專利名稱：變速驅(qū)動(dòng)器的制作方法
變速驅(qū)動(dòng)器
背景技術(shù)：
本申請(qǐng)總體涉及變速驅(qū)動(dòng)器。更具體地，本申請(qǐng)涉及變速驅(qū)動(dòng)器中的電子器件功率組件。變速驅(qū)動(dòng)器(VSD)是一種能夠通過控制供應(yīng)至交流(AC)電動(dòng)馬達(dá)的電力的頻率和電壓來控制該馬達(dá)的速度的系統(tǒng)。VSD可以被用于多種應(yīng)用，例如用于大型建筑物的通風(fēng)系統(tǒng)、泵以及機(jī)械工具驅(qū)動(dòng)器。VSD包括多個(gè)級(jí)以向馬達(dá)提供速度控制。VSD可以包括整流器或轉(zhuǎn)換器級(jí)、直流線路(link)級(jí)以及逆變器級(jí)。整流器或轉(zhuǎn)換器級(jí)一也被稱為轉(zhuǎn)換器一將來自交流電源的具有固定線頻率、固定線電壓的交流電力轉(zhuǎn)換成直流電力。直流線路級(jí)——也被稱為直流線路——對(duì)來自轉(zhuǎn)換器的直流電力進(jìn)行濾波，且通常包含大量的電容。最后，逆變器級(jí)——也被稱為逆變器——與直流線路并聯(lián)連接，并將來自直流線路的直流電力轉(zhuǎn)換成具有可變 頻率、可變電壓的交流電力。當(dāng)電力被施加至VSD時(shí)，直流線路電容器兩端的電壓一稱為直流線路電壓一從零上升至額定值。如果對(duì)直流線路電壓的上升放任不管，則通過從交流電源汲取非常大的電流通過整流器并進(jìn)入直流線路電容器，電壓水平的上升將非?？斓爻霈F(xiàn)。被直流線路
電容器汲取的大電流-稱為突入電流(inrush current)-可以對(duì)VSD的部件造成損
害。因此，為了使VSD的部件免遭突入電流的損害，直流線路電壓從OV至額定電壓的上升應(yīng)受到控制。對(duì)直流線路電壓的控制被稱為電路的直流線路預(yù)充電操作或預(yù)充電。在一些采用對(duì)電容器的受控充電或預(yù)充電以限制突入電流的VSD應(yīng)用中，轉(zhuǎn)換器被布置為向直流線路提供預(yù)充電電流。這些半導(dǎo)體器件——諸如絕緣柵雙極晶體管(IGBT)或用于對(duì)交流線電壓進(jìn)行整流的其他類型的功率開關(guān)或晶體管——的導(dǎo)通受到控制，以在VSD的預(yù)充電操作期間僅讓小脈沖的突入電流流過。在預(yù)充電過程中用于控制突入電流的半導(dǎo)體器件通常此后一直被接通。僅在預(yù)充電過程中被使用的這些半導(dǎo)體器件可以具有小于主半導(dǎo)體器件的最大額定電流的最大額定電流。在轉(zhuǎn)換器的輸入或逆變器的輸出上出現(xiàn)故障或短路狀況時(shí)，轉(zhuǎn)換器可能遭受有害的或破壞性的電流。這些緣于故障或短路的有害的或破壞性的電流可以損害VSD的部件或整個(gè)VSD。因此，期望在短路狀況期間對(duì)VSD提供保護(hù)，以防止損壞轉(zhuǎn)換器的半導(dǎo)體器件以及配電系統(tǒng)和VSD的其他部件。在轉(zhuǎn)換器中使用具有較低的最大額定電流的輔助半導(dǎo)體器件連同具有較高的額定電流的主半導(dǎo)體器件，對(duì)在短路或故障事件期間安全斷開造成問題。需要一種方案來提高這樣的變速驅(qū)動(dòng)器在短路或故障事件期間的可靠性。

發(fā)明內(nèi)容
一個(gè)實(shí)施方案涉及一種用于變速驅(qū)動(dòng)器的轉(zhuǎn)換器模塊，該轉(zhuǎn)換器模塊具有多個(gè)切換模塊，所述多個(gè)切換模塊中的一個(gè)切換模塊具有與第二半導(dǎo)體開關(guān)并聯(lián)或串聯(lián)連接的第一半導(dǎo)體開關(guān)，所述第二半導(dǎo)體開關(guān)在所述變速驅(qū)動(dòng)器的預(yù)充電操作期間被可控地切換，以限制進(jìn)入直流線路的突入電流。所述第二半導(dǎo)體開關(guān)的最大額定電流小于所述第一半導(dǎo)體開關(guān)的最大額定電流。另一個(gè)實(shí)施方案涉及一種變速驅(qū)動(dòng)器，該變速驅(qū)動(dòng)器具有轉(zhuǎn)換器，所述轉(zhuǎn)換器連接至提供輸入交流電力的交流電源。所述轉(zhuǎn)換器將固定的輸入交流電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓。所述變速驅(qū)動(dòng)器還包括直流線路，所述直流線路連接至所述轉(zhuǎn)換器。所述直流線路對(duì)所述直流電壓進(jìn)行濾波并儲(chǔ)存來自所述轉(zhuǎn)換器的能量。所述變速驅(qū)動(dòng)器還包括逆變器，所述逆變器連接至所述直流線路。所述逆變器將來自所述直流線路的直流電壓轉(zhuǎn)換成具有可變電壓和可變頻率的輸出電力。所述轉(zhuǎn)換器具有預(yù)充電電路，所述預(yù)充電電路具有多個(gè)切換模塊，所述多個(gè)切換模塊中的一個(gè)切換模塊包括與第二半導(dǎo)體開關(guān)并聯(lián)或串聯(lián)連接的第一半導(dǎo)體開關(guān)。所述第二半導(dǎo)體開關(guān)在所述變速驅(qū)動(dòng)器的預(yù)充電操作期間被可控地切換，以限制進(jìn)入所述直流線路的突入電流。所述第二半導(dǎo)體開關(guān)的最大額定電流小于所述第一半導(dǎo)體開關(guān)的最大額定電流。又一個(gè)實(shí)施方案涉及一種用于系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)器，該驅(qū)動(dòng)器具有變速驅(qū)動(dòng)器。所述變速驅(qū)動(dòng)器接收具有固定的輸入交流電壓和固定的輸入頻率的輸入交流電力，并提供具有可變電壓和可變頻率的輸出電力。所述可變電壓的最大電壓在量值上大于所述固定的輸入交流電壓，且所述可變頻率的最大頻率大于所述固定的輸入頻率。所述變速驅(qū)動(dòng)器包括轉(zhuǎn)換器，所述轉(zhuǎn)換器連接至提供輸入交流電力的交流電源。所述轉(zhuǎn)換器將所述固定的輸入交流電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓。所述變速驅(qū)動(dòng)器還包括直流線路，所述直流線路連接至所述轉(zhuǎn)換器。所述直流線路對(duì)所述直流電壓進(jìn)行濾波并儲(chǔ)存來自所述轉(zhuǎn)換器的能量。所述變速驅(qū)動(dòng)器還包括逆變器，所述逆變器連接至所述直流線路。所述逆變器將來自所述直流線路的直流電壓轉(zhuǎn)換成具有可變電壓和可變頻率的輸出電力。所述轉(zhuǎn)換器具有預(yù)充電電路，所述預(yù)充電電路具有多個(gè)切換模塊，所述多個(gè)切換模塊中的一個(gè)切換模塊包括與第二半導(dǎo)體開關(guān)并聯(lián)或串聯(lián)連接的第一半導(dǎo)體開關(guān)。所述第二半導(dǎo)體開關(guān)在所述變速驅(qū)動(dòng)器的預(yù)充電操作期間被可控地切換，以限制進(jìn)入所述直流線路的突入電流。所述第二半導(dǎo)體開關(guān)的最大額定電流小于所述第一半導(dǎo)體開關(guān)的最大額定電流。


圖I示出了商用環(huán)境中的加熱、通風(fēng)、空氣調(diào)節(jié)和制冷(HVAC&R)系統(tǒng)的一個(gè)示例性實(shí)施方案。圖2圖解示出了 VSD系統(tǒng)配置的一個(gè)示例性實(shí)施方案。圖3圖解示出了具有多個(gè)馬達(dá)的VSD系統(tǒng)配置的一個(gè)示例性實(shí)施方案。圖4圖解了 VSD系統(tǒng)的一個(gè)不例性實(shí)施方案。圖5圖解示出了具有多個(gè)逆變器的VSD系統(tǒng)的一個(gè)示例性實(shí)施方案。圖6圖解不出了蒸氣壓縮系統(tǒng)的一個(gè)不例性實(shí)施方案。圖7和圖8示意性示出了 VSD系統(tǒng)的一個(gè)示例性實(shí)施方案的電路圖。圖9和圖10不意性不出了 VSD系統(tǒng)的另Iv不例性實(shí)施方案的電路圖。圖11示出了用于有源(active)轉(zhuǎn)換器IGBT切換模塊的雙極結(jié)型晶體管(BJT)驅(qū)動(dòng)器板的一個(gè)示例性實(shí)施方案，其供用在圖9所示的轉(zhuǎn)換器配置中。
具體實(shí)施例方式圖I示出了用于商用背景的建筑物12中的加熱、通風(fēng)、空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)(HVAC系統(tǒng))10的一個(gè)示例性環(huán)境。系統(tǒng)10可以包括被納入蒸氣壓縮系統(tǒng)14中的壓縮機(jī)，該蒸氣壓縮系統(tǒng)可以供應(yīng)被用來冷卻建筑物12的冷液體(chilled liquid)。系統(tǒng)10還可以包括鍋爐16，其被用來加熱建筑物12 ;以及，空氣分配系統(tǒng)，其使空氣循環(huán)通過建筑物12。該空氣分配系統(tǒng)可以包括空氣返回管18、空氣供應(yīng)管20和空氣處理機(jī)22?？諝馓幚頇C(jī)22可以包括熱交換器，該熱交換器通過管道24連接至鍋爐16和蒸氣壓縮系統(tǒng)14?？諝馓幚頇C(jī)22中的熱交換器可以接收來自鍋爐16的熱液體(heated liquid)或來自蒸氣壓縮系統(tǒng)14的冷液體，取決于系統(tǒng)10的運(yùn)行模式。系統(tǒng)10被示為在建筑物12的每個(gè)樓層上具有單獨(dú)的空氣處理機(jī)，但應(yīng)認(rèn)識(shí)到，這些部件可以在各個(gè)樓層之間共享。圖2和圖3例示了包括變速驅(qū)動(dòng)器(VSD)28的系統(tǒng)配置，其可以被用于向HVAC系統(tǒng)10提供動(dòng)力。AC電源26給VSD 28供電，VSD 28給一個(gè)馬達(dá)30(見圖2)或多個(gè)馬達(dá)30(見圖3)提供動(dòng)力。該一個(gè)或多個(gè)馬達(dá)30可以被用來驅(qū)動(dòng)HVAC、制冷或冷卻系統(tǒng)10的相應(yīng)的壓縮機(jī)38 (總體見圖6)。交流電源26從場所中存在的AC電網(wǎng)或配電系統(tǒng)向VSD 28·提供單相或多相(例如三相)的、具有固定電壓和固定頻率的AC電力。AC電源26優(yōu)選地可以向VSD 28提供線頻率為50Hz或60Hz的200V、230V、380V、460V或600V的AC電壓或線電壓，取決于相應(yīng)的AC電網(wǎng)。VSD 28從AC電源26接收具有特定的固定線電壓和固定線頻率的AC電力，并以期望電壓和期望頻率向一個(gè)或多個(gè)馬達(dá)30提供AC電力，所述期望電壓和期望頻率兩者都可以改變以滿足特定要求。VSD 28可以向一個(gè)或多個(gè)馬達(dá)30提供具有比該一個(gè)或多個(gè)馬達(dá)30的額定電壓和頻率高的電壓和頻率以及比該一個(gè)或多個(gè)馬達(dá)30的額定電壓和頻率低的電壓和頻率的AC電力。在另一個(gè)實(shí)施方案中，VSD 28可以提供與一個(gè)或多個(gè)馬達(dá)30的額定頻率相比較高和較低的頻率，但僅可以提供與該一個(gè)或多個(gè)馬達(dá)30的額定電壓相比相同或較低的電壓。一個(gè)或多個(gè)馬達(dá)30可以是感應(yīng)馬達(dá)，但也可以包括任意類型的能夠以可變速度進(jìn)行操作的馬達(dá)。所述馬達(dá)還可以具有任何合適的極布置，包括二極、四極或六極。圖4和圖5例示了 VSD 28的不同實(shí)施方案。VSD 28可以具有三個(gè)級(jí)轉(zhuǎn)換器級(jí)32、DC線路級(jí)34和輸出級(jí)，所述輸出級(jí)具有一個(gè)逆變器36 (見圖4)或多個(gè)逆變器36 (見圖5)。轉(zhuǎn)換器32將來自AC電源26的具有固定線頻率和固定線電壓的AC電力轉(zhuǎn)換成DC電力。直流線路34對(duì)來自轉(zhuǎn)換器32的DC電力進(jìn)行濾波，并提供能量儲(chǔ)存部件。DC線路34可以由電容器和電感器組成，所述電容器和電感器是表現(xiàn)出高的可靠性水平和非常低的故障率的無源器件。最后，在圖4所示的實(shí)施方案中，逆變器36將來自DC線路34的DC電力轉(zhuǎn)換成用于馬達(dá)30的具有可變頻率、可變電壓的AC電力，并且在圖5所示的實(shí)施方案中，多個(gè)逆變器36被并聯(lián)連接在DC線路34上。每個(gè)逆變器36將來自DC線路34的DC電力轉(zhuǎn)換成用于相應(yīng)的馬達(dá)30的具有可變頻率、可變電壓的AC電力。上述一個(gè)或多個(gè)逆變器36可以是功率模塊，該功率模塊可以包括用金屬線接合技術(shù)互連的功率晶體管、絕緣柵雙極晶體管(IGBT)功率開關(guān)和反相二極管(inverse diode)。應(yīng)理解，VSD 28的DC線路34和逆變器36可以包括與上文所述的部件不同的部件，只要VSD 28的DC線路34和逆變器36可以向馬達(dá)30提供適當(dāng)?shù)妮敵鲭妷汉皖l率。對(duì)于圖3和圖5，多個(gè)逆變器36可以由控制系統(tǒng)聯(lián)合控制，以使得每個(gè)逆變器36基于提供給該每個(gè)逆變器36的共同的控制信號(hào)或控制指令，向相應(yīng)的馬達(dá)提供具有相同的期望電壓和頻率的AC電力。在另一個(gè)實(shí)施方案中，多個(gè)逆變器36可以由控制系統(tǒng)個(gè)別地控制，以允許每個(gè)逆變器36基于提供給該每個(gè)逆變器36的單獨(dú)的控制信號(hào)或控制指令，向相應(yīng)的馬達(dá)30提供具有不同的期望電壓和頻率的AC電力。個(gè)別控制的能力允許VSD 28的逆變器36更有效率地滿足馬達(dá)30和系統(tǒng)需求以及負(fù)載，而不管連接至其他逆變器36的其他馬達(dá)30和系統(tǒng)的要求如何。例如，一個(gè)逆變器36可以向一個(gè)馬達(dá)30提供全功率，同時(shí)另一個(gè)逆變器36正向另一個(gè)馬達(dá)30提供半功率。任一實(shí)施方案中對(duì)逆變器36的控制都可以通過控制面板或其他合適的控制設(shè)備來進(jìn)行。對(duì)于由VSD 28提供動(dòng)力的每個(gè)馬達(dá)30，在VSD 28的輸出級(jí)中存在一個(gè)相應(yīng)的逆變器36。可由VSD 28提供動(dòng)力的馬達(dá)30的數(shù)目取決于VSD 28中包括的逆變器36的數(shù)目。在一個(gè)實(shí)施方案中，VSD 28中可以包括兩個(gè)或三個(gè)逆變器36，所述兩個(gè)或三個(gè)逆變器36并聯(lián)連接至DC線路34，并且被用于為相應(yīng)的馬達(dá)30提供動(dòng)力。盡管VSD 28可以具有兩個(gè)至三個(gè)逆變器36，但應(yīng)理解，逆變器36的數(shù)目可以超過三個(gè)，只要DC線路34的能力足夠大到為每個(gè)逆變器36提供并維持適當(dāng)?shù)腄C電壓。 圖6例示了包括在蒸氣壓縮系統(tǒng)中的VSD，其使用了圖2或圖4的系統(tǒng)配置和VSD28。蒸氣壓縮系統(tǒng)84包括壓縮機(jī)38、冷凝器40、液體冷卻器或蒸發(fā)器42以及控制面板44。壓縮機(jī)38由馬達(dá)30驅(qū)動(dòng)，馬達(dá)30由VSD 28提供動(dòng)力。VSD 28從AC電源26接收具有特定的固定線電壓和固定線頻率的AC電力，并且以期望電壓和期望頻率向馬達(dá)30提供AC電力，所述期望電壓和期望頻率兩者都可以改變以滿足特定要求。控制面板44可以包括多種不同的部件，諸如模擬-數(shù)字(A/D)轉(zhuǎn)換器、微處理器、非易失性存儲(chǔ)器和接口板，以控制蒸氣壓縮系統(tǒng)84的運(yùn)行。控制面板44也可以被用來控制VSD 28和馬達(dá)30的運(yùn)行。壓縮機(jī)38壓縮制冷劑蒸氣，并經(jīng)由排出管線將該蒸氣輸送至冷凝器40。壓縮機(jī)38可以是任何合適類型的壓縮機(jī)，例如螺旋式壓縮機(jī)、離心式壓縮機(jī)、往復(fù)式壓縮機(jī)、渦旋式壓縮機(jī)等。由壓縮機(jī)38輸送至冷凝器40的制冷劑蒸氣與一流體例如空氣或水進(jìn)入熱交換關(guān)系，并由于與該流體的熱交換關(guān)系的結(jié)果而經(jīng)歷相變成為制冷劑液體。來自冷凝器40的冷凝的液體制冷劑流經(jīng)膨脹設(shè)備(未示出)到達(dá)蒸發(fā)器42。蒸發(fā)器42可以包括用于冷卻負(fù)荷的供應(yīng)管線和返回管線的連接。過程流體例如水、乙二醇、氯化鈣鹵水或氯化鈉鹵水，經(jīng)由返回管線行進(jìn)入蒸發(fā)器42，并經(jīng)由供應(yīng)管線離開蒸發(fā)器42。蒸發(fā)器42中的液體制冷劑與該過程流體進(jìn)入熱交換關(guān)系，以降低該過程流體的溫度。由于與該過程流體的熱交換關(guān)系的結(jié)果，蒸發(fā)器42中的制冷劑液體經(jīng)歷相變成為制冷劑蒸氣。蒸發(fā)器42中的蒸氣制冷劑離開蒸發(fā)器42并通過抽吸管線返回到壓縮機(jī)38以完成循環(huán)。應(yīng)理解，在系統(tǒng)10中可以使用冷凝器40和蒸發(fā)器42的任何合適配置，只要能夠獲得制冷劑在冷凝器40和蒸發(fā)器42中的適當(dāng)相變。盡管圖6將蒸氣壓縮系統(tǒng)84例示為具有連接在單個(gè)制冷劑回路中的一個(gè)壓縮機(jī)，但蒸氣壓縮系統(tǒng)84可以具有多個(gè)壓縮機(jī)，該多個(gè)壓縮機(jī)由如圖3和圖5所示的單個(gè)VSD提
供動(dòng)力。蒸氣壓縮系統(tǒng)84也可以具有多個(gè)VSD-大致見圖2和圖4所示的實(shí)施方案，所
述多個(gè)VSD連接進(jìn)一個(gè)或多個(gè)制冷劑回路中的每一個(gè)。圖7和圖8示意性示出了 VSD 28的一個(gè)實(shí)施方案的電路圖。來自三相AC電源26的輸入線路L1-L3連接至斷路器46。當(dāng)過量的電流、電壓或功率被AC電源26提供給VSD28時(shí)，斷路器46可以使VSD 28與AC電源26斷開。在斷路器46的另一側(cè)可以連接自動(dòng)變壓器48，以將來自AC電源26的輸入電壓(向上或向下)調(diào)節(jié)到期望的輸入電壓。用于每個(gè)線路的熔絲50可以被用來響應(yīng)于這個(gè)線路中的過大的電流而使VSD 28的這個(gè)輸入相或線路斷開。用于每個(gè)線路的電感器52被用來使VSD 28的相應(yīng)的線路中的電流平滑。每個(gè)電感器52的輸出繼而被提供給轉(zhuǎn)換器32,以將輸入AC電力的每個(gè)相轉(zhuǎn)換成DC電力。在轉(zhuǎn)換器32中，每一對(duì)功率開關(guān)中的功率開關(guān)之一是IGBT 60，IGBT 60連接至反向或反向并聯(lián)(anti-parallel) 二極管62。使用IGBT 60是因?yàn)镮GBT模塊的高效率和快速切換特性。反向或反向并聯(lián)二極管62被用來在另一個(gè)功率開關(guān)即IGBT 64斷開之后傳導(dǎo)電流。當(dāng)VSD 28運(yùn)行在脈沖寬度調(diào)制模式下時(shí)IGBT 64斷開。如圖7所示，I GBT60和反向二極管62被連接在電感器52的輸出與DC總線54的負(fù)軌(negative rail)之間。然而，在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案中，I GBT60和反向二極管62可以被連接在電感器52的輸出與DC總線54的正軌(positive rail)之間。 這一對(duì)功率開關(guān)中的所述另一個(gè)功率開關(guān)是反向阻斷I GBT 64，意味著IGBT 64除了正向電壓以外還能夠阻斷反向電壓。反向阻斷IGBT 64連接至反向或反向并聯(lián)IGBT66，IGBT 66也是反向阻斷IGBT。反向并聯(lián)IGBT 66可以在系統(tǒng)28的預(yù)充電操作期間被柵極控制(gate-controlled)或切換，以僅允許小脈沖的突入電流到達(dá)DC線路34 (圖8)。在預(yù)充電操作完成之后，與反向并聯(lián)二極管62相似，反向并聯(lián)I GBT 66可以被控制以一直導(dǎo)通。與能夠提供反向阻斷的二極管串聯(lián)連接的附加的反向阻斷功率開關(guān)——諸如I GBT功率開關(guān)，例如IGBT 60——可以被用來替代反向阻斷IGBT 64和反向阻斷IGBT 66。在本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施方案中，IGBT 60可以用反向阻斷IGBT 64替換。反向阻斷IGBT 64可以阻斷正的發(fā)射極_集電極電壓，該發(fā)射極_集電極電壓近似等于IGBT 64兩端出現(xiàn)的峰值線-線電壓。為了預(yù)充電條件，反向阻斷IGBT 64可以阻斷正的發(fā)射極-集電極電壓長達(dá)反向并聯(lián)IGBT 66的導(dǎo)通被延遲的時(shí)間。當(dāng)作為常規(guī)二極管運(yùn)行時(shí)，反向阻斷IGBT 64和反向并聯(lián)IGBT 66的反向阻斷能力提供反向恢復(fù)特性。通過每當(dāng)處于相同相中的串聯(lián)連接的IGBT 60接通時(shí)防止顯著的反向電流在反向并聯(lián)IGBT 66中流過，反向并聯(lián)IGBT 66的反向恢復(fù)特性防止了反向并聯(lián)IGBT 66中出現(xiàn)顯著的反向恢復(fù)損耗。防止反向并聯(lián)IGBT 66中的反向電流可以限制當(dāng)串聯(lián)連接的IGBT 60接通時(shí)串聯(lián)連接的IGBT 60中的電流峰值以及相應(yīng)的損耗。如圖7所示，反向阻斷IGBT 64和反向并聯(lián)IGBT 66被連接在電感器52的輸出與DC總線54的正軌之間。然而，在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案中，反向阻斷IGBT 64和反向并聯(lián)IGBT 66可被連接在電感器52的輸出與DC總線54的負(fù)軌之間。并聯(lián)連接至轉(zhuǎn)換器32的輸出的是DC線路34，如圖8所示。DC線路34可以包括電容器56和電阻器58，以對(duì)DC電力進(jìn)行濾波并儲(chǔ)存來自DC總線54的能量。電阻器58可以用作電壓平衡器件，以維持電容器56之間基本相等的DC線路電壓。電阻器58也可以用作電荷消耗器件，以當(dāng)電力被從AC電源26 (圖7)移除時(shí)“放泄(bleed off)”電容器56中儲(chǔ)存的電壓。使用圖7所示的轉(zhuǎn)換器模塊32，可以控制DC線路34的電容器56的預(yù)充電。轉(zhuǎn)換器模塊32包括三對(duì)(每個(gè)輸入相一對(duì))功率開關(guān)或晶體管。轉(zhuǎn)換器模塊32還包括相應(yīng)的控制連接，以控制這些功率開關(guān)的切換?？刂泼姘?4 (為了簡化未示出)使用一調(diào)制方案選擇性地將每個(gè)功率開關(guān)在“通”或啟用位置與“斷”或停用位置之間進(jìn)行切換，以對(duì)DC線路34的電容器56進(jìn)行預(yù)充電。轉(zhuǎn)換器模塊32可以用作升壓整流器(boost rectifier)，以向DC線路34提供升高的DC電壓，以從VSD 28獲得大于VSD 28的輸入電壓的輸出電壓。連接至DC總線54的還有逆變器部分36，逆變器部分36將DC總線54上的DC電力轉(zhuǎn)換成用于馬達(dá)30的三相AC電力?？梢允褂脝蝹€(gè)逆變器部分或模塊36，然而可以向系統(tǒng)28添加附加的逆變器模塊36。附加的逆變器模塊36會(huì)具有與圖5所示的逆變器模塊36相似的示意表示。逆變器36包括三對(duì)(每個(gè)輸出相一對(duì))I GBT功率開關(guān)70和反向二極管62。逆變器模塊36還包括相應(yīng)的控制連接82，以控制IGBT功率開關(guān)70的切換。逆變器模塊36通過使用調(diào)制方案選擇性地將逆變器模塊36中的每個(gè)IGBT功率開關(guān)70在“通”或啟用位置與“斷”或停用位置之間進(jìn)行切換，將DC總線54上的DC電力轉(zhuǎn)換成三相AC電力，以從逆變器模塊36獲得期望的AC電壓和頻率。基于調(diào)制方案，控制信號(hào)(gating signal)或切換信號(hào)通過控制面板44被提供給IGBT功率開關(guān)70，以在“通”位置與“斷”位置之間切換IGBT功率開關(guān)70。IGBT功率開關(guān)70優(yōu)選地當(dāng)切換信號(hào)是“高”——即邏輯I—時(shí)處于“通”位置，且當(dāng)切換信號(hào)是“低”一即邏輯O—時(shí)處于“斷”位置。 然而應(yīng)理解，I GBT功率開關(guān)70的啟用和停用可以基于切換信號(hào)的相反狀態(tài)?，F(xiàn)在參看圖9和圖10，示出了 VSD 28的另一個(gè)示例性實(shí)施方案的電路圖。除了轉(zhuǎn)換器32的運(yùn)行之外，這個(gè)實(shí)施方案中的VSD 28的運(yùn)行與上文參照?qǐng)D7和圖8描述的VSD28的運(yùn)行相似。與圖7和圖8所示的實(shí)施方案相似，每個(gè)電感器52的輸出被提供給轉(zhuǎn)換器32，且DC線路34被并聯(lián)連接至轉(zhuǎn)換器32的輸出。在轉(zhuǎn)換器模塊32中，每一對(duì)功率開關(guān)中的功率開關(guān)之一是IGBT60，IGBT 60連接至反向或反向并聯(lián)二極管62。反向或反向并聯(lián)二極管62被用來當(dāng)VSD 28在脈沖寬度調(diào)制模式下運(yùn)行時(shí)在IGBT 70斷開之后傳導(dǎo)電流。IGBT 60和反向二極管62被連接在電感器52的輸出與DC總線54的負(fù)軌之間。然而，在另一個(gè)實(shí)施方案中，IGBT 60和反向二極管62可以被連接在電感器52的輸出與DC總線54的正軌之間。另一個(gè)功率開關(guān)組合包括IGBT 70——帶有相關(guān)聯(lián)的反向并聯(lián)二極管74，輔助IGBT 78，以及輔助反向并聯(lián)二極管80。輔助IGBT 78和輔助二極管80被連接在IGBT 70與DC總線54的正軌之間。IGBT 78在預(yù)充電操作期間可以被控制，以僅允許小脈沖的突入電流到達(dá)DC線路34。與反向并聯(lián)二極管74相似，在預(yù)充電操作完成之后，IGBT 78可以被控制以一直導(dǎo)通。轉(zhuǎn)換器模塊32還包括相應(yīng)的控制連接(為了簡化未示出)，以采用與上文針對(duì)逆變器模塊36描述的方式相似的方式控制這些功率開關(guān)的切換。轉(zhuǎn)換器模塊32的功率開關(guān)可以是IGBT功率開關(guān)，所述IGBT功率開關(guān)通過脈沖寬度調(diào)制技術(shù)進(jìn)行控制，以產(chǎn)生用于DC線路34的期望的輸出電壓。轉(zhuǎn)換器模塊32可以用作升壓整流器，以向DC線路34提供升高的DC電壓，以從VSD 28獲得大于VSD 28的輸入電壓的輸出電壓。IGBT 78和二極管80被并聯(lián)連接在IGBT 70與DC總線54的正軌之間，如圖9所示。然而，在另一個(gè)實(shí)施方案中，IGBT 78和二極管80可以被并聯(lián)連接在IGBT 60與DC總線54的負(fù)軌之間。圖7中的IGBT 66和圖9中的IGBT 78主要用于預(yù)充電操作，以限制進(jìn)入DC線路34的突入電流。在變速驅(qū)動(dòng)器的預(yù)充電操作之后，這些I GBT—直接通并且用作二極管。圖7中的I GBT 66和圖9中的IGBT 78僅用于預(yù)充電，且在預(yù)充電操作完成之后一直被柵極控制為接通。因而，IGBT 66、78的最大額定電流可以小于圖7中的IGBT 60、64以及圖9中的IGBT 60、70的最大額定電流。較低的最大額定電流對(duì)應(yīng)于圖7中的IGBT 66以及圖9中的IGBT 78的較小尺寸，且導(dǎo)致了較小尺寸的轉(zhuǎn)換器32，該較小尺寸的轉(zhuǎn)換器32與由具有較高額定電流的I GBT器件構(gòu)造的轉(zhuǎn)換器相比，要求VSD 28內(nèi)的較少空間且生產(chǎn)成本較低。在VSD 28中的短路或故障事件期間，具有較低的最大額定電流的IGBT 66和IGBT78可以經(jīng)歷與具有較高的額定電流的IGBT 60,64以及IGBT 60、70相同的短路電流。如果可以使得IGBT 66、78傳導(dǎo)與IGBT 60、64近似相等的電流，則在這樣的事件中安全斷開的可能性會(huì)提聞。具有較低的額定電流的IGBT 66、78可以被供應(yīng)以比最大額定電流較高的具有較高的額定電流的IGBT 60,64 (在圖7中的IGBT 66的情況下)或IGBT 60,70 (在圖9中的I GBT 78的情況下)更高的柵極-發(fā)射極電壓。增加的柵極-發(fā)射極電壓允許定額較低的IGBT 66和IGBT 78支持高于額定電流的電流水平，S卩，增加的柵極-發(fā)射極電壓允許定額 在較低電流的IGBT 66和IGBT 78支持基本等于具有較高的額定電流的IGBT 60,64以及IGBT 60、70的電流水平的電流水平。增加IGBT 66、78的柵極-發(fā)射極電壓提高了在變速驅(qū)動(dòng)器的短路或故障期間安全斷開的概率?，F(xiàn)在參看圖11,示出了柵極驅(qū)動(dòng)器板(gate driver board) 86的一個(gè)實(shí)施方案，柵極驅(qū)動(dòng)器板86具有連接至示例性有源轉(zhuǎn)換器IGBT切換模塊90的雙極結(jié)型晶體管(BJT)驅(qū)動(dòng)器，供用于圖9所示的轉(zhuǎn)換器配置。輔助IGBT 78和輔助反向并聯(lián)二極管80被連接在IGBT 70與直流總線54的正軌之間。I GBT 78在預(yù)充電操作期間可以被控制，以僅允許小脈沖的突入電流到達(dá)直流線路34。在預(yù)充電操作完成之后，I GBT 78可以被控制以一直導(dǎo)通，與反向并聯(lián)二極管相似。使用BJT驅(qū)動(dòng)器電路100，通過柵極電阻器Re和發(fā)射極電阻器Re，將柵極-發(fā)射極電壓施加在IGBT 78的輔助柵極端子91與輔助發(fā)射極端子92之間。在至少一個(gè)示例性實(shí)施方案中，所施加的、輔助IGBT 78的柵極-發(fā)射極電壓VeE AUX可以在17V至20V的范圍內(nèi)。換言之，VeE AUX可以是用于控制標(biāo)準(zhǔn)I GBT的柵極-發(fā)射極電壓的近似I. 133和I. 333倍。用于輔助IGBT 78的柵極信號(hào)(gate signal)由通過外部連接器94連接的控制面板44產(chǎn)生。如上文所述，VGE_AUX在預(yù)充電操作期間以變化長度的脈沖方式被施加。當(dāng)預(yù)充電操作完成后，\Ε Αυχ被連續(xù)地施加，使得IGBT 78—直導(dǎo)通。柵極驅(qū)動(dòng)器板86還包括分別連接至IGBT 70和60的BJT驅(qū)動(dòng)器電路88和96。使用BJT驅(qū)動(dòng)器電路88，通過柵極電阻器Re和發(fā)射極電阻器Re，將柵極-發(fā)射極電壓施加在IGBT 70的柵極端子71與發(fā)射極端子73之間。相似地，使用BJT驅(qū)動(dòng)器電路96，通過柵極電阻器Re和發(fā)射極電阻器Re，將柵極-發(fā)射極電壓施加至IGBT 60的柵極端子61和發(fā)射極端子63。BJT驅(qū)動(dòng)器電路88和96施加近似15V的標(biāo)準(zhǔn)的柵極-發(fā)射極電壓VeE，用于切換IGBT 70和60。BJT驅(qū)動(dòng)器電路88和96分別從隔離的電源和控制器102、103接收控制輸入信號(hào)。隔離的電源和控制器102、103分別通過外部連接器98、99與控制面板44通信。切換模塊90上的熱敏電阻104可以通過連接器97連接至控制面板44，用于IGBT 60、70,78的溫度控制。阻斷二極管105、106被串聯(lián)連接在隔離的電源和控制器102、103與端子89、73處存在的高電壓之間。
盡管在示例性實(shí)施方案中使用IGBT描述了向具有較低的額定電流的開關(guān)供應(yīng)較高的柵極-發(fā)射極電壓以提高變速驅(qū)動(dòng)器的可靠性的方法，但該方法適用于任何柵極控制的半導(dǎo)體器件開關(guān)或器件。盡管例示和描述了本發(fā)明的僅某些特征和實(shí)施方案，但本領(lǐng)域技術(shù)人員可以想到許多修改和變更(例如尺寸、大小、結(jié)構(gòu)、形狀和各元件的比例、參數(shù)值(例如溫度、壓力等)、安裝布置、材料使用、顏色、取向等方面的改變)，而實(shí)質(zhì)上不偏離權(quán)利要求中限定的主題的新穎教導(dǎo)和優(yōu)點(diǎn)。因此應(yīng)理解，隨附的權(quán)利要求旨在覆蓋落在本發(fā)明本質(zhì)精神內(nèi)的所有這樣的修改和變更。此外，為了努力提供對(duì)示例性實(shí)施方案的簡明描述，可能沒有描述實(shí)際實(shí)現(xiàn)方式的所有特征(即，那些與當(dāng)前預(yù)期的實(shí)施本發(fā)明的最佳方式無關(guān)的特征，或那些與使得能夠?qū)嵤┧蟊Ｗo(hù)的發(fā)明無關(guān)的特征)。應(yīng)認(rèn)識(shí)到，在開發(fā)任何這樣的實(shí)際實(shí)現(xiàn)方式時(shí)，如在任何工程或設(shè)計(jì)項(xiàng)目中，可以做出眾多實(shí)現(xiàn)方式特定的決策。這樣的開發(fā)努力可能是復(fù)雜的和耗時(shí)的，但無論如何對(duì)于受益于本公開內(nèi)容的普通技術(shù)人員來說都是設(shè)計(jì)、制作和生產(chǎn)的常規(guī)工作，而不需要過度的實(shí)驗(yàn)。
權(quán)利要求
1.一種用于變速驅(qū)動(dòng)器的轉(zhuǎn)換器模塊，包括 多個(gè)切換模塊，所述多個(gè)切換模塊中的一個(gè)切換模塊包括與第二半導(dǎo)體開關(guān)并聯(lián)或串聯(lián)連接的第一半導(dǎo)體開關(guān)，所述第二半導(dǎo)體開關(guān)在所述變速驅(qū)動(dòng)器的預(yù)充電操作期間被可控地切換，以限制進(jìn)入所述直流線路的突入電流，且所述第二半導(dǎo)體開關(guān)的最大額定電流小于所述第一半導(dǎo)體開關(guān)的最大額定電流。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的轉(zhuǎn)換器模塊，其中所述輔助半導(dǎo)體模塊選自由如下項(xiàng)組成的組絕緣柵雙極晶體管、雙極結(jié)型晶體管、金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管以及硅可控整流器。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的轉(zhuǎn)換器模塊，其中所述第一半導(dǎo)體開關(guān)和所述第二半導(dǎo)體開關(guān)被連接在至少一個(gè)電感器的輸出與直流總線的正軌之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的轉(zhuǎn)換器模塊，其中所述第二半導(dǎo)體開關(guān)在預(yù)充電操作之后在所述變速驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)行期間處于打開位置，所述第二半導(dǎo)體開關(guān)的打開位置被配置為允許在所述變速驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)行期間電流通過所述第二半導(dǎo)體開關(guān)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的轉(zhuǎn)換器模塊，其中所述第二半導(dǎo)體開關(guān)在所述變速驅(qū)動(dòng)器的預(yù)充電狀況期間被切換到斷開位置，基本防止在所述變速驅(qū)動(dòng)器的預(yù)充電狀況期間電流通過所述第二半導(dǎo)體開關(guān)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的轉(zhuǎn)換器模塊，其中所述第二半導(dǎo)體開關(guān)通過如下方式被控制施加大于施加至所述第一半導(dǎo)體開關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)的柵極-發(fā)射極電壓的輔助的柵極-發(fā)射極電壓。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的轉(zhuǎn)換器模塊，其中所述輔助的柵極-發(fā)射極電壓處于17伏特至20伏特的范圍內(nèi)，且所述標(biāo)準(zhǔn)的柵極-發(fā)射極電壓是15伏特。
8.一種變速驅(qū)動(dòng)器，包括 轉(zhuǎn)換器，其連接至提供輸入交流電力的交流電源，所述轉(zhuǎn)換器被配置為將固定的輸入交流電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓； 直流線路，其連接至所述轉(zhuǎn)換器，所述直流線路被配置為對(duì)所述直流電壓進(jìn)行濾波并儲(chǔ)存來自所述轉(zhuǎn)換器的能量；以及 逆變器，其連接至所述直流線路，所述逆變器被配置為將來自所述直流線路的直流電壓轉(zhuǎn)換成具有可變電壓和可變頻率的輸出電力；以及 所述轉(zhuǎn)換器包括預(yù)充電電路，所述預(yù)充電電路包括多個(gè)切換模塊，所述多個(gè)切換模塊中的一個(gè)切換模塊包括連接至第二半導(dǎo)體開關(guān)的第一半導(dǎo)體開關(guān)，所述第二半導(dǎo)體開關(guān)在所述變速驅(qū)動(dòng)器的預(yù)充電操作期間被可控地切換，以限制進(jìn)入所述直流線路的突入電流，且所述第二半導(dǎo)體開關(guān)的最大額定電流小于所述第一半導(dǎo)體開關(guān)的最大額定電流。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的變速驅(qū)動(dòng)器，其中所述第二半導(dǎo)體開關(guān)選自由如下項(xiàng)組成的組絕緣柵雙極晶體管、雙極結(jié)型晶體管、金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管以及硅可控整流器。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的變速驅(qū)動(dòng)器，其中所述第二半導(dǎo)體開關(guān)在預(yù)充電操作之后在所述變速驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)行期間處于打開位置，所述第二半導(dǎo)體開關(guān)的打開位置被配置為允許在所述變速驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)行期間電流通過所述第二半導(dǎo)體開關(guān)。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的變速驅(qū)動(dòng)器，其中所述第二半導(dǎo)體開關(guān)在所述變速驅(qū)動(dòng)器的預(yù)充電狀況期間被切換到斷開位置，基本防止在所述變速驅(qū)動(dòng)器的預(yù)充電狀況期間電流通過所述第二半導(dǎo)體開關(guān)。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的變速驅(qū)動(dòng)器，其中所述第二半導(dǎo)體開關(guān)的最大額定電流小于所述第一半導(dǎo)體開關(guān)的最大額定電流。
13.根據(jù)權(quán)利要求8所述的變速驅(qū)動(dòng)器，其中所述第一半導(dǎo)體開關(guān)和所述第二半導(dǎo)體開關(guān)被連接在至少一個(gè)電感器的輸出與直流總線的正軌之間。
14.根據(jù)權(quán)利要求8所述的變速驅(qū)動(dòng)器，其中所述第一半導(dǎo)體開關(guān)與所述第二半導(dǎo)體開關(guān)是并聯(lián)連接的。
15.根據(jù)權(quán)利要求8所述的變速驅(qū)動(dòng)器，其中所述第一半導(dǎo)體開關(guān)與所述第二半導(dǎo)體開關(guān)是串聯(lián)連接的。
16.根據(jù)權(quán)利要求12所述的變速驅(qū)動(dòng)器，其中所述第二半導(dǎo)體開關(guān)通過如下方式被控制施加大于施加至所述第一半導(dǎo)體開關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)的柵極-發(fā)射極電壓的輔助的柵極-發(fā)射極電壓。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的變速驅(qū)動(dòng)器，其中所述輔助的柵極-發(fā)射極電壓處于17伏特至20伏特的范圍內(nèi)，且所述標(biāo)準(zhǔn)的柵極-發(fā)射極電壓是15伏特。
18.—種用于系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)器,包括 變速驅(qū)動(dòng)器，所述變速驅(qū)動(dòng)器被配置為接收具有固定的輸入交流電壓和固定的輸入頻率的輸入交流電力，并提供具有可變電壓和可變頻率的輸出電力，所述可變電壓的最大電壓在量值上大于所述固定的輸入交流電壓，且所述可變頻率的最大頻率大于所述固定的輸入頻率，所述變速驅(qū)動(dòng)器包括 轉(zhuǎn)換器，其連接至提供輸入交流電力的交流電源，所述轉(zhuǎn)換器被配置為將所述固定的輸入交流電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓； 直流線路，其連接至所述轉(zhuǎn)換器，所述直流線路被配置為對(duì)所述直流電壓進(jìn)行濾波并儲(chǔ)存來自所述轉(zhuǎn)換器的能量； 逆變器，其連接至所述直流線路，所述逆變器被配置為將來自所述直流線路的直流電壓轉(zhuǎn)換成具有可變電壓和可變頻率的輸出電力；以及 所述轉(zhuǎn)換器包括預(yù)充電電路，所述預(yù)充電電路包括多個(gè)切換模塊，所述多個(gè)切換模塊中的一個(gè)切換模塊包括與第二半導(dǎo)體開關(guān)并聯(lián)或串聯(lián)連接的第一半導(dǎo)體開關(guān)，所述第二半導(dǎo)體開關(guān)在所述變速驅(qū)動(dòng)器的預(yù)充電操作期間被可控地切換，以限制進(jìn)入所述直流線路的突入電流，且所述第二半導(dǎo)體開關(guān)的最大額定電流小于所述第一半導(dǎo)體開關(guān)的最大額定電流。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的驅(qū)動(dòng)器，其中所述第二半導(dǎo)體開關(guān)選自由如下項(xiàng)組成的組絕緣柵雙極晶體管、雙極結(jié)型晶體管、金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管以及硅可控整流器。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的驅(qū)動(dòng)器，其中所述第二半導(dǎo)體開關(guān)在預(yù)充電操作之后在所述變速驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)行期間處于打開位置，所述第二半導(dǎo)體開關(guān)的打開位置被配置為允許在所述變速驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)行期間電流通過所述第二半導(dǎo)體開關(guān)。
21.根據(jù)權(quán)利要求18所述的驅(qū)動(dòng)器，其中所述第二半導(dǎo)體開關(guān)在所述變速驅(qū)動(dòng)器的預(yù)充電狀況期間被切換到斷開位置，基本防止在所述變速驅(qū)動(dòng)器的預(yù)充電狀況期間電流通過所述第二半導(dǎo)體開關(guān)。
22.根據(jù)權(quán)利要求18所述的驅(qū)動(dòng)器，其中所述第二半導(dǎo)體開關(guān)的最大額定電流小于所述第一半導(dǎo)體開關(guān)的最大額定電流。
全文摘要
描述了一種用于變速驅(qū)動(dòng)器的轉(zhuǎn)換器模塊，其具有用于預(yù)充電的半導(dǎo)體器件。預(yù)充電電路包括多個(gè)切換模塊，一個(gè)切換模塊具有與第二半導(dǎo)體開關(guān)并聯(lián)或串聯(lián)連接的第一半導(dǎo)體開關(guān)。第二半導(dǎo)體開關(guān)在預(yù)充電操作期間被接通和斷開，以限制進(jìn)入直流線路的突入電流。在預(yù)充電操作之后，第二半導(dǎo)體開關(guān)被一直接通且像二極管一樣起作用。第二半導(dǎo)體器件可以具有比主半導(dǎo)體器件低的最大額定電流。具有較低的額定電流的半導(dǎo)體器件經(jīng)歷與具有較高的額定電流的半導(dǎo)體器件相同的短路電流。具有較低的額定電流的半導(dǎo)體器件可以被供應(yīng)以比具有較高的額定電流的半導(dǎo)體器件大的柵極-發(fā)射極電壓，以平衡半導(dǎo)體器件之間的電流。
文檔編號(hào)H03K17/12GK102884695SQ201080066613
公開日2013年1月16日 申請(qǐng)日期2010年5月4日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月4日
發(fā)明者S·阿蒂加-曼諾, M·S·托德, I·杰德瑞克 申請(qǐng)人:江森自控科技公司