JP2010532149A - 電流変換のための装置 - Google Patents

Abstract

【課題】信頼性があり維持管理がしやすく費用効率のよい電流変換又は電圧形成のための装置を提供する。
【解決手段】本発明は、少なくとも１つの制御可能なパワー半導体素子（３）を有する直列接続された半導体モジュール（１）と、半導体モジュールの１つの電位にある高電圧制御ユニットと、少なくとも１つの光ファイバケーブル（１７、１８）により高電圧制御ユニットに接続されている接地電位近傍の低電圧制御ユニットとを備えた電流変換又は電圧形成のための装置に関する。本発明によれば、高電圧制御ユニットが高電圧インターフェース（７）を有し、高電圧インターフェースが半導体モジュールの１つの電位にあってかつ信号線（１１、１２、１３、１４）を介して少なくとも２つの制御可能なパワー半導体素子に接続されていて、高電圧インターフェースが前記光ファイバケーブルの少なくとも１つを介して低電圧制御ユニットに接続されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、少なくとも１つの制御可能なパワー半導体素子素子を有する直列接続された半導体モジュールと、半導体モジュールの１つの電位にある高電圧制御ユニットと、少なくとも１つの光ファイバケーブルにより高電圧制御ユニットに接続されている接地電位近傍の低電圧制御ユニットとを備えた電流変換又は電圧形成のための装置に関する。

このような装置は既に公知である（例えば特許文献１参照）。そこに開示されている装置は、高電圧直流送電（ＨＶＤＣＴ）設備の一部であるコンバータである。このコンバータは、各々半導体モジュールの直列回路を有するバルブアームを持っている。半導体モジュールは各々サイリスタを含む。サイリスタは、サイリスタを介する電流の流れが遮断されている阻止状態から、電気的な点弧パルスによりサイリスタを介する電流の流れが可能にされている導通状態に移行可能である。サイリスタの点弧のために調節装置が用いられる。調節装置は、高電圧電位にある高電圧制御ユニットと接地電位近傍の低電圧制御ユニットを含み、これらの制御ユニットは電位分離をする光ファイバケーブルを介して互いに接続されている。従って、低電圧制御ユニットの電気信号が光信号に変換され、光ファイバケーブルを介して高電圧制御ユニットに伝送される。高電圧制御ユニットは、受信した光信号を電気信号に変換する光電変換器を持っている。受信された光信号がサイリスタの適切な点弧をもたらす。更に、各サイリスタには状態監視センサが割り当てられている。状態監視センサは、各々割り当てられたサイリスタの状態を状態データ獲得の下で監視する。状態データは最後に高電圧制御ユニットに伝送され、高電圧制御ユニットは、状態データを少なくとも部分的に処理し、処理時に獲得されたデータを、光ファイバケーブルを介して低電圧制御ユニットに伝送する。

半導体モジュールからなる直列回路を有するコンバータは送電および配電の用途からも公知である。直列回路によって、直列回路の端子に印加される電圧が個々の半導体モジュールに分配される。この方法で、個々の半導体モジュールの耐圧が限られているにも係らず、高電圧用に設計されているコンバータバルブを提供できる。高電圧の用途の場合、必要な半導体モジュールの個数は、数１０〜１０００を超える迄の範囲にある。半導体モジュールは、例えば１つの単独の制御可能なパワー半導体素子を含むか、１つのコンデンサと、互いに１つのハーフ又はフルブリッジに結線された多数のパワー半導体素子を含む。パワー半導体素子は一般に正確かつ迅速に制御されなければならない。更に既述のように従来技術によれば、各パワー半導体素子が一般に２つの光ファイバケーブルを介して接地電位近傍の制御装置に接続されている。これは、非常に多くの光ファイバケーブルが必要とされるという欠点を有する。制御装置の冗長設計の場合、光ファイバケーブルの個数が更になおも２倍以上に増大する。各々の光ファイバケーブルを介して伝送される獲得データを監視する場合、全てを必要な時間内に中央で処理することも困難である。

米国特許第５９６９９５６号明細書

従って、本発明の課題は、信頼性があり維持管理がしやすく費用効率のよい冒頭に述べた如き装置を提供することにある。

本発明は、この課題を、高電圧制御ユニットが高電圧インターフェースを有し、高電圧インターフェースが半導体モジュールの１つの電位にあってかつ信号線を介して少なくとも２つの制御可能なパワー半導体素子に接続されていて、高電圧インターフェースが前記光ファイバケーブルの少なくとも１つを介して低電圧制御ユニットに接続されていることによって解決する。

本発明によれば、低電圧制御ユニットから送信されたデータを受信して多数のパワー半導体素子に更に分配する高電圧インターフェースが設けられる。高電圧インターフェースは半導体スイッチの電位にある。このたま、高電圧インターフェースは半導体素子の直近の場所に配置されているのがよく、これによって、パワー半導体素子に通じる例えば電気的なデータ線および光学的なデータ線のような信号線を相応に短くして、低コストに設計できる。更に、本発明による装置は、高電圧インターフェースと低電圧制御ユニットとの間において少数の光ファイバケーブルしか必要とせず、これが結果として本発明による装置のコスト低減をもたらす。更に先への適切な分配のためには、低電圧制御ユニットから伝送されるデータが次の応答アドレスを有すると合理的である。即ち、どのパワー半導体素子に高電圧制御ユニットがデータもしくは信号を転送するかを規定する応答アドレスである。伝送されるデータは、本発明の枠内において、アナログデータであっても、データ電信の形で送信されるディジタルデータであってもよい。

制御可能なパワー半導体素子なる概念は、本発明の枠内では、高電圧の範囲における使用に有効であることが明らかであるパワー半導体素子であると理解すべきである。従って、例にすぎないが、サイリスタ、所謂ＧＴＯ（ゲートターンオフサイリスタ）、ＩＧＣＴ（集積ゲート制御サイリスタ）、ＧＣＴ（ゲート転流ターンオフサイリスタ）およびＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）が挙げられる。半導体モジュールは、例えばこれらのパワー半導体素子のうちの１つのみを有する。これと異なり、半導体モジュールは、本発明の枠内において、互いにハーフ又はフルブリッジに結線された多数の制御可能なパワー半導体素子を持ち、場合によっては制御可能でないパワー半導体素子も持つ。更に半導体モジュールはコンデンサ等の他の構成部品も含み得る。パワー半導体素子は、本発明の枠内において、最小の制御可能なユニットと理解すべきである。この場合、各パワー半導体素子は多数の互いに任意に接続させられた半導体チップからなる。

本発明の有利な実施形態では、各高電圧インターフェースが少なくとも４つの制御可能なパワー半導体素子に接続される。４つの制御可能なパワー半導体素子が互いにフルブリッジに結線され、フルブリッジにコンデンサが並列接続される。

高電圧インターフェースは、高電圧インターフェースに接続されている光ファイバケーブルを介して制御信号を受信すると共に、高電圧インターフェースに接続されているパワー半導体素子に受信した信号を分配するように構成されている。

本発明による装置の有利な発展形態においては、高電圧インターフェースが状態センサの測定信号を受信するように高電圧インターフェースに接続された状態センサが設けられている。高電圧インターフェースは、例えば状態センサの測定信号に関しても簡単な分配器として働き、測定信号が低電圧制御ユニットへ転送される。

各低電圧制御ユニットは、光ファイバケーブルを介して高電圧インターフェースにのみ接続されている。低電圧制御ユニットと本発明による装置の構成部分との間のその他の接続は高電圧電位側に設けられていない。

有利な実施形態によれば、高電圧インターフェースが次のように構成される。即ち高電圧インターフェースが状態センサの測定信号を処理し、かつ高電圧インターフェースに接続されている制御可能なパワー半導体素子を測定信号に依存して制御するように構成される。換言すれば、高電圧インターフェースは、さもなければ低電圧制御ユニットによって行なわれる機能を引き受ける。従って、本発明による装置の全体の制御に関して大きな簡単化が可能である。短時間内に、例えばマイクロ秒の範囲で行なわねばならない半導体スイッチの測定信号への応答を、高電圧インターフェースによって、より効率的、自動的かつ局所的に実行できる。かくして低電圧制御ユニットの負担が軽減される。

接地電位近傍のエネルギー供給ユニットによって高電圧インターフェースのエネルギー供給が行なわれるように、電位分離をする接続手段を介して高電圧インターフェースに接続されている接地電位近傍のエネルギー供給ユニットが設けられているとよい。

適切な発展形態では、半導体モジュールの１つの電位にあり、高電圧インターフェースのエネルギー供給を行なうべく構成された高電圧エネルギー供給ユニットが設けられる。

半導体モジュールは、既述の如く、ターンオフ制御可能なパワー半導体素子および／又は、例えばサイリスタ等のターンオフ制御が不能なパワー半導体素子を含む。サイリスタは阻止状態から導通状態へのみ能動的に移行可能なのに対し、ＩＧＢＴ等のターンオフ制御可能なパワー半導体素子の場合、制御信号により能動的に導通状態から阻止状態への移行が可能である。これは、勿論半導体スイッチの制御性を拡大する。ターンオフ制御可能なパワー半導体素子は、一般に逆並列接続されたフリーホイールダイオードを有する。

本発明の枠内において、例えば適切な光信号によって制御できる、光制御可能なパワー半導体素子が設けられる。これとは違って、電気的に制御可能なパワー半導体素子も本発明の枠内において設けられている。

本発明の他の実施形態では、各制御可能なパワー半導体素子がゲートユニットを介して高電圧インターフェースに接続され、ゲートユニットが半導体モジュールの制御可能なパワー半導体素子を電気的に制御するように構成される。従って、ゲートユニットは電気的に応答可能なパワー半導体素子の制御に用いられる。ゲートユニットは、一般に直接半導体スイッチに接続される。高電圧インターフェースに接続されたパワー半導体素子のために必要な制御信号を高電圧インターフェースが発生するように、高電圧インターフェースがゲートユニットの応答のために設けられる。しかしゲートユニット自体は公知なので、ここではこれに関して詳細に立ち入ることはしない。

これに関する適切な発展形態では、高電圧インターフェースがゲートユニットにエネルギーを供給するように構成される。ゲートユニットと高電圧インターフェースとの間のこの接続によっても、本発明による装置の配線費用がなお一層低減される。

図１は本発明による装置の一部である半導体モジュールからなる直列回路の実施例の概略図である。 図２は高電圧インターフェースによるパワー半導体素子の制御装置を示す概略図である。

本発明の他の好ましい実施形態および利点は、以下における図面の図を参照する本発明の実施例の説明の対象である。図面において同じ作用をする構成部分には同じ参照符号を付している。

図１は、半導体モジュール１からなる直列回路を示す。半導体モジュール１はスイッチモジュール２から構成されている。スイッチモジュールは、コンデンサＣと共に、所謂Ｈ回路又はフルブリッジ回路に結線されているので、各半導体モジュール１の端子には、スイッチモジュールの状態に応じ、コンデンサＣで降下するコンデンサ電圧Ｕｃ、その反転されたコンデンサ電圧−Ｕｃ又は零電圧が現われる。この場合、各スイッチモジュールはターンオフ制御可能なパワー半導体素子、ここではＩＧＢＴ３と、これに逆並列接続されたフリーホイールダイオード４とを含む。図１に示す装置は、例えば交流系統の１つの相に接続可能であり、交流系統内に発生し得る高調波の抑制、無効電力補償、電圧安定化等のために用いられる。交流電圧系統の相への接続のために接続端子５と６が使用される。３相交流系統の場合、３つのこのような直列回路が本発明による装置の１つの実施形態を成す。図１における直列回路によるバルブアームを有する装置は、マルチレベルコンバータとも呼ばれる。

半導体モジュール１の４つのＩＧＢＴの制御のために、高電圧インターフェース７が用いられる。高電圧インターフェース７は、電位分離をする光ファイバケーブルを介して図１には示さない低電圧制御ユニットに接続されている。高電圧インターフェース７は、同様に図１には示さない高電圧制御ユニットの部分である。これと異なり、高電圧制御ユニットは高電圧インターフェースのみから構成されている。

図２は高電圧インターフェース７による制御可能なパワー半導体素子Ｖ１１、Ｖ１２、Ｖ２１、Ｖ２２の制御装置をより詳細に示す。特に制御可能なパワー半導体素子Ｖ１１、Ｖ１２、Ｖ２１、Ｖ２２の各々が、所謂ゲートユニット８を介して高電圧インターフェース７に接続されている。ゲートユニット８は、実際にはしばしばゲート駆動回路又はゲートドライブ回路と呼ばれる。ゲートユニット８は、それに接続されているパワー半導体素子のゲート端子のための制御信号の発生のために用いられる。各ゲートユニット８へのエネルギー供給のため、高電圧インターフェースは各ゲートユニット８のためのエネルギー供給ユニット９を含む。各エネルギー供給ユニット９は、ケーブル接続１０を介してゲートユニットに接続されている。信号線１１は、高電圧インターフェース７によって受信され、転送されるターンオン信号およびターンオフ信号を伝送するために用いられる。

更に、各ゲートユニット８は、信号線１２、１３、１４を介して高電圧インターフェース７に接続された状態センサを持っている。高電圧インターフェース７は、状態センサの状態信号の受信および処理をするように構成されている。処理は、高電圧インターフェース内において実現された内部のロジックの助けにより行なわれる。このロジックは、得られた状態信号に基づき、必要ならば、ターンオン信号およびターンオフ信号の変更、発生又は抑制をするように構成されている。

概略的に示す温度センサ１５は、半導体モジュール１の全スイッチモジュール２にわたる平均温度を検出する。

求められたコンデンサ電圧値Ｕｃと温度値Ｔが高電圧インターフェース７によって処理される。その際に高電圧インターフェース７は、ターンオン信号とターンオフ信号の発生又は抑制を行なうかどうかを決定する。

高電圧インターフェース７と図２に示さない接地電位近傍の低電圧インターフェースとの接続のため、２つの概略的にのみ示す光ファイバケーブル１７と１８が用いられる。この場合、光ファイバケーブル１７を介して、図示しない低電圧制御ユニットからのデータが受信され、光ファイバケーブル１８を介してデータが高電圧インターフェース７から低電圧制御ユニットへ送信される。

高電圧インターフェース７は、所謂フィールドプログラマブルゲートアレイ、即ちＦＰＧＡであるとよい。このようなＦＰＧＡは、それ自体公知であるプログラマブル半導体モジュールであるので、ここではこれに関して更に詳しく説明しない。

１ 半導体モジュール、２ スイッチモジュール、３ ターンオフ制御可能なパワー半導体素子、４ フリーホイールダイオード、５、６ 接続端子、７ 高電圧インターフェース、８ ゲートユニット、１０ ケーブル接続、１１〜１４ 信号線、１５、１６ 状態センサ、１７、１８ 光ファイバケーブル、Ｃ コンデンサ、Ｔ 温度値、Ｕｃ コンデンサ電圧値、Ｖ１１、Ｖ１２、Ｖ２１、Ｖ２２ パワー半導体素子

Claims (8)

1. 少なくとも１つの制御可能なパワー半導体素子（３）を有する直列接続された半導体モジュール（１）と、半導体モジュール（１）の１つの電位にある高電圧制御ユニットと、少なくとも１つの光ファイバケーブル（１７、１８）により高電圧制御ユニットに接続されている接地電位近傍の低電圧制御ユニットとを備えた電流変換又は電圧形成のための装置において、
   高電圧制御ユニットが高電圧インターフェース（７）を有し、高電圧インターフェース（７）が半導体モジュールの１つの電位にあってかつ信号線（１１、１２、１３、１４）を介して少なくとも２つの制御可能なパワー半導体素子（３）に接続されていて、高電圧インターフェースが前記光ファイバケーブル（１７、１８）の少なくとも１つを介して低電圧制御ユニットに接続されていることを特徴とする装置。
2. 高電圧インターフェース（７）が、次のように構成されていること、即ち高電圧インターフェース（７）に接続されている光ファイバケーブル（１７、１８）の１つを介して制御信号を受信し、かつ受信された制御信号を高電圧インターフェース（７）に接続されている制御可能なパワー半導体素子（３）に分配するように構成されていることを特徴とする請求項１記載の装置。
3. 高電圧インターフェース（７）が状態センサ（１５、１６）の測定信号を受信するように高電圧インターフェース（７）に接続されている状態センサ（１５、１６）が設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載の装置。
4. 高電圧インターフェース（７）が次のように構成されていること、即ち高電圧インターフェース（７）が状態センサ（１５、１６）の測定信号を処理し、かつ高電圧インターフェース（７）に接続されている制御可能なパワー半導体素子（３）を測定信号に依存して制御するように構成されていることを特徴とする請求項３記載の装置。
5. 接地電位近傍のエネルギー供給ユニットによって高電圧インターフェース（７）のエネルギー供給が行なわれるように、電位分離をする接続手段を介して高電圧インターフェース（７）に接続されている接地電位近傍のエネルギー供給ユニットが設けられていることを特徴とする請求項１乃至４の１つに記載の装置。
6. 半導体モジュール（１）の１つの電位にあって高電圧インターフェースにそれのエネルギー供給のために接続されている高電圧エネルギー供給ユニットが設けられていることを特徴とする請求項１乃至４の１つに記載の装置。
7. 各制御可能なパワー半導体素子（３）がゲートユニット（８）を介して高電圧インターフェースに接続されていて、ゲートユニット（８）が半導体モジュール（１）の制御可能なパワー半導体素子（３）のための制御信号を発生するように構成されていることを特徴とする請求項５又は６記載の装置。
8. 高電圧インターフェース（７）がゲートユニット（８）にエネルギー供給ユニット（９）によりエネルギーを供給することを特徴とする請求項７記載の装置。

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