JP5444381B2 - 可変速駆動装置内の直流リンクをプリチャージするシステム - Google Patents

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Description

関連出願の相互参照
本願は、２００５年３月１日出願の米国特許出願第１１／０６８９９９号の一部継続出願である２００５年３月７日出願の米国特許出願第１１／０７３８３０号の一部継続出願である。
本発明は、一般に可変速駆動装置に関する。より詳細には、本発明は、整流器またはコンバータ内で絶縁ゲートバイポーラトランジスタを使用する可変速駆動装置内の直流リンクをプリチャージするシステムに関する。
加熱、換気、空調、および冷凍（ＨＶＡＣ＆Ｒ）応用のための可変速駆動装置（ＶＳＤ）は、通常、整流器またはコンバータと、直流リンクと、インバータとを含む。整流器またはコンバータは、交流電源からの固定電源周波数固定電源電圧の交流電力を直流電力に変換する。直流リンクは、コンバータからの直流電力をフィルタし、通常は、大量の電気キャパシタンスを含む。最後に、インバータは、直流リンクと並列に接続され、直流リンクからの直流電力を可変周波数可変電圧の交流電力に変換する。電力が、ＶＳＤに印加される時に、直流リンク電圧とも称する直流リンクキャパシタにまたがる電圧は、０から定格値、通常は約６００Ｖまで上昇する。直流リンク電圧のこの上昇が、自然に発生するままにされる場合に、この上昇は、入力電力線から整流器を介して直流リンクキャパシタに非常に大量の電流を引き込むことによって、非常に迅速に発生するはずである。この大量の電流は、突入電流と称するが、ＶＳＤの構成要素に有害になり得る。したがって、ＶＳＤ構成要素への損傷を避けるために、０Ｖから定格電圧への直流リンク電圧の上昇は、ある制御された形で達成されなければならない。直流リンク電圧のこの制御された上昇を、直流リンクプリチャージ動作と称する。
ほとんどのＶＳＤは、２つの異なる方法によって直流リンクプリチャージを達成する。第１の方法は、入力電力線と整流器との間に接続されたプリチャージ抵抗器およびプリチャージ接触器を使用する。第２の方法は、シリコン制御整流器またはＳＣＲとも称するサイリスタを（少なくとも部分的に）含む整流器を使用する。
第１の方法では、プリチャージ接触器は、入力電力線と整流器との間、または時々入力電力線と直流リンクとの間にプリチャージ抵抗器を接続するのに使用される。これらのプリチャージ抵抗器は、突入電流を管理可能なレベルまでに制限する。プリチャージが完了した後に、プリチャージ抵抗器は、プリチャージ接触器を開くことによって回路から除外され、入力電力線は、供給接触器と称するもう１つの接触器を閉じることによって整流器に直接接続される。供給接触器は、このシステムの動作中に閉じられた状態になる。この方法は、整流器が突入電流を制御する手段を提供しない単純なダイオード整流器であるＶＳＤに良く適する。この方法の主要な不利益は、その構成要素、特に供給接触器のコストおよびサイズにあり、これは、ＶＳＤ全体のコストおよびサイズに悪影響を及ぼし得る。
第２の方法では、整流器自体が、プリチャージを達成するのに使用される。この場合の整流器は、各相に少なくとも１つのＳＣＲを有する。ＳＣＲは、その電流伝導を電子的に制御できる電力半導体である。整流器のＳＣＲの導通は、突入電流の小さいパルスだけがプリチャージ中に流れることを許容するように制御される。プリチャージが完了した後に、整流器のＳＣＲは、常時導通するように制御される、すなわち、プリチャージの後の整流器は、ダイオード整流器であるかのように振る舞う。
上で説明した２つのプリチャージ方法は、整流器がダイオードおよび／またはＳＣＲから構成されるＶＳＤに適用可能である。しかし、ダイオードまたはＳＣＲを使用するのではなく、実際に、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）または他のタイプの電力開閉器もしくは電力用トランジスタを使用する整流器もしくはコンバータを有するＶＳＤがある。ＩＧＢＴは、通常は、モジュール内にパッケージ化され、１つのモジュールが６つのＩＧＢＴを含むことが一般的であり、これは、三相整流器に適当である。ＩＧＢＴモジュールを、ＶＳＤのインバータに使用することもできることに留意されたい。通常のＩＧＢＴモジュールは、ＩＧＢＴモジュール内に存在するすべてのＩＧＢＴについて１つのダイオードを含む、すなわち、６つのＩＧＢＴを有するＩＧＢＴモジュールには６つのダイオードがあるはずである。これらのダイオードは、一般に、逆並列ダイオードと称し、逆並列ダイオードとして接続され、ＶＳＤがパルス幅変調（ＰＷＭ）モードで動作する時に、ＩＧＢＴがターンオフされた後に電流を導通するのに使用される。ＩＧＢＴモジュール内の６個の逆並列ダイオードは、そのＩＧＢＴモジュールに組み込まれた三相ダイオード整流器を形成すると考えることができる。
組み込まれたダイオード整流器は、上で説明した第１のプリチャージ法（プリチャージ接触器、プリチャージ抵抗器、供給接触器、および供給抵抗器）を使用して直流リンクをプリチャージしなければならないので、ＩＧＢＴモジュールを使用するＶＳＤのプリチャージに関する問題を提示する。これは、整流器またはコンバータ用のＩＧＢＴモジュールを有するＶＳＤに追加のコストおよびサイズの重荷を課す。
したがって、求められているものは、プリチャージ接触器、プリチャージ抵抗器、供給接触器、および供給抵抗器を必要としない、ＩＧＢＴベースの整流器またはコンバータを有するＶＳＤの直流リンクをプリチャージするシステムである。
本発明の一実施形態は、インバータモジュールと、直流リンクと、コンバータモジュールとを含む可変速駆動装置を対象とする。インバータモジュールは、電動機に電力を与えるために直流電圧を交流電圧に変換することができる。直流リンクは、エネルギをフィルタし、貯蔵することができ、電気的にインバータモジュールに並列に接続される。コンバータモジュールは、交流電圧を直流電圧に変換することができ、電気的に直流リンクに並列に接続され、交流電源に電気的に接続される。コンバータモジュールは、電力開閉器の複数の対を含み、電力開閉器の各対は、逆並列ダイオードに接続された絶縁ゲートバイポーラトランジスタと、逆並列逆阻止絶縁ゲートバイポーラトランジスタに接続された逆阻止絶縁ゲートバイポーラトランジスタとを含む。コンバータモジュール内の電力開閉器の複数の対は、直流リンクをプリチャージするように制御可能である。
本発明のもう１つの実施形態は、インバータと、直流リンクと、コンバータモジュールとを有する可変速駆動装置を対象とする。インバータモジュールは、負荷に電力を与えるために直流電圧を交流電圧に変換することができる。直流リンクは、エネルギをフィルタし、貯蔵することができ、電気的にインバータモジュールに並列に接続される。コンバータモジュールは、交流電源からの交流電圧を直流電圧に変換することができ、電気的に直流リンクに並列に接続される。コンバータモジュールは、電力開閉器の複数の対を含み、電力開閉器の各対は、シリコンカーバイド
制御整流器に逆並列に接続された逆阻止電力開閉器を含む。コンバータモジュールは、直流リンクをプリチャージするように制御可能である。
本発明のもう１つの実施形態は、閉ループで接続された圧縮器、凝縮器構成、および蒸発器構成を含む冷媒回路を有する冷却器システムを対象とする。この冷却器システムは、圧縮器に電力を与えるために圧縮器に接続された駆動装置構成をも有する。駆動装置構成は、電動機および可変速駆動装置を含む。可変速駆動装置は、インバータモジュールと、直流リンクと、コンバータモジュールとを含む。インバータモジュールは、電動機に電気的に接続され、電動機に電力を与えるために直流電圧を交流電圧に変換するように構成される。直流リンクは、エネルギをフィルタし、貯蔵し、電気的にインバータモジュールに並列に接続される。コンバータモジュールは、交流電源からの交流電圧を直流電圧に変換し、電気的に直流リンクに並列に接続される。コンバータモジュールは、電力開閉器の複数の対を有する。電力開閉器の各対は、シリコンカーバイド制御整流器に逆並列に接続された逆阻止電力開閉器を含む。最後に、コンバータモジュールは、直流リンクをプリチャージするように制御可能である。
本発明のもう１つの実施形態は、インバータモジュールと、直流リンクと、コンバータモジュールとを含む可変速駆動装置を対象とする。インバータモジュールは、負荷に電力を与えるために直流電圧を交流電圧に変換する。直流リンクは、エネルギをフィルタし、貯蔵し、電気的にインバータモジュールに並列に接続される。コンバータモジュールは、交流電源からの交流電圧を直流電圧に変換し、電気的に直流リンクに並列に接続される。コンバータモジュールは、電力開閉器構成の複数の対を含み、電力開閉器構成の各対は、第２の逆阻止電力開閉器構成に逆並列に接続された第１の逆阻止電力開閉器を含む。コンバータモジュールは、直流リンクをプリチャージするように制御可能である。
本発明のもう１つの実施形態は、閉ループで接続された圧縮器、凝縮器構成、および蒸発器構成を含む冷媒回路と、圧縮器に電力を与えるために圧縮器に接続された駆動装置構成とを有する冷却器システムを対象とする。駆動装置構成は、電動機および可変速駆動装置を有する。可変速駆動装置は、インバータモジュールと、直流リンクと、コンバータモジュールとを含む。インバータモジュールは、電動機に電気的に接続され、電動機に電力を与えるために直流電圧を交流電圧に変換するように構成される。直流リンクは、エネルギをフィルタし、貯蔵し、電気的にインバータモジュールに並列に接続される。コンバータモジュールは、交流電源からの交流電圧を直流電圧に変換し、電気的に直流リンクに並列に接続される。コンバータモジュールは、電力開閉器構成の複数の対を有し、電力開閉器構成の各対は、第２の逆阻止電力開閉器構成に逆並列に接続された第１の逆阻止電力開閉器構成を含む。コンバータモジュールは、直流リンクをプリチャージするように制御可能である。
本発明のもう１つの実施形態は、インバータモジュールと、直流リンクと、コンバータモジュールとを含む可変速駆動装置を対象とする。インバータモジュールは、負荷に電力を与えるために直流電圧を交流電圧に変換する。直流リンクは、エネルギをフィルタし、貯蔵し、電気的にインバータモジュールに並列に接続される。コンバータモジュールは、交流電源からの交流電圧を直流電圧に変換し、電気的に直流リンクに並列に接続される。コンバータモジュールは、電力開閉器の複数の対を含み、電力開閉器の各対は、逆阻止をもたらすように構成された第２のダイオードと直列の第２の絶縁ゲートバイポーラトランジスタに逆並列に接続された、逆阻止をもたらすように構成された第１のダイオードと直列の第１の絶縁ゲートバイポーラトランジスタを含む。第１の絶縁ゲートバイポーラトランジスタは、第２のダイオードに逆並列に接続され、第２の絶縁ゲートバイポーラトランジスタは、第１のダイオードに逆並列に接続される。コンバータモジュールは、直流リンクをプリチャージするように制御可能である。
本発明のもう１つの実施形態は、閉ループで接続された圧縮器、凝縮器構成、および蒸発器構成を含む冷媒回路と、圧縮器に電力を与えるために圧縮器に接続された駆動装置構成とを有する冷却器システムを対象とする。駆動装置構成は、電動機および可変速駆動装置を有する。可変速駆動装置は、インバータモジュールと、直流リンクと、コンバータモジュールとを含む。インバータモジュールは、電動機に電気的に接続され、電動機に電力を与えるために直流電圧を交流電圧に変換するように構成される。直流リンクは、エネルギをフィルタし、貯蔵し、電気的にインバータモジュールに並列に接続される。コンバータモジュールは、交流電源からの交流電圧を直流電圧に変換し、電気的に直流リンクに並列に接続される。コンバータモジュールは、電力開閉器の複数の対を有し、電力開閉器の各対は、第２の絶縁ゲートバイポーラトランジスタおよび逆並列ダイオードと直列に接続された第１の絶縁ゲートバイポーラトランジスタおよび逆並列ダイオードを有する。第２の絶縁ゲートバイポーラトランジスタおよび逆並列ダイオードは、第１の絶縁ゲートバイポーラトランジスタおよび逆並列ダイオードに関して逆の構成を有する。第１の絶縁ゲートバイポーラトランジスタは、第２の絶縁ゲートバイポーラトランジスタの逆並列ダイオードに直列に接続され、第２の絶縁ゲートバイポーラトランジスタは、第１の絶縁ゲートバイポーラトランジスタの逆並列ダイオードに直列に接続される。コンバータモジュールは、直流リンクをプリチャージするように制御可能である。
本発明の１つの利益は、小さくコンパクトであり、これによって可変速駆動装置のサイズを減らすことができることである。
本発明のもう１つの利益は、高価な部品の必要をなくすことによって、可変速駆動装置のコストを減らすことである。
本発明のもう１つの利益は、日常的摩損を受ける電気機械部品をなくすことによって、可変速駆動装置の信頼性を高めることである。
本発明のもう１つの利益は、シリコンカーバイド制御整流器での逆回復現象の不在に起因する可変速駆動装置の高められた効率である。
本発明の全体的なシステム構成を概略的に示す図である。 本発明の全体的なシステム構成を概略的に示す図である。 本発明の可変速駆動装置の実施形態を概略的に示す図である。 本発明の可変速駆動装置の実施形態を概略的に示す図である。 本発明と共に使用することのできる冷凍システムを概略的に示す図である。 本発明の可変速駆動装置の実施形態を示す回路図である。 本発明の可変速駆動装置の実施形態を示す回路図である。 本発明の可変速駆動装置のもう１つの実施形態を示す回路図である。 本発明の可変速駆動装置のもう１つの実施形態を示す回路図である。 本発明の可変速駆動装置のもう１つの実施形態を示す回路図である。 本発明の可変速駆動装置のもう１つの実施形態を示す回路図である。
本発明の他の特徴および利益は、例として本発明の原理を示す添付図面と共に解釈される、好ましい実施形態の次のより詳細な説明から明白になる。
可能な時には必ず、同一の符号が、複数の図面を通じて、同一の部品または類似する部品を指すのに使用される。
図１Ａおよび１Ｂに、本発明の全体的なシステム構成を示す。交流電源１０２は、可変速駆動装置（ＶＳＤ）１０４に供給し、ＶＳＤ １０４は、１つの電動機１０６（図１Ａを参照されたい）または複数の電動機１０６（図１Ｂを参照されたい）に電力を与える。電動機１０６は、好ましくは、冷凍システムまたは冷却器システム（全体的に図３を参照されたい）の対応する圧縮器を駆動するのに使用される。交流電源１０２は、単相または多相（たとえば三相）の固定電圧固定周波数交流電力を、ある場所に存在する交流送電網または交流配電系統からＶＳＤ １０４に供給する。交流電源１０２は、好ましくは、対応する交流送電網に応じて、２００Ｖ、２３０Ｖ、３８０Ｖ、４６０Ｖ、または６００Ｖで５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの電源周波数の交流電圧または電源電圧をＶＳＤ １０４に供給することができる。
ＶＳＤ １０４は、特定の固定電源電圧および固定電源周波数を有する交流電力を交流電源１０２から受け取り、所望の電圧および所望の周波数で交流電力を電動機１０６に供給し、この所望の電圧と所望の周波数との両方が、特定の要件を満足するために変更することができる。好ましくは、ＶＳＤ １０４は、電動機１０６の定格電圧および定格周波数より高い電圧および周波数ならびにより低い電圧および周波数を有する交流電力を電動機１０６に供給することができる。もう１つの実施形態で、ＶＳＤ １０４は、やはり、電動機１０６の定格電圧および定格周波数より高い周波数およびより低い周波数を供給できるが、同一のまたはより低い電圧だけを供給することができる。電動機１０６は、好ましくは誘導電動機であるが、可変速で動作できる任意のタイプの電動機を含めることができる。誘導電動機は、２極、４極、または６極を含む任意の適切な極機構を有することができる。
図２Ａおよび２Ｂに、本発明のＶＳＤ １０４の異なる実施形態を示す。ＶＳＤ １０４は、３つの段すなわち、コンバータ段２０２と、直流リンク段２０４と、１つのインバータ２０６（図２Ａを参照されたい）または複数のインバータ２０６（図２Ｂを参照されたい）とを有する出力段を有することができる。コンバータ２０２は、交流電源１０２からの固定電源周波数固定電源電圧の交流電力を直流電力に変換する。直流リンク２０４は、コンバータ２０２からの直流電力をフィルタし、エネルギ貯蔵構成要素を提供する。直流リンク２０４は、キャパシタおよび誘導子からなるものとすることができ、このキャパシタおよび誘導子は、高信頼度率および非常に低い故障率を示す受動デバイスである。最後に、図２Ａの実施形態では、インバータ２０６は、直流リンク２０４からの直流電力を電動機１０６用の可変周波数可変電圧の交流電力に変換し、図２Ｂの実施形態では、インバータ２０６は、直流リンク２０４に並列に接続され、各インバータ２０６は、直流リンク２０４からの直流電力を対応する電動機１０６用の可変周波数可変電圧の交流電力に変換する。インバータ２０６は、ワイヤボンディング技術を用いて相互接続された電力用トランジスタ、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）電力開閉器、および逆ダイオードを含むことができる電力モジュールとすることができる。さらに、ＶＳＤ １０４の直流リンク２０４およびインバータ２０６は、ＶＳＤ １０４の直流リンク２０４およびインバータ２０６が適当な出力電圧および出力周波数を電動機１０６に与えることができる限り、上で述べたものと異なる構成要素を組み込むことができることを理解されたい。
図１Ｂおよび２Ｂに関して、インバータ２０６は、各インバータ２０６が、インバータ２０６のそれぞれに供給される共通の制御信号または制御命令に基づいて、対応する電動機に同一の所望の電圧および周波数で交流電力を供給するように、制御システムによって共同で制御される。もう１つの実施形態では、インバータ２０６は、各インバータ２０６が、各インバータ２０６に供給される別々の制御信号または制御命令に基づいて、対応する電動機１０６に異なる所望の電圧および周波数で交流電力を供給することを可能にするために、制御システムによって個別に制御される。この能力は、ＶＳＤ １０４のインバータ２０６が、他のインバータ２０６に接続された他の電動機１０６およびシステムの要件と独立に、電動機１０６およびシステムの需要および負荷をより効果的に満足させることを可能にする。たとえば、１つのインバータ２０６が、ある電動機１０６に最大電力を供給していると同時に、もう１つのインバータ２０６が、もう１つの電動機１０６に半分の電力を供給することが可能である。この両方の実施形態でのインバータ２０６の制御は、制御パネルまたは他の適切な制御デバイスによるものとすることができる。
ＶＳＤ １０４によって電力を与えられる電動機１０６ごとに、ＶＳＤ １０４の出力段に、対応するインバータ２０６がある。ＶＳＤ １０４によって電力を与えられることができる電動機１０６の個数は、そのＶＳＤ １０４に組み込まれたインバータ２０６の個数に依存する。一実施形態では、直流リンク２０４に並列に接続され、対応する電動機１０６に電力を与えるのに使用される、ＶＳＤ １０４に組み込まれた２つまたは３つのいずれかのインバータ２０６があるものとすることができる。ＶＳＤ １０４は、２つと３つとの間のインバータ２０６を有することができるが、直流リンク２０４が、インバータ２０６のそれぞれに適当な直流電圧を供給でき、維持できる限り、３つを超えるインバータ２０６を使用できることを理解されたい。
図３は、図１Ａおよび２Ａのシステム構成およびＶＳＤ １０４を使用する冷凍システムまたは冷却器システムに組み込まれた本発明の一実施形態を全体的に示す図である。図３に示されているように、ＨＶＡＣシステム、冷凍システム、または液体冷却器システム３００は、圧縮器３０２、凝縮器構成３０４、液体冷却器または蒸発器構成３０６、および制御パネル３０８を含む。圧縮器３０２は、ＶＳＤ １０４によって電力を与えられる電動機１０６によって駆動される。ＶＳＤ １０４は、特定の固定電源電圧および固定電源周波数を有する交流電力を交流電源１０２から受け取り、所望の電圧および所望の周波数の交流電力を電動機１０６に供給し、この所望の電圧と所望の周波数との両方は、特定の要件を満足するために変更することができる。制御パネル３０８は、冷凍システム３００の動作を制御するために、アナログ−ディジタル（Ａ／Ｄ）変換器、マイクロプロセッサ、不揮発性メモリ、およびインターフェース基板などのさまざまな異なる構成要素を含むことができる。制御パネル３０８を使用して、ＶＳＤ １０４および電動機１０６の動作を制御することもできる。
圧縮器３０２は、冷媒蒸気を圧縮し、この蒸気を、排出管を介して凝縮器３０４に送る。圧縮器３０２は、任意の適切なタイプの圧縮器、たとえば、スクリュー圧縮器、遠心圧縮器、往復圧縮器、スクロール圧縮器などとすることができる。圧縮器３０２によって凝縮器３０４に送られた冷媒蒸気は、流体、たとえば空気または水との熱交換関係に入り、流体との熱交換関係の結果として冷媒液体への相変化を受ける。凝縮器３０４からの凝縮された液体冷媒は、膨張装置（図示せず）を介して蒸発器３０６に流れる。
蒸発器３０６は、冷却負荷の供給管路および戻り管路の接続を含むことができる。二次液、たとえば水、エチレン、塩化カルシウムブライン、または塩化ナトリウムブラインが、戻り管路を介して蒸発器３０６に移動し、供給管路を介して蒸発器３０６から出る。蒸発器３０６における液体冷媒は、二次液との熱交換関係に入って、二次液の温度を下げる。蒸発器３０６における冷媒液体は、二次液との熱交換関係の結果として、冷媒蒸気への相変化を受ける。蒸発器３０６における蒸気冷媒は、蒸発器３０６から出、吸入管によって圧縮器３０２に戻って、サイクルを完了する。凝縮器３０４内および蒸発器３０６内の冷媒の適当な相変化が得られるならば、凝縮器３０４および蒸発器３０６の任意の適切な構成をシステム３００において使用できることを理解されたい。
ＨＶＡＣシステム、冷凍システム、または液体冷却器システム３００は、図３に示されたもの以外の多数の特徴を含むことができる。これらの特徴は、説明を簡単にするために図面を単純にするために意図的に省略されている。さらに、図３は、単一の冷媒回路に接続された１つの圧縮器を有するものとしてＨＶＡＣシステム、冷凍システム、または液体冷却器システム３００を示すが、システム３００は、図１Ｂおよび２Ｂに示されているように単一のＶＳＤによって、あるいは１つまたは複数の冷媒回路のそれぞれに接続された複数のＶＳＤ（全体的に図１Ａおよび２Ａに示された実施形態を参照されたい）によって電力を与えられる複数の圧縮器を有することができることを理解されたい。
図４Ａおよび４Ｂに、図２Ａに示されたＶＳＤ １０４の一実施形態の回路図を示す。ＶＳＤ １０４のこの実施形態では、三相交流電源１０２からの入力線Ｌ１〜Ｌ３が、回路遮断器４０２に接続され、回路遮断器４０２は、過剰な電流、電圧、または電力がＶＳＤ １０４に供給される時にＶＳＤ １０４を交流電源１０２から切断することができる。回路遮断器４０２を、任意選択の単巻変圧器４０４に接続することができる。単巻変圧器４０４は、使用される場合に、好ましくは、交流電源１０２からの入力電圧を所望の入力電圧に（上または下のいずれかで）調整するのに使用される。各線のヒューズ４０６は、その線の過剰な電流に応答してＶＳＤ １０４の入力相または入力線を切断するのに使用することができる。各線の誘導子４０８は、ＶＳＤ １０４の対応する線の電流を平滑化するのに使用される。誘導子４０８のそれぞれの出力はその場合、入力交流電力の各相を直流電力に変換するためにコンバータ２０２に供給される。
コンバータ２０２の出力に並列に接続されているのが、直流リンク２０４である。この実施形態の直流リンク２０４は、直流電力をフィルタし、直流バス４１２からのエネルギを貯蔵するために、キャパシタ４２０および抵抗器４２２を含む。抵抗器４２２は、電圧平衡デバイスとして機能して、キャパシタバンク４２０の間で実質的に等しい直流リンク電圧を維持することができる。抵抗器４２２は、電荷空乏化デバイスとしても機能して、電力が交流電源１０２から除去される時にキャパシタバンク４２０内の貯蔵された電圧を「抜き取る」こともできる。直流バス４１２には、インバータセクション２０６も接続され、インバータセクション２０６は、直流バス４１２上の直流電力を電動機用の三相交流電力に変換する。図４Ａおよび４Ｂに示された実施形態では、１つのインバータセクションまたはインバータモジュール２０６が使用される。しかし、図２Ｂに示された追加のインバータモジュール２０６を追加することができ、この追加のインバータモジュール２０６は、図４Ｂに示されたインバータモジュール２０６に似た回路表現を有するはずである。インバータモジュール２０６は、３対（出力相ごとに１つ）のＩＧＢＴ電力開閉器および逆ダイオードを含む。インバータモジュール２０６は、ＩＧＢＴ電力開閉器の切替を制御するために、対応する制御接続をも含む。
インバータモジュール２０６は、変調方式を使用してインバータモジュール２０６におけるＩＧＢＴ電力開閉器のそれぞれを「オン」位置または活性化された位置と「オフ」位置または非活性化された位置との間で選択的に切り替えることによって直流バス４１２上の直流電力を三相交流電力に変換して、インバータモジュール２０６からの所望の交流電圧および周波数を得る。ゲーティング信号または切換信号が、制御パネル３０８によって、変調方式に基づいてＩＧＢＴ電力開閉器に供給されて、ＩＧＢＴ電力開閉器を「オン」位置と「オフ」位置との間で切り替える。ＩＧＢＴ電力開閉器は、好ましくは、切換信号が「ハイ」すなわち論理１である時に「オン」位置にあり、切換信号が「ロー」すなわち論理０である時に「オフ」位置にある。しかし、ＩＧＢＴ電力開閉器の活性化および非活性化を、切換信号の反対の状態に基づくものとすることができることを理解されたい。
本発明の好ましい実施形態では、直流リンク２０４のキャパシタ４２０のプリチャージは、図４Ａに示されたコンバータモジュール２０２を使用して制御される。コンバータモジュール２０２は、３対（入力相ごとに１対）の電力開閉器または電力用トランジスタを含む。コンバータモジュール２０２は、インバータモジュール２０６に関して上で説明したものに似た形で電力開閉器の切替を制御するために、対応する制御接続（図を単純にするために図示せず）をも含む。コンバータモジュール２０２の好ましい実施形態では、電力開閉器は、以下に詳細に述べる、直流リンクの所望の出力電圧を生成するためにパルス幅変調技法によって制御される、ＩＧＢＴ電力開閉器である。好ましくは、コンバータモジュール２０２は、ＶＳＤ １０４の入力電圧より高いＶＳＤ １０４からの出力電圧を得るために、直流リンク２０４に高められた直流電圧を供給するブースト整流器として動作することができる。
コンバータモジュール２０２では、電力開閉器の各対における電力開閉器の一方は、逆ダイオードまたは逆並列ダイオード４５２に接続されたＩＧＢＴ ４５０である。逆ダイオードまたは逆並列ダイオード４５２は、ＶＳＤ １０４がパルス幅変調モードで動作させられる場合に、他方の電力開閉器すなわちＩＧＢＴ ４５４がターンオフされた後に電流を導通するのに使用される。図４Ａに示されているように、ＩＧＢＴ ４５０および逆ダイオード４５２は、誘導子４０８の出力と直流バス４１２の負レールとの間に接続される。しかし、本発明のもう１つの実施形態では、ＩＧＢＴ ４５０および逆ダイオード４５２を、誘導子４０８の出力と直流バス４１２の正レールとの間に接続することができる。
電力開閉器の対の他方の電力開閉器は、逆阻止ＩＧＢＴ ４５４である、すなわち、ＩＧＢＴ ４５４は、逆方向ならびに順方向の電圧を阻止することができる。逆阻止ＩＧＢＴ ４５４は、逆ＩＧＢＴまたは逆並列ＩＧＢＴ ４５６に接続され、この逆並列ＩＧＢＴ ４５６も、逆阻止ＩＧＢＴである。逆並列ＩＧＢＴ ４５６は、好ましくは、突入電流の小さいパルスだけが直流リンク２０４に達することを許容するように、プリチャージ動作中に制御される。プリチャージ動作が完了した後に、逆並列ＩＧＢＴ ４５６を、逆並列ダイオード４５２に類似して常時導通するように制御することができる。以下に図６Ａおよび６Ｂに関して述べる本発明のもう１つの実施形態では、逆阻止を提供できるダイオードと直列に接続されたＩＧＢＴ電力開閉器、たとえばＩＧＢＴ ４５０などの他方の逆阻止電力開閉器を、逆阻止ＩＧＢＴ ４５４および逆阻止ＩＧＢＴ ４５６の代わりに使用することができる。本発明のもう１つの実施形態では、ＩＧＢＴ ４５０を、逆阻止ＩＧＢＴ ４５４によって置換することができる。
逆阻止ＩＧＢＴ ４５４は、逆並列ＩＧＢＴ ４５６の導通がプリチャージのために遅延されるのと同じ長さの間、ＩＧＢＴ ４５４にまたがって現れるピーク線間電圧とほぼ等しい正のエミッタ−コレクタ間電圧を阻止する。さらに、逆阻止ＩＧＢＴ ４５４および逆並列ＩＧＢＴ ４５６の逆阻止能力は、従来のダイオードとして動作させられる時に、よい逆回復特性をもたらす。逆並列ＩＧＢＴ ４５６の逆回復特性は、同一相の直列接続されたＩＧＢＴ ４５０がターンオンする時に必ず大きい逆電流が逆並列ＩＧＢＴ ４５６を流れるのを防ぐことによって、大きい逆回復損失が逆並列ＩＧＢＴ ４５６において発生するのを防ぐ。さらに、逆並列ＩＧＢＴ ４５６での逆電流の防止は、直列接続されたＩＧＢＴ ４５０がターンオンされる時の直列接続されたＩＧＢＴ ４５０におけるピーク電流値および対応する損失を制限することができる。図４Ａに示されているように、逆阻止ＩＧＢＴ ４５４および逆並列ＩＧＢＴ ４５６は、誘導子４０８の出力と直流バス４１２の正レールとの間に接続される。しかし、本発明のもう１つの実施形態では、逆阻止ＩＧＢＴ ４５４および逆並列ＩＧＢＴ ４５６を、誘導子４０８の出力と直流バス４１２の負レールとの間に接続することができる。
図５Ａおよび５Ｂに、図２に示されたＶＳＤ １０４のもう１つの実施形態の回路図を示す。この実施形態のＶＳＤ １０４の動作は、以下に詳細に説明するコンバータ２０２の動作を除いて、上で図４Ａおよび４Ｂに関して説明したＶＳＤ １０４の動作に類似している。まず、図４Ａおよび４Ｂに示した実施形態に類似して、誘導子４０８のそれぞれの出力は、コンバータ２０２に供給され、直流リンク２０４は、コンバータ２０２の出力に並列に接続される。
図５Ａに示されたコンバータモジュール２０２は、本発明のもう１つの好ましい実施形態では直流リンク２０４のキャパシタ４２０のプリチャージを制御するのに使用される。コンバータモジュール２０２は、３対（入力相ごとに１対）の電力開閉器または電力用トランジスタを含む。コンバータモジュール２０２は、インバータモジュール２０６に関して上で説明したものに類似した形で電力開閉器を切替制御するために、対応する制御接続（図を単純にするために図示せず）をも含む。好ましくは、コンバータモジュール２０２の電力開閉器は、以下に詳細に述べる、直流リンクの所望の出力電圧を生成するためにパルス幅変調技法によって制御される、ＩＧＢＴ電力開閉器である。本発明の好ましい実施形態では、コンバータモジュール２０２は、ＶＳＤ １０４の入力電圧より高いＶＳＤ １０４からの出力電圧を得るために、直流リンク２０４に高められた直流電圧を供給するブースト整流器として動作することができる。
コンバータモジュール２０２では、電力開閉器の各対における電力開閉器の一方は、逆ダイオードまたは逆並列ダイオード４５２に接続されたＩＧＢＴ ４５０である。逆ダイオードまたは逆並列ダイオード４５２は、ＶＳＤ １０４がパルス幅変調モードで動作させられる場合に、ＩＧＢＴ ４５４がターンオフされた後に電流を導通するのに使用される。図５Ａに示されているように、ＩＧＢＴ ４５０および逆ダイオード４５２は、誘導子４０８の出力と直流バス４１２の負レールとの間に接続される。しかし、本発明のもう１つの実施形態では、ＩＧＢＴ ４５０および逆ダイオード４５２を、誘導子４０８の出力と直流バス４１２の正レールとの間に接続することができる。
電力開閉器の対の他方の電力開閉器は、逆阻止ＩＧＢＴ ４５４である、すなわち、ＩＧＢＴ ４５４は、逆方向ならびに順方向の電圧を阻止することができる。逆阻止ＩＧＢＴ ４５４は、シリコンカーバイド制御整流器（ＳｉＣＣＲ）５００に逆並列に接続される。ＳｉＣＣＲ ５００は、好ましくは、突入電流の小さいパルスだけが直流リンク２０４に達することを許容するように、プリチャージ動作中に制御される。プリチャージ動作が完了した後に、ＳｉＣＣＲ ５００を、逆並列ダイオード４５２に類似して常時導通するように制御することができる。以下に図６Ａおよび６Ｂに関して述べる本発明のもう１つの実施形態では、逆阻止を提供できるダイオードと直列に接続されたＩＧＢＴ電力開閉器、たとえばＩＧＢＴ ４５０などの他方の逆阻止電力開閉器を、逆阻止ＩＧＢＴ ４５４の代わりに使用することができる。本発明のもう１つの実施形態では、ＩＧＢＴ ４５０を、逆阻止ＩＧＢＴ ４５４によって置換することができる。
逆阻止ＩＧＢＴ ４５４は、ＳｉＣＣＲ ５００の導通がプリチャージのために遅延されるのと同じ長さの間、ＩＧＢＴ ４５４にまたがって現れるピーク線間電圧とほぼ等しい正のエミッタ−コレクタ間電圧を阻止する。さらに、ＳｉＣＣＲ ５００は、従来のダイオードとして動作させられる時に、逆回復現象または逆回復特性を示さない。ＳｉＣＣＲ ５００に逆回復特性がないことは、同一相のＩＧＢＴ ４５０がターンオンする時に必ず大きい逆電流がＳｉＣＣＲ ５００を流れるのを防ぐことによって、大きい逆回復損失がＳｉＣＣＲ ５００で発生するのを防ぐ。さらに、ＳｉＣＣＲ ５００における逆電流の防止は、ＩＧＢＴ ４５０がターンオンされる時のＩＧＢＴ ４５０におけるピーク電流値および対応する損失を制限することができる。最後に、ＳｉＣＣＲ ５００に逆回復特性がないことは、ＩＧＢＴ ４５４がターンオンされる時にＩＧＢＴ ４５０にまたがって現れる、漂遊インダクタンスに誘導される過渡電圧を制限する。
漂遊インダクタンスは、デバイスの間の望ましくない寄生インダクタンスであり、デバイス、たとえばＩＧＢＴ ４５０、逆並列ダイオード４５２、逆阻止ＩＧＢＴ ４５４、およびＳｉＣＣＲ ５００を一緒に電気的に接続するワイヤボンドによって作られる可能性がある。デバイスが切り替わる時に、電流の高い割合の変化が、寄生インダクタンスによって見られ、この電流の高い割合の変化は、オフであるデバイスによっても見られ、そのオフであるデバイスにまたがる追加の電圧応力を生じる。ダイオード逆回復現象は、クリアされなければならず、逆方向でダイオードを通って流れる瞬間的な電流をもたらす整流器に貯蔵された電荷によって引き起こされる可能性がある。この逆電流は、ピーク最大値（デバイス特性およびインバータ回路パラメータに依存する）に達するまで流れ、その後、０に戻る。電流がそのピーク値から０に戻る時のダイオードにおける電流の変化の割合は、漂遊インダクタンスにまたがる過渡電圧に、オフであるデバイスにまたがって現れる電圧を誘導させる。上で述べたように、ＳｉＣＣＲ ５００に逆回復特性がないことは、ＩＧＢＴ ４５０に現れるこの過渡電圧を制限する。
図５Ａに示されているように、逆阻止ＩＧＢＴ ４５４およびＳｉＣＣＲ ５００は、誘導子４０８の出力と直流バス４１２の正レールとの間に接続される。しかし、本発明のもう１つの実施形態では、逆阻止ＩＧＢＴ ４５４およびＳｉＣＣＲ ５００を、誘導子４０８の出力と直流バス４１２の負レールとの間に接続することができる。
図６Ａおよび６Ｂに、図２Ａに示されたＶＳＤ １０４のもう１つの実施形態の回路図を示す。この実施形態のＶＳＤ １０４の動作は、以下に詳細に説明するコンバータ２０２の動作を除いて、上で図４Ａおよび４Ｂに関して説明したＶＳＤ １０４の動作に類似している。まず、図４Ａおよび４Ｂに示した実施形態に類似して、誘導子４０８の各出力は、コンバータ２０２に供給され、直流リンク２０４は、コンバータ２０２の出力に並列に接続される。
図６Ａに示されたコンバータモジュール２０２は、本発明のもう１つの好ましい実施形態では直流リンク２０４のキャパシタ４２０のプリチャージを制御するのに使用される。コンバータモジュール２０２は、３組（入力相ごとに１組）の電力開閉器または電力用トランジスタを含む。コンバータモジュール２０２は、インバータモジュール２０６に関して上で説明したものに似た形で電力開閉器の切替を制御するために、対応する制御接続（図を単純にするために図示せず）をも含む。好ましくは、コンバータモジュール２０２の電力開閉器は、以下に詳細に述べる、直流リンクの所望の出力電圧を生成するためにパルス幅変調技法によって制御される、ＩＧＢＴ電力開閉器である。本発明の好ましい実施形態では、コンバータモジュール２０２は、ＶＳＤ １０４の入力電圧より高いＶＳＤ １０４からの出力電圧を得るために、直流リンク２０４に高められた直流電圧を供給するブースト整流器として動作することができる。
コンバータモジュール２０２では、電力開閉器の各組内の電力開閉器の１つは、逆ダイオードまたは逆並列ダイオード４５２に接続されたＩＧＢＴ ４５０である。逆ダイオードまたは逆並列ダイオード４５２は、ＶＳＤ １０４がパルス幅変調モードで動作させられる場合に、ＩＧＢＴ ６５０Ａがターンオフされた後に電流を導通するのに使用される。図６Ａに示されているように、ＩＧＢＴ ４５０および逆ダイオード４５２は、誘導子４０８の出力と直流バス４１２の負レールとの間に接続される。しかし、本発明のもう１つの実施形態では、ＩＧＢＴ ４５０および逆ダイオード４５２を、誘導子４０８の出力と直流バス４１２の正レールとの間に接続することができる。
電力開閉器の組の他の２つの電力開閉器は、ＩＧＢＴ ６５０Ａおよび６５０Ｂであり、これらのＩＧＢＴは、ＩＧＢＴ ４５０に類似して、逆方向の電圧を阻止することができない。ＩＧＢＴ ６５０Ａは、逆ダイオードまたは逆並列ダイオード６５２Ａに接続され、ＩＧＢＴ ６５０Ｂは、逆ダイオードまたは逆並列ダイオード６５２Ｂに接続される。さらに、ＩＧＢＴ ６５０Ａは、逆ダイオードまたは逆並列ダイオード６５２ＢがＩＧＢＴ ６５０Ａの逆阻止を実現できるように逆ダイオードまたは逆並列ダイオード６５２Ｂと直列に接続され、ＩＧＢＴ ６５０Ｂは、逆ダイオードまたは逆並列ダイオード６５２ＡがＩＧＢＴ ６５０Ｂの逆阻止を実現できるように逆ダイオードまたは逆並列ダイオード６５２Ａと直列に接続される。ＩＧＢＴ ６５０Ｂはその場合、好ましくは、突入電流の小さいパルスだけが逆ダイオードまたは逆並列ダイオード６５２Ａを介して直流リンクに達することを許容するように、プリチャージ動作中に制御される。プリチャージ動作が完了した後に、電力開閉器６５０Ｂを、逆並列ダイオード４５２に類似して常時導通するように制御することができる。
ＩＧＢＴ ６５０Ａと直列の逆ダイオードまたは逆並列ダイオード６５２Ｂの接続は、ＩＧＢＴ ６５０Ｂおよび逆ダイオードまたは逆並列ダイオード６５２Ａの導通がプリチャージのために遅延されるのと同じ長さの間、ＩＧＢＴ ６５０Ａにまたがって現れるピーク線間電圧とほぼ等しい正のエミッタ−コレクタ間電圧を阻止する。ＩＧＢＴ ６５０Ａのコレクタからエミッタに直接またがるダイオード６５２Ａの接続は、ダイオード６５２Ｂが阻止能力を提供することを保証する。ＩＧＢＴ ６５０Ｂはその場合、好ましくは、突入電流の小さいパルスだけが直流リンク２０４に達することを許容するように、プリチャージ動作中に制御される。プリチャージ動作が完了した後に、ＩＧＢＴ ６５０Ｂを、逆並列ダイオード４５２に類似して常時導通するように制御することができる。さらに、逆並列ダイオード６５２Ｂと並列のＩＧＢＴ ６５０Ｂの接続は、ＩＧＢＴ ６５０Ｂおよびダイオード６５２Ｂがプリチャージの後に従来の逆並列ダイオードとして動作させられる時のＩＧＢＴ ６５０Ｂおよびダイオード６５２Ｂに関連する逆回復損失の最小化をもたらす。というのは、電流がダイオード６５２ＢとＩＧＢＴ ６５０Ｂとの対にいずれかの方向で流れることを強制されるので、導通電圧降下以外に、この両方のデバイスにまたがる電圧が存在しないからである。プリチャージパルス動作は、非常に低いレベルのピーク電流がプリチャージ中にＩＧＢＴ ６５０Ｂによって消されることを可能にするように制御することができ、プリチャージの後にはＩＧＢＴ ６５０Ｂおよびダイオード６５２Ｂに関連する最小限の逆回復損失が存在し、したがって、これらのデバイスを、電気定格と物理的サイズの両方において縮小することができ、これによって、非逆阻止タイプのＩＧＢＴデバイスを使用する低コスト手法がもたらされる。
図６Ａに示されているように、ＩＧＢＴ ６５０Ａおよび６５０Ｂならびに逆ダイオード６５２Ａおよび６５２Ｂは、誘導子４０８の出力と直流バス４１２の正レールとの間に接続される。しかし、本発明のもう１つの実施形態では、ＩＧＢＴ ６５０Ａおよび６５０Ｂならびに逆ダイオード６５２Ａおよび６５２Ｂを、誘導子４０８の出力と直流バス４１２の負レールとの間に接続することができる。
本発明を、好ましい実施形態を参照して説明したが、当業者は、本発明の範囲から逸脱せずに、さまざまな変更を行うことができ、同等物を、その要素と置換できることを理解するであろう。さらに、本発明の本質的範囲から逸脱せずに、特定の情況または材料を本発明の教示に適合させるために、多数の変更を行うことができる。したがって、本発明が、本発明を実行するために企図された最良の態様として開示された特定の実施形態に限定されるのではなく、本発明が、添付の特許請求の範囲の範囲に含まれるすべての実施形態を含むことが意図されている。

Claims (18)

  1. 負荷に電力を与えるために直流電圧を交流電圧に変換するインバータモジュールと、
    エネルギをフィルタし、貯蔵する、電気的に前記インバータモジュールに並列に接続された直流リンクと、
    交流電源からの交流電圧を直流電圧に変換し、電気的に前記直流リンクに並列に接続され、電力開閉器の複数の対を含み、各対の電力開閉器は、シリコンカーバイド制御整流器に逆並列に接続された逆阻止電力開閉器を含む、コンバータモジュールと、を備え、
    切換信号が前記逆阻止電力開閉器と前記シリコンカーバイド制御整流器にパルス幅変調技法に基づいて制御パネルにより供給され、前記逆阻止電力開閉器をオフ位置に切り換え且つ前記シリコンカーバイド制御整流器をオン位置とオフ位置の間に切り換えて前記直流リンクへの突入電流のパルス与えて前記直流リンクにおける電圧の立上がりを０ボルトから定格電圧まで制御する、
    可変速駆動装置。
  2. 前記逆阻止電力開閉器は、逆阻止絶縁ゲートバイポーラトランジスタである、請求項１に記載の可変速駆動装置。
  3. 前記シリコンカーバイド整流器は、前記定格電圧に到達する前記直流リンクに応答して常時導通するように前記オン位置に制御される、請求項１に記載の可変速駆動装置。
  4. 各対の電力開閉器は、ダイオードに逆並列に接続された絶縁ゲートバイポーラトランジスタを含む、請求項１に記載の可変速駆動装置。
  5. 前記逆阻止電力開閉器は、逆阻止をもたらすように構成されたダイオードと直列に接続された絶縁ゲートバイポーラトランジスタである、請求項１に記載の可変速駆動装置。
  6. 前記インバータモジュールは、パルス幅変調技法によって制御されるように構成されている、請求項１に記載の可変速駆動装置。
  7. 前記コンバータモジュールは、ブースト整流器として動作するように構成されている、請求項１に記載の可変速駆動装置。
  8. 前記複数の対の電力開閉器は、３対の電力開閉器を含む、請求項１に記載の可変速駆動装置。
  9. 閉ループにおいて接続された圧縮器、凝縮器構成、および蒸発器構成を含む冷媒回路と、
    電動機および可変速駆動装置を含み、前記圧縮器に電力を与えるために前記圧縮器に接続された駆動装置構成とを備え、前記可変速駆動装置は、
    前記電動機に電気的に接続され、前記電動機に電力を与えるために直流電圧を交流電圧に変換するように構成されたインバータモジュールと、
    エネルギをフィルタし、貯蔵する、電気的に前記インバータモジュールに並列に接続された直流リンクと、
    交流電源からの交流電圧を直流電圧に変換し、電気的に前記直流リンクに並列に接続され、複数の対の電力開閉器を含み、電力開閉器の各対は、シリコンカーバイド制御整流器に逆並列に接続された逆阻止電力開閉器を含む、コンバータモジュールと、を備え、
    切換信号が前記逆阻止電力開閉器と前記シリコンカーバイド制御整流器にパルス幅変調技法に基づいて制御パネルにより供給され、前記逆阻止電力開閉器をオフ位置に切り換え且つ前記シリコンカーバイド制御整流器をオン位置とオフ位置の間に切り換えて前記直流リンクへの突入電流のパルス与えて前記直流リンクにおける電圧の立上がりを０ボルトから定格電圧まで制御する、
    冷却器システム。
  10. 前記逆阻止電力開閉器は、逆阻止絶縁ゲートバイポーラトランジスタである、請求項９に記載の冷却器システム。
  11. さらに前記可変速駆動装置の動作を制御する制御システムをさらに含む、請求項９に記載の冷却器システム。
  12. 前記制御システムは、前記定格電圧に到達する前記直流リンクに応答して常時導通するように前記シリコンカーバイド制御整流器を前記オン位置に制御するように構成されている、請求項１１に記載の冷却器システム。
  13. 前記制御システムは、パルス幅変調技法によって前記インバータモジュールを制御するように構成されている、請求項１１に記載の冷却器システム。
  14. 電力開閉器の各対は、ダイオードに逆並列に接続された絶縁ゲートバイポーラトランジスタを含む、請求項９に記載の冷却器システム。
  15. 前記絶縁ゲートバイポーラトランジスタは、逆阻止絶縁ゲートバイポーラトランジスタである、請求項１４に記載の冷却器システム。
  16. 前記逆阻止電力開閉器は、逆阻止を与えるために構成されたダイオードに直列に接続された絶縁ゲートバイポーラトランジスタである、請求項９に記載の冷却器システム。
  17. 前記コンバータモジュールは、ブースト整流器として動作するように構成される、請求項９に記載の冷却器システム。
  18. 前記複数の対の電力開閉器は、３対の電力開閉器を含む、請求項９に記載の冷却器システム。
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