JP2013128393A - コンバータ・システム、およびそのようなコンバータ・システムを具備するパワー・エレクトロニクス装置 - Google Patents

Abstract

【課題】部分的障害の際に生じる障害電流の制御の向上が可能なコンバータ・システムを規定する。
【解決手段】位相電圧源２と、ｎ個の部分的コンバータ・システム３．１、…、３．ｎを具備するコンバータ・システム１が規定されている。ｎ≧１であり、ｎ＝１の場合には部分的コンバータ・システム３．１は接続点Ａにおいて位相電圧源２に接続されており、ｎ＞１の場合には複数の部分的コンバータ・システム３．１、…、３．ｎは接続点Ａにおいて位相電圧源２に接続されている。さらに、位相電圧源２と接続点Ａの間に電源スイッチ４が直列接続されている。部分的コンバータ・システム３．１、…、３．ｎを流れる障害電流を素早くオフする目的で、位相電圧源２、電源スイッチ４、および接続点Ａの間に遮断要素５が直列接続されている。
【選択図】図２

Description

本発明はパワー・エレクトロニクスの分野に関する。本発明は、独立形式の請求項のプリアンブルに従ったコンバータ・システムおよびそのようなコンバータ・システムを具備するパワー（電力）・エレクトロニクス装置に基づいている。

コンバータ・システムは最近多くの適用形態で使用されている。電圧の点で特にスケール化が簡単なコンバータ・システムを具備するパワー・エレクトロニクス・システムは、ＤＥ１０２００５０４０５４３Ａ１において明記されている。ＤＥ１０２００５０４０５４３Ａ１号明細書中のパワー・エレクトロニクス・システムは少なくとも２つの位相コンポーネント（構成要素）を具備する。そして、各コンポーネントは第１および第２部分的コンバータ・システムを有する。各部分的コンバータ・システムは、インダクタンスと、これと直列接続されたｎ個の直列接続された２端子スイッチング・セルと、を具備する。ここで、ｎ≧２であり、各スイッチング・セルは、制御される単方向電流搬送方向を有する駆動可能（drivable）双方向電力半導体スイッチおよび容量性エネルギー・ストア（store、貯蔵素子）を有する。各位相コンポーネントについて、第１部分的コンバータ・システムのインダクタンスは、第２部分的コンバータ・システムのインダクタンスと直列接続されている。さらに、各位相コンポーネントについて、第１部分的コンバータ・システムのインダクタンスの第２部分的コンバータ・システムのインダクタンスへの接続点は、位相端子を形成する。位相端子には、電気的交流電圧システム（これは各場合において位相電圧源または電気的負荷である）が接続されているのが典型的である。

さらに、電源スイッチが位相端子に接続されるのが典型的である。電源スイッチは、例えば位相コンポーネントの部分的コンバータ・システム中の障害の場合または他のコンバータ・システムに関する保守目的の場合に、パワー・エレクトロニクス・システムに通常接続されている電気的交流電圧システムまたはパワー・エレクトロニクス・システムに接続されている電気的負荷を切断する役目をする。図１は先行技術に従ったそのようなパワー・エレクトロニクス・システムを図示している。

位相コンポーネントの部分的コンバータ・システムにおける障害の際、結果生じる障害電流が、影響を受けた位相端子を介して電気的交流電圧システムからまたはその中へ流れるか、または電気的負荷からまたはその中へ、パワー・エレクトロニクス・システムが電源スイッチによってその位相端子で分離される前に流れるのが典型的である。この分離が達成されるまで、コンバータ・システム、特にコンバータ・システムのコンポーネント、ひいてはパワー・エレクトロニクス・システムは損傷を受け、コンバータ・システムは修理または待機されねばならず、使用可能度が低下する。

したがって、本発明の目的は、コンバータ・システムのある部分的コンバータ・システムでの障害の際に生じる障害電流の制御の向上が可能なコンバータ・システムを規定することである。本発明のさらなる目的は、非常に簡単でかつモジュール形式で実現されることが可能なコンバータ・システムを具備するパワー・エレクトロニクス・システムを規定することである。

これらの目的は、請求項１の事項および請求項９の事項によってそれぞれ達成される。本発明の有利な発展は従属形式の請求項で規定されている。

本発明に従ったコンバータ・システムは位相電圧源および一般にｎ個の部分的コンバータ・システムを具備する。ｎ≧１であり、ｎ＝１の場合には部分的コンバータ・システムは接続点において位相電圧源に接続されており、ｎ＞１の場合には複数の部分的コンバータ・システムが接続点において位相電圧源に接続されている。また、電源スイッチが、位相電圧源と接続点の間に直列接続されている。また、本発明によれば、遮断素子が、位相電圧源、電源スイッチ、および接続点の間に直列接続されている。遮断素子は、例えば部分的コンバータ・システムの障害が原因で生じるまたは部分的コンバータ・システムを流れる障害電流が、電源スイッチが位相電圧源を分離する前に、素早く信頼性をもって遮断されることを可能にする。したがって、例えば部分的コンバータ・システムでの障害の際に生じる障害電流が、電源スイッチが最終的な切断を実行する前に、非常に簡単な方法で制御されることが可能である。

本発明によるパワー・エレクトロニクス・システムは、本発明による上記のコンバータ・システムをｍ個具備する。ｍ＞１であり、位相電圧源の共通な規定済み（defined）電位基準点を達成するために、コンバータ・システムの位相電圧源は、規定可能な（definable）電圧電位にあることが有利である。各コンバータ・システムについて、遮断素子が位相電圧源、電源スイッチ、および接続点の間に直列接続されているので、コンバータ・システムの１つの部分的コンバータ・システムまたはコンバータ・システムの複数の部分的コンバータ・システムのみを流れる障害電流を、他のコンバータ・システムの遮断素子が遮断を行う必要性なしに、遮断することが可能である。したがって、障害電流によって影響を受けていないコンバータ・システムによってパワー・エレクトロニクス・システムを動かし続けることが可能である。もちろん、全ての遮断素子によって完全な分離を実行してパワー・エレクトロニクス・システム全体の安全な状態を達成することが常に可能である。したがって、全体として、電源スイッチが最終的な切断を実行する前に、１または複数のコンバータ・システムの１つの部分的コンバータ・システムまたは複数の部分的コンバータ・システムでの障害の際に生じる障害電流も、非常に簡単な方法で制御されることが可能である。

これらのおよびさらなる本発明の目的、利点、および特徴は、図面との協働で本発明の好ましい実施形態の以下の詳細な説明から明らかになるだろう。

先行技術によるパワー・エレクトロニクス・システムの実施形態を示す。 本発明によるコンバータ・システムの第１実施形態を示す。 本発明によるコンバータ・システムの第２実施形態を示す。 本発明によるパワー・エレクトロニクス・システムの第１実施形態を示す。 本発明によるパワー・エレクトロニクス・システムの第２実施形態を示す。 本発明によるパワー・エレクトロニクス・システムの第３実施形態を示す。 本発明によるコンバータ・システムのスイッチング・セルの第１実施形態を示す。 本発明によるコンバータ・システムのスイッチング・セルの第２実施形態を示す。

図面で使用されている参照符号およびそれらの意味は、参照符号のリストにおいて要約されている。原則として、同一の部分は図中の同一の参照符号とともに提示されている。記述されている実施形態は、本発明の主題の例を構成し、限定機能を有しない。

図１は、冒頭部で言及されているように先行技術によるコンバータ・システムの実施形態を図示している。また、図２は、本発明によるコンバータ・システム１の第１実施形態を示している。本発明によるコンバータ・システム１の第２実施形態は、図３に示されている。図２および図３によるコンバータ・システム１は、位相電圧源２、および一般にｎ個の部分的コンバータ・システム３．１、…、３．ｎを具備する。ｎ≧１である。ｎ＝１の場合、図２に例示されているように、部分的コンバータ・システム３は接続点Ａにおいて位相電圧源２に接続されている。ｎ＞１の場合、図３に例示されているように、部分的コンバータ・システム３．１、…、３．ｎは、接続点Ａにおいて位相電圧源２に接続されている。さらに、図２および図３に従って、電源スイッチ４が、位相電圧源と接続点の間に直列接続されている。

次に、本発明に従うと、一般に、遮断素子５が、位相電圧源２、電源スイッチ４、および接続点Ａの間に直列接続されている。遮断素子５は、例えば部分的コンバータ・システム３．１、…、３．ｎの障害の際に生じて部分的コンバータ・システム３．１、…、３．ｎを流れる障害電流が、電源スイッチ５が位相電圧源２を分離する前に、素早く信頼性をもって遮断されることを可能にする。したがって、例えば部分的コンバータ・システム３．１、…、３．ｎでの障害の際に生じる障害電流が、電源スイッチ４が位相電圧源２の切断を実行する前に、非常に簡単な方法で制御されることが可能である。電源スイッチ４は、機械的スイッチとして実現されるのが好ましい。

遮断素子５は、相違する極性の障害電流が有利に遮断され得るように、双方向電流搬送方向を有する駆動可能スイッチによって形成されるのが好ましい。

双方向電流搬送方向を有する駆動可能スイッチは火工式（pyrotechnique、pyrotechnish）トリガリングを有する機械的スイッチとして実現されることが可能である。しかしながら、図２および図３に例示されているように、双方向電流搬送方向を有する駆動可能スイッチは、制御される単方向電流搬送方向を有する逆並列接続された２つの駆動可能双方向電力半導体スイッチによって形成されることが可能である。そして、制御される単方向電流搬送方向を有する駆動可能双方向電力半導体スイッチは、絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ、およびバイポーラ・トランジスタと逆並列接続されたダイオードを有することが可能である。あるいは、それぞれの駆動可能双方向電力半導体スイッチが、電力ＭＯＳＦＥＴおよびこれと逆並列接続されたダイオードを有することも考えられる。

さらに、図３に例示されているように、制御される単方向電流搬送方向を有する駆動可能双方向電力半導体スイッチが、各々、１つの逆阻止サイリスタを有することも可能である。この場合、特に集積ゲート整流サイリスタ（ＩＧＣＴ）を含め、当業者に知られている任意のタイプのサイリスタが考えられる。サイリスタだけが使用されるので、遮断素子５のこの実施形態は非常に簡単に構成され、したがって実現するのに非常に堅牢で、また非常に高コスト効率である。さらに、それぞれの制御される単方向電流搬送方向を有する駆動可能双方向電力半導体スイッチが対称の絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ（ＩＧＢＴ）を有することも考えられる。

部分的コンバータ・システム３．１、…、３．ｎは、インダクタンスＬ、およびこれと直列接続されたｐ個の直列接続された２端子スイッチング・セル６を具備する。ここで、ｐ≧２であり、各スイッチング・セル６は、制御される単方向電流搬送方向および容量性エネルギー・ストア（貯蔵素子）を有する駆動可能双方向電力半導体スイッチを有する。部分的コンバータ・システム３．１、…、３．ｎはインダクタンスＬによって接続点Ａに接続されている。部分的コンバータ・システム３．１、…、３．ｎのスイッチング・セル６の制御される単方向電流搬送方向を有する駆動可能双方向電力半導体スイッチは、特に、ゲート・ターンオフ・サイリスタ（ＧＴＯ）あるいは、集積ゲート整流サイリスタ（ＩＧＣＴ）および逆並列接続されたダイオードとして実現される。しかしながら、制御される単方向電流搬送方向を有する駆動可能双方向電力半導体スイッチは、例えば電力ＭＯＳＦＥＴおよび逆並列接続されたダイオードとして、あるいは絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ（ＩＧＢＴ）および逆並列接続されたダイオードとして実現されることも考えられる。図７は、本発明によるコンバータ・システムのスイッチング・セルの第１実施形態を例示している。ここでは、制御される単方向電流搬送方向を有する複数の駆動可能双方向電力半導体スイッチはハーフブリッジ回路において相互接続されており、容量性エネルギー・ストアはこのハーフブリッジ回路に並列接続されている。さらに、図８は、本発明によるコンバータ・システムのスイッチング・セルの第２実施形態を例示している。ここでは、制御される単方向電流搬送方向を有する複数の駆動可能双方向電力半導体スイッチはフルブリッジ回路において相互接続されており、容量性エネルギー・ストアはこのフルブリッジ回路に並列接続されている。

図４は、本発明によるパワー・エレクトロニクス・システムの第１実施形態を図示している。また、図５は、本発明によるパワー・エレクトロニクス・システムの第２実施形態を示している。さらに、図６は、本発明によるパワー・エレクトロニクス・システムの第３実施形態を示している。一般に、本発明によるパワー・エレクトロニクス・システムは、本発明による上述のコンバータ・システム１をｍ個具備している。ｍ＞１であり、コンバータ・システム１の位相電圧源２は、規定可能な電圧電位Ｎ１にあり、その結果、有利なことに、位相電圧源２の共通の規定された電位の基準点が達成されることが可能である。図５および図６はｍ＝３個のコンバータ・システム１を例示している。ここでは、コンバータ・システム１は各々ｎ＝２個の部分的コンバータ・システム３．１および３．２を有している。明確化のために、コンバータ・システム１の位相電圧源２は図示されていない。したがって、本発明によるパワー・エレクトロニクス・システムは非常に簡単にモジュール形式で構成され、電力の点で特に簡単にスケール化されることが可能である。各コンバータ・システム１について、遮断素子５が、位相電圧源２、電源スイッチ４、および接続点Ａの間に直列接続されているので、コンバータ・システム１の１つの部分的コンバータ・システム３．１、…、３．ｎまたはコンバータ・システム１の複数の部分的コンバータ・システム３．１、…、３．ｎのみを流れる障害電流を、他のコンバータ・システム１の遮断素子５が遮断を行う必要性なしに、遮断することが可能である。したがって、障害電流によって影響を受けていないコンバータ・システム１によってパワー・エレクトロニクス・システムを動かし続けることが可能である。もちろん、全ての遮断素子５による完全な分離、ひいてはパワー・エレクトロニクス・システム全体を安全な状態へ移すことが常に可能である。したがって、全体として、電源スイッチ４が最終的な切断を実行する前に、１または複数のコンバータ・システム１の１つの部分的コンバータ・システム３．１、…、３．ｎまたは複数の部分的コンバータ・システム３．１、…、３．ｎでの障害の際に生じる障害電流が、非常に簡単な方法で制御されることが可能である。

１…コンバータ・システム、
２…位相電圧源、
３．１〜３．ｎ…部分的コンバータ・システム、
４…電源スイッチ、
５…遮断素子、
６…スイッチング・セル、
Ａ…接続点、
Ｌ…インダクタンス、
Ｎ１…規定可能電位。

Claims (9)

1. 位相電圧源（２）と、ｎ個の部分的コンバータ・システム（３．１、…、３．ｎ）を具備し、
   ｎ≧１であり、ｎ＝１の場合には前記部分的コンバータ・システム（３．１）は接続点（Ａ）において前記位相電圧源（２）に接続されており、ｎ＞１の場合には前記複数の部分的コンバータ・システム（３．１、…、３．ｎ）は前記接続点（Ａ）において前記位相電圧源（２）に接続されており、前記位相電圧源（２）と前記接続点（Ａ）の間に電源スイッチ（４）が直列接続されており、
   前記位相電圧源（２）、前記電源スイッチ（４）、および前記接続点（Ａ）の間に遮断要素（５）が直列接続されている、
   ことを特徴とするコンバータ・システム（１）。
2. 前記遮断要素（５）が双方向電流搬送方向を有する駆動可能スイッチによって形成されている、
   ことを特徴とする請求項１のコンバータ・システム（１）。
3. 前記双方向電流搬送方向を有する駆動可能スイッチが、制御される単方向電流搬送方向を有する逆並列接続された２つの駆動可能双方向電力半導体スイッチによって形成されている、
   ことを特徴とする、請求項２のコンバータ・システム（１）、
4. 前記制御される単方向電流搬送方向を有する駆動可能双方向電力半導体スイッチが、各々、絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタと、前記バイポーラ・トランジスタと逆並列接続されたダイオードと、を有するか、
   前記駆動可能双方向電力半導体スイッチが、各々、電力ＭＯＳＦＥＴと、これと逆並列接続されたダイオードと、を有する、
   ことを特徴とする請求項３のコンバータ・システム。
5. 前記制御される単方向電流搬送方向を有する駆動可能双方向電力半導体スイッチが、各々、逆阻止サイリスタを有する、
   ことを特徴とする請求項３のコンバータ・システム（１）。
6. 前記双方向電流搬送方向を有する駆動可能スイッチが、火工式トリガリングを有する機械的スイッチとして実現されている、
   ことを特徴とする請求項２のコンバータ・システム（１）。
7. 前記電源スイッチ（５）が機械的スイッチとして実現されている、
   ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項のコンバータ・システム（１）。
8. 前記部分的コンバータ・システム（３．１、．．．、３．ｎ）が、インダクタンス（Ｌ）と、これと直列接続されたｐ個の直列接続された２端子スイッチングセル（６）と、を具備し、ｐ≧２であり、各スイッチングセル（６）は、制御される単方向電流搬送方向を有する駆動可能双方向電力半導体スイッチと、容量性エネルギー・ストアと、を有し、前記部分的コンバータ・システム（３．１、…、３．ｎ）は前記インダクタンス（Ｌ）によって前記接続点（Ａ）に接続されている、
   ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項のコンバータ・システム（１）。
9. 請求項１乃至８のいずれか１項のコンバータ・システム（１）がｍ個設けられ、ｍ＞１であり、
   前記複数のコンバータ・システム（１）の前記位相電圧源は設定可能な電圧電位（Ｎ１）にある、
   ことを特徴とするパワー・エレクトロニクス・システム。

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