JP4764592B2

JP4764592B2 - 直列および並列に接続された電力半導体スイッチを動的に平衡化する方法

Info

Publication number: JP4764592B2
Application number: JP2002553307A
Authority: JP
Inventors: タールハイム・ヤン
Original assignee: シーティー−コンセプト・ホールディング・アクチェンゲゼルシャフト
Priority date: 2000-12-27
Filing date: 2000-12-27
Publication date: 2011-09-07
Anticipated expiration: 2020-12-27
Also published as: US7071661B2; ES2304997T3; DE50015261D1; ATE400924T1; WO2002052726A1; EP1348256B1; US20040056646A1; EP1348256A1; JP2004516767A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電力エレクトロニクス分野に関連するものである。それは、独立請求項の上位概念にもとづく、電力半導体スイッチを動的に平衡化する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
そのような直列に接続された電力半導体スイッチを動的に同期化する方法は、C. Gerster氏の論文である「Fast High-power/High-voltage Switch Using Series-connected IGBTs with Active Gate-contorlled Voltage-balancing, Proceedings of 1994 Applied Power Electronics Conference and Exposition,Vol. 1, pp. 469-472, IEEE, New York (1994)」に開示されている。集中的な制御によって、システム全体に有効な走査タイミングが提供されている。この走査タイミングにおいて、局所的な測定システムを用いて、ＩＧＢＴの個々のコレクタ・エミッタ電圧を求め、この実測値と予め設定した基準値から、個々の差分電圧または制御偏差を検出している。それ以降の切換え周期において、各ＩＧＢＴに対する切換えコマンドを遅延させて、制御偏差を最小化するとともに、コレクタ・エミッタ電圧を平衡化している。この方法においては、中央制御部から局所的な測定システムへの信号伝送時における制御不能な時間偏差が問題となる。これらの伝送時間の間における補償されない偏差によって、最大電圧上昇速度が制限されることになる。そのことから、特に伝送時間のばらつきが大きい廉価な光学的接続を利用する場合には、動的損失が増加するのを甘受しつつ、切換え速度を低下しなければならない。さらに別の問題は、制御偏差と必要な時間遅延間の関係が比較的不確実で、良くても経験的に知られているだけであり、それ以降の切換え周期でようやく修正を行うことができるということにある。そのうえ、この方法においては、中央の走査タイミングを限られた時間スロット内に適合させることが必要となる。さらに、実測値をデジタル形式で中央制御部に供給するためには、アナログ・デジタル変換器が必要である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
この発明の課題は、個々の電力半導体スイッチの正確な同期と構成全体の高い切換え速度を実現可能とする、電力半導体スイッチを動的に同期化するための改善された方法を提示することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
第一の観点においては、この発明にもとづく解決法は、各電力半導体スイッチが、第一の電力端子またはコレクタ、第二の電力端子またはエミッタ、ならびに少なくとも一つの制御端子またはゲートを持ち、この制御端子には、特に中央制御部から、電力半導体スイッチの回路の切換えプロセスを開始するための切換えコマンドが供給され、この制御端子が、電力半導体スイッチの状態関数の制御偏差にもとづき、個々の切換え信号を用いて駆動可能である、電力半導体スイッチの回路を動的に平衡化する方法において、その際さらに、この状態関数は、時間に依存する非同期状態変数であり、その状態変数の実測値は、少なくとも一つの同期走査タイミングにおいて測定され、その際この同期走査タイミングは、各電力半導体スイッチに関する、回路の同期事象にもとづき、独立して決定されること、この切換え信号は、同じ切換え周期またはそれ以降の切換え周期の一つにおいて、時間的にずらされるか、またはその振幅を変化させられ、その結果この実測値と予め設定可能な目標値間の制御偏差が低減されるものであることにある。同期走査タイミングを局所的な値として生成することによって、電力半導体スイッチの制御部またはゲート駆動部に、時間的に同期した形で中央の走査コマンドを分配する必要性がなくなる。それでも、各電力半導体スイッチにおける同期事象が、同じ値の状態変数、または回路の別の測定可能な値を生成するということによって、同期化が保証されるものである。
【０００５】
一つの実施例においては、同期走査タイミングを、各電力半導体スイッチにおいて局所的な値として決定する。同期事象の基準タイミングを、電力半導体スイッチに共通に設定可能な時間間隔だけ時間的に戻すか、または進めることによって、同期走査タイミングを決定することができる。そのことによって、走査タイミングを、切換えプロセスの柔軟に設定可能なタイミングに配置することができ、その際この時間間隔を時間に厳しくない形で伝達できるとともに、各ゲート駆動部で局所的な値として保存することが可能となる。
【０００６】
別の実施例は、複数の、または全部の非同期状態変数の実測値の平均から、非同期状態変数の目標値を全体的な値として決定することに関係したものである。目標値は、制御偏差を計算するためだけに必要とされるので、全体としての目標値の場合には、その伝達は、時間に厳しいものではない。それに代わって、または補足的に、目標値は、電力半導体スイッチによって、局所的な値として、ならびに特に非同期状態変数の定常値からの偏差と等しく選定され、その偏差は、非同期状態変数の最大振幅の予想値の１０％よりも小さい。有利には、直列回路の閉路プロセス、または並列回路の開路プロセスに対して、電子的な処理を簡単化するために、非同期状態変数の目標値と実測値の直流成分が差し引かれる。
【０００７】
さらに別の実施例では、二つの同期走査タイミングにおいて、実測値が測定され、それらの勾配と勾配の目標値から、制御偏差が求められ、その制御偏差が高すぎる勾配か、低すぎる勾配かに対応しており、それに対する切換え信号の振幅が、同じ切換え周期またはそれ以降の切換え周期の一つにおいて、減衰されるか、または増幅される。特に、第一の走査タイミングは、同期事象の基準タイミングに対して小さい時間間隔で選定され、走査タイミング間の差分は、二番目の走査タイミングによって近似される。さらに勾配を制御することにより、電力半導体スイッチの切換え挙動を動的に同期化することの正確性が、一層改善されるものである。
【０００８】
第二の観点においては、この発明にもとづく解決法は、各電力半導体スイッチが、第一の電力端子またはコレクタ、第二の電力端子またはエミッタ、ならびに少なくとも一つの制御端子またはゲートを持ち、この制御端子には電力半導体スイッチの回路の切換えプロセスを開始するための切換えコマンドが供給され、この制御端子が、電力半導体スイッチの状態関数の制御偏差にもとづき、個々の切換え信号を用いて駆動可能である、電力半導体スイッチの回路を動的に平衡化する方法において、その際さらに、この状態関数は、電力半導体スイッチの非同期状態変数に依存する時間関数と同じに選定され、この非同期状態変数対して、電力半導体スイッチに共通な、少なくとも一つの閾値が、全体的な値として予め設定され、この閾値を上回るか、横切るか、達成した場合に、各電力半導体スイッチに対して、個々の時間の実測値が測定されること、この時間の実測値に対する走査タイミングは、回路の同期事象によって固定されること、この切換え信号は、同じ切換え周期またはそれ以降の切換え周期の一つにおいて、時間的にずらされるか、またはその振幅を変化させられ、その結果この時間の実測値と予め設定可能な時間の目標値間の制御偏差が低減されるものであることにある。時間に依存する非同期状態変数の逆関数を利用して、全体的な値としての閾値を超えることから、電力半導体スイッチの非同期性の程度を評価することができるとともに、各電力半導体スイッチにおいて、非同期性を個々に修正することができるものである。
【０００９】
これに対応する実施例においては、時間の目標値は、時間の実測値の最大値から、全体的な値として決定されるか、あるいは局所的な値として選定される。またしても、全体的な値としての時間の目標値の伝達は、時間に厳しいものではない。制御偏差を時間の実測値と時間の目標値間の差分から局所的な値として決定するか、あるいは基準タイミングを時間の目標値の近くに選定することができるとともに、制御偏差を時間の実測値で近似するか、および/ または切換え信号を最初に遅延させるか、および/ またはその振幅を最初に減衰させることができる。最後に述べた措置によって、非同期に切り換えられる電力半導体スイッチは、時間的に遅らせて閉路することも、時間的に早めて閉路することも可能であるとともに、その振幅を増幅することも、減衰させることも可能である。最後に、非同期状態変数の二つの閾値に対して、実測値を測定し、その勾配および勾配の目標値から、制御偏差を求め、その制御偏差が高すぎる勾配か、低すぎる勾配かに対応して、それに対する切換え信号の振幅を、同じ切換え周期またはそれ以降の切換え周期の一つにおいて、減衰したり、増幅することができる。
【００１０】
非同期状態変数に対する例は、直列回路の場合には、コレクタ・エミッタまたはアノード・カソード電圧、あるいはコレクタ・エミッタまたはアノード・カソード電圧の勾配であり、もしくは並列回路の場合には、コレクタまたはアノード電流、あるいはコレクタまたはアノード電流の勾配である。同期状態変数に対する例は、直列回路の場合には、コレクタまたはアノード電流、あるいはコレクタ電流またはアノード電流の勾配であり、もしくは並列回路の場合には、コレクタ・エミッタまたはアノード・カソード電圧、あるいはコレクタ・エミッタまたはアノード・カソード電圧の勾配である。
【００１１】
同期事象に対する例は、同期状態変数が予め設定可能な閾値を超えることか、横切ることか、または達成すること、あるいは相異なる電力半導体スイッチの非同期状態変数が逆方向に振幅変化することである。特に、閾値の同期状態変数の定常値からの偏差を、同期状態変数の最大振幅の予想値の１０％より小さく選定することによって、切換えプロセスの開始時における同期事象を選定するものである。
【００１２】
別の実施例においては、並列回路の開路に対して、同期事象は、転流ダイオード（Freilaufdiode ）が導通状態であるフェーズＡにおいて、非同期状態変数が予め設定可能な閾値を下回るか、横切るか、あるいは達成することとして、近似的に定義される。もしくは、直列回路の閉路に対して、同期事象は、転流ダイオードが遮断状態であるフェーズＢにおいて、非同期状態変数が予め設定可能な閾値を下回るか、横切るか、あるいは達成することとして、近似的に定義される。これに代わって、同期事象を、回路に直列に配置された転流ダイオードが導通状態にあるフェースＡと、この転流ダイオードが遮断状態にあるフェーズＢとの間で変化することとして定義することもできる。この変化は、ＡからＢに、またはＢからＡに起こることができる。並列回路の開路に対して、同期事象の基準タイミングを、コレクタ・エミッタまたはアノード・カソード電圧が閾値を超え、コレクタ・エミッタまたはアノード・カソード電圧の勾配が閾値、特にゼロを下回るタイミングと同じに選定することもできる。もしくは、直列回路の閉路に対して、同期事象の基準タイミングを、コレクタ・エミッタまたはアノード・カソード電圧が閾値を下回るタイミングと同じに選定することができる。特に、この閾値を、フェーズＡの終りにおけるコレクタ・エミッタまたはアノード・カソード電圧の予想値よりも小さく選定することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
この発明のその他の実施形態、利点および応用については、独立請求項ならびに以下における図面にもとづく説明から、明らかとなる。
【００１４】
図においては、同じ部品に対しては、同じ符号が振られている。
【００１５】
図１ａでは、二つの並列の電力半導体スイッチＳ₁ とＳ₂ は、それぞれに付属するゲート駆動部２，３によって駆動される。各ゲート駆動部２，３は、中央の切換えコマンドｚと、さらに時間間隔の目標値Δｔ_ref と、少なくとも一つの同期事象または同期変数ｘ、および少なくとも一つの非同期変数ａの実測値および目標値とを受ける。典型的には、実測値ｘとａは、電力半導体スイッチＳ₁ とＳ₂ において、局所的な値として測定される。ゲート駆動部２，３においては、入力値ｚ，Δｔ_ref ，ｘおよびａにもとづき、制御信号または切換え信号、すなわちゲート電流ｉ_G1，ｉ_G2か、ゲート電圧ｖ_CG1 ，ｖ_CG2 か、ゲート電流ｉ_G1，ｉ_G2の時間積分が生成され、電力半導体スイッチＳ₁ またはＳ₂ の制御端子あるいはゲートＧに供給される。コレクタ・エミッタ電圧ｖ_CE（場合によっては、アノード・カソード電圧とも呼ばれる）は、並列回路１では、二つの電力半導体スイッチＳ₁ とＳ₂ において同じであり、そのため同期状態変数となる。しかし、電力半導体スイッチＳ₁ とＳ₂ の相異なる切換え挙動のため、コレクタ電流ｉ_C1，ｉ_C2（場合によっては、アノード電流とも呼ばれる）は互いに異なり、動的に同期化される必要がある。
【００１６】
図１ｂは、閉路プロセスに関して、切換えコマンドｚ（ｔ）、同期状態関数または（時間に依存する）状態変数ｘ（ｔ）＝ｖ_CE（ｔ）、ならびに非同期状態関数または（時間に依存する）状態変数ａ₁ （ｔ）＝ｉ_C1（ｔ）とａ₂ （ｔ）＝ｉ_C2（ｔ）の典型的な時間の推移を表している。ここに示した例では、ａ₁ （ｔ）が先行し、および／またはａ₂ （ｔ）が遅れている。測定法としては、コレクタ電流ｉ_C1（ｔ），ｉ_C2（ｔ）は、電力回路におけるインダクタンス、例えばエミッタ・インダクタンスによる電圧降下を積分することによって求める。有利には、積分区間の始まりを、測定するコレクタ電流ｉ_C1（ｔ），ｉ_C2（ｔ）の主要な過渡現象の始まりの近くに選定する。それによって、積分信号における、偏差による揺らぎが最小化される。ａ₁ （ｔ）とａ₂ （ｔ）を動的に平衡化するための、この発明にもとづく４つの方法を、以下に示す。
【００１７】
第一の場合には、同期事象ｅｓ₁ は、同期状態変数ｘ（ｔ）に関する閾値ε_S1を設定することとして定義される。閾値ε_S1を達成すること、ここでは下回ることが、各電力半導体スイッチＳ₁ ，Ｓ₂ において、または場合によっては空間的に隣接する電力半導体スイッチグループに関して、局所的に測定され、それに対応する基準タイミングｔｓ₁ が固定される。この基準タイミングｔｓ₁ に対して相対的に時間間隔Δｔ₀ を加えて、走査タイミングｔｓ₁₀が生成され、そのタイミングにおいて、非同期状態変数ａ₁ （ｔ）とａ₂ （ｔ）の曲線の軌跡上における非同期事象ｅａ₁ とｅａ₂ に対して、実測値ｉ_C10 とｉ_C20 が測定される。詳しくは描かれていない制御ループにおいて、実測値ｉ_C10 とｉ_C20 を、予め設定可能な目標値と比較して、制御偏差を求め、個々の切換え信号ｉ_C1とｉ_C2を時間的に遅らせるか、または早めて、および／またはその振幅を適合させ、その結果同じ切換え周期またはそれ以降の切換え周期において制御偏差を低減するものである。このようにして、非同期状態変数ａ₁ （ｔ）とａ₂ （ｔ）は、すくなくとも切換えプロセスの基本部分に対して、相当に一致するようになる、すなわち非同期状態変数ａ₁ （ｔ）とａ₂ （ｔ）は同期し、すべての電力半導体スイッチＳ₁ ，Ｓ₂ は、基本的に同じコレクタ電流ｉ_C1（ｔ）≒ｉ_C2（ｔ）と同じ熱負荷を伝達することになる。切換え時間は、高い同期性を保持しつつ、極度に短く、すなわち１μｓ以下、有利には５００ｎｓ、特に有利には１００ｎｓ以下の範囲内で選定することができ、それに対応して動的切換え損失を最小化することができる。
【００１８】
第二の場合においては、非同期状態変数ａ₁ （ｔ）とａ₂ （ｔ）の少なくとも一つに対して、勾配の実測値が測定されて、勾配の目標値と比較され、そして同じ切換え周期またはそれ以降の切換え周期において、それに対応する制御偏差が低減されるものである。このため、少なくとも一つの第二の走査タイミングｔｓ₂₀が生成され、それに対応する非同期事象ｅａ₂₂とｅａ₁₃に対して、実測値ｉ_C22 とｉ_C13 を求め、二つの組を成す実測値ｉ_C10 ，ｉ_C13 ；ｉ_C20 ，ｉ_C22 と走査タイミングの差分ｔｓ₂₀−ｔｓ₁₀とから、それぞれ勾配の実測値ｄａ₂ ／ｄｔおよび／またはｄａ₁ ／ｄｔを形成するものである。
【００１９】
第三の場合においては、非同期状態変数ａ₁ （ｔ）とａ₂ （ｔ）に対して、共通の、または全体的な値としての閾値ε_a を予め設定し、閾値ε_a を超える場合に、非同期事象ｅａ₂₁とｅａ₁₁に対して、時間の実測値ｔａ₁ とｔａ₂ を測定する。基準タイミングとしては、またもやｔｓ₁ を利用し、差分Δｔ₁ ＝ｔａ₁ −ｔｓ₁ からｔａ₁ を、ならびに差分Δｔ₂ ＝ｔａ₂ −ｔｓ₁ からｔａ₂ を求める。有利には、制御偏差は、時間の実測値の差分ｔａ₂ −ｔａ₁ ＝Δｔ₂ −Δｔ₁ に比例して算定され、個々の切換え信号を変化させることによって最小化されるものである。
【００２０】
第四の場合においては、二つの閾値ε_a とε_a ' が予め設定され、それに対応する非同期事象ｅａ₁₁，ｅａ₁₂，ｅａ₂₁およびｅａ₂₂に対して、時間の実測値ｔａ₁ ，ｔａ₁₂，ｔａ₂ およびｔａ₂₂が測定され、これらの閾値の差分ε_a ' −ε_a とそれぞれに対応する時間の実測値の差分ｔａ₁₂−ｔａ₁ とｔａ₂₂−ｔａ₂ から、勾配の実測値ｄａ₂ ／ｄｔおよび／またはｄａ₁ ／ｄｔを算定し、勾配の目標値と比較して制御偏差を求めるものである。
【００２１】
上述の場合においては、有利には、同期事象ｅｓ₁ の基準タイミングｔｓ₁ 、走査タイミングｔｓ₁₀とｔｓ₂₀、および非同期の時間の実測値ｔａ₁ ，ｔａ₁₂，ｔａ₂ ，ｔａ₂₂は、回路１に対して直列に配置された転流ダイオードＤ_S （図４ｂ）が導通状態にある、切換えプロセスのフェーズＡに配置される。フェーズＡにおける基準タイミングｔｓ₁ は、転流ダイオードＤ_S が遮断状態にあるフェーズＢにおける第二の同期事象ｅｓ₂ の基準タイミングｔｓ₂ によって置き換えることもできる。この第二の同期事象ｅｓ₂ は、同時状態変数ｘ（ｔ）が、切換えプロセスの前（図示のとおり）、または後における同期状態変数ｘ（ｔ）の定常値を参照して定義された閾値ε_S2を超えるか、下回ることとして定義される。
【００２２】
図１ｃは、並列回路１に関する典型的な開路プロセスを描いている。例として、三つの場合について述べる。基準タイミングならびに同じく走査タイミングｔｓ₃ は、フェーズＢにおける同期状態関数ｘ（ｔ）＝ｖ_CE（ｔ）の同期事象ｅｓ₃ に対する閾値ε_S3を規定することによって、予め設定することができる。開路プロセス中における電力半導体スイッチＳ₁ とＳ₂ の平衡化を実現するために、非同期状態関数ａ₁ （ｔ）＝ｉ_C1（ｔ）とａ₂ （ｔ）＝ｉ_C2（ｔ）の実測値ｉ_C13 ，ｉ_C23 は、目標値、例えば切換えコマンドｚ（ｔ）による切換えプロセスの開始前の定常値と比較され、対応する制御偏差が最小化される。これに代って、基準タイミングならびに同じく走査タイミングｔｓ₄ は、フェーズＢからフェーズＡに代わることの同期事象として定義することができる。またもや、非同期の実測値ｉ_C14 とｉ_C24 間の差分は、制御偏差と非同期性に対する尺度であり、最小化されるべきものである。第三の実施例においては、閾値ε_a ''は、開路前の定常値ａ_DC以下で予め設定され、フェーズＢ中にある非同期事象ｅａ₄₁とｅａ₄₂に対して、基準タイミングｔｓ₃ とｔｓ₄ に関連して時間の実測値ｔａ₄₁とｔａ₄₂が決定され、目標値との比較により、制御偏差が計算される。
【００２３】
図２ａは、例として、個々のまたは非同期のコレクタ・エミッタ電圧ｖ_CE3 とｖ_CE4 （場合によってはアノード・カソード電圧と呼ばれる）、および同期コレクタ電流ｉ_C （場合によってはアノード電流と呼ばれる）、ならびにゲート電流ｉ_G3とｉ_G4を持つ電力半導体スイッチＳ₃ とＳ₄ の直列回路４の場合を図示している。図２ｂは、閉路プロセスを図示している。基準タイミングは、基本的に従前のとおり同期状態関数ｘ（ｔ）＝ｉ_C （ｔ）における同期事象により定義される（図示されていない）。少なくとも二つの非同期状態変数ａ₁ （ｔ）＝ｖ_CE3 （ｔ）とａ₂ （ｔ）＝ｖ_CE4 （ｔ）が測定可能な逆方向の変化を示した場合、基準タイミングｔｓ₅ において、準同期事象ｅｓ₅ が発生する。走査タイミングｔｓ₅₀は、フェーズＡに配置され、その結果非同期切換え時において、非同期状態変数の相異なる実測値ｖ_CE30とｖ_CE40を測定することができ、これらのことから制御偏差を導き出すことができる。走査タイミングｔｓ₅₀を選定する代わりに、非同期状態変数ａ₁ （ｔ）とａ₂ （ｔ）に対する全体的な値としての閾値ε_a ''' を予め設定するもでき、それに対応する実測値ｅａ₅₁とｅａ₅₂から、制御偏差を決定することができる。同期事象ｅｓ₆ の基準タイミングｔｓ₆ として、フェーズＡとＢ間の移行タイミングを利用することもできる。フェーズＢにおける同期事象ｅｓ₆'の基準タイミングは、コレクタ・エミッタ電圧ｖ_CEが、特にフェーズＡの終わりにおけるコレクタ・エミッタ電圧ｖ_CEの予想値よりも小さい閾値ε_S6を下回ることとして選定することもできる。
【００２４】
図２ｃは、開路プロセスを図示している。例として、典型的にはフェーズＢにおける同期走査タイミングｔｓ₇ での非同期の実測値ｖ_CE37とｖ_CE47の取得について図示している。これに代わって、フェーズＡにおいて、同期状態関数ｘ（ｔ）＝ｉ_C （ｔ）に関する基準タイミングｔｓ₈ を決定するための全体的な値としての閾値ε_S8を予め設定し、非同期状態関数ａ₁ （ｔ）＝ｖ_CE3 （ｔ）とａ₂ （ｔ）＝ｖ_CE4 （ｔ）に対する共通の閾値ε_a ^ivを用いて、非同期の時間の実測値ｔａ₈₁とｔａ₈₂を決定することができる。
【００２５】
実測値と目標値からの制御偏差の計算が、上述のとおり行われる。一般的には、その制御偏差が目標値に対する実測値の先行、または時間の目標値に対する時間の実測値の先行に対応する場合の切換え信号は、時間的に遅らされるか、振幅を減衰させられ、あるいはその制御偏差が目標値に対する実測値の後行、または時間の目標値に対する時間の実測値の後行に対応する場合の切換え信号は、時間的に早められるか、振幅を増幅させられるものであると言うことができる。
【００２６】
図３は、この発明にもとづくゲート駆動部２，３の動作に関するブロック回路図を図示している。符号５は、少なくとも一つの同期状態変数ｘ（ｔ）と少なくとも一つの対応する閾値ε_S （ε_S1，ε_S2，ε_S3，ε_S4，ε_S5，ε_S6，ε_S7，ε_S8）に対する閾値スイッチを示している。符号６は、非同期状態変数ａまたはａ（ｔ）（ａ₁ （ｔ），ａ₂ （ｔ））、および少なくとも一つの対応する閾値ε_a （ε_a ，ε' _a ，ε''_a ，ε_a ''' ，ε_a ^iv）に対する閾値スイッチを示している。符号の付与方法に関して、一般的に、実測値と目標値は、非同期状態関数ａ（ｔ）に対してはａ_i とａ_S と、同期状態関数ｘ（ｔ）に対してはｘ_i とｘ_S と、同期事象ｅｓ_1...ｅｓ₃ ，ｅｓ_5...ｅｓ₈ はｅ_S と、非同期事象ｅａ₁ ，ｅａ₂ ，ｅａ₁₁，ｅａ₁₂，ｅａ₁₃，ｅａ₂₁，ｅａ₂₂，ｅａ₄₁，ｅａ₄₂，ｅａ₅₁，ｅａ₅₂，ｅａ₈₁，ｅａ₈₂はｅ_a と、基準タイミングｔｓ_1...ｔｓ₈ はｔｓと、走査タイミングｔｓ₁₀，ｔｓ₂₀，ｔｓ₃ ，ｔｓ₄ ，ｔｓ₅₀はｔｓ_j と、非同期の時間の実測値ｔａ₁ ，ｔａ₁₂，ｔａ₂ ，ｔａ₂₂，ｔａ₄₁，ｔａ₄₂，ｔａ₅₁，ｔａ₅₂，ｔａ₈₁，ｔａ₈₂はｔａ_i と、それらに対応する目標値はｔａ_s と表示可能であることを補足しておく。さらに、ｔ（ａ）は、非同期状態変数に依存した時間関数を示すものである。タイマー７は、第一の信号ｘまたはａに対して開始信号７ａを、第二の信号ａまたはｘに対して停止信号７ｂを、カウンタ８に発出する。このカウンタは、時間間隔の実測値Δｔを生成し、それは、差分増幅器９において時間間隔の目標値Δｔ_ref と比較される。この比較値または差分値は、回路１，４の切換えコマンドｚと一緒に、制御可能な遅延回路１０を駆動するために供給され、その遅延開路では、ゲート電流発生器１１を駆動して所望のゲート電流ｉ_G1またはｉ_G2、あるいは一般的に個々の切換え信号を生成する。
【００２７】
図４ａは、直列回路４に対する、図４ｂは、並列回路１に対する、電力半導体スイッチ回路１，４に対して直列に配置された転流ダイオードＤ_S および電圧源１３と負荷１２を有する電源回路を図示している。
【００２８】
回路１，４は、牽引、高圧直流送電、無線送信、誘導加熱、誘導溶接用のスイッチモジュール、特にインバータのハーフブリッジ辺（Halbbrueckenzweig ）の構成部品となることができる。回路１，４は、並列回路１、直列回路４、または直列と並列回路１，４の組み合わせとすることができる。電力半導体スイッチＳ₁ −Ｓ₄ は、例えばＢＪＴ、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ、サイリスタ、ＧＴＯ、ＭＣＴ、またはこのような構成素子の組み合わせである。
【００２９】
全体として、この発明にもとづき、回路１，４の同期事象に関連して、電力半導体スイッチＳ₁ −Ｓ₄ の非同期事象を局所的な測定装置により検出し、実質的に同期化することにより、中央の切換えコマンドｚに依存しない、電力半導体スイッチの動的な切換え挙動の平衡化が実現されるものである。基本的に、切換えコマンドｚは、少なくとも部分的に分散した形で分配することもできる。例えば、少なくとも一つの第一の電力半導体スイッチＳ₁ が、中央制御部から切換えコマンドｚを受けて、さらに第二の電力半導体スイッチＳ₂ −Ｓ₄ に対して、局所的な閉路コマンドとして転送することができる。しかし、その他の電力半導体スイッチＳ₂ −Ｓ₄ は、例えば自身の同期および／または非同期状態変数ｘ（ｔ）および／またはａ（ｔ）の変化の観測にもとづき、自ら切換えプロセスを識別し、局所的な切換えコマンドを生成することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１ａ】例として、二つの電力半導体スイッチを持つ並列回路の模式図
【図１ｂ】図１ａの並列回路に対する閉路プロセスの模式図
【図１ｃ】図１ａの並列回路に対する開路プロセスの模式図
【図２ａ】例として、二つの電力半導体スイッチを持つ直列回路の模式図
【図２ｂ】図２ａの直列回路に対する閉路プロセスの模式図
【図２ｃ】図２ａの直列回路に対する開路プロセスの模式図
【図３】この発明にもとづくゲート駆動部の機能方法に関する構成図
【図４ａ】直列に配置された転流ダイオードを持つ直列回路を表す図
【図４ｂ】直列に配置された転流ダイオードを持つ並列回路を表す図
【符号の説明】
１並列回路
２，３ゲート駆動部
４直列回路
５，６閾値回路
７タイマー
７ａ開始信号
７ｂ停止信号
８カウンタ
９差分増幅器
１０遅延回路
１１ゲート電流発生器
１２負荷
１３電圧源
ａ非同期状態変数
ａ_DC 非同期状態変数の直流成分
ｅａ非同期事象
ｅｓ同期事象
ｉ_C コレクタまたはアノード電流
ｉ_G ゲート電流
ｔａ時間
ｔｓ走査（基準）タイミング
ｖ_CE コレクタ・エミッタまたはアノード・カソード電圧
ｖ_CG ゲート電圧
ｘ同期状態変数
ｚ切換えコマンド
ε 閾値
Ａ転流ダイオード（Ｄ_S ）が導通状態にあるフェーズ
Ｂ転流ダイオード（Ｄ_S ）が遮断状態にあるフェーズ
Ｃコレクタ
Ｄ_S 転流ダイオード
Ｅエミッタ
Ｇゲート
Ｓ電力半導体スイッチ
Δｔ時間間隔の実測値
Δｔ_ref 時間間隔の目標値

Claims

各電力半導体スイッチ（Ｓ _１ −Ｓ _４）が、第一の電力端子またはコレクタ（Ｃ）、第二の電力端子またはエミッタ（Ｅ）、ならびに少なくとも一つの制御端子またはゲート（Ｇ）を持ち、この制御端子（Ｇ）には電力半導体スイッチ（Ｓ _１ −Ｓ _４）の回路（１，４）の切換えプロセスを開始するための切換えコマンド（ｚ）が供給され、この制御端子（Ｇ）が、電力半導体スイッチ（Ｓ _１ −Ｓ _４）の状態関数の制御偏差にもとづき、個々の切換え信号を用いて駆動可能である、電力半導体スイッチ（Ｓ _１ −Ｓ _４）の回路（１，４）を動的に平衡化する方法であって、
ａ）この状態関数は、時間に依存する非同期状態変数（ａ（ｔ））であり、その状態変数の実測値（ａ _ｉ）は、少なくとも一つの同期走査タイミング（ｔｓ _ｊ）において測定され、その際この同期走査タイミング（ｔｓ _ｊ）は、各電力半導体スイッチに関する、回路（１，４）の同期事象（ｅ _Ｓ）にもとづき、独立して決定されるとともに、
ｂ）この切換え信号（ｉ _Ｇ１，ｉ _Ｇ２）は、同じ切換え周期またはそれ以降の切換え周期の一つにおいて、時間的にずらされるか、またはその振幅を変化させられ、その結果この実測値（ａ _ｉ）と予め設定可能な目標値（ａ _Ｓ）間の制御偏差が低減される、
方法において、
ｃ）この同期事象（ｅ _Ｓ）が、同期状態変数（ｘ（ｔ））の予め設定可能な閾値（ε _Ｓ）を超えること、または横切ること、または到達することとして定義されるか、あるいは
ｄ）この同期事象（ｅ _Ｓ）が、相異なる電力半導体スイッチ（Ｓ _１ −Ｓ _４）の非同期状態変数（ａ（ｔ））の逆方向の振幅変化として定義される、
ことを特徴とする方法。
当該の同期走査タイミングは、各電力半導体スイッチにおいて、局所的な値として決定される請求項１に記載の方法。
当該の非同期状態変数の目標値は、複数の、または全ての非同期状態変数の実測値の平均値から、全体的な値として決定される請求項１に記載の方法。
二つの同期走査タイミングにおいて、実測値が測定され、それらの勾配と目標値の勾配から、当該の制御偏差が決定される請求項１に記載の方法。
各電力半導体スイッチ（Ｓ _１ −Ｓ _４）が、第一の電力端子またはコレクタ（Ｃ）、第二の電力端子またはエミッタ（Ｅ）、ならびに少なくとも一つの制御端子またはゲート（Ｇ）を持ち、この制御端子（Ｇ）には電力半導体スイッチ（Ｓ _１ −Ｓ _４）の回路（１，４）の切換えプロセスを開始するための切換えコマンド（ｚ）が供給され、この制御端子（Ｇ）が、電力半導体スイッチ（Ｓ _１ −Ｓ _４）の状態関数の制御偏差にもとづき、個々の切換え信号を用いて駆動可能である、電力半導体スイッチ（Ｓ _１ −Ｓ _４）の回路（１，４）を動的に平衡化する方法であって、
ａ）この状態関数は、電力半導体スイッチ（Ｓ _１ −Ｓ _４）の非同期状態変数（ａ）に依存する時間関数（ｔ（ａ））と同じに選定され、その際この非同期状態変数（ａ）に対して、電力半導体スイッチ（Ｓ _１ −Ｓ _４）に共通な、少なくとも一つの閾値（ε _ａ）が、全体的な値として予め設定され、この閾値（ε _ａ）を上回る場合に、各電力半導体スイッチ（Ｓ _１ −Ｓ _４）に対して、個々の時間の実測値（ｔａ _ｉ）が測定され、
ｂ）この時間の実測値（ｔａ _ｉ）に対する走査タイミング（ｔｓ）は、回路（１，４）の同期事象（ｅ _Ｓ）によって固定されるとともに、
ｃ）この切換え信号（ｉ _Ｇ１，ｉ _Ｇ２）は、同じ切換え周期またはそれ以降の切換え周期の一つにおいて、時間的にずらされるか、またはその振幅を変化させられ、その結果この時間の実測値（ｔａ _ｉ）と予め設定可能な時間の目標値（ｔａ _Ｓ）間の制御偏差が低減されるものである、
ことを特徴とする方法。
当該の時間の目標値は、時間の実測値の最大値から全体的な値として決定されるか、または当該の時間の目標値は、局所的な値として選定される請求項５に記載の方法。
各電力半導体スイッチに対して、当該の制御偏差は、当該の時間の実測値と時間の目標値間の差分から、局所的な値として決定される請求項５に記載の方法。
ａ）当該の非同期状態変数の二つの閾値に対して、時間の実測値が測定され、それらの勾配と目標値の勾配から、当該の制御偏差が決定されるとともに、
ｂ）当該の切換え信号に対する制御偏差が、勾配が高すぎることまたは低すぎることに対応しており、この切換え信号の振幅が、同じ切換え周期またはそれ以降の切換え周期において、減衰または増幅される、
請求項５に記載の方法。
ａ）当該の非同期状態変数として、直列回路においては、コレクタ・エミッタまたはアノード・カソード電圧、あるいはコレクタ・エミッタまたはアノード・カソード電圧の勾配が、並列回路においては、コレクタ電流またはアノード電流、あるいはコレクタ電流の勾配またはアノード電流の勾配が、選定されることと、
ｂ）当該の同期状態変数として、直列回路においては、コレクタ電流またはアノード電流、あるいはコレクタ電流の勾配またはアノード電流の勾配が、並列回路においては、コレクタ・エミッタまたはアノード・カソード電圧、あるいはコレクタ・エミッタまたはアノード・カソード電圧の勾配が、選定されることと、
の中の一つ以上が行われる請求項１に記載の方法。
並列回路の開路プロセスに対して、当該の同期事象は、並列回路に直列に配置された転流ダイオードが導通状態にあるフェーズＡにおいて、非同期状態変数が、予め設定可能な閾値を下回ることとして近似的に定義される請求項１に記載の方法。
並列回路の開路プロセスに対して、当該の同期事象の基準タイミングは、コレクタ・エミッタまたはアノード・カソード電圧が閾値を上回り、かつコレクタ・エミッタまたはアノード・カソード電圧の勾配が閾値、特にゼロの閾値を下回るタイミングと同じに選定される請求項１に記載の方法。
ａ）実測値が目標値に先行するか、または時間の実測値が時間の目標値に先行する場合の制御偏差に対する切換え信号は、時間的に遅らされるか、またはその振幅を減衰されるか、或いは、
ｂ）実測値が目標値に遅れるか、または時間の実測値が時間の目標値に遅れる場合の制御偏差に対する切換え信号は、時間的に早められるか、またはその振幅を増幅される、
請求項１に記載の方法。
当該の切換えコマンドは、中央制御部から、少なくとも一つの第一の電力半導体スイッチに伝送されるとともに、そこから、局所的な閉路コマンドが、第二の電力半導体スイッチに分配される請求項１に記載の方法。
当該の回路は、牽引、高圧直流送電、無線送信、誘導加熱、誘導溶接用のスイッチモジュール、特にインバータのハーフブリッジ辺である請求項１に記載の方法。
当該の同期走査タイミングは、当該の同期事象の基準タイミングを電力半導体スイッチに共通な予め設定可能な時間間隔だけ遅らせる、または早めることによって決定される請求項１に記載の方法。
当該の非同期状態変数の目標値は、局所的な値として選定され、しかも特にこの非同期状態変数の定常値からの偏差と同じに選定され、その偏差は、この非同期状態変数の最大振幅の予想値の１０％より小さい請求項１に記載の方法。
直列回路の閉路プロセスまたは並列回路の開路プロセスに対して、当該の非同期状態変数の目標値と実測値の直流成分が差し引かれる請求項１に記載の方法。
当該の切換え信号に対する制御偏差は、勾配が高すぎることまたは低すぎることに対応しており、この切換え信号の振幅は、同じ切換え周期またはそれ以降の切換え周期の一つにおいて、減衰または増幅される請求項１に記載の方法。
第一の走査タイミングは、当該の同期事象の基準タイミングに対して僅かな時間間隔を置いて選定され、走査タイミング間の差分は、第二の走査タイミングによって近似される請求項１８に記載の方法。
当該の基準タイミングは、当該の時間の目標値の近傍に選定され、当該の制御偏差は、当該の時間の実測値によって近似される請求項７に記載の方法。
ａ）当該の非同期状態変数として、直列回路においては、コレクタ・エミッタまたはアノード・カソード電圧、あるいはコレクタ・エミッタまたはアノード・カソード電圧の勾配が、並列回路においては、コレクタ電流またはアノード電流、あるいはコレクタ電流の勾配またはアノード電流の勾配が、選定されることと、
ｂ）当該の同期状態変数として、直列回路においては、コレクタ電流またはアノード電流、あるいはコレクタ電流の勾配またはアノード電流の勾配が、並列回路においては、コレクタ・エミッタまたはアノード・カソード電圧、あるいはコレクタ・エミッタまたはアノード・カソード電圧の勾配が、選定されることと、
の中の一つ以上が行われる請求項５に記載の方法。
当該の同期事象は、その閾値の同期状態変数の定常値からの偏差が、同期状態変数の最大振幅の予想値の１０％より小さいと選定されることによって、切換えプロセスの始めに選定される請求項２１に記載の方法。
直列回路の閉路プロセスに対して、当該の同期事象は、転流ダイオードが遮断状態にあるフェーズＢにおいて、非同期状態変数が、予め設定可能な閾値を下回ることとして近似的に定義される請求項１に記載の方法。
当該の同期事象は、回路に直列に配置された転流ダイオードが導通状態にあるフェーズＡと、この転流ダイオードが遮断状態にあるフェーズＢとの間で変化することとして定義される請求項１に記載の方法。
並列回路の開路プロセスに対して、当該の同期事象は、並列回路に直列に配置された転流ダイオードが導通状態にあるフェーズＡにおいて、非同期状態変数が、予め設定可能な閾値を下回ることとして近似的に定義される請求項５に記載の方法。
直列回路の閉路プロセスに対して、当該の同期事象は、転流ダイオードが遮断状態にあるフェーズＢにおいて、非同期状態変数が、予め設定可能な閾値を下回ることとして近似的に定義される請求項５に記載の方法。
当該の同期事象は、回路に直列に配置された転流ダイオードが導通状態にあるフェーズＡと、この転流ダイオードが遮断状態にあるフェーズＢとの間で変化することとして定義される請求項５に記載の方法。
直列回路の閉路プロセスに対して、当該の同期事象の基準タイミングは、コレクタ・エミッタまたはアノード・カソード電圧が閾値を下回るタイミングと同じに選定されること、特に、この閾値は、直列回路に直列に配置された転流ダイオードが導通状態にあるフェーズＡの終りにおけるコレクタ・エミッタまたはアノード・カソード電圧の予想値より小さい請求項１に記載の方法。
当該の切換え信号は、ゲート電流、ゲート電圧、またはゲート電流の時間積分である請求項１に記載の方法。
当該の切換えコマンドは、中央制御部から、少なくとも一つの第一の電力半導体スイッチに伝送されるとともに、第二の電力半導体スイッチによって、切換えプロセスが識別され、それにもとづき、特に同期および／または非同期状態変数の変化を観測することにより、局所的な切換えコマンドが生成される請求項１に記載の方法。
当該の電力半導体スイッチは、ＢＪＴ，ＩＧＢＴ，ＭＯＳＦＥＴ，サイリスタ，ＧＴＯ，ＭＣＴ，またはこれらを組み合わたものである請求項１に記載の方法。