JP5584357B2 - 可変速駆動装置 - Google Patents

Description

[0001]本出願は、一般に可変速駆動装置に関する。本出願は、より詳細には可変速駆動装置における電子機器パワーアセンブリに関する。

[0002]可変速駆動装置（ＶＳＤ）は、モータに供給される電力の周波数および電圧を制御することによって、交流（ＡＣ）電気モータの速度を制御することができるシステムである。ＶＳＤは、様々な用途、例えば大きなビルの換気装置、ポンプおよび工作機械の駆動装置において使用されうる。

[0003]ＶＳＤは、モータに対する速度制御を行うためのいくつかの段を内蔵する。ＶＳＤは、整流器すなわちコンバータ段、ＤＣリンク段、およびインバータ段を有することができる。コンバータとしても知られている整流器すなわちコンバータ段は、ＡＣ電源からの固定の回線周波数、固定の線間電圧のＡＣ電力をＤＣ電力に変換する。ＤＣリンクとしても知られているＤＣリンク段は、コンバータからのＤＣ電力をフィルタし、典型的には大量の電気容量を有する。最後に、インバータとしても知られているインバータ段は、ＤＣリンクと並ＤＣ列に接続され、ＤＣリンクからのＤＣ電力を可変周波数、可変電圧のＡＣ電力に変換する。

[0004]電力がＶＳＤに加えられると、ＤＣリンク電圧と呼ばれるＤＣリンクコンデンサ両端間の電圧は、０から定格値まで上昇する。ＤＣリンク電圧の上昇が制御されないまま行われると、整流器を通ってＤＣリンクコンデンサへと、ＡＣ電源から非常に大きな電流が引き出されることによって、電圧レベルの上昇が極めて急速に起こることになる。突入電流と呼ばれる、ＤＣリンクコンデンサによって引き出される大電流は、ＶＳＤの構成部品を損傷する可能性がある。したがって、突入電流からのＶＳＤ構成部品に対する損傷を避けるために、０Ｖから定格電圧へのＤＣリンク電圧の上昇は、制御されるべきである。ＤＣリンク電圧の制御は、回路のＤＣリンクプリチャージ動作、またはプリチャージと呼ばれる。

[0005]突入電流を制限するために、コンデンサの制御された充電、またはプリチャージを用いる一部のＶＳＤ用途では、コンバータは、ＤＣリンクにプリチャージ電流を供給するように構成される。ＡＣ線間電圧を整流するために使用される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スイッチもしくはトランジスタなどの半導体デバイスの導通を制御して、ＶＳＤのプリチャージ動作中に小さなパルスの突入電流しか流れないようにする。プリチャージ中に突入電流を制御するために使用される半導体デバイスは、通常、プリチャージ後、常時ターンオンされる。プリチャージ中にのみ使用されるこれらの半導体デバイスは、主半導体デバイスの最大定格電流より低い最大定格電流を有することができる。

[0006]コンバータは、コンバータの入力またはインバータの出力に故障または短絡状態が発生した場合に、有害または破壊的な電流を被る可能性がある。故障または短絡による有害または破壊的な電流は、ＶＳＤの構成部品またはＶＳＤ全体を損傷する可能性がある。したがって、コンバータの半導体デバイス、および電気的な分配システムならびにＶＳＤの他の構成部品を損傷することを防ぐために、短絡状態中にＶＳＤに保護を提供することが望ましい。

[0007]コンバータ内に、より高い電流定格の主半導体デバイスとともにより低い最大電流定格を有する補助半導体デバイスを使用することは、短絡または故障事態中に安全にターンオフするための問題を提起する。短絡または故障事態中にそうした可変速駆動装置の信頼度を改善するスキームが必要とされている。

[0008]一実施形態は、複数のスイッチングモジュールを有する可変速駆動装置用のコンバータモジュールに関し、複数のスイッチングモジュールのうちの１つのスイッチングモジュールが、第２の半導体スイッチと並列または直列に接続される第１の半導体スイッチを有し、第２の半導体スイッチが可変速駆動装置のプリチャージ動作中に制御可能に切り替えられて、ＤＣリンクへの突入電流を制限する。第２の半導体スイッチは、第１の半導体スイッチの最大電流定格よりも小さい最大電流定格を有する。

[0009]別の実施形態は、入力ＡＣ電力を供給するＡＣ電源に接続されるコンバータを有する可変速駆動装置に関する。コンバータは固定入力ＡＣ電圧をＤＣ電圧に変換する。また、可変速駆動装置は、コンバータに接続されたＤＣリンクを有する。ＤＣリンクは、コンバータからのＤＣ電圧をフィルタし、かつエネルギーを蓄積する。可変速駆動装置は、ＤＣリンクに接続されたインバータをさらに有する。インバータは、ＤＣリンクからのＤＣ電圧を可変電圧および可変周波数を有する出力電力に変換する。コンバータは、複数のスイッチングモジュールを有するプリチャージ回路を備え、複数のスイッチングモジュールのうちの１つのスイッチングモジュールが第２の半導体スイッチと並列または直列に接続された第１の半導体スイッチを備える。第２の半導体スイッチは、可変速駆動装置のプリチャージ動作中に制御可能に切り替えられて、ＤＣリンクへの突入電流を制限する。第２の半導体スイッチは、第１の半導体スイッチの最大電流定格よりも小さい最大電流定格を有する。

[0010]さらに別の実施形態は、可変速駆動装置を有するシステムのための駆動装置に関する。可変速駆動装置は、固定入力ＡＣ電圧および固定入力周波数で入力ＡＣ電力を受け取り、可変電圧および可変周波数で出力電力を供給する。可変電圧は、固定入力ＡＣ電圧よりも大きさが大きい最大電圧を有し、可変周波数は、固定入力周波数よりも大きな最高周波数を有する。可変速駆動装置は、入力ＡＣ電力を供給するＡＣ電源に接続されたコンバータを含む。コンバータは、固定入力ＡＣ電圧をＤＣ電圧に変換する。また、可変速駆動装置は、コンバータに接続されたＤＣリンクを有する。ＤＣリンクは、コンバータからのＤＣ電圧をフィルタし、かつエネルギーを蓄積する。可変速駆動装置は、ＤＣリンクに接続されたインバータをさらに有する。インバータは、ＤＣリンクからのＤＣ電圧を可変電圧および可変周波数を有する出力電力に変換する。コンバータは、複数のスイッチングモジュールを有するプリチャージ回路を備え、複数のスイッチングモジュールのうちの１つのスイッチングモジュールが第２の半導体スイッチと並列または直列に接続された第１の半導体スイッチを備える。第２の半導体スイッチは、可変速駆動装置のプリチャージ動作中に制御可能に切り替えられて、ＤＣリンクへの突入電流を制限する。第２の半導体スイッチは、第１の半導体スイッチの最大電流定格よりも小さい最大電流定格を有する。

[0011]商用環境における冷暖房空調および冷凍（ＨＶＡＣ＆Ｒ）システムの例示的な実施形態を示す図である。 [0012]ＶＳＤシステム構成の例示的な実施形態を図式的に示す図である。 [0013]複数のモータを備えたＶＳＤシステム構成の例示的な実施形態を図式的に示す図である。 [0014]ＶＳＤシステムの例示的な実施形態を図式的に示す図である。 [0015]複数のインバータを備えたＶＳＤシステムの例示的な実施形態を図式的に示す図である。 [0016]蒸気圧縮システムの例示的な実施形態を図式的に示す図である。 [0017]ＶＳＤシステムの例示的な実施形態に対する概略回路図である。 ＶＳＤシステムの例示的な実施形態に対する概略回路図である。 [0018]ＶＳＤシステムの別の例示的な実施形態に対する概略回路図である。 ＶＳＤシステムの別の例示的な実施形態に対する概略回路図である。 [0019]図９に示すようなコンバータ構成で使用するための、アクティブコンバータＩＧＢＴスイッチングモジュール用のバイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）のドライバ基板の例示的な実施形態である。

[0020]図１は、商用状況に対するビル１２内の冷暖房空調システム（ＨＶＡＣシステム）１０の例示的な環境を示す。システム１０は、ビル１２を冷やすために使用することができる冷却した液体を供給可能な蒸気圧縮システム１４に組み込まれたコンプレッサを有することができる。また、システム１０は、ビル１２を暖房するために使用されるボイラー１６、およびビル１２を通って空気を循環させる送風システムを含むことができる。送風システムは、エアリターンダクト１８、エア供給ダクト２０、およびエアハンドラ２２を有すうることができる。エアハンドラ２２は、導管２４によってボイラー１６および蒸気圧縮システム１４に接続された熱交換器を有することができる。エアハンドラ２２内の熱交換器は、システム１０の動作モードに応じて、ボイラー１６からの加熱された液体、または蒸気圧縮システム１４からの冷却された液体を受け取ることができる。システム１０は、個別のエアハンドラがビル１２の各フロアにある状態で示されているが、これらの構成要素がフロア間で共有されてもよいことが理解されるであろう。

[0021]図２および３は、ＨＶＡＣシステム１０へ電力を供給するために使用することができる可変速駆動装置（ＶＳＤ）２８を含むシステム構成を示す。ＡＣ電源２６は、ＶＳＤ２８に供給し、このＶＳＤ２８が、モータ３０（図２を参照）またはモータ３０（図３を参照）に電力を供給する。モータ（複数可）３０は、ＨＶＡＣ、冷凍または冷却システム１０の対応するコンプレッサ３８を駆動するために使用することができる（全体的に図６参照）。ＡＣ電源２６は、サイトに存在するＡＣ電力グリッドまたは分配システムから単相または多相（例えば３相）の、固定電圧および固定周波数のＡＣ電力をＶＳＤ２８に供給する。ＡＣ電源２６は、対応するＡＣ電力グリッドに応じて、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの回線周波数で、２００Ｖ、２３０Ｖ、３８０Ｖ、４６０Ｖまたは６００ＶのＡＣ電圧または線間電圧をＶＳＤ２８に供給できることが好ましい。

[0022]ＶＳＤ２８は、ＡＣ電源２６から特定の固定線間電圧および固定回線周波数を有するＡＣ電力を受け取り、所望の電圧および所望の周波数でモータ（複数可）３０にＡＣ電力を供給し、これらの電圧および周波数は両方とも特定の要求を満たすために変えることができる。ＶＳＤ２８は、モータ（複数可）３０の定格電圧および周波数よりも、高い電圧および周波数、ならびに低い電圧および周波数を有するモータ（複数可）３０へＡＣ電力を供給することができる。別の実施形態では、ＶＳＤ２８は、モータ（複数可）３０の定格周波数よりも、高いおよび低い周波数ではあるが、モータ（複数可）３０の定格電圧と同じかそれよりも低い電圧のみを供給することができる。モータ（複数可）３０は、誘導モータであってよいが、可変速度で動作させることができる任意のタイプのモータをも含みうる。また、モータは、２極、４極または６極を含む任意の適切な極構成を有するができる。

[0023]図４および５は、ＶＳＤ２８の異なる実施形態を示す。ＶＳＤ２８は、３段を有することができる。すなわち、コンバータ段３２、ＤＣリンク段３４、および１つのインバータ３６（図４を参照）または複数のインバータ３６（図５を参照）を有する出力段である。コンバータ３２は、ＡＣ電源２６からの固定回線周波数、固定線間電圧のＡＣ電力を、ＤＣ電力へ変換する。ＤＣリンク３４は、コンバータ３２からのＤＣ電力をフィルタし、エネルギー蓄積構成素子に供給する。ＤＣリンク３４は、高い信頼度および非常に低い故障率を示す受動デバイスであるコンデンサおよびインダクタから構成される。最後に、図４に示される実施形態では、インバータ３６は、ＤＣリンク３４からのＤＣ電力をモータ３０用の可変周波数、可変電圧のＡＣ電力に変換し、図５に示される実施形態では、インバータ３６が、ＤＣリンク３４に並列に接続されている。各インバータ３６は、ＤＣリンク３４からのＤＣ電力を、対応するモータ３０用の可変周波数、可変電圧のＡＣ電力に変換する。インバータ（複数可）３６は、ワイヤボンド技術で相互接続されたパワートランジスタ、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）電力スイッチ、および逆方向ダイオードを含むことができるパワーモジュールであってよい。ＶＳＤ２８のＤＣリンク３４およびインバータ（複数可）３６がモータ３０に適切な出力電圧および周波数を供給することができる限り、ＶＳＤ２８のＤＣリンク３４およびインバータ（複数可）３６は、上記で議論されたものとは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るべきである。

[0024]図３および５に関して、インバータ３６は、各インバータ３６が、インバータ３６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、対応するモータに同一の所望の電圧および周波数でＡＣ電力を供給するように、制御システムによって一緒に制御されうる。別の実施形態では、インバータ３６は、各インバータ３６が、各インバータ３６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、対応するモータ３０に異なる所望の電圧および周波数でＡＣ電力を供給することができるように、制御システムによって個別に制御することができる。個別に制御できることによって、ＶＳＤ２８のインバー３６は、他のインバータ３６に接続された他のモータ３０およびシステムの要求とは無関係に、より効果的にモータ３０およびシステムの要求ならびに負荷を満たすことが可能になる。例えば、１つのインバータ３６がモータ３０に全電力を供給することができ、別のインバータ３６が別のモータ３０に半分の電力を供給する。どちらの実施形態においてもインバータ３６は、制御パネルまたは他の適切な制御装置によって制御することができる。

[0025]ＶＳＤ２８によって電力が供給される各モータ３０用に、ＶＳＤ２８の出力段に対応するインバータ３６がある。ＶＳＤ２８によって電力を供給することができるモータ３０の数は、ＶＳＤ２８に組み込まれるインバータ３６の数に依存する。一実施形態では、ＤＣリンク３４と並列に接続され、対応する１つのモータ（または複数のモータ）３０に電力を供給するために使用されるＶＳＤ２８に組み込まれた２個かそれとも３個のインバータ３６があってよい。ＶＳＤ２８は、２〜３個のインバータ３６を有しうるが、ＤＣリンク３４の能力がそれぞれのインバータ３６に適切なＤＣ電圧を供給し維持するのに十分に大きい限り、インバータ３６の数が３を超えてもよいことが理解されるべきである。

[0026]図６は、図２または４のシステム構成およびＶＳＤ２８を使用する、蒸気圧縮システムに組み込まれたＶＳＤを示す。蒸気圧縮システム８４は、コンプレッサ３８、凝縮器４０、液体冷却器または蒸発器４２、および制御パネル４４を有する。コンプレッサ３８は、ＶＳＤ２８によって電力を供給されるモータ３０によって駆動される。ＶＳＤ２８は、ＡＣ電源２６からの特定の固定線間電圧および固定回線周波数を有するＡＣ電力を受け取り、モータ３０に所望の電圧および所望の周波数でＡＣ電力を供給し、これらの電圧および周波数は両方とも特定の要求を満たすために変えることができる。制御パネル４４は、蒸気圧縮システム８４の動作を制御するために、アナログディジタル（Ａ／Ｄ）コンバータ、マイクロプロセッサ、不揮発性メモリ、インターフェースボードなどの様々な異なる構成要素を含むことができる。また、制御パネル４４は、ＶＳＤ２８の動作およびモータ３０を制御するために使用されうる。

[0027]コンプレッサ３８は、冷媒蒸気を圧縮し、吐き出し管を介して凝縮器４０に蒸気を送り出す。コンプレッサ３８は、任意の適切なタイプのコンプレッサ、例えばスクリューコンプレッサ、遠心コンプレッサ、往復コンプレッサ、スクロールコンプレッサなどであってよい。コンプレッサ３８によって凝縮器４０に送り出された冷媒蒸気は、流体、例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、冷媒液への相変化を受ける。凝縮器４０からの凝縮された液体冷媒は、膨張装置（図示せず）を通って蒸発器４２に流れる。

[0028]蒸発器４２は、冷房負荷の供給ラインおよびリターンラインのための接続部を含むことができる。プロセス流体、例えば水、エチレングリコール、塩化カルシウムブラインまた塩化ナトリウムブラインは、リターンラインを通って蒸発器４２に入り、供給ラインを通って蒸発器４２から出る。プロセス流体の温度を低下させるために、蒸発器４２内の液体冷媒は、プロセス流体との熱交換関係に入る。蒸発器４２内の冷媒液は、プロセス流体との熱交換関係の結果、冷媒蒸気への相変化を受ける。蒸発器４２内の蒸気冷媒は、蒸発器４２を出て、吸込管によってコンプレッサ３８に戻り、サイクルが完成する。凝縮器４０および蒸発器４２内で、冷媒の適切な相変化が得られるならば、システム１０において凝縮器４０および蒸発器４２に関し任意の適切な構成を用いることができることを理解されるべきである。

[0029]図６は、単一の冷媒回路内に接続された１つのコンプレッサを有するように蒸気圧縮システム８４を示しており、蒸気圧縮システム８４は、図３および５に示すように単一のＶＳＤによって電力が供給される複数のコンプレッサを有することができる。また、蒸気圧縮システム８４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を有することができ、全体的に、図２および４に示す実施形態を参照されたい。

[0030]図７および８は、ＶＳＤ２８の実施形態に対する回路図を概略的に示す。３相ＡＣ電源２６からの入力ラインＬ１〜Ｌ３は、回路遮断器４６に接続されている。過電流、過電圧または過電力がＡＣ電源２６によってＶＳＤ２８に供給されると、回路遮断器４６は、ＶＳＤ２８をＡＣ電源２６から切断することができる。回路遮断器４６の反対側には、ＡＣ電源２６からの入力電圧を所望の入力電圧に調整（上げるかそれとも下げるか）するために単巻変圧器４８を接続することができる。各ラインに対するヒューズ５０は、そのラインでの過電流に応答してＶＳＤ２８のその入力位相またはラインを切断するために使用することができる。各ラインのインダクタ５２は、ＶＳＤ２８の対応するラインで電流を平滑化するために使用される。次に、インダクタ５２のそれぞれの出力は、入力ＡＣ電力の各位相をＤＣ電力に変換するためにコンバータ３２に供給される。

[0031]コンバータ３２において、各１対の電力スイッチにおける電力スイッチの一方は、逆方向すなわち逆並列ダイオード６２に接続されたＩＧＢＴ６０である。ＩＧＢＴ６０は、ＩＧＢＴモジュールの高性能および高速スイッチング特性のために使用される。逆方向すなわち逆並列ダイオード６２は、他方の電源スイッチＩＧＢＴ６４がターンオフした後、電流を流すために使用される。ＶＳＤ２８がパルス幅変調モードで動作するとき、ＩＧＢＴ６４はターンオフされる。図７に示されるように、ＩＧＢＴ６０および逆方向ダイオード６２は、インダクタ５２の出力部とＤＣバス５４の負側線路の間に接続される。しかし、本発明の別の実施形態では、ＩＧＢＴ６０および逆方向ダイオード６２は、インダクタ５２の出力部とＤＣバス５４の正側線路の間に接続することができる。

[0032]電力スイッチ対の他方の電力スイッチは、逆阻止ＩＧＢＴ６４であり、ＩＧＢＴ６４が、逆方向ならびに順方向における電圧を阻止できることを意味している。逆阻止ＩＧＢＴ６４は、逆方向すなわち逆並列ＩＧＢＴ６６に接続され、ＩＧＢＴ６６も逆阻止ＩＧＢＴである。逆並列ＩＧＢＴ６６は、システム２８のプリチャージ動作中にゲート制御され、または切り替えられえて、小さなパルスの突入電流しかＤＣリンク３４に達することができないようにする（図８）。プリチャージ動作が完了した後、逆並列ＩＧＢＴ６６は、逆並列ダイオード６２と同様に、常時導通するように制御することができる。ＩＧＢＴ電力スイッチなどの追加の逆阻止電力スイッチ、例えば逆阻止を提供することができるダイオードと直列に接続されたＩＧＢＴ６０を、逆阻止ＩＧＢＴ６４および逆阻止ＩＧＢＴ６６の代わりに使用することができる。さらに本発明の別の実施形態では、ＩＧＢＴ６０は、逆阻止ＩＧＢＴ６４と置き換えることができる。

[0033]逆阻止ＩＧＢＴ６４は、ＩＧＢＴ６４の両端間に現われるピークのライン間電圧とほぼ等しい、正のエミッタとコレクタ間の電圧を阻止することができる。逆並列ＩＧＢＴ６６の導通がプリチャージ状態のために遅れている間は、逆阻止ＩＧＢＴ６４は、正のエミッタとコレクタ間の電圧を阻止することができる。通常のダイオードとして動作する場合、逆阻止ＩＧＢＴ６４および逆並列ＩＧＢＴ６６の逆阻止能力は、逆回復特性を提供する。逆並列ＩＧＢＴ６６の逆回復特性は、直列に接続された同位相のＩＧＢＴ６０がターンオンされるときはいつも、著しい逆電流が逆並列ＩＧＢＴ６６内を流れるのを防ぐことによって、著しい逆回復損失が逆並列ＩＧＢＴ６６内で生じるのを防ぐ。逆並列ＩＧＢＴ６６における逆電流を防止することによって、直列に接続されたＩＧＢＴ６０がターンオンされるとき、直列に接続されたＩＧＢＴ６０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７に示されるように、逆阻止ＩＧＢＴ６４および逆並列ＩＧＢＴ６６は、インダクタ５２の出力部とＤＣバス５４の正側線路の間に接続されている。しかし、本発明の別の実施形態では、逆阻止ＩＧＢＴ６４および逆並列ＩＧＢＴ６６は、インダクタ５２の出力部とＤＣバス５４の負側線路の間に接続することができる。

[0034]図８に示されるように、ＤＣリンク３４が、コンバータ３２の出力部に対し並列に接続されている。ＤＣリンク３４は、ＤＣ電力をフィルタし、かつＤＣバス５４からのエネルギーを蓄積するコンデンサ５６および抵抗器５８を有することができる。コンデンサ５６間で実質的に等しいＤＣリンク電圧を維持するために、抵抗器５８は、電圧バランス装置として機能することができる。また、抵抗器５８は、電力がＡＣ電源２６から取り除かれたときに、コンデンサ５６内の蓄積された電圧を「抜き取る」（「ｂｌｅｅｄ ｏｆｆ」）ための放電デバイスとして機能することができる（図７）。

[0035]ＤＣリンク３４のコンデンサ５６のプリチャージは、図７に示されるコンバータモジュール３２を使用して制御することができる。コンバータモジュール３２は、３対（各入力位相に対して１対）の電力スイッチまたはトランジスタを有する。また、コンバータモジュール３２は、電力スイッチのスイッチングを制御するために対応する制御接続部を有する。制御パネル４４（簡単にするため図示せず）は、ＤＣリンク３４のコンデンサ５６をプリチャージする変調方式を用いて、電力スイッチのそれぞれを「オン」すなわち活性位置と「オフ」すなわち非活性位置との間で選択的に切り替える。コンバータモジュール３２は、ＶＳＤ２８の入力電圧よりも大きいＶＳＤ２８からの出力電圧を得るために、ＤＣリンク３４に昇圧されたＤＣ電圧を供給するための昇圧整流器として動作することができる。

[0036]また、インバータ部３６は、ＤＣバス５４に接続され、このインバータ部３６は、ＤＣバス５４上のＤＣ電力をモータ３０用の３相ＡＣ電力に変換する。単一のインバータ部またはモジュール３６を使用してもよいが、追加のインバータモジュール３６をシステム２８に加えることができる。追加のインバータモジュール３６は、図５に示されるインバータモジュール３６と同様の概略図を有することになる。インバータ３６は、３対（各出力位相に対して１対）のＩＧＢＴ電力スイッチ７０および逆方向ダイオード６２を有する。また、インバータモジュール３６は、ＩＧＢＴ電力スイッチ７０のスイッチングを制御するための対応する制御接続部８２を有する。

[0037]インバータモジュール３６は、インバータモジュール３６から所望のＡＣ電圧および周波数を得るための変調方式を用いて、「オン」すなわち活性位置と「オフ」すなわち非活性位置との間で、インバータモジュール３６内のＩＧＢＴ電力スイッチ７０のそれぞれを選択的に切り替えることによって、ＤＣバス５４上のＤＣ電力を３相ＡＣ電力に変換する。ゲート信号またはスイッチング信号が、変調方式に基づいて制御パネル４４によってＩＧＢＴ電力スイッチ７０に供給され、ＩＧＢＴ電力スイッチ７０を「オン」位置と「オフ」位置との間で切り替える。ＩＧＢＴ電力スイッチ７０は、スイッチング信号が「ハイ」、すなわち論理１の場合、「オン」位置にあり、スイッチング信号が「ロウ」、すなわち論理０の場合、「オフ」位置にあることが好ましい。しかし、スイッチング信号の反対の状態に基づいて、ＩＧＢＴ電力スイッチ７０を活性化および非活性化することができることを理解されるべきである。

[0038]次に、図９および１０を参照すると、ＶＳＤ２８の別の例示的な実施形態に対する回路図が示されている。本実施形態におけるＶＳＤ２８の動作は、コンバータ３２の動作を除いて図７および８に関して上記したＶＳＤ２８の動作と同様である。図７および８に示される実施形態と同様に、インダクタ５２のそれぞれの出力は、コンバータ３２に供給され、ＤＣリンク３４は、コンバータ３２の出力と並列に接続される。

[0039]コンバータモジュール３２において、各対の電力スイッチにおける電力スイッチの一方は、逆方向すなわち逆並列ダイオード６２に接続されたＩＧＢＴ６０である。逆方向すなわち逆並列ダイオード６２は、ＶＳＤ２８がパルス幅変調モードで動作しているときに、ＩＧＢＴ７０がターンオフした後、電流を流すために使用される。ＩＧＢＴ６０および逆方向ダイオード６２は、インダクタ５２の出力部とＤＣバス５４の負側線路の間に接続される。しかし、別の実施形態では、ＩＧＢＴ６０および逆方向ダイオード６２は、インダクタ５２の出力部とＤＣバス５４の正側線路の間に接続することができる。

[0040]他方の電力スイッチの組合せは、関連する逆並列ダイオード７４および補助ＩＧＢＴ７８とともに、ＩＧＢＴ７０ならびに補助逆並列ダイオード８０を含む。補助ＩＧＢＴ７８および補助ダイオード８０は、ＩＧＢＴ７０とＤＣバス５４の正側線路の間に接続される。ＩＧＢＴ７８は、プリチャージ動作中に制御されて、小さなパルスの突入電流しかＤＣリンク３４に達することができないようにする。プリチャージ動作が完了した後、ＩＧＢＴ７８は、逆並列ダイオード７４と同様に、常時導通するように制御することができる。

[0041]また、コンバータモジュール３２は、インバータモジュール３６に対して上記したのと同様のやり方で電力スイッチのスイッチングを制御するための対応する制御接続部（簡単にするため図示せず）を有する。コンバータモジュール３２の電力スイッチは、ＤＣリンク３４用に所望の出力電圧を生成するパルス幅変調技術によって制御されるＩＧＢＴ電力スイッチであってよい。コンバータモジュール３２は、ＶＳＤ２８の入力電圧よりも大きいＶＳＤ２８からの出力電圧を得るために、ＤＣリンク３４に昇圧されたＤＣ電圧を供給するための昇圧整流器として動作することができる。

[0042]図９に示されるように、ＩＧＢＴ７８およびダイオード８０は、ＩＧＢＴ７０とＤＣバス５４の正側線路の間に並列に接続される。しかし、別の実施形態では、ＩＧＢＴ７８およびダイオード８０は、ＩＧＢＴ６０とＤＣバス５４の負側線路の間に並列に接続されてもよい。

[0043]図７におけるＩＧＢＴ６６および図９におけるＩＧＢＴ７８は、ＤＣリンク３４への突入電流を制限するためのプリチャージ動作用に主として使用される。可変速駆動装置のプリチャージ動作の後に、これらのＩＧＢＴは常時ターンオンされ、ダイオードとして機能する。図７におけるＩＧＢＴ６６および図９におけるＩＧＢＴ７８は、プリチャージにのみ使用され、プリチャージ動作が完了した後、常にゲートがオンされる。したがって、ＩＧＢＴ６６、７８は、図７におけるＩＧＢＴ６０、６４および図９におけるＩＧＢＴ６０、７０の最大電流定格よりも小さい最大電流定格を有することができる。このより小さい最大電流定格は、図７におけるＩＧＢＴ６６および図９におけるＩＧＢＴ７８のより小さなサイズに対応し、結果としてより高い電流定格のＩＧＢＴデバイスからなるコンバータよりも、ＶＳＤ２８内で必要とされるスペースが小さく、また生産するためにコストがかからない、より小さなサイズのコンバータ３２が得られる。

[0044]ＶＳＤ２８における短絡または故障事象中に、より低い最大電流定格を有するＩＧＢＴ６６およびＩＧＢＴ７８は、より高い電流に対する定格のＩＧＢＴ６０、６４およびＩＧＢＴ６０、７０と同じ短絡電流を被る可能性がある。ＩＧＢＴ６６、７８がＩＧＢＴ６０、６４とほぼ等しい電流を流すようにすることができれば、そうした事象中に安全にターンオフする確率が改善される。

[0045]このより低い電流定格のＩＧＢＴ６６、７８には、より高い電流定格のＩＧＢＴ６０、６４（図７におけるＩＧＢＴ６６の場合）、またはより高い最大電流定格を有するＩＧＢＴ６０、７０（図９におけるＩＧＢＴ７８の場合）よりも高いゲートとエミッタ間の電圧を供給することができる。ゲートとエミッタ間の電圧が増加することによって、より低い定格のＩＧＢＴ６６およびＩＧＢＴ７８が、定格電流より高い電流レベルをサポートすることが可能になり、すなわちゲートとエミッタ間の電圧が増加することによって、より低い電流定格のＩＧＢＴ６６およびＩＧＢＴ７８が、より高い電流定格のＩＧＢＴ６０、６４およびＩＧＢＴ６０、７０の電流レベルと実質的に等しい電流レベルをサポートすることができる。ＩＧＢＴ６６および７８のゲートとエミッタ間の電圧を増加させることによって、可変速駆動装置の短絡または故障の際に安全にターンオフする確率が改善される。

[0046]ここで、図１１を参照すると、コンバータ構成で使用される例示的なアクティブコンバータＩＧＢＴスイッチングモジュール９０に接続されたバイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）ドライバを有するゲートドライバ基板８６の一実施形態が図９に示されている。補助のＩＧＢＴ７８および補助の逆並列ダイオード８０が、ＩＧＢＴ７０とＤＣバス５４の正側線路の間に接続される。ＩＧＢＴ７８は、小さなパルスの突入電流しかＤＣリンク３４に達することができないように、プリチャージ動作の間、制御することができる。プリチャージ動作が完了した後、ＩＧＢＴ７８は、逆並列ダイオードと同様に、常時導通するように制御されうる。ゲートとエミッタ間の電圧は、ＢＪＴ駆動回路１００を使用して、ゲート抵抗器Ｒ_Ｇおよびエミッタ抵抗器Ｒ_Ｅ介して補助のゲート端子９１とＩＧＢＴ７８の補助のエミッタ端子９２との間に印加される。少なくとも一例示的な実施形態において、補助のＩＧＢＴ７８の印加されたゲートとエミッタ間の電圧Ｖ_{ＧＥ＿ＡＵＸ}は、１７Ｖから２０Ｖの範囲にあってよい。別の言い方をすれば、Ｖ_{ＧＥ＿ＡＵＸ}は、標準のＩＧＢＴを制御するためのゲートとエミッタ間の電圧のおよそ１．１３３倍および１．３３３倍であってよい。補助のＩＧＢＴ７８用のゲート信号は外部コネクタ９４を介して接続される制御パネル４４から生成される。Ｖ_{ＧＥ＿ＡＵＸ}は、上記したようなプリチャージ動作中にパルスの長さを変えて印加される。プリチャージ動作が完了すると、Ｖ_{ＧＥ＿ＡＵＸ}は、連続的に印加され、ＩＧＢＴ７８を常時導通させる。

[0047]また、ゲートドライバ基板８６は、ＩＧＢＴ７０および６０にそれぞれ接続されたＢＪＴ駆動回路８８および９６を有する。ゲートとエミッタ間の電圧は、ＢＪＴ駆動回路８８を使用して、ゲート抵抗器Ｒ_Ｇおよびエミッタ抵抗器Ｒ_Ｅを介して、ＩＧＢＴ７０のゲート端子７１とエミッタ端子７３との間に印加される。同様に、ゲートとエミッタ間の電圧は、ＢＪＴ駆動回路９６を使用して、ゲート抵抗器Ｒ_Ｇおよびエミッタ抵抗器Ｒ_Ｅを介してＩＧＢＴ６０のゲート端子６１およびエミッタ端子６３に印加される。ＢＪＴ駆動回路８８および９６は、ＩＧＢＴ７０および６０をスイッチングするために、およそ１５Ｖの標準のゲートとエミッタ間の電圧Ｖ_ＧＥを印加する。ＢＪＴ駆動回路８８および９６は、分離された電力および制御部１０２、１０３からそれぞれ入力信号を受け取る。分離された電力および制御部１０２、１０３は、外部コネクタ９８、９９を介して制御パネル４４と通信する。スイッチングモジュール９０上のサーミスタ１０４は、ＩＧＢＴ６０、７０、７８の温度を制御するため、コネクタ９７を介して制御パネル４４に接続されうる。阻止ダイオード１０５および１０６は、分離された電源および制御部１０２、１０３と端子８９、７３に存在する高電圧部との間に直列に接続される。

[0048]例示的な実施形態におけるＩＧＢＴを使用して、可変速駆動装置の信頼度を改善するため、より低い電流定格のスイッチに、より高いゲートとエミッタ間の電圧を供給する方法を説明したが、本方法は、任意のゲート制御半導体デバイススイッチまたは機器に適用される。
本発明のある特徴および実施形態のみを示し、説明したが、特許請求の範囲に記載した主題の新奇な教示および利点から実質的に逸脱せずに、多くの変更形態および変化形態（例えば、サイズ、寸法、構造、様々な要素の形状および割合、パラメータ（例えば、温度、圧力など）の値、取り付け構成、材料の使用、色、方向などにおける変更）を当業者は思いつくことができる。したがって、添付の特許請求の範囲は、発明の真の趣旨の範囲内に含まれる、そうした変更形態および変化形態をすべてカバーすることが意図されていることを理解されるべきである。さらに、例示的な実施形態の簡潔な説明を提供するために、実際の実施形態のすべての特徴については説明されていない（すなわち、現在意図されている、発明を実行する最良のモードと無関係なもの、または請求された発明を可能にすることと無関係なもの）。任意のエンジニアリングまたは設計プロジェクトのような、任意の実際の実施形態の開発において、数多くの実施形態固有の決定がなされてもよいことを認識されるべきである。そうした開発努力は、複雑であり時間を消費する可能性があるが、それにもかかわらず、本開示の恩恵を受ける当業者にとって、不必要な実験なしに、設計、製作、製造に関しルーチン的な仕事になるであろう。

Claims (19)

1. 可変速駆動装置(variable speed drive)用のコンバータモジュールであって、
   複数のスイッチングモジュールのうちの１つのスイッチングモジュールが、第２の半導体スイッチと逆並列または直列に接続される第１の半導体スイッチを有し、前記第２の半導体スイッチが可変速駆動装置のプリチャージ(precharge)動作中に制御可能に切り替えられて、ＤＣリンクへの突入(inrush)電流を制限し、前記第２の半導体スイッチが前記第１の半導体スイッチの最大電流定格よりも小さい最大電流定格(rating)を有する、複数のスイッチングモジュールを備え、
   前記第１の半導体スイッチが、前記可変速駆動装置のプリチャージ状態中に閉位置に切り替えられて、前記可変速駆動装置のプリチャージ状態中に電流が前記第１の半導体スイッチを流れるのを実質的に(substantially)防ぐ、
   コンバータモジュール。
2. 補助の(auxiliary)半導体モジュールが、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ、バイポーラ接合トランジスタ、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ、およびシリコン制御整流器からなるグループから選択される、請求項１に記載のコンバータモジュール。
3. 前記第１の半導体スイッチおよび前記第２の半導体スイッチが、少なくとも１つのインダクタの出力部(output)とＤＣバスの正側線路(positive rail)との間に接続される、請求項１に記載のコンバータモジュール。
4. 前記第２の半導体スイッチが、プリチャージ動作後、前記可変速駆動装置の動作中に開位置にあり、前記第２の半導体スイッチの前記開位置が、前記可変速駆動装置の動作中に電流が前記第２の半導体スイッチを介して流れることを可能にするように構成されている、請求項１に記載のコンバータモジュール。
5. 前記第２の半導体スイッチが、前記第１の半導体スイッチに印加される標準のゲートとエミッタ間の電圧よりも大きい補助(auxiliary)のゲートとエミッタ間の電圧を印加することによって制御される、請求項４に記載のコンバータモジュール。
6. 前記補助のゲートとエミッタ間の電圧が、１７ボルトから２０ボルトの範囲にあり、標準のゲートとエミッタ間の電圧が１５ボルトである、請求項５に記載のコンバータモジュール。
7. 入力ＡＣ電力を供給するＡＣ電源に接続され、固定の(fixed)前記入力ＡＣ電圧をＤＣ電圧に変換するように構成されているコンバータと、
   前記コンバータに接続され、前記コンバータからの前記ＤＣ電圧をフィルタし、かつエネルギーを蓄積するように構成されているＤＣリンクと、
   前記ＤＣリンクに接続され、前記ＤＣリンクからのＤＣ電圧を可変電圧および可変周波数を有する出力電力に変換するように構成されているインバータと
   を備える、可変速駆動装置であって、
   前記コンバータが、プリチャージ回路を備え、前記プリチャージ回路が、複数のスイッチングモジュールを備え、前記複数のスイッチングモジュールのうちの１つのスイッチングモジュールが第２の半導体スイッチと逆並列または直列に接続される第１の半導体スイッチを備え、前記第２の半導体スイッチが前記可変速駆動装置のプリチャージ動作中に制御可能に切り替えられて、前記ＤＣリンクへの突入電流を制限し、さらに前記第２の半導体スイッチが前記第１の半導体スイッチの最大電流定格よりも小さい最大電流定格を有し、
   前記第１の半導体スイッチが、前記可変速駆動装置のプリチャージ状態中に閉位置に切り替えられて、前記可変速駆動装置のプリチャージ状態中に電流が前記第１の半導体スイッチを流れるのを実質的に(substantially)防ぐ、
   可変速駆動装置。
8. 前記第２の半導体スイッチが、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ、バイポーラ接合トランジスタ、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタおよびシリコン制御整流器からなるグループから選択される、請求項７に記載の可変速駆動装置。
9. 前記第２の半導体スイッチが、プリチャージ動作後に、前記可変速駆動装置の動作中に開位置にあり、前記第２の半導体スイッチの前記開位置が、前記可変速駆動装置の動作中に電流が前記第２の半導体スイッチを介して流れることを可能にするように構成されている、請求項７に記載の可変速駆動装置。
10. 前記第２の半導体スイッチが、前記第１の半導体スイッチの最大電流定格よりも小さい最大電流定格を有する、請求項７に記載の可変速駆動装置。
11. 前記第１の半導体スイッチおよび前記第２の半導体スイッチが、少なくとも１つのインダクタの出力部とＤＣバスの正側線路との間に接続される、請求項７に記載の可変速駆動装置。
12. 前記第１の半導体スイッチおよび前記第２の半導体スイッチが、並列に接続される、請求項７に記載の可変速駆動装置。
13. 前記第１の半導体スイッチおよび前記第２の半導体スイッチが、直列に接続される、請求項７に記載の可変速駆動装置。
14. 前記第２の半導体スイッチが、前記第１の半導体スイッチに印加される標準のゲートとエミッタ間の電圧より大きい補助のゲートとエミッタ間の電圧を印加することによって、制御される、請求項１０に記載のコンバータモジュール。
15. 前記補助のゲートとエミッタ間の電圧が、１７ボルトから２０ボルトの範囲にあり、標準のゲートとエミッタ間の電圧が１５ボルトである、請求項１４に記載のコンバータモジュール。
16. 固定入力ＡＣ電圧および固定入力周波数の入力ＡＣ電力を受け取り、可変電圧および可変周波数の出力電力を供給するように構成され、前記可変電圧が、前記固定入力ＡＣ電圧よりも大きさが大きい最大電圧を有し、前記可変周波数が前記固定入力周波数よりも大きな最高周波数を有する可変速駆動装置を備える、システムのための駆動装置であって、前記可変速駆動装置が、
    入力ＡＣ電力を供給するＡＣ電源に接続され、前記固定入力ＡＣ電圧をＤＣ電圧に変換するように構成されているコンバータと、
    前記コンバータに接続され、前記コンバータからの前記ＤＣ電圧をフィルタし、かつエネルギーを蓄積するように構成されているＤＣリンクと、
    前記ＤＣリンクに接続され、前記ＤＣリンクからのＤＣ電圧を可変電圧および可変周波数を有する出力電力に変換するように構成されているインバータと
    を備え、
    前記コンバータがプリチャージ回路を備え、前記プリチャージ回路が複数のスイッチングモジュールを備え、前記複数のスイッチングモジュールのうちの１つのスイッチングモジュールが第２の半導体スイッチと逆並列または直列に接続される第１の半導体スイッチを備え、前記第２の半導体スイッチが前記可変速駆動装置のプリチャージ動作中に制御可能に切り替えられて、前記ＤＣリンクへの突入電流を制限し、さらに前記第２の半導体スイッチが前記第１の半導体スイッチの最大電流定格よりも小さい最大電流定格を有し、
    前記第１の半導体スイッチが、前記可変速駆動装置のプリチャージ状態中に閉位置に切り替えられて、前記可変速駆動装置のプリチャージ状態中に電流が前記第１の半導体スイッチを流れるのを実質的に(substantially)防ぐ、
    駆動装置。
17. 前記第２の半導体スイッチが、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ、バイポーラ接合トランジスタ、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタおよびシリコン制御整流器からなるグループから選択される、請求項１６に記載の駆動装置。
18. 前記第２の半導体スイッチが、プリチャージ動作後に、前記可変速駆動装置の動作中に開位置にあり、前記第２の半導体スイッチの前記開位置が、前記可変速駆動装置の動作中に電流が前記第２の半導体スイッチを通って流れることを可能にするように構成されている、請求項１６に記載の駆動装置。
19. 前記第２の半導体スイッチが、前記第１の半導体スイッチの最大電流定格よりも小さい最大電流定格を有する、請求項１６に記載の駆動装置。

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