JPH06505621A - 逆並列ダイオードが導電するときのｇｔｏゲート駆動器の損失の最小化 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 逆並列ダイオードが導電するときのＧＴＯゲート駆動器の損失の最小化 発明の背景 本発明は、インバータシステムに関し、更に具体的に言えば、リアクタンス負荷 に対する電力を制御するゲート・ターン・オフ（ＧＴＯ）デバイスを用いるイン バータシステム、並びに無効電流がＧＴＯデバイスへの電流の移転を防止すると きにこれらのＧＴＯデバイス及び関連するゲート駆動型回路における消費電力を 減少させる方法及び装置に関する。

直流（Ｄ　Ｃ）電力を交流（Ａ　Ｃ）電力に変換する電力変換システムは通常、 インバータと呼ばれており、周知である。典型的な形式では、これらのインバー タは、ＧＴＯデバイスのような一対のスイッチングデバイスを備えており、この ような一対のスイッチングデバイスは、相対的に正の電力母線と相対的に負の電 力母線との間に直列接続されている。ＧＴＯデバイスの間の接続点は交流電動機 のような負荷に接続されている。３相電動機のような多重端子負荷では、このよ うなインバータが３つ利用されており、各々のインバータは、電動機の１相に結 合されている。インバータの各相では、どんな時点でも１つのＧＴＯデバイスの みが電流を通し、一方のデバイスは負荷に第１の向きに電流を通すように接続さ れており、他方のデバイスは負荷に第２の向きに電流を通すように接続されてい る。

負荷に対する電流又は電圧が、インバータの各相にあるＧＴＯデバイスの導電サ イクルを制御することにより調整されるので、１相内のいずれのデバイスも導電 していないが、無効電流に対する電流通路を設けなければならないときがある。

この理由で、ダイオードがＧＴＯデバイスの各々と並列に接続されており、ダイ オードは反対向きに電流を通すように、関連するＧＴＯデバイスとは反対の極性 に接続されている。−例として、電動機のような誘導性リアクタンス負荷の場合 、ＧＴＯデバイスを強制的に導電させなくするときに、各相巻線を通る電流がＧ ＴＯデバイスからダイオードに分路される。

ダイオードに実質的な電流が存在する期間の間、関連するＧＴＯデバイスのゲー ト作用によっては、接続されたりアクタンス負荷における電流の向きを反転する 効果が得られない。更に具体的に言うと、ダイオードに電流が流れているとき、 並列接続されたＧＴＯは逆バイアスになる。この期間中にゲート電流がＧＴＯデ バイスに印加されても、その効果は、ＧＴＯゲート駆動駆動路回路比較的大きな 電流を引き出すだけである。ＧＴＯデバイスがゲート駆動されているときのゲー ト電流は、ゲート駆動されていないときよりもずっと大きく、陽極電流がないと きでさえも消費電力が比較的大きいので、デバイスが逆バイアスされているとき 、即ち、並列接続されたダイオードが電流を通しているときに、ＧＴＯデバイス のゲート作用を回避することが望ましい。ＧＴＯデバイスが、誘導電動機に給電 するインバータに接続されているとき、電流は電圧よりも遅れ、その結果、電流 がＧＴＯデバイスと並列のダイオードを通る時間の割合がかなりになる。従って 、不要な電力消費を回避すると共に、不要な熱散逸を最小限に抑えるために、ゲ ート電流をＧＴＯデバイスに印加することが望ましくない時間がかなりの部分に なる。

発明の要約 上述及びその他の望ましい利点が、交流多層電動機用の電力制御システムで達成 される。この電力制御システムは、電動機の動力出力及び／又は速度を制御する ように、調整された交流電力を供給するインバータ回路を含んでおり、このイン バータ回路は、電動機に接続されている。−形式では、このシステムは、複数の 段を有しているインバータを含んでおり、各段は、電動機のそれぞれ１つの相巻 線に接続されている。インバータの各段は、一対の直列接続されている半導体ス イッチングデバイスを含んでおり、一対の半導体スイッチングデバイスは、相対 的に正の直流電力母線と相対的に負の直流電力母線との間に直列接続されている 。ダイオードのような一方向デバイスが、各々のスイッチングデバイスと逆並列 になるように回路接続されている。電動機の各相巻線の電流の流れを決定する手 段が設けられている。マイクロコンピュータ制御装置が、電動機の運転を調整す るために、予め選ばれた時刻にスイッチングデバイスを導電させるよう、ゲート 駆動型回路を介してスイッチングデバイスの各々にゲート信号を供給している。

この制御装置は、関連する逆並列ダイオードの電流が、電動機の各相巻線の電流 の反転をスイッチングデバイスが行うことができなくするような閾値を越えたと きに、電動機巻線の電流に応答して、スイッチングデバイスのゲート作用を禁止 する手段を含んでいる。スイッチングデバイスはＧＴＯサイリスタであることが 好ましく、電動機の少なくとも１相の電流が他の相の監視される電流から計算さ れる。

図面の簡単な説明 本発明が更によく理解されるように、次に図面を参照して詳しく説明する。

第１図は本発明を実施した電力変換回路の部分概略、部分ブロック図である。

第２図は本発明の方法の機能的なブロック図である。

発明の詳細な説明 第１図は本発明の考えを取り入れた電力変換システムの簡単化した部分概略、部 分ブロック図である。電力変換システムは、３相誘導電動機Ｍに対する電力を制 御するように接続されているインバータ部ＩＱＡ、ＩＯＢ及び１０Ｃを備えてい る３相インバータとして示されている。インバータ部は、相対的に正の電圧レー ル１２と相対的に負の電圧レール１４との間にそれぞれ接続されている。レール １２及び１４は電源１６に接続されており、この電源は、蓄電池又はその他の電 力発生手段を含んでいてもよい。直列の誘導子１８と、分路キャパシタ２０とを 含んでｔ）るフィルタが、インバータ回路によって発生される過渡状態から蓄電 池１６を隔離している。

インバータ部１０Ａ、ＩＯＢ及び１０Ｃの各々は、実質的に同一である。各部は 、レール１２及び１４の間に直列に接続されている一対の制御自在なスイッチン グデノくイス２２及び２４を含んでいる。スイッチングデノくイス２２及び２４ の各々と並列にスナツバ回路２６及び２８がそれぞれ接続されており、ターンオ ンするときの電流の変化率を制限すると共に、ターンオフするときの電圧の変化 率を制限する。従来、種々の形式のスナツバ回路が知られており、これについて 更に説明する必要はないと考えられる。スナツバ回路の説明は、１９８２年ＩＥ ＥＥ７々ワー・エレクトロニクス・スベシャリスツ・コンファレンス会議録第４ ６６頁から第４７７頁に所載のＡ、フエラーロの論文［トランジスタ変換器に対 する低損失スナツバ技術の概観」に述べられている。

制御自在のスイッチングデバイス２２及び２４は、サイリスタ、トランジスタ、 又はその他の半導体デノくイスであってよいが、好ましい形式では、ゲート・タ ーン・オフ（ＧＴＯ）デバイス又はＧＴＯサイリスタを備えている。

ＧＴＯサイリスタは、そのゲート電極が適当なターンオン又は点弧信号によって トリガされたときに、「順方向」陽極電流、即ち陽極に流れ込んで陰極から出て 行く電流を自由に導通するように設計されている多層半導体である。ＧＴＯサイ リスタは、相対的に負の極性で適当な大きさ及び持続時間を有する電圧がゲート 陰極接合に印加された場合に、順方向陽極電流を遮断又は阻止する能力がある点 で、普通のサイリスタと区別される。この電圧は、ゲートの電位が陰極に対して 負であるという意味で負である。これにより、サイリスタのゲートに反対方向に 電流が流れる。言い換えれば、ＧＴＯサイリスタをターンオフするためには、ゲ ートから電流を流れ出させる。以下明細書では、このような電流を「負のゲート 電流」又は「ターンオフ信号」と呼ぶ。

通常の動作では、ＧＴＯサイリスタの陽極電流阻止過程又はターンオフ過程は、 陽極電流の自然の又は外部から強制されたゼロ交差を待たずに、任意のときに開 始することができる。ターンオフ過程の間、負のゲート電流は急速に高いピーク まで上昇する。このピークは、遮断しようとする陽極電流の大きさに依存し、そ の後、サイリスタがオフ状態の陽極電圧に耐える能力を回復するにつれて沈静す る。

一旦ターンオフ過程が旨く完了すると、ゲート陰極接合の抵抗値は、非常に高く なり、負のゲート電流を問題にならないような大きさに制限する。

本発明では、ＧＴＯデバイス２２及び２４は、誘導電動機Ｍの各相に両方向の電 流を供給するように交互に導電する。対応するＧＴＯデバイス２２Ａ及び２４Ａ を有しているインバータ部１０Ａを考えると、デバイス２２Ａが導電するとき、 電流１１が矢印３０の向きに、電動機Ｍに向かう。所定の期間の後、ＧＴＯデバ イス２２Ａは導電しなくなるようにゲート駆動される。電動機Ｍは誘導性リアク タンス負荷であるので、電流Ｉｌは無限大の電圧上昇を起こ出さずに直ちに中断 することができない。従って、電流■ｌはＧＴＯデバイス２２Ａから一方向導電 デｌくイス３２Ａへ移る。デバイス３２Ａは、電力ダイオードであることが好ま しく、ＧＴＯデバイス２４Ａと並列回路に接続されているが、デバイス２４Ａに 対して反対の極性に接続されている。対の一方の一方向デバイス３４Ａが、デノ くイス３２Ａと同じように、ＧＴＯデバイス２２Ａと並列に接続されている。電 動機Ｍの相巻線のくずれつつある（コラプシング）電流により、巻線の両端に電 圧の逆転が生じ、ダイオードデバイス３２Ａを順バイアスするので、電流■１は デバイス３２Ａに移る。他の所定の期間の後、ＧＴＯデノくイス２４Ａが導電す るようにゲート駆動され、こうして矢印３６で示すように、電動機Ｍの対応する 相巻線の電流１゜の方向を反転する。この後、ＧＴＯデノくイス２４Ａが導電し なくなるようにゲート駆動されると、電流■１がダイオードデバイス３２Ａへ移 る。電動機Ｍの各々の巻線に対して、この同し過程が行われ、それぞれのＧＴＯ デｌくイス２２及び２４Ａは、電動機Ｍによって発生される動力を調整するよう 、導電するように及び導電しなくなるようにゲート駆動される。電動機に対する 電力を制御するＧＴＯデｌ（イスを用いたー形式の３相インバータが、１９８２ 年ｌ５ＰＣＣ会議録第１４５頁から第１５６頁に所載のカンサキ等の論文「大電 力用ゲート・ターン・オフ・サイリスタを用いた高速輸送車の誘導電動機を駆動 するインバータ制御システム」に記載されている。

ＧＴＯデバイスを導電するように及び導電しなくなるようにゲート駆動すること ができるので、ＧＴＯデバイスには２つの極性を有するゲート駆動電流が必要で ある。デバイスをオン又はオフに保つために極性バイアス電力を要する時点で、 初期電力が必要とされる。更に、デバイスを導電状態に保つためのバイアス電流 は、典型的な誘導電動機負荷では、３から６アンペアであればよいが、デバイス がオフであるときのゲート漏れ電流は、わずか数マイクロアンペアであることが ある。従って、最初にオン及びオフ状態の間でゲート駆動されるとき、及びオン 状態にあるときにＧＴＯデバイスで散逸される電力は、ＧＴＯデバイスがオフ状 態にあるときよりもかなり高い。ゲート駆動型回路３８は、ＧＴＯデバイス２２ 及び２４の各々に対して両極性のゲート駆動電流を供給するように接続されてお り、回路３８が一方の出力の極性を切り換える変に、又は「オン」ゲート駆動電 流を供給しているときに、同様に高い電力消費を生ずる。ゲート駆動回路３８と して用いるのに適したゲート駆動回路は、種々の形式を採り得るが、例としての １つの形式が、本発明の被譲渡人に譲渡された、１９８６年６月３日にマクマレ イに付与された米国特許番号第４５９３２０４号に記載されている。

本発明は、対応する並列接続されたダイオードデバイス３２及び３４が所定のレ ベルよりも高い電流を通しているときに、それぞれのＧＴＯデバイス２２及び２ ４に対するゲート駆動電流の発生を禁止することにより、ゲート駆動型回路３８ 、並びにＧＴＯデバイス２２及び２４における消費電力を最小限にしようとする ものである。この望ましい結果を達成するために、電動機Ｍの３相のうちの少な くとも２相に対する駆動電流が、電流センサ４０及び４２によって監視されてい る。第３相も監視してもよいが、■１、■２及びＩ３の和がゼロであって、他の 相の電流から第３相の電流を決定することができるようにしなければならない。

図示の例では、電流■　及び■３がセンサ４０及び４２によってそれぞれ監視さ れ、電流工２が制御プロセッサ４４内で計算される。

プロセッサ４４は、電動機Ｍの動力出力を調整するように、又は電動機Ｍの予め 選ばれた速度経過を維持するように、ＧＴＯデバイス２２及び２４のゲート作用 を制御するようプログラムされたマイクロコンピュータの形式にすることができ る。プロセッサ４４は種々の論理回路を含んでいてもよく、センサ４０及び４２ からのアナログ電流信号を対応するディジタル値に変換するアナログ・ディジタ ル（Ａ／Ｄ）変換器４６を含んでいてもよい。プロセッサ４４として用いるのに 適した制御プロセッサは、業界で周知である。ここで説明する禁止機能は、セン サ４０及び４２からの電流信号をＧＴＯデバイス２２及び２４に対するゲート指 令と論理的に組み合わせることにより構成することができる。例えば、電流■１ が矢印３０の向きであって、プロセッサ４４がゲート駆動型回路３８によってＧ ＴＯデバイス２４に対する「オン」指令を発生させようとする信号を開始する場 合に、センサ４０からの信号をプロセッサ４４からの信号と論理アンド作用にか けて、電流■１が予め選ばれた閾値未満になるまで、ゲート駆動型回路３８の作 動を禁止することができる。

本発明のシステムの動作が更に明瞭に理解されるように、第２図の機能的なフロ ーチャートを参照する。ブロック４８で、電流信号Ｉ　、即ち１１、■２又はＩ ３が閾値■□！ を越えるかどうかを決定するために、■　を試験する。■！ Ｔは、対応するＧＴＯデバイスのゲート作用が電動機のそれぞれ１相の電流の流 れを反転する作用を有するようなゼロ又はある所定のゼロ以外の値であってもよ い。信号■。

が閾値未満の各相電流を表す場合には、ＧＴＯデバイスのゲート作用の禁止は不 要であり、プログラムの機能はスタートの位置へループ状に戻る。■　の値が■ １を越える場合には、電流の向きを決定する。即ち、■　がゼロよりも！ 大きいか又は小さいかをブロック５０で決定する。■　が！ ゼロよりも大きければ、ＧＴＯ２２が導電しているか、又はダイオード３４が導 電しているかのいずれかである。反対に、■　がゼロ未満であれば、ＧＴＯ２２ が導電してい！ るか、又はダイオード３２が導電しているかのいずれかである。ブロック５２は 、ゲート駆動型回路３８に出力されたゲート信号から、ＧＴＯデバイス２２が導 電しているかどうかを決定する。デバイス２２が導電していれば、禁止作用は不 必要であり、プログラムはスタートへループ状に戻る。デバイス２２が導電して いなければ、プログラムはブロック５４て、ＧＴＯ２４に対するゲート指令を検 査し、ブロック５６てこの指令を禁止する。従って、並列接続されたダイオード ３２の電流が予め選ばれた閾値■１よりも高ければ、ＧＴＯデバイス２４のゲー ト作用が禁止される。

これは、このゲート作用がデバイス２４及びゲート駆動型回路３８の消費電力を 増加する以外は、デバイス２４を逆バイアスした状態では効果がないからである 。

同様に、システムはブロック５８で、ＧＴＯデバイス２４の動作を検証し、ブロ ック６０でＧＴＯデバイス２２に対するゲート信号を試験し、そしてダイオード ３４を通る電流がデバイス２２を逆バイアスしている間に、システムがＧＴＯデ バイス２２をゲート駆動しようとする場合には、ブロック６２でこのゲート信号 を禁止する。

第２図の機能的なブロック図は、マイクロコンピュータで構成されるものであっ ても、又は結線式の論理回路で構成されるものであっても、システムの動作を記 述するものである。この構成は、「オン」ゲート駆動電流が供給されるのは、必 要なときだけであって、関連するＧＴＯデバイスが順バイアスされた逆並列のダ イオードによって逆バイアスされているききには供給されないことを保証する。

更に、デバイスが陽極−陰極電流を有していない状態でも、ＧＴＯデバイスを「 オフ」状態に切り換えることに伴う前述の損失を含めて、冗長な切り換えにより 余分の損失が起こることを回避する。

本発明の考えを実施例で明らかにしたが、当業者には、上に述べた例示に示した 構成、配置及び部品の様々な変更を、この後の請求の範囲に記述された本発明の 要旨を逸脱することなく、特定の動作条件に適した他の実施例を作り出すために 、本発明を実施する際に行うことができることは明らかであろう。

ｉｇ２

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. １．少なくとも１つのＧＴＯサイリスタと、該ＧＴＯサイリスタと並列回路構成 に接続されており、前記ＧＴＯサイリスタを通る電流の向きと反対の向きに電流 を通す極性に接続されている少なくとも１つのダイオードと、前記ＧＴＯサイリ スタを導電させるように該ＧＴＯサイリスタのゲート端子に電流を供給するゲー ト駆動器回路とを含んでいる電力制御回路における消費電力を減少させる方法で あって、 前記ダイオードの電流を監視し、 前記ダイオードの電流が所定の値を越えたときに、前記ゲート駆動器回路の動作 を禁止する工程を含んでいる、電力制御回路における消費電力を減少させる方法 。
2. ２．前記電力制御回路は、誘導性負荷を有している電流通路に接続されており、 前記禁止する工程は、前記ＧＴＯサイリスタのゲート作用により電流が該ＧＴＯ サイリスタに移るまで、前記ゲート駆動器回路の動作を禁止する工程を含んでい る請求項１に記載の方法。
3. ３．前記監視する工程は、前記ＧＴＯサイリスタ電力回路に接続されている前記 誘導性負荷の電流の向きを監視する工程を含んでいる請求項１に記載の方法。
4. ４．前記誘導性負荷は、３相交流負荷を含んでおり、各相は、それぞれの電力制 御回路に接続されており、前記監視する工程は、 前記３相のうちの２相の電流を監視し、該監視される２相の電流から残りの相に 流れる電流の向きを算出する工程を含んでいる請求項３に記載の方法。
5. ５．多層交流電動機に交流電力を供給する電力変換システムであって、 前記電動機の各相を単一極性電力源に選択的に結合する独立に制御可能な複数の スイッチングデバイスを含んでいるインバータと、前記電動機に対する電力を制 御するように前記制御可能なスイッチング手段を選択的にゲート駆動ずる手段と を備えており、前記スイッチングデバイスの各々は、複数の一方向導電手段のそ れぞれ１つにより側路されており、前記一方向導電手段の各々は、前記スイッチ ングデバイスを通る電流と反対の向きに電流を通す極性に接続されており、 前記電力変換システムは、 前記電動機の各相の電流の大きさ及び向きを決定する手段と、 関連する１つの前記一方向導電手段の電流が予め選ばれた大きさを越えるときに 、前記決定する手段に応答して前記制御可能なスイッチング手段のゲート作用を 禁止する手段とを含んでいる、多層交流電動機に交流電力を供給する電力変換シ ステム。
6. ６．前記スイッチングデバイスの各々は、前記ゲート駆動手段に接続されたゲー ト端子を有しているゲート・ターン・オフ（ＧＴＯ）デバイスを含んでおり、前 記禁止する手段は、選ばれた前記ＧＴＯデバイスのゲート駆動を選択的に禁止す るように構成されている請求項５に記載のシステム。
7. ７．前記電動機は、３相を含んでおり、前記決定する手段は、第１の相の電流を 監視するように接続されている第１の電流センサと、第２の相の電流を監視する 第２の電流センサと、前記第１の相及び第２の相の電流から第３の相の電流を算 出する処理手段とを含んでいる請求項５に記載のシステム。
8. ８．３相電動機用の電力制御システムであって、相対的に正及び相対的に負の一 対の電力レールの間に直列に接続されている一対のゲート・ターン・オフ（ＧＴ Ｏ）サイリスタをそれぞれが有している独立に制御可能な３つのインバータ部と 、 前記電動機の３相のうちの少なくとも２相に回路結合されており、該少なくとも ２相の電流を表す信号を発生する電流感知手段と、 それぞれ１つの前記ＧＴＯサイリスタのゲート端子にそれぞれが接続されている 複数のゲート駆動出力端子を有しており、当該ゲート駆動器手段からのゲート駆 動信号に応答して、前記ＧＴＯサイリスタを導電するように及び導電しなくなる ようにゲート駆動するゲート駆動器手段と、該ゲート駆動器手段に接続されてお り、前記電動機の動力出力を調整するようにゲート駆動信号の発生を制御する制 御プロセッサ手段とを備えており、 前記ＧＴＯサイリスタの各々は、電気的に接続されている対応する逆並列ダイオ ードを有しており、各一対のＧＴＯサイリスタの中間接続点が、前記電動機のそ れぞれ１相に結合されており、 前記プロセッサ手段は、選ばれた１つの前記ＧＴＯサイリスタと並列に接続され ている前記ダイオードの電流を前記電流信号が表すときに、選ばれた１つの前記 ＧＴＯサイリスタに対する前記ゲート駆動信号の発生を禁止し、逆バイアスされ ているときの前記ＧＴＯサイリスタのゲート駆動に帰因する電力消費及び熱散逸 を減少させるように、前記電流感知手段からの信号に応答している３相電動機用 の電力制御システム。
9. ９．前記制御プロセッサ手段は、前記少なくとも２相の測定された電流から前記 ３相のうちのもう１つの相の電流を算出している請求項８に記載の電力制御シス テム。