０）、
電動モータ（２０）、及び
前記電源と前記電動モータとの間に電気的に接続されている、請求項１〜１４のいずれかに記載のマトリックスコンバータを備える、電動モータ及び駆動システム（１）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本出願は、２０１７年８月２９日に出願され「ＭＡＴＲＩＸ  ＣＯＮＶＥＲＴＥＲ  ＷＩＴＨ  ＳＯＬＩＤ  ＳＴＡＴＥ  ＣＩＲＣＵＩＴ  ＢＲＥＡＫＥＲ」と題された米国仮特許出願第６２／５５１，５８１号の優先権を主張するものであり、その内容は、参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
（発明の分野）
本開示の概念は、概して、ＡＣ−ＡＣコンバータに関し、具体的にはマトリックスコンバータに関する。
【背景技術】
【０００３】
マトリックスコンバータは、スイッチのマトリックスを使用して、電源からのＡＣ電力を負荷による使用のためのＡＣ電力に変換する、ＡＣ−ＡＣコンバータの種類のものである。図１は、マトリックスコンバータ１０００の一例を示す。マトリックスコンバータは、入力フィルタ１００１及びスイッチ１００２のマトリックスを含む。スイッチ１００２のマトリックスは、マトリックスコンバータ１０００の入力と出力との間に接続される。マトリックスコンバータ１０００の出力における電力は、スイッチ１００１のマトリックスに含まれるスイッチを選択的に制御することによって制御することができる。
【０００４】
以下の式によって示されるように、スイッチの状態に基づいてスイッチ１００１のマトリックスの入力と出力との間に数学的関係が存在する。
【０００５】
【数１】
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【０００６】
スイッチは、それらが閉じているときに１の値と、それらが開いているときに０の値とを与えられる。行列乗算を使用して、スイッチ１００２のマトリックスの入力における電圧及び電流並びにスイッチの状態に基づいて、スイッチ１００２のマトリックスの出力における電圧及び電流を決定することができる。スイッチの状態を制御することによって、スイッチ１００２のマトリックスの出力における電圧及び電流を制御することができる。
【０００７】
マトリックスコンバータは、電動モータの駆動装置として用いられてきた。回路保護を提供するために、マトリックスコンバータに加えて回路遮断器又はヒューズが提供される。回路遮断器又はヒューズの追加は、電動モータシステムのコスト及び複雑さに追加される。回路遮断器及びヒューズ自体、並びに回路遮断器及びヒューズをモータ始動機及び／又はモータコントローラに配線する必要性が、システムにコストを追加する。図２は、電動モータシステム２０００の一例を示す。図２の電動モータシステム２０００は、電動モータ駆動装置２００１、分岐回路遮断器２００２、モータ回路遮断器２００４、及びモータ２００４を含む。図２に示すように、システム２０００を保護するために様々な回路遮断器２００２、２００３が提供される。
【０００８】
マトリックスコンバータには改善の余地がある。
【発明の概要】
【０００９】
本開示の概念の一態様によれば、マトリックスコンバータは、マトリックスコンバータを通って流れる電流を検知するように構造化された１つ以上の電流センサと、いくつかの固体状態トランジスタを含むスイッチのマトリックスと、検知された電流に基づいてマトリックスコンバータを通って流れる電力の故障を検出して、外部デバイスを駆動するためにスイッチのマトリックスを制御するように、かつマトリックスコンバータを通って流れる電力の故障を検出することに応じて、電力がマトリックスコンバータの内部又は外部デバイスの外部に流れることを防止するようにスイッチを切り替えるために、スイッチのマトリックスを制御するように構造化された制御回路と、を備える。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
本開示の概念の完全な理解は、添付図面と併せて読むと、以下の発明を実施するための最良の形態から得ることができる。
【図１】マトリックスコンバータの図である。
【図２】電動モータ及び駆動システムの図である。
【図３】本開示の概念の例示的な実施形態によるマトリックスコンバータを含む電動モータ及び駆動システムの図である。
【図４】本開示の概念の他の例示的な実施形態によるマトリックスコンバータの図である。
【図５】本開示の概念の他の例示的な実施形態によるマトリックスコンバータの図である。
【図６】本開示の概念の他の例示的な実施形態によるマトリックスコンバータの図である。
【図７】本開示の概念の他の例示的な実施形態によるマトリックスコンバータの図である。
【図８】本開示の概念の他の例示的な実施形態によるマトリックスコンバータの図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本明細書で使用される方向句、例えば、左、右、前部、後部、頂部、底部、及びそれらの変形などは、図面に示される要素の向きに関するものであり、そこに明示的に記載されない限り、特許請求の範囲を限定しない。
【００１２】
本明細書で使用するとき、２つ以上の部分が共に「結合されている」という記述は、それらの部分が、共に直接接合されているか、又は１つ以上の中間部分を介して接合されているかのいずれかを意味するものとする。
【００１３】
本明細書で使用するとき、用語「プロセッサ」は、データを記憶、取得、及び処理することができるプログラム可能なアナログ及び／又はデジタルデバイス、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、マイクロコンピュータ、中央処理ユニット、又は任意の好適な処理デバイス又は装置を意味するものとする。
【００１４】
図３は、本開示の概念の例示的な実施形態による電動モータ及び駆動システム１の図である。電動モータ及び駆動装置１は、電源１０と、電動モータ２０と、電源１０及び電動モータ２０の間に電気的に結合されたマトリックスコンバータ１００と、を含む。マトリックスコンバータ１００は、スイッチのマトリックス１３０を使用することによって電源１０からの電力を変換することによって電動モータ２０を駆動するように構造化されている。
【００１５】
マトリックスコンバータ１００は、１つ以上の電流センサ１１０（例えば、限定することなく、変流器）と、絶縁スイッチ１２０と、スイッチのマトリックス１３０と、制御回路１４０と、入力フィルタ１４５と、を含む。入力フィルタ１４５は、図１に示されるものと同様であってもよい。マトリックスコンバータ１００は、１つ以上の他の種類のセンサ（例えば、限定することなく、電圧センサ、温度センサなど）を含んでもよいが、このような他のセンサは図３には示されていないことを当業者によって理解されるであろう。マトリックスコンバータ１００は、固体状態回路遮断器の機能を提供する。本開示の概念のいくつかの例示的な実施形態では、マトリックスコンバータ１００は、故障（例えば、限定することなく、アーク故障、接地故障、過電流など）を検出し、それに応じて、電流がマトリックスコンバータ１００の内部又は電動モータ２０の外部に流れるのを停止するためのトリップを開始することができる。
【００１６】
絶縁スイッチ１２０は、マトリックスコンバータ１００への入力とスイッチのマトリックス１３０との間で電気的に結合される。絶縁スイッチ１１０を開くことにより、ガルバニック絶縁が提供される。マトリックスコンバータ１００はまた、磁気アクチュエータ（図示せず）を含んでもよい。磁気アクチュエータは、絶縁スイッチ１２０を開くように作動してもよい。絶縁スイッチ１２０を開くことは、制御回路１４０によって制御される。本開示の概念のいくつかの例示的な実施形態では、絶縁スイッチ１２０は、クリンチ継手である。クリンチ継手設計により、非常に高い接触ばね力を有する大きなスイッチング機構を伴わずに、過負荷又は短絡事象中に接触を閉じたままにするために、接触構造体が電流発生磁力を利用することを可能にする。しかしながら、本開示の概念の範囲から逸脱することなく、他の種類のスイッチを用いてもよいことが理解されるであろう。
【００１７】
スイッチのマトリックス１３０は、マトリックスコンバータ１００の入力と出力との間にマトリックスに配置された、いくつかのスイッチを含む。スイッチは、トランジスタなどの固体状態構成要素から構成されてもよい。本開示の概念のいくつかの例示的な実施形態では、スイッチは、例えば、トランジスタ及びダイオードから構成される双方向スイッチであってもよい。任意の好適な種類のトランジスタが、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  ｇａｔｅ  ｂｉｐｏｌａｒ  ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、ＩＧＢＴ）、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ｍｅｔａｌ−ｏｘｉｄｅ−ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｆｉｅｌｄ−ｅｆｆｅｃｔ−ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、ＭＯＳＦＥＴ）、集積化ゲート転流型サイリスタ（ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  ｇａｔｅ−ｃｏｍｍｕｔａｔｅｄ  ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ、ＩＧＣＴ）、又は他の種類のトランジスタなどのスイッチに用いられ得ることが、当業者には理解されるであろう。スイッチは、シリコン（Ｓｉｌｉｃｏｎ、Ｓｉ）、炭化ケイ素（Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｃａｒｂｉｄｅ、ＳｉＣ）、窒化ガリウム（Ｇａｌｌｉｕｍ  Ｎｉｔｒｉｄｅ、ＧａＮ）、又は任意の好適なワイドバンドギャップ（Ｗｉｄｅ  Ｂａｎｄｇａｐ、ＷＢＧ）材料で作製されてもよい。いくつかの例示的な実施形態では、スイッチは、ＧａＮ又はＳｉＣで作製される。スイッチの状態は、制御回路１４０によって制御される。マトリックスコンバータ１００への入力電圧及び電流、マトリックスコンバータ１００の出力電圧及び電流、並びにスイッチの状態の間に数学的関係が存在する。スイッチの状態を制御することによって、制御回路１４０は、マトリックスコンバータ１００の出力を制御することができる。本開示の概念の例示的な実施形態では、制御回路１４０は、電動モータ２０を駆動するためにスイッチの状態を制御するように構造化される。
【００１８】
制御回路１４０はまた、電流センサ１１０の出力に基づいてマトリックスコンバータ１００を通って流れる電力を監視するように構造化される。制御回路１４０は、回路遮断器内の電子トリップユニットによって提供されるものなどの回路保護機能を提供するように構造化される。例えば、制御回路１４０は、電流センサ１１０から検知された電流レベルを受信するように構造化される。制御回路１４０は、マトリックスコンバータ１００を通って流れる電力の故障について検知された電流レベルを監視し、故障の検出に応じてトリップを開始するように構造化される。制御回路１４０は、多くの異なる種類の故障を検出してもよく、故障の種類及び重篤度に基づいてトリップを開始するかどうか及びいつ開始するかを判定し得ることが、当業者には理解されるであろう。
【００１９】
制御回路１４０は、スイッチのマトリックス１３０内のスイッチを制御して、電力がマトリックスコンバータ１００の内部又は電動モータ２０の外部に流れることを防止するように切り替えることによって、トリップを開始する。例えば、限定するものではないが、制御回路１４０は、故障が存在する段階に対応するスイッチを開かせてもよい。スイッチは、非常に迅速に切り替えることができる固体状態構成要素である。
【００２０】
制御回路１４０はまた、絶縁スイッチ１２０を開くことを制御するように構造化される。制御回路１４０がトリップを開始すると、制御回路１４０はまた、スイッチが開かれた後に絶縁スイッチ１２０を開くように制御してもよい。
【００２１】
制御回路１４０は、スイッチのマトリックス１３０内のスイッチを制御して電動モータ２０を駆動するための制御機能と、回路遮断器内の電子トリップユニットの機能との組み合わせを提供する。スイッチのマトリックス１３０は、モータを駆動するためのＡＣ−ＡＣ電力変換を提供するために、及び固体状態回路遮断器機能の一部として電流の流れを遮断するスイッチとしての両方で使用される。回路遮断器機能をマトリックスコンバータ１００に組み込むことにより、マトリックスコンバータ１００は、その保護を提供するために外部回路遮断器を必要としない。加えて、二重目的のためにスイッチのマトリックス１３０を使用することによって、マトリックスコンバータ１００の機能は、多過ぎる余分な構成要素を追加することなく増大される。
【００２２】
いくつかの例示的な実施形態では、制御回路１４０は、プロセッサ及び関連するメモリを含み得る。メモリは、プロセッサ内に又は別個の構成要素として含まれてもよい。プロセッサは、例えば、限定することなく、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、又はメモリ若しくは別の好適なメモリとインターフェースするいくつかの他の好適な処理デバイス又は回路であってもよい。メモリは、様々な種類の内部及び／又は外部記憶媒体のうちの１つ以上のうちのいずれか、例えば、限定することなく、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ（複数可）、ＥＥＰＲＯＭ（複数可）、ＦＬＡＳＨ、及びコンピュータの内部記憶領域の様式などのデータ記憶のために記憶レジスタ、すなわち、機械可読媒体を提供するものなどであってもよく、揮発性メモリ又は不揮発性メモリとすることができる。メモリはまた、プロセッサが実行するように構造化されている１つ以上のルーチンを記憶してもよい。
【００２３】
図３に示される例示的な実施形態では、電流センサ１１０は、マトリックスコンバータ１００の入力に示される。しかしながら、当業者であれば、電流センサ１１０は、本開示の概念の範囲から逸脱することなく、マトリックスコンバータ１００の出力によって代替的に又は追加的に配置され得ることを理解するであろう。また、当業者であれば、制御回路１４０は、トリップを開始するかどうかを判定する際に、他のセンサ（図示せず）からの入力を使用してもよいことを理解するであろう。例えば、制御回路１４０は、電圧及び／又は温度センサからの入力に基づいてトリップを開始してもよい。
【００２４】
図示されていないが、マトリックスコンバータ１００はまた、電力回路を含んでもよい。電力回路は、電源１０から電力を変換又は採取し、そのような電力を使用して、制御回路１４０及び／又はマトリックスコンバータ１００の他の構成要素に電力を供給することができる。
【００２５】
本開示の概念のいくつかの例示的な実施形態では、マトリックスコンバータ１００はまた、スナバ回路を含んでもよい。スナバ回路は、マトリックスコンバータ１００の入力と出力との間の様々な点のいずれかと電気的に結合されてもよい。スナバ回路は、スナバとして配置された１つ以上の抵抗器、ダイオード、及びコンデンサを含む。スナバ回路は、エネルギーを吸収し、電圧過渡などの事象に対して保護を提供するように構造化される。
【００２６】
図３の例示的な実施形態に示されるマトリックスコンバータ１００は、マトリックスコンバータの種類の一例である。例えば、図３のマトリックスコンバータ１００は、１８個の双方向スイッチを含むスイッチのマトリックス１３０を含む。しかしながら、本開示の概念は、様々な異なる種類のマトリックスコンバータに適用可能であることが理解されるであろう。例えば、図４〜図８は、本開示の概念のいくつかの他の例示的な実施形態によるマトリックスコンバータを示す。絶縁スイッチ１２０は、図４〜図８のマトリックスコンバータには示されていないが、当業者であれば、本開示の概念の範囲から逸脱することなく、絶縁スイッチが図４〜図８のマトリックスコンバータに用いられ得ることを理解するであろう。
【００２７】
図４は、本開示の概念の例示的な実施形態によるマトリックスコンバータ２００の図である。図４のマトリックスコンバータ２００は、１８個のスイッチを含み、それらのうちの１２個は双方向であるが、図３のマトリックスコンバータ１００とは異なるように配置される。図４のマトリックスコンバータ２００では、１２個の双方向スイッチを含むスイッチのマトリックス２３０が、固体状態回路遮断器機能の一部としてトリップを開始するために制御回路１４０によって使用される。
【００２８】
図５は、本開示の概念の例示的な実施形態によるマトリックスコンバータ３００の図である。図５のマトリックスコンバータ３００は、１５個のスイッチを含み、制御回路１４０によって使用される９個のスイッチを含むスイッチのマトリックス３３０を含み、固体状態回路遮断器機能の一部としてトリップを開始する。
【００２９】
図６は、本開示の概念の例示的な実施形態によるマトリックスコンバータ４００の図である。図６のマトリックスコンバータ４００は、図５のマトリックスコンバータ３００と同様である。しかしながら、図６のマトリックスコンバータ４００は、絶縁スイッチ１２０及びスナバ回路４５０も含むように示されている。当業者であれば、絶縁スイッチ１２０及び／又はスナバ回路４５０は、本明細書に開示される例示的な実施形態のいずれかに採用され得ることを理解するであろう。
【００３０】
図７は、本開示の概念の例示的な実施形態によるマトリックスコンバータ５００の図である。図７のマトリックスコンバータ５００は、１２個のスイッチを含み、制御回路１４０によって使用される６個のスイッチを含むスイッチのマトリックス５３０を含み、固体状態回路遮断器機能の一部としてトリップを開始する。
【００３１】
図８は、本開示の概念の例示的な実施形態によるマトリックスコンバータ６００の図である。図８のマトリックスコンバータ６００は、９個のスイッチを含み、制御回路１４０によって使用される３個のスイッチを含むスイッチのマトリックス６３０を含み、固体状態回路遮断器機能の一部としてトリップを開始する。
【００３２】
図３〜図８は、本開示の概念の例示的な実施形態によるマトリックスコンバータの異なる配置を示しており、これらの配置は、本開示の概念の用途のいくつかの例にすぎないことが当業者には理解されるであろう。本開示の概念は、任意の好適な種類のマトリックスコンバータに採用され得ることが理解されるであろう。また、当業者であれば、例示的な実施形態は、本開示の概念の範囲から逸脱することなく、構成要素を追加、減算、及び／又は再配置することによって修正され得ることも理解するであろう。本開示の概念は、本開示の概念の範囲から逸脱することなく、モータ制御以外の技術分野に適用され得ることが、当業者には更に理解されるであろう。
【００３３】
本開示の概念の特定の実施形態について詳細に説明してきたが、当業者であれば、それらの詳細に対する様々な修正及び代替が、本開示の全体的な教示に照らして開発され得ることを理解するであろう。したがって、開示された特定の配置は、単に例示的なものであり、添付の特許請求の範囲の全容及びそれらの任意の及び全ての等価物を与えられる本開示の概念の範囲に関して限定されるものではないことを意味する。
【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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【国際調査報告】
2020532262.tif 000012
2020532262.tif 000013
2020532262.tif 000014