JP6731543B2 - 電気的なエネルギー蓄積器を放電させる方法 - Google Patents

Description

本発明は、電気的なエネルギー蓄積器を放電させる方法に関する。電気的なエネルギー蓄積器（例えば、電気コンデンサ）には、大きなエネルギー量を蓄積することができる。故障発生時に、これらの大きなエネルギー量を制御することは困難である。というのは、故障発生時に、エネルギーが抑制されないで突然に放出され、その結果、他のエネルギー形態に変化し得るからである。その際に、電気的なエネルギー蓄積器に接続されている電子回路または電子構成要素（例えば、パワー半導体）は、しばしば、これらの放出されるエネルギー量を受け入れて抑制することができない。これによって、故障発生時に、例えば爆発によって、電子回路の完全破壊がもたらされる。更に、電子回路の破壊時には、隣接した設備機器において二次故障が起こり得る。このような二次故障の原因は、例えば、アーク、大きな磁気的な電流力、または上述の爆発に起因した強い汚染にある。

特許文献１から、モジュール型マルチレベルコンバータのサブモジュールのための短絡電流解放装置が知られている。この短絡電流解放装置では、電気コンデンサにサイリスタが並列接続されている。それは、故障発生時に、電気コンデンサの放電電流をサイリスタによって制御してバイパスさせ、電気コンデンサに接続されている電子回路を保護するためである。この公知の短絡電流解放装置は、電子的な評価回路を有しており、この評価回路は、故障の存在を認識し、故障の存在時にはサイリスタのゲート端子にゲート電流を供給し、それによってサイリスタをターンオンさせる（点弧する）。この評価回路を実現するためには付加的な電子構成要素が必要不可欠であり、この電子構成要素は、故障を認識してサイリスタにゲート電流を供給するために、ある程度の時間を必要とする。更に、その評価回路は、保護要素、即ち短絡解放装置の確実性を低下させる。

国際特許出願公開第２０１３／０４４９６１号明細書

本発明の課題は、付加的な評価回路が必要でない、電気的なエネルギー蓄積器を放電させる方法および装置を提供することにある。

この課題は、本発明によれば、独立請求項に記載の方法および装置によって解決される。方法および装置の有利な実施形態は、従属請求項に記載されている。

第１の電気導体および第２の電気導体により電子回路に接続されている電気的なエネルギー蓄積器を放電させる方法であって、エネルギー蓄積器を放電させるためのサイリスタが設けられている方法を開示する。この方法において、
・電子回路において発生した故障に基づいて（特に、電子回路において発生した短絡に基づいて）、エネルギー蓄積器の放電電流が、エネルギー蓄積器から第１の電気導体を介して電子回路へ流れ始め、第２の電気導体を介してエネルギー蓄積器へ戻り、
・その（増大する）放電電流に基づいて、第１の電気導体および第２の電気導体の周りに、時間的に変化する磁界が生成され、その時間的に変化する磁界がサイリスタの半導体材料を貫通し、
・その時間的に変化する磁界によって、サイリスタの半導体材料内に電流（渦電流）が誘導（印加）され、
・（もっぱら）この誘導された電流によって、サイリスタがターンオンされる（それによって、エネルギー蓄積器の放電電流が、ターンオンされたサイリスタを通して流れ、それによって電子回路がバイパスされる）。
従って、ターンオンされたサイリスタは、エネルギー蓄積器の放電電流（エネルギー蓄積器の放電電流の少なくとも一部）を引き受け、即ち、ターンオンされたサイリスタがエネルギー蓄積器の放電電流をバイパスさせる。エネルギー蓄積器は、例えば、コンデンサ形式のエネルギー蓄積器、例えば蓄電器、電池または蓄電池であってよい。誘導された電流は、サイリスタ内においてゲート電流または点弧電流として作用することができる。ゲート電流は、サイリスタのゲート半導体構造を通して流れてサイリスタをターンオンさせる電流である。点弧電流は、サイリスタ内でサイリスタのゲート半導体構造の外側に流れてサイリスタをターンオンさせる電流である。

換言するならば、誘導された電流（渦電流）によってサイリスタがターンオンされる。それによって、エネルギー蓄積器の放電電流が、電子回路を迂回して、ターンオンしたサイリスタを通して流れる。サイリスタは、空間的に第１の電気導体および／または第２の電気導体に隣接して配置されているとよい。

この方法では、（エネルギー蓄積器の増大する放電電流に基づいて生じる）時間的に変化する磁界が、直接的に、サイリスタをターンオンする（即ち、サイリスタを点弧する）ために利用される。そのために、更なる構成要素も、更なる評価回路も、全く必要でない。それによって、この方法は、非常に簡単に安価かつ確実に実現することができる。更に、サイリスタのターンオン時の時間遅れが回避される。（付加的な電子的構成要素が存在する評価回路は、もちろん、このような遅れを必然的に伴う。）従って、このサイリスタは、付加的な評価回路内での付加的な検出用もしくは点弧用の電子装置に基づく付加的なスイッチング遅れ時間なしに自己点弧するサイリスタである（この場合、サイリスタの点弧遅れ時間は変化しないままである。サイリスタの点弧遅れ時間は、一般に、数μｓ、典型的には１〜３μｓである。）。付加的な構成要素および付加的な評価回路が存在しないことに基づいて、付加的な電気的損失も発生しない。特に、（例えば、モジュール型マルチレベルコンバータの場合のように）非常に多くの電気的なエネルギー蓄積器が存在しているパワーエレクトロニクス設備の場合には、それによって電気的損失を、言うに値するほど低減することができる。それによって、設備のエネルギー効率を改善することができる。上述の方法の場合、サイリスタの漏れ電流によって、僅かの電気的損失しか発生しない。この漏れ電流は一般に非常に僅かである。

従って、上述の方法は、付加的な電子構成要素の回避もしくは付加的な電子評価回路の回避に基づいて、大きなコスト節減および故障率（ＦＩＴ値、FIT＝failure in time）の低減を可能にする。存在しない構成要素は故障することはないので、故障発生の確率は、明らかに低減される。

本方法は、磁界の時間的変化が閾値を上回った際に、誘導される電流によってサイリスタがターンオンされるように、経過することができる。この閾値は、第１の電気導体および／または第２の電気導体に対するサイリスタの空間的な配置の選択によって、著しく影響を及ぼされる。サイリスタのターンオンのために十分に強い磁界の時間的変化を発生させるためには、例えば、サイリスタと第１の電気導体または第２の電気導体との間の間隔が大きければ大きいほど、放電電流の時間的変化が一層大きくなければならない。換言するならば、本方法は、放電電流の時間的変化が閾値を上回った際に、誘導される電流によってサイリスタがターンオンされるように、経過することができる。

本方法は、電子回路が、１つのハーフブリッジ回路内に配置されている少なくとも２つの（オン・オフ制御可能な）電子スイッチ素子を有するように、構成することができる（ハーフブリッジ回路は、エネルギー蓄積器に並列接続されている）。この種の電子回路は、例えば、モジュール型マルチレベルコンバータのいわゆるハーフブリッジサブモジュール内に含まれている。

本方法は、電子回路が、前記２つの電子スイッチ素子と、２つの（オン・オフ制御可能な）他の電子スイッチ素子とを有するように、構成することもでき、この場合に、２つの電子スイッチ素子および２つの他の電子スイッチ素子は、１つのフルブリッジ回路に配置されている。このような電子回路は、例えば、モジュール型マルチレベルコンバータのいわゆるフルブリッジサブモジュール内に含まれている。

更に、電子回路と、第１の電気導体と第２の電気導体とにより前記電子回路に接続されている電気的なエネルギー蓄積器と、（故障発生時に）そのエネルギー蓄積器を放電させるためのサイリスタとを有し、前記サイリスタが、次のように、第１の電気導体および／または第２の電気導体に対して空間的に隣接して配置されている、装置を開示する。即ち、 少なくとも１つの電気導体（例えば、第１の電気導体および／または第２の電気導体）を通して流れる前記エネルギー蓄積器の放電電流に基づいて発生して、前記サイリスタの半導体材料を貫通する、時間的に変化する磁界に基づいて、（その磁界の時間的変化が閾値を上回る際に）前記サイリスタの半導体材料内に前記サイリスタをターンオンさせる電流（渦電流）が誘導（印加）されるように、第１の電気導体および／または第２の電気導体に対して空間的に隣接して配置されている。その場合に、エネルギー蓄積器は、例えばコンデンサ形式のエネルギー蓄積器、例えば蓄電器、電池または蓄電池であってよい。誘導される電流は、サイリスタ内においてゲート電流または点弧電流として作用し得る。この装置は、先に方法との関連で述べたのと同じ利点を有する。

本装置は、サイリスタが、第１の電気導体と第２の電気導体との間の中間空間内に配置されているように構成することもできる。この装置の場合に、サイリスタは、第１の電気導体の磁界によっても第２の電気導体の磁界によっても、格別に良好に貫通される。

本装置は、サイリスタのアノードが第１の電気導体に（導電）接続されており、サイリスタのカソードが第２の電気導体に（導電）接続されているように構成することもできる。換言するならば、サイリスタが第１の電気導体と第２の電気導体との間に直接に接続されていてよい。その場合に、２つの接触部位（アノードと第１の電気導体との間の第１の接触部位と、カソードと第２の電気導体との間の第２の接触部位）のみが必要である。

本装置は、サイリスタが、第１の電気導体と第２の電気導体との間に機械的に固定されているように構成することもできる。（第１の電気導体、サイリスタおよび第２の電気導体は保持枠を構成する）。その機械的な固定によって、有利に、第１の電気導体とサイリスタとの間（より厳密に言えば、第１の電気導体とサイリスタのアノードとの間）の良好な電気的接触と、第２の電気導体とサイリスタとの間（より厳密に言えば、第２の電気導体とサイリスタのカソードとの間）の良好な電気的接触とが保証される。

本装置は、サイリスタがディスクセル容器を有するように構成することもできる。ディスクセル容器を有するこの種のサイリスタは、有利に、格別に簡単に第１の電気導体と第２の電気導体との間に機械的に固定することができる。

本装置は、第１の電気導体および／または第２の電気導体が、それぞれ電流レールとして形成されているように構成することもできる。この種の電流レールにより、一方ではエネルギー蓄積器の大きな放電電流も安全に導くことができ、他方では（機械的に安定な）電流レールによりサイリスタを確実に機械的に固定することができる。

本装置は、第１の電気導体および／または第２の電気導体が、それぞれ１つの平らな外面を有し、サイリスタの半導体材料がディスク（ウェハ）を形成し、該ディスクが平らな外面の少なくとも一方に平行に配置されているように構成することもできる。（その場合、特に、第１の電気導体が第１の平らな外面を有し、第２の電気導体が第２の平らな外面を有し、第１の平らな外面が第２の平らな外面に平行に配置されており、サイリスタの半導体材料がディスク（ウェハ）を形成し、該ディスクが第１の平らな外面および第２の平らな外面に対して平行に配置されている。）この種の装置は、有利に、第１の電気導体と第２の電気導体との間の僅かな間隔を可能にする。それによって、第１の電気導体と第２の電気導体との間に、格別に強い磁界を発生させることができる。更に、この種の装置において、時間的に変化する磁界が、サイリスタの半導体材料を格別に良好に貫通するので、サイリスタの半導体材料内に、（例えばゲート電流として作用する）電流が確実に誘導される。

本装置は、サイリスタがエネルギー蓄積器に低インダクタンスで結合されているように構成することもできる（その場合に、エネルギー蓄積器とサイリスタとの間の電気的な接続が、エネルギー蓄積器と電子回路との間の電気的な接続よりも小さい電気的なインダクタンスを有する。）。その場合に、サイリスタのターンオン後に、エネルギー蓄積器の放電電流がサイリスタを通して流れ、電子回路を通しては流れない（または、非常にわずかな範囲でしか流れない）。

本装置は、サイリスタがエネルギー蓄積器に並列接続されているように構成することもできる。これは、サイリスタを格別に密接してエネルギー蓄積器に配置することを可能にし、それによって、エネルギー蓄積器とサイリスタとの間において、格別に低インダクタンスの電気的接続が可能である。

本装置は、電子回路が、１つのハーフブリッジ回路内に配置された少なくとも２つの（オン・オフ制御可能な）電子スイッチ素子を有するように、構成することもできる（その場合に、ハーフブリッジ回路は、エネルギー蓄積器に並列接続されている）。この種の電子回路は、例えば、モジュール型マルチレベルコンバータのいわゆるハーフブリッジサブモジュール内に含まれている。

本装置は、電子回路が、前記２つの電子スイッチ素子と、２つの他の（オン・オフ制御可能な）スイッチ素子とを有するように、構成することもでき、その場合に、２つの電子スイッチ素子および２つの他のスイッチ素子は、１つのフルブリッジ回路内に配置されている。この種の電子回路は、例えばモジュール型マルチレベルコンバータのいわゆるフルブリッジサブモジュール内に含まれている。

上述の変形態様の１つによる装置を有するモジュール型マルチレベルコンバータの１つのモジュールを開示する。

更に、多数のこの種のモジュールを有するモジュール型マルチレベルコンバータを開示する。

上述の方法および上述の装置は同じもしくは同様の利点を有する。

以下において、本発明を実施例に基づいて更に詳細に説明する。同じ符号は、同じ要素または同じ作用をする要素を指す。

図１は多数のモジュールを有する電力変換装置の実施例を示す図である。 図２は１つのモジュールの実施例を示す図である。 図３は１つのモジュールの他の実施例を示す図である。 図４は高電圧直流送電設備の実施例を示す図である。 図５は無効電力補償装置の実施例を示す図である。 図６は１つのサイリスタを有するモジュールの実施例を示す図である。 図７は１つのサイリスタを有するモジュールの他の実施例を示す図である。 図８は実装されたサイリスタの実施例を示す平面図である。 図９は実装されたサイリスタの実施例を示す側面図である。 図１０は磁界内のサイリスタの半導体材料を例示する図である。 図１１は方法経過を例示する図である。

図１には、電力変換装置１が、モジュール型マルチレベルコンバータ１（modular multilevel converter，ＭＭＣ）の形で示されている。このマルチレベルコンバータ１は、第１の交流電圧端子５、第２の交流電圧端子７および第３の交流電圧端子９を有する。第１の交流電圧端子５は、第１の相モジュールアーム１１と、第２の相モジュールアーム１３とに、電気的に接続されている。第１の相モジュールアーム１１および第２の相モジュールアーム１３は、電力変換装置１の第１の相モジュール１５を構成する。第１の交流電圧端子５と反対の方を向いている相モジュールアーム１１の端部は、第１の直流電圧端子１６に電気的に接続されている。第１の交流電圧端子５と反対の方を向いている第２の相モジュールアーム１３の端部は、第２の直流電圧端子１７に電気的に接続されている。第１の直流電圧端子１６は正の直流電圧端子であり、第２の直流電圧端子１７は負の直流電圧端子である。

第２の交流電圧端子７は、第３の相モジュールアーム１８の一端と、第４の相モジュールアーム２１の一端とに、電気的に接続されている。第３の相モジュールアーム１８と、第４の相モジュールアーム２１とは、第２の相モジュール２４を構成している。第３の交流電圧端子９は、第５の相モジュールアーム２７の一端と、第６の相モジュールアーム２９の一端とに、電気的に接続されている。第５の相モジュールアーム２７と、第６の相モジュールアーム２９とは、第３の相モジュール３１を構成している。

第２の交流電圧端子７と反対の方を向いている第３の相モジュールアーム１８の端部と、第３の交流電圧端子９と反対の方を向いている第５の相モジュールアーム２７の端部とは、第１の直流電圧端子１６に電気的に接続されている。第２の交流電圧端子７と反対の方を向いている第４の相モジュールアーム２１の端部と、第３の交流電圧端子９と反対の方を向いている第６の相モジュールアーム２９の端部とは、第２の直流電圧端子１７に電気的に接続されている。

各相モジュールアームは、複数のモジュール１＿１，１＿２，１＿３，１＿４，…，１＿１ｎ；２＿１，…，２＿ｎ；…など）を有し、これらのモジュールは（それらのガルバニック電流接続により）電気的に直列接続されている。このようなモジュールは、サブモジュールとも呼ばれる。図１の実施例においては、それぞれの相モジュールアームがｎ個のモジュールを有する。それらのガルバニック電流接続により電気的に直列接続されているモジュールの個数は非常にさまざまであってよく、少なくとも３個のモジュールが直列接続されているとよい。しかし、例えば、５０、１００またはそれよりも多数のモジュールを電気的に直列接続することができる。本実施例においては、ｎ＝３６である。従って、第１の相モジュールアーム１１は、３６個のモジュール１＿１，１＿２，１＿３，…，１＿３６を有する。他の相モジュールアーム１３，１８，２１，２７および２９も同様に構成されている。

図１の左の範囲に、モジュール１＿１〜６＿ｎのための制御装置３５が示されている。この中央の制御装置３５から、光情報が光学的な通信リンクを介して（例えば、光ファイバケーブルを介して）個々のモジュールへ伝送される。その制御装置と１つのモジュールとの間の情報伝送が、象徴的に、それぞれ１つの線３７によって示されている。その情報伝送の方向は、線３７の矢印によって象徴的に表されている。これは、モジュール１＿１，１＿４および４＿５の例で示されている。その他のモジュールへは、同じような方法で、情報が送信され、または、これらのモジュールによって情報が受信される。例えば、制御装置３５は、個々のモジュールに、それぞれ１つの、各モジュールが供給すべき出力電圧の高さに対する目標値を送信する。

図２には、１つのモジュール２０１の構造が例示されている。このモジュールは、例えば、第１の相モジュールアーム１１のモジュール１＿１であってよい（または、図１に示されている他のモジュールの１つであってもよい）。そのモジュールはハーフブリッジモジュール２０１として構成されている。モジュール２０１は、第１の逆並列接続されたダイオード２０４を備えた第１のオン・オフ制御可能な電子スイッチ素子２０２（オン・オフ制御可能なスイッチ素子２０２）を有する。更に、モジュール２０１は、第２の逆並列接続されたダイオード２０８を備えた第２のオン・オフ制御可能な電子スイッチ素子２０６（オン・オフ制御可能なスイッチ素子２０６）と、コンデンサ２１０の形での電気的なエネルギー蓄積器２１０とを有する。第１の電子スイッチ素子２０２および第２の電子スイッチ素子２０６は、それぞれＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）として構成されている。第１の電子スイッチ素子２０２は、第２の電子スイッチ素子２０６に電気的に直列接続されている。両電子スイッチ素子２０２および２０６の間の接続点に、第１のガルバニックモジュール接続部２１２が配置されている。その接続点とは反対側にある第２の電子スイッチ素子２０６の端子には、第２のガルバニックモジュール接続部２１５が配置されている。更に、第２のモジュール端子２１５は、エネルギー蓄積器２１０の第１の端子に接続されている。エネルギー蓄積器２１０の第２の端子は、前記接続点と反対側にある第１のスイッチ素子２０２の端子に電気的に接続されている。

従って、エネルギー蓄積器２１０は、第１のスイッチ素子２０２と第２のスイッチ素子２０６とからなる直列回路に対して電気的に並列に接続されている。第１のスイッチ素子２０２と第２のスイッチ素子２０６とを適切に駆動制御することによって、次のことを、即ち、第１のガルバニックモジュール接続部２１２と第２のガルバニックモジュール接続部２１５との間において、エネルギー蓄積器２１０の電圧が出力され、または全く電圧が出力されない（即ち、零電圧が出力される）ことを、達成することができる。従って、個々の相モジュールアームの複数のモジュールの協働によって、その都度所望される電力変換装置の出力電圧を発生させることができる。

図３には、モジュール型マルチレベルコンバータ１の１つのモジュール３０１の他の実施例が示されている。このモジュール３０１は、例えばモジュール１＿２であってよい（または図１に示されている他のモジュールの１つであってもよい。図２から既知の第１のスイッチ素子２０２、第２のスイッチ素子２０６、第１のダイオード２０４、第２のダイオード２０８およびエネルギー蓄積器２１０のはかに、図３に示されているモジュール３０１は、逆並列接続された第３のダイオード３０４を備えた第３のオンおよびオフ制御可能な電子スイッチ素子３０２と、逆並列接続された第４のダイオード３０８を備えた第４のオン・オフ制御可能な電子スイッチ素子３０６とを有する。第３のオン・オフ制御可能なスイッチ素子３０２および第４のオン・オフ制御可能なスイッチ素子３０６は、それぞれ、ＩＧＢＴとして構成されている。図２の回路と違って、第２のガルバニックモジュール接続部３１５が、第２のスイッチ素子２０６に電気的に接続されずに、第３のスイッチ素子３０２と第４のスイッチ素子３０６とからなる電気的な直列回路の中間点に、電気的に接続されている

図３のモジュール３０１は、いわゆるフルブリッジモジュール３０１である。このフルブリッジモジュール３０１は、４つのスイッチ素子を相応に駆動制御する場合に、第１のガルバニックモジュール接続部２１２と第２のガルバニックモジュール接続部３１５との間において、エネルギー蓄積器２１０の正の電圧、またはエネルギー蓄積器２１０の負の電圧、または値零の電圧（零電圧）のどれか一つを選択的に出力することができるという特徴を有する。従って、フルブリッジモジュール３０１により、出力電圧の極性を逆にすることができる。電力変換装置１は、ハーフブリッジモジュール２０１のみを有するか、フルブリッジモジュール３０１のみを有するか、ハーフブリッジモジュール２０１およびフルブリッジモジュール３０１の両方を有するか、そのいずれであってもよい。第１のガルバニックモジュール接続部２１２および第２のガルバニックモジュール接続部２１５，３１５を介して、電力変換装置の大きな電流が流れる。

図４は、高電圧直流送電設備４０１の実施例を概略的に示している。この高電圧直流送電設備４０１は、図１に示されているような電力変換装置１を２つ有する。両電力変換装置１は、直流側で高電圧直流接続部４０５を介して電気的に互いに接続されている。電力変換装置１の正側の両直流電圧端子１６は、第１の高電圧直流線４０５ａにより、電気的に互いに接続されている。両電力変換装置１の負側の両直流電圧端子１７は、第２の高電圧直流線４０５ｂにより、電気的に互いに接続されている。この種の高電圧直流送電設備４０１により、電気エネルギーを長距離に亘って伝送することができる。高電圧直流接続部４０５は相応の距離を有する。

図５は、無効電力補償装置５０１として用いられる電力変換装置５０１の実施例を示している。この電力変換装置５０１は、単に３つの相モジュールアーム１１，１８，２７を有するだけであり、相モジュールアーム１１，１８，２７は、その電力変換装置の３つの相モジュール５０５，５０７，５０９を構成している。相モジュール５０５，５０７，５０９の個数は、電力変換装置５０１が接続されている交流電圧系統５１１の相数に対応する。

３つの相モジュールアーム１１，１８，２７は、互いに三角結線されている。（３つの相モジュール５０５，５０７，５０９は、他の実施例において、三角結線の代わりに星形結線にて接続してもよい。その場合には、３つの相モジュールアームの中性点とは反対側の端部は、それぞれ、３相交流電圧系統５１１の相線路５１５，５１７，５１９に電気的に接続される。）電力変換装置５０１は交流電圧系統に無効電力を供給し、または無効電力を交流電圧系統から取り出すことができる。

図６は、電気エネルギー蓄積器２１０を備えた装置６０２を示す。エネルギー蓄積器２１０は、この実施例では、電気コンデンサ２１０であり、より厳密に言えば、単極の電気コンデンサ（正側コンデンサ端子（＋）および負側コンデンサ端子（−）を有する）である。しかし、エネルギー蓄積器２１０は、他の実施例においては、異なるタイプのコンデンサ、電池または蓄電池であってよい。装置６０２は、例えばモジュール１＿２であってよい（または、図１に示された他のモジュールであってもよい）。装置６０２は、図２に示されたモジュール２０１の基本的な構成を示す。

電気エネルギー蓄積器２１０は、第１の電気導体６０６（第１の電気接続部６０６）および第２の電気導体６０８（第２の電気接続部６０８）により、電子回路６１２（パワーエレクトロニクス回路６１２）に接続されている。第１の電気導体６０６は正側の電気導体であり、第２の電気導体６０８は負側の電気導体である。

電子回路６１２は、第１の電子スイッチ素子２０２と、第２の電子スイッチ素子２０６と、第１の逆並列接続されたダイオード２０４と、第２の逆並列接続されたダイオード２０８とを有し、これらは図２から既知である。更に、装置６０２は、電気エネルギー蓄積器２１０に並列接続されているサイリスタ６１６を有する。サイリスタのアノード６２０（アノード端子６２０）は、第１の電気導体６０６に電気的に接続されている。サイリスタのカソード６２２（カソード端子６２２）は、第２の電気導体６０８に電気的に接続されている。サイリスタのゲート６２４（ゲート端子６２４）は、この実施例では、無接続である。換言するならば、このゲート６２４はオープン状態にあり、即ち、他の構成要素とは接続されていない。サイリスタ６１６は、故障発生時に、電気エネルギー蓄積器２１０の放電電流６３０を導く保護用サイリスタ６１６である。サイリスタ６１６は、故障発生時に、電子回路６１２のバイパス路となって、電気エネルギー蓄積器２１０の放電電流６３０を通し、それにより、電気エネルギー蓄積器２１０の（一般に非常に大きい）放電電流から電子回路６１２を保護する。このようなサイリスタは、クローバーサイリスタ（Ｃｒｏｗｂａｒ−Ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ）とも呼ばれる。その放電電流６３０は、短絡状の放電電流６３０または短絡電流６３０とも呼ぶ。

装置６０２においては、故障発生時に、次の処理過程が進行する。出発点として、電気エネルギー蓄積器２１０が充電されているものとする。サイリスタ６１６はオフ状態にあり（点弧されていなく）、即ち、サイリスタ６１６は電流の流れを阻止している。その後に、電子回路６１２において、故障が発生する。例えば、（望ましくないことであるが）第１の電子スイッチ素子２０２と第２の電子スイッチ素子２０６とが同時に導電状態になる（第１の電子スイッチ素子２０２と第２のスイッチ素子２０６とにより形成されているハーフブリッジ内でいわゆるブリッジ短絡が発生する）。それによって電気エネルギー蓄積器２１０が短絡され、放電電流６３０が突然流れ始める。

放電電流６３０は、先ずエネルギー蓄積器２１０から出発し、第１の電気導体６０６を介して電子回路６１２へ流れる。そこでは、放電電流６３０は、第１の電子スイッチ素子２０２および第２の電子スイッチ素子２０６を介して流れる。その後、放電電流６３０は、第２の電気導体６０８を介してエネルギー蓄積器２１０へ戻る。その際に、第１の電気導体６０６における放電電流と、第２の電気導体６０８における放電電流とは、いずれの場合にも反対の方向を有する。放電電流６３０は、第１の電気導体と、第２の電気導体と、電子回路６１２とにおいて発生する浮遊容量およびオーム抵抗だけによって制限される。従って、放電電流６３０は比較的急速に増大する。

（増大する）放電電流６３０に基づいて、第１の電気導体６０６の周りに、時間的に変化する磁界が発生する。放電電流６３０に基づいて、第２の電気導体６０８の周りにも、時間的に変化する磁界が発生する。これらの両磁界は重なり合い、両磁界はサイリスタ６１６、従ってサイリスタ６１６の半導体材料を貫通する。即ち、そのサイリスタは、空間的に、第１の電気導体および第２の電気導体に隣接して配置されている。（サイリスタ６１６は、サイリスタ６１６を貫通する磁界を妨げないか、または少ししか妨げない耐磁性材料からなる外側容器を有する。）

時間的に変化する磁界によって、サイリスタの半導体材料中に、電流、例えば渦電流が誘導される。この電流は、ゲート電流（内部ゲート電流）または点弧電流として作用し、サイリスタ６１６のターンオン（即ち、サイリスタ６１６の点弧）を生じさせる。サイリスタ６１６のターンオンに基づいて、今や、放電電流６３０が、もはや電子回路６１２を介しないで、サイリスタ６１６を介して流れる。より厳密に言えば、今や、放電電流６３０は、エネルギー蓄積器２１０から第１の電気導体６０６の一部を介してサイリスタのアノード６２０へ流れ、そしてサイリスタのカソード６２２から第２の電気導体６０８を介してエネルギー蓄積器２１０へ戻る。放電電流６３０はサイリスタ６１６を介して流れる。その理由は、サイリスタ６１６がエネルギー蓄積器２１０に電気的に低インダクタンスで接続されているからである。即ち、サイリスタ６１６とエネルギー蓄積器２１０との間の電気的な接続は、エネルギー蓄積器２１０を電子回路６１２に接続する第１の電気導体６０６および第２の電気導体６０８よりも少ない電気誘導性を有する。

従って、サイリスタ６１６は誘導電流（渦電流）によってターンオンされる。この場合に、ゲート６２４は無接続の状態にある。ゲート６２４は、サイリスタから引き出す必要が全くない。サイリスタは、特に、磁界の時間的変化が或る閾値を上回ったときに初めて、誘導電流（ゲート電流）によってターンオンされる。その際に、サイリスタの半導体材料の所定位置での磁界の時間的変化が極めて重要である。サイリスタの半導体材料では、第１の電気導体６０６および／または第２の電気導体６０８の非常に近くにサイリスタを配置するならば、磁界の格別に大きな時間的変化を実現することができる。磁界の大きな時間的変化は、第１の電気導体６０６と第２の電気導体６０８との間の間隔を小さくして、第１の電気導体６０６と第２の電気導体６０８との間の中間空間６３５にサイリスタ６１６を配置することによっても実現することができる。換言するならば、（第１の電気導体６０６および／または第２の電気導体６０８における）放電電流の時間的変化が或る閾値を上回ったとき、誘導される電流（ゲート電流または点弧電流）によってサイリスタがターンオンされる。この閾値は、例えば５〜５０ｋＡ／μｓの値である。

サイリスタ６１６を通して流れる放電電流６３０によって、サイリスタ６１６は、熱的に過負荷となり、それによって破壊される。従って、サイリスタは、故障発生時に、電子回路６１２を放電電流６３０から保護するための犠牲要素としての働きをする。それ故、故障の発生後に（即ち、サイリスタ６１６を介する放電電流６３０の放出後に）、サイリスタ６１６は交換されなければならない。特に、サイリスタ６１６は、いわゆるコンダクトオンフェイル（Conduct-on-fail）特性を有する。即ち、故障発生時に（また、過負荷による破壊時にも）、サイリスタ６１６は、導電性を有したままであり、従って、放電電流６３０を減衰まで導くことができる。コンダクトオンフェイル特性を有するこのようなサイリスタは、商業的に入手可能である。

無接続の（または、それどころかサイリスタから引き出すことすら全くされていない）ゲートの代替として、ゲート６２４が、零に等しくない一定のインピーダンスによって終端されていてもよい。しかし、他の選択肢として、ゲートに、次の駆動制御ユニットが接続されていてもよい。即ち、放電のない故障時に（つまり、エネルギー蓄積器２１０の放電もしくはエネルギー蓄積器の短絡状の放電電流６３０を伴わない故障の際に）、サイリスタのゲート６２４にゲート電流を供給する駆動制御ユニットである。この種の放電のない故障は、例えばエネルギー蓄積器２１０の過充電であり得る。このことは、確かに、直接的には短絡状の放電電流６３０をもたらさないが、しかし、それでもやはり防止されなければならない。

図７には、装置７０２の他の実施例が示されている。装置７０２は、例えばモジュール１＿２であってよい（または図１に示されている他のモジュールの１つであってもよい）。装置７０２は、図３に示されているモジュール３０１の基本構成を有する。

装置７０２は、図６の装置６０２とは、装置７０２が電子回路６１２とは異なる電子回路７１２を有することだけが異なる。電子回路７１２は、付加的に、第３の逆並列接続されたダイオード３０４を備えた第３の電子スイッチ素子３０２と、第４の逆並列接続されたダイオード３０８を備えた第４の電子スイッチ素子３０６とを有する。第１の電子スイッチ素子２０２と、第２のスイッチ素子２０６と、第３のスイッチ素子３０２と、第４のスイッチ素子３０６とは、フルブリッジ回路に接続されている。電子回路７１２では、例えば、第３の電子スイッチ素子３０２と第４の電子スイッチ素子３０６とが同時に導電させられる故障が発生し得る。第３のスイッチ素子３０２と第４のスイッチ素子３０６とによって、エネルギー蓄積器２１０が電気的に短絡され、放電電流６３０がエネルギー蓄積器２１０から電子回路７１２へ流れ始める。このプロセスの更なる経過は、図６との関連で説明したプロセスに対応する。

図８には、第１の電気導体６０６と第２の電気導体６０８との間のサイリスタ６１６の装置８０２が示されている。第１の電気導体６０６および第２の電気導体６０８は、ここでは第１の電流レール６０６および第２の電流レール６０８として構成されている。第１の電流レール６０６および第２の電流レール６０８は、それぞれ扁平な外形を有する。図８の左側部分には、電子回路６１２がブロック６１２として示されている。図８の右側部分には、エネルギー蓄積器２１０が概略的にブロック２１０として示されている。電子回路６１２の代わりに、電子回路７１２も使用することができる。

第１の電気導体６０６（第１の電流レール６０６）は、エネルギー蓄積器２１０を電子回路６１２に接続する。第２の電気導体６０８（第２の電流レール６０８）は、エネルギー蓄積器２１０を電子回路６１２に接続する。第１の電気導体６０６と第２の電気導体６０８との間に、サイリスタ６１６が機械的に固定されている。従って、サイリスタ６１６は、第１の電気導体６０６と第２の電気導体６０８との間の中間空間６３５内にある。サイリスタ６１６のアノード６２０は第１の電気導体６０６に接しており、サイリスタ６１６のカソード６２２は第２の電気導体６０８に接している。その固定は、締め付け装置８０６により実現されている。この締め付け装置８０６は、本実施例では、それぞれ１つのナットにより、第１の電気導体６０６、サイリスタ６１６および第２の電気導体６０８を固定する２つのボルトを有する。第１の電気導体６０６、サイリスタ６１６および第２の電気導体６０８は、保持枠を構成している。この保持枠もしくは機械的な固定部は、第１の電気導体６０６とサイリスタ６１６との間の良好な電気接触と、第２の電気導体６０８とサイリスタ６１６との間の良好な電気接触とを生じさせる。更に、本装置は、固定部もしくは保持枠に基づいて機械的に非常に安定であるので、本装置は、大きな放電電流に基づいて作用する電流力を確実に吸収することができる。

サイリスタ６１６の構造高さが、第１の電気導体６０６と第２の電気導体６０８との間の間隔にほぼ対応することを良好に認識することができる。アノード６２０およびカソード６２２は、それぞれサイリスタ６１６の締め付け面を成している。磁束密度Ｂの磁力線は、サイリスタ６１６の締め付け面に平行に経過する（図８には示されていない；図１０参照）。電界（Ｅ場）は、磁束密度Ｂの場に垂直であるが、図示されていない。例えば、非常に急峻に０から約２０ｋＡに増大する放電電流６３０により、サイリスタ６１６はターンオンすることができ、即ち、約２０ｋＡよりも大きい最大値を有し、非常に短い時間（１μｓ〜２μｓ以下）でその最大値に増大する放電電流は、サイリスタ６１６のターンオンをもたらす。

サイリスタ６１６は、図８の実施例において、ディスクセルの形を有する。サイリスタ６１６はディスクセル容器を有する。換言するならば、サイリスタはディスク状の構造を有し、底面がカソード、上面がアノードをなしている。このようなディスクセル状のサイリスタを用いて、特に機械的に安定な保持枠を実現することができる。図８の表示は、更に、サイリスタのゲート６２４が無接続であることを示している。図８の表示と違って、ゲート６２４は、サイリスタ６１６の容器８１０から引き出すことすらする必要がない。その理由は、そのゲートが無接続であるからである。

図９は、図８による装置８０２を側面図で示す。ここでは、ディスクセル状のサイリスタ６１６の周囲が破線により示されている。

図１０は、図８の表示と同様に、装置８０２を平面図で示す。しかし、図１０では、締め付け装置８０６、サイリスタ６１６の容器、アノードと第１の電気導体との間の電気的な接続部、カソードと第２の電気導体との間の電気的な接続部が省略されている。サイリスタ６１６の半導体材料１００６だけが示されている。この半導体材料１００６は、１つのディスク１００６（ディスク状の半導体材料１００６、半導体材料ディスク１００６）をなしている。ディスク１００６は断面図で示されている。側面図においては、ディスク１００６は、図９においてサイリスタの周囲が有するのと同様の円形輪郭を有する。半導体材料１００６は、図を見やすくする理由から過度に厚く示されている。この半導体材料１００６における重要な半導体構造（特に、シリコン構造）は、非常に薄い、例えば数百μｍの厚みしかない場合が多い。

更に、第１の電気導体６０６と第２の電気導体６０８との間の中間空間６３５内に形成された磁界１０１０の磁力線（磁束密度Ｂの磁力線１０１０）が示されている。磁界の磁力線１０１０は、図平面から出てきて観察者の方を向いている。観察者は、いわば、前方から磁力線先端に目を向けている。第１の電気導体６０６および第２の電気導体６０８は板状であるので、第１の電気導体６０６と第２の電気導体６０８との間の中間空間６３５内では、平行な磁力線１０１０が形成される。磁力線１０１０は、サイリスタの半導体材料１００６を貫通する。時間的に変化する磁界１０１０に基づいて、半導体材料１００６内で電圧１０１６が誘起され、その電圧は、サイリスタの半導体材料１００６内に、電流１０１８（渦電流１０１８）の流れを生じさせる。電圧１０１６および電流１０１８は、ここでは概略的にのみ示している。誘導電流１０１８は、サイリスタのゲート電流１０１８またはサイリスタの点弧電流として作用し、サイリスタ６１６をターンオンさせる（即ち、電流１０１８はサイリスタ６１６を点弧する）。

第１の電気導体６０６は、第１の平らな外面１０２４を有する。第２の電気導体６０８は、第２の平らな外面１０２６を有する。第１の平らな外面１０２４および第２の平らな外面１０２６は、互いに平行に配置されている。サイリスタ６１６のディスク状の半導体材料１００６は、第１の外面１０２４に対して平行に配置され、また同様に第２の外面１０２６に対して平行に配置されている。半導体材料１００６のこの配置は、装置８０２のコンパクトで機械的に安定な構造を可能にする。更に、（それによって可能な、第１の電気導体６０６と第２の電気導体６０８との間の僅かな間隔によって）半導体材料１００６の位置における磁界の大きな時間的変化が生じる。

換言するならば、ディスク１００６（サイリスタのシリコンウェハ１００６）は、導電材料である。ディスクが時間的に変化する磁界１０１０により貫通されるや否や、ディスクの面内に電流１０１８（特に、渦電流）が生成される。この電流は、サイリスタ６１６が点弧すること、即ちターンオンされることをもたらす。流れる短絡状の放電電流６３０が大きくなればなるほど、それによって生成される磁束密度Ｂがますます大きくなる。

図１１は、もう一度、エネルギー蓄積器２１０を放電させる方法をフローチャートにより示す。この方法の出発点においては、エネルギー蓄積器が充電されており、サイリスタがターンオフ状態（阻止状態）にある。

方法ステップ１１０２：
電子回路６１２における故障発生後に、エネルギー蓄積器２１０の放電電流が流れ始める。放電電流６３０がエネルギー蓄積器２１０から第１の電気導体６０６を介して電子回路６１２へ流れ、第２の電気導体６０８を介してエネルギー蓄積器２１０へ戻る。

方法ステップ１１０４：
増大する放電電流６３０に基づいて、第１の電気導体６０６および／または第２の電気導体６０８の周りに時間的に変化する磁界１０１０が発生し、半導体材料１００６が磁界１０１０によって貫通される。

方法ステップ１１０６：
時間的に変化する磁界１０１０によって、サイリスタ６１６の半導体材料１００６において電流が誘導される。電流１０１８がサイリスタのゲート電流または点弧電流として作用する。

方法ステップ１１０８：
誘導された電流１０１８によってサイリスタ６１６がターンオンする。それに従って、エネルギー蓄積器２１０の放電電流６３０が、サイリスタ６１６を通して流れ、それによって電子回路６１２をバイパスする。

方法ステップ１１１０：
エネルギー蓄積器２１０の放電の増大にともなって放電電流６３０が減衰する。

サイリスタに結合される磁界（より詳しく言うならば、サイリスタに結合される磁束密度Ｂ）が、サイリスタ全体を貫通し、サイリスタの薄い半導体構造／半導体材料内に誘導電流（渦電流）を発生させる方法および装置について説明した。この電流は、磁界の時間的変化（ｄＢ／ｄｔ）の閾値以上において、半導体材料内でゲート電流（または点弧電流）を流し、それによって（外部の電子評価回路からの外部ゲート電流を必要とすることなしに）サイリスタをターンオンさせるのに十分である。従って、ゲートの外部制御は必要でなく、サイリスタが損傷していないかぎり、故障認識／短絡認識がサイリスタに内在して機能する。これは大きな利点である。なぜならば、評価回路の機能検査が、大容量のエネルギー蓄積器の場合、現実面では困難で高価であるからである。特に、本装置および本方法は、低い故障率（ＦＩＴ−Ｒａｔｅ）を有し、この故障率はサイリスタの故障率にほぼ相当する。この故障率は、サイリスタの場合、非常に低い。

上述の装置および上述の方法においては、エネルギー蓄積器の短絡状の放電電流６３０が、サイリスタの遅れのない点弧のために利用され、そのために、結果として時間遅れをもたらしたであろう検出回路もしくは評価回路が必要とされることはない。１つのサイリスタのみによる技術的実現は、極めて簡単で安価である。サイリスタの点弧時には、当該サイリスタは、（エネルギー蓄積器の制圧すべきエネルギーの大きさに応じて）破壊され、場合によっては後でのメンテナンス時に交換されなければならない。そのサイリスタに対しては、比較的簡単なダイオードディスクセル容器が使用される。というのは、ゲート端子６２４を必要とせず、従って容器から引き出す必要もないからである。

上述の装置および上述の方法においては、言うに値するほどの熱損失は発生せず、このことは、通常運転時にも導通損失またはスイッチング損失を発生する保護要素に比べて、エネルギー効率を明らかに改善する。それによって、多数の上述の装置を有する設備（例えば、高電圧直流送電設備）の電気的損失が僅かに保たれ、これによって著しいコスト節減がもたらされる。

電気的なエネルギー蓄積器を、特に短絡時に安全かつ確実に放電させることができる、装置および方法を説明した。有利なことに、そのために１つのサイリスタ以外に、更なる構成要素を必要としない。このことは、エネルギー蓄積器の放電電流からの電子回路の極めて簡単かつ確実な保護を可能にする。

１ 電力変換装置（マルチレベルコンバータ）
１＿１〜６＿ｎ モジュール
２０２ 第１のスイッチ素子
２０６ 第２のスイッチ素子
２１０ 電気的なエネルギー蓄積器
３０２ 第３のスイッチ素子
３０６ 第４のスイッチ素子
６０６ 第１の電気導体
６０８ 第２の電気導体
６０２ 装置
６１２ 電子回路
６１６ サイリスタ
６２０ アノード
６２２ カソード
６３０ 放電電流
７０２ 装置
７１２ 電子回路
８１０ ディスクセル容器
１００６ サイリスタの半導体材料
１０１０ 時間的に変化する磁界
１０１８ 誘導電流

Claims (16)

1. 第１の電気導体（６０６）および第２の電気導体（６０８）により電子回路（６１２）に接続されている電気的なエネルギー蓄積器（２１０）を放電させる方法であって、前記エネルギー蓄積器（２１０）を放電させるためのサイリスタ（６１６）が設けられている方法において、
   前記電子回路（６１２）において発生した故障に基づいて、前記エネルギー蓄積器（２１０）の放電電流（６３０）が、前記エネルギー蓄積器（２１０）から前記第１の電気導体（６０６）を介して前記電子回路（６１２）へ流れ始め、前記第２の電気導体（６０８）を介して前記エネルギー蓄積器（２１０）へ戻り、
   前記放電電流（６３０）に基づいて、前記第１の電気導体（６０６）および前記第２の電気導体（６０８）の周りに、時間的に変化する磁界（１０１０）が生成され、前記時間的に変化する磁界（１０１０）が前記サイリスタ（６１６）の半導体材料（１００６）を貫通し、
   前記時間的に変化する磁界（１０１０）によって、前記サイリスタの半導体材料（１００６）内に電流（１０１８）が誘導され、
   その誘導された電流（１０１８）によって前記サイリスタ（６１６）がターンオンされる、方法。
2. 前記電子回路（６１２）が、１つのハーフブリッジ回路内に配置されている少なくとも２つの電子スイッチ素子（２０２，２０６）を有することを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記電子回路（７１２）が、前記２つの電子スイッチ素子（２０２，２０６）と、２つの他の電子スイッチ素子（３０２，３０６）とを有し、前記２つの電子スイッチ素子（２０２，２０６）と、前記２つの他の電子スイッチ素子（３０２，３０６）とが、１つのフルブリッジ回路に配置されていることを特徴とする請求項２記載の方法。
4. 電子回路（６１２）と、電気的なエネルギー蓄積器（２１０）と、そのエネルギー蓄積器（２１０）を放電させるためのサイリスタ（６１６）とを備え、前記エネルギー蓄積器（２１０）が、第１の電気導体（６０６）と第２の電気導体（６０８）とにより前記電子回路（６１２）に接続されている、装置（６０２）において、
   前記サイリスタ（６１６）が、次のように、即ち、
   前記第１の電気導体（６０６）および前記第２の電気導体（６０８）の少なくとも一方を通して流れる前記エネルギー蓄積器（２１０）の放電電流（６３０）に基づいて発生し
   て、前記サイリスタ（６１６）の半導体材料（１００６）を貫通する、時間的に変化する磁界（１０１０）に基づいて、前記サイリスタの前記半導体材料（１００６）内に前記サイリスタをターンオンさせる電流（１０１８）が誘導されるように、
   前記第１の電気導体（６０６）および前記第２の電気導体（６０８）の少なくとも一方に対して空間的に隣接して配置されていることを特徴とする、装置（６０２）。
5. 前記サイリスタ（６１６）が、前記第１の電気導体（６０６）と前記第２の電気導体（６０８）との間の中間空間（６３５）内に配置されていることを特徴とする請求項４記載の装置。
6. 前記サイリスタのアノード（６２０）が前記第１の電気導体（６０６）に接続されており、前記サイリスタのカソード（６２２）が前記第２の電気導体（６０８）に接続されていることを特徴とする請求項４または５記載の装置。
7. 前記サイリスタ（６１６）が、前記第１の電気導体（６０６）と前記第２の電気導体（６０８）との間に機械的に固定されていることを特徴とする請求項４から６のいずれか１項に記載の装置。
8. 前記サイリスタ（６１６）が、ディスクセル容器（８１０）を有することを特徴とする請求項４から７のいずれか１項に記載の装置。
9. 前記第１の電気導体（６０６）および前記第２の電気導体（６０８）の少なくとも一方が、それぞれ電流レールとして形成されていることを特徴とする請求項４から８のいずれか１項に記載の装置。
10. 前記第１の電気導体（６０６）および前記第２の電気導体（６０８）の少なくとも一方が、それぞれ平らな外面を有し、サイリスタの半導体材料がディスク（１００６）を形成し、前記ディスク（１００６）が平らな外面（１０２４，１０２６）の少なくとも一方に平行に配置されていることを特徴とする請求項４から９のいずれか１項に記載の装置。
11. 前記サイリスタ（６１６）が、前記エネルギー蓄積器（２１０）に低インダクタンスで接続されていることを特徴とする請求項４から１０のいずれか１項に記載の装置。
12. 前記サイリスタ（６１６）が、前記エネルギー蓄積器（２１０）に並列接続されていることを特徴とする請求項４から１１のいずれか１項に記載の装置。
13. 前記電子回路（６１２）が、１つのハーフブリッジ回路内に配置された少なくとも２つの電子スイッチ素子（２０２，２０６）を有することを特徴とする請求項４から１２のいずれか１項に記載の装置。
14. 前記電子回路が、２つの電子スイッチ素子（２０２，２０６）と２つの他のスイッチ素子（３０２，３０６）とを有し、前記２つの電子スイッチ素子（２０２，２０６）と前記２つの他のスイッチ素子（３０２，３０６）が、１つのフルブリッジ回路内に配置されていることを特徴とする請求項４から１３のいずれか１項に記載の装置。
15. 請求項４から１４のいずれか１項に記載の装置（６０２，７０２）を有する、モジュール型マルチレベルコンバータ（１）のモジュール（１＿１，１＿２，…，６＿ｎ）。
16. 請求項１５記載のモジュール（１＿１，１＿２，…，６＿ｎ）を多数有するモジュール型マルチレベルコンバータ（１）。
    

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