KR100915778B1 - 마이크로드라이브 - Google Patents

마이크로드라이브

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에스엠씨 일렉트리칼 프로덕츠, 인크
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Abstract

어떤 전력 사용 디바이스에도 적용될 수 있고 특히 중간 전압 AC 드라이브인 AC 드라이브에 관한 것이다. 바람직한 실시예에서, 다중레벨 AC 드라이브 형태가 실행되며, 그 드라이브는 전기 버스들을 통해 전기적으로 연결되고 그들의 개별적인 모듈 베이스들을 통해 물리적으로 연결되는 다수의 인버터들과 컨버터를 포함하며, 각 컴포넌트의 개별적인 열 교환기들에 연결된 공통 냉각 시스템을 공유한다. AC 드라이브는 일반적으로 다수의 인버터 모듈들로 이루어지며, 다수의 인버터 모듈들은 컨버터 모듈에 연결되고, 상대적으로 작은 유닛내에 패키징된 위의 컴포넌트들 각각은 냉각 장치를 갖는다.

Description

마이크로드라이브 {MICRODRIVE}
본 발명의 분야는 일반적으로 전력 컨버터들의 분야에 관한 것이고, 더 특히는 드라이브 AC 모터들에 사용되는 중간 전압 가변 속도 AC 드라이브들에 관한 것이고, 600 내지 15,000 볼트를 필요로 하는 다양한 다른 전력 변환 설비를 구동하는 것에 관한 것이다.
조절가능하거나 가변적인 스피드 AC 드라이브들은, 통상적으로 그 속도 제어를 허용하는 AC 유도 모터들을 구동하기 위해 사용된다. AC 드라이브들은 그 출력 전압 및 전류의 특성들을 제어하여 사용자에 의해 (그들이 구동하고 있는 모터의) 모터 속도를 제어하고 그것이 구동하고 있는 그 프로세스 뿐 아니라 모터 전력 사용도 최적화하기 때문에, AC 드라이브들은 일반적으로 에너지 절약의 이점을 제공한다. AC 드라이브들은, 고정 주파수 및 전압을 갖는 유입 DC 전력 또는 AC 전력 중 하나를 취하고, 그것을 가변 진폭 및 주파수의 전압과 전류를 갖는 AC 전력으로 변환함으로서 작동한다. 이것은 많은 애플리케이션들에서 필요조건인 모터 속도 및 전력의 제어를 허용한다.
비록 AC 드라이브의 사용이 그들이 구동하는 프로세스들을 매우 강화시키고 전기 에너지 절약을 제공하지만, 그 사용이 결함들이 없는 것은 아니다. 현재 AC 드라이브가 갖는 가장 큰 문제들 중 하나는 그들의 사이즈이다. 이것은 중간 전압 애플리케이션들에 사용되는 AC 드라이브들에서 특히 사실이며, 상당한 양의 층(floor) 또는 설비(facility) 공간을 필요로 한다. 부가적으로, 기존 시스템들에서의 AC 드라이브 컴포넌트들이 공기(시스템들의 컴포넌트들을 냉각하기 위한 수단으로서 사용됨)에 노출되기 때문에, 해로운 오염물질들 및 습도가 시스템들의 작동에 악영향을 미치지 않도록 하기 위해 AC 드라이브 컴포넌트들은 상당한 여과, 온도, 및 습도 제어 수단을 필요로 하는 청결하고 환경적으로 제어되는 영역들에 위치되는 것이 필요하다. 다른 한편으로 유도 모터들은 일반적으로 강건하여(rugged) 오염물질들이 없는 청결한 환경을 필요로 하지 않는다. 환경적 필요조건들의 이러한 차이는 일반적으로 드라이브와 모터 간에 상당한 거리를 필요로 할 것이다. 이 거리는 모터의 동적 제어 문제들 뿐 아니라 반사파 현상들로 인한 모터 절연 문제들을 야기한다.
최첨단의 중간 전압 전력 변환 장치들은 낮은 전압(0 내지 600V) 디바이스들에서 사용되는 것과 유사한 절연 방법들을 사용한다. 전력 스위치들 및 상호접속 버스들은 절연 물질들의 부분 방전 저하의 효과들을 회피하기 위해 다른 전기적 전위들 간에 상당한 물리적 공간을 가져야 한다. 주위 공기가 모든 컴포넌트들 주변에 존재하기 때문에, 이 거리는 상당히 클 수 있다. 더우기, 오염물질들이 절연 디바이스들을 둘러싸고 컨덕터들 주위에서 이온화를 용이하게 하여 코로나 효과를 발생시키거나 심지어 단락 회로를 야기시킬 수 있기 때문에, 드라이브 캐비넷으로 유입되는 공기의 품질은 환경적으로 제어되는 것이 필요하다. 절연을 위해 필요한 이러한 큰 부피는 상호접속 디바이스들에 분포된 증가된 부유 인덕턴스를 초래할 것이다. 상호접속 디바이스들은 어떤 종류의 케이블들 또는 버스 바들이 될 수 있다. 전력 스위치들이 턴오프 주기 동안에 상당량의 전류를 운송하기 때문에, 스위치 전류의 음의 비율의 변화는, 전류율의 변화와 관련 회로의 부유 인덕턴스의 크기에 비례하는 전압 스파이크를 초래할 것이다. (Vpk = L*(di/dt), 여기서 L은 회로 부유 인덕턴스이고, di/dt는 스위치 전류의 변화율이다). 이 전압 과도현상들은 적절한 레벨들로 제한되지 않으면 전력 반도체 스위치들을 파괴할 것이다. 최신의 중간 전압 전력 변환 디바이스들은 부유 인덕턴스량에 비례하는 전압 억제 디바이스들을 사용하지 않도록 한다. 또한 절연 필요들로 인해 적절한 공간이 요구되는, 이러한 과도 전압 억제기들의 부가는 복잡성 및 비용 뿐 아니라 물리적 부피를 훨씬 더 증가시키도록 한다.
특히 AC 드라이브에서 다수의 전력 변환 디바이스들이 가지는 또다른 문제들은 컴포넌트 교체가능성(replaceability)이다. 현재 AC 드라이브들의 내부 구성은 일반적으로 복잡하기 때문에, 반도체 전력 스위치와 같은 한 개의 컴포넌트가 고장나면 손상된 컴포넌트를 교체하는 데 상당량의 시간이 필요한 경우가 종종 있다.
중간 전압 AC 드라이브들의 또다른 문제는 우주 선들(cosmic rays)에 대한 그들의 감응성이다. 비록 이 현상의 모든 측면들이 알려진 것은 아니지만, 다양한 천체들로부터 방출된 아원자(subatomic) 입자들이 지구, 및 전력 변환 시스템들의 컴포넌트들을 포함하는 지구상의 모든 것과 충돌한다는 것이 알려져 있다. 이 고에너지 입자들은 반도체 원자 구조를 파괴하여 그들의 정격 전압을 견디는 능력을 파괴하도록 야기한다. 그러므로, 우주 선들은, IGBT - 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transistor) 및 IGCT - 집적 게이트 정류 사이리스터(Integrated Gate Commutated Thyristor)처럼 반도체 전력 스위치들과 같은, AC 드라이브들 내의 전기적 작동 컴포넌트들 중 일부의 시간에 따른 악화를 야기시킨다. 이 현상은 전력 반도체 스위치의 전압 사용을 그것의 정격 DC 값의 약 60 퍼센트로 제한한다. 위의 이런 전압 레벨이 사용된다면 전력 반도체 스위치는 상당히 더 짧은 수명 주기를 가질 것이다.
본 발명의 이점들, 속성, 및 다양한 부가적 특징들은 도면에서 도식적으로 제시되는 본 발명의 예시적인 실시예들을 참조하여 더욱 완전하게 나타날 것이다.
도 1A, 1B, 및 1C는 본 발명에서 사용될 열 교환기 어셈블리의 대표적 실시예의 도식적 표현을 도시한다.
도 2A 및 2B는 도 1A, 1B, 및 1C에서 도시된 열 교환기 어셈블리의 대안적인 대표적 실시예의 도식적 표현을 도시한다.
도 3A, 3B, 및 3C는 본 발명에서 사용될 열 교환기 어셈블리의 부가적인 대표적 실시예의 도식적 표현을 도시한다.
도 4A 및 4B는 도 3A, 3B, 및 3C에서 도시된 열 교환기의 대안적인 대표적 실시예의 도식적 표현을 도시한다.
도 5A, 5B, 및 5C는 본 발명에 따른 인버터 어셈블리에서의 버스 워크의 대표적 실시예의 도식적 표현을 도시한다.
도 6A, 6B, 및 6C는 본 발명에 따른 인버터 어셈블리의 대표적 실시예의 도식적 표현을 도시한다.
도 7A, 7B, 및 7C는 서로 고정된 도 6A, 6B, 및 6C의 두 개의 인버터 어셈블리들의 도식적 표현을 도시한다.
도 8는 본 발명에서 사용되는 컨버터 어셈블리의 대표적 실시예의 도식적 표현을 도시한다.
도 9는 도 8에 도시된 컨버터 어셈블리의 또다른 도식적 표현을 도시한다.
도 10는 본 발명에 따른 AC 마이크로드라이브 어셈블리의 대표적 실시예의 도식적 표현을 도시한다.
도 11는 설치되는 대표적 냉각 시스템을 가지는 도 10에 도시된 AC 마이크로드라이브 어셈블리의 도식적 표현을 도시한다.
본 발명은, 위의 역효과들 중 어느 것도 가지지 않으면서 구동되는 기계 또는 부하에 가까이 또는 직접 인접하여 위치될 수 있는 더 소형의 디바이스들을 허용함으로서, 전력 변환 설비에서 위의 문제들을 해결하는 것에 관한 것이다. 본 발명은 다른 기술적 영역들의 이용가능한 최신의 그리고 앞선 기술들의 고유한 결합이다. 그것은 저전압, 중간 전압, 고전압 애플리케이션들을 위한 효율적이고, 환경적으로 강건하고, 융통성있고, 소형인 전력 변환 시스템을 허용한다. 본 발명은 냉각제들로 기체나 액체를 사용하는 전례없는 특징들을 가진 전력 변환 빌딩 블록들의 설계를 가능하게 한다.
본 발명은 어떤 전력 변환 디바이스에도 적용될 수 있으며, 특히 중간 전압 AC 드라이브들에 적용될 수 있다. 본 발명에 사용되는 전기적 형태는 최신 전력 변환 설비에서 사용되는 것과 유사하다. 바람직한 실시예에서, 다중레벨 AC 드라이브 형태가 실행된다. 다수의 인버터들 및 컨버터는 전기 버스들을 통해 전기적으로 연결되고 그들의 개별적인 모듈 베이스들(modular bases)을 통해 물리적으로 연결되며, 각 컴포넌트의 개별적인 열 싱크에 접속된 공통 냉각 시스템을 공유할 수 있다. 상호접속 버스 및 전력 컴포넌트들, 절연, 냉각 시스템, 및 우주 선 여과의 새로운 배열은 현재 AC 드라이브들이 가지는 위에서 언급된 문제들을 제거하면서, 드라이브들이 확장된 효율적 작동 수명을 가지고 소량의 공간을 차지하고 쉽게 보수될 수 있고 구동되는 부하 디바이스에 가까이 근접하여 위치되는 것을 허용한다. 구성요소들의 간략한 서술로 시작하여, 본 발명의 더 상세한 논의가 이어질 것이다.
본 발명에서, AC 드라이브는 AC 드라이브를 생성하기 위해 컨버터 모듈과 접속되는 다수의 인버터 모듈들로 구성되며, 여기서 위의 컴포넌트들 각각은 냉각 장치를 갖는 상대적으로 작은 유닛에 패키징된다. 인버터들 각각은, 모듈 베이스, 열적으로 연결된 다수의 전력 반도체 스위치들을 갖는 베이스에 접속된 열 싱크 또는 교환기, 다수의 커패시터들, 전력 반도체 스위치들을 커패시터들에 접속시키는 다수의 전기 버스들, 및 전기 버스와 같은 전기적 작동 컴포넌트들의 일부 또는 전부를 인케이싱(encasing)하거나 덮는 절연 매체로 구성된다. 컨버터는, 그것이 모듈 베이스, 다수의 전력 반도체 스위치들 또는 다이오드들, 커패시터들, 리액터, 열 싱크 또는 교환기, 다수의 컨택터들, 및 상기 버스들과 같은 전기적 작동 컴포넌트들을 덮는 절연 물질로 구성된다는 점에서, 구성에 있어 유사하다.
본 발명은 첨부한 도면들을 참조함으로서 더 상세히 설명될 것이며, 그 도면들은 어떤 식으로든지 본 발명의 범위를 제한하지 않는다. 또한, 비록 다음의 상세한 논의가 600에서 15,000 볼트 용량의 범위에 있는 중간 전압 AC 드라이브들에 관한 것이지만, 다음 개념들은 어떤 전압 레벨 전력 변환 디바이스들에도 적용될 수 있다. 제한이 아니라 예증의 목적으로, 이하에서 논의되는 본 발명의 실시예는 3 레벨, 4,160 볼트, 2,500 HP, 12-펄스 AC 입력 드라이브이다. 그러므로, 이하에서 언급되는 어떤 특정의 또는 바람직한 디멘션들(dimensions) 또는 매개변수들은 그러한 드라이브를 위한 것이고 다른 작동 특성들을 갖는 드라이브에 최적화되거나 바람직하지 않을 수도 있지만, 그러한 디멘션들 및 매개변수들은 다음의 논의의 관점에서 최적화될 수 있을 것이다.
이제 도 1A, 1B, 및 1C로 가서, 열 교환기 어셈블리(20)의 대표적 실시예는 그에 고정된 트랜지스터(30, 32) 및 다이오드(31)를 가지도록 도시된다. 이 도면들에서 도시된 실시예에서, 열 교환기는 열 교환기에 냉각을 제공하기 위해 공기 또는 다른 기체들을 사용하는 공기 냉각형이다. 열 교환기 어셈블리(20)는 증발 판(evaporator plate)(22)에 열적으로 접속된 열 교환기 컨덴서 블록(21)을 가지며, 이 실시예에서, 증발 판(22)은 트랜지스터들(30,32) 및 다이오드(31)를 지탱한다. 열 교환기 컨덴서 블록(21)은, 트랜지스터들(30, 32) 및 다이오드(31)에 의해 발생되는 열이 공기와 같은 냉각 매체로 전달되는 것을 허용하기 위해 사용되는 구조이며, 상기 냉각 매체는 컨덴서 블록(21)을 통해 통과된다.
컨덴서 블록(21)은 알루미늄, 구리, 등과 같은 양호한 열전도 특성들을 갖는 어떤 물질로도 만들어 질 수 있다. 또한, 도면들에서, 열 교환기 어셈블리(20)는 열이 컨덴서 블록(21)으로, 그리고 나서 냉각 매체로 전달될 수 있도록 하기 위해 일련의 열 파이프들 및 튜브들(23)을 갖도록 도시된다. 열 교환기 컨덴서 블록(20)은 이러한 구성에 제한되지 않으며, 냉각 매체로의 열 전달의 최적 효율성을 허용하기 위해서 어떤 모양 또는 형식으로도 변형될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 이것은 특히 사용되는 냉각 매체에 따라 적용될 수 있다. 비록 공기가 (이 도면들에서 도시된 어셈블리를 위한) 냉각 매체로 바람직하지만, 다른 기체들, 물, 부동액, 또는 기름과 같은 다른 매체들이 컨덴서 블록(21)을 통해 통과됨으로서 사용될 수 있다. 만약 공기가 냉각 매체로서 사용되지 않는다면 냉각 매체가 AC 드라이브의 컴포넌트들에 유입되는 것을 방지하기 위해 부가적인 예방책들이 취해져야 한다는 것을 또한 유의해야 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 열 교환기 어셈블리(20)에 있어, 열 교환기 어셈블리(20)의 효율성을 증가시키도록 부가적인 열적 표면을 제공하기 위해, 열 파이프들(23)에 부가하여, 핀들의 스택(28)이 컨덴서 블록(21)(도 1B)을 구성한다. 열 파이프들(23) 및 핀들(28)은 알루미늄, 구리, 등과 같은 열전도성 물질로 만들어지는 것이 바람직하다. 또한, 근접하는 핀들(28)이 손상되거나 휘어져 핀들(28)의 열적 특성들이 손상되는 것을 방지하기 위해, 핀들(28) 각각은 그 사이에 위치되는 안정화 분리기(stabilizing separator)(29)를 갖는 것이 바람직하다. 이것은 핀들을 딤플링(dimpling)하는 것과 같은 어떤 알려진 또는 통상적으로 사용되는 방법에 의해 행해질 수 있고, 딤플들은 스페이서들 또는 안정기들(29)로서 작용한다. 이 안정기들(29)이 없으면, 핀들(28)은, 어떤 공기 또는 다른 냉각 매체도 두 개의 인접한 핀들(28)을 통과될 수 없어서 열 교환기(20)의 냉각 효율을 감소시킬 수 없을 만큼, 휘어질 수 있다. 이 분리기들(29)의 사용은 일반적으로 AC 드라이브가 사용되거나 AC 드라이브가 노출되는 기계적 및/또는 열적 조건들에 의해 지시된다. 휘고 손상될 위험이 그다지 우려되지 않도록, 큰 냉각 여유가 있거나 컨덴서 블록 섹션이 다른 기계적 수단에 의해 보호된다면, 그때 분리기들(29)은 필요하지 않을 수도 있다.
또한, 핀들(28)은, 마찰 핏(fit), 납땜, 용접, 접착 본딩, 잠금장치들(fasteners) 등과 같은 어떤 알려진 또는 통상적으로 사용되는 수단에 의해 열 파이프들(23)에 고정될 수 있다. 핀들(28) 간의 간격과 핀(28) 두께는 사용되는 물질, 사용되는 냉각 매체, 필요한 열 전달량, AC 드라이브가 사용되고 있는 환경을 고려하여, AC 드라이브의 특정 사용 및 구성에 대해 최적화되어야 한다. 본 발명의 대표적 실시예에서, 사용되는 핀 물질은 알루미늄이고, 핀들(28)은 0.020인치 두께, 9.0인치 폭, 트랜지스터들 및 다이오드 디멘션들에 의해 결정되는 길이를 가지며, 핀들(28) 간에 0.125인치의 간격을 가지며, 열 파이프들(23) 중 여섯개가 섭씨 40도의 최대 주변 온도에서 섭씨 50도 온도 상승에 3000 와트의 열에너지를 냉각시킬 수 있도록, 열 파이프들(23)은 일반적으로 0.75 인치의 직경을 갖는 것이 바람직하다. 더 작은 열 파이프 직경들은 파이프 당 더 낮은 냉각 용량을 초래하고 더 큰 직경들은 더 높은 냉각 용량을 초래한다. 현재 산업 기준들에 있어서, 사용될 수 있는 열 파이프 직경의 범위는 0.250 인치에서 1.50 인치이다. 그러나, 본 발명은 이 디멘션들을 사용하는 것으로 제한되지 않는다.
이전에 언급한 바와 같이, 컨덴서 블록(21)은 트랜지스터들 및 다이오드들(30, 31, 32)을 장착하는 데 사용되는 증발 판(22)에 열적으로 연결된다. 증발 판(22)은 가급적 컨덴서 블록(21)과 동일한 열전도성 물질로 만들어지며, 개별적으로 만들어져 열 파이프들(23)을 통해 컨덴서 블록(21)에 고정되거나, 컨덴서 블록(21)과 일체로 형성될 수 있다. 열 파이프들(23)이 사용된다면 그 파이프들은 납땜을 통해 증발 판(22)에 고정되는 것이 바람직하며, 여기서 증발 판(22)내의 삽입 홀들은 납땜이 그 내부에 위치되며, 열 파이프들(23)은 납땜이 열 파이프들(23) 주위에 올라 열 파이프들(23)을 증발 판(22)내로 봉입하도록 삽입된다. 또한, 열 파이프들(23)의 적절한 사용을 보증하기 위해, 구조 또는 컴포넌트들을 증발 판(22)에 장착하는 데 사용되는 어떤 잠금장치 홀들도 열 파이프 위치와 같지 않아야 하며, 그렇지 않으면 열 파이프들(23)의 효율성이 손상될 것임을 유의한다. 사용되는 열 파이프들(23)의 정확한 수, 모양, 구성, 및 사이즈는 AC 드라이브의 특성들 및 설계 매개변수들에 따라 결정되어야 한다. 열 파이프들(23)이 사용되지 않으면, 증발 판(22)은 어떤 통상적으로 알려진 또는 사용되는 방법들에 의해 컨덴서 블록(21)에 고정될 수 있다. 그러나, 컨덴서 블록(21)과 증발 판(22) 간의 접속은 일반적으로 서로간의 열전도성이 열 교환기(20)에 최대 냉각 효율을 제공하는데 최적화되도록 되어야 한다.
도 1A, 1B, 및 1C에 도시된 바와 같이, 증발 판(22)은 단순한 평면 판일 수도 있고, 또는 직사각형, 원통형, 또는 다른 구성들과 같은 다양한 다른 구성들 또는 모양들로 형성될 수 있다. 트랜지스터들 및 다이오드들(30, 31, 및 32)는 AC 드라이브의 최적 성능을 허용하는 어떤 위치에서 증발 판(22)에 장착된다. 이 구성은, 동일한 열 교환기 어셈블리(20)가 다른 트랜지스터 위치들, 사이즈들, 및 구성들을 갖는 다른 AC 드라이브에서 사용될 수 있는, 쉽게 제조가능한 AC 드라이브를 갖는 데 도움이 된다. 더우기, 큰 평면 증발 판(22)을 사용하면 시스템의 열 관리에 있어서 부가적인 이점을 가지며, 이것은 이하에서 더 상세히 논의될 것이다.
트랜지스터들 및 다이오드들(30, 31, 32)은, AC 드라이브의 특정 애플리케이션에 필요한 어떤 알려진 또는 사용되는 트랜지스터들 및 다이오드들일 수 있다. 비록 본 발명이 이러한 유형들의 전기 컴포넌트들의 사용에 만으로 제한되지 않고, AC 드라이브들을 위한 어떤 다른 유형들의 알려진 또는 통상적으로 사용되는 컴포넌트들이 본 발명의 범위 또는 취지를 변경하지 않으면서 대용될 수 있지만, 도 1A, 1B, 1C에 도시된 트랜지스터들은 일반적으로 IGBT 트랜지스터들이다.
이제 도 2A 및 2B로 가면, 본 발명을 위한 열 교환기 어셈블리(110)의 대안적인 실시예가 도시된다. 이전 실시예와 달리, 이 실시예는 열 교환기 컨덴서 블록(21)을 사용하는 것이 아니라, 공기, 기체, 기름, 부동액, 물 등과 같은 냉각 매체가 전기적 컴포넌트들(30, 31, 32)의 열적 관리를 제공도록 통과되는 냉각판(38) 및 복귀 블록(35)에 의해 형성되는, 분기관(manifold)(유체들을 위한 통로와 같은 서펜타인(serpentine)을 갖는 금속판)처럼 작용하는 장착 냉각 판을 사용한다. 도 2A 및 2B에 도시된 실시예에서 전기적 컴포넌트들은 냉각 매체가 통과하는 냉각판(38)에 고정되고, 복귀 블록(35)은, 통로처럼 서펜타인을 형성하고 냉각 매체의 유입구 및 방출구를 제공하기 위해 냉각 매체를 냉각판(38)을 통해 채널링하는 데 사용된다. 냉각 매체는, 컨덴서 블록(35)을 통한 일정한 흐름을 보증하기 위해, 일반적으로 유입 부분(36)을 통해 복귀 블록(35)에 유입되고 방출 부분(37)을 통해 펌프 시스템(도시되지 않음)으로 나간다. 복귀 블록(35) 및 냉각 블록(38)의 내부 측면들의 정확한 구성은 통상적으로 원하는 필요조건들 및 작동 기준에 따라 결정될 것이지만, 다시 컨덴서 블록(35) 상의 어떠한 장착 홀들도 냉각 판(38) 내에서 냉각 매체의 경로와 간섭하지 않는 것이 바람직하다.
이 실시예는 도 1A-1C처럼 대형 열 교환기 컨덴서 블록을 갖지 않기 때문에, 복귀 블록(35) 위의 공간은 어떤 상당한 부가적 사이즈를 AC 드라이브에 부가시키지 않으면서 냉각 시스템의 냉각제 여과기들, 방사기, 펌프들, 저장기들 등을 위해 사용될 수 있다. 사실, 이러한 구성은, 자기포함된(self-contained) 액체 냉각 열 교환기 어셈블리가, AC 드라이브의 전체 구조 및 작동에 상대적으로 작은 변화를 가지면서 공기 냉각 열 교환기 어셈블리에 인접하여 사용되도록 허용한다. 이 능력은 이전에 선행기술에서는 이용될 수 없었다.
도 3A, 3B, 3C는 본 발명에 따라 열 교환기 어셈블리의 또다른 대표적인 실시예를 도시한다. 이 도면들은 비고립형 전력 반도체 스위치들(221)을 사용하는 열 교환기 어셈블리(220)를 도시하며, 비고립형 전력 반도체 스위치들은 사용될 수 있는 또다른 유형의 전기 디바이스이다 (이들은 통상적으로 "하키 퍽(hockey puck)" 스위치들로 알려져 있다). 이 디바이스들(221)은 일반적으로 IGBT들보다 더 높은 전력을 처리할 수 있지만, 그들의 비고립형 냉각 프로세스는, 도면들에 도시된 바와 같이, 디바이스들(221)에 접속된 장착 판들(증발 판들로도 불림)(222)이 서로 간에 그리고 냉각 시스템의 나머지 부분으로부터 고립되어 있을 것을 필요로 한다. 그러므로, 열 파이프들(23)이 사용되면, 장착 판들(증발 판들로도 불림)(222)에 접속된 열 파이프들(23)은 세라믹 (또는 절연 물질) 스페이서들(224)의 사용에 의해 열 교환기 컨덴서 블록(225)에 접속된 열 파이프들로부터 전기적으로 고립된다. 이 절연 스페이서들(224)은 전류가 디바이스들(221)로부터 어셈블리(220)로 흐르는 것을 방지하도록 한다. 비록 잠금장치들(일반적으로 박스 클램프들로 불림)(226)이 디바이스들의 제조업자들에 의해 권장되지만, 디바이스들(221)은 어떤 통상적으로 알려진 또는 사용되는 방법에 의해 장착 판들(222)에 고정될 수 있다.
도 4A 및 4B는 본 발명에 사용될 수 있는 열 교환기 어셈블리(220A)의 또다른 대표적 실시예를 도시한다. 이 실시예는 개방 컨덴서 블록(225) 대신에 폐쇄 냉각 분기관 블록(235)이 사용된 것을 제외하고는 도 3A, 3B 및 3C에 도시된 것과 유사하며, 여기서, 컨덴서 블록(225)의 핀들을 통해 냉각 매체를 통과시키는 대신에, 냉각 매체는 도 2A 및 2B에 도시된 복귀 블록(35) 및 냉각 분기관 판(38)과 유사한 방식으로 작동하는 분기관 블록(235)를 통해 통과된다. 이러한 구성에서, 장착 판들(증발 판들로도 불림)(222)은 냉각 분기관 블록(235)에 전기적으로 접속되는 것이 아니라 열 파이프들(223) 및 절연 스페이서들(224)의 사용을 통해 고립된다. 이러한 구성은 일반적으로 액체 냉각 매체를 사용할 때 바람직하며 전기 디바이스들은 비고립형 또는 소위 "하키 퍽" 디바이스들이다. 이것은 장착 판들(222)이 분리되어 있도록 유지되면서 냉각 분기관 블록(235)에 열적으로 연결되도록 유지되기 때문이다.
또한, 디바이스들(221)을 상호접속하는 데 사용되는 전기 버스들(229) 및 절연체(230)가 이 도면들에 도시된다.
본 발명을 위한 열 교환기들의 다양한 실시예들은, 전기 디바이스들(IGBT든지 IGBT든지)에 의해 발생된 열이 장착 구조(열 파이프들이 사용될 때 증발 판으로도 불림)로 통과하여 열 교환기 분기관(열 파이프들이 사용될 때 컨덴서 블록으로도 불림)으로 또는 냉각 유체 소스(어떤 구성이든지)로 통과한 후에 냉각 매체(무엇이 선택되든지)로 통과하도록 함으로서 작용한다. 또한, 다양한 열 교환기 어셈블리에 대한 위에서 논의된 구성들은 소형이고 상대적으로 관리하기 쉬우며, 이것은 AC 드라이브의 각 모듈(즉, 인버터, 컨버터)이 그 자신의 독립적이고 개별적인 냉각 방법 또는 시스템을 갖도록 허용하고, 그러한 것은 다른 냉각 방법들을 갖는 모듈들이 동일한 AC 드라이브 어셈블리에서 사용되도록 허용할 것이다. 예를 들어, AC 드라이브는, 인버터들 전부는 공기 냉각을 사용하는 도 1A-1C에 도시된 실시예를 사용한 반면에 컨버터는 도 2A-2B에 도시된 실시예를 사용하도록 만들어 질 수 있다.
도 5A, 5B, 및 5C는 본 발명에 따른 인버터(100)의 부분적인 어셈블리를 도시한다. 비록 도시된 인버터가 도 1A, 1B, 및 1C 에 도시된 바와 같이 열 교환기 어셈블리(20)를 이용하고 있지만, 본 발명은 그러한 구성에 제한되지 않으며 이전 열 교환기 실시예들 중 어느 것도 본 발명의 범위를 변경하지 않으면서 이용될 수 있다.
본 발명의 AC 드라이브가 다수의 인버터들(100)을 포함할 것이고, 통상적으로 인버터들의 수는 3개가 될 것이지만 AC 드라이브가 사용되고 있는 애플리케이션의 유형에 따라 변화될 수 있다는 것을 유의해야 한다. 본 발명의 인버터(100)는, 인버터의 모든 컴포넌트들이 베이스(10)에 기계적으로 고정되도록 허용하는 모듈 베이스(modular base)(10)에 세팅된다. 또한, 그 베이스는, 부가적 인버터(100) 또는 컨버터(200)와 같은 AC 드라이브의 부가적인 컴포넌트에 쉽게 고정될 수(또는 그로부터 분리될 수) 있도록 설계된다. 인접 컴포넌트들의 트레이들(10)(즉, 인버터들/컨버터들)은 볼트들, 나사들, 리벳들(rivets) 등과 같은 어떤 알려진 또는 통상적으로 사용되는 방법에 의해 서로 고정될 수 있다. 이전에 언급된 바와 같이, 인버터(100) 또는 컨버터(200) 어셈블리가 상대적으로 쉽게 AC 드라이브로부터 제거되도록 허용하는 부착 방법이 사용되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 열 교환기 어셈블리(20)의 컨덴서 블록을 수반하는 공기 덕트와 모듈 베이스(10)의 네 모서리의 네개의 볼트들을 단순히 제거함으로서, 인버터(100)는 모듈 베이스(10) 상의 관련 특징에 따라 최상부 또는 측면으로부터 제거될 수 있다. 이것은 컴포넌트를 교체하기 위해 필요한 시간과 노력의 양을 매우 감소시킬 것이다.
열 교환기 어셈블리(20)는 어떤 통상적으로 알려진 또는 사용되는 방법들에 의해 트레이(10)에 고정될 수 있다. 예를 들어, 장착 브라켓들(bracket;25)은 어셈블리(20)를 트레이(10)에 고정하는 데 사용될 수 있으며, 여기서 브라켓들(25)은 나사들, 볼트들, 리벳들, 등을 가지고 고정된다.
트레이에 기계적으로 고정되거나 트레이(10)와 일체로 만들어 질 수 있는, 커패시터 브라켓(15)이 각 트레이(10)에 부착된다. 브라켓(15)은, 다수의 커패시터들(61, 62)을 갖는 커패시터 뱅크(60)를 위한 지지를 제공한다. 어떤 통상적으로 알려진 또는 사용되는 커패시터들(61, 62)이 본 발명의 작동에 영향을 미치지 않으면서 본 발명과 결합될 수 있다. 사용되는 커패시터들은 저인덕턴스형(바람직한 실시예에서 사용되는 유형은 30 나노 헨리 미만의 인덕턴스 값들을 갖는다)이어야 하고 고 리플(high ripple) 전류를 견딜 수 있어야 한다. 바람직한 실시예는, 몬테나 직류 전력 커패시터들(Montena Direct Current Power Capacitors)과 같이 4160V 작동을 위해 4000V 및 550 마이크로패러드에서 정격되는, 기름 또는 기체 충전된 폴리에틸렌막, 비극성 커패시터들을 사용한다. 또한, 어떤 애플리케이션 또는 사용이 소망되든지 그것을 위해 인버터(100)를 접속하도록 구성되는 접속 영역(80)은 커패시터 브라켓(15)에 고정된다.
전기 버스들(50, 55, 70, 75, 50A, 55A, 70A, 및 75A)은 트랜지스터들 및/또는 다이오드들(30, 31, 32)과 커패시터들(및 다른 주된 전기 컴포넌트들) 전부를 연결하고 있다. 버스들은 주된 전기 컴포넌트들 전부로 또는 그 전부로부터 (그리고 인접하는 인버터들 및 컨버터들로) 전류를 운송한다. 본 발명을 위한 버스들은 가장 정확하게 평형 저인덕턴스 버스들로 서술되며, 도시된 대표적인 실시예의 인버터는 다중레벨 인버터 브리지이다.
다중레벨 인버터 브리지는 2레벨 인버터 브리지보다 더 복잡한 전류 경로 레이아웃을 가진다. 반도체 스위치들 및 다이오드들은 소정의 시간에서 최대 작동 전압으로 제한된다. 다중레벨 형태들은, 전력 반도체 스위치들을 직렬로 효과적으로 접속하여 그들의 전압 능력을 직렬로 접속된 스위치들의 수로 곱함으로서 전력 변환 디바이스의 더 높은 출력 전압들을 달성하기 위해 사용된다. 본 발명에서, 스위치들 및 다이오드들의 기계적인 레이아웃은 전류 루프들을 방지하도록 정의된다. 전기 전도성 버스들은, 회로에서 전류들에 의해 발생되는 모든 전자계가 크기와 위상에 있어 순시적으로 정확하게 소거되도록 하는 방식으로 스위치들과 다이오드들을 접속한다. 이것은 평형 저인덕턴스 버스로서 언급되는 것이다. 그것은 고르게 분포된 전계들을 허용하고 전류 경로의 부유 인덕턴스의 최소화를 허용하며, 따라서 스위치들의 턴오프 시간에서 전압 과도현상들을 최소화한다. 이 특징들은 부분 방전, 절연 피로의 효과들을 최소화시키기 위하여 중간 전압 디바이스들에서 특히 중요하며 전압 과도현상 억제기들이 필요하지 않도록 한다. 이런 유형의 시스템에서 인덕턴스는 다음의 식에 의해 결정될 수 있다:
L = [31.9*(D+SD)*(L)]/[(W)]
여기서:
L은 전도성 버스 바의 총 인덕턴스이고,
D는 병렬 버스 바들 간의 유전체 두께이고,
W는 전도성 버스 바의 폭이고,
L은 전도성 버스 바의 길이이고,
SD는 고주파수에서의 표피 효과에 기인하는 전도성 버스 바 내부의 전류 통로의 표피 깊이이며, SD = 1[√(πF M N)]에 의해 정의된다. 여기서 F는 전류의 주파수이고; M은 금속의 자성 투자율이고 N은 금속의 전도성이며, 예컨대 구리에 대해 SD = 2.61/[√F]이다.
볼 수 있는 바와 같이, 인덕턴스는 유전체 두께에 직접적으로 비례한다. 본 발명에서, 유전체 두께 D의 감소는, 진공에 의한 공기의 제거, 및/또는 공기, 습도, 및 오염물질들을 근접하지 못하도록 하는 절연 매체에 버스 바 어셈블리를 담그는 것으로 인해 가능하게 된다. 이것은 이하에서 더 상세히 논의될 것이다.
버스들은 일반적으로 구리, 알루미늄, 철 등과 같은 어떤 전기 전도성 물질로 만들어진다. 그러나, 도시된 대표적 실시예에서 알루미늄이 바람직하다. 알루미늄의 사용은 구리와 같은 다른 물질들보다 인치 당 더 높은 저항 값들을 제공하도록 작용하며, 이것은 AC 드라이브 시스템을 전기적으로 감쇠(dampening)하도록 하는 데 도움이 된다. 비록 고려되는 다양한 구성를 위해 또는 트랜지스터 배치를 위해 필요한 대로, 버스 바들의 모양 및 디멘션들이 변경될 수 있지만, 본 발명의 최적 작동에 중요한 버스 바들의 어떤 측면들의 기하학이 존재한다. 바람직한 실시예에서, 바들의 두께는 1/8 인치이고, 비록 버스 바들의 폭은 변화될 수 있지만, 버스 바들의 폭은 버스들의 두께보다 상당히 더 큰 것이 바람직하다(위에서 인덕턴스 식으로 언급함). 또한, 버스들 상에는 날카로운 모서리들 또는 에지들이 없어야 한다. 버스 바들은, 전계 집중의 역효과들을 감소시키는 데 도움이 되도록, 통상적으로 둥근 에지들을 가진다. 버스 바들은 또한 인덕턴스를 감소시키고 버스 바들의 제조 및 어셈블리 특성들을 개선하기 위하여 일반적으로 가능한 한 짧게 형성된다.
고전압 전위들의 효과들은 주지되어 있으며, 전기적 작동 터미널들 및 버스들 주변의 기체들이 이온화되는 것으로 인한 코로나 효과를 포함한다. 노출된 전기적 작동 터미널들 및 버스들의 모양은, 금속 터미널의 전도성 경로를 공기와 같은 주위 기체들로 효과적으로 확장시키고 다른 전위의 터미널들 사이에 위치된 절연 장벽을 손상시키는, 코로나 효과를 악화시킬 수 있다. 코로나 효과는 절연의 파괴를 야기시킬 수 있다. 본 발명에서, 절연의 애플리케이션은 실질적으로 코로나 효과를 감소시키기 위해 행해진다. 또한, 절연 물질들 사이의 포켓들에서의 공기 분자들의 이온화는 부분 방전 현상으로 알려진 것을 야기시킬 수 있다. 이 현상은 전기적 아크(arc)의 형태로 고열을 방출하는 공기 포켓들 내에서 전기 전하들이 방전되도록 야기시킨다. 결국, 공기 포켓 내부에서의 반복된 방전, 즉 아킹(arcing) 후에, 탄소 트랙킹이 공기 포켓을 가로질러 브리지를 형성할 것이다. 아킹 및 탄소 트랙킹 발생은, 시간에 따라 버스들과 다른 전기적 활성 디바이스들 간의 절연층을 악화시킨다. 코로나 효과와 부분 방전 둘 모두는 다음을 포함하는 많은 요소들에 의해 강화된다: (1) 부분 방전들이 소정의 절연 두께에 대한 전하량을 증가시키는, 특히 공기에 노출된 때의, 날카로운 모서리의 컨덕터 표면들; (2) 절연 물질들 또는 컨덕터들을 사용하여 적어도 부분적으로 둘러싸인, 공기 또는 기체 충전된 공동들(cavities) 또는 균열들(crevices); (3) 컨덕터들의 평면 표면들과 절연 물질들 간의 공기 또는 기체 충전된 공간들; (4) 주위 영역들보다 낮은 표면 저항률을 갖는 절연 물질들 상의 작고 노출된 영역들.
바람직한 실시예에서, 버스 바들은, 버스 바들의 표면에 존재할지도 모르는 어떤 또는 모든 결함들을 제거하기 위해 조립 전에 연마되며, 이것은 버스들의 성능을 최적화하도록 도우며, 전계 집중을 가능한 한 많이 감소시키는 데 도움이 된다.
도 5B 및 5C는 본 발명에 따라 실행되는 3레벨 인버터 브리지를 위한 평형 저인덕턴스 상호접속 버스를 도시한다. 이 도면들에서, 비록 이 실시예에서 측면들은 대칭형(항상 그런 경우가 되어야 하는 것은 아님)이지만, 열 교환기(20)의 각 측면이 도시된다. 도시된 실시예에서, 브리지 다리는 두 부분들로 나누어진다: 양의 반(positive half)과 음의 반(negative half). 도 5B 및 5C에 도시된 바와 같이, 한쪽은 양전류 흐름을 위해 사용되는 반면에 다른쪽은 음전류 흐름을 위해 사용된다. 바람직한 실시예에서, 전력 반도체 스위치들(30, 31, 32)의 레이아웃은 순시 전류 경로가 잘 결정되도록 행해진다.
다음의 논의는 3레벨 인버터 브리지의 1/3의 양의 반을 도시하는 도 5B에 대해 도시된 것을 언급할 것이지만, 3레벨 인버터 브리지의 1/3의 음의 반을 도시하는 도 5C에 대해서도 동일할 것이다. 도시된 구성에서, 시스템은 IGBT 스위치(32), 다이오드(31), 및 제 2 IGBT 스위치(30)를 포함한다. 스위치(30)의 전류는 다이오드(31) 또는 스위치(32)가 온(on)되든지 그렇지 않든지 항상 턴온(turn on)되기 때문에, 이 스위치(30)를 커패시터 뱅크로부터 가장 멀리 위치시키는 것이 바람직하다. 커패시터 뱅크(60)는 나란히 위치된 두개의 커패시터들로 구성되고, 한 커패시터는 양의 반을 담당하고, 다른 것은 3레벨 인버터 브리지의 1/3의 음의 반을 담당한다(이 컴포넌트들의 위치들은 본 발명의 범위를 변경하거나 본 발명에 영향을 미치지 않으면서 원하는 구성에 따라 필요한 대로 변경될 수 있다는 것을 유의해야 한다). 중성 전류를 운송하는 다이오드(31)는 스위치(30)의 옆에 있고, 양전류(또는 도 5C에 도시된 음전류)를 운송하는 스위치(32)는 다이오드(31) 옆에 있다. 스위치(32)는 전기 버스(55)를 통해 커패시터 터미널들(61)에 접속되고, 버스(50)를 통해 다이오드(31) 및 스위치(30)에 접속된다. 스위치(32)가 턴온되고 다이오드(31)가 오프되면, 그후에 전류경로는 커패시터 터미널들(61)로부터 나와 터미널(63)에서 스위치(32)로 가고, 그후에 스위치(32)를 통해 터미널(64)을 나와서 다이오드(31)을 지나 스위치(30) 상의 터미널(65)로 간다. 전류는 그후 스위치(30)을 통해 가서 터미널(66)의 밖으로 나와서 복귀 버스 바(70)을 통해 복귀하며, 이것은 전체 시스템 인덕턴스를 감소시키기 위해 적절히 가능한 한 (버스 바들(50, 55와 75)간에) 커패시터 뱅크(60)을 향해 되돌아간다. 이 구성에서, 버스들(50, 55)을 따라, 커패시터 터미널들(61)의 밖으로 나오는 전류는 버스 바(70)에서 커패시터들(61)을 향해 병렬 경로로 되돌아 간다. 이 폐쇄 병렬 경로는 전도 버스들을 통해 전류가 통과함으로서 발생하는 자계를 크기 및 위상 모두에 있어서 소거(또는 상당히 감소)하는 경향이 있으며, 그러므로, 전체 시스템 인덕턴스를 감소시킨다.
스위치(32)가 턴오프될 때, 다이오드(31)는 턴온되고, 커패시터 터미널들(62)로부터 버스바(75)를 통해 다이오드(31)의 터미널(67)로, 다이오드(31)을 통해 터미널(68)에서 다이오드(31)밖으로 나와 버스 바(50)를 경유하여 스위치(30)로 전류를 전도한다. 전류는 그후 스위치(30)을 통하여 터미널(66)에서 스위치(30)밖으로 나와 버스 바(70)를 따라 커패시터 뱅크(60)를 향해 되돌아가며, 버스 인덕턴스를 최소화하는 폐쇄 병렬 전류 경로를 다시 생성한다. 전류를 모터(도시되지 않음), 또는 버스로의 접속(69)을 통해 드라이브에 의해 작동되고 있는 어떤 다른 디바이스로 운송하기 위해 사용되는 것은 버스(70)이다. 복귀 버스(70)가 두개의 구동 버스들(50, 55 및 75, 각각)의 중간에 위치되어 작동 동안에 활성 버스들이 등거리임을 보증하기 때문에, 이러한 구성에서, 위의 주기들 둘 모두(스위치(32)가 온되든지 오프되든지) 동안에, 시스템의 인덕턴스는 매우 유사할 것이라는 것을 유의해야 한다.
버스 성능을 최적화하도록 돕기 위해, 서로 병렬인 버스들의 부분들이 버스들의 병렬 부분들에서 어떤 종류의 부착 홀들 또는 결함들도 갖지 않는 것이 일반적으로 바람직함을 유의해야 한다.
버스들과 전기 컴포넌트들(다이오드, 커패시터들, 및 스위치들) 간의 전기적 접속은 버스들의 플랜지들(flanges)(51-54, 56-59)을 경유하여 이루어져야 한다. 버스들에서 다이오드, 트랜지스터들 및 커패시터들로 전류를 전달하는 것을 최적화하기 위해서 플랜지들(51-54, 56-59)이 버스들(50, 55, 70, 75)의 병렬 부분과 일체로 되는 것이 바람직하다. 더우기, 버스들이 커패시터들, 트랜지스터들 및 다이오드들에 직각으로 고정되는 것이 바람직하다. 이러한 구성은 전기적 작동 디바이스들로의 접촉점들에서 버스들에 의해 발생되는 인덕턴스량을 최소화한다. 또한, 인덕턴스를 최소로 유지하기 위해, 버스들이 디바이스들에 고정되는 플랜지 각들은 가능한 한 날카로워야 한다. 이것은 버스들의 병렬 부분들이, 그들이 접속들에 접근할 때 가능한 한 서로에 근접하게 머무를 것을 보증할 것이다.
본 발명의 버스 바들(50, 55, 70, 및 75)은 절연체(40, 41)의 양쪽 측면에 끼워 넣어진다. 절연체들(40, 41)은 압축된 마이카(mica), 테프론(Teflon), 폴리에스테르 시트들, 아라미드 섬유들 또는 시트들, 및 다른 유사한 합성 절연 물질들과 같은 어떤 비전도성 절연 물질로 만들어 질 수 있다. 그러나, 버스들 간의 부분 방전을 방지하는 것에 관한 적층 마이카의 최적 특성들로 인해 AC 전압 버스 바들에 대해서 적층 마이카를 사용하는 것이 바람하지만, Nomex?와 같은 아라미드 물질은 일반적으로 DC 전압 버스 바들에 대해 바람직하다.
본 발명의 AC 전압 버스 바들(50, 55, 70, 및 75)에 대하여, 비록 기존 AC 드라이브들에서 코로나 효과(즉, 아킹)로부터 비롯되는 문제들을 회피하기 위해서 절연체의 두께가 2 인치만큼 높게 될 수 있지만, 본 발명의 새로운 측면들 때문에(이하에서 더 논의될 것임), 절연체들(40, 41)의 두께는 0.020인치 만큼 낮게 될 수 있다 (그러나 중간 전압 스펙트럼의 더 높은 단들에 대해서는 더 높아야 한다). 사용되는 절연 물질의 유형은 소정의 전압 레벨에 대해 필요한 두께를 결정할 것이다. 예를 들어, 본 발명의 바람직한 실시예에서, 두께는 부가적인 보호 및 수명을 제공하기 위해 일반적으로 약 0.060 인치이다. 이렇게 감소된 두께는 병렬 버스 바들간의 인덕턴스를 매우 감소시키며, 바람직한 실시예에서, 4 인치 폭과 1/8 인치 두께의 알루미늄 버스 바와, 버스 바들간에 0.060 인치 두께의 마이카 절연체를 가지고, 미터 당 30 나노 헨리의 인덕턴스가 성취된다. 반대 계들을 가진 두개의 평면 버스 바들의 인덕턴스가 바들 간의 공간의 거리에 직접적으로 관련되기 때문에, 매우 얇은 절연체를 사용하면 전체 인덕턴스에서 상당한 감소를 이루며, AC드라이브의 전체 사이즈에 있어 상당한 감소를 허용할 것이다.
또한, 현재 AC 드라이브에서는, 버스 바들이 공기에 노출되기 때문에 버스 바들 간의 절연을 최대화하기 위해 절연체를 버스 바들의 에지들 위로 상당히 확장하도록 할 필요가 있다. 다음의 논의에서 더 명확하게 될 본 발명의 새로운 구성으로 인해, 절연체가 버스 바들의 에지들 위로 상당히 확장되도록 하는 것은 필요하지 않다. 그러나, 적절한 보호 및 부가된 손상 견딤 특성들을 제공하기 위해서 절연체들(40, 41)이 바들의 에지로부터 적어도 약간의 거리로 확장하는 것이 바람직하다는 것을 유의해야 한다. 절연체(40, 41)가 요구되는 것보다 더 확장되도록 하는 것은, 절연체의 계 또는 현장 보수들(field or on-site repairs)이 중대하지 않고, 따라서 작은 에지 부분이 고장나거나 제거되어도 전체 절연체의 교체를 필요로 하지 않는다는 것을 보증한다.
이제 도 6A, 6B, 및 6C로 가면, 본 발명에 따른 실질적으로 완성된 인커터(100)가 도시된다. 이 도면들에서, 인버터(100)의 전기적 작동 컴포넌트들이 절연 물질(90)과 보호 하우징(95)에 의해 외부 대기로부터 밀폐되어 있음을 볼 수 있다. 절연 물질(90)은 해로운 대기 또는 공기를 봉쇄하기 위해 통상적으로 전기적 활성 디바이스들(즉, 스위치들, 다이오드, 커패시터 접속들, 및 버스 바들)의 전부 또는 실질적으로 전부를 덮는다. 비록, 비전도성 기체, 기름, 또는 젤과 같이 어떤 비전도성 절연 물질이 사용될 수 있지만, 포팅 화합물(potting compound)이 사용되는 것이 일반적으로 바람직하다.
포팅 화합물(90)은 어떤 알려진 또는 통상적으로 사용되는 비전도성 절연체가 될 수 있지만, 가급적 RTV 실리콘 기반의 화합물이다. 또한 그 화합물이 다음의 물리적 특성들 중 적어도 일부를 갖는 것이 바람직하다.
부을 때 수지의 점도 - 20.000 cps,
경도, Shore A - 28,
인장 강도 - 1,014 psi,
파괴시의 신장도 - 600%,
균열 저항성 170 lbs/inch,
선 수축 - 1% 미만.
사용될 수 있는 그러한 절연체의 예는 Elastocil? M4601이며, 그것의 뛰어난 보수가능성(reparability) 특성들을 위해 Wacker Chemie GmbH에 의해 만들어진다. 유사한 또는 등가의 특성들을 갖는 어떤 다른 실리콘 기반의 화합물도 또한 바람직할 것이다. 위의 컴포넌트들 주위에 포팅 화합물(90)을 사용하는 것은, 이 컴포넌트들이 통상적으로 노출될 공기 또는 다른 해로운 기체들의 전부 또는 거의 전부가 이 컴포넌트들에 접촉하지 못하도록 방지한다. 이러한 공기 또는 기체들의 제거는 그들이 컨덕터로서 작용하는 것을 방지하며, 그러한 것은 코로나 효과 및 부분 방전이 발생하는 것을 방지한다. 이로 인해, 전기적 활성 컴포넌트들의 전부가 서로 매우 근접하게 위치될 수 있지만, 선행기술에서는 그들이 서로 상대적으로 긴 거리로 유지되도록 해야되고 따라서 드라이브의 사이즈를 증가시킨다.
절연체(90)는, 전기적 활성 디바이스들 내부 및/또는 주위의 공기 포켓들 및 갭들의 전부 또는 거의 전부를 실질적으로 관통하는 방식으로, 컴포넌트들 위에 또는 주변에, 알려진 프로세스들을 사용하여, 부유(stray)되고, 부어지고 그렇지 않으면 인가된다. 어떤 실질적인 양의 공기 또는 대기의 존재는 고전압 디바이스들을 서로 근접하도록 하는 것에 관련된 역효과들이 발생되도록 허용할 것이며, 그것은 본 발명이 매우 감소시키거나 제거하려는 것이다. 경화 후에 실리콘 절연체 화합물은 액체로부터 다양한 양의 굳기(firmness)를 가진 젤과 같은 주도(consistency)로 변할 수 있기 때문에, 위의 화합물(90) 및 그것의 등가물들의 또다른 유익한 측면은 보수가 필요한 때 전기 컴포넌트들로부터의 그 제거가능성(removability)이다. 보수들을 위해 화합물을 제거할 때 화합물(90)과 컴포넌트들 간에 가능한 한 작은 부착력을 갖는 것이 바람직하다. 이것은 보수 시간 및 비용들을 감소시킬 것이다.
또한 상기 바람직한 실리콘 화합물들은 중간 전압 AC 드라이브들에서 발생할 수 있는 많은 문제들을 허용하지 않는다는 것을 유의해야 한다. 예를 들어, 실리콘 화합물들은 피로 또는 파괴 없이 고전압 과도현상들과 그들에 수반되는 응력들, 자력, 온도 변이들 및 레벨들, 및 고전압 유전체 응력에 저항력이 있다. 더우기, 실리콘 화합물은 고도, 온도, 습도, 공기품질 등에 관계없이 어떤 환경 조건에서도 그 무결성(integrity)을 유지한다. 또한, 공기가 전기 컴포넌트들에 접촉하지 않도록 제거되기 때문에, 버스들 또는 다른 컴포넌트들을 접촉하는 공기의 역효과들을 방지하기 위해 공기를 조절하거나 여과할 필요가 없다. 전류 AC 드라이브는 공기를 노출된 전기 컴포넌트들 위로 통과시켜 냉각되므로, 냉각 시스템을 위한 실질적인 여과 및 환경적 제어들을 필요로 한다. 이것은 몇가지 어려운 애플리케이션들에서 전류 드라이브들을 사용하는 것이 금지되도록 만든다.
부가적으로, 포팅 화합물(90)은 공기만큼, 또는 심지어 공기보다 더 열을 전달 및 흡수하고, 따라서 버스들 및 다른 전기 컴포넌트들에서 화합물로의 열 전달을 허용하며, 이것은 그후 열 싱크 어셈블리(heat sink assembly)의 증발 판(22)으로 전달되거나 포팅 화합물(90) 자체의 표면을 통해 인클로저 (enclosure)(95)로 방출되어 공기로 방출된다. 그러므로, AC 드라이브의 열 관리 특성들에는 손실에 없다. 도 6A-6C에서 도시된 바와 같이, 포팅 화합물(90)은, 버스들(50, 55, 70, 75)이 다이오드(31), 트랜지스터들(30, 32) 및 커패시터들(61, 62)에 접촉하는, 인버터(100)의 공간의 상당한 부분을 채운다. 사실, 필수적이지는 않지만, 공기가 이들 컴포넌트들과 접촉하는 것을 방지하기 위해서 포팅 화합물(90)이 적어도 이 컴포넌트들 모두를 덮는 것이 바람직하다. 화합물이 커패시터들(61, 62) 터미널들을 덮는 데 사용될 때, 이 터미널들의 높이는 감소될 수 있으며, 따라서 커패시터들이 더 낮은 내부 인덕턴스를 갖도록 허용한다. 그러나, 화합물(90)이 이 접촉점들을 덮는데 사용되지 않는다면, 커패시터들(61, 62)의 청결(clearance)을 위한 제조업자 필요조건들은 유지되어야 한다.
화합물(90)과 열 교환기 어셈블리(20) 간에 가능한 최대 열 전달 표면을 제공하기 위해 포팅 화합물(90)은 통상적으로 증발 판(22)의 거의 전체 표면을 덮도록 가해진다. 부가적으로, 포팅 화합물(90)은 무결성을 보증하기 위해 섹션들 내에가 아니라 단일 부품으로서 인버터(100)에 설치되는 것이 바람직하며, 화합물(90)은 사소한 손상이 화합물의 보호 특성들을 손상시키지 않도록 하는 두께를 가지는 것이 바람직하다. 적절한 보호를 제공하는 것에 부가하여, 더 두꺼운 코팅의 화합물을 사용하는 것은, 화합물이, 기계적 진동들을 감쇠시키는 버스들(50, 55, 70, 75)을 위한 기계적 지지를 제공하도록 허용하며, 따라서 버스들을 장소에 고정시키기 위해 현재 AC 드라이브들에 존재하는 다수의 부가적인 구조적 컴포넌트들에 대한 필요를 제거할 수 있다.
화합물(90)의 정확한 구성과 외부 디멘션들은 사용되는 드라이브와 컴포넌트들의 구성 및 특성들에 따라 다양할 수 있다. 도 6A 내지 6C 에 도시된 실시예에서, 화합물(90)은 일반적으로, 4,160 VAC RMS에 이르는 작동 전압들을 허용하기 위해 모든 덮혀진 고전압 컴포넌트들 주위에 적어도 1 인치의 두께를 갖는다. 그 두께는 공간, 비용 및 무게 고려들 뿐 아니라 주로 인가되는 전압의 양에 대해 최적화되어야 한다. 화합물(90)의 비용을 감소시키는 데 도움이 되기 위해, 그것의 유익한 특성들을 손상시키지 않으면서 사용되는 화합물의 전체 부피량을 감소시키도록 유전 충전제(펠릿 또는 다른 모양들)가 화합물(90)에 사용될 수 있다. 비록 화합물(90)이 다소 컴포넌트들과 버스들(버스들이 위치된 불룩한 부분이 있다)의 윤곽을 따르는 것처럼 도면에 도시되지만, 입체 블록(solid block)이 평탄한 측면들을 갖도록 사용될 수 있다. 그러한 구성은 15,000V보다 높은 전압과 같이 실리콘의 부가된 보호를 필요로 할 애플리케이션들에 대해 바람직할 것이다. 도 1C, 2B, 3A-3C 및 4A에서, 점선은 열 교환기 어셈블리들에 있어 전기적 작동 컴포넌트들 주위에 행해지는 화합물(90)의 대표적인 인케이싱을 도시하는 데 사용된다.
또한 화합물 하우징(95)이 도 6A-6C에 도시된다. 컴포넌트들 및 화합물(90)에 부가적인 보호를 제공하고 화합물(90)이 그 모양을 유지하는데 도움이 되기 위해, 하우징(95)이 부가된다. 몇가지 애플리케이션들에서, 몇가지 화합물들로, 하우징(95)을 사용하는 것이 필수적인 것은 아니지만, 그것이 바람직하다. 하우징(95)은 플라스틱, 금속, 탄소 복합물 등과 같은 어떤 알려진 또는 통상적으로 사용되는 물질로 만들어질 수 있다. 그러나, 하우징(95)이 내부 컴포넌트들에 부가적인 정전 및 전자기 차폐를 제공하기 위한 물질로 만들어 지는 것이 바람직하다.
또한, 사용되는 절연체 또는 화합물(90)의 유형을 정합시키기 위해 하우징(95)의 구조적 무결성이 이루어져야 한다. 전기 컴포넌트들을 보호하고 공기가 고전압 전기 컴포넌트들과 접촉하도록 하는 것의 역효과(예컨대, 코로나 효과)를 방지하기 위해서, 본 발명은 어떠한 전기적 및 환경적 절연 물질을 사용하는 것도 고려한다. 예들은 질소와 같은 순수한 기체들, 기름들, 젤들, 실리콘 포팅 화합물들, 또는 심지어 진공을 사용하는 것을 포함한다. 이 절연 방법들 전부는 실질적으로 공기를 제거하고 및/또는 고전압 컴포넌트들로부터 대기를 봉쇄하며, 고전압 컴포넌트들 내에 또는 주위에 어떠한 개방 공간들을 주입(impregnating)시켜 고전압 컴포넌트들이 서로 매우 근접하게 위치되도록 허용한다. 질소, 기름들, 또는 진공과 같이 이들 중 일부가 사용될 때, 하우징(95)은 절연의 무결성이 유지될 수 있도록(예를 들어, 진공이 유지될 수 있도록) 제조되어야 한다. 그러한 하우징을 제조하는 데 수반되는 어려움과 비용들 때문에, 엄격한 봉쇄(containment) 필요조건들이 요구되지 않는 절연체를 사용하는 것이 바람직하며, 그러한 화합물들은 그들의 무결성을 유지할 수 있는 이전에 언급된 바람직한 물질 특성들을 갖는다.
사용되는 유전 절연체 화합물(90)에 있어서, 비록 한 부분, 두 부분, 세 부분의 실리콘, 또는 유사한 절연체 화합물(90)이 사용될 수 있지만, 사용되는 절연체 화합물(90)은 인버터(100) 상에 설치하기 전에 "기체가 제거(de-gased)" 된다. 화합물들이 혼합될 때 그것은 종종 그 혼합물에 공기 기포들 및 기체의 유입을 야기시키며, 절연체 화합물(90)이 인버터(100) 상에 위치될 때 이 공기 기포들이 절연체 화합물(90)에 잔존하게 되면, 공기가 컴포넌트들 및 버스들과 접촉하게 되어 현재 AC 드라이브들이 가지는 것과 유사한 문제들을 야기시키기 때문에, 시스템의 작동은 악영향을 받게 될 것이다.
또한, 본 발명의 AC 드라이브가 중간 전압 스펙트럼의 더 높은 전압 범위에 대하여 사용되어야 할 때, 절연체 화합물(90)은 그 애플리케이션 이후에 "진공" 상태로 된다. 본질적으로, 이 프로세스는, 절연체 화합물(90)이 세팅되는 동안에, 절연체 화합물(90)을 인버터(100)(또는 어떤 다른 성분)에 가하고 컴포넌트 전체를 어떤 종류의 진공 챔버에 위치시키는 것을 수반한다. 그후 절연 화합물(90)이 세팅되는 동안에, 챔버 내의 공기 압력이 감소되고, 따라서 혼합물내의 어떤 잔존 공기, 또는 컴포넌트들과 절연체 화합물(90) 사이의 잔존 공기가 절연체 화합물(90) 및/또는 인버터로부터 제거되도록 허용한다. 이것은, 공기의 역효과들이 회피되어, AC 드라이브의 작동 수명 및 효율을 매우 증가시키며, 발생하는 인덕턴스를 감소하기 위해 인버터(100)의 컴포넌트들이 더 가까이 모여 위치되도록 하는 것을 허용하여, AC 드라이브 자체의 전체 크기를 감소시키도록 보증할 것이다. AC 드라이브가 더 낮은 전압 범위들에서 작동할 애플리케이션들에서, "진공" 프로세스는 전기 부하들 및 전기력들이 중요하지 않은 만큼 필요하지 않다.
부가적으로, 절연체 합성물(90)이 여전히 액체 형태로 있는 동안에 절연체 합성물(90)이 인버터 어셈블리(100)에 가해지는 것이 바람직하다. 액체 형태로, 그것이 경화하기 전에, 실리콘 화합물은 매우 낮은 표면 장력을 가지며, 이것은 화합물(90)이 절연체(40), 및/또는 버스들 내 및 주위의 어떤 다른 작은 갭들에 주입되고, 따라서 어떤 갭들 내에 존재하는 공기를 제거하고 그것을 절연체 화합물(90)로 대체하는 것을 허용한다. 바람직한 실시예에서, 이 주입은 주입전에 전체 인버터 모듈(100)을 진공시킴으로서 강화된다.
본 발명에 따라 인버터(100)를 제조할 때, 먼저, 상부 버스들과 하부 버스들 간에 진정한 병렬 관계를 유지하면서 가능한 한 단단히 버스들(50, 55, 70, 75)과 절연체들(40, 41) 사이에 끼워넣기 위해 어떤 종류의 조이는 힘이 제공되는 것이 바람직하다. 일단 버스 어셈블리가 완성되면, 그 어셈블리는 인버터(100) 내로 설치되고 전압 차단 문제가 없다는 것을 보증하기 위해 검사된다. 모든 악영향을 주는 오염물질들을 컴포넌트들로부터 제거하기 위해 그 후에 공기, 기체들, 습기, 오염물질들 등은 일반적으로 가열된 진공 챔버를 사용함으로서 전기 버스들 및 컴포넌트들로부터 제거된다. 후에(또는 클리닝 단계 동안에) 그 유닛은 서술되고 위에 제시된 바와 같이(사용되는 화합물 및 방법에 따라서) 절연체 화합물(90)로 포팅(pot)된다. 포팅의 양과 사이즈는, 공기 및 다른 해로운 요소들로부터 적절한 보호를 제공하고 컴포넌트들의 표면들로부터 열 싱크 어셈블리(20)로, 그리고 절연체 화합물(90)의 외부 표면을 통해 인클로저(95)로의 열전도성의 레벨을 제공하도록 되어야 한다. 절연체 화합물이 액체 형태로 가해지기 때문에, 모든 공기 또는 기체를 제거하기 위해 절연체 화합물(90)을 전기 컴포넌트들의 작은 영역들에 넣는 것이 더 쉽다. 이를 위하여, 사용되는 절연체 화합물(90)이, 절연체가 필요한 공간들 모두에 침투하도록 허용하기 위해 액체 형태일 때 낮은 표면 장력을 가지는 것이 일반적으로 바람직하다.
대안적으로, 절연체 화합물(90)이 절연체(40) 및 다른 컴포넌트들로 부가적으로 주입되도록 하기 위해, 부가적인 화합물 물질이 어떤 잔존 공기 포켓들로 들어가도록, (기계적 압력 또는 대기압을 통해) 진공이 된 후에 압력이 절연체 화합물(90)에 부가될 수 있다. 화합물(90)은 그후에 주변 온도, 또는 사용되는 특정 화합물에 권장되는 어떤 온도에서 경화될 수 있다. 일단 이 프로세스가 완료되면, 컴포넌트(예컨대, 인버터(100))는 다시 검사되어야 한다. 이 시점에서, 공기의 전부 또는 거의 전부가 버스들과 같은 중요한 컴포넌트들과 접촉하지 못하도록 제거되고, 이는 버스들이 서로 매우 가깝게 위치되도록 허용하여 AC 드라이브의 전체 크기에 있어서 상당한 감소를 허용한다. 또한, 공기가 고전압 컴포넌트들과 접촉하지 않기 때문에, 특정 위치에서의 공기 품질 또는 대기 조건들이 AC 드라이브에 악영향을 미칠 우려는 없다. 이것은 공기를 여과하고 조절하는 비용들을 매우 감소시키며, AC 드라이브가, 너무 많은 공간을 차지하지 않고 상당한 전기적 루팅(routing)을 필요로 하지 않으면서, 그들이 조절할 기계들에 직접 인접하여 위치되도록 허용한다. 부가적으로, 완충기(snubber)와 같이, 현재 AC 드라이브들에 필요한 몇가지 컴포넌트들은 더이상 필요하지 않게 된다.
도 7A, 7B 및 7C는 본 발명에 따른AC 드라이브의 대표적인 실시예에서 있는 바와 같이 서로 고정된 본 발명의 두 개의 인버터 모듈들(100)을 도시한다. 이전에 언급된 바와 같이, 모듈들(100)의 트레이들(10)은, 보수를 위해 한 개의 모듈(100)을 다른 모듈로부터 쉽게 제거하도록 허용하는 어떤 통상적으로 알려진 또는 사용되는 방법에 의해, 서로 고정되어 있다. 또한, 하우징(95)의 외부상에 장착된 우주 선(cosmic ray) 여과 장치(96)가 이 도면에 도시된다. 이 도면들에 도시된 바와 같이, 포팅 화합물 또는 절연체(90) 및 하우징(95)은 컴포넌트들의 윤곽을 효과적으로 따르는 방식으로 구성되거나 가해지고, 따라서 버스들이 위치되어 있는 선반 부분(97)을 제공하고, 그 위에 우주 선 여과기(96)가 위치될 수 있다.
전력 반도체 스위치들 상의 우주 선(cosmic ray) 효과들은 우연히 발견되었으며, 여전히 완전히 이해되지 않고 있다. 전력 변환 제조업자들은 그들의 생산품들이, 그것들의 전압 정격들(voltage rating) 내에서 전력 반도체들을 사용할 때, 너무 이르게 고장나는 것을 발견했다. 이 전력 반도체 스위치들은 반도체 기판 절연 파괴로 지시되는 방식으로 고장이 날 것이다. 약 300 피트 정도 지하에서 사용된 전력 변환 디바이스들은 동일한 고장율을 나타내지 않기 때문에, 그러한 고장들을 우주 선들에 관련시키는 일이 발생하였다. 전류가 흘려진 전력 반도체 스위치들들이 입자 가속기들에 의해 충격이 가해지는 또다른 검사들은 지구 표면에서 작동하는 생산품들에서 보이는 것과 동일한 효과를 야기시켰다. 반도체 제조업자들에 의해 제시된 해결책은 IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)와 같은 전력 반도체 스위치의 작동 전압을 그것의 정격 전압 능력의 약 60 퍼센트로 내리는(de-rate) 것이 것이었다. 전압 제한은 통계적 프로세스들에 의해 정의된다. 또한, 설비 및 사람들을 특히 태양 폭풍들 동안 태양에 의해 방출되는 입자들의 효과들로부터 보호하기 위하여 폴리에틸렌이 유인 우주선(manned spacecraft) 디바이스들에 사용되었다. 이 입자들은 우주 선들(cosmic rays)로 불리는 것에 비해 더 크다.
우주 선들은 천체들에 의해 방출되는 고에너지 아원자 입자들이다. 몇 가지 유형의 입자들은 지구의 전체 단면을 관통하여 통과할 수 있지만, 다른 입자들은 지구 상의 또는 지구 내의 물질들과 접촉할 때 방산(dissipate)된다. 이러한 에너지 방산 및 아원자 재결합은 생물학적(셀들) 및 전기적 시스템들(반도체 디바이스들) 상에 역효과들을 야기시킬 수도 있다.
본 발명은 반도체 전압 사용을 증가시키기 위해 부가될 수 있는 우주 선 여과기(96)를 포함한다. 이 입자들을 포함하거나, 본 발명의 전기 시스템들 상에서의 역효과들을 상당히 억제하기 위해서, 여과기(96)는 납 또는 유사한 물질로 만들어지는 것이 바람직하며, 그것은 IGBT와 같은 전력 반도체 스위치들을 덮는다. 정전 및 전자 차폐 컨테이너 또는 하우징(95)은, 전력 반도체 스위치들을 근접하게 둘러싸고, 폴리에틸렌 코팅된 납 블록이 우주 선들로부터 크고 작은 아원자 입자들을 흡수하도록 삽입되는, 선반(97)을 생성하도록 설계된다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 납 블록의 단면은 적어도 3 인치 두께이며, 폴리에틸렌 코팅은 적어도 1/2인치 두께로 선반(97) 위의 공간을 채운다. 실제적으로, 납과 같은 물질의 사용은 여과에 의해 우주 선들의 효과들을 감소시킬 것이며, 2 인치 두께의 최소치는, 제조업자가 권장한 작동 전압으로 사용될 때 그것의 수명 기대치를 증가시키거나 인가 전압을 증가시키는 경우에 적절한 전력 반도체 수명을 달성하기 위해서 실험에 근거한다.
이 도면들에 도시된 여과기들(96)의 배치는 AC 드라이브 어셈블리가 도시된 바와 같이 그 장착 표면(층) 상에 놓일 것으로 가정하며, 따라서 선반들(97)의 바닥측면들 상에 여과기(96) 보호를 필요로 하지 않는다는 것을 유의해야 한다. 그러나, AC 드라이브가 (그 측면상에) 똑바로 서있도록 하는 것은 가능하다. 이러한 경우에, 드라이브의 내부 컴포넌트들에 적절한 보호를 제공하기 위해, 여과기들(96)은 선반측 또는 하우징(95)의 상부측 상에 위치될 것이다. 대안적으로, 여과기들(96)은 화합물(90) 경화 전에 포팅 화합물로 밀폐될 수 있다.
본 발명으로, 인버터들(100)과 같은 작은 부피의 전력 변환 디바이스들이 생성되며, 이것은 전력 반도체 스위치들을 우주 선들의 효과들로부터 보호하기 위해, 인버터 모듈들(100) 사이의 구멍에 맞는, 폴리에틸렌을 입힌 납의 상당한 크기의 블록의 사용을 허용하고, 더우기 인가 전압이 스위치 정격 전압의 권장된 60 퍼센트 내지 약 75 퍼센트보다 더 높게 되도록 허용한다. 예를 들어, 현재 AC 드라이브 구성들로는 3,300V IGBT는 지구 표면 레벨 상에서 1,900V이상으로 작동될 수 없다. 본 발명으로 작동 전압은 예를 들어 2,500V까지 올라갈 수 있다.
도 8 및 9는 본 발명의 AC 드라이브에서 사용될 컨버터 어셈블리(200)를 도시한다. 컨버터(200)는 유입 AC 전압을 DC 전압으로 변환하는 데 사용되며, 이로인해 DC 전압은 조종되고 인버터들(100) 내에서 가변 진폭 및 가변 주파수 AC 전압으로 다시 변환될 수 있다. 컨버터(200)의 제조는 이전에 논의된 바와 같이, 인버터(100)의 제조와 유사하다. 컨버터(200)는 일반적으로 커패시터 브라켓 어셈블리(215)를 가진 모듈 베이스(210)를 포함하며, 이것은 구성에 있어서 컨버터(100)의 베이스(10) 및 커패시터 브라켓(15)과 유사하다. 베이스(210)는 통상적으로 베이스(10)와 동일한 물질들로 만들어지며, 인버터 베이스(10)와 쉽게 접속 또는 단절될 수 있어야 한다. 이것은 본 발명의 모듈적 측면들을 보증하며, 따라서 AC 드라이브의 다양한 부분들이 상당한 비용 또는 작동시간의 손실 없이 쉽게 제거되거나 설치되는 것을 허용한다.
컨버터(200)는 또한 인버터(100)에서의 커패시터 뱅크와 유사한 커패시터 뱅크(260)를 포함한다. 부가적으로 컨버터(200)는 리액터(280), 고전압 서브 어셈블리(240), 컨넥터 서브 어셈블리(230)를 포함한다.
또한, 위에서 논의된 인버터(100)과 매우 유사하게, 컨버터(200)는 열 교환기 어셈블리(220)를 가진다. 이 도면들에 도시된 열 교환기 어셈블리(220)는 도 3A-3C에 도시된 것과 유사하지만, 원하는 냉각 방법 및 사용되는 전기 컴포넌트들에 따라, 이전에 논의된 구성들 중 어떤 것들도 될 수 있다.
본 발명에 따른 AC 드라이브는 호환가능한 또는 유사한 열 교환 시스템들을 갖는 모듈 컴포넌트들(예를 들어, 인버터들(100) 및 컨버터들(200))을 사용할 것임을 유의해야 한다. 이것은 교체물이 제거된 컴포넌트를 교체하기 위해 신속히 삽입되도록 허용함으로서 인버터/컨버터 모듈들의 손쉬운 교체와 보수를 허용할 것이다. 또한, 상이한 열 교환 시스템들이 단일 AC 드라이브 어셈블리에서의 상이한 모듈들을 위해 사용될 수 있음이 고려될 것이다. 이러한 구성이 사용될 경우, 본 발명의 소형 및 접근가능한 측면들을 유지하기 위해서 열 교환기 어셈블리들의 전체 사이즈와 모양이 유사한 것이 바람직하다.
인버터들(100)에서 처럼, 컨버터(200)는 포팅 화합물(90)이 열 교환기 시스템 및 커패시터 뱅크 접속들 상에 있는 어떤 및 모든 고전압 컴포넌트들을 덮도록 해야 한다. 도 8 및 9에서 도시된 바와 같이, 열 교환기 어셈블리(220)가 놓여있는 컨테이너(91)는 절연체(90)를 사용함으로서 제공되는 필수적인 보호들을 제공하기 위해서 실질적으로 절연체 화합물(90)로 채워진다. 통상적으로 인버터(100)에서 서술된 것과 동일한 프로세스가 절연 화합물(90)을 가하는 데 사용된다. 그것은 가열된 진공 챔버에서 먼지, 오염물질들, 습기, 및 공기를 제거하고 이 프로세스 동안 또는 그 전에 절연체 화합물(90)을 액체 형태로 가하는 것이다. 절연체 화합물(90)은 통상적으로 고전압 컴포넌트들 및 버스 바들 전부를 덮기 위해 가해진다. 인버터 어셈블리들(100)에 대하여 이전에 논의된 절연 방법들은 컨버터 어셈블리(200)에 동일하게 적용된다는 것을 유의한다. 부가적으로, 또한 도 7B의 우주 선 여과기(96)가 컨버터(200)의 고전압 반도체 컴포넌트들을 보호하기 위해 이러한 경우에 적용될 수 있다.
도 10 및 11은 본 발명에 따른 조립된 AC 드라이브(1000)를 도시하고, 여기에는 세개의 인버터들(100), 단일 컨버터(200), 및 공통 냉각 시스템(1100)이 존재한다. 비록 본 발명의 구성요소들은 세개의 인버터 모듈들 및 컨버터 모듈의 고전압 컴포넌트들 및 버스 바들 전부가 한 개의 단일 인클로저 내부에 있는 방식으로 비모듈적 AC 드라이브 상에서 사용될 수도 있지만, 이전에 언급되고 이 도면들에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 모듈적 측면들은 단일 인버터(100)가 상당한 비용 또는 다운 시간 없이 AC 드라이브 어셈블리(1000)에서 쉽게 제거되고 교체될 수 있다는 이점을 제공한다. 또한, 공기가 드라이브(1000)의 버스들 및 전기 컴포넌트들을 냉각시키는 데 사용되지 않는다는 사실 때문에, 거의 어떤 통상적으로 알려진 또는 사용되는 냉각 시스템(1100)도 사용될 수 있다는 것을 유의한다. 강제 공기 덕트 냉각 시스템(1100)은 도 11에 도시되지만, 기름 및 물과 같은 다른 냉각 매체들이 사용될 수 있다는 것을 유의한다. 만약 기름(또는 어떤 다른 액체가 사용된다면)이 사용된다면, 기름(또는 액체)은 화학적으로 공격하지 않아야 하고, 기름의 일부가 인클로저(95)의 최상부 상에 떨어지는 경우에 전기 컴포넌트들을 밀봉하는 데 사용되는 절연체 화합물(90)을 저하시키지 않아야 한다.
더우기, 고전압 컴포넌트들의 공기로의 노출을 막기 위한 절연체 화합물의 사용의 이점들 때문에, AC 드라이브를 냉각시키는 데 사용되는 공기의 품질을 제어하는 데 어떤 정교한 환경적 제어 또는 여과 시스템도 필요하지 않다. 고전압 컴포넌트들이 밀폐되기 때문에, 석탄 먼지(예로서)와 같은 상당량의 오염물질들을 보유하는 공기 흐름은 드라이브의 작동에 악영향을 미치지 않고 컨덴서 블록들을 통해 통과한다.
물론, 다음의 청구항들에 의해서만 제한되는 본 발명의 취지와 범위로부터 이탈되지 않으면서 본 기술분야에서 숙련된 기술을 가진자에 의해 본 발명의 바람직한 실시예들로부터 변화들, 변형들, 및 개발들이 이루어 질 수 있음이 이해될 것이다.
본 발명은 저전압, 중간 전압, 고전압 애플리케이션들을 위한 효율적이고, 환경적으로 강건하고, 융통성있고, 소형인 전력 변환 시스템을 허용한다. 본 발명은 냉각제들로 기체나 액체를 사용하는 전력 변환 빌딩 블록들의 설계를 가능하게 한다.

Claims (30)

  1. 중간 전압 AC 드라이브에 있어서,
    상기 AC 드라이브는,
    컨버터; 및
    적어도 한 개의 인버터를 포함하고,
    상기 적어도 한 개의 인버터는,
    열 교환기;
    상기 열 교환기에 열적으로 연결된 적어도 한 개의 트랜지스터;
    적어도 한 개의 커패시터;
    상기 트랜지스터와 상기 커패시터 상에 각각 위치한 접촉 점들에서 상기 트랜지스터를 상기 커패시터에 전기적으로 연결하는 다수의 전기 버스들; 및
    상기 전기 버스들 중 적어도 한 개와, 상기 트랜지스터들과 상기 전기 버스 간의 상기 접촉점들이 대기로부터 실질적으로 밀폐되도록, 상기 전기 버스들 중 적어도 한 개와 상기 트랜지스터 간의 상기 접촉점들 전부를 덮는, 상기 전기 버스들 중 적어도 한 개에 인가된 절연물(insulation)
    을 포함하며,
    상기 절연물은 기체가 제거된(de-gased) 상태인, AC 드라이브.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전기 버스들은 알루미늄인, AC 드라이브.
  3. 제1항에 있어서, 상기 전기 버스들 중 적어도 두 개는 서로에 관하여 병렬 관계에 있고, 그들 사이에 위치하는 절연체(insulator)를 포함하는 AC 드라이브.
  4. 중간 전압 AC 드라이브에 있어서,
    상기 AC 드라이브는,
    컨버터; 및
    적어도 한 개의 인버터를 포함하고,
    상기 적어도 한 개의 인버터는,
    열 교환기;
    상기 열 교환기에 열적으로 연결된 적어도 한 개의 트랜지스터;
    적어도 한 개의 커패시터;
    상기 트랜지스터와 상기 커패시터 상에 각각 위치한 접촉 점들에서 상기 트랜지스터를 상기 커패시터에 전기적으로 연결하는 다수의 전기 버스들; 및
    상기 전기 버스들 중 적어도 한 개와, 상기 트랜지스터들과 상기 전기 버스 간의 상기 접촉점들이 대기로부터 실질적으로 밀폐되도록, 상기 전기 버스들 중 적어도 한 개와 상기 트랜지스터 간의 상기 접촉점들 전부를 덮는, 상기 전기 버스들 중 적어도 한 개에 인가된 절연물(insulation)
    을 포함하며,
    상기 전기 버스들 중 적어도 두 개는 서로에 관하여 병렬 관계에 있고, 그들 사이에 위치하는 절연체(insulator)를 포함하며,
    병렬 관계에 있는 상기 전기 버스들 각각은 상기 전기 버스들을 상기 트랜지스터들에 전기적으로 연결하기 위해서 상기 전기 버스들로부터 연장하는 플랜지들(flanges)을 포함하는 AC 드라이브.
  5. 제4항에 있어서, 병렬 관계에 있는 상기 전기 버스들이 상기 트랜지스터에 직각이 되도록, 병렬 관계에 있는 상기 전기 버스들 각각이 상기 트랜지스터에 접속되는, AC 드라이브.
  6. 제3항에 있어서, 상기 절연체는 적층된 마이카(laminated mica)인, AC 드라이브.
  7. 중간 전압 AC 드라이브에 있어서,
    상기 AC 드라이브는,
    컨버터; 및
    적어도 한 개의 인버터를 포함하고,
    상기 적어도 한 개의 인버터는,
    열 교환기;
    상기 열 교환기에 열적으로 연결된 적어도 한 개의 트랜지스터;
    적어도 한 개의 커패시터;
    상기 트랜지스터와 상기 커패시터 상에 각각 위치한 접촉 점들에서 상기 트랜지스터를 상기 커패시터에 전기적으로 연결하는 다수의 전기 버스들; 및
    상기 전기 버스들 중 적어도 한 개와, 상기 트랜지스터들과 상기 전기 버스 간의 상기 접촉점들이 대기로부터 실질적으로 밀폐되도록, 상기 전기 버스들 중 적어도 한 개와 상기 트랜지스터 간의 상기 접촉점들 전부를 덮는, 상기 전기 버스들 중 적어도 한 개에 인가된 절연물(insulation)
    을 포함하며,
    상기 전기 버스들 중 적어도 두 개는 서로에 관하여 병렬 관계에 있고, 그들 사이에 위치하는 절연체(insulator)를 포함하며,
    인가된 상기 절연물은 상기 전기 버스들 사이에 위치하는 상기 절연체의 표면의 적어도 일부에 스며들어, 상기 표면의 적어도 일부로부터 공기를 제거하는, AC 드라이브.
  8. 제1항에 있어서, 상기 절연물은 실리콘 기반인, AC 드라이브.
  9. 제1항에 있어서, 상기 절연물은 RTV 실리콘인 AC 드라이브.
  10. 제1항에 있어서, 상기 절연물은 28의 Shore A 경도를 갖는, AC 드라이브.
  11. 제1항에 있어서, 상기 전기 버스들과 상기 트랜지스터들 간의 상기 접촉점들 전부와, 상기 전기 버스들 전부가 상기 대기로부터 실질적으로 밀폐되도록, 상기 절연물은 상기 전기 버스들과 상기 트랜지스터들 간의 상기 접촉점들 전부와, 상기 전기 버스들 전부를 덮는, AC 드라이브.
  12. 제1항에 있어서, 상기 열 교환기는 상기 트랜지스터들이 열적으로 연결되는 평면 부재를 포함하고, 상기 절연물은 상기 평면 부재 전부를 실질적으로 덮는, AC 드라이브.
  13. 삭제
  14. 제1항에 있어서, 상기 열 교환기를 지나 냉각 매체를 통과시키는 냉각 시스템을 더 포함하는 AC 드라이브.
  15. 제14항에 있어서, 상기 냉각 매체는 공기인, AC 드라이브.
  16. 제1항에 있어서, 상기 절연물은, 상기 전기 버스들 전부 및 상기 접촉점들 전부가 상기 대기로부터 실질적으로 밀폐되도록, 상기 전기 버스들 전부 및 상기 접촉점들 전부를 덮는 AC 드라이브.
  17. AC 드라이브에서 사용하기 위한 인버터 어셈블리에 있어서,
    상기 인버터 어셈블리는,
    열 교환기;
    상기 열 교환기에 열적으로 연결된 다수의 트랜지스터들;
    다수의 커패시터들; 및
    상기 트랜지스터들 및 상기 커패시터들 각각에 개별적으로 위치된 접촉점들에서 상기 트랜지스터들을 상기 커패시터들에 전기적으로 연결하는 다수의 전기 버스들
    을 포함하며,
    상기 트랜지스터들과 상기 전기 버스들 간의 상기 접촉점들과, 상기 전기 버스들의 실질적인 전부가 대기로부터 실질적으로 밀폐되도록, 실질적으로 상기 전기 버스들과 상기 트랜지스터들 간의 상기 접촉점들 전부와, 상기 전기 버스들 전부는 절연물로 덮히며,
    상기 절연물은 기체가 제거된 상태인, 인버터 어셈블리.
  18. 제17항에 있어서, 상기 전기 버스들은 알루미늄인 인버터 어셈블리.
  19. 제17항에 있어서, 상기 전기 버스들 중 적어도 두 개는 서로 병렬 관계에 있고, 이 둘 사이에 위치된 절연체를 갖는 인버터 어셈블리.
  20. AC 드라이브에서 사용하기 위한 인버터 어셈블리에 있어서,
    상기 인버터 어셈블리는,
    열 교환기;
    상기 열 교환기에 열적으로 연결된 다수의 트랜지스터들;
    다수의 커패시터들; 및
    상기 트랜지스터들 및 상기 커패시터들 각각에 개별적으로 위치된 접촉점들에서 상기 트랜지스터들을 상기 커패시터들에 전기적으로 연결하는 다수의 전기 버스들
    을 포함하며,
    상기 트랜지스터들과 상기 전기 버스들 간의 상기 접촉점들과, 상기 전기 버스들의 실질적인 전부가 대기로부터 실질적으로 밀폐되도록, 실질적으로 상기 전기 버스들과 상기 트랜지스터들 간의 상기 접촉점들 전부와, 상기 전기 버스들 전부는 절연물로 덮히며,
    상기 전기 버스들 중 적어도 두 개는 서로 병렬 관계에 있고, 이 둘 사이에 위치된 절연체를 가지며,
    병렬 관계에 있는 상기 전기 버스들 각각은 상기 전기 버스들을 상기 트랜지스터들에 전기적으로 연결하기 위해서 상기 전기 버스들로부터 연장하는 플랜지들을 가지는, 인버터 어셈블리.
  21. 제20항에 있어서, 병렬 관계에 있는 상기 전기 버스들이 상기 트랜지스터들에 직각이 되도록, 병렬 관계에 있는 상기 전기 버스들 각각이 상기 트랜지스터들에 접속되는, 인버터 어셈블리.
  22. 제19항에 있어서, 상기 절연체는 적층된 마이카인, 인버터 어셈블리.
  23. AC 드라이브에서 사용하기 위한 인버터 어셈블리에 있어서,
    상기 인버터 어셈블리는,
    열 교환기;
    상기 열 교환기에 열적으로 연결된 다수의 트랜지스터들;
    다수의 커패시터들; 및
    상기 트랜지스터들 및 상기 커패시터들 각각에 개별적으로 위치된 접촉점들에서 상기 트랜지스터들을 상기 커패시터들에 전기적으로 연결하는 다수의 전기 버스들
    을 포함하며,
    상기 트랜지스터들과 상기 전기 버스들 간의 상기 접촉점들과, 상기 전기 버스들의 실질적인 전부가 대기로부터 실질적으로 밀폐되도록, 실질적으로 상기 전기 버스들과 상기 트랜지스터들 간의 상기 접촉점들 전부와, 상기 전기 버스들 전부는 절연물로 덮히며,
    상기 전기 버스들 중 적어도 두 개는 서로 병렬 관계에 있고, 이 둘 사이에 위치된 절연체를 가지며,
    인가된 상기 절연물은 상기 전기 버스들 사이에 위치하는 상기 절연체의 표면의 적어도 일부에 스며들어, 상기 표면의 적어도 일부로부터 공기를 제거하는, 인버터 어셈블리.
  24. 제17항에 있어서, 상기 절연물은 실리콘 기반인, 인버터 어셈블리.
  25. 제17항에 있어서, 상기 절연물은 RTV 실리콘인, 인버터 어셈블리.
  26. 제17항에 있어서, 상기 절연물은 28의 Shore A 경도를 갖는, 인버터 어셈블리.
  27. 제17항에 있어서, 상기 절연물은, 상기 전기 버스들 전부와 상기 전기 버스들과 상기 트랜지스터들 사이의 상기 접촉점들 전부가 상기 대기로부터 실질적으로 밀폐되도록, 상기 전기 버스들 전부와 상기 전기 버스들과 상기 트랜지스터들 사이의 상기 접촉점들 전부를 덮는, 인버터 어셈블리.
  28. 제17항에 있어서, 상기 열 교환기는 상기 트랜지스터들이 열적으로 연결되는 증발 판(evaporator plate)을 포함하고, 상기 절연물은 상기 증발 판 전부를 실질적으로 덮는, 인버터 어셈블리.
  29. 삭제
  30. 제17항에 있어서, 상기 절연물은, 상기 전기 버스들 전부 및 상기 접촉점들 전부가 상기 대기로부터 실질적으로 밀폐되도록, 상기 전기 버스들 전부 및 상기 접촉점들 전부를 덮는, 인버터 어셈블리.
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