JP2017112823A - フィールド制御スイッチの過電流保護のためのシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

【課題】フィールド制御スイッチの過電流保護のためのシステムおよび方法を提供する。【解決手段】方法は、スイッチの第１の端子からスイッチの第２の端子への電流であって、スイッチの線形領域の電流制限を超える電流を検知するステップを含む。方法は、スイッチのゲート電圧を第１の電圧から第２の電圧に制御するステップを含む。第２の電圧は、スイッチの作動領域でスイッチが動作することが可能になるように構成される。方法は、スイッチが作動領域で動作しているときスイッチを開くステップをさらに含む。【選択図】図５

Description

本明細書に開示する主題は、フィールド制御またはゲート制御スイッチを保護することに関し、より詳しくは、過電流の場合にスイッチを保護することに関する。

パワーエレクトロニクスは、しばしば、電気回路を開きおよび／または閉じ、電流の流れを遮断するおよび／または可能にするスイッチを含む。絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ：ｉｎｓｕｌａｔｅｄ−ｇａｔｅ ｂｉｐｏｌａｒ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）や金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）などの電子スイッチは、しばしば、スイッチの両端間を流れることができる電流を制御するためにパワーエレクトロニクスに使用される。これらの電子スイッチのいくつかの種類は、しばしば、そのスイッチ（Ｖ_GE）のゲート端子上への電圧の印加により開閉される。典型的には、スイッチのゲート電圧が、スイッチの別の端子（ソースまたはエミッタ）に対して閾値に達したとき、スイッチは、閉じ始め、コレクタおよびエミッタまたはドレインおよびソースとして参照することができる、スイッチの電力端子の間で電流が流れることが可能になる。

しかし、多くのスイッチは、制限された量の電流を用いて動作するように設計される。スイッチは、往々にして、より高い電流に耐えるように設計することができるが、スイッチの構成要素は、より大きくなる、または費用がより高くなる可能性がある。さらに、予期せぬ短絡または障害が起き得ることが可能でもある。スイッチは過熱および／または応力により損傷することがあるので、スイッチの電流制限を超えた場合、そのような電流制限を超えることからスイッチを保護することおよび／または過電流状態が生じた場合に備えてスイッチを保護することは有益であり得る。

米国特許第８８２３３５４号明細書

第１の実施形態において、方法が、スイッチの第１の端子からスイッチの第２の端子への電流であって、スイッチの線形領域の電流制限を超える電流を検知するステップと、スイッチのゲート電圧を第１の電圧から第２の電圧であって、スイッチの作動領域でスイッチが動作することを可能にするように構成される第２の電圧に制御するステップと、スイッチが作動領域で動作しているときスイッチを開くステップとを含む。

第２の実施形態において、システムが、スイッチの第１の端子からスイッチの第２の端子への電流であって、スイッチの線形領域の電流制限を超える電流を検知し、スイッチのゲート電圧を第１の電圧から第２の電圧であって、スイッチの作動領域でスイッチが動作することを可能にするように構成される第２の電圧に制御し、スイッチが作動領域で動作しているときスイッチを開くように構成されたゲート駆動ユニットを含む。

第３の実施形態において、システムが、スイッチと、１つまたは複数の駆動信号であって、スイッチを制御するように構成される駆動信号をスイッチに伝送するように構成された制御装置と、駆動信号に基づいてスイッチを制御するためにゲート電圧、ゲート電流、またはそれらの組合せを提供するように構成されたゲート駆動ユニットであって、スイッチの第１の端子からスイッチの第２の端子への電流であって、スイッチの線形領域の電流制限を超える電流を検知し、スイッチのゲート電圧を第１の電圧から第２の電圧であって、スイッチの作動領域でスイッチが動作することを可能にするように構成される第２の電圧に制御し、スイッチが作動領域で動作しているときスイッチを開くように構成されたゲート駆動ユニットとを含む。

本開示のこれらのおよび他の特徴および態様は、図面全体を通して同じ文字が同じ部分を表す添付の図面を参照して提供される。

絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）のゲート駆動ユニットを１つの位置において示す電力変換器の実施形態の回路図である。 図１のＩＧＢＴの出力特性の実施形態を図示するグラフである。 図１のＩＧＢＴの逆バイアス安全動作領域（ＲＢＳＯＡ：ｒｅｖｅｒｓｅ ｂｉａｓ ｓａｆｅ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ａｒｅａ）の実施形態を図示するグラフである。 図１のＩＧＢＴの短絡安全動作領域（ＳＣＳＯＡ：ｓｈｏｒｔ ｃｉｒｃｕｉｔ ｓａｆｅ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ａｒｅａ）の実施形態を図示するグラフである。 本技法による、方法の実施形態の流れ図である。 過電流保護なしのＩＧＢＴの動作の実施形態を図示するグラフである。 過電流保護を有するＩＧＢＴの動作の実施形態を図示するグラフである。

本明細書に開示する主題は、電力スイッチを保護することに関し、より詳しくは、電流が動作制限を超えたときスイッチを保護することに関する。

絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）や金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）などのスイッチは、実に様々な適用例および産業に使用される。例えば、トラクション変換器などの電力変換器は、電力を直流（ＤＣ：ｄｉｒｅｃｔ ｃｕｒｒｅｎｔ）から交流（ＡＣ：ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ ｃｕｒｒｅｎｔ）に変換するまたは電圧を変更することができる。電力変換器は、典型的には、ゲート駆動ユニットによってスイッチのゲートに提供されるゲート電圧により開閉する１つまたは複数のスイッチを含むことができる。ゲート駆動ユニットは、ＡＣ電力を提供するようにスイッチを制御する制御装置から受け取った信号に基づいて動作することができる。

スイッチの通常動作は、スイッチを流れる電流の流れを可能にするまたは不能にするためにスイッチを開くステップおよび閉じるステップを含むことができる。例えば、電流は、スイッチを閉じたとき、スイッチの１つの電力端子（例えばコレクタ）から別の端子（例えばエミッタ）に流れることができる。しかし、１つまたは複数のスイッチなどの電力変換器の部分を流れて導通される高レベルの電流（例えば、設計最大値を超える）を生じることがある電力変換器の動作中に故障が起きることがある。あいにく、スイッチの電流制限を超える電流を導通している間にスイッチが開いた場合、スイッチは、スイッチを通る過剰な電流、電圧、または電力により破壊する恐れが増大する。過剰な電流、電圧、または電力により、スイッチが耐えるように設計されていない過熱または電界の発生を生じることがある。

スイッチは、スイッチを通るスイッチのゲート電圧および／または電流により線形領域または作動領域で動作することができる。線形領域で動作するとき、スイッチの第１の端子と第２の端子との間の電圧は、典型的には、数百ミリボルトから数ボルトの範囲にある。作動領域で動作するとき、スイッチの第１の端子と第２の端子との間の電圧は、典型的には数百ボルトの範囲にある、電力変換器の動作電圧まで増加することがあり、スイッチは、閉状態にある間、導通される電流を制限することができる。通常動作の間、スイッチは、電流が増加するときの電圧の線形増加に関連付けられた線形領域で動作することができる。スイッチを流れる電流が増加する、またはゲート電圧が減少するとき、スイッチは作動領域で動作することができる。

スイッチは、逆バイアス安全動作領域（ＲＢＳＯＡ）やＲＢＳＯＡの制限よりも高い１つまたは複数の制限を用いる短絡安全動作領域（ＳＣＳＯＡ）などの、スイッチの一方の電力端子から他方の端子への電流の流れおよび／またはスイッチの一方の電力端子から他方の端子にわたる電圧の組合せに対して２つ以上の動作制限を有することができる。開く前に（例えば、ターンオフの前に）、スイッチは作動領域または線形領域で動作することができる。スイッチは、典型的には、スイッチが閉状態にある間（例えば開く前）スイッチが線形領域で動作する通常動作の間、適用されるＲＢＳＯＡ制限内で動作する。ＳＣＳＯＡ制限は、スイッチが閉状態にある間（例えば開く前）作動領域で動作するとき適用される。線形領域で動作しているときスイッチを流れる電流がＲＢＳＯＡの電流制限を超えた場合、スイッチが耐えるように製造業者が設計したものを超えることによるスイッチへの損傷の恐れが増大する。

典型的には、スイッチが線形領域で動作するのかまたは作動領域で動作するのかは、スイッチのゲート電圧によって決まる。ゲート電圧が低減した場合、スイッチは、作動領域で動作するように移行することができる。ゲート駆動ユニットは、ＲＢＳＯＡの電流制限を超える過電流を検知するように構成することができる。スイッチが線形領域で動作している間にこの過電流状態を検知し次第、ゲート駆動ユニットは、ＳＣＳＯＡが適用されるところへの指令されたターンオフの前に、スイッチを作動領域で動作させるようにゲート電圧を制御することができる。より高い動作制限が適用される作動領域で動作するようにスイッチを制御することによって、スイッチは安全に開くことができる。

図を見てみると、図１は、採鉱用トラック（ＯＨＶ）および機関車に使用されるトラクション変換器８の例である。トラクション変換器が本明細書で使用されるが、それは単に例にすぎず、スイッチの任意の適切な適用例を使用することができる。図１に示すように、燃焼機１０および発電機１２が、ＤＣバス１５にわたってＤＣ電圧Ｖ_DC出力を提供するダイオード１４（例えば、ダイオードブリッジ整流器）に結合される。トラクション変換器８は、トラクションモータ１８に三相電力１６を提供するためにＤＣ電圧Ｖ_DCを利用する。すなわち、トラクション変換器８は、ＤＣ電圧Ｖ_DCを三相ＡＣ電圧１６に変換するためにＩＧＢＴなどの１つまたは複数のスイッチ２０を有するインバータ回路を含むことができる。例として、図１は、１つのスイッチから別のスイッチへの電流の転流のための低ループインダクタンス（例えば、１００ｎＨ）を提供するために６つのＩＧＢＴ（スイッチ２０）に結合されたＤＣリンクコンデンサ（Ｃ_DC）を含むトラクション変換器８を示す。転流プロセスは、同じ脚部内で２つのスイッチ２０の間で行うことができる（例えば、Ｔ１／Ｔ６、Ｔ３／Ｔ２、およびＴ５／Ｔ４）。

１つまたは複数のスイッチ２０は、スイッチ２０を開閉する（例えば、スイッチをターンオンまたはターンオフする）ための駆動電圧および／または電流を提供する１つまたは複数のゲート駆動ユニット２６に結合することができる。例えば、図１に示すように、各スイッチ２０は、ゲート駆動ユニット２６によって駆動することができ、またはゲート駆動ユニット２６は複数のスイッチを駆動するのに使用することができる。１つまたは複数のゲート駆動ユニット２６は、三相ＡＣ電圧１６を提供するためにスイッチ２０の開閉を制御する制御装置２８に結合することができる（例えば、電気的におよび／または通信可能に）。制御装置２８は、駆動信号３０（例えば、開または閉信号）を１つまたは複数のゲート駆動ユニット２６に伝送することができ、帰還信号３２をゲート駆動ユニット２６から受け取ることができる。同様に、１つまたは複数のゲート駆動ユニット２６は、駆動信号３０を制御装置２８から受け取り、帰還信号３２（例えば、ＯＫ／障害）を制御装置２８に伝送することができる。制御装置２８は、ＤＣ電圧、相電圧、相電流、または他のゲート駆動ユニットの他の駆動および帰還信号に関連した信号を受け取りおよび／または伝送することができる。任意の数のゲート駆動ユニット２６は、任意の数のスイッチ２０に結合することができるが、説明のために、本開示は、スイッチ２０に結合されたゲート駆動ユニット２６を参照するものとする。

ある実施形態において、ゲート駆動ユニット２６は，レベルシフタおよび／または増幅器など、本明細書に説明する方法を実施するために様々な回路を含むことができる。例として、ゲート駆動ユニット２６および／または制御装置２８は、プロセッサ３５もしくは複数のプロセッサ、メモリ３７、および／またはフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）３９を含むことができる。プロセッサは、ゲート駆動ユニット２６を介してスイッチ２０の動作を制御することなど、現在開示される技法を遂行するための命令を実行するためにメモリに動作可能に結合することができる。これらの命令は、メモリおよび／または他の記憶装置などの有形の非一時的コンピュータ可読媒体に記憶されるプログラムまたはコードに符号化することができる。プロセッサは、汎用プロセッサ、システムオンチップ（ＳｏＣ）デバイス、または特定用途向け集積回路、またはある他のプロセッサ構成でよい。

メモリ３７は、実施形態において、制限なく、ハードディスクドライブ、固体ドライブ、ディスケット、フラッシュドライブ、コンパクトディスク、デジタルビデオディスク、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、ファームウェア、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、フラッシュメモリなど）および／またはプロセッサが命令（例えば、コード）および／またはデータを記憶し、取り出し、および／または実行することを可能にする任意の適切な記憶デバイスなどのコンピュータ可読媒体を含むことができる。メモリ３７は、１つまたは複数の局部および／または遠隔記憶デバイスを含むこともできる。

トラクション変換器８の障害または故障は、任意の数の理由で起きることがあり、いくつかの障害を本明細書に説明するが、これらは単に例にすぎない。多くの場合、故障は、電力変換器の内側で起きる低インダクタンス故障（例えば、最大１μＨまでの）と、負荷／マシン（例えば、モータ１８）の内側で起きる高インダクタンス故障（例えば、１μＨから最大マシンインダクタンスレベルまでの）とに分類することができる。低インダクタンスの例として、集中インダクタンスＬσ２４は、転流ループ２５のループインダクタンスを含むように示される。対照的に、トラクションモータ１８のモータ巻線のインダクタンスは、集中インダクタンスＬσ２４よりも約３〜４桁大きい可能性がある。例えば、制御装置２８がスイッチ２０の１つまたは複数の動作制限を超える高い電流の変化を検出した場合、制御装置２８は、損傷がスイッチ２０に起きるのを防止するために開コマンドをゲート駆動ユニット２６に送ることができる。高インダクタンス故障中の高電流により、制御装置２８は、動作制限を超えたとき開コマンドを送ることができる。これらの高電流により、スイッチに損傷が生じることがあるので、電流がスイッチの動作制限を超えたときの開路中、スイッチ２０を保護することが望ましい。

所与の変換器において脚部によって見られる転流インダクタンスは、ｋがＤＣリンク値Ｕ_DCを超える許容ｐ．ｕ．電圧オーバーシュートである場合、およびｍａｘ（ｄＩ_CE／ｄｔ＿ｏｆｆ）がスイッチのターンオフの間のスイッチの第１の端子からスイッチの第２の端子への電流の導関数の最大値である場合、全転流インダクタンスが次式を満足するようなものであり得る。

例として、Ｕ_DC＝８００Ｖであり、Ｕ_blocking＝１２００Ｖ（単一スイッチの）である場合、ｋ＝（１２００−８００）／８００＝０．５である。次いで、ｍａｘ（ｄＩ_CE／ｄｔ＿ｏｆｆ）＝１２ｋＡ／μｓである場合、Ｌ_S≦３３ｎＨである。例として、高インダクタンス故障は、およそ１０ｘＬｓ、または１μＨよりも大きいインダクタンスを含むことができる。

トラクション変換器８のスイッチ２０は、ゲート電圧３４（Ｖ_GE）によって制御することができる。すなわち、ゲート電圧により、スイッチ２０は電流をスイッチの第１の電力端子２９（例えば、コレクタ）から第２の電力端子３１（例えば、エミッタ）に流れることを可能にすることができる。例えば、ゲート駆動ユニット２６が適当なゲート電圧３４を提供することによってスイッチ２０を閉じた場合、電流２７は、回路中を流れることができる（例えば、スイッチ２０のコレクタとエミッタとの間）。したがって、制御装置２８は、トラクションモータ１８を動作させるのに望ましい電力を出力するやり方でスイッチ２０を開閉するゲート電圧３４に提供するために、駆動信号をゲート駆動ユニット２６に送ることができる。

スイッチが開いている間、スイッチ２０の設計制限を超えることからスイッチ２０を保護することが望ましい。例えば、図１は、安全動作領域（ＳＯＡ）がスイッチ２０の動作パラメータに適用される時間を示す図表３６を含む。図表３６に示すように、スイッチ２０を閉じたときからスイッチを開いたときまでの移行時間の間、逆バイアス安全動作領域（ＲＢＳＯＡ）を適用することができる。さらに、スイッチを開いたときからスイッチを閉じたときまでの移行時間の間、順バイアス安全動作領域（ＦＢＳＯＡ）を適用することができる。

スイッチ２０は、スイッチのゲート電圧および／またはスイッチを流れる電流により、線形領域または作動領域で動作することができる。線形領域では、スイッチは、閉状態で増加する電流を導通することができる。作動領域では、スイッチは、閉状態にある間、導通される電流を制限することができる。図２はスイッチ２０の出力特性を有するグラフ４０を示す。典型的には、スイッチ２０が閉じ、コレクタ電流２７Ｉ_Cが、通常の動作範囲（例えば、安全動作領域を越えない）にあるとき、スイッチ２０は、いわゆる線形領域４２（例えば、障害または短絡状態が何も存在しないとき）でまたは「飽和状態で」動作する。線形領域４２は、スイッチ２０を流れる電流が増加するとき、増加する電圧に関連付けられる。スイッチ２０を流れる電流２７が線形領域４２を超えた場合、スイッチ２０は、いわゆる作動領域４４で動作する。作動領域４４は、電流がおよそ一定のままであり、電圧が指定されない電流制限特性に関連付けられる。参照符号４６で示すように、グラフ４０は、スイッチ２０が線形領域４２から作動領域４４に移行する、ｙ軸４８上のコレクタ電流２７Ｉ_Cおよびｘ軸５０上のコレクタエミッタ間電圧Ｖ_CEが、ゲート電圧３４Ｖ_GE（例えば、Ｖ_GE3に対するＩ₃、Ｖ_GE2に対するＩ₂）に基づいてどのように変化するかを示す。典型的には、ゲート駆動ユニット２６は、閉じた（例えば、オン状態にある）とき、ＩＧＢＴが線形領域４２で動作することが可能になるゲート電圧３４を提供する。

線形領域４２から作動領域４４に移行するステップは、脱飽和（例えば、ゲート電圧３４Ｖ_GE＝Ｖ_GE3であるとき参照符号５２で示す）と呼ばれる。グラフに基づいて、脱飽和がスイッチ２０上で起きるために、電流２７を増加させることができおよび／またはゲート電圧３４を減少させることができる。作動領域４４で動作するスイッチ２０によって、障害または短絡故障の場合、電流２７を制限することができ、損傷を防止することができる。短絡状態とは、理想とみなされるスイッチを流れる電流が寄生性の外部受動構成要素によって制限される事象である。スイッチが理想的ではない（０抵抗をもたない）が、作動領域を有するので、スイッチは、短絡状態が存在するとき、結局短絡電流を制限することになるスイッチである。ゲート電圧３４を減少させることによって、作動領域４４に移行するために電流閾値レベルが減少し、それにより、電流２７を制限する。例えば、ゲート駆動ユニット２６がゲート電圧３４をＶ_GE3からＶ_GE2に減少させた場合、作動領域４４に移行するためのコレクタ電流閾値がＩ₃からＩ₂に減少する。

スイッチ２０は、スイッチ２０を制御する（例えば、開閉する）ための電流制限を識別する１つまたは複数の安全動作領域に関連付けることができる。スイッチ２０の安全動作領域は、スイッチ２０が動作するように設計される、製造業者定義の領域でよい。安全動作領域は、ドーピング、材料、構成要素、サイズなど、スイッチ２０の特性に基づくことができる。さらに、異なる安全動作領域を異なる時間に適用することができ、異なる安全動作領域は、異なる制限を含むことができる。例えば、スイッチ２０は、逆バイアス安全動作領域（ＲＢＳＯＡ）と、ＲＢＳＯＡの制限よりも高い１つまたは複数の制限を用いる短絡安全動作領域（ＳＣＳＯＡ）とを有することができる。図３および４は、スイッチ２０の電流２７、電力、および電圧の制限（例えば、スイッチのコレクタとエミッタとの間）を詳述する安全動作領域を示す。スイッチ２０を開く前にスイッチ２０が線形領域で動作していたとき、ＲＢＳＯＡ制限が適用される。スイッチ２０が、閉状態にある間、作動領域４４で動作したとき、ＳＣＳＯＡ制限（例えば、電流制限６４）がスイッチ２０に適用されるが、ＲＢＳＯＡ制限は適用されない。

これらの制限は、線形領域４２にあるときよりもＩＧＢＴのベースにおいてキャリアがより少ないとき、ＩＧＢＴなどの多くのスイッチ２０が作動領域４４で動作するので、異なる時間に適用することができる。線形領域４２では、ＩＧＢＴの低ドープベースは、電気抵抗を減少させるためにキャリアであふれ、それに応じて、ベースにおいて電圧が降下する。キャリアは、ＩＧＢＴが飽和状態からターンオフされたとき、一掃される。キャリアの一掃は、デバイスの破壊を避けるためにより低いＲＢＳＯＡ制限により考慮に入れられる、ＩＧＢＴチップにおける応力の増加をもたらす。ＩＧＢＴが脱飽和状態または作動領域からターンオフされたとき、ＩＧＢＴのベースにはキャリアがわずかしかなく、それによって、飽和状態からのターンオフに比較して応力の低減をもたらし、それに応じて、ＳＣＳＯＡからより高い電流および電力制限を適用することが可能になる。

図３は、ＩＧＢＴなどのスイッチ２０の通常のターンオフの間に適用されるＲＢＳＯＡのグラフ５４である。図３のＲＢＳＯＡは、スイッチ２０が安全に動作することが期待される電圧および電流状態の制限を定義することができる（例えば、スイッチ２０を開くとき）。電流２７がＲＢＳＯＡの電流制限を超えたとき過電流が起きることがある。電流制限を超えることによって、過電流中にスイッチ２０を開いたとき電力および電圧制限を超える可能性がある。例えば、スイッチ２０は、電流制限５６（すなわち、Ｉ_X）、電力制限５８（すなわち、Ｐ_X）、および／または電圧制限６０（すなわち、Ｖ_X）を定義するＲＢＳＯＡを有することができる。例えば、いくつかのＩＧＢＴは、定格を３ｋＡの最大パルス電流（Ｉ_CM）、１．５ｋＡの定格電流の２倍の、３．３ｋＶ／１．５ｋＡとして、電圧および電流制限を有することができる。電流制限５６は、Ｉ_CMと等しくてよい。スイッチ２０を開いたとき、スイッチ２０を流れる電流２７が電流制限５６を超える場合（例えば、過電流）、温度制限の超過およびボンドワイヤ上の過熱または過剰な応力などのスイッチ２０の損傷および／または破壊の恐れが増大する。同様に、スイッチ２０を開いたとき電力制限５８および／または電圧制限６０を超えた場合、スイッチ２０が過熱または過剰な電界強度により破壊することがある。言い換えれば、スイッチは、スイッチが動作するように設計されたところを超える電流および／または電圧により破壊することがある。さらに、電流レベルが高いと、結果として電圧制限６０および電力制限５８を超えることにもなり得る。したがって、スイッチ２０は、スイッチ２０を流れる電流２７が電流制限５６を超えたとき、安全にターンオフすることができない。ＲＢＳＯＡが適用され、スイッチ２０を開いたとき過電流が起きる場合、スイッチ２０の１つまたは複数の特性を、ＳＣＳＯＡが適用され、ＲＢＳＯＡが適用されないように改変し得るならば望ましい可能性がある。

スイッチ２０は、短絡状態中に短い時間にわたって（例えば、５〜２０μｓまたはおよそ１０μｓ）適用されるＳＣＳＯＡと関連付けることもできる（例えば、上記図２で説明したスイッチ２０が作動領域４４で動作するとき）。図４は、短い時間にわたる短絡状態中の様々な特性（例えば、電流、電圧、電力）の制限を示すスイッチ２０のＳＣＳＯＡのグラフ６２である。ＲＢＳＯＡと同様に、ＳＣＳＯＡは、電流制限６４（すなわち、Ｉ_Y）、電力制限６６（すなわち、Ｐ_Y）、および／または電圧制限６８（すなわち、Ｖ_Y）を定義することができる。図４に示すように、ＲＢＳＯＡ電流制限５６は、ＳＣＳＯＡ電流制限６４よりも低い（例えば、Ｉ_Y＞Ｉ_X）。したがって、スイッチ２０は、ＲＢＳＯＡの電流制限（例えば、Ｉ_X）を超えるが、ＳＣＳＯＡの電流制限（例えば、Ｉ_Y）を越えない過電流を有することができる。例えば、破断線で表される図４の領域７０は、ＲＢＳＯＡ電流制限５６を超え、ＳＣＳＯＡ電流制限６４未満で動作するスイッチ２０と関連付けられる。そのような時間の間、ＲＢＳＯＡ電流制限５６が適用されるとき、スイッチ２０が開こうとした場合、上記のように、損傷の恐れが増大する。しかし、ＳＣＳＯＡ電流制限６４が適用されるときスイッチ２０が開いた場合、スイッチ２０は、スイッチ２０を安全にターンオフするために制御された開路（例えば、制御されたソフトターンオフ）を実施することができ、それにより、損傷の恐れが増大することからスイッチ２０を保護することができる。したがって、ＳＣＳＯＡが適用されるようにスイッチ２０を作動領域４４に移行させるステップ（例えば、脱飽和させるステップ）を利用して、ＲＢＳＯＡを越えて動作する間、スイッチ２０を開かないように保護することができる。このようにして、スイッチは、スイッチが動作するように設計されているところに対して任意の製造業者が定義した制限を越えない。

一実施形態において、ＲＢＳＯＡ電流制限５６を超える過電流状態がスイッチ２０上に存在するとき、スイッチ２０を作動領域４４に移行させて、スイッチ２０を開かないように保護するために制御装置２８と連動してゲート駆動ユニット２６を使用することができる。図５は、スイッチ２０を保護するためにゲート駆動ユニット２６および／または制御装置２８によって実施されるプロセス７２の流れ図である。プロセス７２は、制御装置２８および／またはゲート駆動ユニット２６のメモリに記憶し、１つまたは複数のプロセッサによって命令として実行することができる。別の実施形態において、プロセス７２をフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）および／またはロジックゲートを介してゲートドライバおよび／または制御装置内で実装することができる。ゲート駆動ユニット２６および／または制御装置２８は、過電流を検知するためにスイッチ２０を流れる電流を監視する（ブロック７４）ように構成することができる。過電流は、本明細書に説明するように、コレクタ電流２７Ｉ_CがＲＢＳＯＡ電流制限５６を超え、短絡電流制限６４を越えない（例えば、下回る）ことを示すことができる。言い換えれば、過電流は、ＲＢＳＯＡ電流制限５６を超えながら（例えば、「飽和状態」過電流）スイッチ２０が線形領域４２で動作しているとき起き始めることがある。

ゲート駆動ユニット２６は、様々なやり方で過電流を検知することができる。例えば、電流２７を測定または推定することができ、および／または温度特性を監視することができる。一実施形態において、過電流は、オン状態（Ｖ_ceSat）でスイッチ２０の端子間の電圧降下（例えば、図１のコレクタエミッタ間電圧８８）を監視することによってゲート駆動ユニット２６上で検知される。ゲート駆動ユニット２６は、電圧降下を監視するための１つまたは複数のセンサを含むことができる。場合により、電圧降下は、温度に依存する可能性もある。したがって、スイッチ２０の接合部温度の推定または測定は、過電流の検知に利用することができる（例えば、電圧降下と連動して）。温度を検知するために、追加のセンサをゲート駆動ユニット２６に含めることができる。そのような場合、温度補償測定を局部温度による任意のバイアスを取り消すのに使用することができる。電流２７は、電圧降下ＶｃｅＳａｔを示す信号の受領に基づいて決定することもできる。図２に示すように、電流２７は、電圧降下Ｖ_CEおよび／または温度に基づいて推測することができる。例えば、電流２７は、電圧降下Ｖ_CEを電流２７に関連付けるルックアップテーブルまたは多項式関数を利用することによって決定することができる。

制御装置２８および／またはゲート駆動ユニット２６は、スイッチ２０を流れる電流２７がＲＢＳＯＡ閾値を超える（例えば、過電流が起きるほかないかまたは起きそうである）かどうかを決定することができる（ブロック７６）。過電流が何も検知されない場合、スイッチ２０を流れる電流２７を継続して監視することによってプロセス７２を再度開始することができる（ブロック７４）。制御装置２８および／またはゲート駆動ユニット２６が、過電流が起きるほかないまたは起きそうであることを決定した場合（例えば、上記のＶ_CEおよび／または温度を介して）、ゲート駆動ユニット２６は、ゲート電圧３４をスイッチ２０の閉路に関連付けられた（例えば、スイッチが線形領域で動作することが可能になる）第１のプリセット電圧（例えば、図２のＶ_GE3）から第２のプリセット電圧（例えば、図２のＶ_GE2）に減少させることができる（ブロック７８）。第２の電圧は、電流２７がＲＢＳＯＡ電流制限５６を超えるとき、スイッチ２０が作動領域（すなわち、短絡状態）で動作すること確実にすることに基づくことができ、それにより、ＲＢＳＯＡをもう適用させないことができる。第２の電圧は、第１の電圧よりも低くてよく、スイッチ２０がＲＢＳＯＡ制限と異なる制限（よりも大きい）に関連付けられた作動領域４４で動作することが可能になる。いくつかの実施形態において、ゲート電圧３４を減少させることにより、スイッチ２０を脱飽和させ、線形領域４２における動作から作動領域４４における動作に移行させる。ゲート電圧３４が第２の電圧に減少したとき、スイッチ２０は脱飽和に移行する。すなわち、第２の電圧により、電流２７がＲＢＳＯＡ電流制限５６を超えたとき、スイッチ２０が作動領域４４で動作することを確実にすることができる。例えば、図２において、ＲＢＳＯＡ電流制限５６がＩ₂以上である場合、第２の電圧はＶ_GE2であり、第２の電圧をゲート電圧３４として印加することにより、スイッチ２０の脱飽和が確実になり、それは短絡における状態に等しい。

次いで、ゲート駆動ユニット２６は、適当な時間にスイッチ２０を開く（ブロック８０）ことができる（例えば、スイッチが短絡状態にあるとき制御されたソフトターンオフを実施する）。ＩＧＢＴのベースに蓄積されたキャリアは、飽和状態からのターンオフにおいて応力を増加させることができ、ゲート駆動ユニットによってターンオフの可制御性を制限することもできる。スイッチ２０が脱飽和され、作動領域にある場合、ゲート駆動ユニットは、定義された下降ゲート電圧勾配を適用することによって電流２７を制御されたやり方でゼロまで低減することができる。そのようにして、ＳＣＳＯＡの電力および電圧制限を超えることを防止することができる。飽和状態からの過電流ターンオフの場合、キャリアの蓄積によって生じた可制御性の制限のため、ＲＢＳＯＡの電力および電圧制限を超えるのを防止することは困難または不可能である可能性がある。

図６Ａは、過電流保護なしのゲート駆動ユニットおよびスイッチのターンオフの例のグラフ９６である。グラフ９６に示すように、第１の端子２９から第２の端子３１への電流２７は、信号１０４として示される。さらに、グラフ９６は、スイッチ２０にわたる第１の端子２９から第２の端子３１への電圧を示す信号９７を含む。信号１００はスイッチ２０のゲート電圧３４を示す。図６Ａにおいて、電流信号１０４はＲＢＳＯＡ電流制限５６を超える。この過電流状態の間、スイッチ２０は、脱飽和を受けることなく制御されたソフトターンオフ１０２を実施する。結果として、電圧信号１０４は、過電流および過電流保護をターンオフするステップが使用されないとき、電圧スパイク９８においてＲＢＳＯＡ電圧制限６０を超えるスイッチ２０の両端間の電圧を示す。これは、Ｖ_GE１００が、スイッチ２０のターンオフ１０２を実施する前の過電流状態１０４の間、低減されないことによる可能性がある。

対照的に、図６Ｂは、過電流保護を有するゲート駆動ユニット２６およびスイッチ２０のターンオフの例のグラフ１０６である。図６Ｂは、図６Ａの電流および／または電圧の大きさとは異なる電流および／または電圧の大きさを用いて拡大縮小することができる。例えば、拡大縮小の差を反映するために同じＲＢＳＯＡ電流制限５６が両方の図で示される。グラフ１０６は、スイッチ２０の第１の端子２９から第２の端子３１への電流信号１０８および電圧信号１１４を含む。さらに、グラフ１０６はゲート電圧信号１１０を含む。電流信号１０８がＲＢＳＯＡ電流制限５６を超えたとき、過電流状態が起きる。この場合、ゲートドライバは、脱飽和位相１１２の間、ゲート電圧（Ｖ_GE）信号１１０を低減するように構成される。脱飽和位相１１２の後、スイッチ２０は、典型的にはＲＢＳＯＡおよびＳＣＳＯＡにおいて同じである、スイッチ２０の電圧制限を超えないようにスイッチ２０を保護するために、制御されたソフトターンオフ１１６を実施することができる。ソフトターンオフ１１６は、過電流が何もないときスイッチ２０の典型的な開路よりも遅い速度でスイッチ２０を開くステップを含むことができる。スイッチ２０のより遅い開路により、ソフトターンオフを使用することによって、スイッチ２０の両端間の電圧のより小さな変化が起きて、スイッチの能力を超える過電圧を防止する。

先行する明細書において、様々な実施形態を添付の図面を参照して説明してきた。しかし、以下に続く特許請求の範囲に記載された本開示のより広い範囲から逸脱することなく、それらに様々な修正および変更を加えることができ、追加の実施形態を実装することができることは明らかであろう。本明細書および図面は、それに応じて、制限的な意味よりも例示的な意味でみなされるものとする。

ここで、本明細書に説明する発電デバイスおよび方法は、固定または可動適用例に採用することができることに留意されたい。固定適用例に関して、適切なシステムは発電を含むことができる。適切な発電システムは、燃料エンジン駆動システム、風力発電システム、太陽光システム、水力発電システムなどを含むことができる。適切な可動適用例は、車両および携帯デバイスを含む。車両は、乗用車、商用車、機関車、オフハイウェイおよび採鉱用車両、農業用車両、船舶、および航空機を含むことができる。

本明細書に説明する発電デバイスおよび方法には、入力データの処理および出力データの生成がある程度関与することができることも理解されたい。この入力データ処理および出力データ生成は、ハードウェアまたはソフトウェアで実装することができる。例えば、具体的な電子構成要素を、上記のように、改善された発電を提供することに関連付けられた同様のまたは関連した回路に採用することができる。そのような場合、そのような命令を１つまたは複数のプロセッサ可読記憶媒体上に記憶する、または１つまたは複数のプロセッサに伝送することができることは本開示の範囲内にある。

この書面による説明は、最良の態様を含めて本開示を開示するために、また当業者が任意のデバイスまたはシステムを製作し使用し、任意の組み込まれた方法を実施することを含めて本開示を実施することが可能になるためにも例を使用する。本開示の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者に思いつく他の例を含むことができる。そのような他の例は、それらが特許請求の範囲の文字通りの言語と異ならない構造的要素を有する場合、またはそれらが特許請求の範囲の文字通りの言語と非実質的に異なる同等の構造的要素を含む場合、特許請求の範囲内にあることが意図されている。

８ トラクション変換器
１０ 燃焼器
１２ 発電機
１４ ダイオード
１５ ＤＣバス
１６ 三相電力、三相ＡＣ電圧
１８ トラクションモータ
２０ スイッチ
２４ 集中インダクタンスＬσ
２５ 転流ループ
２６ ゲート駆動ユニット
２７ コレクタ電流
２８ 制御装置
２９ 第１の電力端子
３０ 駆動信号
３１ 第２の電力端子
３２ 帰還信号
３４ ゲート電圧
３５ プロセッサ
３６ 図表
３７ メモリ
３９ フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）
４０ グラフ
４２ 線形領域
４４ 作動領域
４６ 参照符号
４８ ｙ軸
５０ ｘ軸
５２ 参照符号
５４ グラフ
５６ 電流制限
５８ 電力制限
６０ 電圧制限
６２ グラフ
６４ 電流制限
６６ 電力制限
６８ 電圧制限
７０ 領域
７２ プロセス
７４、７６、７８、８０ ブロック
９６ グラフ
９７ 信号
９８ 電圧スパイク
１００ 信号
１０２ ソフトターンオフ
１０４ 電圧信号、電流信号、過電流状態
１０６ グラフ
１０８ 電流信号
１１０ ゲート電圧信号
１１２ 脱飽和位相
１１４ 電圧信号

Claims (20)

1. スイッチ（２０）の第１の端子（２９）から前記スイッチ（２０）の第２の端子（３１）への電流を検知するステップであって、前記電流が、前記スイッチ（２０）の線形領域の電流制限を超える、検知するステップと、
   前記スイッチ（２０）のゲート電圧（３４）を第１の電圧から第２の電圧に制御するステップであって、前記第２の電圧が、前記スイッチ（２０）の作動領域で前記スイッチ（２０）が動作することが可能になるように構成される、制御するステップと、
   前記スイッチ（２０）が前記作動領域で動作しているとき前記スイッチ（２０）を開くステップとを含む、方法。
2. 前記スイッチ（２０）が、前記ゲート電圧（３４）が前記第２の電圧まで減少したとき脱飽和に移行するように構成される、請求項１記載の方法。
3. 前記第２の電圧が、前記電流が前記線形領域の逆バイアス安全動作領域（ＲＢＳＯＡ）の前記電流制限を超えるとき、前記スイッチ（２０）が短絡安全動作領域（ＳＣＳＯＡ）で動作するように移行することを確実にするステップに基づく、請求項１記載の方法。
4. 前記ＲＢＳＯＡが、前記スイッチ（２０）が耐えるように設計される電圧、電流、または任意のそれらの組合せの状態を含む、請求項３記載の方法。
5. 前記スイッチ（２０）が、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）である、請求項１記載の方法。
6. 前記ゲート電圧（３４）を制御するステップが、前記スイッチ（２０）を前記作動領域で動作させるために前記ゲート電圧（３４）を減少させるステップを含む、請求項１記載の方法。
7. 前記過電流が、短絡安全動作領域（ＳＣＳＯＡ）の電流制限を越えない、請求項１記載の方法。
8. 前記第２の電圧を前記ゲート電圧（３４）として使用して前記スイッチ（２０）を開くステップが、前記第１の端子（２９）から前記第２の端子（３１）への前記スイッチ（２０）を流れる前記電流を制限することによって、前記スイッチ（２０）によって受け取られる電圧オーバーシュートを低減する、請求項１記載の方法。
9. スイッチ（２０）の第１の端子（２９）から前記スイッチ（２０）の第２の端子（３１）への電流であって、前記スイッチ（２０）の線形領域の電流制限を超える電流を検知し、
   前記スイッチ（２０）のゲート電圧（３４）を第１の電圧から第２の電圧であって、前記スイッチ（２０）の作動領域で前記スイッチ（２０）が動作することが可能になるように構成される第２の電圧に制御し、
   前記スイッチ（２０）が作動領域で動作しているとき前記スイッチ（２０）を開くように構成されたゲート駆動ユニット（２６）を含む、システム。
10. 前記スイッチ（２０）が、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）（３９）である、請求項９記載のシステム。
11. 前記ゲート駆動ユニット（２６）が、前記スイッチ（２０）の前記第１の端子（２９）と第２の端子（３１）との間の電圧降下に基づいて前記電流を検知するように構成される、請求項１０記載のシステム。
12. 前記スイッチ（２０）を開くステップが、前記スイッチ（２０）の制御されたソフトターンオフを含む、請求項９記載のシステム。
13. 前記制御されたソフトターンオフが、前記電流が前記電流制限内にあるとき前記スイッチ（２０）が開くよりも遅い速度で前記スイッチ（２０）を開くステップを含む、請求項１２記載のシステム。
14. 前記第１の電圧が、前記スイッチ（２０）を前記線形領域で動作させるように構成される、請求項９記載のシステム。
15. 前記ゲート電圧（３４）を減少させるステップが、前記スイッチ（２０）を前記線形領域で動作するステップから前記作動領域で動作するステップに脱飽和させるように構成される、請求項１４記載のシステム。
16. 前記第２のゲート電圧（３４）が、転流ループインダクタンスよりも高いインダクタンスを超える高インダクタンス故障から前記スイッチ（２０）を保護するように構成される、請求項９記載のシステム。
17. スイッチ（２０）と、
    １つまたは複数の駆動信号（３０）を前記スイッチ（２０）に伝送するように構成された制御装置（２８）であって、前記駆動信号（３０）が、前記スイッチ（２０）を制御するように構成される、制御装置（２８）と、
    前記駆動信号（３０）に基づいて前記スイッチ（２０）を制御するためのゲート電圧（３４）、ゲート電流、またはそれらの組合せを提供するように構成されたゲート駆動ユニット（２６）であって、
    前記スイッチ（２０）の第１の端子（２９）から前記スイッチ（２０）の第２の端子（３１）への電流であって、前記スイッチ（２０）の線形領域の電流制限を超える電流を検出し、
    前記スイッチ（２０）のゲート電圧（３４）を第１の電圧から第２の電圧であって、前記スイッチ（２０）の作動領域で前記スイッチ（２０）が動作することが可能になるように構成される第２の電圧に制御し、
    前記スイッチ（２０）が前記作動領域で動作しているとき前記スイッチ（２０）を開くように構成される、ゲート駆動ユニット（２６）とを備える、システム。
18. 前記ゲート駆動ユニット（２６）が、前記スイッチ（２０）の端子間の電圧降下に基づいて前記電流を検出するように構成される、請求項１７記載のシステム。
19. 前記ゲート駆動ユニット（２６）が、前記スイッチ（２０）の測定されたまたは推定された温度を用いて前記電圧降下の温度依存性を補償するように構成される、請求項１８記載のシステム。
20. 前記ゲート駆動ユニット（２６）が、ルックアップテーブルを利用することによって前記電圧降下を決定するように構成され、前記ルックアップテーブルが、前記電圧降下および温度入力に基づいて電流を提供する、請求項１８記載のシステム。