JP5537908B2 - 超高信頼性パワーエレクトロニクスシステム用の回路及びトポロジー - Google Patents

Description

本発明は、全体的にパワーエレクトロニクスに関し、より具体的には、高信頼性の発電システムを提供するための回路及びシステムトポロジーに関する。

メガワット域のパワーエレクトロニクスシステムは一般に、多数のパワー及び制御構成要素からなる。これらのパワーエレクトロニクスシステムの信頼性を改善するために、通常は耐久性を高めるのではなく冗長概念が利用されてきた。冗長トポロジーの最も普及している例の１つは、サイリスタなどの構成要素のｎ＋１又はそれ以上の直列接続である。この直列接続技術は通常、制御システム自体、特に制御装置とパワー半導体との間のインターフェースは冗長ではないので、冗長性はパワー半導体のみに限定される。

制御システムとパワー半導体間の非冗長性のインターフェース故障のリスクは、標準的な産業用途では許容可能であるが、海底電力変換システムにおいては許容可能ではない。これは、石油及び／又はガス産業での海底設置など、海底電力変換システムにおける信頼性に関する要求が遙かに高いことに起因する。海底電力変換システムにおいて障害が発生した場合に必要な介入は、時間及びコストの点で遙かに要求が厳しい。

例えば、他の用途で一般的に利用されるスペアパーツの使用は経済的ではないので、海底電力変換システムにおいて冗長性は必須である。このような海底用途では、長年の保管後に設置されることになるスペアユニットは、海面下動作条件に厳密に一致させた動作条件の下で試験する必要がある。

システムの信頼性を向上させる１つの選択肢は、追加のパワーエレクトロニクスユニットを設置することである。海面下パワーエレクトロニクスに伴うコストは通常、最高でも海面下電力変換ユニットの総コストの約２０％を占めるだけである。受動素子は、海面下電力変換ユニットのスペースのほとんどを必要とする。適切に設計されている場合には、これらの受動素子が故障する可能性は極めて低い。従って、海用に変更された各海面下変換ユニットにスペアのパワーエレクトロニクス及び制御ユニットを設置することは、魅力的なことである場合が多い。スペアユニットは、動作損失には寄与せず、時折試験すればよく、関連するシステム中断時間を必要とせずに負荷の制御された供給を引き継ぐことができる。上述の解決策が実行可能ではない場合、別の選択肢は、シングルポイント障害のないシステムを設計することである。以上のことを考慮すると、パワーコンバータ／パワーエレクトロニクスシステムに関連するあらゆるシングルポイント障害を排除し、ほとんどの何れかの既知のパワーエレクトロニクストポロジーで利用可能な回路／システムを提供することが有利且つ好都合となる。回路／システムが、既存のＡＣ／ＤＣコンバータトポロジー、ＤＣ／ＡＣコンバータトポロジー、又はＤＣ／ＤＣコンバータトポロジー内で容易に取り付けることができる場合には、更に有利になる。

要約すると、１つの実施形態によれば、パワーエレクトロニクスシステムは、高信頼性スイッチを提供するよう直列に接続され、ボーティングユニットが一体化された対応するゲート駆動ユニットにより各々が駆動される、実質的に同一の複数の半導体スイッチングデバイスと、出力信号の完全セットを生成するよう各々構成された複数の制御ユニットと、
を備え、各出力信号が、単一の半導体スイッチングデバイスのそれぞれ一体化されたボーティング及びゲート駆動ユニットと通信しており、対応する半導体スイッチングデバイスが複数の制御ユニットのボーティング結果によって制御されるようにする。

別の実施形態によれば、パワーエレクトロニクスシステムは、パワーエレクトロニクスの実質的に同じ複数のグループを備え、各グループが対応する制御ユニットによって制御され、１つ又はそれ以上の異なるパワーエレクトロニクスグループの制御ユニットが故障したときに、各制御ユニットがパワーエレクトロニクスの１つ又はそれ以上の異なるグループを同様に制御することができ、パワーエレクトロニクスの各グループが、対応する制御ユニットの故障の後に依然として動作可能であるようにする。

更に別の実施形態によれば、パワーエレクトロニクスシステムは、ゲート駆動ユニット及びボーティングユニットの対応するグループにより各々が制御される、パワースイッチングデバイスの１つ又は複数の実質的に同一のグループと、出力信号の複数のグループを生成するように各々が構成された１つ又は複数の制御ユニットと、を備え、出力信号の各グループが、ゲート駆動ユニット及び対応するボーティングユニットの単一のグループに対応し、パワースイッチングデバイスの各グループが、制御ユニットの各々に関連付けられた出力信号のグループを介して制御されるようにする。

更に別の実施形態によれば、パワーエレクトロニクスシステムは、対応するゲート駆動ユニット及びボーティングユニットに各々が応答する複数のパワーエレクトロニクスサブシステムと、複数の出力信号を生成するように各々が構成された複数の制御ユニットと、を備え、各出力信号が、単一のゲート駆動ユニット及び対応するボーティングユニットに対応し、各サブシステムが、制御ユニットの各々に関連付けられた対応する出力信号を介して制御されるようにする。

更に別の実施形態によれば、パワーエレクトロニクスシステムは、複数の冗長パワーコンバータを選択的に駆動するよう構成された複数のパワーコンバータ駆動制御ユニットを備え、各制御ユニットが、所望のレベルのパワーコンバータ駆動冗長性を提供するよう構成された複数の出力を含み、各パワーコンバータが、少なくとも１つの対応するパワーコンバータ駆動制御ユニットの故障後に依然として動作可能であるようにする。

更に別の実施形態によれば、パワーエレクトロニクスシステムは、複数の冗長海底パワーエレクトロニクスモジュールを選択的に駆動するよう構成された複数の海底パワーエレクトロニクス制御ユニットを含み、各制御ユニットが、所望のレベルの海底パワーエレクトロニクスモジュール冗長性を提供するよう構成された複数の出力を含み、各海底パワーエレクトロニクスモジュールが、少なくとも１つの対応する海底パワーエレクトロニクスモジュール制御ユニットの故障後に依然として動作可能であるようにする。

更に別の実施形態によれば、パワーエレクトロニクスシステムは、海底負荷に電力を選択的に送給するよう構成された複数の冗長海底パワーエレクトロニクスサブシステムを含み、海底パワーエレクトロニクスサブシステムの少なくとも１つに関連する故障又はシャットダウン後に、海底負荷が、少なくとも１つの海底パワーエレクトロニクスサブシステムから電力を引き続き受け取るようにされる。

更に別の実施形態によれば、は、複数の冗長海底パワーエレクトロニクスサブシステムを含み、各サブシステムが、複数の受動デバイス及び複数の実質的に同一の能動デバイスを含み、パワーエレクトロニクスシステムは、海底負荷電力を選択的に送給するよう構成され、少なくとも１つのサブシステムが依然として動作可能である限り、実質的に同一の能動デバイスの１つ又はそれ以上の故障後に、海底負荷が、少なくとも１つの海底パワーエレクトロニクスサブシステムから電力を引き続き受け取るようにされる。

本発明の１つの実施形態による、ハイパワーエレクトロニクスシステム用の回路及びシステムトポロジーを示す図。 シングルポイント障害のない標準的な２レベル位相レッグの例示的な実施形態を示す図。 本発明の更に別の実施形態による、ハイパワーエレクトロニクスシステム用の回路及びシステムトポロジーを示す図。 直列に接続されたデバイスを示すＤＣ／ＤＣコンバータの１つの例示的な実施形態を示す図。 本発明の１つの実施形態による、個々の海底負荷を駆動するＤＣ／ＡＣインバータシステムの簡易代表図。

本発明のこれら及び他の特徴、態様、並びに利点は、図面全体を通じて同様の参照符号が同様の要素を示す添付図面を参照しながら以下の詳細な説明を読むと更に理解できるであろう。上記で認識された図面は特定の実施形態を記載しているが、以下の議論において理解されるように、本発明の別の実施形態もまた企図される。何れの場合においても、本開示は、代表的なものとして本発明の例示的な実施形態を提示しており、限定するものではない。当業者であれば、本発明の技術的範囲及び／又は思想に含まれる他の多くの修正形態及び実施形態が考案することができる。

図１は、多くの異なる実施形態における基本的構成単位として使用される、シングルポイント障害のないハイパワーエレクトロニクスシステム用の回路及びシステムトポロジーを示す。ハイパワーエレクトロニクスシステム１０は、単一スイッチ機能として働き、ほとんど全ての既知のパワーエレクトロニクストポロジーで利用することができる。システム１０は、限定ではないが、スイッチングデバイス１２の１つ又はそれ以上の短絡故障モードを受けて、スイッチが引き続き機能するように所望のレベルのスイッチ冗長性を提供するために直列配列で接続されたパワー半導体など、実質的に同一の複数（ｎ＋１）のハイパワースイッチングデバイスを含む。パワー半導体は、限定ではないが、ＩＧＢＴ、又はＩＧＣＴもしくはサイリスタデバイスとすることができる。

ハイパワーエレクトロニクスシステム１０は、前述の冗長機能をシステム全体にも拡張することによって、所望のレベルの信頼性／可用性を提供する。標準的なゲート駆動ユニットは、出力ゲートを制御するのに使用される単一の入力だけを有するが、ハイパワーエレクトロニクスシステム１０のゲート駆動ユニット１４は各々、対応するボーティングユニット１６を有する。各ボーティングユニット１６は、複数の入力１８を有する。各ボーティングユニット入力は、対応する制御ユニット２０により駆動される。各制御ユニット２０は、１つ又はそれ以上の制御ユニット故障が万一発生した際に、追加のボーティングユニット１６に対する入力を提供するよう構成される。各ボーティングユニットは、例えば、スイッチングデバイス１２のゲート駆動ユニット１４と一体化されるＸＯＲロジックを利用することができる。

ｎ＝３個の制御ユニット２０だけが図示されているが、任意の所望の数ｎの制御ユニット２０、並びに所望の数ｎの制御ユニット２０に対応する必要数の入力で構成された対応するボーティングユニット１８を用いた他の実施形態も容易に利用することができる。

従って、ハイパワーエレクトロニクスシステム１０は、冗長機能をハイパワースイッチングデバイス１２だけでなくシステム１０の他の部分にも拡張する。ゲート駆動ユニット１４及びボーティングユニット１６は、対応するパワー半導体１２により冗長にされ、冗長ゲート駆動制御ユニット２０は、各ボーティングユニット１６に冗長入力信号を提供するよう構成される。

１つの実施形態によれば、対応するボーティングユニット１６に対して何れかの２つ又はそれ以上のボーティング入力１８がオン状態を指示している場合に、特定のハイパワースイッチングデバイス１２がオンになる。従って、図１に示す回路及びシステムトポロジーは、スイッチングデバイス１２並びに全ての対応する制御装置２０及び駆動ユニット１４及びボーティングユニット１６を含めた、あらゆるシングルポイント障害を排除する。

パワーデバイス１２の短絡故障モード機能は、あらゆる故障検出及び／又は隔離機構に対してどのような要件もないので、受動的冗長概念である。システム１０の全体の有効寿命の間、回路には何らかの故障したデバイスが残る。１つの実施形態によれば、ハイパワーエレクトロニクスシステム１０は、海底用途に合わせた海用に設計されている。

図２は、本発明の別の実施形態による、ハイパワーエレクトロニクスシステム３０用の回路及びシステムトポロジーを示している。ハイパワーエレクトロニクスシステム３０は、複数の冗長フロントエンドコントローラ３２を利用する。各フロントエンドコントローラ３２は、複数の出力グループ３４、３６で構成される。出力グループ３４は、対応するボーティング及びゲート駆動ユニットを含む、スイッチングデバイス３８の１つのグループを制御するよう構成される。出力グループ３６は、上述のような対応するボーティング及びゲート駆動ユニットを含む、スイッチングデバイス４０の別のグループを制御するよう構成される。従って、図２に示す回路及びシステムトポロジーは、特定のコントローラ３２が故障するかどうか、又はスイッチングデバイス３８、４０の特定のグループ内で故障が生じるか、もしくは相互接続部４１が故障するか否かにかかわらず、ハイパワーエレクトロニクスシステム３０が動作を継続するように、所望のレベルのデバイス冗長性を提供する。

幾つかの実施形態によれば、ハイパワーエレクトロニクスシステム３０は、図４に示すような海底ＤＣ／ＤＣコンバータ４２内の直列接続のデバイス３８、４０のグループ、或いは、図５で示すような１つ又は複数の負荷６０を供給する1つ又は複数のＤＣ−ＡＣインバータモジュール５８を含む。

図３は、本発明の別の実施形態による、ハイパワーエレクトロニクスシステム５０用の回路及びシステムトポロジーを示す。ハイパワーエレクトロニクスシステム５０は、複数の冗長フロントエンドコントローラ５２を利用する。各フロントエンドコントローラ５２は、複数の出力５４で構成され、各コントローラ出力５４が上述のようなボーティングユニット入力信号を供給する用動作する。従って、図３に示す回路及びシステムトポロジーは、特定のコントローラ３２が故障しているか、又は特定のブリッジ回路５６が故障しているか否かにかかわらず、ハイパワーエレクトロニクスシステム５０が引き続き動作するように、所望のレベルのデバイス冗長性を提供する。１つの実施形態によれば、図３に示す回路及びシステムトポロジーは、１つ又はそれ以上の海底負荷を駆動するインバータシステムを含む。

要約の説明において、他の既知のシステムよりも単純且つ小型の様態で所望のレベルのシステム及び／又はデバイス冗長性を提供する高信頼性のパワーエレクトロニクスシステムを説明してきた。高信頼性のパワーエレクトロニクスシステムは、海底用途において所望のレベルの信頼性を達成するために特に有用であり、この用途では、信頼性が主要な因子であり、ハイパワーエレクトロニクスのコストは通常、システム全体のコストの５％未満に過ぎないため、あまり重要ではない。

高信頼性のパワーエレクトロニクスシステムにおけるデバイスレベルの冗長性は、全て直列に接続されたデバイスのゲート信号が同一であるので、他の既知の応用におけるよりも簡単且つ小型の様態で達成することができる。１つの実施形態でのシステム冗長性は、受動素子が故障する可能性が低く、過重で、且つ過剰なスペースを消費するので、能動素子のみに関連している。

本明細書で説明される原理を用いた海底応用は、例えば、能動素子の冗長性だけを利用することができ、これによりシステムが、障害及び／又はシャットダウンの後に再起動が可能であり、異なる能動素子と同じ受動素子とを用いて動作を継続することができるように遠隔に構成することができるようになる。

上記で説明された特定の実施形態は、デバイス又は制御ユニットの故障の何れの場合においても動作を継続することが可能であるが、冗長トポロジーはまた、本明細書で説明した原理を用いて、サブシステムの故障又はシャットダウンの後に、パワーコンバータなどの完全なサブシステムの動作を継続させることを可能にすることができる。このようなトポロジーは、例えば、故障したサブシステムの電源を切り、能動デバイスの別のセットを利用するが、限定ではないがキャパシタ、インダクタ、変圧器、及び同様のものを含む受動デバイスの同じセットを継続して利用する、冗長サブシステムの動作を可能にすることができる。既存の受動デバイスを継続して使用することで、最小のサイズ及び重量の維持が保証されることになる。

上述の実施形態は、スペアユニット試験要件の維持の必要性を排除するのに特に有用である。スペアユニットは、できる限り海底動作条件に近い動作条件下で試験しなくてはならないので、試験には、制動抵抗と共に発電機に接続された典型的な陸上モータ負荷を必要とすることから、このようなスペアが故障発生時に海浜上に設置されることになるかどうか、或いはこのようなスペアが恒久的に設置される試験ステーションと関連付けられるかどうかに関係なく、追加のスペアを保持するには大変な取り組みを必要とする。

本発明の特定の特徴のみを本明細書で例示し説明してきたが、当業者であれば、多くの変更形態及び変形が想起されるであろう。従って、本発明の真の精神の範囲内にあるこのような変更形態及び変更全ては、添付の請求項によって保護されるものとする点を理解されたい。

１０ ハイパワーエレクトロニクスシステム
１２ 同一のハイパワースイッチングデバイス
１４ ゲート駆動ユニット
１６ ボーティングユニット
１８ 入力
２０ 制御ユニット
３０ ハイパワーエレクトロニクスシステム
３２ 冗長フロントエンドコントローラ
３４ 出力グループ
３６ 出力グループ
３８ スイッチングデバイスのグループ
４０ スイッチングデバイスのグループ
４１ 相互接続部
４２ ＤＣ／ＤＣコンバータ
５０ ハイパワーエレクトロニクスシステム
５２ フロントエンドコントローラ
５４ コントローラ出力
５６ ブリッジ回路
５８ ＤＣ／ＡＣインバータモジュール
６０ 負荷

Claims (3)

1. 直列に接続された実質的に同一の複数の半導体スイッチングデバイスと、
   各々が、対応する前記半導体スイッチングデバイスを駆動信号に応じて駆動する複数のゲート駆動ユニットと、
   各々が、対応する前記ゲート駆動ユニットと一体化された複数のボーティングユニットと、
   各々が、前記複数のボーティングユニットにそれぞれに前記駆動信号を供給する実質的に同一の複数の制御ユニットと、
   を備え、
   前記ボーティングユニットは、前記複数の制御ユニットのそれぞれから供給された複数の前記駆動信号のうち２つの以上がオン状態であるときに、対応する前記半導体スイッチングデバイスをオンにする、
   パワーエレクトロニクスシステム。
2. 前記実質的に同一の複数の半導体スイッチングデバイス、対応する前記ゲート駆動ユニット及び前記ボーティングユニット、並びに前記実質的に同一の複数の制御ユニットが、海底パワーエレクトロニクスシステムとして共に構成される、請求項１に記載のパワーエレクトロニクスシステム。
3. 前記実質的に同一の複数の半導体スイッチングデバイスが、海底ＤＣ／ＤＣコンバータ又は１つ以上のＤＣ−ＡＣインバータモジュール内に一体化されている、請求項１または２に記載のパワーエレクトロニクスシステム。