JP2011120462A

JP2011120462A - ノーマリー・オン電界効果トランジスタを用いる電流型パワー・コンバータ

Info

Publication number: JP2011120462A
Application number: JP2010268342A
Authority: JP
Inventors: Petar Grbovic; ペタル、グルボビック
Original assignee: Schneider Toshiba Inverter Europe SAS
Current assignee: Schneider Toshiba Inverter Europe SAS
Priority date: 2009-12-03
Filing date: 2010-12-01
Publication date: 2011-06-16
Also published as: FR2953662B1; EP2330731B1; CN102088250A; US20110134675A1; CN102088250B; EP2330731A1; US8730699B2; FR2953662A1

Abstract

【課題】ノーマリー・オン・コンポーネントを用いる時、起動の間または補助電源の故障の間に、主電源が短絡することを避ける必要がある。
【解決手段】整流器モジュール２０及び／又はそのインバータモジュールにおいて、各々がゲート制御装置ＣＴ１，ＣＴ２により制御されるノーマリー・オン電界効果トランジスタＴ１−Ｔ６，Ｑ１−Ｑ６を有する複数のスイッチングレッグを備える、電流型パワー・コンバータに関する。複数のスイッチングレッグと直列に配置され且つ電源バスのプラス線１０に接続されたノーマリー・オープン・補助スイッチＳＷは、起動の間または補助電源ＡＵＸの故障の間に、主電源Ｒが短絡することを避けるように意図されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ノーマリー・オン電界効果トランジスタを用いる電流型パワー・コンバータ（current-source power converter）に関する。このパワー・コンバータは、可変速駆動装置（variable speed drives）、無停電電源、アクティブフィルタ又はＤＣ／ＤＣコンバータのようなアプリケーションに用いられ得る。

周知のように、ＡＣ電流源から始まって、電流型パワー・コンバータは、アクティブ整流器モジュールによって、インダクタを有する電源バスの一定ＤＣ電流を得るのに用いられ得る。可変速駆動装置のアプリケーションでは、電源バスに流れる一定電流は、次に、インバータモジュールによってチョップされて、電気負荷に供給することを意図された可変出力電流を得る。

電流源により給電されるいくつかの入力に上流で接続された整流器モジュールと、プラス線およびマイナス線を有し且つ整流器の下流に接続された電源バスと、電源バスのプラス線および／又はマイナス線に接続されたインダクタと、電源バスの下流に接続され且つ電気負荷に可変電流を供給するように設計されたインバータモジュールと、を備えている電流型パワー・コンバータは、Thomas Friedli, Simon D. Round, Dominik Hassler及びJohann W. Kolarによる“Design and Performance of a 200 kHz All-SiC JFET Current Source Converter”と題された出版物から知られている。整流器モジュールは、電源バスのプラス線とマイナス線との間に接続された、いくつかのスイッチングレッグ（switching legs）を備え、各スイッチングレッグは、直列の２つのトランジスタと、２つのトランジスタ間に位置し且つ入力のうちの１つに接続された接続中間点と、を備える。整流器モジュールは、また、電源バスのプラス線とマイナス線との間に接続された、いくつかのスイッチングレッグを備え、各スイッチングレッグは、直列の２つのトランジスタと、２つのトランジスタ間に位置し且つ制御される電気負荷に接続された接続中間点と、を備える。前述の出版物において、整流器モジュールのトランジスタ及びインバータモジュールのトランジスタは、ノーマリー・オンＳｉＣＪＦＥＴであり、即ち、それらは、それらのゲートに電圧が供給されていない時に導通する。ノーマリー・オン・コンポーネントは、電流型パワー・コンバータに用いられるのに非常に適している。というのも、このタイプのコンバータは、２つのトランジスタが恒久的に導通していることを必要とし、その結果、電流源が開回路に決して接続されないからである。

しかしながら、ノーマリー・オン・コンポーネントを用いる時、起動の間または補助電源の故障の間に、主電源が短絡することを避ける必要がある。後者は、トランジスタのゲートを制御することを意図され得る。

前述の出版物では、主電源が短絡することを避けるため、主電源に接続された入力段に、整流器の上流に、起動の間に開放状態に切り替えられるリレーを配置することが提案されていた。しかしながら、この解決策は十分ではない。というのも、入力段に存在する３つのリレーは、全ての電流及び全ての主電源電圧に耐えるように大きさが決められなければならないからである。

本発明の目的は、従って、ノーマリー・オン・コンポーネントを用い、且つ、起動の間またはトランジスタのゲートを制御するように意図された補助電源の起こり得る故障の間に、主電源が短絡することを避ける電流型パワー・コンバータを提供すること、及び、大き過ぎるコンポーネントを用いることなくそのようにすること、にある。

この目的は、
電流源により給電されるいくつかの入力に上流で接続された整流器モジュールと、
前記整流器モジュールの下流に接続され且つプラス線及びマイナス線を有する電源バスと、
前記電源バスの前記プラス線または前記マイナス線に接続されたインダクタと、を備え、
前記整流器モジュールは、前記電源バスの前記プラス線と前記マイナス線との間に接続された、いくつかのスイッチングレッグを有し、各スイッチングレッグは、直列のトップ・トランジスタ及びボトム・トランジスタと、前記トップ・トランジスタと前記ボトム・トランジスタとの間に位置し且つ入力に接続された接続中間点と、有し、
前記トランジスタは、ノーマリー・オン電界効果トランジスタであると共に各々がゲート制御装置により制御され、
前記複数のスイッチングレッグと直列に配置され且つ前記電源バスの前記プラス線に接続されたノーマリー・オープン・補助スイッチと、
前記補助スイッチを制御する制御装置と、を備える
パワー・コンバータによって達成される。

１つの特長によれば、前記コンバータは、前記電源バスの下流および制御される電気負荷の上流に接続されたインバータモジュールを備える。

他の特長によれば、各トランジスタは前記ゲート制御装置により制御され、且つ、前記トップ・トランジスタ用の前記ゲート制御装置は、前記電源バスの前記プラス線に接続されている。

他の特長によれば、前記コンバータは、前記電源バスの前記プラス線と前記マイナス線との間に接続された過電圧保護システムを備える。

他の特長によれば、前記コンバータは、前記補助スイッチ用の前記制御装置と相互作用するように設計された、故障を検出する手段を備える。

他の特長によれば、前記補助スイッチは、電気機械リレー、又は、ＭＯＳＦＥＴ、ＢＪＴもしくはＩＧＢＴ電気スイッチである。

他の特長によれば、前記複数のスイッチングレッグの前記トップ及びボトム・トランジスタは、ＪＦＥＴである。

他の特長によれば、前記ＪＦＥＴトランジスタは、炭化シリコンまたはガリウムヒ素から形成されている。

本発明の他の特長及び利点は、一例として与えられ且つ添付の図面に示された以下の本発明の実施形態の詳細な説明から明確になるであろう。
図１は、ノーマリー・オンＪＦＥＴトランジスタに基づいた整流器モジュールを用いる本発明のパワー・コンバータを示す。図２Ａ及び２Ｂは、図１に示された過電圧保護システムの、２つの異なる変形実施形態を示す。

本発明は、電流型パワー・コンバータに関する。本発明の電流型パワー・コンバータは、可変速駆動装置、無停電電源（ＵＰＳ）、アクティブフィルタ又はＤＣ／ＤＣコンバータのようなアプリケーションに用いられ得る。

本発明の電流型パワー・コンバータは、従って、例えば電源において、単一の整流器モジュールを備え、または、例えば可変速駆動装置において、整流器モジュールとインバータモジュールとを組み合わせる。

本発明の原理は、整流器モジュールにおいてノーマリー・オン電界効果トランジスタを用いることにある。ノーマリー・オン・コンポーネントは、電流型パワー・コンバータに用いられるのに非常に適している。しかし、このことは、解決することが必要である他の課題を引き起こす。解決されるべき第１の課題は、コンバータの起動の間に現れ、そして、第２の課題は、ゲート電圧をトランジスタに供給するのに用いられる補助電源の故障の間に現れ得る。両者の場合において、トランジスタのゲートに制御電圧が供給され得ない時、主電源は短絡を防止されなければならない。

図１は、一端にて主電源（mains）Ｒに接続され且つ他端にて整流器モジュール２０に接続された、いくつかの入力ｉｎ１，ｉｎ２，ｉｎ３（例えば、三相主電源における３つの入力）を備える電流型パワー・コンバータを示す。整流器モジュール２０は、アクティブタイプであり、且つ、主電源Ｒに接続されたコンバータ入力ｉｎ１，ｉｎ２，ｉｎ３に供給されたＡＣ電流を一定ＤＣ電流に変換するように意図された、いくつかのスイッチングレッグ、例えば３つのスイッチングレッグ、を備える。得られた一定のＤＣ電流は、プラス線１０及びマイナス線１１を有する電源バスに供給される。コンバータは、さらに、電源バスのプラス線１０またはマイナス線１１に接続された少なくとも１つのインダクタＬ１を備える。理想的には、コンバータは、電源バスのプラス線１０に接続された第１のインダクタＬ１と、電源バスのマイナス線１１に接続された第２のインダクタＬ２と、を備え得る（図１参照）。整流器モジュール２０の３つのスイッチングレッグは、それぞれ電源バスのプラス線１０とマイナス線１１との間に並列に接続されている。各スイッチングレッグは、コンバータの異なる入力ｉｎ１，ｉｎ２，ｉｎ３に接続された接続中間点Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３により分離された、トップ・トランジスタＴ２，Ｔ４，Ｔ６と、ボトム・トランジスタＴ１，Ｔ３，Ｔ５と、を備える。電流型パワー・コンバータでは、各トランジスタＴ１−Ｔ６は、ダイオードと直列に接続されている。

本発明によれば、整流器モジュールの各トランジスタＴ１−Ｔ６は、ノーマリー・オン電界効果トランジスタである。例えば、ＪＦＥＴ又はＭＯＳＦＥＴのような電界効果トランジスタは、その機能がドレイン（Ｄ）とソース（Ｓ）との間に電流を流す又は流さないことである制御ゲート（Ｇ）を備える周知の電力スイッチである。このようなトランジスタは、もしゲートとソースとの間の電圧Ｖ_ＧＳがゼロに近いと、ノーマリー・オントランジスタと称される。このことは、ドレイン・ソース経路が制御電圧Ｖ_ＧＳ無しで導通していることを意味する。ゲートとソースとの間の負の制御電圧Ｖ_ＧＳの存在下で、ノーマリー・オン電界効果トランジスタはオフ状態にある。ノーマリー・オンＪＦＥＴトランジスタは、例えば、少なくとも−１５Ｖのゲート・ソース電圧Ｖ_ＧＳを供給することによりオフされ、且つ、ノーマリー・オンＭＯＳＦＥＴトランジスタは、例えば、少なくとも−５Ｖの電圧Ｖ_ＧＳでオフされる。

本発明のパワー・コンバータに用いられている電界効果トランジスタＴ１−Ｔ６は、例えば炭化シリコンまたはガリウムヒ素のような、広いバンドギャップの物質から例えば形成されるであろう。周知のように、広いバンドギャップの物質から形成されたノーマリー・オンＪＦＥＴトランジスタは、より高速に切り替わる、より少ないオン状態の導電ロス（低いオン状態の抵抗Ｒ_ＤＳｏｎ）を発生させる、より良い熱耐性を有する、且つ、より小さい、利点を有している。説明の残りの部分及び添付の図１において、図１のトランジスタＴ１−Ｔ６は、例えばＪＦＥＴである。

スイッチングレッグの各電界効果トランジスタＴ１−Ｔ６は、特定のゲート制御装置ＣＴ１，ＣＴ２（図１において２つの分離したブロックにより簡易化した方法で図式化されている）を用いて開路される。各ゲート制御装置は、コンバータの入力ｉｎ１，ｉｎ２，ｉｎ３に接続された補助電源ＡＵＸにより給電され、そのことは、ゲート電圧Ｖ_Ｇがトランジスタに供給されるようにして、トランジスタをオフ又はオンにする。電源に加え、各制御装置は、中央制御システム３から、ＰＷＭ（パルス幅変調）制御信号Ｓ１からＳ６を、中央制御システム３で実行された制御ルールに応じて受け取る。トップ・トランジスタＴ２，Ｔ４，Ｔ６の各制御装置は、電源バスのプラス線１０に接続されていて、一方でボトム・トランジスタＴ１，Ｔ３，Ｔ５の各制御装置は、そのトランジスタのスイッチングレッグの接続中間点Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３に接続されている。

本発明によれば、ノーマリー・オープン・補助スイッチＳＷが、複数のスイッチングレッグに直列に接続され且つ複数のスイッチングレッグを電源バスのプラス線１０に接続している。言い換えると、この補助スイッチＳＷは、整流器モジュール２０のトップ・トランジスタＴ２，Ｔ４，Ｔ６と、電源バスのプラス線１０との間に接続されている。図１において、補助スイッチＳＷは、３つのスイッチングレッグの３つのトップ・トランジスタＴ２，Ｔ４，Ｔ６のドレインを結合している導電線５上の点Ｘに接続されている。

補助スイッチＳＷは、例えば、電気機械リレー、例えばＭＥＭＳ（マイクロ電気機械システム）であり得、又は、それはＭＯＳＦＥＴ（金属酸化膜半導体ＦＥＴ）、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）もしくはＢＪＴ（バイポーラ接合トランジスタ）電気スイッチであり得る。図１において、補助スイッチは、シリコンＭＯＳＦＥＴにより表されている。補助スイッチＳＷは、様々な条件が同時に満たされた時、言い換えると、ＵＶＬＯ（低電圧ロックアウト：undervoltage lockout）が補助電源に現れていない時、過電流保護（ＯＰ）が作動させられていない時、及び、信号Ｙが中央制御システム３により供給される時に、モジュール４によって供給される制御信号Ｓにより制御される適切な周知の制御装置ＣＳＷ（その詳細は本願においては記載されない）によって閉じられる。

言うまでもなく、等価の動作を目的として、３つのスイッチングレッグに共通の補助スイッチＳＷを、各スイッチングレッグに直列に接続された１つの補助スイッチＳＷに置き換えることは完全に可能であり、これらの補助スイッチは全て同時に制御される。この実施形態は、添付の図面には示されていないが、それは本発明の範囲内に完全に入る。

図１に示される電流型パワー・コンバータは、それの電源バスの下流に、そのバスに流れるＤＣ電流をチョップするように意図され、それにより電気負荷を給電するように意図された可変電流を生成する、インバータモジュール（図１には示されていない）を備え得る。この場合、１つの可能なアプリケーションは、例えば、可変速駆動装置である。

さらに、電流型パワー・コンバータは、電源バスのプラス線１０とマイナス線１１との間に接続された過電圧保護システム６を備え得る。このシステム６は、過電圧を防止することが意図されていて、且つ、従って、バスに流れている電流が未だゼロではないが補助スイッチＳＷが開放されている時、整流器モジュール２０を保護する。この状況において、保護システム６の端子間の電圧は、保護システム６を解除（unblocking）して電源バスのプラス線１０とマイナス線１１との間の電流経路を提供する、負になる傾向がある。

図２Ａに示される第１の変形実施形態では、過電圧保護システム６は、電源バスのマイナス線１１からプラス線１０に電流を流れさせるように接続された、単純なダイオードＤ１であり得る。そして、それは、電圧が負になる時、電源バスのプラス線１０からマイナス線１１に電流を流れさせる。

図２Ｂに示される第２の変形実施形態では、過電圧保護システム６は、電源バスのプラス線１０とマイナス線１１との間に接続されたサイリスタＳＣＲを備える。この変形では、システム６は、さらに、直列のキャパシタＣ１及び第１のダイオードＤ１０からなり、且つ、サイリスタＳＣＲに並列に、それのアノードとそれのカソードとの間に接続された、第１のアセンブリ（assembly）を備える。加えて、システムは、さらに、サイリスタＳＣＲに並列に、それのトリガーとそれのアノードとの間に接続された、第２のダイオードＤ１１及び反対方向のツェナーダイオードＤｚからなる第２のアセンブリを備える。抵抗Ｒ１も、第１のダイオードＤ１０に並列に接続されている。保護システムの端子間の電圧が負になる時、キャパシタが充電される。ツェナーダイオードＤｚの端子間の電圧が最大に達する時、直列の２つのダイオードＤ１１，Ｄｚは電流を通し、そしてサイリスタＳＣＲを作動させ、それは、次に電流を電源バスのプラス線１０からマイナス線１１に流す。

補助スイッチＳＷを備える本発明のパワー・コンバータの動作は、以下に説明される。

起動において、補助電源システムＡＵＸは、まだ起動されておらず、且つ、従って整流器モジュール２０のトランジスタＴ１−Ｔ６をオフする十分な電圧を供給できない。補助スイッチＳＷは最初に開いているので、電流は従って整流器モジュールのスイッチングレッグを通って流れ得ず、そして、主電源Ｒを短絡し得ない。

一定期間後、補助電源システムＡＵＸは、起動して、そして、整流器モジュール２０のトランジスタＴ１−Ｔ６用の制御装置ＣＴ１，ＣＴ２に給電し得る。トランジスタＴ１−Ｔ６は、従って、それらの制御装置ＣＴ１，ＣＴ２によって直接的にオフされ得る。補助スイッチＳＷは、それの制御装置ＣＳＷによって閉じられて、そして、パワー・コンバータは次に正常に動作し得る。

パワー・コンバータの通常動作の間、補助電源システムＡＵＸは、例えば、正常に機能しないかもしれない。この状況で、スイッチングモジュールのトランジスタＴ１−Ｔ６は、もはやオフ状態には保たれ得ない。図１に示されるように、故障が検出された時、制御信号Ｙは、もはや生成され得ず、且つ、補助スイッチＳＷ用の制御装置ＣＳＷに送られ得ない。補助スイッチＳＷは、従って開放される。このようにして、前のように、電流は従ってもはや整流器モジュール２０のスイッチングレッグを流れ得ず、そして、主電源Ｒを短絡し得ない。

本発明の利点は、１つの補助スイッチＳＷの使用が述べられた課題を解決するという事実に、特にある。さらに、入力として供給される全ての電圧に耐えるようにスイッチのサイズを決める必要はない。補助スイッチＳＷは、全ての電流に耐えるようにサイズが決められなければならないが、最大電圧より低い電圧に耐えるようにサイズが決められ得る。

Claims

電流源により給電されるいくつかの入力（ｉｎ１，ｉｎ２，ｉｎ３）に上流で接続された整流器モジュール（２０）と、
前記整流器モジュール（２０）の下流に接続され且つプラス線（１０）及びマイナス線（１１）を有する電源バスと、
前記電源バスの前記プラス線（１０）または前記マイナス線（１１）に接続されたインダクタ（Ｌ１，Ｌ２）と、を備え、
前記整流器モジュール（２０）は、前記電源バスの前記プラス線（１０）と前記マイナス線（１１）との間に接続された、いくつかのスイッチングレッグを有し、各スイッチングレッグは、直列のトップ・トランジスタ（Ｔ２，Ｔ４，Ｔ６）及びボトム・トランジスタ（Ｔ１，Ｔ３，Ｔ５）と、前記トップ・トランジスタと前記ボトム・トランジスタとの間に位置し且つ入力（ｉｎ１，ｉｎ２，ｉｎ３）に接続された接続中間点（Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３）と、有し、
前記トランジスタ（Ｔ１−Ｔ６）は、ノーマリー・オン電界効果トランジスタであると共に各々がゲート制御装置（ＣＴ１，ＣＴ２）により制御される、パワー・コンバータであって、
前記複数のスイッチングレッグと直列に配置され且つ前記電源バスの前記プラス線（１０）に接続されたノーマリー・オープン・補助スイッチ（ＳＷ）と、
前記補助スイッチ（ＳＷ）を制御する制御装置（ＣＳＷ）と、を備える
ことを特徴とするパワー・コンバータ。
前記電源バスの下流および制御される電気負荷の上流に接続されたインバータモジュールを備える
ことを特徴とする請求項１に記載のパワー・コンバータ。
各トランジスタは前記ゲート制御装置により制御され、且つ、前記トップ・トランジスタ（Ｔ２，Ｔ４，Ｔ６）用の前記ゲート制御装置は、前記電源バスの前記プラス線（１０）に接続されている
ことを特徴とする請求項１または２に記載のパワー・コンバータ。
前記電源バスの前記プラス線（１０）と前記マイナス線（１１）との間に接続された過電圧保護システム（６）を備える
ことを特徴とする請求項１から３の何れかに記載のパワー・コンバータ。
前記補助スイッチ（ＳＷ）用の前記制御装置（ＣＳＷ）と相互作用するように設計された、故障を検出する手段を備える
ことを特徴とする請求項１から４の何れかに記載のパワー・コンバータ。
前記補助スイッチ（ＳＷ）は、電気機械リレー、又は、ＭＯＳＦＥＴ、ＢＪＴもしくはＩＧＢＴ電気スイッチである
ことを特徴とする請求項１から５の何れかに記載のパワー・コンバータ。
前記複数のスイッチングレッグの前記トップ及びボトム・トランジスタは、ＪＦＥＴである
ことを特徴とする請求項１から６の何れかに記載のパワー・コンバータ。
前記ＪＦＥＴトランジスタは、炭化シリコンまたはガリウムヒ素から形成されている
ことを特徴とする請求項７に記載のパワー・コンバータ。