JP7020834B2

JP7020834B2 - Ｉｇｂｔ型トランジスタを備える電気回路網における短絡の検出方法および関連する制御装置

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Publication number: JP7020834B2
Application number: JP2017182049A
Authority: JP
Inventors: アンドリアノエリソンフロラン; ラバースエリク; ボワストーステファーヌ
Original assignee: アルストム・トランスポール・テクノロジーズ
Priority date: 2016-09-23
Filing date: 2017-09-22
Publication date: 2022-02-16
Anticipated expiration: 2037-09-22
Also published as: ES2850351T3; FR3056756B1; CN107870280B; EP3299827B1; JP2018050453A; FR3056756A1; EP3299827A1; PL3299827T3; CN107870280A

Description

本発明は、ＩＧＢＴ型トランジスタを備える電気回路網（electrical network）における短絡の検出方法および関連する制御装置に関する。

それ自体で知られるように、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）型トランジスタは、３個の電気端子または接触子、すなわち、ゲート、コレクタおよびエミッタを備える。

ＩＧＢＴトランジスタは、特に電気スイッチとして使用可能である。実際、そのようなトランジスタは、コレクタがエミッタに電気的に接続されているオン状態と、それらが互いに電気的に隔離されているオフ状態を規定する。

２つの状態間の切り替えは、適切な制御手段によりゲート上に加えられる設定値（setpoint）電圧により制御される。

特に、非導通状態とオン状態との間の切り替えは、トランジスタをオフ状態からオン状態に切り替えることを有する導通へ切り替えるフェーズと、トランジスタをオン状態からオフ状態に切り替えることを有する非導通へ切り替えるフェーズと、を有する。

一般に、ＩＧＢＴトランジスタの動作は、適切な制御装置により制御され、特に、該トランジスタが使用される電気回路網内の短絡を検出することを可能にする。

そのような短絡は、例えば、該トランジスタの導通へ切り替えるフェーズの間、枝路における追加のＩＧＢＴトランジスタのコレクタとエミッタとの間に現れる可能性があり、該トランジスタをかなり損傷する可能性がある。

短絡を検出するために、既存の制御装置は、コレクタとエミッタとの間の電圧の測定値を解析することと、これらの測定値に基づいて短絡を検出することと、を有する検出方法を実現する。

しかし、既存の制御装置と、これらの装置により実現される短絡の検出方法は、十分に満足できるものではない。

特に、効果的に短絡を検出するためには、電圧測定値における高い精度が一般には必要である。この問題は、高電圧下で作動するトランジスタ、例えば、鉄道分野において使用されるトランジスタに、特に関連する。

本発明は、ＩＧＢＴ型トランジスタを備える電気回路網における短絡を検出する方法を提案して、トランジスタにおける電圧の精度のよい測定値を必要とせずに、短絡を効果的に検出することを可能にすることを目的とする。

その目的のため、本発明は、ゲート、コレクタおよびエミッタを備え、主電流がコレクタとエミッタとの間を流れるオン状態と、コレクタがエミッタから電気的に隔離されているオフ状態と、を規定するＩＧＢＴ型トランジスタを備える電気回路網における短絡を検出する方法に関する。

検出方法は、所定の長さの時間観測ウィンドウにおいて主電流の時間導関数の符号を観測することと、この主電流の時間導関数の符号（sign、正負）に基づいて、時間観測ウィンドウにおいて短絡を検出することを有する。

本発明の他の利点のある態様によれば、方法は、単独で考慮され、または、すべての技術的に可能な組み合わせに係わる、下記の
オン状態とオフ状態との間でトランジスタを切り替えるフェーズにおいて実現され、
この切り替えるフェーズは、トランジスタをオフ状態からオン状態に切り替えることを有する、導通へ切り替えるフェーズであり、
時間観測ウィンドウの開始は、導通へ切り替えるフェーズの開始に対応し、
この方法は、時間観測ウィンドウにおける主電流の時間導関数の符号を観測することと、主電流の時間導関数が、所定のテスト期間の間、厳密に正に留まるときに、短絡の存在を検出することと、を有するステップを有し、
方法は更に、主電流の時間導関数が、テスト期間に続く（従う）追加期間の間、ゼロ以上のままであるときに、短絡の存在を確認することを有する、短絡の存在を確認するステップを有し、
この方法は、短絡が検出された場合は、トランジスタをオフ状態に保つことを有し、
観測ウィンドウの長さは、１μｓと２０μｓとの間で構成される、という特徴の１つ又は複数を有する。

本発明は、また、ゲート、コレクタおよびエミッタを備え、主電流がコレクタとエミッタとの間を流れるオン状態と、コレクタがエミッタから電気的に隔離されているオフ状態と、を規定するＩＧＢＴ型トランジスタを制御する装置にも関する。

この装置は、所定の長さの時間観測ウィンドウにおいて、主電流の時間導関数の符号を観測でき、主電流の時間導関数の符号に基づいて、この時間観測ウィンドウにおいて短絡を検出できる。

本発明に係る、特にＩＧＢＴ型トランジスタとこのトランジスタを制御する装置とを組み込んでいる電気回路網の模式図である。図１の制御装置により実現される、短絡を検出する方法のフローチャートである。図２の、短絡を検出する方法を例示する模式図である。

本発明のこれらの特徴および利点は、非制限的な例としてのみのために提供され、添付する図面を参照してなされる下記の記載を読むことにより明らかになろう。

図１の電気回路網１０は、特に２個の端子Ｅ_auxおよびＥ_pを備える電力構成要素１２の動作を、少なくとも部分的に制御するために使用できる。

電気回路網１０および電力構成要素１２は、特に鉄道分野において使用でき、例えば、鉄道車両に搭載される。

図１を参照すると、本発明によれば、電気回路網１０は、電力構成要素１２に接続されるトランジスタ１４と、トランジスタ１４の制御装置２０と、を備える。

トランジスタ１４は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）型トランジスタである。

トランジスタ１４は、それ自体で知られており、特に、３個の電気端子または接触子、すなわち、ゲートＧ、コレクタＣ，およびエミッタＥを備える。

エミッタＥは、特に、電力構成要素１２の端子Ｅ_auxに接続される。

トランジスタ１４は、以降において主電流と呼ぶ電流Ｉ_cが、コレクタＣとエミッタＥとの間を流れるオン状態と、コレクタＣがエミッタＥから電気的に隔離されているオフ状態と、を規定する。

更に、ダイオード１５は、トランジスタ１４の状態に関わりなく、電流がエミッタＥからコレクタＣに向かって流れることを可能にする。

電圧測定モジュール１６は、一方ではゲートＧに接続され、他方ではトランジスタ１４のエミッタＥに接続され、ゲートＧとエミッタＥとの間の電圧Ｖ_GEを測定することを可能にする。

電圧測定モジュール１６は、例えば適切な電圧計を有する。

電流変化測定モジュール１８は、電力構成要素１２の端子Ｅ_auxおよびＥ_pに接続されており、従って、電力構成要素１２を流れる主電流Ｉ_cの強度における如何なる変化をも検出することを可能にする。

言い換えれば、モジュール１８は、時間経過における、主電流Ｉ_cの強度値の如何なる増加または減少をも検出することを可能にする。

また、言い換えれば、モジュール１８は、主電流Ｉ_cの時間に関する導関数（時間導関数）ｄＩ_c／ｄｔの符号を検出することを可能にする。

その目的のため、モジュール１８は、電力構成要素１２の端子Ｅ_auxとＥ_pとの間の電圧Ｕを測定することができる。主電流Ｉ_cの時間導関数ｄＩ_c／ｄｔの符号（sign、正負）は、時間導関数ｄＩ_c／ｄｔと電圧Ｕとが線形依存性を有するため、電圧Ｕの符号により判定される。実際、電圧Ｕは、時間導関数ｄＩ_c／ｄｔと、電力構成要素１２のインダクタンスとの積に等しい。

制御装置２０は、トランジスタ１４のゲートＧに接続され、このトランジスタ１４の動作を、設定値電圧および設定値電流をゲートＧ上に加えることにより制御できる。

制御装置２０は更に、後でより詳細に記述される、短絡を検出する方法１００を実現できる。

制御装置２０は更に、電圧Ｖ_GEの測定値およびｄＩ_c／ｄｔの符号をそれぞれ取り出すモジュール１６および１８、並びに正の設定値電圧および負の設定値電圧を提供する電源（図示せず）に接続される。

正の設定値電圧は、例えば、＋１５Ｖに略等しい。

負の設定値電圧は、例えば、－１５Ｖに略等しい。

制御装置２０は、例えば、制御回路と、該制御回路に接続され、モジュール１６および１８からの測定値のデジタル処理を可能にして、検出方法１００のステップの少なくとも幾つかを実行するコンピュータと、を備える。

最後に、制御装置２０は、トランジスタ１４の導通命令および非導通命令を、例えば、中央コンピュータ（図示せず）から受信できる。

電気回路網１０、特に、トランジスタ１４の動作を、ここで説明する。

制御装置２０により実現される、トランジスタ１４の動作の制御は、導通へ切り替えるフェーズ、導通フェーズ、非導通へ切り替えるフェーズおよび非導通フェーズを有する。

導通フェーズの間、制御装置２０は、トランジスタ１４を、ゲートＧ上に正の設定値電圧を加えることによりオン状態に保つ。

非導通フェーズの間、制御装置２０は、トランジスタ１４を、ゲートＧ上に負の設定値電圧を加えることによりオフ状態に保つ。

導通へ切り替えるフェーズは、非導通フェーズと導通フェーズとの間の遷移フェーズであり、特に、トランジスタ１４をオフ状態からオン状態に切り替えることを可能にする。

非導通へ切り替えるフェーズは、導通フェーズと非導通フェーズとの間の遷移フェーズであり、特に、トランジスタ１４をオン状態からオフ状態へ切り替えることを可能にする。

導通および非導通へ切り替えるフェーズは、幾つかの切り替えステップを有する。これらのステップの間、制御装置２０は、トランジスタ１４のゲート上の強度が、進行中の切り替えステップに基づいて、異なる設定値を取る設定値電流を生成する。

１つの例としての実施形態によれば、切り替えステップ間の遷移の時（moments）は、主電流Ｉ_cの時間ドリフトｄＩ_c／ｄｔの符号、ゲートＧとエミッタとの間の電圧Ｖ_GEの測定値および／または対応するステップの最大許容持続時間の関数として決定される。

他の例としての実施形態によれば、これらの遷移の時は、コレクタとエミッタとの間の電圧の測定値およびコレクタを通過する電流の強度の関数として決定される。

導通へ切り替えるフェーズの間、制御装置２０は、短絡を検出する切り替え方法１００を実行する。

特に、この方法１００は幾つかのステップを有し、そのフローチャートは図２に例示される。

ステップ１１０の間、制御装置２０は、時間観測ウィンドウＴ_obsにおいて、主電流Ｉ_cの時間導関数ｄＩ_c／ｄｔの符号を観測する。

時間観測ウィンドウＴ_obsの開始は、導通へ切り替えるフェーズの開始に対応する。

主電流Ｉ_cの時間導関数ｄＩ_c／ｄｔが、所定のテスト期間Ｔ_tの間、厳密に正である場合、装置２０は、ステップ１２０の間に、短絡の存在を検知する。そうでない場合は、制御装置２０は、短絡は起き得ないと推測する。

利点として、方法は、更に、装置２０が検出された短絡の存在を確認するステップ１３０を有する。

特に、このステップ１３０の間、制御装置２０は、主電流Ｉ_cの時間導関数ｄＩ_c／ｄｔが、テスト期間Ｔ_tに続く追加期間の間、ゼロ以上のままであるときは、短絡の存在を確認する。そうでない場合は、制御装置２０は、短絡は起きなかったと推測する。

追加期間は、テスト期間Ｔ_tの最後に開始し、例えば、時間観測ウィンドウＴ_obsと共に終了する。

短絡が検出されたときは、制御装置２０は、該短絡を信号で通知し、トランジスタ１４を、少なくとも所定の非導通期間の間はオフ状態に保つ。

テスト期間Ｔ_tは、制御装置２０により構成可能であり、方法１００を行う前に、例えば、１μｓと１０μｓとの間で調整可能である。

観測ウィンドウＴ_obsの長さは、制御装置２０により構成可能であり、方法１００を行う前に、例えば、１μｓと２０μｓとの間で調整可能である。

テスト期間Ｔ_tおよび追加期間は、観測ウィンドウＴ_obsにおいて構成される。

図３は、主電流Ｉ_cと主電流Ｉ_cの時間導関数ｄＩ_c／ｄｔとの動きを、導通へ切り替えるフェーズの２つの実施例において例示する。

曲線Ｉ_cおよびｄＩ_c／ｄｔの実線に対応する第１例においては、短絡は起きなかった。この場合、導関数ｄＩ_c／ｄｔの符号は、テスト期間Ｔ_tの間に変化したので、制御装置２０は、短絡を検出しなかった。

曲線Ｉ_cおよびｄＩ_c／ｄｔの破線に対応する第２例においては、短絡が起きた。この場合、導関数ｄＩ_c／ｄｔの符号は、テスト期間Ｔ_tの間、厳密に正であり、この期間外で正であった。従って、制御装置２０は短絡を検出した。

本発明が、いくつかの利点を有することを知ることができる。

本発明に係る検出方法は、異なる時間期間における主電流Ｉcの導関数ｄＩc／ｄｔの符号の解析のみを使用して、トランジスタにおける短絡を検出することを可能にする。

主電流Ｉ_cの値、または主電流Ｉ_cの導関数ｄＩ_c／ｄｔの値の測定値は、方法を実行するために必要でないことに留意すべきである。このため、導関数ｄＩ_c／ｄｔの符号のみが検出方法に対して重要であり、電気回路網における種々の測定手段に対する必要条件を簡素にすることを可能にする。

これは、高電圧下で作動するトランジスタ、特に、鉄道分野で使用されるトランジスタに対して特に利点である。

最後に、短絡を検出するため、非導通中の過電圧を制限するインバータフィードバック回路、特に、電力構成要素の端子間の電圧に接続される回路は必要でないということに留意すべきである。そしてこれは、本発明の特別な利点を形成する。

１０電気回路網
１２電力構成要素
１４トランジスタ
１５ダイオード
１６電圧測定モジュール
１８電流変化測定モジュール
２０制御装置
Ｃコレクタ
Ｅエミッタ
Ｇゲート

Claims

ＩＧＢＴ型トランジスタ（１４）を備える電気回路網（１０）における短絡を検出する方法（１００）であって、前記トランジスタ（１４）は、ゲート（Ｇ）、コレクタ（Ｃ）およびエミッタ（Ｅ）を備え、主電流（Ｉ_c）が前記コレクタ（Ｃ）と前記エミッタ（Ｅ）との間を流れるオン状態と、前記コレクタ（Ｃ）が前記エミッタ（Ｅ）から電気的に隔離されているオフ状態と、を規定し、前記検出方法（１００）は、
所定の長さの時間観測ウィンドウ（Ｔ_obs）において、前記主電流（Ｉ_c）の時間導関数（ｄＩ_c／ｄｔ）の符号を観測することと、
前記主電流（Ｉ_c）の前記時間導関数（ｄＩ_c／ｄｔ）の符号に基づいて、前記時間観測ウィンドウ（Ｔ_obs）において短絡を検出することと、を有し、
前記検出方法は、
前記時間観測ウィンドウ（Ｔ_obs）において、前記主電流（Ｉ_c）の前記時間導関数（ｄＩ_c／ｄｔ）の符号を観測するステップ（１１０）と、
前記主電流（Ｉ_c）の前記時間導関数（ｄＩ_c／ｄｔ）が、所定のテスト期間（Ｔ_t）の間、厳密に正であるとき、短絡の存在を検出するステップ（１２０）と、を有する方法（１００）。
前記オン状態と前記オフ状態との間で前記トランジスタ（１４）を切り替えるフェーズの間に実現される、請求項１に記載の方法（１００）。
前記切り替えるフェーズは、前記トランジスタ（１４）を、前記オフ状態から前記オン状態に切り替えることを有する、導通へ切り替えるフェーズである、請求項２に記載の方法（１００）。
前記時間観測ウィンドウ（Ｔ_obs）の開始は、前記導通へ切り替えるフェーズの開始に対応する、請求項３に記載の方法（１００）。
前記主電流（Ｉ_c）の前記時間導関数（ｄＩ_c／ｄｔ）が、前記テスト期間（Ｔ_t）に続く追加期間の間、ゼロ以上のままであるときに、短絡の存在を確認することを有する、短絡の存在を確認するステップ（１３０）を更に有する、請求項１～４のいずれか一項に記載の方法（１００）。
短絡が検出された場合、前記トランジスタ（１４）を前記オフ状態に保つことを更に有する、請求項１～５のいずれか一項に記載の方法（１００）。
前記観測ウィンドウ（Ｔ_obs）の前記長さは、１μｓと２０μｓとの間で構成される、請求項１～６のいずれか一項に記載の方法（１００）。
ＩＧＢＴ型トランジスタ（１４）に対する制御装置（２０）であって、前記トランジスタ（１４）は、ゲート（Ｇ）、コレクタ（Ｃ）およびエミッタ（Ｅ）を備え、主電流（Ｉ_c）が前記コレクタ（Ｃ）と前記エミッタ（Ｅ）との間を流れるオン状態と、前記コレクタ（Ｃ）が前記エミッタ（Ｅ）から電気的に隔離されているオフ状態と、を規定し、
前記装置（２０）は、所定の長さの時間観測ウィンドウ（Ｔ_obs）において、前記主電流（Ｉ_c）の時間導関数（ｄＩ_c／ｄｔ）の符号を観測でき、前記主電流（Ｉ_c）の前記時間導関数（ｄＩ_c／ｄｔ）の符号に基づいて、前記時間観測ウィンドウ（Ｔ_obs）において短絡を検出でき、
前記装置は、
前記時間観測ウィンドウ（Ｔ_obs）において、前記主電流（Ｉ_c）の前記時間導関数（ｄＩ_c／ｄｔ）の符号を観測し、
前記主電流（Ｉ_c）の前記時間導関数（ｄＩ_c／ｄｔ）が、所定のテスト期間（Ｔ_t）の間、厳密に正であるとき、短絡の存在を検出するように構成される、制御装置。