JP2015517787A - 熱サイクルを制御するための方法および装置 - Google Patents

Abstract

半導体電力スイッチの熱サイクルを低減するための方法は、電力スイッチの接合部温度を示す値を取得するステップを含む。方法は、また、取得した値に基づいて、いくつかの所定のゲート駆動電圧のうちの１つを選択するステップと、選択したゲート駆動電圧を電力スイッチのゲートに提供するステップとを含む。これは、単一のゲート温度での動作中に存在することになる熱サイクルと比べて電力スイッチの熱サイクルを低減する。【選択図】図５

Description

本発明の実施形態は、全体的に電力変換器に関する。他の実施形態は、電力変換器熱サイクルを制御することに関する。

列車は、一般に複数の車両を特徴とし、それらの車両は、機関車によって押され、または引かれる。機関車は、軌道と係合する牽引車輪を有する。最新の設計では、電動車輪モータが、牽引車輪を駆動する。電動車輪モータは、機関車内に収容された１つまたは複数の発動機駆動発電機からの配電を介して給電される。牽引車輪および車輪モータは、機関車を減速させるためのブレーキとしても機能するように可逆的に構成することができる。

同様に、鉱業では、オフハイウェイ車両（「ＯＨＶ（ｏｆｆ−ｈｉｇｈｗａｙ ｖｅｈｉｃｌｅ）」）は、通常、車両を推進または減速させるために電動式車輪を用いる。具体的には、ＯＨＶは、典型的には、同期発電機を伴う大馬力ディーゼルエンジン（または、他のエンジン）と、主牽引用インバータと、車両のリアタイヤ内に収容された一対の車輪駆動アセンブリとを含む。ディーゼルエンジンは、ディーゼルエンジンが同期発電機を駆動するように、同期発電機に直接関連付けられる。同期発電機は、主牽引用インバータに電力を供給し、主牽引用インバータでは、電力を２つの車輪駆動アセンブリの電器駆動モータに提供するために、半導体電力スイッチが、同期発電機出力電流を転流させる。

機関車およびＯＨＶの両方の用途で、高電圧電流を発電機または同期発電機から車輪モータに提供するために、ソリッドステート電力変換器が使用される。そのような電力変換器は、電圧を降圧するための誘導コイル、ならびに、電流を転流させるための半導体電力スイッチを含む。上記の用途が典型的であるが、電力変換器は、多くの他の設定で使用され得ることが理解されるであろう。

一般に、電力変換器の動作は、対応するゲート駆動ユニットを介して２つの異なるゲート電圧レベルを個々の半導体電力スイッチに印加することによって行われる。半導体電力スイッチが周期的な熱応力を受けることは、知られている問題である。ゲート電圧によって駆動されている間、各電力スイッチは、スイッチの両端間の比較的小さい電圧降下で、順方向に大きい電流を伝導する。順方向バイアスされた電力スイッチの両端間の比較的低い電圧にもかかわらず、抵抗加熱が発生する。ゲート電圧が除去されると、各半導体は、（漏れ電流を除いて）導通しなくなる。したがって、適切な熱設計により、ゲート電圧によって駆動されていない電力スイッチは、周囲温度に向かって冷却すべきである。

耐久性は、半導体デバイス設計での考慮事項であるが、電気的設計上の制約は、半導体電力スイッチの様々な層が異なる熱的性質、特に異なる熱膨張係数を有する材料から製作されることを強いる。したがって、時間とともに、熱応力は、層間剥離、端子の剥離、または疲労亀裂などの機械的故障モードを引き起こす可能性がある。熱応力は、電流フィラメント化およびカーケンダルボイド形成などの電気化学的故障モードを引き起こす可能性もある。熱応力の影響は、継続的なオン／オフサイクリングにもかかわらず、温度変動を最小にするように定義された設計エンベロープ内に加熱／冷却サイクルを維持することによって、より予測可能にすることができ、緩和することができる。

したがって、半導体電力スイッチ内の熱応力を緩和するために、熱サイクルを調節することが望ましい。

米国特許出願公開第２００７／２２１９９４号明細書

本発明の実施形態は、電力スイッチの接合部温度を示す少なくとも１つの値を取得するステップを含む方法に関する。方法は、さらに、取得した少なくとも１つの値に基づいて、複数の所定のゲート駆動電圧値からゲート駆動電圧を選択するステップを含む。方法は、さらに、選択したゲート駆動電圧を電力スイッチのゲートに提供するステップを含む。複数の所定のゲート駆動電圧値は、ゲート駆動電圧値に対応する個々の接合部温度値の関数として電力スイッチのゲートに提供されたとき複数の接合部温度にわたって単一のゲート電圧での動作中に存在することになる熱サイクルと比べて電力スイッチの熱サイクルを低減するように構成される。

本発明の別の実施形態によれば、方法は、電力スイッチの接合部温度を示す第１の値を受信するステップを含む。方法は、さらに、第１の値に基づいて、第１のゲート駆動電圧を電力スイッチに提供するステップを含む。方法は、さらに、電力スイッチの接合部温度を示す、異なる第２の値を受信するステップを含む。方法は、さらに、第２の値に基づいて、異なる第２のゲート駆動電圧を電力スイッチに提供するステップを含む。

本発明の別の実施形態によれば、電力スイッチ用のゲート駆動ユニットは、調整可能なゲート駆動電圧を出力端子に提供するように制御可能な出力段を備える。ゲート駆動ユニットは、また、電力スイッチの接合部温度を示す値を受信するように構成された信号接続部と、信号接続部および出力段に結合されたコントローラとを備える。コントローラは、電力スイッチ接合部温度を示す値に応じてゲート電圧を調節するように出力段に命令するように構成される。

別の実施形態では、電力変換器は、複数の電力スイッチに接続された複数のゲート駆動ユニットを含む。各ゲート駆動ユニットは、調節可能なゲート電圧を複数の電力スイッチのうちの少なくとも１つに提供するように構成された出力段と、複数の電力スイッチのうちの少なくとも１つの接合部温度を示す値を受信するように構成された信号接続部とを含む。電力変換器は、また、少なくとも１つの信号接続部および少なくとも１つの出力段に結合された少なくとも１つのコントローラを含む。コントローラは、接合部温度を示す値に応じてゲート電圧を調節するように少なくとも１つの出力段を制御するように構成される。

本発明は、添付図面を参照して以下の非限定的な実施形態の説明を読めば、よりよく理解されるであろう。

本発明の一実施形態によるゲート駆動ユニットとともに使用するように構成されたディーゼル−電気牽引システムの概略図である。 半導体電力スイッチおよびフリーホイールダイオードを含む、図１に示す電力変換器のスイッチモジュールの概略図である。 図２に示すスイッチモジュールの外観の斜視図である。 本発明の一実施形態によるゲート駆動ユニットの概略図である。 一実施形態による、電力スイッチを制御するための方法のフローチャートである。 所与の電力スイッチ接合部温度の下でのゲート駆動抵抗の様々な値に対するスイッチング過渡状態のグラフ図である。 所与の電力スイッチ接合部温度の下でのゲート駆動抵抗の様々な値に対する消費電力のグラフ図である。

本発明の例示的な実施形態を以下で詳細に参照し、それらの例は、添付図面に示されている。可能な限り、図面全体を通して使用される同じ参照符号は、同じまたは同様の部分を指す。本発明の例示的な実施形態を、電力変換器に関して説明するが、本発明の実施形態は、一般に電力半導体との使用にも適用可能である。

本発明の実施形態は、半導体電力スイッチ接合部温度をある範囲の動作条件にわたって制御するための方法に関する。本発明の他の実施形態は、電力スイッチ半導体接合部温度を所定の動作範囲（複数可）内に維持するように電力スイッチゲート駆動電圧を調節するゲート駆動ユニットに関する。

したがって、図１は、燃焼機１０２が三相発電機１０４を駆動するディーゼル−電気牽引システム１００を概略図で示す。発電機１０４によって生成される交流電圧は、三相ダイオードアレイ１０６によって整流され、三相ダイオードアレイ１０６は、直流リンク１０７を介して電圧Ｖｄｃをキャパシタ１０８および電力変換器１１０に供給する。電力変換器は、スイッチモジュール１１１、１１２、１１３、１１４、１１５、１１６を含み、これらのスイッチモジュールは、出力導線１２０（例えば、出力バスバー）を介して三相電力を牽引モータ１３０に供給するために、一緒にＶｄｃを転流させる。図４を参照して以下にさらに説明するように、各スイッチモジュールは、関連するゲート駆動ユニットによって制御される。

本発明は、電力変換器１１０を形成するために、スイッチモジュール１１１、１１２などの特定の配置によって限定されないことが理解されるであろう。むしろ、本発明は、例えば、電力変換に使用される単一のスイッチモジュールまたはスイッチモジュールのアレイを含む他の実施形態（図示せず）でも等しく適用可能である。

図２は、スイッチモジュール１１２を概略図で示し、図３は、スイッチモジュール１１２のケース３２０を斜視図で示す。図２に示すように、スイッチモジュール１１２は、そのケース３２０内に、電圧制御型半導体電力スイッチ２２０と、フリーホイールダイオード２２１とを含む。電力スイッチ２２０は、接合部２２４によって接合されたコレクタ２２２およびエミッタ２２３を有する。接合部２２４では、ゲート２２５が、関連するゲート駆動ユニット４０２からゲート駆動電圧Ｖｇおよびゲート電流Ｉｇｅを受け取るように接続される。（ゲート駆動電流は、負荷電流を負荷に供給するためのスイッチを活性化するのに十分な電圧のことを指す。理解されるように、電力スイッチをオフにしたとき、比較的少量の電流が負荷に供給され続ける場合があるが、そのような電流は、偶発的であり、負荷に電力を供給するために構成されず／意図されず／十分ではない。）フリーホイールダイオード２２１は、電力スイッチ２２０に反平行に接続され、言い換えると、フリーホイールダイオードのアノードは、電力スイッチエミッタ２２３に接続され、フリーホイールダイオードのカソードは、電力スイッチコレクタ２２２に接続される。

図２は、具体的に、電力スイッチが絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ（ｉｓｏｌａｔｅｄ ｇａｔｅ ｂｉｐｏｌａｒ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ））である例示的な実施形態を示しているが、本発明は、また、非限定的な例として、バイモード（ｂｉ−ｍｏｄｅ）絶縁ゲートトランジスタ、逆導通ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ、およびＪＦＥＴを含む、他の電圧制御型半導体デバイスに適用可能である。加えて、図２は、フリーホイールダイオードを示しているが、逆電流を導くために他のデバイスまたは構造を代わりに用いることができることが理解されるであろう。図２は、電力スイッチおよびフリーホイールダイオードの両方をパッケージ化するスイッチモジュールを示しているが、これらの構成要素を、別々にパッケージ化することができる。非限定的な例として、いくつかの電力スイッチは、スイッチモジュール内に一緒にパッケージ化されてよく、関連するダイオードは、ダイオードモジュール内に一緒にパッケージ化されてよい。

図２および図３は、スイッチモジュールケース３２０が、いくつかのコレクタネジ端子３２２と、いくつかのエミッタネジ端子３２３と、感知または補助端子３２４、３２５と、制御端子３２６と、サーミスタ３２７とを含むことを示す。具体的に図２を参照すると、コレクタネジ端子３２２は、ケース３２０内部の電力スイッチコレクタ２２２と接続され、ケースの外部の電力ケーブル１２１によって、出力導線１２０のうちの１つと、電気的に隣接するスイッチモジュール１１３とに接続される。エミッタネジ端子３２３は、ケース３２０の内部で電力スイッチエミッタ２２３に接続され、ケースの外部の電力ケーブル１２２によって直流リンク１０７に接続される。図４を参照して以下にさらに説明するように、補助端子３２４、３２５は、ゲート駆動ユニット４０２を電力スイッチコレクタ２２２およびエミッタ２２３に高抵抗感知接続するために設けられ、制御端子３２６は、駆動電圧をゲート駆動ユニット４０２からゲート２２５に供給するために設けられる。

実施形態では、電力スイッチ２２０の１つまたは複数の温度（例えば、電力スイッチ接合部温度）は、実温度センサによって、または、電力スイッチの動作状態に基づく推定によって決定される。前者の場合には、ゲート駆動ユニット４０２は、また、実温度センサに接続される。例えば、図２および図６では、実温度センサは、スイッチモジュールケース３２０に取り付けられたサーミスタ３２７として示されている。図２に示す実施形態によれば、サーミスタ３２７は、電力スイッチ１１２がケースに取り付けられている領域近傍でのスイッチモジュールケース３２０との接触によって、ケース温度Ｔｃを感知するように配置される。理解されるように、サーミスタ３２７の両端間の電圧は、ケース温度Ｔｃを直接示し、電力スイッチ接合部温度Ｔｊを間接的に示すように変化することになる。

他の実施形態では、電力スイッチ２２０の１つまたは複数の温度（例えば、電力スイッチ接合部温度）は、電力スイッチの動作状態に基づいて推定される。電力スイッチ接合部温度は、半導体接合部温度Ｔｊに関する以下の知識、すなわち、Ｔｊは、数ある要因の中でも、周囲温度Ｔａ、設計熱伝達パラメータ、デューティサイクル、スイッチング周波数ｆｓ、直流リンク電圧Ｖｄｃ、電力変換器出力電流Ｉｌｏａｄ（いくつかの実施形態では、１相あたりの電流）、定常状態のゲート電圧Ｖｇ、および、半導体デバイスのスイッチング中のゲート電圧の時間関数Ｖｇ（ｔ）の関数であるという知識に基づいて推定されてよい。一実施形態では、電力スイッチの接合部温度を示す少なくとも１つの値は、少なくとも直流リンク電圧および電力変換器出力電流の測定値に基づいて得られる。

ＶｄｃおよびＩｌｏａｄのような動作状態は、動作中に変化し、これは、定常状態の接合部温度の変化を引き起こす。上昇するＴｊは、電力スイッチの膨張差を引き起こし、内部応力を確立する。負荷を低下させることはＩｃｅを低下させ、半導体接合部が周囲に向かって冷却されることを可能にし、（先立つ予熱中にいずれかの層で降伏応力を超えたかどうかに応じて）内部応力を緩和または悪化させる可能性がある収縮差を引き起こす。このように、周期的な熱応力は、負荷電流のまたは接合部温度の大きさによってではなく、負荷および温度の変化によって誘発される。周期的な熱応力は、例として、層間剥離、端子の剥離、または疲労亀裂などの機械的疲労故障モードにつながる可能性がある。さらに、急激な温度サイクルは、局所的な高温点での電流集中現象によって、半導体接合部での電流フィラメント化およびカーケンダルボイドの形成などの電気化学的疲労故障モードにつながる可能性がある。

熱サイクルに伴う問題を軽減するために、実施形態では、電力スイッチパラメータは、Ｔｊ（接合部温度）が動作中に許容限度内に維持されるように制御される。本発明の一態様によれば、ゲート駆動ユニットは、例えば、電力動作中に接合部温度の変化の大きさおよび速度を最小にするために、導通損失および／またはスイッチング損失、ならびに関連する温度変化を所定の設計エンベロープ内に維持するために、ゲート電圧を調節するように構成される。

したがって、図４は、本発明の一実施形態による、スイッチモジュール１１２に接続されたゲート駆動ユニット４０２を概略図で示す。ゲート駆動ユニット４０２は、一実施形態ではＦＰＧＡ（ｆｉｅｌｄ ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｇａｔｅ ａｒｒａｙ）（フィールドプログラマブルゲートアレイ）であってよいプログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ（ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｌｏｇｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ））４２０を含む。代替として、ゲート駆動ユニット４０２は、ＰＬＣ以外のタイプのコントローラを含むことができる。ゲート駆動ユニット４０２は、また、直流電源４２１と、信号変換器４２２（例えば、光変換器）と、多重化（ＭＵＸ（ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｄ））ＡＤＣ（ａｎａｌｏｇ ｄｉｇｉｔａｌ ｓｉｇｎａｌ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）（アナログデジタル信号変換器）４２４と、メモリ４２６と、いくつかの信号接続部とを含む。具体的には、信号変換器４２２は、制御／データ信号接続部４２８（例えば、光ファイバ接続部または他の通信リンク）を介して、オペレータ制御信号ＯＣ１、ＯＣ２、などを含むデータを送受信し、ＰＬＣまたは他のコントローラ４２０は、一実施形態では、ＡＤＣ４２４を介してセンサ信号接続部４３０、４３２、４３４から、Ｖｃｅ、Ｔｃ、およびＩｃｅの測定値を直接受信する。別の実施形態では、Ｉｃｅは、スイッチモジュールの内部浮遊インダクタンスの両端間の電圧に基づいて推定され、この電圧は、補助端子３２５とエミッタ端子３２３との間の電圧として測定される。

測定値および／または受信データに基づいて、ＰＬＣまたは他のコントローラ４２０は、メモリ４２６内のルックアップテーブル４４２に記憶された複数の所定のゲート駆動電圧値４４１の中から検索する。ＰＬＣまたは他のコントローラ４２０は、次いで、複数の所定の値から選択されたスイッチオン静的ゲート電圧Ｖｇ（ゲート駆動電圧）を供給するように出力段４４０を制御する。本発明の一態様では、記憶されるＶｇの値は、Ｔｊの関数に従って予め決定される。本発明の別の態様では、記憶されるＶｇの値は、Ｔｃ、Ｉｌｏａｄ、および／またはＶｃｅの一次関数に従って予め決定される。本発明のさらに別の態様では、記憶されるＶｇの値は、制御／データ信号接続部４２８および信号変換器４２２を介してＰＬＣまたは他のコントローラ４２０で受信される１つまたは複数のオペレータ制御信号ＯＣ１、ＯＣ２、などに従って予め決定される。例えば、オペレータ制御信号ＯＣ１は、どの論理ゲート駆動ユニットとも別のコントローラ（図示せず）から受信したＴｊの基準値を表すことができる。本発明のさらに別の態様では、記憶されるＶｇの値は、Ｔｊ、Ｉｌｏａｄ、Ｖｄｃ、および／またはＯＣ１、ＯＣ２、などの１つまたは複数の動作パラメータの複数の所定の範囲のうちの１つまたは複数に各々が対応する、時系列アレイまたは時間関数であってよい。

したがって、特定の実施形態では、ゲート駆動電圧の静的な目標値を適応させることによって、熱サイクル（温度変動）を軽減することができる。スイッチング事象の終わりに、Ｖｃｅは、わずか数ボルトのレベルまで低下する。これは、デバイスの導通損失を決定する順方向電圧降下である。静的なゲート駆動電圧レベルは、順方向電圧降下に影響を与える。ゲート駆動電圧レベルがより低くなると、同じ電流に対する順方向電圧降下は、より大きくなる。標準ゲート駆動電圧レベルは、＋１５∨である。適応型の場合には、出力段４４０におけるゲート駆動抵抗を調節することによって、ゲート駆動電圧を、例えば、１２∨に低下させることができ、それによって、ＩＧＢＴまたは他の電力スイッチの導通損失を増加させる。再び、増加した導通損失は、デバイスの低い負荷での動作状態中に、電力半導体接合部の冷却を軽減する。他の実施形態では、ゲート電圧スルーレートならびにゲート電圧目標値を適応させることによって、熱サイクルを制御することができる。さらに、Ｖｇを適応させることによって、本発明の一実施形態によるゲート駆動ユニットは、広い範囲の動作状態にわたって熱的および電気的応力を平準化することができ、それによって、ゲート駆動ユニットによって制御される電力スイッチの熱疲労を低減する。

静的ゲート駆動電圧レベルの変動は、ゲート駆動ユニットで電源電圧を出力段に適応させることによって行われる。例えば、図４に示す実施形態では、電圧源４２１は、静的スイッチオンゲート電圧（ゲート駆動電圧）を制御するようにプログラム可能である。いくつかの実施形態では、調節可能な線形電圧調整器が使用され、電圧調整器の基準ピンの分圧比は、例えば、抵抗器をトランジスタでスイッチングすることによって、またはプログラム可能な電位差計を使用することによって変更される。図４は、出力段４４０がプログラム可能であり、並列に接続された複数の標準抵抗出力段を含むことも示している。並列抵抗出力段の各々は、可変直流電源４２１と、電力スイッチに接続されたゲート電圧端子３２６との間に抵抗器と直列に接続されたＭＯＳＦＥＴ、ＢＪＴ、または他の半導体スイッチで構成される。スイッチングの間のゲート電圧の時間関数は、プログラム可能な出力段４４０を介して、および／またはプログラム可能な電圧源４２１を介して、ＰＬＣまたは他のコントローラ４２０によって制御される。別の実施形態（図示せず）では、調整可能なバックコンバータまたはブーストコンバータが使用され、基準ピンの分圧比は、例えば、抵抗器をトランジスタでスイッチングすることによって、またはプログラム可能な電位差計を使用することによって変更される。

本発明の別の態様によれば、ゲート駆動ユニット４０２は、メモリ４２６からＰＬＣまたは他のコントローラ４２０によって選択された時間関数に従ってゲート駆動電圧Ｖｇのスルーレートを制御することによって、スイッチオンおよびスイッチオフの過渡状態の間のコレクタ−エミッタ電流Ｉｃｅのスルーレートを制御する。この場合、スイッチング損失は、Ｔｊを所望のエンベロープ内に維持するように調整される。

したがって、特定の実施形態では、ゲート駆動電圧Ｖｇのスルーレートまたは時間関数を適応させることによって、熱サイクルを制御することができる。ゲート電圧のスルーレートは、スイッチオン電流Ｉｃｅのスルーレートを制御し、したがって、スイッチング損失を制御する。（ゲート抵抗器出力段の増加した値によって）スイッチング過渡状態を遅くした場合には、スイッチング損失は、実質的に増加する。しかしながら、ゲート駆動電圧の静的な目標レベルは、両方の場合で＋１５∨である。スルーレートのみは、ゲート抵抗器と適応される。スイッチング損失をブーストすることによって、デバイスの低い負荷での動作状態中に電力半導体接合部の冷却が緩和されるという利点がある。

本発明の一態様では、記憶されるＶｇの値４４１は、Ｖｄｃの事前定義された範囲に対応するＴｊの一次関数として予め決定されてよい。例えば、記憶されるＶｇの値４４１は、Ｖｄｃの第１の範囲に対応するＴｊの第１の一次関数、Ｖｄｃの第２の範囲に対応するＴｊの第２の一次関数、などとして定義されてよい。本発明のいくつかの実施形態では、１つまたは複数の一次関数は、Ｔｊの設計範囲にわたって、Ｖｄｃの所与の範囲に対して一定の値を持つことができる。

他の実施形態では、記憶されるＶｇの値は、Ｔｊの関数として予め決定される。さらに、記憶されるＶｇの値は、段階的に変化する時間関数であってよく、この関数は、１つまたは複数のオペレータ制御信号ＯＣ１、ＯＣ２、などの事前定義された値に対応する、Ｔｃ、Ｉｌｏａｄ、および／またはＶｄｃの関数として予め決定されてよい。本発明のさらに別の態様では、記憶されるＶｇの値は、制御／データ信号接続部４２８および信号変換器４２２を介して別個のコントローラからＰＬＣ４２０で受信された１つまたは複数のオペレータ制御信号ＯＣ１、ＯＣ２、などの事前定義された値に対応する目標値として予め決定される。

図６および図７を参照して以下にさらに説明するように、記憶されるＶｇの値は、電力スイッチ接合部温度Ｔｊの様々な値での各電力スイッチのスイッチング挙動を示す経験的データに基づいて算出することができる。

実施形態では、ケース温度、Ｖｄｃ、Ｉｃｅのような測定値入力と、Ｒｔｈｊｃのような所定のシステムパラメータとに基づいて接合部温度Ｔｊを推定する熱モデルが、ゲート駆動ユニットに実装される。接合部温度Ｔｊの推定値に基づいて、ゲート駆動電圧Ｖｇおよび／またはゲート電圧時間関数Ｖｇ（ｔ）の適切な値が選択される。さらに別の態様では、熱モデルは、別個のコントローラ（図示せず）に実装され、この熱モデルは、接合部温度Ｔｊを示す基準値を選択し、ゲート駆動ユニットに通信することができ、この基準値は、ゲート駆動ユニットによって、ゲート駆動電圧Ｖｇおよび／またはゲート電圧時間関数Ｖｇ（ｔ）の適切な値を選択するために使用される。例えば、１分の開始時に、第１のゲート駆動電圧目標値Ｖｇ（０）が温度およびＶｄｃに基づいて１５∨として選択され、２分まで使用されてよい。１分の終了時に、温度に基づいて、第２のゲート駆動電圧目標Ｖｇ（１）が１４∨として選択され、３分まで使用されてよい。ゲート電圧時間関数Ｖｇ（ｔ）は、時間および電圧値のアレイ｛（１分，１５Ｖ），（２分，１４Ｖ），．．．．｝として、外部コントローラから制御／データ信号接続部４２８を介してゲート駆動ユニット４０２に伝送されてよい。このように、ＰＬＣ４２０は、電力スイッチ接合部２２４での熱過渡を最小にするために、スイッチング損失を増加または減少させることができる。

さらに別の実施形態では、負荷電流またはオペレータ制御入力などの動作状態を、中央コントローラ（図示せず）で測定することができ、中央コントローラは、ゲート駆動電圧Ｖｇおよび／またはゲート電圧時間関数Ｖｇ（ｔ）の適切な値を選択するための制御信号を選択し、ゲート駆動ユニットに通信することができる。

実施形態では、ゲート駆動ユニット４０２は、温度制御のために、閉ループモードまたは開ループモードのいずれかで動作する。閉ループモードでは、ＰＬＣまたは他のコントローラ４２０は、同時に測定または推定されたＴｊの値に基づいてＶｇを選択する。開ループモードでは、ＰＬＣ４２０は、予測可能な方法でＴｊに影響を与えることが予測され得る別のパラメータの測定値または推定値に基づいてＶｇを選択する。例えば、ＰＬＣ４２０は、モータ１３０を高速化することを要求するオペレータ制御信号ＯＣ１の受信に基づいて、Ｖｇのより高い値を選択することができる。

他方では、牽引モータ１３０が定常状態で動作することが期待されている間、ＰＬＣまたは他のコントローラ４２０は、Ｔｊの開ループ推定に基づいてＶｇの値を選択することができる。例えば、周囲温度、設計熱伝達パラメータ、デューティサイクル、直流リンク電圧、および、ディーゼル電気牽引システム１００の起動以降の時間に基づいて、Ｔｊを推定することができる。牽引システムの暖機運転の間、ＰＬＣ４２０は、所定のランプ関数に従って、Ｖｇを上昇させることができる。Ｔｊが定常状態であることが予測されると、ＰＬＣ４２０は、Ｖｇの定常状態値を記憶し、実現することができる。

別の例として、ケース温度、設計熱伝達パラメータ、ならびに、ＩｃｅおよびＶｄｃの測定値に基づいて、Ｔｊを推定することができる。他の変形態様は、当業者には明らかであろう。

一般に、接合部温度の関数としての導電性および非導電性コレクタ−エミッタ間抵抗およびゲート−エミッタ間抵抗と、内部インダクタンスと、接合部温度のおよびゲート駆動電圧の時間関数としてのコレクタ−エミッタ間電流と、冷却能力とを含む、電力スイッチの既知のパラメータに基づいて、複数のゲート駆動電圧値および／または時間関数を決定することができる。加えて、動作パラメータの事前定義された目標値に基づいて、例えば、所定の接合部温度でのスイッチング過渡状態中の消費電力の目標値に基づいて、複数のゲート駆動電圧値および／または時間関数を決定することができる。

図６は、所与の接合部温度Ｔｊ＝１３８℃の下で、ゲート駆動電圧Ｖｇの異なるターゲット値で行われたいくつかのスイッチング過渡状態に関するコレクタ−エミッタ間電圧および電流（ＶｃｅおよびＩｃｅ）の値を示す。これらの時間過渡状態値に基づいて、所与の接合部温度Ｔｊの下で、Ｖｇの各目標値に対するスイッチング過渡状態の消費電力を計算することができる。電力スイッチの冷却能力に基づいて、電力スイッチ接合部温度の目標変化率を達成するために、ゲート駆動電圧のどのような目標値を選択すべきかを決定することができる。典型的には、目標変化率は、熱サイクルを最小化するために、ゼロ変化（熱定常状態）となる。しかしながら、電気的設計制約は、接合部温度の最小限の変化（ここで、「最小限」は、約５パーセント未満を意味する）を要求する可能性があり、そのような変化は、本発明の意図する範囲内に留まる。

図７は、接合部温度Ｔｊ＝１３８℃でのゲート駆動抵抗Ｒｇｏｎの様々な値に対する消費電力を示す。Ｒｇｏｎのより低い値を選択するために、出力段４４０における並列抵抗ネットワークを制御することは、ゲート駆動電圧Ｖｇのより高い値を結果として生じる。ゲート駆動電圧のこのより高い値は、今度は、より低いスイッチング損失Ｅｏｎを生ずる。例えば、図７は、ゲート駆動抵抗Ｒｇｏｎにほぼ反比例する電力スイッチング損失Ｅｏｎを示す。ゲート駆動電圧Ｖｇを調節するための別のモードは、抵抗ネットワークの代わりに、プログラム可能な電流源を出力段４４０で提供することである。

経験的データは、図６および図７に示すように、電力スイッチのタイプまたはモデル間で、さらには個々の電力スイッチ間で変化することになる。したがって、選択された実施形態では、経験的データは、試運転時に各電力スイッチの目標動作温度で得られ、電力スイッチ識別子が、ゲート駆動ユニット４０２にプログラムすべき記憶された値４４１を選択するために中央コントローラで使用される。目標動作温度は、典型的には、最高許容接続部温度の約９０パーセントであり、したがって、また、電力スイッチのタイプまたはモデルに依存する。ルックアップテーブル４４２からＶｇの目標値を選択するために、数ある他のパラメータの中でも電力スイッチ接合部温度を使用することができるように、他の接合部温度値に関して経験的データを得るまたは推定することもできる。

選択された実施形態では、電力スイッチを通る定常状態導通に対して経験的消費電力を決定することもでき、定常状態Ｖｇを、スイッチングのための目標Ｖｇと同じにまたは異なって選択することができる。

一実施形態では、図５に示すように、電力スイッチの熱サイクルは、方法５００（例えば、電力スイッチを制御するための方法）によって低減される。方法は、５０２で、電力スイッチの接合部温度を示す値を取得するステップを含む。（取得するステップは、直接的または間接的な測定、動作中の電力スイッチの状態／パラメータに基づく推定、データ／情報または他の信号の受信、などを含むことができる。）方法は、さらに、５０４で、取得した少なくとも１つの値に基づいて、複数の所定のゲート駆動電圧値からゲート駆動電圧を選択するステップを含む。方法は、さらに、５０６で、選択したゲート駆動電圧を電力スイッチのゲートに提供するステップを含む。複数の所定のゲート駆動電圧値は、ゲート駆動電圧値に対応する個々の接合部温度値の関数として電力スイッチのゲートに提供されたとき（例えば、第１の接続部温度値または値の範囲に対して、第１のゲート駆動電圧が存在し、第２の異なる接続部温度値または値の範囲に対して、第２の異なるゲート駆動電圧が存在する、などである）、複数の接続部温度にわたる単一の一定ゲート電圧での動作中に存在することになる熱サイクルと比べて、電力スイッチの熱サイクルを低減するように設定される。

方法の別の実施形態では、方法は、電力スイッチの接続部温度を示す取得した値に対応する動作パラメータの範囲を特定するステップを含む。方法は、さらに、動作パラメータの特定した範囲に基づいて、所定の電力スイッチゲート駆動電圧を選択するステップと、電力スイッチ接合部温度を制御するために、選択したゲート駆動電圧を電力スイッチのゲートに提供するステップとを含む。

上述のように、電力スイッチを駆動するためのゲート駆動電圧は、電力スイッチの接続部温度を示す少なくとも１つの取得した値に基づいて、複数の所定のゲート駆動電圧値から選択される。接続部温度を示す少なくとも１つの値は、電力スイッチ温度を測定することによって得ることができる。電力スイッチ温度を、関連するケースでの接触によって、または、電力スイッチ接続部近傍の光学的もしくは他のセンサによって測定することができる。代替として、または付加的に、上述したように、接続部温度を、動作中の電力スイッチのパラメータ／状態に基づいて推定することができる。このように、値が直接の温度測定値ではない場合でも、接合部温度が値に基づいて決定可能もしくは推定可能であるため、値は、接合部温度を示すことができ、または、値は、電力スイッチの接合部もしくは別の部分の直接の温度測定値であってよい。

例えば、接合部温度を示す値を、少なくとも、電力スイッチが取り付けられた直流リンクの直流リンク電圧の測定値と、電力スイッチを含む電力変換器の電力変換器出力電流の測定値とに基づいて取得することができる。別の例として、接合部温度を示す値を、電力スイッチによって負荷電流を少なくとも部分的に提供される負荷の負荷電流の推定に基づいて取得することができる。代替としてまたは付加的に、ゲート駆動電圧を、負荷電流の特定した範囲に基づいて選択することができる。例えば、負荷電流の範囲を、電力スイッチでのスイッチングの前に特定することができる。別の実施形態では、接合部温度を示す値を、オペレータ制御信号に基づいて推定することができる。代替として、ゲート駆動電圧を、別個のコントローラから提供される基準値に基づいて電力スイッチ接合部温度を制御するように調節することができる。

本発明の一実施形態によれば、電力スイッチ用のゲート駆動ユニットは、調節可能なゲート駆動電圧を出力端子に提供するように制御可能な出力段と、電力スイッチの接合部温度を示す値を受信するように構成された信号接続部と、信号接続部および出力段に結合されたコントローラとを含む。コントローラは、電力スイッチ接合部温度を示す値に応じてゲート駆動電圧を調整するように出力段を制御するように構成される。

例えば、コントローラは、電力スイッチ接合部温度を示す値に対応するゲート駆動電圧の１つまたは複数の所定の値を識別するためにルックアップテーブルを検索することに基づいて、出力段を制御するように構成されてよい。いくつかの実施形態では、ルックアップテーブルは、出力段によって駆動される電力スイッチの両端間の電圧の事前定義された範囲に対応する複数のゲート電圧時間関数を含むことができる。ルックアップテーブルは、出力段によって駆動される電力スイッチを通る電流の事前定義された範囲に対応する複数のゲート駆動電圧時間関数を含むこともできる。さらに他の実施形態では、ルックアップテーブルは、電力スイッチ接合部温度の事前定義された範囲に対応する複数のゲート電圧時間関数を含むことができる。電力スイッチ接合部温度を示す値は、別個のコントローラから受信した基準値であってよく、ルックアップテーブルは、事前定義された基準値に対応する複数のゲート駆動電圧時間関数を含むことができる。

別の実施形態によれば、電力変換器は、複数の電力スイッチに接続された複数のゲート駆動ユニットを含む。各ゲート駆動ユニットは、調節可能なゲート駆動電圧を複数の電力スイッチのうちの少なくとも１つの電力スイッチに提供するように構成された出力段を含む。各ゲート駆動ユニットは、少なくとも１つの電力スイッチの接合部温度を示す値を受信するための信号接続部も含む。電力変換器は、さらに、少なくとも１つの信号接続部と、少なくとも１つの出力段とに結合された少なくとも１つのコントローラを含む。コントローラは、電力スイッチ接合部温度を示す値に応じてゲート駆動電圧を調節するように少なくとも１つの出力段を制御するように構成される。例えば、コントローラは、ルックアップテーブルを検索することに基づいて、電力スイッチ接合部温度を示す受信した値に対応するゲート駆動電圧の所定の値を特定するように出力段を制御するように構成されてよい。（ルックアップテーブルは、異なる電力スイッチ接合部温度に対応する複数の異なる所定のゲート駆動電圧値を含むことができる。）いくつかの実施形態では、ルックアップテーブルは、少なくとも１つの電力スイッチの両端間の電圧の事前定義された範囲に対応する複数のゲート駆動電圧時間関数を含むことができる。ルックアップテーブルは、少なくとも１つの電力スイッチを通る電流の事前定義された範囲に対応する複数のゲート駆動電圧時間関数を含むことができる。さらに他の実施形態では、ルックアップテーブルは、電力スイッチ接合部温度の事前定義された範囲に対応する複数のゲート駆動電圧時間関数を含むことができる。特定の実施形態では、電力スイッチ接合部温度を示す値は、別個のコントローラから受信した基準値であってよく、ルックアップテーブルは、事前定義された基準値に対応する複数のゲート駆動電圧時間関数を含むことができる。

別の実施形態は、電力スイッチの接合部温度を示す第１の値を受信するステップを含む方法（例えば、半導体電力スイッチを制御するための方法）に関する。方法は、さらに、第１の値に基づいて、第１のゲート駆動電圧を電力スイッチに提供するステップを含む。方法は、さらに、電力スイッチの接合部温度を示す異なる第２の値（例えば、より後の時点での、電力スイッチの接合部温度の変化を反映する第２の値）を受信するステップを含む。方法は、さらに、第２の値に基づいて、異なる第２のゲート駆動電圧を電力スイッチに提供するステップを含む。

容易に理解されるように、本発明の実施形態では、電力スイッチ接合部温度を示す値に基づいて、例えば、直流リンク電圧または負荷電流などの選択した動作パラメータの設計範囲内の電力スイッチ接合部温度の開ループまたは閉ループ制御に提供するために、ゲート駆動電圧を適応させることができる。電力スイッチ接合部温度の制御は、選択した動作パラメータの動作範囲にわたる熱サイクルの影響を緩和することができ、その結果、本発明の実施形態によるゲート駆動ユニットを設けることによって、制御する電力スイッチの耐久性および信頼性を高めることができる。

上記の説明は、例示であり、限定ではないことを意図していることを理解すべきである。例えば、上述の実施形態（および／またはその態様）を、互いに組み合わせて使用することができる。加えて、その範囲から逸脱することなく、特定の状況または材料を本発明の教示に適合させるために、多くの修正を行うことができる。本明細書に記載の材料の寸法およびタイプは、本発明のパラメータを定義することを意図しているが、それらは、決して限定的なものではなく、例示的な実施形態である。上記の説明を検討すれば、多くの他の実施形態が、当業者には明らかであろう。したがって、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲と、そのような特許請求の範囲が権利を与えられる等価物の完全な範囲とに関連して決定されるべきである。添付の特許請求の範囲では、「ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ（含む）」および「ｉｎ ｗｈｉｃｈ」という用語は、「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ（備える）」および「ｗｈｅｒｅｉｎ」というそれぞれの用語の平易な英語の同義語として使用される。さらに、以下の特許請求の範囲では、「第１の」、「第２の」、「第３の」、「上方の」、「下方の」、「底部」、「上部」、などの用語は、単にラベルとして使用され、それらの物体に対して数値または位置の要件を課すことを意図していない。さらに、以下の特許請求の範囲の限定は、そのような特許請求の範囲の限定が、さらなる構造の機能の無効の声明が続く「ための手段」という言い回しを明示的に使用しない限り、ミーンズプラスファンクション形式で書かれておらず、米国特許法第１２２条の第６段落に基づいて解釈されることを意図していない。

本明細書は、最良の形態を含む本発明のいくつかの実施形態を開示し、当業者が、任意のデバイスまたはシステムを製作および使用すること、ならびに、任意の組み込み方法を実行することを含む、本発明の実施形態を実施することを可能にするために例を使用する。本発明の特許性のある範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が想到する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言と相違し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言と実質的に相違しない等価な構造的要素を含む場合、特許請求の範囲内であることを意図している。

本明細書で使用されるとき、単数形で列挙され、「ａ」または「ａｎ」という単語に続けられる要素またはステップは、そのような除外が明示的に述べられない限り、複数の前記要素またはステップを除外しないと理解されるべきである。さらに、本発明の「一実施形態」への参照は、列挙された特徴を同様に組み込んだ追加の実施形態の存在を排除するものとして解釈されることを意図していない。さらに、明示的に反対に述べられない限り、特定の特性を有する要素または複数の要素を「備える」、「含む」、または「有する」実施形態は、その特性を持たない追加のそのような要素を含むことができる。

本明細書に含まれる本発明の要旨および範囲から逸脱することなく、上記の熱サイクルを制御するためのゲート駆動ユニットおよび方法において、特定の変更を行うことができるので、上記説明のまたは添付図面に示す主題のすべては、単に、本明細書の発明の概念を例示する例として解釈すべきであり、本発明を限定するものとして解釈すべきではないことを意図している。

１００ ディーゼル−電気牽引システム
１０２ 燃焼機
１０４ 三相発電機
１０６ 三相ダイオードアレイ
１０７ 直流リンク
１０８ キャパシタ
１１０ 電力変換器
１１１ スイッチモジュール
１１２ スイッチモジュール
１１３ スイッチモジュール
１１４ スイッチモジュール
１１５ スイッチモジュール
１１６ スイッチモジュール
１２０ 出力導線
１２１ 電力ケーブル
１２２ 電力ケーブル
１３０ 牽引モータ
２２０ 電圧制御型半導体電力スイッチ
２２１ フリーホイールダイオード
２２２ コレクタ
２２３ エミッタ
２２４ 接合部
２２５ ゲート
３２０ ケース
３２２ コレクタネジ端子
３２３ エミッタネジ端子
３２４ 感知または補助端子
３２５ 感知または補助端子
３２６ 制御端子
３２７ サーミスタ
４０２ ゲート駆動ユニット
４２０ ＰＬＣまたは他のコントローラ
４２１ 直流電源
４２２ 信号変換器
４２４ ＡＤＣ
４２６ メモリ
４２８ 制御／データ信号接続部
４３０ センサ信号接続部
４３２ センサ信号接続部
４３４ センサ信号接続部
４４０ 出力段
４４１ 複数の所定のゲート駆動電圧値
４４２ ルックアップテーブル

Claims (21)

1. 電力スイッチの接合部温度を示す少なくとも１つの値を取得するステップと、
   取得した前記少なくとも１つの値に基づいて、複数の所定のゲート駆動電圧値からゲート駆動電圧を選択するステップと、
   前記選択したゲート駆動電圧を前記電力スイッチのゲートに提供するステップとを含み、
   前記複数の所定のゲート駆動電圧値が、前記ゲート駆動電圧値に対応する個々の接合部温度値の関数として前記電力スイッチの前記ゲートに提供されたとき複数の接合部温度にわたって単一のゲート電圧での動作中に存在することになる熱サイクルと比べて前記電力スイッチの熱サイクルを減少させるように構成される、方法。
2. 前記複数の所定のゲート駆動電圧値から前記ゲート駆動電圧を選択するステップが、取得した前記少なくとも１つの値に対応する動作パラメータの範囲を特定するステップと、前記動作パラメータの複数の範囲にそれぞれ対応する複数の値から前記ゲート駆動電圧を選択するステップとを含む、請求項１記載の方法。
3. 前記接合部温度を示す前記少なくとも１つの値が、少なくとも、前記電力スイッチが取り付けられた直流リンクの直流リンク電圧の測定値と、前記電力スイッチを含む電力変換器の電力変換器出力電流の測定値とに基づいて取得される、請求項１記載の方法。
4. 取得した前記少なくとも１つの値が、前記電力スイッチの電力スイッチ温度の測定値である、請求項１記載の方法。
5. 前記電力スイッチ温度が、関連するケースでの接触によって測定される、請求項４記載の方法。
6. 取得した前記少なくとも１つの値が、前記電力スイッチによって負荷電流を少なくとも部分的に提供される負荷の負荷電流の推定値である、請求項１記載の方法。
7. 前記負荷電流の範囲が、前記電力スイッチでのスイッチングの前に特定され、前記複数の所定のゲート駆動電圧値から前記ゲート駆動電圧を選択するステップが、前記負荷電流の前記特定した範囲に対応するゲート駆動電圧の最大値を選択するステップを含む、請求項６記載の方法。
8. 前記接合部温度を示す前記少なくとも１つの値が、オペレータ制御信号に基づいて推定される、請求項１記載の方法。
9. 電力スイッチの接合部温度を示す第１の値を受信するステップと、
   前記第１の値に基づいて、第１のゲート駆動電圧を前記電力スイッチに提供するステップと、
   前記電力スイッチの前記接合部温度を示す、異なる第２の値を受信するステップと、
   前記第２の値に基づいて、異なる第２のゲート駆動電圧を前記電力スイッチに提供するステップと
   を含む、方法。
10. 調整可能なゲート駆動電圧を出力端子に提供するように制御可能な出力段と、
    電力スイッチの接合部温度を示す値を受信するように構成された信号接続部と、
    前記信号接続部および前記出力段に結合されたコントローラと
    を備え、前記コントローラが、前記電力スイッチ接合部温度を示す前記値に応じて前記ゲート駆動電圧を調節するように前記出力段を制御するように構成される、ゲート駆動ユニット。
11. 前記コントローラが、前記電力スイッチ接合部温度を示す前記値に対応するゲート駆動電圧の１つまたは複数の所定の値を特定するためにルックアップテーブルを検索することに基づいて前記出力段を制御するように構成される、請求項１０記載のゲート駆動ユニット。
12. 前記ルックアップテーブルが、前記出力段によって駆動される前記電力スイッチの両端間の電圧の事前定義された範囲に対応する複数のゲート駆動電圧時間関数を含む、請求項１１記載のゲート駆動ユニット。
13. 前記ルックアップテーブルが、前記出力段によって駆動される前記電力スイッチを通る電流の事前定義された範囲に対応する複数のゲート駆動電圧時間関数を含む、請求項１１記載のゲート駆動ユニット。
14. 前記ルックアップテーブルが、電力スイッチ接合部温度の事前定義された範囲に対応する複数のゲート駆動電圧時間関数を含む、請求項１１記載のゲート駆動ユニット。
15. 前記電力スイッチ接合部温度を示す前記値が、別個のコントローラから受信した基準値であり、前記ルックアップテーブルが、事前定義された基準値に対応する複数のゲート駆動電圧時間関数を含む、請求項１１記載のゲート駆動ユニット。
16. 複数の電力スイッチに接続された複数のゲート駆動ユニットであって、各ゲート駆動ユニットが、ゲート駆動電圧を前記複数の電力スイッチのうちの少なくとも１つに提供するように構成された出力段を備え、少なくとも１つのゲート駆動ユニットが、調節可能なゲート駆動電圧を前記複数の電力スイッチのうちの少なくとも１つに提供するように構成された調節可能な出力段を備える、ゲート駆動ユニットと、
    前記複数の電力スイッチのうちの少なくとも１つの接合部温度を示す値を受信するように構成された少なくとも１つの信号接続部と、
    前記少なくとも１つの信号接続部および前記調節可能な出力段に結合され、前記接合部温度を示す前記値に応じて前記ゲート駆動電圧を調節するように前記調節可能な出力段を制御するように構成された少なくとも１つのコントローラと
    を備える電力変換器。
17. 前記コントローラが、前記接合部温度を示す前記受信した値に対応するゲート駆動電圧の所定の値を特定するためにルックアップテーブルを検索することに基づいて前記調節可能な出力段を制御するように構成される、請求項１６記載の電力変換器。
18. 前記ルックアップテーブルが、前記複数の電力スイッチのうちの少なくとも１つの両端間の電圧の事前定義された範囲に対応する複数のゲート駆動電圧時間関数を含む、請求項１７記載の電力変換器。
19. 前記ルックアップテーブルが、前記複数の電力スイッチのうちの少なくとも１つを通る電流の事前定義された範囲に対応する複数のゲート駆動電圧時間関数を含む、請求項１７記載の電力変換器。
20. 前記ルックアップテーブルが、前記複数の電力スイッチのうちの少なくとも１つの接合部温度の事前定義された範囲に対応する複数のゲート駆動電圧時間関数を含む、請求項１７記載の電力変換器。
21. 前記接合部温度を示す前記値が、別個のコントローラから受信した基準値であり、前記ルックアップテーブルが、事前定義された基準値に対応する複数のゲート駆動電圧時間関数を含む、請求項１７記載の電力変換器。