特表 2024-523474 インダクタフリーホイーリング電圧を制御するためのシステム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-06-28

(54)【発明の名称】インダクタフリーホイーリング電圧を制御するためのシステム

(51)【国際特許分類】

   H02H 9/04 20060101AFI20240621BHJP

   H03K 17/16 20060101ALI20240621BHJP

   H03K 17/695 20060101ALI20240621BHJP

【ＦＩ】

H02H9/04 A

H03K17/16 F

H03K17/695

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023578983

(86)(22)【出願日】2022-05-05

(85)【翻訳文提出日】2024-01-31

(86)【国際出願番号】 IB2022054185

(87)【国際公開番号】W WO2022269378

(87)【国際公開日】2022-12-29

(31)【優先権主張番号】21180912.4

(32)【優先日】2021-06-22

(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】505056845

【氏名又は名称】アーベーベー・シュバイツ・アーゲー

【氏名又は名称原語表記】ＡＢＢ Ｓｃｈｗｅｉｚ ＡＧ

【住所又は居所原語表記】Ｂｒｕｇｇｅｒｓｔｒａｓｓｅ ６６， ５４００ Ｂａｄｅｎ， Ｓｗｉｔｚｅｒｌａｎｄ

(74)【代理人】

【識別番号】110003708

【氏名又は名称】弁理士法人鈴榮特許綜合事務所

(72)【発明者】

【氏名】バンク、フロリアン

(72)【発明者】

【氏名】フュグリスター、マルクス

【テーマコード（参考）】

5G013

5J055

【Ｆターム（参考）】

5G013AA16

5G013BA02

5G013CB03

5G013DA10

5J055AX25

5J055AX44

5J055AX56

5J055AX64

5J055BX16

5J055CX13

5J055CX20

5J055DX04

5J055DX13

5J055EY01

5J055EY10

5J055EY12

5J055EY13

5J055EY17

5J055EY21

(57)【要約】

本発明は、第１のスイッチと、第２のスイッチと、第１のダイオードと、インダクタと、を備える、インダクタフリーホイーリング電圧を制御するためのシステムを開示する。第１のスイッチは、開状態において、それがインダクタの第１の端子を電力バスと接続することになり、且つ、第１のスイッチが第１の制御信号によって制御されるように、接続されている。第１のダイオードの第１の端子が、接地に接続されており、第１のダイオードの第２の端子が、インダクタの第１の端子に接続されている。第１のダイオードは、それが、電流が接地からインダクタの第１の端子に流れることを可能にするように、接続されている。第２のスイッチは、開状態において、それがインダクタの第２の端子を接地と接続することになるように、接続されている。このシステムは、スイッチ制御回路を更に備え、このスイッチ制御回路は、スイッチ制御回路の入力端子に送達される第２の制御信号で制御されるように構成されており、これにより、第２の制御信号の第１の状態では、スイッチ制御回路は、第２のスイッチを開いた状態に保ち、第２の制御信号の第２の状態では、スイッチ制御回路は、第２のスイッチの両端で電圧降下があるように、第２のスイッチを保つ。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１のスイッチ（Ｍ１）と、第２のスイッチ（Ｍ２）と、第１のダイオード（Ｄ１）と、インダクタ（Ｌ）と、を備える、インダクタフリーホイーリング電圧を制御するためのシステムであって、ここにおいて、
前記第１のスイッチ（Ｍ１）は、開状態において、それが前記インダクタ（Ｌ）の第１の端子を電力バス（＋）と接続することになり、且つ、前記第１のスイッチ（Ｍ１）が第１の制御信号（Ｓ１）によって制御されるように、接続されており、
前記第１のダイオード（Ｄ１）の第１の端子が、接地（－）に接続されており、前記第１のダイオード（Ｄ１）の第２の端子が、前記インダクタ（Ｌ）の前記第１の端子に接続されており、ここにおいて、前記第１のダイオード（Ｄ１）は、それが、電流が前記接地（－）から前記インダクタ（Ｌ）の前記第１の端子に流れることを可能にするように、接続されており、
前記第２のスイッチ（Ｍ２）は、開状態において、それが前記インダクタ（Ｌ）の第２の端子を前記接地（－）と接続することになるように、接続されており、
それが、スイッチ制御回路（ＳＣＣ）を更に備え、前記スイッチ制御回路（ＳＣＣ）は、前記スイッチ制御回路（ＳＣＣ）の入力端子に送達される第２の制御信号（Ｓ２）で制御されるように構成されており、これにより、前記第２の制御信号（Ｓ２）の第１の状態では、前記スイッチ制御回路（ＳＣＣ）は、前記第２のスイッチ（Ｍ２）を開いた状態に保ち、前記第２の制御信号（Ｓ２）の第２の状態では、前記スイッチ制御回路（ＳＣＣ）は、前記第２のスイッチ（Ｍ２）の両端で電圧降下があるように、前記第２のスイッチ（Ｍ２）を保つことを特徴とする、システム。

【請求項2】

前記スイッチ制御回路（ＳＣＣ）が、前記スイッチ制御回路（ＳＣＣ）に前記第２の制御信号（Ｓ２）を送達するように構成された第２のダイオード（Ｄ２）を備えることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。

【請求項3】

前記第１のスイッチ（Ｍ１）及び前記第２のスイッチ（Ｍ２）からの少なくとも１つが、ユニポーラトランジスタ又はＩＧＢＴトランジスタであることを特徴とする、請求項１又は２に記載のシステム。

【請求項4】

前記スイッチ制御回路（ＳＣＣ）が、
ツェナーダイオード（ＤＺ）の第１の端子が、前記インダクタ（Ｌ）の前記第２の端子に接続され、
前記ツェナーダイオード（ＤＺ）の第２の端子が、第１の抵抗器（Ｒ１）の第１の端子と、前記第２のスイッチ（Ｍ２）のゲート端子と、前記入力端子と、に接続され、ここにおいて、前記ツェナーダイオード（ＤＺ）の順方向が、前記第２のスイッチ（Ｍ２）の前記ゲート端子から前記インダクタ（Ｌ）の前記第２の端子へ向かうものであり、
前記第１の抵抗器（Ｒ１）の第２の端子が、前記接地（－）に接続される
ように接続された、前記第１の抵抗器（Ｒ１）と、前記ツェナーダイオード（ＤＺ）と、を備えることを特徴とする、請求項３に記載のシステム。

【請求項5】

前記スイッチ制御回路（ＳＣＣ）が、
第１のツェナーダイオード（ＤＺ１）の第１の端子が、前記インダクタ（Ｌ）の前記第２の端子に接続され、
最後のツェナーダイオード（ＤＺ１）の第２の端子が、第３のダイオード（Ｄ３）の第１の端子に接続され、ここにおいて、全てのツェナーダイオード（ＤＺ１）が、同じ方向に直列に接続されており、前記ツェナーダイオード（ＤＺ１）の順方向が、前記第３のダイオード（Ｄ３）の前記第１の端子から前記インダクタ（Ｌ）の前記第２の端子へ向かうものであり、
前記第３のダイオード（Ｄ３）の第２の端子が、第２の抵抗器（Ｒ２）の第１の端子と、トランジスタ（Ｑ１）のベース端子と、に接続され、ここにおいて、前記第３のダイオード（Ｄ３）の順方向が、前記最後のツェナーダイオード（ＤＺ１）の前記第２の端子から前記第２の抵抗器（Ｒ２）の前記第１の端子へ向かうものであり、
前記第２の抵抗器（Ｒ２）の第２の端子が、前記接地（－）に接続され、
前記トランジスタ（Ｑ１）のコレクタ端子が、安定したＤＣ電圧を供給するように構成された補助電源（ＰＳ）に接続され、
前記トランジスタ（Ｑ１）のエミッタ端子が、前記入力端子と、第３の抵抗器（Ｒ３）の第１の端子と、に接続され、
前記第３の抵抗器（Ｒ３）の第２の端子が、第４の抵抗器（Ｒ４）の第１の端子と、前記第２のスイッチ（Ｍ２）のゲート端子と、に接続され、
前記第４の抵抗器（Ｒ４）の第２の端子が、前記接地（－）に接続される
ように接続された、前記第２の抵抗器（Ｒ２）と、前記第３の抵抗器（Ｒ３）と、前記第４の抵抗器（Ｒ４）と、前記第３のダイオード（Ｄ３）と、前記トランジスタ（Ｑ１）と、少なくとも１つの前記ツェナーダイオード（ＤＺ１）と、を備えことを特徴とする、請求項３に記載のシステム。

【請求項6】

キャパシタ（Ｃ２）の第１の端子が、前記第２のスイッチ（Ｍ２）の前記ゲート端子に接続され、前記キャパシタ（Ｃ２）の第２の端子が、前記接地（－）に接続される、ように接続された前記キャパシタ（Ｃ２）を更に備えることを特徴とする、請求項３～５のいずれか一項に記載のシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、インダクタフリーホイーリング電圧を制御するための電気回路に関する。

【背景技術】

【0002】

同期モータ／発電機の励磁巻線においては、ＤＣ電流を制御する必要がある。電流は、その両端に正の電圧を印加することによって増大され、それは、スイッチによって制御される。このインダクタンスにおいて電流を急速に放電するためには、負の電圧が、その両端に印加される必要がある。ＤＣバスにエネルギーをフィードバックすることが、一般的な解決策であるが、キャパシタを放電して過電圧を防止するために、抵抗器とスイッチとで構成される能動負荷を必要とする。他の解決策は、電流依存のランプダウン電圧をもたらす抵抗器、又は、フリーホイーリングスイッチに並列に配置された電圧クランプを含む。

【0003】

文献ＵＳ６２８８５０８Ｂ１には、回生制動及び逆励磁制動の両方を提供し、オペレータの要求に応答して、これら制動モード間を移行するためのシステムを含む、電気モータ作動車両のための制動システムが開示されている。この文献中で提供されている解決策は、上記モータを発電機として使用し、バッテリを充電するか、又は抵抗負荷を通じてその発生電流を放電するかのいずれかで、回生制動を提供することによる、モータの減速を開示している。

【0004】

文献ＥＰ２７４７２８７Ａ１には、フリーホイーリングダイオードと、スイッチング素子、例えば、ＭＯＳＦＥＴに並列に接続された制限素子、例えば、降伏ダイオード（breakdown diode）と、を備えるフリーホイーリング回路を有する装置（arrangement）が開示されている。別のスイッチング素子が、回路と直列に接続されている。制御装置が、これら素子を同期制御するための評価及び制御ユニットを有する。制御ユニットは、直流的に分離された制御装置及び制御入力に接続されており、ここで、これら素子を制御することは、決定された制御供給電圧に基づいて行われる。

【0005】

文献ＥＰ１６７５２４５Ａ２には、特に、車両電気システムにおける発電機用の電圧調整器と共に使用され得、フリーホイーリング電圧の増大を引き起こす、誘導電流の急速な低減のための回路装置が開示されている。従って、励磁巻線の消費体（consumers）の停止時に、誘導過電圧が迅速に低減され得、従って、発電機が迅速に非通電にされる（de-energized）。

【発明の概要】

【0006】

本発明の目的は、技術的現状から知られている解決策よりも少ない高電力部品を備える、インダクタフリーホイーリング電圧を制御するための回路を提供することである。

【0007】

本発明は、第１のスイッチと、第２のスイッチと、第１のダイオードと、インダクタと、を備える、インダクタフリーホイーリング電圧を制御するためのシステムを開示する。第１のスイッチは、開状態において、それがインダクタの第１の端子を電力バスと接続することになり、且つ、第１のスイッチが第１の制御信号によって制御されるように、接続されている。第１のダイオードの第１の端子が、接地に接続されており、第１のダイオードの第２の端子が、インダクタの第１の端子に接続されている。第１のダイオードは、それが、電流が接地からインダクタの第１の端子に流れることを可能にするように、接続されている。第２のスイッチは、開状態において、それがインダクタの第２の端子を接地と接続することになるように、接続されている。このシステムは、それが、スイッチ制御回路を備え、このスイッチ制御回路は、スイッチ制御回路の入力端子に送達される第２の制御信号で制御されるように構成されており、これにより、第２の制御信号の第１の状態では、スイッチ制御回路は、第２のスイッチを開いた状態に保ち、第２の制御信号の第２の状態では、スイッチ制御回路は、第２のスイッチの両端で電圧降下があるように、第２のスイッチを保つことを特徴とする。

【0008】

好ましい実施形態では、スイッチ制御回路は、スイッチ制御回路に第２の制御信号を送達するように構成された第２のダイオードを備える。

【0009】

なお別の実施形態では、第１のスイッチ及び第２のスイッチからの少なくとも１つは、ユニポーラトランジスタ又はＩＧＢＴトランジスタである。

【0010】

別の実施形態では、スイッチ制御回路は、ツェナーダイオードの第１の端子が、インダクタの第２の端子に接続され、ツェナーダイオードの第２の端子が、第１の抵抗器の第１の端子と、第２のスイッチのゲート端子と、入力端子と、に接続されるように接続された、第１の抵抗器と、ツェナーダイオードと、を備える。ツェナーダイオードの順方向が、第２のスイッチのゲート端子からインダクタの第２の端子へ向かうものであり、第１の抵抗器の第２の端子が、接地に接続されている。

【0011】

好ましい実施形態では、スイッチ制御回路は、第２の抵抗器と、第３の抵抗器と、第４の抵抗器と、第３のダイオードと、トランジスタと、少なくとも１つのツェナーダイオードと、を備える。第１のツェナーダイオードの第１の端子が、インダクタの第２の端子に接続されており、最後のツェナーダイオードの第２の端子が、第３のダイオードの第１の端子に接続されている。全てのツェナーダイオードが、同じ方向に直列に接続されており、ツェナーダイオードの順方向が、第３のダイオードの第１の端子からインダクタの第２の端子へ向かうものである。第３のダイオードの第２の端子が、第２の抵抗器の第１の端子と、トランジスタのベース端子と、に接続されている。第３のダイオードの順方向が、最後のツェナーダイオードの第２の端子から第２の抵抗器の第１の端子へ向かうものである。第２の抵抗器の第２の端子が、接地に接続されている。トランジスタのコレクタ端子が、安定したＤＣ電圧を供給するように構成された補助電源に接続されている。トランジスタのエミッタ端子が、入力端子と、第３の抵抗器の第１の端子と、に接続されている。第３の抵抗器の第２の端子が、第４の抵抗器の第１の端子と、第２のスイッチのゲート端子と、に接続されている。第４の抵抗器の第２の端子が、接地に接続されている。

【0012】

なお別の実施形態では、システムは、キャパシタの第１の端子が、第２のスイッチのゲート端子に接続され、キャパシタの第２の端子が、接地に接続される、ように接続されたキャパシタを備える。

【0013】

本発明は、次に添付の図面を参照して以下に説明される。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】図１は、本発明による一般的な回路トポロジーを示す。

【図2】図２は、本発明の最も単純な実装形態を提示する。

【図3】図３は、低減したスタンバイ損失を有する回路を提示する。

【発明を実施するための形態】

【0015】

本発明の一般的な概念を図１に示す。その最も単純な形態で示される新規な実装形態は、電源スイッチと、好ましくは、定電圧負荷との機能を、１つの部品、即ち、スイッチＭ２において併合する。これは、電流を低減するために、１つの電力部品、即ち、スイッチＭ２のみが必要とされるので、電力部品の数及び必要なヒートシンク面積を低減する。

【0016】

電流増大フェーズの間、図１に示されるスイッチＭ１及びＭ２の両方がオンにされる－第１の制御信号Ｓ１及び第２の制御信号Ｓ２が、第１の状態にある。電力バス＋が、第１のスイッチＭ１を通じてインダクタＬと接続されており、インダクタＬは、第２のスイッチＭ２によって接地－に更に接続されている。フリーホイーリングは、第１のスイッチＭ１をオフにすることによって（第１の制御信号Ｓ１の状態を変化させることによって）達成され、強制的に電流をフリーホイーリングダイオード（第１のダイオードＤ１）を通って流れるようにする。インダクタＬにおける電流を低減させる必要があるとき、ゲート電圧ｖ_Ｇ＿Ｍ２は、第２の制御信号Ｓ２の変化により、ロー（low）に設定される。これは、第２のスイッチＭ２のゲート電圧の低減をもたらす。第２のスイッチＭ２は閉じ始め、これは、そのドレイン－ソース電圧ｖ_{ＤＳ＿Ｍ２}の増大をもたらす。スイッチ制御回路ＳＣＣが、第２のスイッチＭ２が完全に閉じることを防止する。好ましい実施形態では、第２のスイッチＭ２の両端で一定の電圧降下が達成され、これは、電流を調整することをより容易にする。当業者であれば、他のトランジスタタイプが、第１のスイッチＭ１及び／又は第２のスイッチＭ２として、本願において使用され得、図１～図３に示されるトランジスタは、例としてのみの役割を果たし－バイポーラトランジスタ、ユニポーラトランジスタ又はＩＧＢＴトランジスタが、本願において使用され得ることを知っているであろう。好ましい実施形態では、キャパシタＣ２が、キャパシタＣ２の第１の端子が、第２のスイッチＭ２のゲート端子に接続され、キャパシタＣ２の第２の端子が、接地－に接続される、ように接続されている。このキャパシタＣ２は、第２のスイッチＳ２の両端の電圧におけるより緩やかな変化を提供する。

【0017】

図及び説明において、正の電圧を印加する電力バス＋と、０Ｖの電位を有する接地－とが存在することに留意されたい。例えば、接地－と、負の電力バスとが存在する他のケースでは、いくつかの部品がそれに応じて接続されことになり、全体的な回路接続が変化する可能性があることに留意されたい。当業者であれば、そのようなケースにおいて、開示される発明をどのように調整するかを知っているであろう。

【0018】

スイッチ制御回路ＳＣＣは、第２のスイッチＭ２が完全に閉じられることを防止しながら、第２の制御信号Ｓ２を第２のスイッチＭ２を制御する信号に変換する信号変換器として説明され得る回路である。以下では、第２の制御信号Ｓ２はデジタル信号であると仮定するが、それはまた、アナログ信号であることもあり得ることに留意されたい。

【0019】

好ましい実施形態では、スイッチ制御回路ＳＣＣは、スイッチ制御回路ＳＣＣに第２の制御信号Ｓ２を送達するように構成された第２のダイオードＤ２を備える。第２のダイオードＤ２は、安全な入力を提供し、第２の制御信号Ｓ２のソースに高電圧／電流を印加することを防止する。

【0020】

図２は、本発明の一般的な概念の最も単純な実装形態を示す。この回路において、スイッチ制御回路ＳＣＣは、ツェナーダイオードＤＺの第１の端子が、インダクタＬの第２の端子に接続され、ツェナーダイオードＤＺの第２の端子が、第１の抵抗器Ｒ１の第１の端子と、第２のスイッチＭ２のゲート端子と、入力端子と、に接続されるように接続された、第１の抵抗器Ｒ１と、ツェナーダイオードＤＺと、を備える。ツェナーダイオードの順方向が、第２のスイッチＭ２のゲート端子からインダクタＬの第２の端子へ向かうものであり、第１の抵抗器Ｒ１の第２の端子が、接地－に接続されている。この実装形態では、インダクタＬにおける電流を低減させる必要があるとき、ゲート電圧ｖ_Ｇ＿Ｍ２は、ローに設定される。これは、プルダウン抵抗器Ｒ１によって引き起こされる、第２のスイッチＭ２のゲート電圧の低減をもたらす。第２のスイッチＭ２は閉じ始め、これは、そのドレイン－ソース電圧ｖ_{ＤＳ＿Ｍ２}の増大をもたらす。最終的に、ドレインソース電圧は、ツェナーダイオードＤＺの降伏電圧に達し、ダイオードは、導通し始め、第２のスイッチＭ２が完全に閉じることを防止し、そのドレインソース接合部の両端で一定の電圧降下を引き起こす。

【0021】

本発明は、適切なゲート回路を用いて、単一の電力部品を使用することによって、先行技術から知られている電圧クランプ及び第２のスイッチＭ２によって行われる機能を達成することを可能にし、追加の高電力部品の必要性を除去する。追加として、使用時に、ＤＣ安定化キャパシタＣ１の容量値、並びに、電圧定格が低減される。

【0022】

図３には、より複雑な回路が提示されている（スイッチ制御回路ＳＳＣ及び第２のスイッチＭ２のみが提示されている）。この実施形態では、第１のツェナーダイオードＤＺ１の第１の端子が、インダクタＬの第２の端子に接続されており、最後のツェナーダイオードＤＺ１の第２の端子が、第３のダイオードＤ３の第１の端子に接続されている。全てのツェナーダイオードＤＺ１は、同じ方向に直列に接続されており、ツェナーダイオードＤＺ１の順方向が、第３のダイオードＤ３の第１の端子からインダクタＬの第２の端子へ向かうものである。第３のダイオードＤ３の第２の端子が、第２の抵抗器Ｒ２の第１の端子と、トランジスタＱ１のベース端子と、に接続されている。第３のダイオードＤ３の順方向が、最後のツェナーダイオードＤＺ１の第２の端子から第２の抵抗器Ｒ２の第１の端子へ向かうものである。第２の抵抗器Ｒ２の第２の端子が、接地－に接続されている。トランジスタＱ１のコレクタ端子が、安定したＤＣ電圧を供給するように構成された補助電源ＰＳに接続されている。トランジスタＱ１のエミッタ端子が、入力端子と、第３の抵抗器Ｒ３の第１の端子と、に接続されており、第３の抵抗器Ｒ３の第２の端子が、第４の抵抗器Ｒ４の第１の端子と、第２のスイッチＭ２のゲート端子と、に接続されており、第４の抵抗器Ｒ４の第２の端子が、接地－に接続されている。

【0023】

これは、追加の低電圧、低電力トランジスタＱ１を追加する。その目的は、ツェナーダイオード内の電流フローを低減させ、従って、回路の全体的なスタンバイ損失を最小限に抑えることである。欠点は、ゲート回路のための安定した補助電源が必要なことである。

【0024】

この実施形態では、トランジスタＱ１は、バイポーラトランジスタとして提示及び説明されていることに留意されたい。ユニポーラトランジスタもまた使用され得ることに留意されたい。

【0025】

［図面における参照符号のリスト］
Ｍ１－第１のスイッチ
Ｍ２－第２のスイッチ
Ｄ１－第１のダイオード
Ｄ２－第２のダイオード
Ｄ３－第３のダイオード
ＤＺ、ＤＺ１－ツェナーダイオード
Ｌ－インダクタ
＋－電力バス
－－接地
Ｓ１－第１の制御信号
Ｓ２－第２の制御信号
Ｒ１－第１の抵抗器
Ｒ２－第２の抵抗器
Ｒ３－第３の抵抗器
Ｒ４－第４の抵抗器
Ｑ１－トランジスタ
Ｃ１－安定化キャパシタ
Ｃ２－キャパシタ
ＳＣＣ－スイッチ制御回路
ＰＳ－補助電源

【図1】

【図2】

【図3】

【国際調査報告】