JP4336044B2 - 電圧−チャージ制御電力半導体デバイスを制御する装置 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、電力を変換するための設備（equipment）内の、電圧−チャージ制御電力半導体デバイスを制御する装置（apparatus）に関する。その装置は、上記電力半導体デバイスの機能パラメータを検出するのに適したメンバと、それによって電力半導体デバイスを制御すべく検出される機能パラメータの値に従って、電力半導体デバイスのゲートとエミッタとの間の電圧を制御するのに適した構成とを有するものである。
【０００２】
電圧−チャージ制御電力半導体デバイスは、それらの定常状態の間に、すなわち、電力半導体デバイスとの間に印加された電圧を通じる又は阻止する場合に電圧制御され、また、ゲートとエミッタとの間の電圧を変化させるための存在するキャパシタンスの結果として、ゲートへのまたゲートからの相当なチャージの移動が得られるので、定常状態間の切替えプロセスの間にチャージ制御される。
【０００３】
ここでは、例えばＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）およびＭＯＳＦＥＴ（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）などの、かかる電力半導体デバイスの全てのタイプが含まれる。また、特許請求の範囲及び発明の詳細な説明における用語「エミッタ」および「コントローラ」は、広い意味で用いられるもので、それらは、また、それぞれドレインやソースのようなまた別の名前を有する半導体デバイスの対応する層又は領域を有している。
【０００４】
電力を変換するための設備は、ネットワークコンバータ，モータインバータ，バッテリチャージャ及びその同様のものなど、いかなるタイプのものであってよく、それらは、共通に、１つのものを有しており、すなわち、それらの内部に通常に含まれる電力半導体デバイスが、非常に高い周波数で、正確に制御されなければならない。つまり、制御は、好ましくはナノ秒内の反応時間という高速性を有しなければならない。
【０００５】
設備における若しくは電力半導体デバイスにおける異なる故障の発生時に、また、特定の保護機能を管理し得るには、この高速性を有することが特に重要であり、その結果、設備に含まれる電力半導体デバイス又は他の要素の可能性のある被害およびコスト面での問題が回避される、若しくは、かかる被害の拡大が、修理に要する費用が低く済むように、著しく抑制され得る。
【０００６】
かかる制御の対象例は、短絡時における電力半導体デバイスの過電圧保護，電力半導体デバイスに連結されたフリーホイーリングダイオード（freewheeling diode）のリカバリ現象の制御，スイッチング損失の最適化、および、経過時間におけるコレクタ−エミッタ−電圧及びコレクタ電流の展開の制御を実現することである。
【０００７】
既に知られたこのタイプの装置は、精密なアナログの調整回路を形成するために、電力半導体デバイスのコレクタ及びエミッタからのアナログのフィードバックに基づく、若しくは、ターンオンおよびターンオフのプロセスを制御し電力半導体デバイスを保護するにはループに基づくものである。その結果、制御される電力半導体デバイスと制御装置のアナログ機能との間の、パラメータに富んだ相互作用が生じる。このように設計された制御装置は、その構成に際して、それを一般的にする、すなわち、異なる電力半導体デバイスを制御するために、若しくは、異なるアプリケーションのために用いられる制御装置を製造することができないという問題を有している。異なる電力半導体デバイスは、確かに、独自の特性を有しており、当該装置の異なるメイン回路との組合せでは、相当量の調整対象がもたらされ、その結果、装置の調整ハードウェアの独自の調整がその時々に必要となり、独自のハードウェアが製作される必要がある。更に、電圧及び電流導関数等の機能特性についての異なる要求は、上記設備の異なる使用に際して、非常に多くの制御装置の独自の調整をもたらし、これらの要求が変わる都度、独自のハードウェアを有する制御装置が製造されなければならない。
【０００８】
本発明の目的は、一般的とみなされ得る、つまり、異なる特性を備えた電力半導体デバイスを制御するために使用され、また、異なる要求がアプリケーション側からあった場合に使用され得るように設計される、前段で規定されたタイプの装置を提供することである。
【０００９】
この目的は、本発明に基づき、電力半導体デバイスとの接続を通じて、該電力半導体デバイスの機能を記述する選択パラメータを検出するための装置に、上記要素を構成させることにより得られ、また、装置は、検出された選択機能パラメータの値を、その基準レベルと比較するのに適した手段と、比較のための基準レベル、および、その出力に基づき、所定の電流レベルのオーダに対応するデジタル信号を、電力半導体デバイスのゲートへ又はゲートから伝送するために、その比較から得られるプロセスデータを生成するのに適したプログラム可能な回路と、電流形（current stiff）である、すなわち、定電流モードで動作する電流源を備え、上記プログラム可能な回路からデジタル信号を受け取り、上記電流源を通じたものに基づき、電力半導体デバイスを制御するために、所定の電流レベルを用いる電力半導体デバイスのゲートへ又はゲートから電流を生成するのに適したデジタル信号増幅器とを有している。
【００１０】
このように、上記制御装置が、アナログの閉じたフィードバックを用いることなく管理し、その代わりに、電力半導体デバイスの所望とされる性質の間接的な判定を用いることによって、制御装置は、種々の異なるメイン回路又は設備における異なる電力半導体デバイスのために使用され得る。このことは、選択された重要な機能パラメータの値に従った、デバイスのゲートへのまたゲートからの電流の制御による電力半導体デバイスの制御によって実現される。ここで、この電流が迅速に制御され、既知の閉じたフィードバックの代わりに、この選択肢を選ぶことができることが極めて重要である。このことは、デジタル制御される、また、プログラム可能な回路からデジタル信号を受け取り、それを基礎として、検出されたパラメータの上記基準レベルとの比較の結果に基づき、プログラム可能な回路に達する電流を生成するのに適した電流形コンバータを採用することにより可能となる。
【００１１】
既知のまた前述した制御装置に関した、本発明によるタイプのデバイスは、多数の長所を有している。制御装置を製造し使用する場合と同様に、上記設備を製作する場合に必要とされるハードウェアの規模は抑制される。このことは、テスト設備が、制御装置の機能に関する新しい要求が生じる度に、変更される必要がないことを意味している。更に、同じ制御装置が、異なる設備に適用可能であり、これにより、その数の異なるスペア要素とともにそれらを製造する場合に必要とされる収納キャパシティとともに、異なる制御装置の規模は抑制される。更に、制御装置についてのメインテナンスコストとともに、制御装置の構成の変化のドキュメンテーション（documentation）が、その結果として削減される。
【００１２】
更に、異なる電圧システム，異なる電力半導体デバイス及び異なるコンバータ設備等の異なる用途に対して制御装置の機能を適合させるべき可能性についての柔軟性は、プログラム可能であることによって得られる。その結果、例えば新しいハードウェアを、故障したハードウェア又は働かなくなった制御装置と置き換えることができる。唯一必要とされる条件は、制御装置の外部環境に対する機械的なインターフェースが確保されることである。更に、消費者は、改良や変更の結果として、先のデバイスが働かなくなった場合に、電力半導体デバイスを変えることが可能である。その使用に際して生じる幾つかの問題は、新しい又は正確なものにハードウェアを置き換える代わりに、ハードウェアを再度プログラミングすることにより解決され得る。プログラム可能であることによれば、制御装置がその上に構成される制御カードの自動的なテストが、プログラム可能な回路を採用することにより実現されることになる。更に、別の長所が存在する。
【００１３】
本発明の好適な実施の形態によれば、上記要素は、上記選択パラメータとして、それぞれ、電力半導体デバイスのコレクタ−エミッタ電圧及びゲート−エミッタ電圧を検出するために、電力半導体デバイスのコレクタ，ゲート及びエミッタに対する接続器を有している。また、電力半導体デバイスのコレクタ電流の時間導関数を決定するのに適している。好適な実施の形態では、これが、電力半導体デバイスのエミッタに対して、メインエミッタ接続器より後方近くに、補助エミッタ接続器を構成させることからなされる。これは、電力半導体デバイスに対する測定要素の接続部において、メインエミッタの接続器の寄生インダクタンスを回避し、補助エミッタ接続器とメインエミッタ接続器との間で生じる電圧を測定するためである。その結果、プログラム可能な回路が、デバイスのゲートへの又はゲートからの所定の電流レベルの程度を設計するために、このように検出されたパラメータを用いることにより、コレクタ電流の時間導関数の測定値が取得される。ターンオン，ターンオフ及び電力半導体デバイスの保護プロセスが効率的に制御され得る。
【００１４】
本発明の好適な実施の形態によれば、プログラム可能な回路は、プログラム可能な回路の再構成、すなわち、プログラム可能な回路のリプログラミング用のアレンジの接続のための構成を有している。その長所は、上記した説明から明らかである。プログラム可能な回路は、本発明のまた別の好適な実施の形態によれば、保護制御機能の変更、および、上記設備を使用可能とした後の、プログラミング回路を通じた基準レベルの調整を可能とするのに適している。このようにして、ユーザの変化の要求、若しくは、古いものが交換された場合の、新しい電力半導体デバイスに対する要求を可能とすべく、常時、制御装置を適宜調整することが可能となるであろう。
【００１５】
本発明のまた別の実施の形態によれば、装置は、装置の機能のための供給直流電圧をもたらすための構成を有し、また、それは、装置の異なる部分へ供給直流電圧を管理し、プログラム可能な回路にその状態について知らせるのに適した要素を有している。プログラム可能な回路は、このようにして、そのオーダを作成する場合にこれらの供給電圧を考慮することができる。
【００１６】
本発明のまた別の実施の形態によれば、それは、かかる供給直流電圧が装置に送られない間に、電力半導体デバイスを活性化するために必要なレベル以下に、電力半導体デバイスのゲートとエミッタとの間の電圧を維持することにより、供給直流電圧のドロップアウト時に、制御されないターンオンに対して、電力半導体デバイスを保護するのに適した保護装置を有している。これにより、電力半導体デバイスが動作上の欠陥が生じた場合にも破壊されることが回避され得る。
【００１７】
本発明のまた別の実施の形態によれば、増幅器が、電力半導体デバイスのゲートに対して相互に異なる強度の電流を送るのに適した第１の組の電流源と、電力半導体デバイスのゲートから相互に異なる強度の電流を生成するのに適した第２の組の電流源と、電力半導体デバイスを制御するために、プログラム可能な回路からのデジタル信号に基づき、これらの電流源を制御するのに適した要素とを有している。電力半導体デバイスの制御は、このようにして、上記電流源に生成される電力半導体デバイスのゲートへのまたゲートからの電流を迅速に変化させることにより、必要とされる高速度で、すなわち、ナノ秒の範囲内で行われ得る。
【００１８】
最後に述べた実施の形態の更なる改良をなす、本発明のまた別の実施の形態によれば、プログラム可能な回路は、複数ビットワードの形をしたデジタル信号を送るのに適している。各ビットは、増幅器における上記別個の電流源に対応し、また、異なる電流源の電流値は、ビット加重されている。プログラム可能な回路からのデジタル情報は、これにより、電流源を活性化する時間を除いて、Ｄ／Ａ変換に要する時間の必要なく、電力半導体デバイスのゲートへの又はゲートからの、前述した比較から生じる所定の電流値へ迅速にＤ／Ａ変換され得る。
【００１９】
二組の電流源を備えた実施の形態の更なる改良をなす、本発明の好適な実施の形態によれば、上記各電流源は、一対のバイポーラトランジスタを有している。第１のものは、コレクタとエミッタとの間に印加される電圧を有するのに適しており、そのベースは、所定の電圧レベルを備えたデジタル信号を受けるために、増幅器の入力部に接続されている。また、第２のものは、そのベースにより、第１のトランジスタのコレクタに接続されるとともに、そのコレクタにより、電力半導体デバイスのゲートへのまたゲートからの電流を生成するために、ゲートに接続されている。両トランジスタは、常に、線形動作範囲におかれるように接続される、つまり、デジタルの「１」又は「０」が第１のトランジスタのベースにて受けられたかどうか次第でオフに切り替えられる。この場合には、第１のトランジスタが、第２のものを駆動するのに適している。このようにして、各対の２つのトランジスタを互いに接続することにより、また、第２のトランジスタ及びそれによって電力半導体デバイスのゲートへ伝送される電流は、バイポーラトランジスタが、それらが線形動作範囲にある場合に迅速にオンオフに切り替えられることにより、所望の高速で変更され得る、すなわち制御され得る。
【００２０】
本発明の特徴とともに、その長所は、以下の説明及び特許請求の範囲における従属請求項から明らかになるであろう。
【００２１】
発明の好適な実施の形態の詳細な説明
交流電圧を直流電圧にまたその逆に変換するためのステーションにおける、例えば所謂「パンチスルー（Punch Through）」（ＰＴ）タイプ又は「ノンパンチスルー（Non Punch Through）」（ＮＰＴ）タイプのＩＧＢＴの形をした、電圧−チャージ制御電力半導体デバイス１を制御するための装置の形をした、本発明による装置の可能な適用例が、図１に概略的に示される。ここでは、直列に接続された２つの電流バルブユニット５，６からなる位相レグ（leg）４が、直列電圧網の二極２，３の間に配置されている。電力半導体デバイスの阻止状態において各バルブユニットによって保持されるべき電圧が、電力半導体デバイスにとって高すぎる（電力半導体デバイスがたった１−１０ｋＶを有する一方、例えば１００ｋＶの程度になる）ことがあることから、電流バルブユニットが、いかにして、電力半導体デバイスとそれに逆平行に接続される整流ダイオード７とから構成されるかが示され、しかし、図に示されるものは、直列に接続される１つ又は複数の電力半導体デバイス及びダイオードに関する記号である。各電流バルブユニットにおいてこのように直列に複数のデバイスを接続することにより、電圧は、異なるデバイス間で識別され得る。これらは同時に制御され、その結果、それらは、１つの単一のスイッチングデバイスとして機能する。これは、ＩＧＢＴを用いた場合には、これは正確になされ、本発明による制御装置は、かかる場合に、伝習バルブユニットに同様に含まれる異なる電力半導体デバイスを同時に制御するのに適している。交流電圧網の位相用の位相出口９が、位相レグ４の中間点８へ接続される。異なる電流バルブユニットの電力半導体デバイスは、従来知られるようにして交流電圧を生成するために、位相出口９をそれぞれ二極２，３の電位に交互に接続すべく、交互にオン・オフされる。ここまでの記述は、従来技術によるものである。
【００２２】
各電力半導体デバイスを制御するための装置１０が、各電力半導体デバイス１に接続され、その構成が、図２において僅かに詳細に、また、図３においては更に詳細に示されている。次の説明では、これら２つの図面を参照する。装置は、入力部１１にて含まれる構成の機能のための供給直流電圧を受け、供給直流電圧を、異なる構成の機能に適した大きさの第２の供給直流電圧へ変換するためのＤＣ／ＤＣコンバータ１２を有している。装置は、別の入力部１３にて、各バルブユニットの電力半導体デバイスの制御及びステーションの残りの構成の制御を調和させるための全電力コンバータ用の上位の電子機器から、光コンダクタを介して、光信号を受け取る。これらのオーダのために、光コンダクタを用いることにより、低電位に置かれた上位の制御電子機器と、通常高電位に置かれた電流バルブのバルブユニットとの間のガルヴァニックセパレーション（galvanic separation）が得られる。ここでは、信号が、適宜、光コンダクタ１４の両方向に送られてもよい。これらの信号は、要素１５を介して、装置の一部であるプログラム可能な回路１６（例えばｉｓｐＬＳＩ（in‐system programmable LSI），ＰＬＤ（programmable logic device）又はＣＰＬＤ（complex programmable logic device））に送信される電圧信号へ変換される。
【００２３】
装置は、また、回路を所望とされるように再度プログラミングするためにコンピュータ（ＰＣ）を接続するための、プログラム回路に対する入力部１７を有している。
【００２４】
装置は、電力半導体デバイスに対する次の接続器を有している。メインコレクタ接続器１９より後方に近いデバイスのコレクタに対する、制御コレクタ（又は補助コレクタ）接続器１８。それを介して、コンバータの電流伝送経路、すなわち、直流電圧網の１つの極コンダクタは、コレクタに接続され、その結果、メインコレクタ接続器の寄生インダクタンスが、符号１８における装置の接続で回避される。装置は、これに対応して、メインエミッタ接続器よりも後方に近い電力半導体デバイスのエミッタに対する制御エミッタ（又は補助エミッタ）接続器２０を有している。それを介して、設備の電流伝送経路、すなわち、交流電圧位相出口９はエミッタへ接続され、その結果、メインエミッタ接続器２１の寄生インダクタンスは、装置の接続器２０にて回避される。以上で、図１において最もよく示される、制御装置が付随した電流バルブユニットが理解された。制御装置は、また、メインエミッタ接続器２１に対する接続器２２を有する。最終的には、装置は、ゲート接続器２３を介して、電力半導体デバイスのゲートへ接続される。
【００２５】
制御装置（一般的には制御要素と呼ばれる）は、電力半導体デバイスの機能を記述する選択パラメータについて説明された接続器を介して受け取られ得る情報に基づき、電力半導体デバイスを制御するのに適している。これらのパラメータは、電力半導体デバイスを介したコレクタ電流の急激な変化時に、メインエミッタ接続器２１の寄生インダクタンスが、２つの接続器２０及び２１の間に相当な電圧（５０Ｖ程度）をもたらすことになるため、好ましくは、接続器２０及び２１から受け取られ得るコレクタ電流の時間導関数とともに、接続器１８及び２０又は２１から受け取られ得るコレクタ−エミッタ電圧，接続器２３及び２０又は２１から受け取られ得るゲート−エミッタ電圧である。
【００２６】
接続器２２からの信号とともに、接続器１８からの電圧信号は、それぞれ、標準化ブロック２４及び２５により受け取られる。これら標準化ブロック２４及び２５は、図３において符号２４に関連して示されるように、各検出電圧信号を、異なる測定範囲を備えた信号に分割するのに適している。このようにして、電力半導体デバイスのゲートへまたゲートから接続器２３を介して送られ、以下に説明するように電力半導体デバイスを制御するために用いられる電流の所定の電流値に対応する基準レベルと、これらの信号を比較するのに適した手段２６において処理されるのに適切な信号が取得される。上記基準レベルは、プログラム可能な回路１６により生成され、デジタル信号形式で、比較手段２６へ送られる。それらは、異なる比較器２８におけるブロック２４及び２５から来た信号との比較のために、コンバータ２７においてアナログのものに変換される。比較手段２６は、プログラム可能な回路１６へこの比較結果を送るのに適している。プログラム可能な回路１６は、所定の電流レベルの値に対応したその出力部２９におけるデジタル信号を、これらのデータに基づき、電力半導体デバイスのゲートへまたゲートから伝送するために、これらのデータを処理するのに適している。
【００２７】
更に、装置は電流形増幅器３０を有しており、この電流形増幅器３０は、デジタル制御され、また、プログラム可能な回路１６からのデジタル信号を受け取り、それに基づき、電力半導体デバイスを制御するための所定の電流レベルを有する電力半導体デバイスのゲートへ又はゲートから電流を生成するのに適している。そのため、増幅器３０は、二組の電流源を有している。これら電流源は、一方が電力半導体デバイスのゲートへの電流を生成するもので、他方がゲートからの電流を生成するもので、符号３１及び３２で概略的に示されている。この増幅器の構成については、主として図４及び５を参照して、より詳細に後述する。
【００２８】
装置は、また、所謂「ゲートガード」３３を有している。このゲートガード３３は、供給直流電圧が装置に伝送されない間に、電力半導体デバイスを始動させるのに必要とされるレベル以下に、電力半導体デバイスのゲートとエミッタとの間の電圧を維持することにより、供給直流電圧がドロップアウトする場合の、制御されないターンオンに対して、電力半導体デバイスを保護するのに適した保護装置を構成している。更に、装置は、装置の異なる部分に対して供給直流電圧を取り締まり、その状態についてプログラム可能な回路に知らせるのに適した構成要素３４を備えている。
【００２９】
図４には、増幅器がより詳細に示されている。増幅器は、プログラム可能な回路１６により送信され入力部３７に到達する弱いデジタル信号を受け取り、それをレベル安定化するとともに増幅するための、該増幅器の入力部に置かれる迅速な強電流デジタルバッファ３８を有している。そのバッファは５Ｖだけ給電され、その出力部における論理上の「１」が、例えば４．６Ｖという固定した所定の電圧に相当する。第１のバイポーラトランジスタ３５のベースがバッファの出力部に接続されていることにより、これは、固定したデジタル信号４．６Ｖを受け取る。その結果、このトランジスタ３５は、急激にエミッタの電位を約４ｖまで上昇させることになる。トランジスタ３５は、レジスタ４１を介して、０電位に接続されている。トランジスタ３５のベース−エミッタの電圧降下が０．６Ｖであることにより、レジスタ４１における電圧は４Ｖとなる。従って、電流は、レジスタ４１を通じて流れ、コレクタ電流は、レジスタ４１を通じる電流＝レジスタ４１における電圧／レジスタ４１の抵抗値であるため、一定となる。
【００３０】
増幅器は、第２のバイポーラトランジスタ３６を有し、そのベースは、第１のバイポーラトランジスタのコレクタに接続されている。第１のバイポーラトランジスタのコレクタは、レジスタ３９を介して、＋Ｖへ接続されている。また、一方、第２のトランジスタ３６のエミッタは，レジスタ４０を介して、同じ電位に接続されている。更に、第２のバイポーラトランジスタ３６のコレクタは、電力半導体デバイスのゲート２３へ接続されている。
【００３１】
レジスタ４１及び３９は、第２のトランジスタ３６のベースについて一定の基準電圧を生成するように、また、トランジスタ３５を線形動作範囲内に保つように選択される。すなわち、トランジスタ３５のコレクタ−エミッタにおける電圧は、常時、２，３Ｖよりも大きい。第２のトランジスタのベースに関する基準は、レジスタ３９を介して生成され、このプロセスは、レジスタ３６がエミッタ電位を急激にベース電位＋０．６Ｖのレベルまで上昇させるということから繰り返される。それによって、電流はレジスタ４０を流れ、トランジスタ３６の一定のコレクタ電流が、電力半導体デバイスのゲート２３に対して生成される。
【００３２】
従って、第１のトランジスタ３５及びレジスタ４１により構成された電流源は、第２のトランジスタ３６及びレジスタ４０により構成される電流源を駆動する。このことは、デジタル制御される電流一定増幅器の高速の鍵となる。すなわち、バイポーラトランジスタは、それが線形動作範囲にある場合には迅速にスイッチ開放され得る。このことは、ベースからコレクタ層内に注入される正孔がないということから説明され得る。このケースでは、第１のトランジスタ３５及び第２のトランジスタ３６の両方が、常時、線形動作範囲又はスイッチ開放状態のいずれかにある。更にスイッチ時間を短くするために、レジスタ３９，４０及び４１は、スイッチング時に迅速に荷電粒子を伝送するように、非常に低い値に寸法設定される。同時にバッファ３８から受け取られた第１のトランジスタ３５のベースにおけるデジタル信号が、電流源が以下に記述される方法で加重されることと同様に、アナログ電流値用の基準になり、その結果、いかなるデジタル／アナログ変換にも時間が必要とされないという点は、増幅器の高速に寄与するまた別の環境である。より正確には、各組ｎは、入力部３７及びｎ組のバイポーラトランジスタ、すなわち電流源を有する。しかしながら、実際には、符号３５，４１＋符号３６，４０が、１つの電流源としてみなされるべきであり、また、図４に示されるような上位の組が、電力半導体デバイスのゲートへの電流を生成するのに適する一方、下位の組が、電力半導体デバイスのゲートからの電流を生成するのに適している。
【００３３】
定電流モードに切り替えられた２つのトランジスタ（３５，４１及び３６，４０）が、デジタル回路用の供給によるプログラム可能な回路１６及びバッファ３８の供給の結果として、レベルシフトを取得するために必要とされることが分かる。それは多くの場合＋５Ｖである。また、一方、電流一定デジタル増幅器が＋Ｖ及び−Ｖの電位間で切り替えられる。それは、多くの場合、５Ｖよりも高い。
【００３４】
電力半導体デバイスのゲート２３からの電流を生じる、すなわち、図４に示される下位の組に属する電流源は、＋Ｖから−Ｖまでのレベルシフトを取得するために、定電流モードにおいて、また別のトランジスタにより完成されるものの、上位の組と同じ技術により組み立てられる。これは、トランジスタ５１により実現される。
【００３５】
また、図４に示される全てのトランジスタが、線形動作範囲内で動作することが分かる。定電流モードの電流源は、増幅器をより速くするのみならず、接続器及び電力半導体デバイスの内部制動抵抗の寄生インダクタンスをものともせず、所定値の電流（チャージ）を電力半導体デバイスのゲートへ迅速に圧するために用いられる。その値は、しばしば、温度に極めて依存する。更に、ゲート２３とエミッタ２０との間の電圧が、電力半導体デバイスをオンに切り替えた時に−Ｖから＋Ｖへ、又は、電力半導体デバイスをオフに切り替えた時に＋Ｖから−Ｖへ変化する場合、電流源が、定電流値、すなわち所定のチャージを、ほぼ全体の電圧範囲＋／−Ｖ内に送ることができるであろう。
【００３６】
また、更に、プログラム可能な回路は、上記デジタル信号を、複数ビットワードの形で送るのに適している。ここで、各ビットは、すなわち、２つのｎ入力部の分離のために、増幅器内の別々の電流源に対応しており、また、図４における入力部３７及びその代理に関し、異なる電流減の電流値が、上側から重要でない順で並べられ、下方へ進むにつれその重要性を増す電流源についての２^０・・・２^ｎ−１に従って、ビット加重されている。各第１のバイポーラトランジスタに基づき、異なる入力部３７におけるデジタルのものを、アナログ電圧信号に直接変換すること、および、電流源が構成される方法は、、必要とされる速さ（好ましくは２０ｎｓの範囲内）で、電力半導体デバイスのゲートへの又はゲートからの電流を変化させる、すなわち制御することを可能とする。
【００３７】
しかしながら、＋Ｖから供給される電流源は、電力半導体デバイスのゲート２３が＋Ｖに荷電された場合に、電流を送ることができない。要求される定電流は、ゲート２３の電位が、第１のバイポーラトランジスタ３５のベースの電位よりも低くなるまでのみ取得されるであろう。そして、電流源は、その他の点については、それが、底値に達し（非線形動作範囲）、スイッチングが遅くなるまで、電流を小さくするであろう。また、電力半導体デバイスのゲートから電流を生成する電流源については、それに対応する制約がある。これらの不自由を軽減するために、増幅器が、図５に示される非電流一定抵抗エンドステージ４２により追加される。電力半導体デバイスのゲートを＋Ｖの電位までチャージするために、ｐチャンネルＭＯＳＦＥＴトランジスタ５２が、＋Ｖとレジスタ４３との間に接続される。それは、その順番で、電力半導体デバイスのゲート２３に接続される。トランジスタ５２のゲートは、デジタル制御信号４５に接続されたレベルシフトステージを介したオン／オフに従って制御される。ｎチャンネルＭＯＳＦＥＴトランジスタ５３は、電力半導体デバイスのゲートを、−Ｖとレジスタ４４との間に接続される−Ｖ電位までチャージするために同様の態様にある。それは、その順番で、電力半導体デバイスのゲート２３へ接続されるトランジスタ５３のゲートは、デジタル制御信号４６に接続されたレベルシフトステージを介したオン／オフに従って制御される。
【００３８】
図６には、いかにして、電力半導体デバイスが、制御電流４７を変化させることにより、制御され得るかが示されている。スイッチング時、すなわち電力半導体デバイスをオンに切り替える場合、まず、オン信号が、入力部１３に受け取られる。ここで、プログラム可能な回路は、予めプログラムされたアルゴリズムに従い、電力半導体デバイスをオンに切り替えるであろう。供給電圧が、それが正であるべき状態にある場合、ゲートへ電流を導くための電流源は、制御電流４７を１０Ａに増大させるであろう。制御装置において測定されるゲート−エミッタ電圧が約３Ｖに達した場合には、制御電流は約６Ａに抑制される。その後、メインエミッタ及び補助エミッタにおける電圧が正のコレクタ電流時間導関数をあらわす場合には、制御電流が１Ａに抑制される。その後、対応する電圧が、負のコレクタ電流時間導関数をあらわす場合には、電流が、ゲート−エミッタの電位を＋１５Ｖまで迅速にチャージするために増大させられる。電力半導体デバイスは、その後、オンに切り替えられ、そして、ターンオフプロセスが次のように開始される瞬間（符号５０）まで、オンの状態に保たれるであろう。ターンオフプロセスでは、ターンオフ信号が入力部１３にて受け取られ、プログラム可能な回路が、予めプログラムされたアルゴリズムに従って、電力半導体デバイスをオフに切り替えるであろう。また、負の電流源が、第１に、制御電流を−１２Ａまで増大させるであろう。測定されたコレクタ−エミッタ電圧が１０Ｖ以上に上昇すると、制御電流は４Ａまで抑制される。コレクタ−エミッタ電圧が、予めプログラムされた過電圧保護レベル以上に上昇すると、制御電流は１．５Ａに抑制される。電力半導体デバイスのターンオフ後、制御電圧は、ターンオフの残りの間に、−１５ｖに維持される。
【００３９】
したがって、一定電流とは、ここで、複数ビットワードによりすなわちデジタル式に制御され得るレベルを有する定電流を意味している。これにより、電流一定増幅器は、定電流モードで動作する電流源を備えた増幅器である。
【００４０】
一般的には、例えば４００ＤＣから４２００ＤＣまでのシステム電圧においてＩｃ＝３００Ａ−２４００Ａ，ＶＣＥ＝１２００Ｖ−６５００Ｖである任意の量の異なるＩＧＢＴが、前述したタイプの発明によるもの及び同様の装置によって制御され得る。
【００４１】
当然ながら、本発明は、例示した好適な実施の形態に限定されることなく、本発明の要旨を逸脱しない限りで、多くの変更が可能であることが当業者に明らかであろう。
例えば、別個の比較器ブロック２６を設けることは必ずしも必要でなく、プログラム可能な回路１６内に組み込まれてもよい。
符号１３における制御装置との通信は、光を介して行なわれるものとは限らない。
非絶縁のシステムでは、場合によって、コンバータ１２が省略されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明によるタイプの制御装置が、いかにして、直流電圧を交流電圧へまたその逆に変換するための設備において構成されるかを示す回路図である。
【図２】 本発明の好適な実施の形態に係る制御装置を非常に簡略化して示すブロック図である。
【図３】 図１に示された制御装置をより詳細に示す図である。
【図４】 図２による制御装置のデジタル制御される電流形増幅器の構成を示す回路図である。
【図５】 図４によるデジタル制御される電流形増幅器の抵抗のエンドステージを示す
【図６】 制御装置により制御される電力半導体デバイスの異なる形態において、本発明による制御装置の電力半導体デバイスのゲートに対するまたゲートからの、異なる電流値での、経過時間におけるコレクタ−エミッタ電圧及びコレクタ電流の展開を示すグラフである。

Claims (18)

1. 電力変換機器における電圧−チャージ制御型の電力半導体デバイス（１）を制御するための装置であって、上記電力半導体デバイスの機能パラメータを検出する要素と、上記検出された機能パラメータの値に依存して上記電力半導体デバイスのゲートとエミッタとの間の電圧を制御することで上記電力半導体デバイスを制御する構成部（３０）とを有する装置において、
   上記要素（１８−２５）は、上記電力半導体デバイスへの接続部（１８−２１）を介して、上記電力半導体デバイスの機能を記述する選択的パラメータを検出し、
   上記装置はさらに、
   選択されかつ検出された機能パラメータの値をその基準レベルと比較する手段（２６）と、
   上記比較のための上記基準レベルを生成することと、上記比較の結果データを処理し、これに基づいて、上記電力半導体デバイスのゲート（２３）から出入りする所定の電流レベルのオーダーに対応するデジタル信号を出力することとを行うプログラム可能な回路（１６）と、
   電流が固定的である、すなわち、定電流モードで動作する電流源（３１，３２）を備えるとともに、上記プログラム可能な回路からのデジタル信号を受け、それに基づき、上記所定の電流レベルを有して上記電力半導体デバイスのゲートから出入りする電流を上記電流源を用いて生成し、上記電力半導体デバイスを制御するデジタル制御型増幅器（３０）とを有していることを特徴とする電圧−チャージ制御型の電力半導体デバイスを制御する装置。
2. 上記要素が、上記選択的パラメータの１つとして上記電力半導体デバイスのコレクタ−エミッタ電圧を検出するための、上記電力半導体デバイスのコレクタ及びエミッタへの接続部（１９，２１）を有していることを特徴とする請求項１記載の電圧−チャージ制御型の電力半導体デバイスを制御する装置。
3. 上記要素が、上記選択的パラメータの１つとして上記電力半導体デバイスのゲート−エミッタ電圧を検出するための、上記電力半導体デバイスのゲート及びエミッタへの接続部（２１，２３）を有していることを特徴とする請求項１又は２に記載の電圧−チャージ制御型の電力半導体デバイスを制御する装置。
4. 上記要素が、上記電力半導体デバイスのコレクタに対してメインコレクタ接続部（１９）よりも接近した、上記コレクタへの補助コレクタ接続部（１８）を有しており、
   上記メインコレクタ接続部における寄生インダクタンスが測定要素の接続において除去されるように、上記補助コレクタ接続部（１８）を介して上記電力変換機器の電流伝送経路が上記コレクタに接続されることを特徴とする請求項１−３のいずれか一に記載の電圧−チャージ制御型の電力半導体デバイスを制御する装置。
5. 上記要素が、上記電力半導体デバイスのエミッタに対してメインエミッタ接続部（２１）よりも接近した、上記エミッタへの補助エミッタ接続部（２０）を有しており、
   上記メインエミッタ接続部における寄生インダクタンスが測定要素の接続において除去されるように、上記補助エミッタ接続部（２０）を介して上記電力変換機器の電流伝送経路が上記エミッタに接続されることを特徴とする請求項１−４のいずれか一に記載の電圧−チャージ制御型の電力半導体デバイスを制御する装置。
6. 上記要素が、上記電力半導体デバイスのコレクタ電流が変化したときの上記寄生インダクタンスの帰結として上記補助エミッタ接続部と上記メインエミッタ接続部との間に生成される電圧を検出することで、上記電力半導体デバイスの機能を記述する上記選択的パラメータの１つとして上記コレクタ電流の時間微分係数を間接的に検出することを特徴とする請求項５記載の電圧−チャージ制御型の電力半導体デバイスを制御する装置。
7. 上記要素が、上記各接続部に接続された手段（２４，２５）であって、上記接続部から到来した検出信号を、異なる範囲を備えた複数の信号へ分割し、上記分割された複数の信号を上記比較する手段へ送る手段（２４，２５）を有していることを特徴とする請求項２−６のいずれか一に記載の電圧−チャージ制御型の電力半導体デバイスを制御する装置。
8. 上記プログラム可能な回路（１６）が、該プログラム可能な回路の再構成すなわち該プログラム可能な回路の再プログラミングのための構成部を接続するための接続構成要素（１７）を有していることを特徴とする請求項１−７のいずれか一に記載の電圧−チャージ制御型の電力半導体デバイスを制御する装置。
9. 上記プログラム可能な回路（１６）が、上記電力変換機器の使用開始後に、上記接続構成要素（１７）を介した保護制御機能の変更と、上記基準レベルの調整とを実施可能であることを特徴とする請求項８記載の電圧−チャージ制御型の電力半導体デバイスを制御する装置。
10. 上記プログラム可能な回路（１６）が、上記電力変換機器の上位の制御電子機器との通信用の接続部（１３）を有していることを特徴とする請求項１−９のいずれか一に記載の電圧−チャージ制御型の電力半導体デバイスを制御する装置。
11. 上記装置の機能のために、供給直流電圧（１２）を提供するための要素を有していることを特徴とする請求項１−１０のいずれか一に記載の電圧−チャージ制御型の電力半導体デバイスを制御する装置。
12. 上記装置の異なる部分へ送られる上記供給直流電圧を管理し、その状態を上記プログラム可能な回路（１６）へ知らせる要素（３４）を有していることを特徴とする請求項１１記載の電圧−チャージ制御型の電力半導体デバイスを制御する装置。
13. 上記供給直流電圧が上記装置へ送られない間に、上記電力半導体デバイスを動作させるために必要とされるレベルよりも上記電力半導体デバイスのゲート−エミッタ電圧を低く維持することにより、上記供給直流電圧のドロップアウト時における制御不能なターンオンに対して上記電力半導体デバイスを保護する保護用構成部（３３）を有していることを特徴とする請求項１１記載の電圧−チャージ制御型の電力半導体デバイスを制御する装置。
14. 上記増幅器（３０）が、
    相互に異なる強度の電流を上記電力半導体デバイスのゲートへそれぞれ送る複数の電流源（３１）からなる第１の組と、
    相互に異なる強度の電流を上記電力半導体デバイスのゲートから生成する複数の電流源（３２）からなる第２の組と、
    上記プログラム可能な回路からのデジタル信号に基づき上記電流源を制御し、上記電力半導体デバイスを制御する要素とを有していることを特徴とする請求項１−１３のいずれか一に記載の電圧−チャージ制御型の電力半導体デバイスを制御する装置。
15. 上記プログラム可能な回路（１６）が、複数ビットワードの形式で上記デジタル信号を送り、各ビットが、上記増幅器における電流源（３５，３６）の各々に対応しており、
    異なる上記複数の電流源の電流値がビット加重されていることを特徴とする請求項１４記載の電圧−チャージ制御型の電力半導体デバイスを制御する装置。
16. 上記各電流源が、一対のバイポーラトランジスタ（３５，３６）を有しており、その第１のトランジスタ（３５）のコレクタとエミッタとの間に電圧が印加され、上記第１のトランジスタ（３５）のベースは上記増幅器の入力部に接続され、所定の電圧レベルを備えたデジタル信号を受け、その第２のトランジスタ（３６）のベースは上記第１のトランジスタ（３５）のコレクタに接続され、上記第２のトランジスタ（３６）のコレクタは上記電力半導体デバイスのゲートに接続され、上記ゲートから出入りする電流を生成し、
    上記トランジスタ（３５，３６）の双方は、上記第１のトランジスタのベースでデジタルの「１」又は「０」を受けたか否かに依存して、常に、線形動作範囲にあるか又はオフ状態にあるように接続され、上記第１のトランジスタが上記第２のトランジスタを駆動することを特徴とする請求項１４又は１５に記載の電圧−チャージ制御型の電力半導体デバイスを制御する装置。
17. 上記第１のバイポーラトランジスタのエミッタは、抵抗（４１）を介して０電位に接続され、
    上記第２のバイポーラトランジスタのエミッタは、抵抗（４０）を介して正の電位に接続されていることを特徴とする請求項１６記載の電圧−チャージ制御型の電力半導体デバイスを制御する装置。
18. 上記電流が固定的であるデジタル制御型増幅器（３０）が、上記電力半導体デバイスのターンオン及び導電状態用の抵抗（４３）と、上記電力半導体デバイスのターンオフ及び阻止状態用の抵抗（４４）とを含むことで、上記電力半導体デバイスを制御する非電流固定型終段ステージ（４２）を有していることを特徴とする請求項１−１７のいずれか一に記載の電圧−チャージ制御型の電力半導体デバイスを制御する装置。

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