JP2013021910A - ノーマリーオン電界効果トランジスタを使用したインバータ・モジュールを備える電力変換器 - Google Patents

Abstract

【課題】ノーマリーオンコンポーネントを使用したスイッチング・アームを用い、且つ、電源投入の直後にバスの電圧上昇を可能にする電力変換器を提供する。
【解決手段】ＤＣ電源バスの負の電源ライン１１と直列に接続され、バス・コンデンサＣbusの充電電流を制限するように設計されている制限用抵抗器ＲＬと、ノーマリーオン電界効果タイプの直列の上側トランジスタＴ２、Ｔ４、Ｔ６および下側トランジスタＴ１、Ｔ３、Ｔ５を有するインバータ・モジュールと、それぞれが各トランジスタを制御することを可能にするいくつかのグリッド制御装置ＣＴ１−ＣＴ６と、制限用抵抗器ＲＬと並列に、且つ、下側トランジスタＴ１、Ｔ３、Ｔ５用の各グリッド制御装置ＣＴ１、ＣＴ３、ＣＴ５に接続され、電力変換器が起動した場合、負の電圧で充電するように構成されている起動ソースＳｄと、を備える電力変換器に関する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ノーマリーオンタイプの電界効果トランジスタを備える電力変換器に関する。

電気負荷を制御するように設計されている電力変換器は、主として、
− 整流された電圧が印加されるＤＣ電源バスであって、バス電圧を一定値に保つことを可能にする１つまたは複数のバス・コンデンサを備えているＤＣ電源バスと、
− 出力部にて、ＤＣ電源バス上の電圧を電気負荷に印加されるべき可変電圧に変換するように設計されているインバータ・モジュールと、
を備えることが知られている。

変換器はまた、電気分配システム（electrical distribution system）によって供給されるＡＣ電圧を整流するように設計された、一般にダイオード・ブリッジから成る整流器モジュールをその入力部に含んでもよい。

インバータ・モジュールは、いくつかのスイッチング・アーム、一般にＤＣ電源バスの正のラインと負のラインとに接続された３つスイッチング・アームを備える。インバータ・モジュールの場合、用いられるトランジスタは、例えば電界効果トランジスタであり、ノーマリーオンタイプであり、トランジスタのドレイン−ソース・チャネルは、そのグリッド（Grid）に印加される制御電圧が存在しない場合に導通する。したがって、それをオフにさせるために、各トランジスタは、適切な制御電圧をそれに印加することを可能にする特別な制御装置によって制御されなくてはならない。トランジスタ用の制御装置は、ＤＣ電源バスの正のライン及び負のラインに接続された補助電源システムによって電力供給される。

電力変換器が電源投入された時、補助電源システムは充電されておらず、したがって、いずれの制御信号もトランジスタに印加されなくなる。インバータ・モジュールがノーマリーオンタイプの電界効果トランジスタを用いる場合であっても、電源投入の直後に、バス・コンデンサの充電が、補助電源システムを充電するために可能にされなくてはならない。

本発明の目的は、ノーマリーオンコンポーネントを使用したスイッチング・アームを用い、且つ、電源投入の直後にバスの電圧上昇を可能にする電力変換器を提供することである。

この目標は、電気負荷を制御するように設計されている電力変換器であって、
− 整流された電圧が印加され、且つ、正の電源ラインおよび負の電源ラインを含むＤＣ電源バスと、
− 上流で前記ＤＣ電源バスに、且つ、下流でいくつかの出力相に接続されたインバータ・モジュールと、
− 前記ＤＣ電源バスの前記正の電源ラインおよび前記負の電源ラインに接続されたバス・コンデンサと、
− 前記バス・コンデンサの上流で、前記ＤＣ電源バスの前記負の電源ラインに直列に接続され、前記バス・コンデンサの充電電流を制限するように設計されている制限用抵抗器と、を備え、
− 前記インバータ・モジュールは、前記ＤＣ電源バスの前記正の電源ラインと前記負の電源ラインとの間に接続されたいくつかのスイッチング・アームを含み、各スイッチング・アームは、直列の上側トランジスタおよび下側トランジスタと、前記上側トランジスタと前記下側トランジスタとの間に置かれると共に電気負荷に接続された中心接続点と、を含み、前記上側および前記下側のトランジスタは、ノーマリーオン電界効果タイプであり、
− それぞれ、グリッド電圧を前記上側トランジスタおよび前記下側トランジスタに印加することを可能にして、それらを閉じたり又は開いたりするように制御するグリッド制御装置を備え、
− 前記下側トランジスタ用の前記グリッド制御装置は、それぞれ、前記ＤＣ電源バスの前記負の電源ラインに接続され、前記変換器は、前記制限用抵抗器に並列に且つ前記下側トランジスタ用の各グリッド制御装置に接続され、前記電力変換器が起動したとき、負の電圧で充電するように構成されている起動ソースを備える
ことを特徴とする電力変換器によって達成される。

１つの特徴によれば、前記起動ソースは、並列に接続されると共に、前記負の電源ライン及び各下側トランジスタ用の前記グリッド制御装置に接続された、コンデンサ及びツェナーダイオードを備える。

別の特徴によれば、起動ソースはまた、一方で、ツェナーダイオードに、他方で、制限用抵抗器に接続された抵抗器と、ダイオードとを備える。

別の特徴によれば、起動ソースは、抵抗器を経由して下側トランジスタ用の各グリッド制御装置に接続されている。

別の特徴によれば、電力変換器は、制限用抵抗器と並列に接続されたスイッチを備える。

別の特徴によれば、スイッチング・アームの上側トランジスタおよび下側トランジスタは、ＪＦＥＴタイプである。

別の特徴によれば、ＪＦＥＴタイプの上側トランジスタおよび下側トランジスタは、炭化ケイ素または窒化ガリウムで製造される。

他の特徴および利点は、添付の図面に関して示される以下の詳細な説明で明らかになるであろう。

本発明による電力変換器の回路図である。 本発明の電力変換器のインバータ・モジュールの下側トランジスタと、その制御装置とを示す図である。

電力変換器は、例えば、出力電圧を電気負荷２に印加するように設計されている。図１を参照すると、電力変換器は、例えば、
− 整流された電圧を受け取り、且つ、正の電源ライン１０および負の電源ライン１１を有するＤＣ電源バスと、
− 一方でＤＣ電源バスの正の電源ライン１０に、他方でＤＣ電源バスの負の電源ライン１１に接続され、ＤＣ電源バス電圧Ｖ_ｂｕｓを一定に保つように設計されているバス・コンデンサＣ_ｂｕｓと、
− バス・コンデンサＣ_ｂｕｓの下流で、ＤＣ電源バスに接続され、ｎ個の相（phases）を含み、相ごとに少なくとも２つのスイッチング・トランジスタを有するインバータ・モジュール（図１では、インバータ・モジュールは、３つの相Ｕ、Ｖ、Ｗを有し、したがって、ＤＣ電源バスの正の電源ライン１０および負の電源ライン１１にそれぞれ接続された３つのスイッチング・アームを備える。各スイッチング・アームは、電気負荷２に接続されるように設計された中心接続点Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３で分離されている上側トランジスタＴ２、Ｔ４、Ｔ６および下側トランジスタＴ１、Ｔ３、Ｔ５を備える。）と、
− プリチャージ抵抗器（pre-charging resistor）とも呼ばれ、整流器モジュール４とバス・コンデンサＣ_ｂｕｓとの間の負の電源ライン１１上に直列に、且つ、スイッチＳｗ_１と並列に接続された制限用抵抗器（limiting resistor）ＲＬ（この制限用抵抗器ＲＬは、ＤＣ電源バスの充電段階の間の起動時にアクティブである。可変速駆動装置では、それは、入力電流を整流器モジュール４を介して制限することを可能にする。バス・コンデンサＣ_ｂｕｓが充電されると、制限用抵抗器ＲＬは、並列に接続された第１のスイッチＳｗ_１によって短絡される。）と、
を備える。

図１に示されるように、可変速駆動装置などの電力変換器はまた、その入力部に、
− 電力分配システム１に接続された３つの入力相Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３と、
− ３つの入力相Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３に接続され、電力分配システム１によって供給されたＡＣ電圧を整流するように設計されている整流器モジュール４であって、整流された電圧はＤＣ電源バスに印加される、整流器モジュール４と、
を備える。

インバータ・モジュールでは、スイッチング・モジュールの各トランジスタＴ１−Ｔ６は、電界効果タイプ（「Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ（電界効果トランジスタ）」の代わりにＦＥＴ）である。例えば、ＪＦＥＴまたはＭＯＳＦＥＴのような電界効果トランジスタは、電流がドレイン（Ｄ）とソース（Ｓ）との間に流れるようにするか、または流れないようにすることがその機能である制御グリッド（control Grid）（Ｇ）を備える既知のパワーエレクトロニクス・スイッチである。このようなトランジスタは、そのドレイン−ソース・チャネルが、制御電圧Ｖ_ＧＳの非存在下で導通状態である場合、ノーマリーオンタイプであると言われる。そのゲートＧとそのソースＳとの間に制御電圧Ｖ_ＧＳが存在し、それが負である場合、ノーマリーオン電界効果トランジスタは、オフになるように制御される。ＪＦＥＴタイプのトランジスタは、例えば少なくとも−１５ボルトに等しいグリッド−ソース電圧Ｖ_ＧＳを印加することによって、および、ＭＯＳＦＥＴタイプのトランジスタは、例えばゼロまたは負の電圧Ｖ_ＧＳにより、オフになるように制御される。さらには、トランジスタは、グリッドとソースとの間の電圧Ｖ_ＧＳの非存在下でドレイン−ソース・チャネルが導通状態でない場合、ノーマリーオフタイプであるといわれる。そのため、オンになるように制御されるためには、正のグリッド−ソース電圧Ｖ_ＧＳが必要である。ノーマリーオフのＪＦＥＴタイプのトランジスタの場合、この正の電圧は、例えば、＋１ボルトから＋３ボルトの間の範囲にある。

本発明の電力変換器に用いられる電界効果トランジスタは、例えば、炭化ケイ素または窒化ガリウムなどの、例えば広いバンドギャップの材料で製造されるであろう。既知のやり方では、広いバンドギャップの材料から形成され、ノーマリーオンタイプであるＪＦＥＴトランジスタは、切替えがより速く、導通状態でより低い導通損失（オン状態における低い抵抗Ｒ_ＤＳｏｎ）を生成し、温度安定性がより優れ、より小さいという利点を持つ。以下の説明部分および図１で、使用されるトランジスタＴ１−Ｔ６は、例えば、ノーマリーオンのＪＦＥＴタイプである。

スイッチング・アームの各電界効果トランジスタＴ１−Ｔ６は、グリッド抵抗器Ｒ_Ｇを介して、特有のグリッド制御装置ＣＴ１−ＣＴ６によって、オフになるように制御される。各グリッド制御装置ＣＴ１−ＣＴ６は、ＤＣ電源バスの正の電源ライン１０および負の電源ライン１１に接続された補助電源システムＡＵＸによって給電され（Ａ）、グリッド電圧Ｖ_Ｇをトランジスタに印加することを可能にして、トランジスタをオンにしたり又はオフにしたりするように制御する。電源（Ａ）に加えて、各制御装置ＣＴ１−ＣＴ６は、中央制御システム３から、中央制御システム３によって実行される制御法則（control law）に従ってパルス幅変調（またはＰＷＭ）を使用する制御信号Ｓ１からＳ６を受け取る。

図２を参照すると、グリッド制御装置、例えば下側トランジスタＴ１のものなどは、トランジスタＴ１のグリッドＧにグリッド抵抗器Ｒ_Ｇを介して接続された中心接続点Ｐ１を介して直列に接続されたＭＯＳＦＥＴタイプの２つのトランジスタＱ１、Ｑ２と、やはり直列に接続された２つのコンデンサＣ１、Ｃ２のアセンブリ（集合）とを特に備える。２つのコンデンサＣ１、Ｃ２の間に置かれた中心接続点Ｐ２は、ＤＣ電源バスの負のライン１１に、すなわち、制御されるトランジスタ（ここでは、Ｔ１）のソースＳに接続されている。制御装置のトランジスタＱ１は、ノーマリーオフタイプであるが、制御装置のトランジスタＱ２は、ノーマリーオンタイプである。補助電源システムＡＵＸは、補助電源システムＡＵＸの変圧器の二次側に対応するダイオードＤ１とインダクタンスＬ４とを通じて、トランジスタＴ１をオンに、およびオフにするためにそれぞれ必要な電圧Ｖ_{ＧＳ＿ＯＮ}およびＶ_{ＧＳ＿ＯＦＦ}を生成することによって、グリッド制御装置に給電する。これらの電圧Ｖ_{ＧＳ＿ＯＮ}およびＶ_{ＧＳ＿ＯＦＦ}を使用して、トランジスタＱ１、Ｑ２は、グリッド電圧Ｖ_ＧをトランジスタＪＦＥＴに印加して、それをオフに又はオンになるように制御する。

以下の説明部分では、各グリッド制御装置は、同一のアーキテクチャを有し、同一の参照によって説明されていると見なされる。

上側トランジスタＴ２、Ｔ４、Ｔ６用の各グリッド制御装置ＣＴ２、ＣＴ４、ＣＴ６は、例えば、そのトランジスタのスイッチング・アームの中心接続点Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３に接続されている一方、下側トランジスタＴ１、Ｔ３、Ｔ５用の各制御装置ＣＴ１、ＣＴ３、ＣＴ５は、その中点Ｐ２を介して、下側の制御されるトランジスタＴ１、Ｔ３、Ｔ５のソースに接続される。

さらには、変換器はまた、インバータ・モジュールの下側トランジスタＴ１、Ｔ３、Ｔ５を制御して起動時にオフにし、したがってバス・コンデンサＣ_ｂｕｓを充電することを可能にするための、電力変換器の起動段階の間アクティブにされる起動ソース（start-up source）Ｓｄも備える。

好ましくは、起動ソースＳｄは、インバータ・モジュールの全ての下側トランジスタＴ１、Ｔ３、Ｔ５に共通であり、したがって、３つのスイッチング・アームを、電力変換器の起動段階の間、オフになるように制御することを可能にする。

この起動ソースＳｄは、ＤＣ電源バスの負の電源ライン１１と、各下側トランジスタのソースＳと、点Ｐ１及び起動ソースＳｄ間にインピーダンスを形成する抵抗器Ｒ２を介して下側トランジスタＴ１、Ｔ３、Ｔ５用の各グリッド制御装置の２つのトランジスタＱ１、Ｑ２の中点Ｐ１と、に接続されたコンデンサＣ３を備える。起動ソースＳｄはまた、やはりＤＣ電源バスの負のライン１１と、各下側トランジスタのソースＳと、抵抗器Ｒ２を介して中点Ｐ１と、に接続されたツェナーダイオードＤｚ１も備える。さらには、起動ソースＳｄはまた、一方でツェナーダイオードＤｚ１及びコンデンサＣ３に、他方で、制限用抵抗器の端子に接続された抵抗器Ｒ１及びダイオードＤ２を備える。

したがって、起動ソースＳｄは、制限用抵抗器ＲＬに並列に、且つ、下側トランジスタＴ１、Ｔ３、Ｔ５用の各グリッド制御装置ＣＴ１、ＣＴ３、ＣＴ５に接続されている。

本発明の電力変換器の動作は、本明細書において以下、単一のスイッチング・アームと下側トランジスタＴ１とに焦点を合わせることで示される。動作は、他のスイッチング・アームについても同様であることが理解されるべきである

初期の状態では、入力電圧はＤＣ電源バスに印加されていない。そのため、ＤＣ電源バスの電圧Ｖ_ｂｕｓはゼロであり、且つ、補助電源システムＡＵＸは始動されていない。スイッチング・モジュールのトランジスタＴ１−Ｔ６は、オン状態にある。

可変速駆動装置が起動された場合、スイッチング・アームの２つのトランジスタＴ１、Ｔ２のドレインとソースとの間の電圧Ｖ_ＤＳ１およびＶ_ＤＳ２は、これらのトランジスタが導通していると仮定すると、ゼロである。補助電源システムＡＵＸは、まだ始動されておらず、そのため、これらのトランジスタＴ１、Ｔ２を導通していない状態にするのに十分な電圧を供給することはできない。スイッチング・アームがバス・コンデンサＣ_ｂｕｓを短絡させると、これらのスイッチング・アームおよび制限用抵抗器ＲＬに流れる電流は、制限用抵抗器ＲＬの両端間に電圧降下をもたらす。制限用抵抗器ＲＬの両端間のこの電圧降下は、コンデンサＣ３の充電をもたらし、トランジスタＴ１のグリッドＧとソースＳとの間に負の電圧が生じる。コンデンサＣ３の両端間の電圧が、トランジスタＴ１のターンオフ電圧に対応するしきい値電圧よりも低くなった場合、トランジスタＴ１は、オフ状態に切り替えられ、次いで、バス・コンデンサを充電することが可能になる。

補助電源システムＡＵＸは、その起動段階を終了すると、インバータ・モジュールのトランジスタＴ１−Ｔ６用の制御装置ＣＴ１−ＣＴ６に電力供給することが可能である。そのため、トランジスタＴ１−Ｔ６は、その制御装置ＣＴ１−ＣＴ６によってオフになるように直接、制御され得る。バス・コンデンサＣ_ｂｕｓが充電されると、制限用抵抗器ＲＬは、可変速駆動装置の通常動作中、スイッチＳｗ_１によって短絡され得る。

したがって、簡単且つ低コストのアセンブリにより、可変速駆動装置のインバータ・モジュールにおけるノーマリーオンコンポーネントの使用と関連する制限を克服することが可能である。

Claims (7)

1. 電気負荷（２）を制御するように設計されている電力変換器であって、
   整流された電圧が印加され、且つ、正の電源ライン（１０）および負の電源ライン（１１）を含むＤＣ電源バスと、
   上流で前記ＤＣ電源バスに、且つ、下流でいくつかの出力相（Ｕ，Ｖ，Ｗ）に接続されたインバータ・モジュールと、
   前記ＤＣ電源バスの前記正の電源ライン（１０）および前記負の電源ライン（１１）に接続されたバス・コンデンサ（Ｃ_ｂｕｓ）と、
   前記バス・コンデンサ（Ｃ_ｂｕｓ）の上流で、前記ＤＣ電源バスの前記負の電源ライン（１１）に直列に接続され、前記バス・コンデンサ（Ｃ_ｂｕｓ）の充電電流を制限するように設計されている制限用抵抗器（ＲＬ）と、を備え、
   前記インバータ・モジュールは、前記ＤＣ電源バスの前記正の電源ライン（１０）と前記負の電源ライン（１１）との間に接続されたいくつかのスイッチング・アームを含み、各スイッチング・アームは、直列の上側トランジスタ（Ｔ２，Ｔ４，Ｔ６）および下側トランジスタ（Ｔ１，Ｔ３，Ｔ５）と、前記上側トランジスタと前記下側トランジスタとの間に置かれると共に電気負荷（２）に接続された中心接続点（Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３）と、を含み、前記上側および前記下側のトランジスタは、ノーマリーオン電界効果タイプであり、
   それぞれ、グリッド電圧を前記上側トランジスタおよび前記下側トランジスタに印加することを可能にして、それらを閉じたり又は開いたりするように制御するグリッド制御装置（ＣＴ１−ＣＴ６）を備え、
   前記下側トランジスタ（Ｔ１，Ｔ３，Ｔ５）用の前記グリッド制御装置は、それぞれ、前記ＤＣ電源バスの前記負の電源ライン（１１）に接続され、
   前記変換器は、前記制限用抵抗器（ＲＬ）に並列に且つ前記下側トランジスタ（Ｔ１，Ｔ３，Ｔ５）用の各グリッド制御装置（ＣＴ１，ＣＴ３，ＣＴ５）に接続され、前記電力変換器が起動したとき、負の電圧で充電するように構成されている起動ソース（Ｓｄ）を備える
   ことを特徴とする電力変換器。
2. 前記起動ソースは、並列に接続されると共に、前記負の電源ライン（１１）及び各下側トランジスタ用の前記グリッド制御装置に接続された、コンデンサ（Ｃ３）及びツェナーダイオード（Ｄｚ１）を備えることを特徴とする、請求項１に記載の電力変換器。
3. 前記起動ソースは、一方で前記ツェナーダイオード（Ｄｚ１）に、他方で前記制限用抵抗器（ＲＬ）に接続された抵抗器（Ｒ１）及びダイオード（Ｄ２）をさらに備えることを特徴とする、請求項２に記載の電力変換器。
4. 前記起動ソース（Ｓｄ）は、抵抗器（Ｒ２）を介して前記下側トランジスタ（Ｔ１，Ｔ３，Ｔ５）用の各グリッド制御装置（ＣＴ１，ＣＴ３，ＣＴ５）に接続されていることを特徴とする、請求項１に記載の電力変換器。
5. 前記制限用抵抗器（ＲＬ）に並列に接続されたスイッチ（Ｓｗ_１）を備えることを特徴とする、請求項１に記載の電力変換器。
6. 前記スイッチング・アームの前記上側トランジスタおよび前記下側トランジスタ（Ｔ１−Ｔ６）は、ＪＦＥＴタイプであることを特徴とする、請求項１に記載の電力変換器。
7. 前記ＪＦＥＴタイプの前記上側トランジスタおよび前記下側トランジスタは、炭化ケイ素または窒化ガリウムで製造されていることを特徴とする、請求項１に記載の電力変換器。

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