JP2012501069A - 半導体スイッチ素子を備える負荷時タップ切換器 - Google Patents
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Abstract
本発明は、負荷時タップ切換変圧器の2つの巻線タップ(tap n、tap n+1)間で無瞬断切換を行うための負荷時タップ切換器であって、2つの巻線タップがそれぞれ、各1つの機械的なスイッチ(Ds)と、それに直列に配置された1つの直列接続部とを介して、共通の負荷放電部に接続され、この直列接続部が、2つの逆向きに接続されたIGBT(Ip、In)からなる負荷時タップ切換器に関する。本発明によれば、各IGBTが、それに並列に接続された、特別に寸法設計された各1つのバリスタ(Vp、Vn)によって橋絡される。
Description
本発明は、負荷時タップ切換変圧器の巻線タップ間で無瞬断切換を行うための半導体スイッチ素子を備える負荷時タップ切換器に関する。
ハイブリッドIGBTスイッチとして構成される半導体スイッチ素子を備える負荷時タップ切換器が、特許文献1から知られている。その文献に記載される負荷時タップ切換器は、エネルギー蓄積器を必要とすることなく可動負荷スイッチの原理に従って動作する。この負荷時タップ切換器は、ハイブリッドスイッチとして、機械的な部分と電気的な部分とを有する。
特許文献1の実際の対象である機械的な部分は、機械的なスイッチ接点を有する。中核部分は、可動の摺動接点であり、これは、モータ駆動によって、中性点と接続された接点レールに沿って移動され、その際、固定の接点要素を切り換える。実際の負荷切換自体は、ブリッジ整流器内の各4つのダイオードを備える2つのIGBTによって行われる。
ハイブリッドスイッチのこの既知の概念は、厳密に負荷電流のゼロ交差の時点で所要の負荷切換を保証するためには、機械的に複雑であり要求が高いものである。
特許文献2から、さらなるIGBTスイッチ装置が知られており、その装置では、電力変圧器の制御巻線のタップが、2つのIGBTの直列接続部を介して、共通の負荷放電部に接続される。
この既知のスイッチ装置は、パルス幅変調の原理に従って動作する。すなわち、その際、このスイッチ装置は、ステップ巻線の過渡無効リアクタンス(TER)によって回路電流の制限を行う。
この既知の回路構成および根底にある切換原理では、切り換えるべきそれぞれの負荷時タップ切換変圧器に負荷時タップ切換器が特別に適合していることが必要である。言い換えると、負荷時タップ切換変圧器と負荷時タップ切換器は互いに適合され、電気的に相互作用する。したがって、この既知のスイッチ装置は、個別の汎用性のある装置として製造することができない。
最後に、特許文献3から、負荷時タップ切換器用の様々な回路構成が知られており、これらは、様々な形で接続されたバリスタを含む。一実施形態では、バリスタは、各スイッチ素子に並列に接続され、電圧の分散に役立つ。
本発明の目的は、冒頭で挙げた種類の負荷時タップ切換器であって、簡単に構成され、高い機能安全性を有し、厳密に負荷電流のゼロ交差の時点で切り換えることを必要としない負荷時タップ切換器を提供することである。さらに、本発明の目的は、切り換えるべき負荷時タップ切換変圧器のそれぞれの定格負荷電流およびそれぞれの巻線に特別に適合させる必要がなく、いわば「既製」で、様々な負荷時タップ切換変圧器で機能し得る装置として接続することができるかかる負荷時タップ切換器を提供することである。
この目的は、請求項1の特徴をもつ負荷時タップ切換器によって解決される。従属請求項は、本発明の特に有利な改良形態に関する。
本発明は、各スイッチユニットがそれぞれ対を成す2つの逆並列のIGBTからなる、2つのスイッチユニットを基礎とする。各IGBTそれぞれに、それに並列に接続されたバリスタが対応付けられる。その際、バリスタは、バリスタ電圧が、それぞれ並列のIGBTの最大ブロック電圧よりも低く、しかしステップ電圧の最大瞬時値よりも高くなるように寸法設計される。
逆並列のスイッチユニットの対を成す2つのIGBTが、密な積層の形態で一体化されていることが特に有利である。
さらに、できるだけインダクタンスの低い並列区間という意味で、各バリスタを各IGBTのすぐ傍に位置決めし、積層内に組み込むことが特に有利である。このようにして、IGBTと並列に位置するバリスタとの間の非常に短い導線接続を実現することができる。この構成は、それ自体ns範囲内の非常に小さい応答遅延しか有さない、接続された非常に低いインダクタンスのバリスタへの0.1〜1μs以内の転流によって、負荷電流の最大瞬時値においても、IGBTを通って流れる負荷電流を非常に迅速に「確実に」オフに切り換えることができる。
IGBTを「確実に切り換える」ことで、IGBT内で変換されて生じるオフ切換損失エネルギーが顕著に減少し、ここで初めて、(以下により詳細に述べるように)瞬時負荷電流の任意の値における負荷時タップ切換器(OLTC)切換という本発明の切換の概念が可能になり、その際、OLTCでの追加の過渡インピーダンスが生じず、スイッチ巻線の迷走リアクタンスを認識する必要がなく、各場合の定格負荷電流またはステップ電圧にOLTCを適合させる必要がなく、かつオフに切り換わるIGBTスイッチ群と受電側のIGBTスイッチ群とをμsレベルで正確に時間的に同調する必要がない。
特許文献4および多くの他の公開文書から、IGBTと接続されたバリスタが既に知られている。しかし、従来技術では、それらのバリスタは、過電圧から半導体を保護するためにのみ役立ち、すなわち電圧制限機能しか有さない。
それに対して本発明では、各IGBTに並列に配置されたバリスタの機能は別のものである。すなわち、電源電圧によって発生された印加負荷電流が、オフに切り換えられるIGBTから並列に位置するバリスタに転流された(小さい転流回路)後、負荷電流が流れるバリスタは、そのI−U特性曲線に対応して電圧を生成し、この電圧は、電流の瞬時値への依存が比較的小さく、OLTCの切換プロセス中に実質的に一定である。
ここで、バリスタは、最大電流のピーク値がかかるときに生じるバリスタ電圧が、IGBTの最大逆電圧に対してまだ十分な安全マージンをもつように特に有利に寸法設計される。
他方で、オフに切り換えられるOLTC側から、ステップ電圧を介して、負荷電流を受け取る側に負荷電流が転流できる(大きい方の転流回路)ように、バリスタのクランプ電圧(1mAでのUvar)は、最大ステップ電圧のピーク値よりも明らかに高くなければならない。
バリスタでの電圧降下の瞬時値とステップ電圧の瞬時値との差ΔUにより、バリスタの特別な寸法設計によって、ステップ巻線の漏れインダクタンスおよびパワーインダクタンスを介して負荷時タップ切換器の受電側へ負荷電流が転流し、差ΔUが転流プロセスのdi/dtを決定する(di/dt=ΔU/LKom)。
これは、本発明の範囲内でのバリスタが、従来技術で知られているように過渡過電圧の低減には使用されないことを示している。本発明では、バリスタは、バリスタの分野では典型的でなく、従来技術では提案されていない以下の機能を担う。
・確実にオフに切り換わるIGBTからの負荷電流の受取り。
・負荷電流の瞬時値に依存せずに、IGBTの最大逆電圧と最大ステップ電圧のピーク値との間の電圧域内になければならない電圧降下の発生。
・負荷時タップ切換器の送電側から、逆向きのステップ電圧を介して、負荷時タップ切換器の受電側に負荷電流を転流する電圧時間領域の提供。
・本発明により、パワーエレクトロニクススイッチ群の非常に簡単で安価な寸法設計がなされる。なぜなら、かなり小さく、高価であり、容量の面での変更がわずかしかできないIGBTチップの容量に比べて、バリスタを用いた場合のエネルギー容量は適宜変更可能であり、相当大きいからである。
・バリスタによって負荷電流を導くこと、バリスタによって所要の転流電圧時間領域を提供すること、および同様にバリスタによって、その際に生じる損失エネルギーを受け取ることのさらなる好ましい効果として、オフに切り換わるIGBT群のオフ切換時点と受電側IGBT群のオン切換時点の同期に関して、非常に広い許容範囲が得られる。以下の切換モードが可能であり許容される。
稼動年数と共に、構成部品の老化および制御エレクトロニクスの動作点のずれにより、重畳または間断切換挙動が約±10μsのオーダーで調節される場合でも、本発明によるスイッチ概念ではそれにより機能故障が生じない。
要約すると、本発明は、以下の利点を有する。
・IGBTの熱的過負荷を伴わずに負荷電流の任意の瞬時値において切換を行えるオプション。
・負荷時タップ切換器のA側→B側またはB側→A側の非常に迅速な負荷電流転流プロセス(約10μs以内)。
・外乱振動の回避。
・ステップ電圧および定格通過電流の限界値を超えていない限り、各負荷時タップ切換器を、命令された場合(Bestellfalls)の具体的な定格ステップデータ(ステップ電圧、定格通過電流、漏れインダクタンス)に特注で適合させることは不要である。
・2つのIGBTスイッチ群のスイッチ時間のずれに関して非常に広い許容範囲を有するロバストで本質的に安全な転流コンセプト。比較的長時間の動作後も再調整が不要である。
以下、本発明を、図面に基づいて例としてより詳細に説明する。
図1に示されるように、2つの巻線タップtap nおよびtap n+1がそれぞれ、1つの機械的なスイッチDSaまたはDSbと直列接続部とを介して、負荷時タップ切換器放電部に接続され、直列接続部はそれぞれ、2つのn側の逆向きに接続されたIGBT IanとIapおよびn+1側のIGBT IbnとIbpからなる。直列に接続された一方の側のIGBT IanとIapおよび他方の側のIGBT IbnとIbpの2つにそれぞれに並列に、各1つのダイオードdan、dapまたはdbn、dbpが接続される。その際、各側のダイオード、すなわちdanとdapまたはdbnとdbpは、互いに逆向きに、すなわち導通方向を互いに逆向きにして接続される。
さらに、IGBTとダイオードのこれらの各並列接続に並列に各1つのバリスタVan、VapまたはVbn、Vbpが設けられる。
最後に、定常動作時にスイッチ機構全体をそれぞれ橋絡する各側にある主固定接点MCaまたはMCbも示される。両側のIGBT Ian、Iap;Ibn、Ibpは、従来技術から知られている1つの共通のIGBTドライバ(概略的にのみ図示する)によって制御される。
以下、例えばtap nからtap n+1への切換シーケンスをより詳細に説明する。基本位置では、負荷電流は、tap nから主固定接点MCaを介して負荷時タップ切換器放電部Yに流れる。
切換シーケンスの第1のステップとして、作動接点DSaおよびDSbが閉じられる。
次いで、IGBT IanおよびIapのゲートに開始電圧が印加される。ここで主固定接点MCaが開かれ、負荷電流ILをIGBT群Ian/Iapに転流させる。ILがIGBT群Ian/Iapを流れ始めてから10ms未満で、これらのIGBTがオフ切換命令を受け、それと同時にIGBT群Ibn/Ibpが(少なくとも通常は)オン切換命令を受ける。
オフに切り換わるIGBTで発生する電圧は、並列に位置しているバリスタに伝わる。数百ns後にバリスタのクランプ電圧に達すると、バリスタが導通し始め、それによりIGBT IanとIapの負荷電流の受取りが行われる。
バリスタは、負荷電流が流れるバリスタの電圧が、一方では並列のIGBTの最大ブロック電圧未満であり、他方ではステップ電圧の最大瞬時値よりも高い電圧範囲で変動するように本発明により寸法設計される。
バリスタ電圧の瞬時値がステップ電圧の瞬時値を超えていると、A側からほぼ一定のdi/dtで負荷電流が転流放出し、ステップ電圧およびステップ巻線Lσの漏れインダクタンスを介して同じdi/dt(この場合は正)でB側に移り進む(大きい方の転流回路)。A側でバリスタを通って流れる電流が連続的に減少するにも関わらず、バリスタ電圧は、1次近似では一定である。
約10μs後、電流が流れているA側のバリスタから、導通しているB側のIGBTに負荷電流がすべて転流する。A側の電流が値0に近づくことにより、スイッチ群Aでの電圧は根本的に変わる。
バリスタ電圧が崩壊し、過渡的な
が消滅し、IGBT−バリスタ群Aにステップ電圧が現れ、このステップ電圧は、並列に位置するダイオードとそれぞれまた並列に位置するバリスタのある一方の遮断するIGBTの極性に依存する。ステップ電圧のピーク値がかかった場合でさえ、バリスタは、有意な電流を通さない。
A側からB側への負荷電流のパワーエレクトロニクス転流が始まって10ms未満で、主固定接点MCbが閉じられ、IGBT群Bが分流される。次いで、IGBT Ibn/Ibpは、ゲート制御によって非導通状態に切り換えられる。
切換シーケンスは、機械的な作動接点DSaおよびDSbを開くことで終了し、これらの開いた接点が、ステップ巻線で有効となり得る過渡電圧要求からIGBTを保護する。
図2に、本発明による負荷時タップ切換器の変形回路が示されており、この回路では、各側の2つのバリスタVan、VapまたはVbn、Vbpが、それぞれ共通のバリスタVaまたはVbにまとめられている。ここでも同様に、各側の各機械的なスイッチDSaまたはDSbとそれに関連する側の各バリスタVaまたはVbとが、共通の負荷放電部に通じる直列接続部を形成する。
Claims (4)
- タップ変換変圧器の巻線タップ間で無瞬断切換を行うための半導体スイッチ素子を備える負荷時タップ切換器であって、
前記負荷時タップ切換器が、各巻線タップと接続可能な2つの負荷分岐部を有し、
前記半導体スイッチ素子が、IGBT(Ian、Iap;Ibn、Ibp)であり、
前記2つの負荷分岐部がそれぞれ、2つの逆向きに接続されたIGBT(Ian、Iap;Ibn、Ibp)からなる配置された直列接続部を介して、1つの共通の負荷放電部と電気的に接続され、
各IGBT(Ian、Iap;Ibn、Ibp)に並列に1つのダイオード(dan、dap;dbn、dbp)が接続され、各負荷分岐部での2つのダイオード(dan、dapまたはdbn、dbp)が互いに逆向きに接続される負荷時タップ切換器であって、
各負荷分岐部において、各1つの機械的なスイッチ(DSa、DSb)が、IGBT(Ian、Iap;Ibn、Ibp)と並列のダイオード(dan、dap;dbn、dbp)とからなる直列接続に直列に接続されること、
IGBT(Ian、Iap;Ibn、Ibp)と並列のダイオード(dan、dap;dbn、dbp)とからなる各並列接続に並列に各1つのバリスタ(Van、Vap;Vbn、Vbp)が接続されること、および
前記バリスタ(Van、Vap;Vbn、VbpまたはVa、Vb)が、そのバリスタ電圧が、それぞれ並列のIGBTの最大ブロック電圧よりも低く、しかしステップ電圧の最大瞬時値よりも大きくなるように寸法設計されることを特徴とする負荷時タップ切換器。 - 各IGBT(Ian、Iap;Ibn、Ibp)が、各IGBT(Ian、Iap;Ibn、Ibp)に並列に接続されたバリスタ(Van、Vap;Vbn、Vbp)およびダイオード(dan、dap;dbn、dbp)と共に、積層として構造上統合されることを特徴とする請求項1に記載の負荷時タップ切換器。
- 1つの負荷分岐部に提供される2つのバリスタ(Van、VapまたはVbn、Vbp)が、それぞれただ1つのバリスタ(Va、Vb)にまとめられることを特徴とする請求項1に記載の負荷時タップ切換器。
- 2つの負荷分岐部それぞれに並列に各1つの機械的な主固定接点(MCa、MCb)が提供されることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の負荷時タップ切換器。
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