JP2003199325A - サージ電圧から電力コンポーネントを保護する装置 - Google Patents

サージ電圧から電力コンポーネントを保護する装置

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JP2003199325A JP2002319637A JP2002319637A JP2003199325A JP 2003199325 A JP2003199325 A JP 2003199325A JP 2002319637 A JP2002319637 A JP 2002319637A JP 2002319637 A JP2002319637 A JP 2002319637A JP 2003199325 A JP2003199325 A JP 2003199325A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 製造が簡単で経済的であって、仮に電力半導
体が不飽和になっても効果的であるサージ電圧保護回路
を提案する。 【解決手段】 コレクタ（Ｃ）とエミッタ（Ｅ）とゲー
ト（Ｇ）とを有する電力半導体コンポーネント（４）を
サージ電圧から保護する装置であって、前記装置は前記
コレクタ（Ｃ）と前記ゲート（Ｇ）との間に並列に接続
された保護回路を含んでおり、前記保護回路は、直列に
接続された少なくとも２個のツェナーダイオードを含む
主枝路（１）と、コンデンサ（５）を含み且つ、前記主
枝路（１）の前記ツェナーダイオードの少なくとも一つ
と並列に接続された二次枝路（２）とを有しており、前
記保護回路は前記コンデンサ（５）と並列に接続された
抵抗器（８）を含む追加の枝路（３）を含むことを特徴
とする前記装置。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、サージ電圧から電
力半導体コンポーネントを保護する装置に関する。本発
明は、例えば鉄道電力コンバータに用途を見出す。
【０００２】
【従来の技術】現在、鉄道トラクションモータに電力供
給するための大抵の電力コンバータは、ＩＧＢＴを使用
している。図１は、この種のコンバータの一つのアーム
を示す図であって、このコンバータアームは、外部電位
＋ＨＶが印加されるコレクタＣとトラクションモータ１
０に接続されたエミッタＥとを有する第１のＩＧＢＴ４
と、トラクションモータ１０に接続されたコレクタＣと
外部電位−ＨＶが印加されるエミッタＥとを有する第２
のＩＧＢＴ４とからなることを示している。各ＩＧＢＴ
４は、図示されない制御回路に接続されたゲートＧを持
っている。
【０００３】上述の種類のコンバータの正常動作時には
ＩＧＢＴ４は、このＩＧＢＴ４のコレクタＣとエミッタ
Ｅとの間の電圧ＶＣＥを時間の関数として表す図２に示
す仕方でスイッチされる。
【０００４】この図では、時刻ｔ０とｔ１との間でＩＧ
ＢＴがオフになり、ＩＧＢＴの端子にライン電圧ＶＬが
印加される。時刻ｔ１でＩＧＢＴはオンになり、これに
かかる電圧は実質的にゼロになる。時刻ｔ２でＩＧＢＴ
はオフになり、それからこれにかかる電圧ＶＣＥは極め
て急速に上昇し、サージ電圧Ｖｐｅａｋを発生させる。
ＩＧＢＴの最大許容電圧より大きな電圧Ｖｐｅａｋは、
ＩＧＢＴを破壊し、それによって電力コンバータに障害
を発生させる。
【０００５】図１に示すＩＧＢＴ４のコレクタＣとゲー
トＧとの間に図３に示すような保護回路を接続すること
によってサージ電圧から電力コンバータのＩＧＢＴを保
護することは、本技術では既知である。図３に示す従来
技術の保護回路は、直列に接続されたｎ＋Ｎ個のツェナ
ーダイオードＺ１からＺｎ＋Ｎを含む主枝路１を有して
おり、各ツェナーダイオードのカソードはＩＧＢＴのコ
レクタＣの方を向いている。この主枝路１は、前述のｎ
＋Ｎ個のツェナーダイオードに直列に接続された抵抗器
６と保護ダイオード７とを更に含んでおり、この保護ダ
イオード７はツェナーダイオードＺ１からＺｎ＋Ｎと比
較して逆向きに接続されている。
【０００６】この保護回路はまた、主枝路１のＮ個のツ
ェナーダイオードＺｎ＋１からＺｎ ＋Ｎに並列に接続さ
れたコンデンサ５からなる二次枝路２を含んでいる。
【０００７】電圧をピーク制限するこの種の保護回路
は、主枝路１のツェナーダイオードＺ １からＺｎ＋Ｎが
同じ特性を持っていると仮定して、下記の方程式を満た
す静的導通しきい値電圧Ｖｓｔａｔｉｃと動的導通しき
い値電圧Ｖｄｙｎａｍｉｃとを有しており、この動的し
きい値電圧はＮ個のツェナーダイオードＺｎ＋１からＺ
ｎ＋Ｎに並列に接続されたコンデンサから得られ、これ
は保護回路が接続されたＩＧＢＴの状態の急激な変化の
場合にこれらのダイオードを短絡させる。
【数１】
【数２】 ここで、Ｖｚは、ツェナーダイオードが導通となる主枝
路の１個のツェナーダイオードの両端子に印加されるし
きい値電圧である。
【０００８】しきい値電圧Ｖｓｔａｔｉｃは、ＩＧＢＴ
の定格に合わせて選択され、一般に正常動作時のコンバ
ータアームの最大ライン電圧ＶＬより大きい。
【０００９】しきい値電圧Ｖｄｙｎａｍｉｃは、ＩＧＢ
Ｔの定格に合わせて選択され、ある幾つかの場合には正
常動作時のアームの最大ライン電圧より低くできる。
【００１０】上記の種類の保護回路は、正常状態でのＩ
ＧＢＴにおけるサージ電圧の問題を解決する。ＩＧＢＴ
４のゲートＧでの電位はそのエミッタＥでの電位に近い
ので、ＩＧＢＴ４のエミッタＥとコレクタＣとの間の電
圧のいかなる急激な変化もコレクタＣとゲートＧとの間
に接続された保護回路の端子に現れる。この種の保護回
路によって、もしＩＧＢＴ４が時刻ｔ２でオフになった
後に電圧ＶＣＥがしきい値電圧Ｖｄｙｎａｍｉｃに到達
すれば、ｎ個のツェナーダイオードＺ１からＺ ｎは導通
し始めて、Ｎ個のダイオードＺｎ＋１からＺｎ＋Ｎを分
路してコンデンサ５を流れる電流を分路し、コンデンサ
５はＩＧＢＴ４がオンになっている期間中、最初に放電
する。この電流は、ＩＧＢＴ４のゲートＧに再注入さ
れ、このＩＧＢＴ４はその状態変化を緩慢にし、それに
よってその端子におけるサージ電圧を制限する。
【００１１】それにもかかわらず本出願者は、上記の種
類の保護回路は正常動作時にはＩＧＢＴを効果的に保護
するが、ＩＧＢＴが不飽和になったときにはサージ電圧
を防止する効果がないという欠点を持っていることを理
解している。ＩＧＢＴは、それがオンになって公称電流
の約６から７倍に等しい電流を伝導するときに不飽和に
なるが、これは例えばＩＧＢＴに接続された負荷の障害
によって、あるいはアームを短絡させることによって引
き起こされ得る。
【００１２】この場合、ＩＧＢＴはオンになるが、その
端子の電圧は図４に示すように、急速にライン電圧ＶＬ
に等しくなる。それからＩＧＢＴは、極めて迅速にそれ
を破壊し得る非常に高い瞬間的電力を放散させる。した
がってこの種の状況ではＩＧＢＴからなるスイッチを開
いてサージ電圧を制限しようとすることが急務となる。
【００１３】しかしながら不飽和にすることはＩＧＢＴ
の端子の高い電圧を伴うので、従来技術の保護回路のコ
ンデンサ５は、ＩＧＢＴがオフになる時刻ｔ２まで充電
状態にあり、もはや保護回路の動的しきい値電圧Ｖ
ｄｙｎａｍｉｃを超えて電流を流すことはできないの
で、その期待される役割を果たせない。それからこの保
護回路は、サージ電圧が極めて僅かしか減少しないの
で、より高いしきい値電圧Ｖｓ ｔａｔｉｃからだけＩＧ
ＢＴの端子の電圧をピーク制限し、それがＩＧＢＴにと
って致命的になり得て、これがコンバータに障害を発生
させ得る。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】また、本発明の目的
は、製造が簡単で経済的であって、仮に電力半導体が不
飽和になっても効果的であるサージ電圧保護回路を提案
することである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】このために本発明は、コ
レクタとエミッタとゲートとを有する電力半導体コンポ
ーネントをサージ電圧から保護する装置であって、前記
装置は前記コレクタとゲートとの間に並列に接続された
保護回路を含んでおり、前記保護回路は直列に接続され
た少なくとも２個のツェナーダイオードを含む主枝路
と、コンデンサを含み、前記主枝路の前記ツェナーダイ
オードの少なくとも一つと並列に接続された二次枝路と
を有しており、前記保護回路は前記コンデンサと並列に
接続された抵抗器を含む追加の枝路を含むことを特徴と
する装置を提供する。
【００１６】本発明による装置の特定の実施形態は、単
独でか、あるいは技術的に実施可能な任意の組合せとし
て、下記の特徴のいずれをとることもできる。
【００１７】前記抵抗器は前記コンデンサの端子に直接
接続される。
【００１８】前記保護回路の主枝路は直列に接続された
一連のツェナーダイオードを含んでおり、それらの一連
のツェナーダイオードの幾つかは前記コンデンサを含む
前記二次枝路によって分路される。
【００１９】前記電力半導体コンポーネントはＩＧＢＴ
である。
【００２０】本発明はまた、本発明によるサージ電圧保
護装置を含む少なくとも一つの電力半導体コンポーネン
トを含むことを特徴とする、鉄道車両用の電力コンバー
タに関する。
【００２１】本発明の目的と態様と利点は、非限定的例
示により、また付属図面の参照により下記に与えられる
本発明の一つの特定の実施形態の説明から、更に良く理
解されるであろう。
【００２２】
【発明の実施の形態】図面を分かり易くするために、本
発明の理解に必要なコンポーネントだけが図示されてい
る。同じコンポーネントには、全ての図に渡って同じ番
号が付けてある。
【００２３】図５は、従来技術の欠点を改善する、そし
て図１に示す各ＩＧＢＴ４のコレクタＣとゲートＧとの
間に接続されることを意図した本発明によるサージ電圧
保護装置を示す。
【００２４】図５に示す本発明の特定の実施形態では、
本保護装置は、図３に示す従来技術の回路のものと類似
の主枝路１と二次枝路２とを含む保護回路からなってい
る。
【００２５】本発明の本質的な特徴によれば、この保護
回路は、二次枝路２のコンデンサ５と並列に接続された
抵抗器８からなる追加枝路３を更に含んでいる。
【００２６】この種の保護装置は、ＩＧＢＴ４が不飽和
になるときに反応しやすい状態でいるような動的しきい
値電圧の利点を持っている。この抵抗器８は、並列に接
続されたＮ個のツェナーダイオードＺｎからＺｎ＋Ｎの
漏洩電流に追加される極めて低い電流を分路し、ＩＧＢ
Ｔ４が不飽和になる段階の期間中、コンデンサ５を放電
する。したがってＩＧＢＴ４が不飽和になるとき、コン
デンサ５はまったく充電されないか、ＩＧＢＴ４がオフ
になる直前に僅かに充電されるだけである。それからこ
の保護回路は、電圧ＶＣＥがしきい値電圧Ｖ
ｄｙｎａｍｉｃに到達すると直ちにアクティブになり、
アームの正常動作時と同じ仕方でＩＧＢＴ４のサージ電
圧を減少させる。１２００Ｖに設定された静的しきい値
電圧Ｖｓｔａｔｉｃと９００Ｖに設定された動的しきい
値電圧Ｖｄｙｎａｍｉｃとを有する保護回路を使用した
９００ＶのＤＣライン電圧によるテストは、これが図５
の装置のサージ電圧を従来技術の装置と比較して３２％
より多く減少させたことを示している。
【００２７】本発明は、単に例として説明され図示され
た実施形態に決して限定されないことは無論であり、ま
た本発明に与えられる保護の範囲を逸脱することなく、
特に種々のコンポーネントの構成に関して、あるいは技
術的な同等物を代用することにより本発明が変形可能で
あることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】既に説明された図であって、従来技術による電
力コンバータアームと、この種のアームにおけるＩＧＢ
Ｔの動作と、サージ電圧保護装置とを示す図である。
【図２】既に説明された図であって、従来技術による電
力コンバータアームと、この種のアームにおけるＩＧＢ
Ｔの動作と、サージ電圧保護装置とを示す図である。
【図３】既に説明された図であって、従来技術による電
力コンバータアームと、この種のアームにおけるＩＧＢ
Ｔの動作と、サージ電圧保護装置とを示す図である。
【図４】既に説明された図であって、従来技術による電
力コンバータアームと、この種のアームにおけるＩＧＢ
Ｔの動作と、サージ電圧保護装置とを示す図である。
【図５】図１からのコンバータアームのＩＧＢＴのコレ
クタとゲートとの間に接続される、図１に示されない、
本発明によるサージ電圧保護装置を示す図である。
【符号の説明】
１ 主枝路 ２ 二次枝路 ３ 追加の枝路 ４ 電力半導体コンポーネント ５ コンデンサ ６、８ 抵抗器 ７ 保護ダイオード １０ トラクションモータ Ｃ コレクタ Ｅ エミッタ Ｇ ゲート ＋ＨＶ、−ＨＶ 外部電位 ＶＣＥ 電圧 Ｖｓｔａｔｉｃ 静的導通しきい値電圧 Ｖｄｙｎａｍｉｃ 動的導通しきい値電圧 ｔ０とｔ１、ｔ２ 時刻 ＶＬ ライン電圧 Ｖｐｅａｋ サージ電圧 Ｚ１からＺｎ＋Ｎ ツェナーダイオード

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 コレクタ（Ｃ）とエミッタ（Ｅ）とゲー
    ト（Ｇ）とを有する電力半導体コンポーネント（４）を
    サージ電圧から保護する装置であって、前記装置は前記
    コレクタ（Ｃ）と前記ゲート（Ｇ）との間に並列に接続
    された保護回路を含んでおり、前記保護回路は直列に接
    続された少なくとも２個のツェナーダイオードを含む主
    枝路（１）と、コンデンサ（５）を含み且つ、前記主枝
    路（１）の前記ツェナーダイオードの少なくとも一つと
    並列に接続された二次枝路（２）とを有しており、前記
    保護回路は前記コンデンサ（５）と並列に接続された抵
    抗器（８）を含む追加の枝路（３）を含むことを特徴と
    する、前記装置。
  2. 【請求項２】 前記抵抗器（８）は前記コンデンサ
    （５）の端子に直接接続されることを特徴とする、請求
    項１に記載のサージ電圧から電力半導体コンポーネント
    を保護する装置。
  3. 【請求項３】 前記保護回路の主枝路（１）は直列に接
    続された一連のツェナーダイオードを含んでおり、それ
    らの一連のツェナーダイオードの幾つかは前記コンデン
    サ（５）を含む前記二次枝路（２）によって分路される
    ことを特徴とする、請求項１に記載のサージ電圧保護装
    置。
  4. 【請求項４】 前記電力半導体コンポーネント（４）は
    ＩＧＢＴであることを特徴とする、請求項１または２に
    記載のサージ電圧保護装置。
  5. 【請求項５】 請求項１から４のいずれか一項に記載の
    サージ電圧保護装置を含む少なくとも一つの電力半導体
    コンポーネントを含むことを特徴とする、鉄道車両用の
    電力コンバータ。
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