特許 7166436 ２つの直流系統を結合するための装置および方法

(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】

(24)【登録日】2022-10-27

(45)【発行日】2022-11-07

(54)【発明の名称】２つの直流系統を結合するための装置および方法

(51)【国際特許分類】

   H03K 17/081 20060101AFI20221028BHJP

   H03K 17/08 20060101ALN20221028BHJP

   H03K 17/567 20060101ALN20221028BHJP

   H03K 17/16 20060101ALN20221028BHJP

【ＦＩ】

H03K17/081

H03K17/08 Z

H03K17/567

H03K17/16 Z

【請求項の数】 15

(21)【出願番号】P 2021513213

(86)(22)【出願日】2019-09-16

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2022-02-03

(86)【国際出願番号】 EP2019074642

(87)【国際公開番号】W WO2020058162

(87)【国際公開日】2020-03-26

【審査請求日】2021-08-31

(31)【優先権主張番号】102018215881.9

(32)【優先日】2018-09-19

(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE

(73)【特許権者】

【識別番号】390039413

【氏名又は名称】シーメンス アクチエンゲゼルシヤフト

【氏名又は名称原語表記】Ｓｉｅｍｅｎｓ Ａｋｔｉｅｎｇｅｓｅｌｌｓｃｈａｆｔ

(74)【代理人】

【識別番号】110003317

【氏名又は名称】特許業務法人山口・竹本知的財産事務所

(74)【代理人】

【識別番号】100075166

【弁理士】

【氏名又は名称】山口 巖

(74)【代理人】

【識別番号】100133167

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 浩

(74)【代理人】

【識別番号】100169627

【弁理士】

【氏名又は名称】竹本 美奈

(72)【発明者】

【氏名】ルップ，ユルゲン

【審査官】吉村 伊佐雄

(56)【参考文献】

【文献】特開平０７－２１２９６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－０３３５４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６３－２７６９１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１８／１５８２３３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】韓国公開特許第２００１－００１４８８８（ＫＲ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２００３／００７５９８８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０１０－２８２２８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－３０６８１２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｈ１／００－３／０７

７／００

７／１０－７／３０

９９／００

Ｈ０２Ｊ１／００－１／１６

Ｈ０３Ｋ１７／００－１７／７０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

電流制御のためのスイッチング装置（１）を用いて、電源側および負荷側容量（７，８）を含む２つの直流系統を結合するための装置において、
前記スイッチング装置（１）が、直列に接続された２つのスイッチングモジュール（１０－１，１０－２）を含み、前記スイッチングモジュール（１０－１，１０－２）のそれぞれが、少なくとも１つの制御可能な半導体スイッチング素子（１３－１，１３－２）を含み、前記制御可能な半導体スイッチング素子（１３－１，１３－２）に、抵抗（１４－１，１４－２）およびコンデンサ（１５－１，１５－２）からなる直列回路が並列に接続されており、前記スイッチング装置（１）の制御ユニットが、次のステップａ）～ｄ）、即ち、
ａ）両スイッチングモジュール（１０－１，１０－２）のうちの一方における制御可能な半導体スイッチング素子（１３－１）をオン状態にし、同時に両スイッチングモジュール（１０－１，１０－２）のうちの他方における制御可能な半導体スイッチング素子（１３－２）をオフ状態にするステップと、
ｂ）両スイッチングモジュール（１０－１，１０－２）のうちの他方における制御可能な半導体スイッチング素子（１３－２）をオン状態にし、同時に両スイッチングモジュール（１０－１，１０－２）のうちの一方における制御可能な半導体スイッチング素子（１３－１）をオフ状態にするステップと、
ｃ）ステップａ）およびｂ）を、電源側および負荷側容量（７，８）の電圧が互いに一致するまで繰り返すステップと、
ｄ）２つのスイッチングモジュール（１０－１，１０－２）における制御可能な半導体スイッチング素子（１３－１，１３－２）をオン状態にするステップと、
を実行するように、構成されていることを特徴とする装置。

【請求項2】

前記制御ユニットが、ステップａ）およびｂ）を時間的に相次いで実行するように構成されていることを特徴とする請求項１記載の装置。

【請求項3】

前記制御ユニットが、ステップａ）および／またはｂ）を実行する時間によって、一方の直流系統から他方の直流系統への平均電流を調整するように構成されていることを特徴とする請求項１または２記載の装置。

【請求項4】

前記制御ユニットが、ステップａ）および／またはｂ）においてオン状態にされる制御可能な半導体スイッチングモジュールのパルス幅比によって、一方の直流系統から他方の直流系統への電流を調整するように構成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の装置。

【請求項5】

前記２つの直流系統のうちの一方が、制御可能なスイッチによって切換可能な容量性負荷を含み、前記制御ユニットが、前記制御可能なスイッチから短絡を知らせる信号を受信したときに、前記電流制御するためのスイッチング装置（１）をチョッパモードで動作させるように構成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の装置。

【請求項6】

前記制御ユニットが、前記２つの直流系統のうちの他方から、前記切換可能な容量性負荷を有する前記２つの直流系統のうちの一方に流れる電流経過を評価するように構成されていることを特徴とする請求項５記載の装置。

【請求項7】

前記制御ユニットが、前記スイッチング装置（１）のチョッパ動作中に前記電圧経過を評価するように構成されていることを特徴とする請求項５または６記載の装置。

【請求項8】

電流制御のためのスイッチング装置（１）を用いて、電源側および負荷側容量（７，８）を含む２つの直流系統を結合するための方法において、
前記スイッチング装置（１）が、直列に接続された２つのスイッチングモジュール（１０－１，１０－２）を含み、前記スイッチングモジュール（１０－１，１０－２）のそれぞれが、少なくとも１つの制御可能な半導体スイッチング素子（１３－１，１３－２）を含み、前記制御可能な半導体スイッチング素子（１３－１，１３－２）に、抵抗（１４－１，１４－２）およびコンデンサ（１５－１，１５－２）からなる直列回路が並列に接続されており、前記スイッチング装置（１）の制御ユニットによって、次のステップが実行される、即ち、
ａ）両スイッチングモジュール（１０－１，１０－２）のうちの一方における制御可能な半導体スイッチング素子（１３－１）がオン状態にされ、同時に両スイッチングモジュール（１０－１，１０－２）のうちの他方における制御可能な半導体スイッチング素子（１３－２）がオフ状態にされ、
ｂ）両スイッチングモジュール（１０－１，１０－２）のうちの他方における制御可能な半導体スイッチング素子（１３－２）がオン状態にされ、同時に両スイッチングモジュール（１０－１，１０－２）のうちの一方における制御可能な半導体スイッチング素子（１３－１）がオフ状態にされ、
ｃ）ステップａ）およびｂ）が、電源側および負荷側容量の電圧が互いに一致するまで繰り返され、
ｄ）２つのスイッチングモジュール（１０－１，１０－２）の制御可能な半導体スイッチング素子（１３－１，１３－２）がオン状態にされる、
方法。

【請求項9】

前記制御ユニットが、ステップａ）およびｂ）を時間的に相次いで実行することを特徴とする請求項８記載の方法。

【請求項10】

前記制御ユニットが、一方の直流系統から他方の直流系統への平均電流を定められた値に調整するために、ステップａ）および／またはｂ）を実行する時間を調整すること特徴とする請求項８または９記載の方法。

【請求項11】

前記制御ユニットが、一方の直流系統から他方の直流系統への電流を調整するために、ステップａ）および／またはｂ）においてオン状態にされる制御可能な半導体スイッチングモジュールのパルス幅比を調整することを特徴とする請求項８から１０のいずれか１項に記載の方法。

【請求項12】

前記２つの直流系統のうちの一方が、制御可能なスイッチによって切換可能な容量性負荷を含み、前記制御ユニットが前記制御可能なスイッチから短絡を知らせる信号を受信したときに、前記電流制御のためのスイッチング装置（１）がチョッパモードで動作させられることを特徴とする請求項８から１１のいずれか１項に記載の方法。

【請求項13】

前記制御ユニットが、前記２つの直流系統のうちの他方から、前記切換可能な容量性負荷を有する、前記２つの直流系統のうちの一方へ流れる電流経過を評価することを特徴とする請求項１２記載の方法。

【請求項14】

前記制御ユニットが、前記スイッチング装置（１）のチョッパ動作中に電圧経過を評価することを特徴とする請求項１２または１３記載の方法。

【請求項15】

コンピュータユニットの内部メモリにロードすることができ、プログラムがコンピュータユニット上で実行されているときに、請求項８から１４のいずれか１項に記載のステップを実行するコード部分を含むコンピュータプログラム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電流制御のためのスイッチング装置を用いて、電源側および負荷側容量を含む２つの直流系統を結合するための装置および方法に関する。

【背景技術】

【0002】

ＤＣ系統とも呼ばれる直流系統は、例えば、電力変換装置の中間回路コンデンサのように、大きな容量を含むことが多い。電源側容量および負荷側容量を含む２つの直流系統が互いに接続されるときに、両容量の一方が既に動作電圧にあり、他方の直流系統における容量が依然として放電されている場合、２つの直流系統が直接に接続されていると、非常に大きな均衡化電流が生じる。

【0003】

これらの電流の大きさを制限するために、電源側および負荷側容量を含む２つの直流系統の接続は、図１および図２の電気的等価回路図に示されているように、適切なスイッチング装置を介して行われる。

【0004】

図１は、電源側インダクタンス３を介して直流電圧源２に接続されているスイッチング装置１の電気等価回路図を示す。直流電圧源２と電源側インダクタンス３との直列回路に並列に、電源側容量７が設けられている。スイッチング装置１の出力側は負荷側インダクタンス５を介して負荷側容量８に接続されている。電源側および負荷側インダクタンス３，５は、必ずしも、スイッチング装置１を介して接続された２つの直流電圧系統の物理的な構成要素である必要はない。電源側および負荷側インダクタンス３，５は、配線インダクタンスであってもよい。電源側および負荷側容量７，８は、例えば、図示されていない電力変換装置の中間回路コンデンサである。

【0005】

図１に示されている公知のスイッチング装置１の実施例では、２つの直流電圧系統間の接続が、まず充電抵抗２０を介して行われる。充電抵抗２０は、スイッチング素子２１と直列に接続されており、電流Ｉを制限して構成要素の損傷を回避するために使用される。両直流系統の両レール間電圧が、低抵抗接続が可能であるほど、近づいた場合にのみ、充電抵抗２０が主スイッチ２２により橋絡される。スイッチ２１は、予備充電スイッチとも呼ばれる。

【0006】

図２に示されている変形例では、スイッチング装置１が唯一の半導体スイッチング素子を備え、それにより、半導体スイッチング素子をクロック同期で投入（オン）および遮断（オフ）することによって充電電流Ｉを調整することができる。周波数およびパルス幅比を変化させることによって、時間当たりの電荷量、従って平均充電電流を調整することができる。これは、接続インピーダンスに応じて高い電流ピークをもたらす。また、この変形例は、電源側および負荷側容量７，８間に小さいインダクタンスまたは抵抗しか存在しない場合に欠点を有する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【文献】国際公開第２０１８／１５８２３３号（ＰＣＴ／ＥＰ２０１８／０５４７７５）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

本発明の課題は、構造的および／または機能的に改善された、電流制御のためのスイッチング装置を用いて、電源側および負荷側容量を有する２つの直流系統を結合するための装置および方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0009】

これらの課題は、請求項１記載の特徴事項による装置および請求項８の特徴事項による方法によって解決される。有利な実施形態は、従属請求項に記載されている。

【0010】

電流制御のためのスイッチング装置を用いて、電源側および負荷側容量を含む２つの直流系統を結合するための装置が提案される。このスイッチング装置は、直列に接続された２つのスイッチングモジュールを含み、各スイッチングモジュールは、抵抗とコンデンサとからなる直列回路が並列に接続されている少なくとも１つの制御可能な半導体スイッチング素子を含む。

【0011】

このようなスイッチング装置は、本出願人の特許文献１から知られている。そこに記載されているスイッチング装置は、直列に接続された少なくとも２つのスイッチングモジュールを含み、電源側インダクタンスおよび負荷側インダクタンスを含む電流経路において「ソフト」な遮断過程を行うことを可能にするために使用されている。このスイッチング装置は、電流経路における電流の流れを急激にではなく、ランプ状に減少させることを可能にする。少なくとも２つのスイッチングモジュールのうちの少なくとも１つによって、逆電圧が電流経路内に形成される。これは、スイッチングモジュールのそれぞれの半導体スイッチング素子をクロック同期領域で動作させることによって可能にされる。このようにして、スイッチオフ時の高い損失電力は、各スイッチングモジュールの半導体スイッチング素子においてではなく、主に各スイッチングモジュールの抵抗において消費される。これにより、スイッチング装置は、高価で、重く、大きいスペースを占めるバリスタのような電圧制限部品を省略することができる。各スイッチングモジュール内の半導体スイッチング素子は、チョッパの役割を果たす。本発明によれば、電源側および負荷側容量を有する２つの直流系統を結合するために、原理的に知られているスイッチング装置が使用される。チョッパ動作は、２つの直流系統を遮断する際に電流をゆっくり減少させるために使用されるのではなく、２つの直流系統を接続（投入）する際に充電電流を制限するために使用される。

【0012】

本発明によれば、次のステップａ）～ｄ）を実行するように構成された制御ユニットが設けられている。
ａ）両スイッチングモジュールのうちの一方における制御可能な半導体スイッチング素子をオン状態にし、同時に、両スイッチングモジュールのうちの他方における制御可能な半導体スイッチング素子をオフ状態にするステップ、
ｂ）両スイッチングモジュールのうちの他方における制御可能な半導体スイッチング素子をオン状態にし、同時に、両スイッチングモジュールのうちの一方における制御可能な半導体スイッチング素子をオフ状態にするステップ、
ｃ）ステップａ）およびｂ）を、電源側および負荷側容量の電圧が互いに一致するまで繰り返すステップ、
ｄ）２つのスイッチングモジュールにおける制御可能なスイッチング素子をオン状態にするステップ。

【0013】

直列に接続された少なくとも２つのスイッチングモジュールのこの動作は、２つの直流系統がスイッチングモジュールのスイッチング素子を介して互いに持続的に接続される前に、電源側容量と負荷側容量の均衡化過程を実行することを可能にする。このようにして、大きな均衡化電流の発生を回避することができる。

【0014】

電流をさらに制限するために、ステップｂ）の後に両方の半導体スイッチング素子を同時にオフにするようにしてもよい（ステップｂ１）。この実施形態では、電源側および負荷側容量の電圧が互いに一致するまで、ステップａ），ｂ），ｂ１）が繰り返される。

【0015】

制御ユニットは、ステップａ）およびｂ）を時間的に相次いで実行するように構成されていることが好ましい。したがって、ステップａ）およびｂ）は、電源側および負荷側容量の電圧が互いに一致するまで、交互に繰り返される。

【0016】

さらに、制御ユニットは、ステップａ）および／またはｂ）を実行する持続時間によって、２つの直流系統のうちの一方から２つの直流系統のうちの他方への平均電流を調整するように構成されている。

【0017】

これに代えて、またはこれに加えて、制御ユニットは、ステップａ）および／またはｂ）においてオンにされた制御可能な半導体スイッチングモジュールのパルス幅比によって、一方の直流系統から他方の直流系統への最大電流を調整するように構成されている。両変形例のそれぞれによって、結果として、電源側容量と負荷側容量の電圧が均衡するまでの時間を決定することもできる。発生する最大ピーク電流は、既存の系統インピーダンスの影響にもかかわらず、スイッチング過程中に常に半導体スイッチングモジュールの抵抗の少なくとも１つが電流回路内にあることによって制限される。従って、インダクタンスが必要とされずに最大電流が静的に制限されている。

【0018】

さらに、好適には、２つの直流系統の一方が制御可能なスイッチによって切換可能な容量性負荷を含み、制御ユニットが、制御可能なスイッチから短絡を知らせる信号を受信したときに、電流制御のためのスイッチング装置をチョッパモードで動作させるように構成されている。均衡化過程によって生じさせられる（充電）電流によって、制御可能なスイッチの内蔵された監視ユニットにおいて誤って短絡が検出されて、前記制御可能なスイッチのオフ動作をもたらすことがあり得る。しかし、安全上の理由から行われるこのオフ動作は、切換可能な容量性負荷に直列に設けられた制御可能なスイッチが直ちにオフされずに、その代わりに、先ずチョッパモードにおいて電流制限が達成されるならば、回避することができる。それによって、実際に短絡が生じているかどうか、または、２つの直流系統間に一時的に増加した充電電流または均衡化電流が生じただけであるかどうかを検出するための時間が残される。

【0019】

このためには、制御ユニットが、２つの直流系統のうちの切換可能な容量性負荷を有する一方に、２つの直流系統のうちの他方から流れる電流経過を評価するように構成されているとよい。これに代えて、またはこれに加えて、制御ユニットが、スイッチング装置のチョッパ動作中に電圧経過を評価するように構成されているとよい。容量性負荷が投入される際には電圧が短時間しか陥没しないのに対して、短絡の際には、検出される電圧が持続的に陥没する。

【0020】

別の観点によれば、電流制御のためのスイッチング装置を用いて、電源側および負荷側容量を含む２つの直流系統を結合するための方法が提案される。前記スイッチング装置が、直列に接続された２つのスイッチングモジュールを含み、各スイッチングモジュールが、少なくとも１つの制御可能な半導体スイッチング素子を含み、その制御可能な半導体スイッチング素子に、抵抗およびコンデンサからなる直列回路が並列に接続されている。前記スイッチング装置の制御ユニットによって、
ａ)両スイッチングモジュールの一方における制御可能な半導体スイッチング素子がオン状態にされ、同時に両スイッチングモジュールの他方における制御可能な半導体スイッチング素子がオフ状態にされ、
ｂ)両スイッチングモジュールの他方における制御可能な半導体スイッチング素子がオン状態にされ、同時に両スイッチングモジュールの一方における制御可能な半導体スイッチング素子がオフ状態にされ、
ｃ)ステップａ）およびｂ）が、電源側容量および負荷側容量の電圧が互いに一致するまで繰り返され、
ｄ）２つのスイッチングモジュールにおける制御可能な半導体スイッチング素子がオン状態にされる。

【0021】

この方法は、本発明による装置に関連して上述したと同様の利点を有する。

【0022】

一実施形態では、制御ユニットが、ステップａ）およびｂ）を時間的に相次いで実行する。

【0023】

制御ユニットが、ステップｂ）の後に両方の半導体スイッチング素子を同時にオフ状態にする（ステップｂ１）ように構成されている場合に、ステップａ）、ｂ）およびｂｌ）が、電源側容量および負荷側容量の電圧が一致するまで繰り返される。

【0024】

他の実施形態によれば、制御ユニットが、一方の直流系統から他方の直流系統への平均電流を定められた値に調整するために、ステップａ）および／またはｂ）の実行時間を調整する。

【0025】

他の実施形態によれば、制御ユニットが、１つの直流系統から他の直流系統への最大電流を調整するために、ステップａ）および／またはｂ）においてオン状態にされる制御可能な半導体スイッチングモジュールのパルス幅比を調整する。

【0026】

２つの直流系統のうちの１つが、制御可能なスイッチによって切り換え可能な容量性負荷を含む場合に、制御ユニットが短絡を知らせる信号を制御可能なスイッチから受信すると、電流制御のためのスイッチング装置がチョッパモードで動作させられる。その際に、制御ユニットが、２つの直流系統のうちの他方から、切換可能な容量性負荷を有する２つの直流系統のうちの一方に流れる電流経過を評価するとよい。代替的にまたは追加的に、制御ユニットが、スイッチング装置のチョッパ動作中に電圧経過を評価する。

【0027】

さらに、コンピュータユニットの内部メモリにロードすることができ、プログラムがコンピュータユニット上で実行されているときに本明細書に記載の方法を実行するコード部分を含むコンピュータプログラム製品が提案される。コンピュータプログラム製品は、記憶媒体、例えばＤＶＤ、ＣＤ－ＲＯＭ、またはＵＳＢメモリスティック等の記憶媒体の形態で具現化することができる。コンピュータプログラム製品は、無線または有線ケーブルを介して読み込み可能な信号として存在することもできる。

【0028】

以下において、図面の実施例を参照して、本発明をさらに詳細に説明する。

【図面の簡単な説明】

【0029】

【図1】図１は、電源側および負荷側容量を有する直流電圧系統における第１の公知のスイッチング装置の電気的等価回路図である。

【図2】図２は、電源側および負荷側容量を有する直流電圧系統における第２の公知のスイッチング装置の電気的等価回路図である。

【図3】図３は、公知のスイッチング装置用の唯一の単方向スイッチングモジュールの構成を示す電気等価回路図である。

【図4】図４は、図３に示す３つのスイッチングモジュールの直列接続の電気的等価回路図である。

【図5】図５は、電源側および負荷側容量を有する直流電圧系統における本発明によるスイッチング装置の電気的等価回路図である。

【図6】図６は、図３乃至５のスイッチングモジュールの代わりに使用することができる双方向スイッチングモジュールの実施例を示す回路図である。

【発明を実施するための形態】

【0030】

なお、以下の説明において、同一の要素には同一の符号を付してある。

【0031】

図３は、特許文献１から知られている、電源側および負荷側容量を含む電流経路６を結合するためのスイッチング装置１の１つのスイッチングモジュール１０の概略構成を示す。スイッチングモジュール１０は、制御可能な半導体スイッチング素子１３を有する。制御可能な半導体スイッチング素子１３は、バイポーラトランジスタ、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＣＴ、または消弧装置を有するサイリスタとすることができる。制御可能な半導体スイッチング素子１３の負荷接続部は、第１のスイッチングモジュール端子部１１と第２のスイッチングモジュール端子部１２との間に接続されている。さらに、第１のスイッチングモジュール端子部１１と第２のスイッチングモジュール端子部１２との間には、抵抗１４とコンデンサ１５とからなる直列回路も配置されている。言い換えれば、抵抗１４とコンデンサ１５とからなるＲＣ要素が、制御可能なスイッチング素子１３の負荷接続部に対して並列に接続されている。

【0032】

スイッチング装置１のこのような唯一のスイッチングモジュールの基本的な動作モードは、次の通りである。スイッチング装置１が電流を流すべき場合には、制御可能な半導体スイッチング素子１３はオン状態に切り換えられる。スイッチング装置１によって電流経路６が遮断されなければならなくなるとすぐに、制御可能な半導体スイッチング素子１３が、図示されていない制御ユニットによってオフ状態に切り換えられる。その結果、電流経路６に流れる電流Ｉは、抵抗１４とコンデンサ１５とからなるＲＣ要素を介してのみ流れ続けることができる。コンデンサ１５は、それに流れる電流Ｉの結果として、そのコンデンサを介して降下する電圧が所定の上限閾値に到達するまで充電される。このためには、適切な測定装置（図示せず）が、スイッチングモジュール１０内に設けられるとよい。所定の上限閾値が到達されるとすぐに、制御可能な半導体スイッチング素子１３が再びオン状態に切り換えられる。その結果、コンデンサ１５は、抵抗１４と制御可能な半導体スイッチング素子１３とを介して放電することができる。コンデンサ１５を介して降下する電圧が所定の下限閾値に達するとすぐに、制御可能な半導体スイッチング素子１３が、それの制御装置によって再びオン状態に切り換えられる。

【0033】

もともと電源側インダクタンスおよび負荷側インダクタンスを有する電流経路を遮断するように設計されていたスイッチング装置１は、図３に示すように、唯一のスイッチングモジュール１しか有していない場合、制御可能な半導体スイッチング素子１３およびコンデンサ１５の最大電圧よりも小さい電圧しか抑制し得ない。より高い電圧が発生すると、制御可能な半導体スイッチング素子１３および／またはコンデンサが破壊される可能性がある。そこで、より高い電圧を有する直流電圧系統の電流経路を遮断するために、図４に従って、図３に示されるようなスイッチングモジュールの複数個が直列に接続されている。直列に接続された少なくとも２つのスイッチングモジュールを有するこの種のスイッチング装置１が、電源側および負荷側容量含む２つの直流系統を結合するために利用される。

【0034】

図４は、ｎ個のスイッチングモジュール１０－１，１０－２，…，１０－ｎ（一般に：１０－ｉ、ｉ＝１～ｎ）の直列接続の電気等価回路図を示す。各スイッチングモジュール１０－ｉは、図３に示したように構成されている。スイッチングモジュール１０－ｉの直列接続は、第１のスイッチングモジュール１０－１の第２のスイッチングモジュール端子部１２－１が後続のスイッチングモジュール１０－２の第１のスイッチングモジュール端子部１１－２に接続され、以下同様に接続されるように行われる。第１のスイッチングモジュール１０－１の第１のスイッチングモジュール端子部１１－１は、図５に示すように、電源側インダクタンス３を介して直流電圧源２に接続されている。直流電圧源２は、例えば太陽光発電システム、蓄電システム、バッテリ充電装置、風力エネルギーシステム、整流器等のエネルギー発生ユニットであってよい。最後のスイッチングモジュール１０－ｎの第２のスイッチングモジュール端子部１２－ｎは、図５に示すように、負荷側インダクタンス６を介して負荷４に接続されている。負荷４は、例えば、直流電圧系統等の駆動装置であってよい。

【0035】

図５は、互いに直列に接続された２つのスイッチングモジュール１０－１および１０－２からなるスイッチング装置１の電気等価回路図を示し、これらのスイッチングモジュールは、それぞれ図３に示したように構成されている。スイッチング装置１は、既述の電源側インダクタンス３を介して直流電圧源２に接続されている。直流電圧源２と電源側インダクタンス３とからなる直列回路には、電源側コンデンサ７が並列に接続されている。スイッチング素子１の出力側は、負荷側インダクタンス５を介して負荷４に接続されている。負荷４には、負荷側コンデンサ８が並列に接続されている。コンデンサ７，８は、例えば、電力変換装置の中間回路コンデンサである。 また、図５では、容量性負荷９とスイッチ９Ｓとからなる直列回路が任意に設けられ、この直列回路は負荷側コンデンサ８と並列に配置されている。電源側インダクタンス３および負荷側インダクタンス５は、必ずしも直流電圧系統の物理的な構成要素である必要はない。電源側インダクタンス３および負荷側インダクタンス５は、配線インダクタンスであってもよい。

【0036】

コンデンサ７を有する直流系統を、コンデンサ８を有する直流系統に接続するための図５に示すスイッチング装置の動作モードは、次のとおりである。図５の左側の直流電圧系統のコンデンサ７が充電されており、図５の右側の直流電圧回路網のコンデンサ８が放電されていると仮定する。両スイッチングモジュール１０－１，１０－２における制御可能な半導体スイッチング素子１３－１，１３－２はオフ状態にされている。制御可能な半導体スイッチング素子１３－１，１３－２が同時にオン状態に切り換えられた際におけるコンデンサ７，８間の大きい均衡化電流を回避するために、先ず、モジュール１０－１，１０－２のうちの一方における制御可能な半導体スイッチング素子のみがオン状態に切り換えられる。例えば、スイッチングモジュール１０－１の制御可能な半導体スイッチング素子１３－１がオン状態にされ、これに対して、スイッチングモジュール１０－２の制御可能な半導体スイッチング素子１３－２はオフ状態のままである。これによって、スイッチングモジュール１０－２のコンデンサ１５－２と同様に母線電圧の半分まで充電されていたスイッチングモジュール１０－１のコンデンサ１５－１は、スイッチングモジュール１０－１の抵抗１４－１を介して放電される。同時に、スイッチングモジュール１０－２のコンデンサ１５－２は、その直列に接続された抵抗１４－２を介して全母線電圧に充電される。母線電圧は、左側の直流電圧系統において支配的な電圧である。従って、両コンデンサ１５－１，１５－２間において、抵抗１４－２は、電流制限抵抗として働く。

【0037】

次に、スイッチングモジュール１０－１の制御可能な半導体スイッチング素子１３－１がオフ状態にされ、同時にまたはその短時間後に、スイッチングモジュール１０－２の制御可能な半導体スイッチング素子１３－２がオン状態にされる。その結果、スイッチングモジュール１０－２のコンデンサ１５－２は、抵抗１４－２を介して放電される。同時に、コンデンサ１５－１は抵抗１４－１を介して充電されるので、コンデンサ７，８間において、今度はスイッチングモジュール１０－１の抵抗１４－１が電流制限抵抗として作用する。その間において、両方の半導体スイッチング素子を一時的に再びオフ状態にすることもできる。

【0038】

この動作は、電源側コンデンサ７の電圧と負荷側コンデンサ８の電圧とが一致するまで繰り返される。

【0039】

スイッチング周波数（即ち、スイッチングモジュール１０－１の制御可能な半導体スイッチング素子１３－１がオンにされ、スイッチングモジュール１０－２の制御可能な半導体スイッチング素子１３－２がオフにされる１つの状態と、スイッチング状態がその逆である別の状態との交替）と、両方の半導体スイッチング素子の一時的なオフ状態とを用いて、２つの直流電圧系統間を流れる平均電流を調整することができる。さらに、パルス幅比を変化させることによって、従ってスイッチングモジュール１０－１，１０－２のコンデンサ１５－１および１５－２を部分的にのみ放電させることによって、的確なやり方で電流を調整することもできる。異なるスイッチングシーケンスによるこの電流調整にもかかわらず、ピーク電流は、少なくとも、２つの母線の電圧差と２つの抵抗１４－１および１４－２の一方とによって決定される値に制限される。

【0040】

この回路が、図５に示されるように、制御可能なスイッチ９Ｓによって切換可能な容量性負荷９も有する場合、引き起こされる充電電流によってスイッチ１０において短絡が誤って検出されることがある。このような短絡検出は、通常、スイッチ要素１０内に設けられた監視回路によって行われる。これは、スイッチ１０の遮断動作をもたらし得る。このような動作は、スイッチ１０の安全回路による遮断が直ちに行われずに、むしろチョッパモードにおいて先ず電流制限が行われるならば、回避することができる。本出願人の特許文献１に記載されている方法をここで使用することができる。これによって、負荷側母線部分に実際に短絡があるかどうかを検出するための時間、または容量性負荷９の接続により充電電流が一時的に増加しただけであるかどうかを検出するための時間が残される。そのために、一方では、スイッチ１０内の電流経過を直接監視することができる。代替的にまたは追加的に、負荷経路６における電圧経過を監視することができる。容量性負荷９の投入時に、電圧は短時間しか陥没せず、一方、短絡は持続的な電圧低下をもたらす。

【0041】

制御可能な半導体スイッチング素子１３－１，１３－２の制御および必要に応じて存在するスイッチ９Ｓの制御は、既に述べた図示されていない制御ユニットにより行われる。

【0042】

上述の動作は、スイッチングモジュールの直列接続個数ｎに関係なく適切な方法で達成することができる。与えられた時点で、制御可能な半導体スイッチング素子１３－ｉのどれがオフ状態に切り換えられて、他の制御可能な半導体スイッチング素子１３－ｉのどれがオン状態に切り換えられるかは、既述の図示されていない制御ユニットの適切な制御により行うことができる。同様に、割り当てられた制御可能な半導体スイッチング素子のスイッチオンおよびスイッチオフの経時的な挙動は、それぞれの上限スイッチング閾値の適切な異なる選択によって、影響を及ぼされ得る。

【0043】

別の代替例では、それぞれのコンデンサ１５－ｉに印加される電圧は、適切な測定手段（図示せず）によって監視することができる。この場合、最も高い電圧が印加されるコンデンサに割り当てられた制御可能な半導体スイッチング素子は、所定の下限閾値が到達されるまでオン状態にされる。異なる時点で常に異なるスイッチングモジュールが、もしくは当該スイッチングモジュールのコンデンサが、最も高い電圧を有するので、スイッチングモジュール１０－ｉの制御可能な半導体スイッチング素子１３－ｉは、多かれ少なかれランダムにオンおよびオフにされる。

【0044】

図６は、図３に示したスイッチングモジュール１０の変形例を示す。半導体スイッチング素子１３に加えて、別の半導体スイッチング素子１６が制御可能な半導体スイッチング素子１３に逆直列に接続されている。制御可能な半導体スイッチング素子１３および別の制御可能な半導体スイッチング素子１６は、同じタイプ、例えばＩＧＢＴであってよい。 この双方向に動作可能なスイッチングモジュール１０の挙動は、図３のスイッチングモジュールの挙動に対応している。図６に示されている双方向スイッチングモジュール１０においては、電流の流れを両方向に向けることができる。この場合に、２つの制御可能な半導体スイッチング素子１３，１６のうちの一方が導通状態においてスイッチオンされ、他方がスイッチオフされる。電流の流れは、それぞれの逆並列ダイオード１７もしくは１８を介して保証される。

【0045】

記載された装置は、多数の用途に使用することができる。例えば、電流制御されるコンデンサ予備充電装置は、ここに記載されたスイッチング装置の助けを借りて、工業設備の電気開閉機器において、また、例えば船舶および／または航空機のような駆動装置において、電気式操縦の際に使用することができる。特に、高電力密度を有する複数の直流電圧系統を、簡単な方法で互いに結合することができる。この装置は、複雑性が僅かであり、少数の構成要素しか必要とせず、それによって軽量な装置を提供することができる。

【符号の説明】

【0046】

１ スイッチング装置
２ 直流電圧源
３ 電源側インダクタンス
４ 負荷
５ 負荷側インダクタンス
６ 遮断すべき線路
７ 電源側容量
８ 負荷側容量
９ 容量性負荷
９Ｓ スイッチ
１０ スイッチングモジュール
１０－１, …，１０－ｎ スイッチングモジュール
１１ 第１のスイッチングモジュール端子部
１１－１, …，１１－ｎ 第１のスイッチングモジュール端子部
１２ 第２のスイッチングモジュール端子部
１２－１, …，１２－ｎ 第１のスイッチングモジュール端子部
１３ 半導体スイッチング素子
１３－１, …，１３－ｎ 半導体スイッチング素子
１４ 抵抗
１４－１, …，１４－ｎ 抵抗
１５ コンデンサ
１５－１, …，１５－ｎ コンデンサ
Ｉ 電流

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】