KR20080087107A - Variable frequency drive system apparatus and method for reduced ground leakage current and transistor protection - Google Patents
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Abstract
Description
종래의 정현파 AC 전원은 고정된 모터 속도만을 제공하며 부하 조건의 변경에 신속하게 응답할 수 없다. 가변 주파수 드라이브 (VFD)의 발전으로, 저 에너지 비용으로 더 나은 성능의 모터가 성취될 수 있다. VFD 구동 모터는 예를 들어, 쇼크 부하에 응답하여, 부하 조건의 변경에 신속히 응답한다. VFD 구동 모터는 뿐만 아니라, 정밀 토크 출력과 연속적인 속도 제어를 제공한다. 이런 많은 장점 때문에, 산업 분야에서 VFD의 이용이 점차 늘고 있다.Conventional sinusoidal AC power supplies only fixed motor speeds and cannot respond quickly to changes in load conditions. With the development of variable frequency drives (VFDs), better performance motors can be achieved at low energy costs. The VFD drive motor responds quickly to changes in load conditions, for example in response to shock loads. The VFD drive motors also provide precision torque output and continuous speed control. Because of these many advantages, the use of VFDs in industry is increasing.
종래의 중간 전압 VFD 구동 모터 시스템이 도 1과 관련하여 이하 설명된다. DC 버스(20)의 중간 지점 N(26)은 절연 저하와 구성 요소 이상을 초래하는 잠재적인 전압 스파이크로부터 트랜지스터 스위치를 보호하기 위해 접지된다. 인버터 브리지의 트랜지스터의 방열판은 또한 접지되어 있는데, 접지 연결은 도 1에 나타내지 않았다. 도 2a는 방열판(126)을 통한 인버터 브리지 트랜지스터 모듈의 접지를 나타내며 이하 더 상세히 설명한다. 도 1을 다시 참조하면, 세 개의 위상 케이블(30)은 VFD(50)의 출력 단자(52)에 일 단이 연결된다. 케이블(30)은 단위 길이 당 고유 용량을 갖는다. 총 케이블 용량은 CC(32)로 나타낸다. 이들 케이블은 모터 M(40)에 보급되고, 이는 또한 CM(42)로 나타낸 권선으로 인해 용량 및 ZM(44)으로 나타낸 모터 임피던스를 갖는다. A conventional medium voltage VFD drive motor system is described below in connection with FIG. The
도 3a는 종래의 VFD 구동 모터 시스템, 예를 들어 도 1에 나타낸 드라이브 시스템의 개략적인 회로도(300)이다. 스위치 S(60)는 VFD(50)으로부터 출력되는 전압 변화를 표시한다. 스위치 S(60)의 폐쇄시, VFD(50)으로부터 출력되는, 접지된 중간으로부터 DC 버스(20)의 양의 전위(22)이나 음의 전위(23)로의 전압 변화가 회로(300) 상에 부여된다. 접지 누설 전류 IGND(200)는 모터 용량 CM(42) 및 케이블 용량 CC(32)으로 인한 전압 변화와의 접지 연결부에서 자유롭게 흐른다. 인버터 브리지 용량 CIB(62)는 어스 접지 TE(80)와의 중간 지점 N(26) 연결의 단락 회로와 병렬로 중간 지점 N(26)으로부터 장치 접지 PE(70) 및 어스 접지 TE(80)에 연결된다. 이 종래의 구성에서는 CIB(62)가 접지에 대한 단락 회로 연결부와 병렬 상태이기 때문에, CIB(62)는 무시할 정도로 접지 누설 전류에 기여하게 된다.FIG. 3A is a schematic circuit diagram 300 of a conventional VFD drive motor system, for example the drive system shown in FIG. 1. The
고성능과 저 전력 소모로, VFD는 팬과 펌프 부하를 포함하기 위해서, 다양한 요구의 적용 분야에서 요망된다. 그러나, 중간 전압 적용시 VFD의 이용은 낮은 접지 누설 전류가 필요한 경우 복잡할 수 있다. 잠재적으로 폭발적인 환경이나 전자기 간섭 (EMI)의 감소를 필요로 하는 환경에서는 저 접지 누설 전류가 필요할 수 있다. MHz 범위 까지의 고 주파수 접지 누설 전류는 예를 들어, 무선 수신기, 컴 퓨터, 바코드 시스템 및 비전 시스템에서 EMI을 유도할 수 있다.With high performance and low power consumption, VFDs are desired in a variety of application areas to cover fan and pump loads. However, the use of VFD in medium voltage applications can be complicated when low ground leakage current is required. Low ground leakage currents may be needed in potentially explosive environments or in environments requiring reduction of electromagnetic interference (EMI). High frequency ground leakage currents up to the MHz range can induce EMI, for example, in wireless receivers, computers, bar code systems, and vision systems.
저 접지 누설 전류를 필요로 하는 적용 분야의 일 예는 지하 채광이 있다: 이 지하 채광 환경은 고유의 조건과 안전 표준을 갖는다. 지하 채광 모터는 중간 전압 범위 (690V와 15kV 사이)가 바람직하고 통상 4,160V에서 구동된다. 4,160V 출력을 제공하는 종래의 중간 전압 VFD는 10암페어를 초과하는 접지 누설 전류 IGND(200)을 만들어낼 수 있고, 이 전류는 접지 와이어에서 VFD(50)으로부터 모터 M(40)으로 흐른다. 중간 전압 모터를 이용하는 것은 더 작은 케이블의 이용을 원활하게 하지만, 최대 허용되는 구동 모터 접지선 누출 전류 IGND(200)는 1Amp 이하일 수 있다.An example of an application requiring low ground leakage currents is underground mining: this underground mining environment has its own conditions and safety standards. Underground mining motors preferably have an intermediate voltage range (between 690V and 15kV) and are typically driven at 4160V. A conventional intermediate voltage VFD that provides a 4160V output can produce a ground
종래의 AC 정현파 모터 드라이브와 달리, VFD는 마이크로초의 시순서로 전압 변화를 출력한다. 따라서, 더 큰 접지 누설 전류는 비교적 낮은 전압, 예를 들어 690볼트에서도 VFD 구동 모터 시스템에 내재하는 용량 CM 및 CC로 인해 유도된다. 도 3a와 관련하여, DC 버스(20)의 중간 지점 N(26)을 TE 접지(80)과 분리하게 되면 접지 누설 전류를 감소시키는 실용적인 수단이 된다. 중간 지점 N(26)을 종래의 VFD 시스템(302)의 접지와 분리하는 개략적인 설명은 도 3b에서 나타내었다. 도 3b에서 나타낸 바와 같이, DC 버스의 중간 지점 N(26)을 TE 접지(80)에서 분리하는 것은 접지 전류 누설 전류 IGND(202)에 대한 회로 모델을 변경시킨다. 인버터 브리지 용량 CIB(62)은 이제 케이블 용량 CC(32)와 모터 용량 CM(42)의 병렬 결합과 직렬 상태이다. 이로 인해 총 시스템 용량의 감소로 인해 접지 누설 전류에 대한 임피던스가 높아진다. 그러나, 중간 지점 N(26)와 TE 접지(80)의 분리는 인버터 브리지의 트랜지스터 S1-S12가 전압 스파이크에 영향을 받기 쉽게 한다.Unlike conventional AC sine wave motor drives, the VFD outputs a voltage change in the order of microseconds. Thus, larger ground leakage currents are induced due to the capacitances C M and C C inherent in the VFD drive motor system even at relatively low voltages, for example 690 volts. With reference to FIG. 3A, separating the
DC 버스의 중간 지점 N(26)을 TE 접지(80)와 분리하는 것은 트랜지스터를 DC 버스의 중간 지점 N(26)에 대해 부유 상태로 만든다. 완전 DC 버스 전위에서의 전압 스파이크는 인버터 브리지의 트랜지스터 양단에 인가될 수 있다. 도 2a를 참조하면, 이들 전압 스파이크는 얇은 절연체(124) 양단에서 트랜지스터의 반도체 기판(122) 및 트랜지스터의 방열판(126) 사이에 전송된다.Separating the
낮은 구동 전압을 위해서, 양과 음의 DC 버스 간의 차이 이상으로 정격된 유효 트랜지스터가 TE 접지로부터 분리되어 부유 상태인 DC 버스의 중간 지점을 갖는 VFD 시스템에서 이용될 수 있다. 이 구성은 예를 들어, SMC's Microdrive 2,300V model에서 성공적으로 이용된다. 그러나, 더 높은 VFD 전압 출력이 필요하거나 요망될 때 또한 전 DC 버스 전위로 정격된 트랜지스터가 실용적이지 않을 때, 전 DC 버스 전위 스파이크로부터 트랜지스터를 보호하는 것이 구성 요소 수명과 이상의 감소를 방지하는 데에 필요하다. VFD 드라이브 애플리케이션에는 많은 도전 과제가 존재한다. 하나의 과제는 예를 들어, VFD, 특히 인버터 브리지를 보호하면서 누설 접지 전류를 감소시키는 것이다. 다른 과제는 가능한 한 접지 누설 전류를 감소시키는 것이다.For low drive voltages, an effective transistor rated above the difference between the positive and negative DC buses can be used in a VFD system having a midpoint of a floating DC bus separated from TE ground. This configuration has been successfully used, for example, on SMC's Microdrive 2,300V model. However, when a higher VFD voltage output is needed or desired, and when a transistor rated at full DC bus potential is not practical, protecting the transistor from full DC bus potential spikes can be used to prevent component life and reduction of anomalies. need. Many challenges exist for VFD drive applications. One challenge is to reduce leakage ground currents, for example, while protecting VFDs, especially inverter bridges. Another challenge is to reduce the ground leakage current as much as possible.
다른 애플리케이션에서, 도전 과제는 4160V 보다 크게 정격된 모터에 신뢰성 VFD 시스템을 제공하는 것이다. 예를 들어, 4160V 이상으로 정격된 모터에 대해, 6.9kV 출력을 제공하는 VFD가 요망된다. 그러나, 6.9kV로 VFD를 제조하기 위해 현재 이용 가능한 트랜지스터는 트랜지스터 절연과 타협하여야 하고 구성 요소 이상의 문제가 일어나기 쉽다. 11.5kV로 정격된 DC 버스는 6.9kV의 VFD 출력을 취득하기 위해 필요하다. 인버터 브리지 트랜지스터는 5,100V의 절연 정격에서 이용 가능하다. DC 버스의 중간 지점이 접지될 때에도, 트랜지스터 모듈 절연(124) (도 2a) 파괴 전압 (5,100V)은 DC 버스 (11.5kV) 상의 전위의 절반 미만이다. VFD 시스템의 또 다른 과제는 트랜지스터가 DC 버스 전압의 절반 미만으로 정격될 때 4160V 보다 큰 VFD 출력 전압을 제공하기 위해 직렬 연결된 트랜지스터를 포함하는 인버터 브리지를 보호하는 데에 있다.In other applications, the challenge is to provide a reliable VFD system for motors rated greater than 4160V. For example, for a motor rated above 4160V, a VFD that provides a 6.9kV output is desired. However, currently available transistors for manufacturing VFD at 6.9 kV have to compromise transistor isolation and are more prone to component problems. A DC bus rated at 11.5 kV is required to obtain a VFD output of 6.9 kV. Inverter bridge transistors are available with an insulation rating of 5100V. Even when the midpoint of the DC bus is grounded, the transistor module isolation 124 (FIG. 2A) breakdown voltage 5100V is less than half of the potential on the DC bus 11.5 kV. Another challenge of the VFD system is to protect the inverter bridge including the series-connected transistors to provide VFD output voltages greater than 4160V when the transistors are rated to less than half the DC bus voltage.
<발명의 개요><Overview of invention>
본 발명은 인버터 브리지를 보호하면서, VFD 구동 모터 시스템의 접지 누설 전류의 감소를 제공한다.The present invention provides a reduction in the ground leakage current of the VFD drive motor system while protecting the inverter bridge.
본 발명의 목적은 VFD 구동 모터 시스템의 접지 누설 전류를 감소하는 것이다.It is an object of the present invention to reduce the ground leakage current of a VFD drive motor system.
본 발명의 다른 목적은 DC 버스의 중간 지점을 부유시켜 접지 누설 전류를 감소시키는 것이다.Another object of the present invention is to float the midpoint of the DC bus to reduce ground leakage current.
본 발명의 다른 목적은 전압 스파이크로 인한 구성 요소 이상으로부터 VFD를 보호하면서 DC 버스의 중간 지점을 부유시키는 것이다.Another object of the present invention is to float the midpoint of the DC bus while protecting the VFD from component anomalies due to voltage spikes.
본 발명의 다른 목적은 접지 누설 전류에 대한 임피던스를 증가시키는 것이 다.Another object of the present invention is to increase the impedance to ground leakage current.
본 발명의 다른 목적은 접지에 대한 시스템 용량을 감소시키면서 중간 전압 VFD 구동 모터 시스템의 접지 누설 전류를 더욱 감소시키는 것이다.Another object of the present invention is to further reduce the ground leakage current of the medium voltage VFD drive motor system while reducing the system capacity to ground.
본 발명의 또 다른 목적은 VFD 모터 구동 시스템의 접지에 대한 총 용량을 감소시키는 것이다.Another object of the present invention is to reduce the total capacity to ground of the VFD motor drive system.
본 발명의 다른 목적은 VFD 트랜지스터 모듈 방열판과 접지된 냉각판 사이에 배치된 고 유전 강도와 저 유전 상수 판을 이용하여 VFD 모터 구동 시스템의 접지에 대한 총 용량을 감소시키는 것이다.Another object of the present invention is to reduce the total capacity to ground of the VFD motor drive system by using a high dielectric strength and low dielectric constant plate disposed between the VFD transistor module heat sink and the grounded cold plate.
본 발명의 다른 목적은 VFD의 DC 버스의 중간 지점이 접지될 때 부가의 유효 절연을 이용하여 전 DC 버스 전위의 절반 미만으로 정격된 트랜지스터를 갖는 VFD 시스템에서 인버터 브리지 신뢰도 및 구성 요소의 수명을 증진시키는 것이다.It is another object of the present invention to improve inverter bridge reliability and component life in VFD systems with transistors rated to less than half the full DC bus potential with additional effective isolation when the midpoint of the VFD's DC bus is grounded. It is to let.
본 발명의 예시의 실시예는 저, 중간, 및 고 전압 구동 적용 분야에서 이용될 수 있다.Exemplary embodiments of the present invention can be used in low, medium, and high voltage drive applications.
본 발명의 목적에 따르면, 본 발명의 예시적 실시예에 따른 장치에서 DC 버스의 중간 지점은 접지로부터 분리된 부유 상태이다.According to the object of the present invention, the midpoint of the DC bus in the device according to an exemplary embodiment of the present invention is a floating state separated from ground.
다른 예시적 실시예에 따른 장치에서, 고 열 전도성, 고 유전 강도, 및 저 유전 상수를 갖는 전기적 절연판은 트랜지스터 반도체 기판과 냉각판 사이에 열적 및 전기적으로 연결되어 있다.In an apparatus according to another exemplary embodiment, an electrically insulating plate having high thermal conductivity, high dielectric strength, and low dielectric constant is thermally and electrically connected between the transistor semiconductor substrate and the cold plate.
다른 예시적 실시예에 따른 장치에서, 공통 모드 필터는 VFD의 출력에 설비된다.In an apparatus according to another exemplary embodiment, the common mode filter is equipped at the output of the VFD.
본 발명의 실시예에 따른 방법은 DC 버스의 중간 지점을 부유시키는 단계와 유전 기판을 이용하여 접지 누설 경로의 임피던스를 증가시키는 단계를 포함한다.The method according to an embodiment of the present invention includes floating the midpoint of the DC bus and increasing the impedance of the ground leakage path using a dielectric substrate.
본 발명의 실시예에 따른 다른 방법은 유전 기판을 이용하여 접지 누설 경로의 임피던스를 증가시키는 단계와 상기 VFD의 트랜지스터 모듈의 유전 강도를 전 DC 버스 전압 이상으로 증가시키는 단계를 포함한다.Another method according to an embodiment of the present invention includes increasing the impedance of the ground leakage path using a dielectric substrate and increasing the dielectric strength of the transistor module of the VFD above the full DC bus voltage.
본 발명의 다른 실시예에 따른 다른 방법은 DC 버스의 중간 지점을 부유시키는 단계와, 유전 기판을 이용하여 접지 누설 경로의 임피던스를 증가시키는 단계와, VFD 시스템의 삼상 드라이브 케이블 양단에 공통 모드 필터를 설비하는 단계를 포함한다. Another method according to another embodiment of the present invention is to float the midpoint of the DC bus, increase the impedance of the ground leakage path using a dielectric substrate, and apply a common mode filter across the three phase drive cable of the VFD system. Installing.
본 발명의 다른 목적 및 장점은 당업자에게는 첨부한 도면을 참조하는 다음 설명으로부터 명확하게 될 것이다.Other objects and advantages of the present invention will become apparent to those skilled in the art from the following description with reference to the accompanying drawings.
도 1은 종래의 VFD 구동 모터 시스템을 나타낸다.1 shows a conventional VFD drive motor system.
도 2a는 종래의 VFD 시스템에 따른 트랜지스터 모듈의 절연판 양단의 인버터 브리지의 접지와 결과된 인버터 브리지 용량을 나타낸다.Figure 2a shows the grounding of the inverter bridge across the insulation plate of the transistor module and the resulting inverter bridge capacitance in accordance with a conventional VFD system.
도 2b는 본 발명의 실시예에 따라서 트랜지스터 모듈의 절연판, 모듈의 방열판, 및 전기 절연되고 고유전 강도, 저 유전 상수와 고 열 전도성 판 양단에서 인버터 브리지와 접지간의 직렬 연결을 나타낸다.2B illustrates a series connection between an inverter bridge and ground across an insulating plate of a transistor module, a heat sink of the module, and an electrically insulated, high dielectric strength, low dielectric constant and high thermal conductive plate in accordance with an embodiment of the present invention.
도 3a는 예를 들어 도 1에서 나타낸 바와 같이, 인버터 브리지의 용량을 포함하기 위해, 종래의 VFD 시스템에서의 접지 전류 루프의 개략적 대표도를 나타낸 다. FIG. 3A shows a schematic representation of the ground current loop in a conventional VFD system to include the capacity of an inverter bridge, for example as shown in FIG. 1.
도 3b는 본 발명의 부재시 DC 버스 상에 부유 중간 지점을 갖는 VFD 시스템의 개략적 대표도를 나타낸다.3B shows a schematic representation of a VFD system with floating midpoints on a DC bus in the absence of the present invention.
도 4는 트랜지스터 모듈의 용량과 저 유전 상수 절연판의 용량을 나타내는, 본 발명의 예시적 실시예를 구현하는 VFD 시스템에서의 접지 전류 루프의 개략적 대표도이다.4 is a schematic representation of a ground current loop in a VFD system implementing an exemplary embodiment of the present invention, showing the capacitance of a transistor module and the capacitance of a low dielectric constant isolator.
도 5는 삼상 구동 케이블에 설비된 공통 모드 필터를 포함하는 본 발명의 다른 예시적 실시예를 나타낸다.5 shows another exemplary embodiment of the present invention including a common mode filter installed in a three phase drive cable.
도 6은 VFD 파워 반도체 모듈과 접지된 냉각판 사이의 전기적 절연과 열 전도를 가능하게 하며 VFD 파워 반도체 모듈을 절연판에 고정하고 절연판을 접지 냉각판에 고정하는 장착 수단의 예시적 실시예를 나타낸다.6 shows an exemplary embodiment of mounting means for enabling electrical insulation and heat conduction between the VFD power semiconductor module and the grounded cold plate, securing the VFD power semiconductor module to the insulation plate and securing the insulation plate to the ground cooling plate.
본 발명은 인버터 브리지의 트랜지스터를 과도한 전압 스파이크에 노출시키지 않고 DC 버스의 중간 지점 N이 부유되게 함으로써 접지 누설 전류를 감소시킨다.The present invention reduces ground leakage current by allowing the midpoint N of the DC bus to float without exposing the transistors of the inverter bridge to excessive voltage spikes.
먼저 도 2a를 참조하면, 트랜지스터 모듈의 인버터 브리지의 종래 방식의 접지를 나타낸다. 인버터 브리지의 접지는 트랜지스터 모듈의 방열판(126)을 통한다. 용량 CIB(62)은 얇은 절연판(124) 양단에서 반도체 기판(122)와 방열판(126) 사이에 형성된다. 반도체 기판(122), 얇은 절연판(124), 및 방열판(126)은 함께 종래의 VFD 파워 반도체 모듈을 형성하고, 이는 또한 VFD 트랜지스터 모듈로도 불린다. 방열판(126)은 접지된 냉각판(130) 상에 장착되며 이에 전기적으로 연결된다.Referring first to FIG. 2A, a conventional ground of the inverter bridge of a transistor module is shown. The ground of the inverter bridge is through the
도 2b는 본 발명의 예시의 실시예에 따른 인버터 브리지의 접지를 나타낸다. 트랜지스터 모듈의 반도체 기판(122), 절연판(124) 및 방열판(126)은 도 2a의 종래의 접지 수단에서와 같이 함께 연결된다. 그러나, 예시의 실시예에 따르면, 고 유전 강도, 저 유전 상수 및 고 열 전도성을 갖는 전기 절연판 P(175)이 방열판(126)과 접지된 냉각판(130) 사이에 장착된다. 방열판은 통상 알루미늄 실리콘 카바이드로 이루어진다. 그러나, 방열판(126)은 반드시 알루미늄 실리콘 카바이드로 이루어질 필요는 없고; 양호한 전기 전도성 및 열 전도성을 제공하는 재료가 적당히 대체될 수 있다.2B illustrates grounding of an inverter bridge in accordance with an exemplary embodiment of the present invention. The
인버터 브리지 반도체 기판(122)은 판 P(175)을 통해 냉각판(130)에 열적으로 결합되고 이와 전기적으로 절연된다. 절연판 P의 유전 상수가 낮기 때문에, 적은 용량 CP(176)이 트랜지스터 모듈의 방열판(126)과 냉각판(130) 사이에 형성된다. 이 용량은 트랜지스터 내부 커패시터 CIB(62) 보다 더 적고 이와 직렬 연결된다 (도 2a, 2b 및 4). 용량 CIB(62)은 반도체 기판 표면(122) 및 트랜지스터 방열판(126) 사이의 용량 결합의 부산물로서, 이들은 도 2a에서 나타낸 바와 같이, 얇은 절연체(124)와 서로 절연되어 있다.The inverter
도 3a를 참조하면, 종래의 인버터 브리지에서, DC 버스(20)의 중간 지점 N(26)와 CIB(62)의 일단을 동일한 TE 접지(80)로 접지시키면 매 펄스 변이마다 형성되는 변위 전류에 대해 DC 버스로의 경로를 형성하게 된다. 이 접지는 하나의 트랜지스터가 인버터 브리지의 다른 트랜지스터에 영향을 미치지 못하게 한다. 더욱 특히, DC 버스(20)의 중간 지점 N(26)의 접지 제거는 도 3b에 나타낸 바와 같이, CIB(62)의 일측이 DC 버스의 중간 지점 N(26)에 대해 부유 상태가 되게 하고, 이는 냉각판(130)을 통해 상호 연결되는 각 트랜지스터 용량 CIB(62)를 거쳐 인버터 브리지의 트랜지스터 사이에 변위 전류 크로스토크를 허용한다. 이 크로스토크는 트랜지스터 모듈의 반도체 기판(122)과 그의 방열판(126) 사이에 과도한 전압 스파이크를 초래할 수 있으며, 이는 구성 요소의 이상을 가져올 수 있다.Referring to FIG. 3A, in the conventional inverter bridge, when one end of the
당업자라면 모듈이나 개별적인 베이스 고전압 IGBT 트랜지스터는 DC 버스의 중간 지점이 접지될 필요가 있다는 것을 알 것이다. 이러한 접지는 트랜지스터 단자와 냉각판 사이의 최대 전압이 최대 DC 버스 전압의 절반 뿐인 것을 확실히 해준다. 중간 지점이 접지에서 분리되면, 트랜지스터 모듈의 반도체 기판과 그의 방열판 사이에 형성된 커패시터 CIB는 냉각판(130) 측에서 여전히 접지 상태이다. 인버터 브리지 용량은 이제 DC 버스 양 및 음의 전압(22/23)에 상대적으로 부유 상태가 되고 접지된 냉각판(130)을 거쳐 인버터 브리지의 다른 트랜지스터의 내부 용량 CIB(62)에 전기적으로 연결된다. DC 버스의 양의 전압에 부착된 트랜지스터가 턴오프되면, 반도체 기판은 DC 버스의 양의 전압에 직접 연결된다. 다음에, 음의 전압에 연결된 트랜지스터가 턴온되면, 이는 내부 트랜지스터 용량 CIB(62)가 DC 버스의 음의 전압 전위로 충전되게 한다. 모든 트랜지스터의 각 내부 커패시터 CIB(62)의 양측이 함께 연결되기 때문에, 양의 전압에 연결되는 트랜지스터의 반도체 기판은 전 DC 버스 전압을 받게 된다. 통상의 경우, 전 DC 버스 전압은 트랜지스터의 절연 전압 정격 보다 상당히 커서 트랜지스터에 대한 손상이 발생한다.Those skilled in the art will appreciate that the module or individual base high voltage IGBT transistors need to be grounded at the midpoint of the DC bus. This grounding ensures that the maximum voltage between the transistor terminals and the cold plate is only half the maximum DC bus voltage. When the intermediate point is separated from the ground, the capacitor C IB formed between the semiconductor substrate of the transistor module and its heat sink is still grounded on the
도 4는 예를 들어 도 2b에서 나타낸 바와 같이, 절연판 P(175)이 결합된 본 발명에 따른 VFD 시스템의 예시적 실시예의 개략적 대표도(304)이다. 절연체 판 용량 CP(176)은 현재 CIB(62)와 직렬 상태이다. 절연체 판 용량 PC(176)은 TE 접지된 냉각판(130)에 연결된다. CIB 및 CP의 직렬 용량은 전압원 V(140)에 대한 복귀 경로에 고 임피던스를 제공하여, 접지 누설 전류 IGND(204)를 감소시킨다. 절연판 P(175) (도 2b)은 또한 냉각판과 파워 반도체 간의 절연 강도를 증가시킨다. 총 시스템 용량 CSYS는 도 4에 나타낸 회로에 대응하는 수학식 1 및 2에 의해 나타내내 바와 같이 감소된다. 먼저, 수학식 1에서, 우리는 VFD의 용량, CVFD을 정의한다.4 is a schematic representation 304 of an exemplary embodiment of a VFD system according to the present invention with an insulating
다음에 총 시스템 용량 CSYS의 감소는 수학식 3에 따른 VFD의 출력에서의 전압 변화로부터 접지 누설 전류 IGND(204)를 감소시킨다.The reduction of the total system capacity C SYS then reduces the ground
표 1 및 표 2에 나타낸 다음 실험 데이터는 본 발명의 예시의 실시예의 존재와 부재시 취득되며 그 유효성을 확인해준다. 표 1은 제어 조건 하에서 취득된 데이터를 요약한다. VFD 모듈은 4160V 출력 마이크로드라이브 (SMC Electrical Products, 미국 특허 제6,822,866호)이다. 모터는 4000V 이하로 정격된 500HP 유도 모터이다. 접지 전류 측정은 30, 250 및 1300 피트의 삼상 실드 케이블 길이에 대해 행해진다. 접지 전류는 VFD의 출력 단자에서 그리고 모터에서 연속하여 측정된다. VFD는 1kHz에서 스위칭하고 모터 속도는 30퍼센트로 유지된다. 도 3b에서 나타낸 바와 같이, DC 버스의 중간 지점 N이 절연판 P(175)의 부재시 접지와 분리되고 부유 상태일 때 측정 제어는 행해질 수 없다. 중간 지점 N과 접지의 분리는 인버터 브리지의 트랜지스터가 오직 얇은 절연체(124)에 의해서만 보호되게 하고, 이는 예측되며 상술된 바와 같이, 크로스토크로 인한 구성 요소의 이상을 초래한 다. 1.5μF의 커패시터는 중간 지점 N에서 접지로 직렬 그리고 CIB와 병렬 연결되어, 매우 높은 임피던스 경로로 작용하게 되며, 이로 인해 개방 회로 보다 더욱 보호성을 제공하게 된다. 1.5μF의 커패시터는 인버터 브리지를 희생하지 않고 중간 지점에서 접지로의 고 임피던스 경로를 제공한다. 표 1은 절연판 P(175) 없이 취득된 제어 데이터를 요약한다. 표 1-3에서의 현재 값은 RMS이다.The following experimental data shown in Tables 1 and 2 are obtained in the presence and absence of exemplary embodiments of the present invention and confirm their validity. Table 1 summarizes the data obtained under control conditions. The VFD module is a 4160V output microdrive (SMC Electrical Products, US Pat. No. 6,822,866). The motor is a 500HP induction motor rated at 4000V or less. Ground current measurements are made for three-phase shielded cable lengths of 30, 250, and 1300 feet. Ground current is measured continuously at the output terminal of the VFD and at the motor. VFD switches at 1kHz and the motor speed is maintained at 30 percent. As shown in FIG. 3B, measurement control cannot be performed when the intermediate point N of the DC bus is separated from the ground in the absence of the insulating
[표 1]TABLE 1
30, 250 및 1300 피트의 케이블 (Amps)에 대한 접지 전류 측정Ground Current Measurements for Cables of 30, 250, and 1300 Feet
질화 붕소판 없음No boron nitride plate
30' 250' 1300' 30 '250' 1300 '
표 2는 본 발명의 예시의 실시예를 이용하여 취득된 실험 데이터를 요약한다. 테스트 조건은 다음의 테스트 조건이 변형되고 상기 제어 조건의 것과 동일하다. 절연판 P(175)이 방열판(126)과 냉각판(130) 사이에 설비된다 (도 2b 및 6에 나타냄). DC 버스의 중간 지점 N은 접지와 분리되며 부유 상태이다. 이 예의 테스트 실시예에서, 절연판 P은 질화 붕소로 만들어진 세라믹이다. 도 4은 표 2에서 요약된 테스트 조건의 개략적 대표도이다.Table 2 summarizes the experimental data obtained using an exemplary embodiment of the present invention. The test condition is the same as that of the control condition in which the following test condition is modified. An insulating
[표 2]TABLE 2
30,250 및 1300 피트의 케이블 (Amps)에 대한 접지 전류 측정 Ground Current Measurements for Cables of 30,250 and 1300 Feet
질화 붕소판 있음In boron nitride plate
30' 250' 1300' 30 '250' 1300 '
도 5의 예에 대해 나타낸 공통 모드 필터 (CMF(150))을 포함하는 다른 예시의 실시예에 따른 시스템에 대해 부가의 실험 측정이 행해진다. CMF(150), 변압기 및 저항기 밸러스트는 VFD 출력을 모터에 연결하는 삼상 케이블 양단에 결합된다. 아래 표 3의 데이터는 전속도의 50 퍼센트로 작동하는 500HP 유도 모터로 획득된다. 모든 다른 테스트 조건은 표 2에서 요약된 테스트 데이터를 획득하기 위해 이용되는 것과 동일하다. VFD는 1kHz의 주파수에서 스위칭한다. 접지 전류 측정은 VFD의 출력 단자와 모터에서 행해진다. 나타낸 전류 값은 상기와 같이 RMS이다.Additional experimental measurements are made on a system according to another example embodiment that includes a common mode filter (CMF 150) shown for the example of FIG. 5. The CMF 150, transformer and resistor ballasts are coupled across a three phase cable connecting the VFD output to the motor. The data in Table 3 below is obtained with a 500HP induction motor operating at 50 percent of full speed. All other test conditions are the same as those used to obtain the test data summarized in Table 2. VFD switches at a frequency of 1kHz. Ground current measurements are made at the output terminals of the VFD and at the motor. The current value shown is RMS as above.
[표 3]TABLE 3
250 피트의 케이블 (Amps)에 대한 접지 전류 측정 Ground current measurement for 250 feet of cable (Amps)
질화 붕소판 있음In boron nitride plate
No CMF CMF No CMF CMF
상기 표 3의 데이터로부터 알 수 있는 바와 같이, 접지 누설 전류는 본 발명의 다른 예시의 실시예에 따른 질화 붕소 세라믹판과 CMF의 설비로, 무시할 정도의 양 50mA로 감소된다. As can be seen from the data in Table 3, the ground leakage current is reduced to a negligible amount of 50 mA in the installation of the boron nitride ceramic plate and the CMF according to another exemplary embodiment of the present invention.
질화 붕소판은 상술된 실험 데이터 획득을 위해 예시의 실시예에서 이용되는 반면, 본 발명에 따라 설명된 원하는 유전 및 열적 특성을 갖는 다른 산화 및 질화 물 재료나 그 외 절연 성분이 이용될 수 있다. 예를 들어, 원하는 유전 특성 및 우수한 열적 도전을 갖는 합성 다이아몬드판이 이용될 수 있다.While boron nitride is used in the exemplary embodiment for obtaining the above experimental data, other oxide and nitride materials or other insulating components having the desired dielectric and thermal properties described according to the present invention may be used. For example, synthetic diamond plates with the desired dielectric properties and good thermal conductivity can be used.
도 2b에 나타낸 바와 같이, 절연판(175)의 설비는 본 발명의 다른 목적을 제공하며, 이는 접지된 DC 버스의 중간 지점을 갖는 신뢰성 VFD 시스템을 구축할 때 전 DC 버스 전위의 절반 미만으로 정격된 트랜지스터의 이용을 가능하게 한다. 예를 들어, 4160V 이상으로 정격된 모터에 대해, 4160V 보다 큰 출력 전압, 예를 들어, 6.9kV을 제공하는 VFD가 바람직하다. 11.5kV로 정격된 DC 버스는 VFD에 쉽게 이용 가능하며 6.9kV의 VFD 출력을 제공하기 적합하다. 인버터 브리지를 구축하는 트랜지스터는 5,100V의 정격에서 쉽게 이용 가능하다. 중간 지점이 접지될 때에도, 트랜지스터 절연 (즉, 도 2a의 요소(124)) 파괴 전압 (5100V)은 DC 버스 11.5kV 상의 전 전위의 절반 미만이다. 도 2b에서 나타낸 바와 같이, 상술된 충분한 유전 강도를 갖는 절연판 P(175)의 절연은 CIB 만과 비교하여 CIB와 직렬 상태인 CP의 효과와 유사한 인버터 브리지 트랜지스터의 유효 절연을 증가시킨다. 절연의 증가는 구성 요소 수명과 시스템 신뢰도를 개선한다. 따라서, 절연판 P(175)의 설비는 다수의 트랜지스터가 직렬 연결되어 (예를 들어, 도 1 및 5에서 나타냄, S1-S12) 공통 냉각판 (130) (예를 들어, 도 2b에서 나타냄)에 의해 냉각되게 하여, 단일의 접지된 냉각판의 장점을 보유하면서, 전 DC 버스 전압의 절반 이하로 정격된 현재 이용 가능한 트랜지스터를 이용하여 저비용으로 고출력 전압 VFD 시스템을 성취할 수 있다. As shown in FIG. 2B, the provision of
도 6은 VFD 파워 반도체 모듈(50)과 접지된 냉각판(130) 사이의 전기적 절연 및 열적 도전을 가능하게 하며 절연판(175)에 파워 반도체를 고정하고 접지된 냉각판(130)에 절연판을 고정하는 장착 수단의 예시의 실시예를 나타낸다. VFD 파워 반도체 모듈(50) (또는 도 2a 및 도 2b에서 나타냄)은 절연판(175)에 고정되게 장착되고, 이는 L 형상의 스틸 브래킷(180)을 이용하여 접지된 냉각판(130)에 고정되게 장착된다. 브래킷(180)은 일단에서 냉각판(130)에 직접 고정되고 다른 단에서 세트 나사(182)와 세라믹 펠릿(184)을 통해 VFD 파워 반도체 모듈을 고정시킨다.6 allows electrical insulation and thermal conduction between the VFD
도 6은 VFD 파워 반도체 모듈과 절연판을 냉각판에 고정하기 위한 많은 가능한 수단의 예시의 실시예를 나타낸다. 브래킷은 트랜지스터 모듈 사양이 필요로 하는 클램핑력을 지원하는 데에 충분한 강도를 갖는 재료로 만들어질 수 있다. 당업자라면 절연판의 전기적 절연과 열적 도전이 실현될 수 있게 하면서 VFD 파워 반도체 모듈을 절연판에 그리고 절연판을 냉각판에 물리적으로 고정하는 여러 방법이 이해될 것이다.6 shows an exemplary embodiment of many possible means for securing the VFD power semiconductor module and insulation plate to the cold plate. The bracket may be made of a material having sufficient strength to support the clamping force required by the transistor module specification. Those skilled in the art will understand the various ways of physically securing the VFD power semiconductor module to the insulating plate and the insulating plate to the cold plate while allowing electrical insulation and thermal conduction of the insulating plate to be realized.
요약하면, VFD 시스템에서의 접지 누설 전류의 감소는 다양한 응용 환경에서 여러 이유로 바람직하다. 고 유전 강도, 저 유전 상수 및 고 열 전도성을 가지고 VFD 파워 반도체 모듈과 접지된 냉각판 사이에 장착된 전기 절연판은 시스템 용량을 감소시키는 효율적인 수단으로 VFD의 고주파수 전압 시프트로 유도된 접지 누설 전류를 감소시킬 수 있다. 상술된 절연체 판의 설비는 VFD 파워 반도체 모듈과 접지 간의 절연을 증가시켜 절연 파괴로부터 인버터 브리지의 트랜지스터를 보호한다. In summary, the reduction of ground leakage current in a VFD system is desirable for a variety of reasons in various application environments. With high dielectric strength, low dielectric constant, and high thermal conductivity, an electrical insulator mounted between the VFD power semiconductor module and the grounded cold plate is an efficient means of reducing system capacity, reducing ground leakage current induced by the high frequency voltage shift of the VFD. You can. The installation of the insulator plate described above increases the insulation between the VFD power semiconductor module and ground to protect the transistors of the inverter bridge from dielectric breakdown.
본 발명의 예시의 실시예에 따라 특정하게 도시 및 설명되고 있지만, 당업자라면 다음의 청구범위에서 정의되는 본 발명의 정신과 영역에서 벗어나지 않고 유형과 상세 사항에 대해 여러 가지 변형을 행할 수 있다는 것이 이해될 것이다.While specifically illustrated and described in accordance with exemplary embodiments of the invention, it will be understood by those skilled in the art that various modifications may be made to the type and details without departing from the spirit and scope of the invention as defined in the following claims. will be.
Claims (21)
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KR1020087015851A KR20080087107A (en) | 2008-06-27 | 2005-12-30 | Variable frequency drive system apparatus and method for reduced ground leakage current and transistor protection |
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