特許 5977836 ゲート電圧制限回路を有する方法、パワーユニットおよびパワーシステム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5977836

(24)【登録日】2016年7月29日

(45)【発行日】2016年8月24日

(54)【発明の名称】ゲート電圧制限回路を有する方法、パワーユニットおよびパワーシステム

(51)【国際特許分類】

   H02M 1/08 20060101AFI20160817BHJP

   H01L 25/07 20060101ALI20160817BHJP

   H01L 25/18 20060101ALI20160817BHJP

【ＦＩ】

   H02M1/08 A

   H01L25/04 C

【請求項の数】13

【全頁数】20

(21)【出願番号】特願2014-544759(P2014-544759)

(86)(22)【出願日】2012年11月14日

(65)【公表番号】特表2015-502732(P2015-502732A)

(43)【公表日】2015年1月22日

(86)【国際出願番号】US2012064916

(87)【国際公開番号】WO2013095809

(87)【国際公開日】20130627

【審査請求日】2014年6月2日

(31)【優先権主張番号】13/331,682

(32)【優先日】2011年12月20日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】390041542

【氏名又は名称】ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ

(74)【代理人】

【識別番号】100137545

【弁理士】

【氏名又は名称】荒川 聡志

(74)【代理人】

【識別番号】100105588

【弁理士】

【氏名又は名称】小倉 博

(74)【代理人】

【識別番号】100129779

【弁理士】

【氏名又は名称】黒川 俊久

(74)【代理人】

【識別番号】100113974

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 拓人

(72)【発明者】

【氏名】クッテンクーラー，ジェイソン・ダニエル

(72)【発明者】

【氏名】マリ・クルベロ，アルヴァロ・ヨルゲ

(72)【発明者】

【氏名】メンツェル，マティアス

(72)【発明者】

【氏名】ウルフ，ジェフリー

(72)【発明者】

【氏名】ヤング，ヘンリー

(72)【発明者】

【氏名】ゾエルズ，トーマス

【審査官】 尾家 英樹

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００８−０４２９５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００２／００２４１３５（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２００９−２０７０１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０５０５５７２２（ＵＳ，Ａ）

【文献】 米国特許第０５９４９２７３（ＵＳ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｍ １／００− １／４４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ハウジングと、
前記ハウジングに取り付けられおよび第１の遠隔搭載された駆動回路（３１４）に２つまたはそれ以上の第１のワイヤリードを介して電気的に結合されるように構成される第１のスイッチと、
前記第１のスイッチの端子におよび前記第１のスイッチと並列に電気的に結合された第１のクランプ回路であって、前記第１のクランプ回路は前記ハウジング内または前記ハウジングの外表面上に配置され、および前記第１のスイッチの両端の電圧を制限するように構成される、クランプ回路と、
を備え、
前記クランプ回路（３２８）はダイオードの第２のセットと直列に配置されたダイオードの第１のセットを備え、前記ダイオードの第１のセットは互いに平行に配置された複数のツェナーダイオード（４００）を備え、前記ダイオードの第２のセットは互いに平行に配置された複数のショットキーダイオード（４０２）を備え、
前記クランプ回路（３２８）は、直列接続された前記ダイオードの第１のセットおよび前記ダイオードの第２のセットと並列に配置されたキャパシタ（３２０、６０６）を備える、
パワーユニット。

【請求項2】

前記スイッチはトランジスタおよび前記トランジスタのゲートおよびエミッタにそれぞれ接続されたゲート端子（３２４）およびエミッタ端子（３２６）を備える端子を備える、請求項１に記載のパワーユニット。

【請求項3】

前記ハウジング内で第２の遠隔搭載された駆動回路（３１４）に２つまたはそれ以上の第２のワイヤリードを介して電気的に結合されるように構成された第２のスイッチ、および前記第２のスイッチの端子におよび前記第２スイッチと並列に電気的に結合された第２のクランプ回路をさらに備え、前記第２のクランプ回路は前記ハウジング内または前記ハウジングの外表面上に配置され、および前記第２のスイッチの両端の電圧を制限するように構成され、前記第１および第２のスイッチは直列に接続される、請求項１または２に記載のパワーユニット。

【請求項4】

第２のハウジング内で第２の遠隔搭載された駆動回路（３１４）に２つまたはそれ以上の第２のワイヤリードを介して電気的に結合されるように構成された第２のスイッチ、および前記第２のスイッチの端子におよび前記第２のスイッチと並列に電気的に結合された第２のクランプ回路をさらに備え、前記第２のクランプ回路は前記第２のハウジング内または前記第２のハウジングの外表面上に配置され、および前記第２のスイッチの両端の電圧を制限するように構成され、前記第１および第２のスイッチは直列に接続される、請求項１または２に記載のパワーユニット。

【請求項5】

各スイッチはそれぞれのトランジスタおよびそれぞれのトランジスタのゲートおよびエミッタに接続されたゲート端子（３２４）およびエミッタ端子（３２６）を備える各スイッチの前記端子を備える、請求項１から４のいずれかに記載のパワーユニット。

【請求項6】

請求項１から５のいずれかに記載の前記パワーユニットと、
前記駆動回路（３１４）であって、前記駆動回路（３１４）は前記ハウジングの外側におよび前記ハウジングから離れて遠隔搭載され、前記端子は外部端子であり、前記駆動回路（３１４）はワイヤリードに電気的に接続され、前記ワイヤリードは前記外部端子に電気的および機械的に接続される、前記駆動回路（３１４）と、
を備えるシステム。

【請求項7】

制御端子および第１および第２のパワー端子を有するソリッドステートスイッチと、
前記スイッチを制御可能に活性化するために前記制御端子に遠隔接続された駆動回路（３１４）と、
前記制御端子および前記第１または第２のパワー端子の一方との間に電気的に結合されたクランプ回路（３２８）であって、前記クランプ回路（３２８）は前記制御端子および前記第１または第２のパワー端子の前記一方との間の電圧を前記スイッチのターンオン電圧以上のおよび前記スイッチの最大電圧以下の電圧レベルに制限するように構成された、クランプ回路（３２８）と、
を備え、
前記スイッチはハウジング内に配置され、前記クランプ回路（３２８）は前記ハウジング内または前記ハウジングの外表面上に配置され、
前記スイッチはトランジスタであり、前記制御端子は前記トランジスタのゲート端子（３２４）であり、前記第１または第２のパワー端子の前記一方は前記トランジスタのエミッタ端子（３２６）であり、
前記クランプ回路（３２８）は並列に配置された複数のショットキーダイオード（４０２）と直列に接続された、並列に配置された複数のツェナーダイオード（４００）を備え、
前記クランプ回路（３２８）は、直列接続された前記複数のショットキーダイオード（４０２）および複数のツェナーダイオード（４００）と並列に配置されたキャパシタ（３２０、６０６）を備え、
前記ツェナーダイオード（４００）のカソードは前記ゲート端子（３２４）に電気的に結合され、前記ツェナーダイオード（４００）のアノードは前記ショットキーダイオード（４０２）のアノードに電気的に接続され、前記ショットキーダイオード（４０２）のカソードは前記トランジスタのエミッタ端子（３２６）に電気的に接続された、
パワーユニット。

【請求項8】

前記駆動回路（３１４）はワイヤにより前記制御端子に遠隔接続される、請求項７に記載のパワーユニット。

【請求項9】

前記駆動回路（３１４）は前記クランプ回路（３２８）に遠隔接続される、請求項７に記載のパワーユニット。

【請求項10】

前記クランプ回路（３２８）および前記制御端子との間の電気的接続のインダクタンスは１０ｎＨ以下である、請求項７から９のいずれかに記載のパワーユニット。

【請求項11】

モータを駆動するための交流出力波形を生成する制御可能なインバータモジュールであって、前記インバータモジュールはスイッチハウジング（３１３）内に含まれるクランプ回路（３２８）およびトランジスタスイッチを備える、インバータモジュールと、
前記駆動回路（３１４）の第１の端子を前記トランジスタスイッチのゲート端子（３２４）に結合する第１のワイヤリードおよび前記駆動回路（３１４）の第２の端子を前記トランジスタスイッチのエミッタ端子（３２６）に結合する第２のワイヤリードを介して前記トランジスタスイッチに動作可能に結合された駆動回路（３１４）と、
を備え、
前記クランプ回路（３２８）は前記ゲート端子（３２４）およびエミッタ端子（３２６）間の電圧を制限するために前記ゲート端子（３２４）およびエミッタ端子（３２６）との間に前記トランジスタスイッチと並列に配置され、前記クランプ回路（３２８）は前記スイッチハウジング（３１３）内または前記スイッチハウジング（３１３）の外表面上に配置され、
前記クランプ回路（３２８）はダイオードの第２のセットと直列に配置されたダイオードの第１のセットを備え、前記ダイオードの第１のセットは互いに平行に配置された複数のツェナーダイオード（４００）を備え、前記ダイオードの第２のセットは互いに平行に配置された複数のショットキーダイオード（４０２）を備え、
前記クランプ回路（３２８）は、直列接続された前記ダイオードの第１のセットおよび前記ダイオードの第２のセットと並列に配置されたキャパシタ（３２０、６０６）を備える、
パワーシステム（２００）。

【請求項12】

前記駆動回路（３１４）は前記インバータモジュールから遠隔搭載される、請求項１１に記載のパワーシステム（２００）。

【請求項13】

請求項１１または１２に定義されるパワーシステム（２００）を備える移動型アセット。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の例示的実施形態は一般的にインバータなどの電子機器に関する。他の実施形態は電子機器の安全性やフェイルセーフ回路に関する。

【背景技術】

【0002】

いくつかの車両では車両の車輪を駆動する電気駆動モータを採用する場合がある。これらの車両のうちのいくつかでは、モータはそのスピードとパワーがモータの界磁巻線に供給されるＡＣ電力の周波数および電圧を変えることにより制御される交流（ＡＣ）モータである。電力はインバータのような回路により制御される周波数および電圧振幅のＡＣ電力に変換されるＤＣ電力として供給されてもよい。インバータは出力ＡＣ波形を生成するために交流方式の駆動回路によりオンおよびオフをスイッチされる絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）などの半導体スイッチを含んでいてもよい。

【0003】

ＩＧＢＴはパワーＭＯＳＦＥＴにより駆動されるバイポーラトランジスタとして概念的に理解することができる。これは少数キャリアデバイス（高電圧デバイスであっても、オン状態において良好な性能）であるという利点を有していてもよく、およびＭＯＳＦＥＴ（非常に低量のパワーでオンまたはオフに駆動されることができる）の高い入力インピーダンスを有していてもよい。しかし、低電圧での用途においてオン状態（２から４Ｖ）で顕示される望ましくない高い電圧降下がある場合がある。ＭＯＳＦＥＴに比べて、ＩＧＢＴの動作周波数は比較的低い。これはターンオフ時のいわゆる「テール電流」問題のためである場合がある。この問題はターンオフ時の伝導電流の低速減衰により引き起こされる場合がある。最終結果はＩＧＢＴのターンオフスイッチング損失がターンオン損失よりも相対的に高いことである場合がある。意図された用途のスイッチング周波数を乗じたターンオフエネルギーはターンオフ損失の推定を可能にしてもよい。

【0004】

現在利用可能なこれらのデバイスまたは回路とは異なる、インバータなどの電子機器および回路を有することが望ましい場合がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】米国特許出願公開第２０１０／０５９０２８号明細書

【発明の概要】

【0006】

本発明の実施形態において、パワーユニットはハウジング、第１のスイッチ、および第１のクランプ回路を含む。第１のスイッチはハウジングに取り付けられてもよく、および２つまたはそれ以上の第１のワイヤリードを介して第１の遠隔搭載された駆動回路に電気的に結合されるように構成される。第１のクランプ回路は第１のスイッチの端子におよび並列に第１のスイッチと電気的に結合される。第１のクランプ回路はハウジング内またはハウジングの外表面上に配置され、および第１のスイッチの両端の電圧を制限するように構成される。

【0007】

別の実施形態において、パワーシステム（例えば、車両用）はインバータモジュールおよび遠隔搭載された駆動回路を含む。インバータモジュールはモータを駆動するための交流出力波形を生成するように制御可能である。インバータモジュールはまたスイッチハウジング内に含まれるクランプ回路およびトランジスタスイッチを含む。遠隔搭載された駆動回路は、駆動回路の第１の端子をトランジスタスイッチのゲート端子に結合する第１のワイヤリードおよび駆動回路の第２の端子をトランジスタスイッチのエミッタ端子に結合する第２のワイヤリードを介してトランジスタスイッチに動作可能に接続される。クランプ回路は、ゲート端子およびエミッタ端子間の電圧を制限するためにゲート端子およびエミッタ端子との間にトランジスタスイッチと並列に配置される。さらに、クランプ回路はスイッチハウジングの内部またはスイッチハウジングの外表面上に配置される。

【0008】

別の実施形態において、方法は、駆動回路の第１の端子をインバータモジュールのゲート端子に電気的に結合する、および駆動回路の第２の端子をインバータモジュールのエミッタ端子に電気的に結合する、インバータモジュールを車両に搭載することを含む。エミッタおよびゲート端子はインバータモジュールのトランジスタスイッチに電気的に接続される。方法はまた駆動回路をインバータモジュールのトランジスタスイッチから遠隔して車両に搭載することを含む。例示的な方法において、インバータモジュールは、ゲート端子およびエミッタ端子間の電圧を制限するためにゲート端子およびエミッタ端子との間のトランジスタスイッチのハウジング上またはハウジング内に配置されたクランプ回路を含む。

【0009】

別の実施形態は、例えばパワーユニットがインバータユニットであってもよいまたはそれがインバータユニットを含んでいてもよいパワーユニットに関する。パワーユニット遠隔搭載された駆動回路には２つまたはそれ以上の第１のワイヤリードを介して電気的に結合可能なトランジスタスイッチを含む。パワーユニットはまたトランジスタスイッチの第１および第２の端子に電気的に結合され、およびトランジスタスイッチの第１および第２の端子の間の電圧を制限するように構成されたクランプ回路を含む。クランプ回路は第１の端子または第２の端子の一方に接続された並列接続されたダイオードの第１のセットを含む。クランプ回路はまた、第１のセットと直列に接続され、および第２の端子の第１の端子の他方に接続された少なくとも１つのキャパシタ；または第１のセットと直列に接続され、および第１の端子の他方または第２の端子に接続されたダイオードの第２のセットのうちの一方を含む。

【0010】

本発明のこれらおよび他の特徴および態様は、図面全般に渡って同様の符号が同様の部分を表す添付の図面を参照して以下の詳細な説明が読まれる際に、より良く理解されるであろう。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明の１つまたは複数の実施形態を例説するシステムを含む車両のブロック図である。

【図2】本発明の実施形態によるパワーシステムのブロック図である。

【図3】本発明の実施形態によるクランプ回路を有するインバータ位相レグのブロック図である。

【図4】本発明の実施形態によるクランプ回路の概略図である。

【図5】本発明の実施形態によるクランプ回路の概略図である。

【図6】本発明の実施形態によるクランプ回路の概略図である。

【図7】クランプ回路なしのインバータモジュールスイッチのゲート−エミッタ間電圧のグラフである。

【図8】本発明の実施形態によるクランプ回路を有する例示的なインバータモジュールスイッチのゲート−エミッタ間電圧のグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0012】

本発明の例示的な実施形態は一般的にインバータなどの電子機器の信頼性を向上させるためのシステムおよび方法に関する。且つ又、そのような例示的な実施形態はインバータスイッチを挟むゲート−エミッタ間電圧を制限するための改良されたクランプ回路に関連してもよい。移動型および固定型実装は本発明の実施形態と共に使用するのに適しているが、例を簡単にするために移動型実装が詳細に開示される。そして、移動型実装に関しては、特定のアセット、すなわちディーゼル電気機関車が本発明の特定の実施形態の開示のための説明の明確化のために選択されている。機関車以外の他の適切な車両は、オンロード車両、オフハイウェイ車両、鉱山機械、建設機械、産業機器、および船舶を含め適切な移動型アセットとして考慮される。

【0013】

本明細書で使用されるクランプ回路は、ダイオードがいくつかの回路内での特定の点での電位が一定値以上に上昇するまたはそうではなく一定値以下に下降する際はいつでも低い抵抗値を提供する、または交流回路における電圧の正または負の極端なある一定値を維持する回路である。本明細書で使用される場合、スイッチという用語はとりわけ絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、逆導通ＩＧＢＴ、および双モード絶縁ゲートトランジスタ（ＢＩＧＴｓ）などのハイパワー半導体スイッチを含んでいてもよい。他の適切なスイッチはサイリスタおよびバイポーラトランジスタを含んでいてもよい。区別はスイッチの種類の中に留意される。例えば、多数キャリアデバイス（ショットキーダイオード、ＭＯＳＦＥＴ）および少数キャリアデバイス（サイリスタ、バイポーラトランジスタ、ＩＧＢＴ）がある。少数キャリアデバイスが両方（すなわち、電子および正孔）を使用する一方、多数キャリアデバイスは電荷キャリアの１種類のみを使用する。区別をする特徴に含まれるのは、多数キャリアデバイスは比較的高速であるが、少数キャリアデバイスの電荷注入は比較的良好なオン状態性能を可能にする場合があることである。本明細書で使用されるインバータは直流（ＤＣ）を交流（ＡＣ）に変換する電気機器であり；変換されたＡＣは選択された変圧器、スイッチ、および制御回路を用いて決定された電圧および周波数であることができる。本明細書で使用されるキャパシタは、正電荷を１つのプレート上に集め、負電荷を別のプレート上に集めることを生じさせる、導体の両端の電位差（電圧）、誘電体の両端に静電場を発生するようにした、誘電体（絶縁体）により分離された一対の導体を含む受動電子部品である。このように、キャパシタは静電界にエネルギーを蓄積することができる。いくつかの適切なキャパシタは交流を通過することを可能にしながら、直流をブロックしてもよい。

【0014】

図１は本発明の１つまたは複数の実施形態を示すディーゼル電気機関車のブロック図である。簡略化された部分断面図に示されている機関車は参照番号１００で示される。図１に表示しない複数のトラクションモータは駆動輪１０２の後方に位置し、駆動する関係において車軸１０４に結合される。図１に表示しない複数の補助モータは機関車上の様々な部位に位置し、ブロワーまたはラジエータファンのような様々な補助負荷に結合される。モータは交流（ＡＣ）電動モータであってもよい。以下に詳細に説明するように、機関車１００はモータへの電力を制御するための複数の電気的なインバータ回路を含んでいてもよい。

【0015】

図２は実施形態によるパワーシステムのブロック図である。参照番号２００で示されるパワーシステムは負荷へのＡＣパワーを制御するために使用されてもよい。パワーシステム２００はディーゼルエンジン（図示せず）などのオンボード内燃機関により駆動されるオルタネータ２０２を含んでいてもよい。オルタネータ２０２のパワー出力はフィールド制御２０４により示されるフィールド励磁制御により調節される。オルタネータ２０２からの電力は整流器２０６によって整流され、および１つまたは複数のインバータ２０８に結合される。インバータ２０８は、１つまたは複数のＡＣモータ２１０に適用するために直流パワーを可変周波数および可変電圧振幅を有する交流パワーに変換するハイパワー半導体スイッチを使用してもよい。２つのモータが示されているが、機関車は、例えば個々のインバータによりそれぞれが制御される４つから６つのＡＣ電気モータを含んでいてもよい。

【0016】

再度図１を参照すると、電力回路は少なくとも部分的に機器室１０６内に配置される。インバータ２０８およびフィールド制御２０４用の制御電子機器並びに他の電子部品は機器室１０６内のラックに保持された回路基板上に配置されてもよい。機器室１０６内で、パワーコンバータは空冷ヒートシンク１０８に搭載されてもよい。

【0017】

ＡＣ波形を生成するために使用されるインバータ２０８は１つまたは複数のスイッチを含んでいてもよい。使用される特定のスイッチはアプリケーション固有のパラメータを参照して選択されてもよい。

【0018】

インバータスイッチのオンおよびオフを切り替えるために使用される駆動回路はインバータモジュールから遠隔操作してもよい。例えば、駆動回路は駆動回路の出力を対応するインバータモジュールスイッチのゲートに結合するのに使用されるワイヤリードとともに、インバータモジュールのハウジングから外側に遠隔して位置するリモート回路基板上に配置されてもよい。駆動回路およびスイッチとの間のワイヤリードは、特定の状況下でスイッチのゲート端子およびエミッタ端子間の電圧上昇に寄与することができるインダクタンスのレベルを導入する。例えば、１０ｃｍのワイヤード接続は１００ｎＨ以上の良好なインダクタンスを導入してもよい。そのような発生の可能性を低減するために、いくつかのインバータモジュールは駆動回路がインバータモジュールスイッチに搭載され、および高インダクタンスワイヤリードが除去されるように構成される。このような構成はパワーシステム上のパッケージングデザインの制約を強いる場合がある。実施形態によれば、駆動回路は駆動回路をインバータスイッチに結合するワイヤリードとともにインバータスイッチから遠隔配置され、およびクランプ回路はワイヤリードにより導入された高インダクタンスの影響を軽減するために使用される。駆動回路およびスイッチに比べて小さいサイズであるクランプ回路は、クランプおよびスイッチ入力との間の低インダクタンス接続を提供するスイッチデバイスと一体化されてもよい。インダクタンスを切り替える一般的なクランプは数ｎＨの範囲である。このように、パワーシステムのための非常に柔軟なパッケージングデザインを可能にしながら、クランプはスイッチが過電圧状態を経験する可能性を低減する。

【0019】

図３は実施形態によるクランプ回路を有するインバータ位相レグのブロック図である。図３に示すように、インバータ位相レグ３００はスイッチ３０２および３０４の対を含む。スイッチは本明細書では上側スイッチ３０２および下側スイッチ３０４と呼ばれる。本明細書では上側ダイオード３０６と呼ばれる第１のダイオードは上側スイッチ３０２のコレクタおよびエミッタ間に反平行に配置される。本明細書では下側ダイオード３０８と呼ばれる第２のダイオードは下側スイッチ３０４のコレクタおよびエミッタ間に反平行に配置される。ダイオード３０６および３０８は、電流伝導スイッチがオフされる際に回路および負荷のインダクタンスにより生成される電流である、フリーホイーリング電流のための導電性パスを提供する。上側ダイオード３０６は、下側スイッチ３０４がオフされた際に結果として生じる場合のあるフリーホイーリング電流のための導電性パスを提供する。下側ダイオード３０８は、上側スイッチ３０２がオフされた際に結果として生じる場合のあるフリーホイーリング電流のための導電性パスを提供する。上側スイッチ３０２および下側スイッチ３０４は上部レール電圧３１０および下部レール電圧３１２との間に直列に配置される。実施形態において、各スイッチ３０２および３０４およびそれに対応するダイオード３０６および３０８はそれ自身の個別のスイッチハウジング３１３内に配置される。実施形態において、スイッチ３０２および３０４とダイオード３０６および３０８は同じハウジング内に配置される。簡略化のために、単相出力３１８を生成するための単一のインバータ位相レグ３００が示される。しかしながら、実施形態によるインバータモジュールは２つ、３つ、またはそれ以上のインバータ位相レグ３００を含んでいてもよく、各々が特定の位相のための出力ＡＣ波形を提供することが理解されるであろう。例えば、３つのインバータ位相レグ３００が三相ＡＣ出力波形を生成するために使用されてもよい。さらに、実施形態はまた直列接続されたレグの対、３レベルおよびマルチレベルインバータ、Ｈ−ブリッジ等を有するコンバータなどのコンバータを含んでいてもよい。

【0020】

各スイッチ３０２および３０４は少なくとも対応するスイッチ３０２および３０４のゲートおよびエミッタに動作可能に結合された駆動回路３１４により駆動される。制御回路３１６はスイッチ３０２および３０４の活性化を調整するために駆動回路３１４に動作可能に結合されてもよい。制御回路３１６はスイッチ３０２および３０４を位相出力３１８でＡＣ波形を生成するために交互にオンおよびオフにパルス化することを引き起こさせてもよい。実施形態において、ゲート−エミッタ間のキャパシタ３２０は各スイッチ３０２および３０４と並列に、換言すると各スイッチ３０２および３０４のゲートおよびエミッタ間に配置されてもよい。本説明の目的のために、３端子デバイスに関して使用される場合、用語「平行」は３端子デバイスのいずれか２つの端子と共通の接続を参照するものとして使用される。ゲート−エミッタ間のキャパシタ３２０は対応するスイッチ３０２および３０４のスイッチタイミング特性を制御する大きさである。実施形態において、ゲート−エミッタ間のキャパシタ３２０は図４に示すようにクランプの一部として含まれていてもよい。実施形態において、ゲート−エミッタ間のキャパシタ３２０は図３に示すように別個の構成要素であってもよい。

【0021】

実施形態において、駆動回路３１４はインバータ位相レグ３００およびスイッチ３０２および３０４から遠隔配置される。駆動回路３１４が「遠隔」配置されているとの記述は、例えば駆動回路３１４をスイッチハウジング３１３に直接搭載することにより達成されてもよいような、駆動回路３１４が低インダクタンス接続（例えば、１０ｎＨ以下）または非常に低インダクタンスの接続（例えば、５ｎＨ以下）を介してスイッチ３０２および３０４に結合されていないことを意味する。（１つの態様によれば、より一般的には、それらの間の電気的接続が低インダクタンスの接続ではない場合、例えばそれらの間の電気的接続が１０ｎＨを超える場合、２つの回路または他のデバイスが遠隔接続される。別の態様によれば、それらの間の電気的接続が非常に低インダクタンスの接続ではない場合、例えばそれらの間の電気的接続が５ｎＨを超える場合、２つの回路または他のデバイスが遠隔接続される。）駆動回路３１４は、それぞれがスイッチハウジング３１３上に配置された駆動回路３１４の出力端子および入力端子との間に配置されたワイヤリード３２２を介してスイッチ３０６および３０８に結合されてもよい。具体的には、一対のワイヤリード３２２のワイヤの一方はスイッチハウジング３１３のゲート端子３２４に結合されてもよく、および他のワイヤリード３２２はスイッチハウジング３１３のエミッタ端子３２６に結合されてもよい。図示していないが、駆動回路３１４およびスイッチハウジング３１３との間に他の機能的ワイヤが存在してもよく、例えば、ワイヤリードが駆動回路３１４を上側スイッチ３０２のセンシングコレクタ端子に結合する。ゲート端子３２４およびエミッタ端子３２６はスイッチハウジング３１３の外側に配置されてもよく、例えばネジ端子またはハウジングの他の外部端子（ハウジングの外側からアクセス可能な、ハウジングに接続された端子と呼ばれる、および外部デバイスおよびハウジング内の構成要素との間の電気的接続を確立するための「外部」端子）であってもよい。実施形態において、ワイヤリード３２２は外部ソースからの電磁妨害から保護するためにツイストペア構成で配置されてもよい。

【0022】

各駆動回路３１４はスイッチ３０２または３０４のゲート端子およびエミッタ端子間に正の電圧を供給することによりその制御下でスイッチ３０２または３０４をオンにするように構成されてもよい。本記述の目的のために、スイッチ３０２または３０４をオンするために使用される電圧レベルは約１５ボルトであってもよい。しかしながら、特定の実装に使用されるスイッチ３０２および３０４の設計に応じて、任意の適切な電圧レベルが使用されてもよいことが理解されるであろう。特定の障害条件の下で、スイッチを損傷する恐れがある過度のレベルをスイッチ３０２または３０４のエミッタおよびコレクタ間の電圧用に設けることが可能であってもよい。例えば、「シュートスルー（ｓｈｏｏｔ ｔｈｒｏｕｇｈ）」としても知られる故障状態の一種は、２つのスイッチ３０２および３０４を介して上部レール電圧３１０および下部レール電圧３１２との間に短絡を作成する、両方のスイッチ３０２および３０４が同時にオンしている場合に起こり得る。インバータ位相レグ３００の構成要素のいずれかに損傷を与える可能性を低減するために、駆動回路３１４は故障状態を検出し、および故障状態が検出された際にその制御下でスイッチ３０２または３０４をオフにするように構成されてもよい。しかしながら、スイッチ３０２または３０４の１つをオフにする過程において、スイッチ３０２または３０４を損傷するのに十分な大きさの電圧スパイクがスイッチ３０２または３０４のゲートおよびエミッタ間に現れる場合がある。ワイヤリード３２２の高インダクタンス接続はこのような電圧上昇に寄与する場合がある。

【0023】

障害状態が発生した場合にスイッチの損傷に対するさらなる保護を提供するために、インバータ位相レグ３００は各スイッチハウジング３１３のゲート端子３２４およびエミッタ端子３２６、および各対応するスイッチ３０２および３０４と並列に電気的に結合されるクランプ回路３２８を含む。（インバータモジュールは各スイッチ３０２および３０４にそのようなクランプ回路３２８が１つずつに提供されていてもよい。）実施形態において、クランプ回路３２８はゲート端子３２４およびエミッタ端子３２６に近接するスイッチハウジング３１３の外側に搭載される。実施形態において、クランプ回路３２８はスイッチハウジング３１３内に配置されてもよい。クランプ回路３２８および対応するスイッチ３０２または３０４との間の電気的接続はスイッチ３０２または３０４への近接に起因する低インダクタンス接続である。

【0024】

クランプ回路３２８は、スイッチ３０２または３０４が損傷を受ける可能性以上の電圧限界を超えることから、本明細書で「ゲート−エミッタ間電圧」と呼ばれる、上側スイッチ３０２のゲートおよびエミッタ間の電圧を防止するように構成されてもよい。電圧制限は特定の実施において使用される特定のスイッチの製造業者により指定されてもよい。例えば、スイッチ３０２または３０４の種類および設計特性に応じて、電圧制限値は約２０ボルトであってもよい。通常動作時には、クランプ回路３２８はゲート−エミッタ間の電圧に有意に影響を与えず、ゲート−エミッタ間の電圧がスイッチ３０２または３０４の指定されたターンオン電圧に達するかまたは超えることを可能としない。クランプ回路３２８は、ゲート−エミッタ間電圧が本明細書で「クランプ閾値電圧」と呼ばれる電圧を超える際に、スイッチ３０２または３０４両端のゲート−エミッタ間の電圧を減少させるように構成されてもよい。クランプ閾値電圧を超えると、クランプ回路は活性化されてもよく、このようにスイッチ３０２または３０４間の過剰電圧上昇を防止する。クランプ閾値電圧はスイッチのターンオン電圧およびスイッチ３０２または３０４のために指定された電圧限界の間であってもよい。実施形態において、クランプ回路３２８はショットキーダイオード、ツェナーダイオード、キャパシタ等の受動構成要素を含む。様々なクランプ回路が図４−６に関連してさらに説明される。

【0025】

図４は実施形態によるクランプ回路の概略図である。図４に示すように、クランプ回路３２８はショットキーダイオード４０２のセットと直列に配置されたツェナーダイオード４００のセットを含んでいてもよい。本明細書で使用される時、用語「セット」は１つまたは複数を指すことができる。ツェナーダイオード４００のセットは互いに平行に配置されてもよい。図４に示すように、各ツェナーダイオード４００のカソードはスイッチのゲートに電気的に結合されてもよく、および各ツェナーダイオード４００のアノードはショットキーダイオード４０２それぞれのアノードに電気的に結合されてもよい。またショットキーダイオード４０２は、互いに平行に配置されてもよい。各ショットキーダイオード４０２のカソードはスイッチのエミッタに電気的に結合されてもよく、および各ショットキーダイオード４０２のアノードはツェナーダイオード４００それぞれのアノードに電気的に結合されてもよい。典型的なツェナーダイオードは、ツェナーダイオードの両端の電圧がツェナーダイオードの降伏電圧よりも大きい場合、アノードからカソードへの順方向の電流を可能とし、またカソードからアノードへの逆方向の電流をも可能にする。図４に示す実施形態において、クランプ閾値電圧はツェナーダイオード４００の降伏電圧にショットキーダイオード４０２のセット間の順方向バイアス電圧を合わせたものにほぼ等しくなるであろう。インバータの通常の動作中は、ゲート−エミッタ間の電圧はツェナーダイオード４００の降伏電圧を超えず、およびツェナーダイオード４００はゲートおよびエミッタ間に開回路を提示する。このように、クランプ回路３２８は通常動作時のゲート−エミッタ間の電圧にほとんどまたは全く影響を及ぼさない。ゲート−エミッタ間の電圧がツェナーダイオード４００の降伏電圧を超える場合、ツェナーダイオード４００はゲートからエミッタへの逆方向の電流を可能にし、それによってスイッチ３０２または３０４のゲートおよびエミッタ間の電圧レベルを低下させる。このようにして、故障状態の場合にスイッチが保護される。スイッチ３０６または３０８が負にバイアスされる際、換言するとエミッタ電圧がゲート電圧よりも高い際には、ショットキーダイオード４０２はクランプ回路３２８を介して電流をブロックする。実施形態において、他の種類のダイオードがシリコンダイオード、ゲルマニウムダイオード等などのショットキーダイオードの代わりに使用されてもよい。ダイオードの選択はアプリケーション固有のパラメータを参照して行われてもよい。

【0026】

４つのツェナーダイオード４００および４つのショットキーダイオード４０２が示されているが、クランプ回路３２８は適切な数のツェナーおよびショットキーダイオードを含んでいてもよい。例えば、クランプ回路３２８は１つ、２つ、３つ、５つ、またはそれ以上の各タイプのダイオードを含んでいてもよい。さらに、ツェナーダイオード４００の数はショットキーダイオード４０２の数と異なっていてもよい。例えば、クランプ回路は４つのショットキーダイオード４０２および２つのツェナーダイオード４００、３つのツェナーダイオード４００および１つのショットキーダイオード４０２、または任意の他の適切な組み合わせを含んでいてもよい。クランプ回路がアクティブである際には、ダイオード４００および４０２の各々はゲート−エミッタ間の電圧のわずかな増加に寄与してもよい抵抗の小さいレベルを提示する。４つのツェナーダイオード４００および４つのショットキーダイオード４０２を並列に含むことにより、クランプ回路３２８の全体的な抵抗は減少され、それによってクランプ回路３２８がアクティブの際、例えばシュートスルー故障事象または他の高速過渡事象の間、ゲート−エミッタ間の電圧をさらに制限する。

【0027】

図５は実施形態によるクランプ回路の概略図である。図５に示すように、クランプ回路３２８はショットキーダイオード４０２のセットと直列に配置されたツェナーダイオード４００のセットを含んでいてもよい。図４に示すクランプ回路と同様に、ツェナーダイオード４００のセットはスイッチのゲートに電気的に結合された各ツェナーダイオード４００のカソードとともに互いに平行に配置されてもよい。図４のクランプ回路とは異なり、各ツェナーダイオード４００のアノードはショットキーダイオード４０２の１つのアノードに電気的に結合され、およびショットキーダイオード４０２はアノードからカソードへ互いに直列に配置されてもよい。各ショットキーダイオード４０２のカソードはスイッチ３０２または３０４のエミッタに向けて配置されてもよく、および各ショットキーダイオード４０２のアノードは各ツェナーダイオード４００のアノードに向けて配置されてもよい。実施形態において、ツェナーダイオード４００のセットおよびショットキーダイオード４０２のセットの位置は図５に示されるものと比較して交換されてもよい。

【0028】

図５のクランプ回路は図４のクランプ回路と同様に動作する。インバータの通常の動作中は、ゲート−エミッタ間の電圧はツェナーダイオード４００の降伏電圧を超えず、ツェナーダイオード４００はゲートおよびエミッタ間に開回路を提示し、クランプ回路３２８はゲート−エミッタ間の電圧にほとんどまたは全く影響を与えない。ゲート−エミッタ間の電圧がツェナーダイオード４００の降伏電圧を超える場合、ツェナーダイオード４００はエミッタからコレクタに逆方向の電流を可能にし、それによってスイッチのゲートおよびエミッタ間の電圧レベルを低下させる。ショットキーダイオード４０２はスイッチ３０２または３０４が負にバイアスされる際にはクランプ回路３２８を介して電流をブロックする。

【0029】

一般的に、ダイオード４００および４０２の特性、したがってクランプ回路３２８のクランプ閾値電圧は温度によって異なる場合がある。例えば、ツェナーダイオードの降伏電圧はより低い温度でより低くなる場合がある。依って、クランプ回路３２８は予想される動作温度の全範囲で確実に動作するように構成されてもよい。例えば、クランプ回路で使用されるダイオードの数および種類はスイッチ３０２または３０４のターンオン電圧よりも低いクランプ閾値電圧で活性化されることからクランプ回路３２８を防ぐように選択することができる。上述したように、クランプ閾値電圧はツェナーダイオード４００の降伏電圧にショットキーダイオード４０２のセット間の順方向バイアス電圧を合わせたものにほぼ等しくなるであろう。２つのショットキーダイオード４０２を直列に配置することにより、ショットキーダイオード４０２のセット間の全体的な電圧は増加されてもよく、このようにクランプ回路３２８のクランプ閾値電圧を増加させる。このように、クランプ回路３２８は予想される動作温度範囲に渡って適切なクランプ閾値電圧を提供するように調整されてもよい。さらに、クランプ回路３２８は特定の実装のために所望のクランプ閾値電圧に依存して３つ、４つ、またはそれ以上のショットキーダイオードを含んでいてもよい。さらに、シリコンダイオード、およびゲルマニウムダイオードなどの、より高い順方向バイアス電圧を有する他の種類のダイオードをショットキーダイオードの代わりに、またはそれらと組み合わせて使用されてもよい。加えて、５つのツェナーダイオード４００が示されているが、クランプ回路３２８は任意の適切な数のツェナーダイオード４００、例えば１つ、２つ、３つ、４つ、６つ、またはそれ以上のツェナーダイオード４００を含んでいてもよいことが理解されるであろう。

【0030】

図６は実施形態によるクランプ回路の概略図である。図３に関連して説明したように、駆動回路３１４はスイッチ３０２または３０４から遠隔配置され、および駆動回路３１４の出力端子をスイッチハウジング３１３の入力端子に接続するワイヤリード３２２を介してスイッチ３０２または３０４に結合されてもよい。前のとおり、クランプ回路３２８はスイッチハウジング３１３内またはスイッチハウジング３１３の外側表面上に配置されてもよい。クランプ回路３２８および対応するスイッチ３０２または３０４との間の電気的接続はマルチキロアンペアパワースイッチ用に数ｎＨのオーダー（例えば、１０ｎＨ未満、またはいくつかの実施形態では５ｎＨ未満）で低インダクタンスの接続である
駆動回路３１４は電圧源６００並びに駆動回路３１４により供給される電圧レベルおよび信号タイミング特性を制御するように構成された様々な構成要素を含んでいてもよい。実施形態において、駆動回路３１４はスイッチ３０２または３０４に適用可能な電圧制限に応じて、駆動回路３１４の出力電圧を適切なレベルに制限するように構成された電圧クランプ６０２を含んでいてもよい。駆動回路３１４に含まれる電圧クランプ６０２はスイッチ３０２または３０４のゲートに、典型的には１０ｎＨ／ｃｍの比較的高いインダクタンスワイヤリード３２２を介して電気的に結合されてもよい。ワイヤリード３２２に因り、駆動回路３１４に含まれる電圧クランプ６０２の有効性はスイッチ３０２または３０４のゲートおよびエミッタ間の電圧スパイクを防止することに関して制限されるであろう。

【0031】

前のとおり、クランプ回路３２８は対応するスイッチ３０２または３０４のゲート端子３２４およびエミッタ端子３２６との間に配置されてもよい。図６に示すように、クランプ回路３２８はキャパシタ６０６のセットと直列に配置されたショットキーダイオードなどのダイオード６０４のセットを含んでいてもよい。ダイオード６０４のセットは単一のダイオード６０４またはお互いに並列に配置された複数のダイオード６０４を含んでいてもよい。各ダイオード６０４のアノードはスイッチハウジング３１３のゲート端子３２４に結合され、および各ダイオード６０４のカソードはキャパシタ６０６のバンクに結合される。

【0032】

キャパシタ６０６のセットは低域通過フィルタの機能を提供する。定常状態時には、キャパシタ６０６のセットはゲートおよびエミッタ間に開回路を提示し、およびゲート−エミッタ間の電圧には有意に影響を与えない。スイッチがターンオンまたはオフされる際のような過渡状態の間、キャパシタ６０６はスイッチ３０２または３０４の定格電圧限界をさもなければ超える可能性のある過渡電圧スパイクを減衰させる。さらに、スイッチに印加されるゲート−エミッタ間の電圧が低下している際には、ダイオード６０４のセットはキャパシタ６０６によりゲートから放電されたリターン電流をブロックする。このように、ダイオード６０４はターンオフ中に通常のスイッチタイミングで干渉からキャパシタ６０６を防ぐ。キャパシタのセットは１つまたは複数のキャパシタを備えていてもよい。

【0033】

実施形態において、駆動回路３１４はワイヤリード３２２を介してスイッチハウジング３１３に結合された少なくとも３つの出力端子を含む。１つのワイヤリード３２２は駆動回路３１４のゲート出力端子をスイッチ３０２または３０４のゲート端子３２４に電気的に結合する。他のワイヤリード３２２は駆動回路３１４のエミッタ出力をスイッチ３０２または３０４のエミッタ端子３２６に電気的に結合する。第３のワイヤリード３２２は駆動回路３１４をクランプ回路３２８に結合し、およびキャパシタ６０６のセットから放電されてもよい電流のためのリターンパスを提供する。図６に示すように、第３のワイヤリード３２２はダイオード６０４のセットおよびキャパシタ６０６のセットとの間の位置でクランプ回路３２８に電気的に結合されてもよい。

【0034】

図７はクランプ回路なしのインバータモジュールスイッチのゲート−エミッタ間の電圧のグラフである。具体的には、図７は故障検出イベントの間の典型的なインバータモジュールスイッチのゲート−エミッタ間の電圧を示す。ゲート−エミッタ間の電圧はスイッチのためのゲート電流およびコレクタ−エミッタ間電流上に重畳される。ゲート−エミッタ間の電圧は実線７０２により表され、ゲート電流は破線７０４により表され、コレクタ−エミッタ電流は点線７０６により表される。Ｘ軸はマイクロ秒単位の時間を表し、Ｙ軸は適切にスケーリングされたスイッチに印加されるゲート−エミッタ間の電圧、ゲート電流およびスイッチ電流に対する電圧を示す。

【0035】

図７のグラフは駆動回路によりターンオンされ、そして次に故障状態の検出に応答してターンオフされた後のスイッチの動作を示す。図７に示すように、ゲート電流は駆動回路によりターンオンされるスイッチに応答して約１マイクロ秒で上昇し始める。ゲート電流の上昇に続いて、ゲート−エミッタ間の電圧およびコレクタ−エミッタ電流もまた上昇し始める。測定されるスイッチについて、通常のゲートのターン−オン電圧は１５ボルトであるべきであり、オーバーシュートは表れないはずである。ゲート−エミッタ間の電圧は、ワイヤリードを含む回路のインダクタンスに部分的に起因して、および内部デバイスの物理的性質に部分的に起因して駆動回路が最初に設定した電圧である＋１５Ｖを超えて上昇し続ける。図７に示すように、ゲート−エミッタ間の電圧は多くの種類のスイッチのための指定されたゲート−エミッタ間の電圧限界を超える約２７ボルトまでの電圧スパイクを経験する。依って、このような電圧スパイクはスイッチへの損傷を引き起こす可能性がある。駆動回路自体は図６に示される電圧クランプ６０２などの電圧クランプを含んでいてもよいこともまた留意すべきである。しかしながら、駆動回路はインバータモジュールから遠隔搭載されているため、駆動回路内の電圧クランプはスイッチでのゲート−エミッタ間の電圧に制限された効果を有する。

【0036】

図８は実施形態によるクランプ回路を有する例示的なインバータモジュールスイッチのゲート−エミッタ間電圧のグラフである。具体的には、図８のグラフは障害検出イベント中のインバータモジュールスイッチのゲート−エミッタ間電圧を示しており、クランプ回路３２８のない従来のパワーシステムと比較してクランプ回路３２８の有効性を実証することを意図している。図７のグラフにおいて、ゲート−エミッタ間の電圧はスイッチのゲート電流およびコレクタ−エミッタ間電流上に重畳される。ゲート−エミッタ間の電圧は実線８０２により表され、ゲート電流は破線８０４により表され、コレクタ−エミッタ電流は点線８０６により表される。Ｘ軸はマイクロ秒単位の時間を表し、Ｙ軸は適切にスケーリングされたスイッチに印加されるゲート−エミッタ間電圧、ゲート電流および主スイッチ電流に対する電圧を表す。

【0037】

図７のグラフと同様に、図８のグラフは駆動回路３１４によりターンオンされ、そして次に故障状態の検出に応答してターンオフされた後のスイッチの動作を示す。図８に示すように、ゲート電流は駆動回路によりターンオンされるスイッチに応答して約１マイクロ秒で上昇し始める。ゲート電流の上昇に続いて、ゲート−エミッタ間電圧およびコレクタ−エミッタ電流もまた上昇し始める。ゲート−エミッタ間電圧は上昇し続けるが、図７に反して、約１７ボルトのクランプ閾値電圧に到達する際に、クランプ回路３２８が活性化され、スイッチのゲート−エミッタ間のさらなる電圧上昇を制限する。図８のグラフに示すように、ゲート−エミッタ間の電圧は首尾よく約１７ボルト以下にクランプされ、スイッチへの損傷が回避されてもよい。図７および図８のグラフに表されるデータは単に本明細書に記載される実施形態によるクランプ回路３２８の有効性を実証することを意図し、および限定することを意図するものではないことが理解されるであろう。

【0038】

実施形態において、クランプ回路はダイオードおよびキャパシタなどの受動部品のみを備える。他の実施形態において、駆動回路の出力およびスイッチ３０２および３０４との間に配置された唯一の電子部品は受動部品、例えばクランプ回路およびゲート−エミッタ間のキャパシタ３２０である。このようにして、クランプ回路はアクティブセンシングまたは制御方策を必要とすることなく本明細書に記載されたインバータの回路保護を提供する。

【0039】

別の実施形態はインバータモジュールに関する。インバータモジュールはハウジングおよびハウジングに取り付けられた第１のスイッチ（例えば、スイッチはハウジングの内部にある、またはハウジングに搭載されていてもよい）を備える。第１のスイッチは第１の遠隔搭載された駆動回路に２つまたはそれ以上の第１のワイヤリードを介して電気的に結合されるように構成される。インバータモジュールは第１のスイッチの端子および並列に第１のスイッチに電気的に結合された第１のクランプ回路をさらに備える。第１のクランプ回路はハウジング内またはハウジングの外表面上に（駆動回路から分離して）配置され、および第１のスイッチの両端の電圧を制限するように構成される。実施形態において、ハウジングはインバータモジュールのスイッチの全てに共通であってもよい（すなわち、ハウジングは複数のスイッチを収容するインバータモジュールハウジングである）。他の実施形態において、ハウジングは単一のスイッチを含むスイッチハウジングである（すなわち、インバータモジュールの各スイッチは別々のハウジング内に収容される）。

【0040】

インバータモジュールの別の実施形態において、スイッチはトランジスタを備え、端子はそれぞれトランジスタのゲートおよびエミッタに接続されたゲート端子およびエミッタ端子を備える。

【0041】

インバータモジュールの別の実施形態において、インバータモジュールは第２の遠隔搭載された駆動回路に２つまたはそれ以上の第２のワイヤリードを介して電気的に結合されるように構成されたハウジング内の第２のスイッチをさらに備える。インバータモジュールは第２のスイッチの端子および並列に第２のスイッチと電気的に結合された第２のクランプ回路をさらに備える。第２のクランプ回路はハウジング内またはハウジングの外表面上に配置され、および第２のスイッチの両端の電圧を制限するように構成される。第１および第２のスイッチは直列に接続される。

【0042】

インバータモジュールの別の実施形態において、各スイッチはそれぞれのトランジスタのゲートおよびエミッタに接続されたゲート端子およびエミッタ端子を備える各スイッチのそれぞれのトランジスタおよび端子を備える。

【0043】

別の実施形態は本明細書に記載されるインバータモジュールおよびハウジングの外側に遠隔搭載される駆動回路を備えるシステムに関する。インバータモジュールの端子は外部端子であり、駆動回路はワイヤリードに電気的に接続され、ワイヤリードは外部端子に電気的および機械的に接続される。

【0044】

別の実施形態はハウジング、ハウジングに取り付けられた（例えば、ハウジングの内側に位置する）第１および第２のトランジスタスイッチ、およびハウジング上またはハウジング内の第１および第２のクランプ回路を備えるインバータモジュールに関する。第１のクランプ回路は第１のトランジスタスイッチのゲート−エミッタ端子間に電気的に接続される。第２のクランプ回路は第２のトランジスタスイッチのゲート−エミッタ端子間に電気的に接続される。各クランプ回路はそれぞれのトランジスタスイッチのゲート−エミッタ端子間の電圧レベルを制限するように構成される。各クランプ回路は：ダイオードの第２のセットと直列に配置されたダイオードの第１のセット；ダイオードの第２のセットと直列に配置された並列接続されたダイオードの第１のセット、並列接続されたまたは直列接続されたかのどちらかの第２のセット；ダイオードの第２のセットと直列に配置されたツェナーダイオードの第１のセット；ダイオードの第２のセットと直列に配置された並列接続されたツェナーダイオードの第１のセット、並列接続されたまたは直列接続されたかのどちらかの第２のセット；ショットキーダイオードを備えるダイオードの第２のセット；および／または互いに平行に配置された４つのツェナーダイオードを備えるダイオードの第１のセット、互いに平行に配置された４つのショットキーダイオードを備えるダイオードの第２のセットを備えていてもよい。別の実施形態において、各クランプ回路はダイオードのセットの１つと直列に接続された少なくとも１つのキャパシタを付加的に備える。別の実施形態において、各クランプ回路は並列接続されたダイオードのセットと直列に接続された少なくとも１つのキャパシタを備える。別の実施形態において、各クランプ回路はダイオードおよびキャパシタなどの受動部品のみを含む。

【0045】

別の実施形態はすぐ上に記載のインバータモジュールを備えるシステムおよび第１および第２の駆動回路に関する。第１および第２の駆動回路はインバータモジュールから遠隔搭載され、例えばハウジングの外側にハウジングから遠隔して位置する。第１のトランジスタスイッチは第１の駆動回路に２つまたはそれ以上の第１のワイヤリードを介して電気的に接続される。第２のトランジスタスイッチは第２の駆動回路に２つまたはそれ以上の第２のワイヤリードを介して電気的に接続される。

【0046】

別の実施形態において、インバータモジュールはダイオードの逆バイアス（反平行）方向で各トランジスタのコレクタ−エミッタ端子間に接続されたそれぞれのダイオードをさらに含む。

【0047】

実施形態は本明細書ではゲートを有するトランジスタデバイスに関して記載されているが、他の実施形態は一般的にトランジスタに適用されてもよい。このように、特に指定のない限り（特許請求の範囲ように）、本明細書での「ゲート端子」への参照はまた一般的に三端子半導体デバイスの端子（例えば、ゲート、ベース）の制御にも適用可能である。しかしながら、一実施形態において、インバータモジュールのスイッチは高速スイッチング時間および／または電気的特性を有利に有していてもよいＩＧＢＴまたは他のゲート駆動されるデバイスを備える。

【0048】

別の実施形態は遠隔搭載された駆動回路に２つまたはそれ以上の第１のワイヤリードを介して電気的に結合可能なトランジスタスイッチを備えるインバータモジュールに関する。インバータモジュールはトランジスタスイッチの第１および第２の端子に電気的に結合され、およびトランジスタスイッチの第１および第２の端子の間の電圧を制限するように構成されたクランプ回路をさらに備える。クランプ回路は第１の端子または第２の端子の一方に接続された並列接続されたダイオードの第１のセットを備える。クランプ回路は：第１のセットと直列に接続され、および第２の端子の第１の端子の他方に接続された少なくとも１つのキャパシタ；または第１のセットと直列に接続され、および第１の端子または第２の端子の他方に接続されたダイオードの第２のセットを付加的に備える。（ダイオードのセットは、本明細書の他の箇所に記載されるように構成されてもよい。）
別の実施形態は方法に関する。方法は車両にインバータモジュールを搭載することを備える。方法は駆動回路の第１の端子をインバータモジュールのゲート端子に電気的に結合すること、および駆動回路の第２の端子をインバータモジュールのエミッタ端子に電気的に結合することをさらに備える。エミッタおよびゲート端子はインバータモジュールのトランジスタスイッチに電気的に接続される。方法は駆動回路をインバータモジュールのトランジスタスイッチから遠隔した車両に搭載することをさらに備える。インバータモジュールはゲート端子およびエミッタ端子間の電圧を制限するためにゲート端子およびエミッタ端子との間のトランジスタスイッチのハウジング上またはハウジング内に配置されたクランプ回路を含む。

【0049】

方法の別の実施形態において、クランプ回路はゲート端子またはエミッタ端子に接続されたダイオードの第１のセットおよびゲート端子またはエミッタ端子の他方に接続された少なくとも１つのキャパシタを備える。少なくとも１つのキャパシタおよびダイオードのセットは直列に接続される。方法は駆動回路の第３の端子から第３のワイヤリードをクランプ回路に電気的に結合することをさらに備える。第３のワイヤリードは少なくとも１つのキャパシタからの電流のリターンパスを提供するように構成される。

【0050】

方法の別の実施形態において、クランプ回路はダイオードの第２のセットと直列にダイオードの第１のセットを備える。ダイオードの第１のセットはツェナーダイオードを備える。

【0051】

方法の別の実施形態において、ダイオードの第１のセットは互いに平行に配置された４つのツェナーダイオードを備え、ダイオードの第２のセットは互いに平行に配置された４つのショットキーダイオードを備える。

【0052】

方法の別の実施形態において、クランプ回路はダイオードの第１のセットおよびダイオードの第２のセットと並列に配置されたキャパシタを備える。

【0053】

方法の別の実施形態において、ダイオードの第１のセットは互いに平行に配置された複数のツェナーダイオードを備え、ダイオードの第２のセットは互いに直列に配置された複数のダイオードを備える。

【0054】

実施形態において、クランプ回路はダイオードの第２のセットと直列に配置されたダイオードの第１のセットを備える。ダイオードの第１のセットはツェナーダイオード、具体的には互いに平行に配置された複数のツェナーダイオードを備える。ダイオードの第２のセットは互いに直列に配置された複数のダイオードを備える。（第２のセットの第２のダイオードと呼ばれてもよい）第２のセットのダイオードは第１のセットのダイオードとは異なり、および第１のセットの一部ではない。

【0055】

別の実施形態はパワーユニット、例えばインバータモジュールに関する。パワーユニットは制御端子および第１および第２のパワー端子を有するソリッドステートスイッチ、およびスイッチを制御可能に活性化するための制御端子に遠隔接続された駆動回路を備える。（制御端子はパワー端子間の電圧を制御するために電圧が印加可能な端末を指し；スイッチがトランジスタである場合、制御端子はゲートまたはベース端子であってもよく、およびパワー端子は、例えばコントローラおよびエミッタ端子またはドレインおよびソース端子であってもよい。）パワーユニットは制御端子および第１または第２のパワー端子の一方との間に電気的に結合されたクランプ回路をさらに備える。クランプ回路は制御端子および（クランプ回路が結合される）パワー端子間の電圧をスイッチのターンオン電圧以上およびスイッチの最大電圧（損傷が発生する電圧）以下となる電圧レベルに制限するように構成される
パワーユニットの別の実施形態において、スイッチはハウジング内に配置され、およびクランプ回路はハウジング内またはハウジングの外表面上に配置される。

【0056】

パワーユニットの別の実施形態において、駆動回路はワイヤにより制御端子に遠隔接続される。

【0057】

パワーユニットの別の実施形態において、駆動回路はクランプ回路に遠隔接続される。

【0058】

パワーユニットの別の実施形態において、クランプ回路および制御端子との間の電気的接続のインダクタンスは１０ｎＨ以上ではない。

【0059】

パワーユニットの別の実施形態において、スイッチはトランジスタであり、制御端子はトランジスタのゲート端子であり、（クランプ回路が結合される）パワー端子はトランジスタのエミッタ端子である。クランプ回路はショットキーダイオードと直列に接続されたツェナーダイオードを備える。ツェナーダイオードのカソードはゲート端子に電気的に結合され、およびツェナーダイオードのアノードはショットキーダイオードのアノードに電気的に結合され、およびショットキーダイオードのカソードはトランジスタのエミッタ端子に電気的に結合される。

【0060】

別の実施形態は方法に関する。方法は交流出力波形を生成するためにインバータモジュールの第１のトランジスタの制御端子に第１の電圧信号を印加することを備える。第１のトランジスタがオン状態からオフ状態に遷移すると、第１のトランジスタの制御端子およびパワー端子との間の電圧は第１のトランジスタに損傷を与えるであろう電圧未満に制限される。第１のトランジスタの制御端子およびパワー端子との間の電圧は第１のトランジスタの制御端子およびパワー端子との間に電気的に接続された第１のクランプ回路により制限される。（このように電圧を制限するために、クランプ回路はツェナーダイオードを含んでいてもよい。）方法は第１のトランジスタが制御端子およびパワー端子との間で第１の閾値以上で負にバイアスされる際に、第１のクランプ回路を介して電流をブロックすることをさらに備える。（このように電流をブロックするために、クランプ回路は、例えばツェナーダイオードと直列に接続されたショットキーダイオードを含んでいてもよい。）
方法の別の実施形態において、第１の電圧信号は制御端子および第１のクランプ回路に遠隔接続された駆動回路により印加される。

【0061】

方法の別の実施形態において、方法は交流出力波形を生成するためにインバータモジュールの第２のトランジスタの制御端子に第２の電圧信号を印加することをさらに備える。第２のトランジスタがオン状態からオフ状態に遷移するに際し、第２のトランジスタの制御端子およびパワー端子との間の電圧は第２のトランジスタに損傷を与えるであろう電圧未満に制限される。第２のトランジスタの制御端子およびパワー端子との間の電圧は第２のトランジスタの制御端子およびパワー端子との間に電気的に接続された第２のクランプ回路により制限される。方法は第２のトランジスタが第２のトランジスタの制御端子およびパワー端子との間で第２の閾値以上で負にバイアスされる際に、第２のクランプ回路を介して電流をブロックすることをさらに備える。

【0062】

上記の説明は例示であって制限的なもの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）は互いに組み合わせて使用されてもよい。加えて、多くの改変はその範囲から逸脱することなく本発明の教示に特定の状況または材料を適合させることであってもよい。本明細書に記載される材料の寸法および種類は本発明の実施形態を説明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本質的に例示的なものである。他の実施形態は上記の説明を検討すれば明らかであってもよい。本発明の範囲は、したがって、そのような請求項が権利を与えられる等価物の全範囲と共に添付の特許請求の範囲を参照して決定されるべきである。

【0063】

添付の特許請求の範囲において、用語「含む」および「ここで（ｉｎ ｗｈｉｃｈ）」はそれぞれの用語「備える」および「ここで（ｗｈｅｒｅｉｎ）」の平易な英語での等価表現として使用される。且つ又、以下の特許請求の範囲において、用語「第１の」、「第２の」、「第３の」、「上側」、「下側」、「上部」、「下部」、「上」、「下」などは単にラベルとして使用され、およびそれらの対象に数または位置の要件を課すことを意図するものではない。さらに、以下の特許請求の範囲の制限はミーンズ・プラス・ファンクション形式（ｍｅａｎｓ−ｐｌｕｓ−ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｆｏｒｍａｔ）で書かれておらず、このような請求項の制限がさらなる構造の機能を欠く文に続いて語句「するための手段（ｍｅａｎｓ ｆｏｒ）」を明示的に使用しない限りおよびするまで、米国特許法第１１２条第６段落に基づいて解釈されることを意図していない。

【0064】

本明細書で使用されるように、単数形でおよび単語「ａ」または「ａｎ」で前記され記載さ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ていない限り、前記要素またはステップの複数形を排除しないと理解すべきである。さらに、本発明の「一実施形態」への参照は記載された特徴をも組み込んだ付加的な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するものではない。且つ又、明示的に反対の記述がない限り、実施形態はその特性を有しないそのような追加の要素を含んでいてもよい要素または特定の特性を有する複数の要素を「備える」、「含む」、または「有する」。

【0065】

本明細書に関係する本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、特定の変更が上述した実施形態においてなされてもよいので、上記の説明または添付の図面に示される全ての主題は本明細書における本発明の概念を説明するための例としてのみ解釈されるべきであり、本発明を限定するものとして解釈されるべきではないことが意図される。

【符号の説明】

【0066】

１００ 機関車
１０２ 駆動輪
１０４ 車軸
１０６ 機器室
１０８ 空冷ヒートシンク
２００ パワーシステム
２０２ オルタネータ
２０４ フィールド制御
２０６ 整流器
２０８ インバータ
２１０ ＡＣモータ
３００ インバータ位相レグ
３０２ 上側スイッチ
３０４ 下側スイッチ
３０６ 上側ダイオード、スイッチ
３０８ 下側ダイオード
３１０ 上部レール電圧
３１２ 下部レール電圧
３１３ スイッチハウジング
３１４ 駆動回路
３１６ 制御回路
３１８ 位相出力
３２０ キャパシタ
３２２ インダクタンスワイヤリード、第３のワイヤリード
３２４ ゲート端子
３２６ エミッタ端子
３２８ クランプ回路
４００ ツェナーダイオード
４０２ ショットキーダイオード
６００ 電圧源
６０２ 電圧クランプ
６０４ ダイオード
６０６ キャパシタ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】