变速驱动器.pdf

摘要
申请专利号：	CN201080066613.5	申请日：	2010.05.04
公开号：	CN102884695A	公开日：	2013.01.16
当前法律状态：	授权	有效性：	有权
法律详情：	授权\|\|\|实质审查的生效IPC(主分类):H02H 9/00申请日:20100504\|\|\|公开
IPC分类号：	H02H9/00; H02M5/458; H02P27/04; H03K17/04; H03K17/0814; H03K17/10; H03K17/12; H03K17/567	主分类号：	H02H9/00
申请人：	江森自控科技公司
发明人：	S·阿蒂加-曼诺; M·S·托德; I·杰德瑞克
地址：	美国密歇根州
优先权：
专利代理机构：	北京北翔知识产权代理有限公司 11285	代理人：	李洁;杨勇
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内容摘要

描述了一种用于变速驱动器的转换器模块，其具有用于预充电的半导体器件。预充电电路包括多个切换模块，一个切换模块具有与第二半导体开关并联或串联连接的第一半导体开关。第二半导体开关在预充电操作期间被接通和断开，以限制进入直流线路的突入电流。在预充电操作之后，第二半导体开关被一直接通且像二极管一样起作用。第二半导体器件可以具有比主半导体器件低的最大额定电流。具有较低的额定电流的半导体器件经历与具有较高的额定电流的半导体器件相同的短路电流。具有较低的额定电流的半导体器件可以被供应以比具有较高的额定电流的半导体器件大的栅极-发射极电压，以平衡半导体器件之间的电流。

权利要求书

权利要求书一种用于变速驱动器的转换器模块，包括：多个切换模块，所述多个切换模块中的一个切换模块包括与第二半导体开关并联或串联连接的第一半导体开关，所述第二半导体开关在所述变速驱动器的预充电操作期间被可控地切换，以限制进入所述直流线路的突入电流，且所述第二半导体开关的最大额定电流小于所述第一半导体开关的最大额定电流。根据权利要求1所述的转换器模块，其中所述辅助半导体模块选自由如下项组成的组：绝缘栅双极晶体管、双极结型晶体管、金属氧化物半导体场效应晶体管以及硅可控整流器。根据权利要求1所述的转换器模块，其中所述第一半导体开关和所述第二半导体开关被连接在至少一个电感器的输出与直流总线的正轨之间。根据权利要求1所述的转换器模块，其中所述第二半导体开关在预充电操作之后在所述变速驱动器的运行期间处于打开位置，所述第二半导体开关的打开位置被配置为允许在所述变速驱动器的运行期间电流通过所述第二半导体开关。根据权利要求4所述的转换器模块，其中所述第二半导体开关在所述变速驱动器的预充电状况期间被切换到断开位置，基本防止在所述变速驱动器的预充电状况期间电流通过所述第二半导体开关。根据权利要求4所述的转换器模块，其中所述第二半导体开关通过如下方式被控制：施加大于施加至所述第一半导体开关的标准的栅极‑发射极电压的辅助的栅极‑发射极电压。根据权利要求6所述的转换器模块，其中所述辅助的栅极‑发射极电压处于17伏特至20伏特的范围内，且所述标准的栅极‑发射极电压是15伏特。一种变速驱动器，包括：转换器，其连接至提供输入交流电力的交流电源，所述转换器被配置为将固定的输入交流电压转换成直流电压；直流线路，其连接至所述转换器，所述直流线路被配置为对所述直流电压进行滤波并储存来自所述转换器的能量；以及逆变器，其连接至所述直流线路，所述逆变器被配置为将来自所述直流线路的直流电压转换成具有可变电压和可变频率的输出电力；以及所述转换器包括预充电电路，所述预充电电路包括多个切换模块，所述多个切换模块中的一个切换模块包括连接至第二半导体开关的第一半导体开关，所述第二半导体开关在所述变速驱动器的预充电操作期间被可控地切换，以限制进入所述直流线路的突入电流，且所述第二半导体开关的最大额定电流小于所述第一半导体开关的最大额定电流。根据权利要求8所述的变速驱动器，其中所述第二半导体开关选自由如下项组成的组：绝缘栅双极晶体管、双极结型晶体管、金属氧化物半导体场效应晶体管以及硅可控整流器。根据权利要求8所述的变速驱动器，其中所述第二半导体开关在预充电操作之后在所述变速驱动器的运行期间处于打开位置，所述第二半导体开关的打开位置被配置为允许在所述变速驱动器的运行期间电流通过所述第二半导体开关。根据权利要求8所述的变速驱动器，其中所述第二半导体开关在所述变速驱动器的预充电状况期间被切换到断开位置，基本防止在所述变速驱动器的预充电状况期间电流通过所述第二半导体开关。根据权利要求8所述的变速驱动器，其中所述第二半导体开关的最大额定电流小于所述第一半导体开关的最大额定电流。根据权利要求8所述的变速驱动器，其中所述第一半导体开关和所述第二半导体开关被连接在至少一个电感器的输出与直流总线的正轨之间。根据权利要求8所述的变速驱动器，其中所述第一半导体开关与所述第二半导体开关是并联连接的。根据权利要求8所述的变速驱动器，其中所述第一半导体开关与所述第二半导体开关是串联连接的。根据权利要求12所述的变速驱动器，其中所述第二半导体开关通过如下方式被控制：施加大于施加至所述第一半导体开关的标准的栅极‑发射极电压的辅助的栅极‑发射极电压。根据权利要求16所述的变速驱动器，其中所述辅助的栅极‑发射极电压处于17伏特至20伏特的范围内，且所述标准的栅极‑发射极电压是15伏特。一种用于系统的驱动器，包括：变速驱动器，所述变速驱动器被配置为接收具有固定的输入交流电压和固定的输入频率的输入交流电力，并提供具有可变电压和可变频率的输出电力，所述可变电压的最大电压在量值上大于所述固定的输入交流电压，且所述可变频率的最大频率大于所述固定的输入频率，所述变速驱动器包括：转换器，其连接至提供输入交流电力的交流电源，所述转换器被配置为将所述固定的输入交流电压转换成直流电压；直流线路，其连接至所述转换器，所述直流线路被配置为对所述直流电压进行滤波并储存来自所述转换器的能量；逆变器，其连接至所述直流线路，所述逆变器被配置为将来自所述直流线路的直流电压转换成具有可变电压和可变频率的输出电力；以及所述转换器包括预充电电路，所述预充电电路包括多个切换模块，所述多个切换模块中的一个切换模块包括与第二半导体开关并联或串联连接的第一半导体开关，所述第二半导体开关在所述变速驱动器的预充电操作期间被可控地切换，以限制进入所述直流线路的突入电流，且所述第二半导体开关的最大额定电流小于所述第一半导体开关的最大额定电流。根据权利要求18所述的驱动器，其中所述第二半导体开关选自由如下项组成的组：绝缘栅双极晶体管、双极结型晶体管、金属氧化物半导体场效应晶体管以及硅可控整流器。根据权利要求18所述的驱动器，其中所述第二半导体开关在预充电操作之后在所述变速驱动器的运行期间处于打开位置，所述第二半导体开关的打开位置被配置为允许在所述变速驱动器的运行期间电流通过所述第二半导体开关。根据权利要求18所述的驱动器，其中所述第二半导体开关在所述变速驱动器的预充电状况期间被切换到断开位置，基本防止在所述变速驱动器的预充电状况期间电流通过所述第二半导体开关。根据权利要求18所述的驱动器，其中所述第二半导体开关的最大额定电流小于所述第一半导体开关的最大额定电流。

说明书

说明书变速驱动器
背景技术
本申请总体涉及变速驱动器。更具体地，本申请涉及变速驱动器中的电子器件功率组件。
变速驱动器（VSD）是一种能够通过控制供应至交流（AC）电动马达的电力的频率和电压来控制该马达的速度的系统。VSD可以被用于多种应用，例如：用于大型建筑物的通风系统、泵以及机械工具驱动器。
VSD包括多个级以向马达提供速度控制。VSD可以包括整流器或转换器级、直流线路（link）级以及逆变器级。整流器或转换器级——也被称为转换器——将来自交流电源的具有固定线频率、固定线电压的交流电力转换成直流电力。直流线路级——也被称为直流线路——对来自转换器的直流电力进行滤波，且通常包含大量的电容。最后，逆变器级——也被称为逆变器——与直流线路并联连接，并将来自直流线路的直流电力转换成具有可变频率、可变电压的交流电力。
当电力被施加至VSD时，直流线路电容器两端的电压——称为直流线路电压——从零上升至额定值。如果对直流线路电压的上升放任不管，则通过从交流电源汲取非常大的电流通过整流器并进入直流线路电容器，电压水平的上升将非常快地出现。被直流线路电容器汲取的大电流——称为突入电流（inrush current）——可以对VSD的部件造成损害。因此，为了使VSD的部件免遭突入电流的损害，直流线路电压从0V至额定电压的上升应受到控制。对直流线路电压的控制被称为电路的直流线路预充电操作或预充电。
在一些采用对电容器的受控充电或预充电以限制突入电流的VSD应用中，转换器被布置为向直流线路提供预充电电流。这些半导体器件——诸如绝缘栅双极晶体管（IGBT）或用于对交流线电压进行整流的其他类型的功率开关或晶体管——的导通受到控制，以在VSD的预充电操作期间仅让小脉冲的突入电流流过。在预充电过程中用于控制突入电流的半导体器件通常此后一直被接通。仅在预充电过程中被使用的这些半导体器件可以具有小于主半导体器件的最大额定电流的最大额定电流。
在转换器的输入或逆变器的输出上出现故障或短路状况时，转换器可能遭受有害的或破坏性的电流。这些缘于故障或短路的有害的或破坏性的电流可以损害VSD的部件或整个VSD。因此，期望在短路状况期间对VSD提供保护，以防止损坏转换器的半导体器件以及配电系统和VSD的其他部件。
在转换器中使用具有较低的最大额定电流的辅助半导体器件连同具有较高的额定电流的主半导体器件，对在短路或故障事件期间安全断开造成问题。需要一种方案来提高这样的变速驱动器在短路或故障事件期间的可靠性。
发明内容
一个实施方案涉及一种用于变速驱动器的转换器模块，该转换器模块具有多个切换模块，所述多个切换模块中的一个切换模块具有与第二半导体开关并联或串联连接的第一半导体开关，所述第二半导体开关在所述变速驱动器的预充电操作期间被可控地切换，以限制进入直流线路的突入电流。所述第二半导体开关的最大额定电流小于所述第一半导体开关的最大额定电流。
另一个实施方案涉及一种变速驱动器，该变速驱动器具有转换器，所述转换器连接至提供输入交流电力的交流电源。所述转换器将固定的输入交流电压转换成直流电压。所述变速驱动器还包括直流线路，所述直流线路连接至所述转换器。所述直流线路对所述直流电压进行滤波并储存来自所述转换器的能量。所述变速驱动器还包括逆变器，所述逆变器连接至所述直流线路。所述逆变器将来自所述直流线路的直流电压转换成具有可变电压和可变频率的输出电力。所述转换器具有预充电电路，所述预充电电路具有多个切换模块，所述多个切换模块中的一个切换模块包括与第二半导体开关并联或串联连接的第一半导体开关。所述第二半导体开关在所述变速驱动器的预充电操作期间被可控地切换，以限制进入所述直流线路的突入电流。所述第二半导体开关的最大额定电流小于所述第一半导体开关的最大额定电流。
又一个实施方案涉及一种用于系统的驱动器，该驱动器具有变速驱动器。所述变速驱动器接收具有固定的输入交流电压和固定的输入频率的输入交流电力，并提供具有可变电压和可变频率的输出电力。所述可变电压的最大电压在量值上大于所述固定的输入交流电压，且所述可变频率的最大频率大于所述固定的输入频率。所述变速驱动器包括转换器，所述转换器连接至提供输入交流电力的交流电源。所述转换器将所述固定的输入交流电压转换成直流电压。所述变速驱动器还包括直流线路，所述直流线路连接至所述转换器。所述直流线路对所述直流电压进行滤波并储存来自所述转换器的能量。所述变速驱动器还包括逆变器，所述逆变器连接至所述直流线路。所述逆变器将来自所述直流线路的直流电压转换成具有可变电压和可变频率的输出电力。所述转换器具有预充电电路，所述预充电电路具有多个切换模块，所述多个切换模块中的一个切换模块包括与第二半导体开关并联或串联连接的第一半导体开关。所述第二半导体开关在所述变速驱动器的预充电操作期间被可控地切换，以限制进入所述直流线路的突入电流。所述第二半导体开关的最大额定电流小于所述第一半导体开关的最大额定电流。
附图说明
图1示出了商用环境中的加热、通风、空气调节和制冷（HVAC&R）系统的一个示例性实施方案。
图2图解示出了VSD系统配置的一个示例性实施方案。
图3图解示出了具有多个马达的VSD系统配置的一个示例性实施方案。
图4图解了VSD系统的一个示例性实施方案。
图5图解示出了具有多个逆变器的VSD系统的一个示例性实施方案。
图6图解示出了蒸气压缩系统的一个示例性实施方案。
图7和图8示意性示出了VSD系统的一个示例性实施方案的电路图。
图9和图10示意性示出了VSD系统的另一个示例性实施方案的电路图。
图11示出了用于有源（active）转换器IGBT切换模块的双极结型晶体管（BJT）驱动器板的一个示例性实施方案，其供用在图9所示的转换器配置中。
具体实施方式
图1示出了用于商用背景的建筑物12中的加热、通风、空气调节系统（HVAC系统）10的一个示例性环境。系统10可以包括被纳入蒸气压缩系统14中的压缩机，该蒸气压缩系统可以供应被用来冷却建筑物12的冷液体（chilled liquid）。系统10还可以包括：锅炉16，其被用来加热建筑物12；以及，空气分配系统，其使空气循环通过建筑物12。该空气分配系统可以包括空气返回管18、空气供应管20和空气处理机22。空气处理机22可以包括热交换器，该热交换器通过管道24连接至锅炉16和蒸气压缩系统14。空气处理机22中的热交换器可以接收来自锅炉16的热液体（heated liquid）或来自蒸气压缩系统14的冷液体，取决于系统10的运行模式。系统10被示为在建筑物12的每个楼层上具有单独的空气处理机，但应认识到，这些部件可以在各个楼层之间共享。
图2和图3例示了包括变速驱动器（VSD）28的系统配置，其可以被用于向HVAC系统10提供动力。AC电源26给VSD 28供电，VSD 28给一个马达30（见图2）或多个马达30（见图3）提供动力。该一个或多个马达30可以被用来驱动HVAC、制冷或冷却系统10的相应的压缩机38（总体见图6）。交流电源26从场所中存在的AC电网或配电系统向VSD 28提供单相或多相（例如三相）的、具有固定电压和固定频率的AC电力。AC电源26优选地可以向VSD 28提供线频率为50Hz或60Hz的200V、230V、380V、460V或600V的AC电压或线电压，取决于相应的AC电网。
VSD 28从AC电源26接收具有特定的固定线电压和固定线频率的AC电力，并以期望电压和期望频率向一个或多个马达30提供AC电力，所述期望电压和期望频率两者都可以改变以满足特定要求。VSD 28可以向一个或多个马达30提供具有比该一个或多个马达30的额定电压和频率高的电压和频率以及比该一个或多个马达30的额定电压和频率低的电压和频率的AC电力。在另一个实施方案中，VSD 28可以提供与一个或多个马达30的额定频率相比较高和较低的频率，但仅可以提供与该一个或多个马达30的额定电压相比相同或较低的电压。一个或多个马达30可以是感应马达，但也可以包括任意类型的能够以可变速度进行操作的马达。所述马达还可以具有任何合适的极布置，包括二极、四极或六极。
图4和图5例示了VSD 28的不同实施方案。VSD 28可以具有三个级：转换器级32、DC线路级34和输出级，所述输出级具有一个逆变器36（见图4）或多个逆变器36（见图5）。转换器32将来自AC电源26的具有固定线频率和固定线电压的AC电力转换成DC电力。直流线路34对来自转换器32的DC电力进行滤波，并提供能量储存部件。DC线路34可以由电容器和电感器组成，所述电容器和电感器是表现出高的可靠性水平和非常低的故障率的无源器件。最后，在图4所示的实施方案中，逆变器36将来自DC线路34的DC电力转换成用于马达30的具有可变频率、可变电压的AC电力，并且在图5所示的实施方案中，多个逆变器36被并联连接在DC线路34上。每个逆变器36将来自DC线路34的DC电力转换成用于相应的马达30的具有可变频率、可变电压的AC电力。上述一个或多个逆变器36可以是功率模块，该功率模块可以包括用金属线接合技术互连的功率晶体管、绝缘栅双极晶体管（IGBT）功率开关和反相二极管（inverse diode）。应理解，VSD 28的DC线路34和逆变器36可以包括与上文所述的部件不同的部件，只要VSD 28的DC线路34和逆变器36可以向马达30提供适当的输出电压和频率。
对于图3和图5，多个逆变器36可以由控制系统联合控制，以使得每个逆变器36基于提供给该每个逆变器36的共同的控制信号或控制指令，向相应的马达提供具有相同的期望电压和频率的AC电力。在另一个实施方案中，多个逆变器36可以由控制系统个别地控制，以允许每个逆变器36基于提供给该每个逆变器36的单独的控制信号或控制指令，向相应的马达30提供具有不同的期望电压和频率的AC电力。个别控制的能力允许VSD 28的逆变器36更有效率地满足马达30和系统需求以及负载，而不管连接至其他逆变器36的其他马达30和系统的要求如何。例如，一个逆变器36可以向一个马达30提供全功率，同时另一个逆变器36正向另一个马达30提供半功率。任一实施方案中对逆变器36的控制都可以通过控制面板或其他合适的控制设备来进行。
对于由VSD 28提供动力的每个马达30，在VSD 28的输出级中存在一个相应的逆变器36。可由VSD 28提供动力的马达30的数目取决于VSD 28中包括的逆变器36的数目。在一个实施方案中，VSD 28中可以包括两个或三个逆变器36，所述两个或三个逆变器36并联连接至DC线路34，并且被用于为相应的马达30提供动力。尽管VSD 28可以具有两个至三个逆变器36，但应理解，逆变器36的数目可以超过三个，只要DC线路34的能力足够大到为每个逆变器36提供并维持适当的DC电压。
图6例示了包括在蒸气压缩系统中的VSD，其使用了图2或图4的系统配置和VSD 28。蒸气压缩系统84包括压缩机38、冷凝器40、液体冷却器或蒸发器42以及控制面板44。压缩机38由马达30驱动，马达30由VSD 28提供动力。VSD 28从AC电源26接收具有特定的固定线电压和固定线频率的AC电力，并且以期望电压和期望频率向马达30提供AC电力，所述期望电压和期望频率两者都可以改变以满足特定要求。控制面板44可以包括多种不同的部件，诸如模拟‑数字（A/D）转换器、微处理器、非易失性存储器和接口板，以控制蒸气压缩系统84的运行。控制面板44也可以被用来控制VSD 28和马达30的运行。
压缩机38压缩制冷剂蒸气，并经由排出管线将该蒸气输送至冷凝器40。压缩机38可以是任何合适类型的压缩机，例如螺旋式压缩机、离心式压缩机、往复式压缩机、涡旋式压缩机等。由压缩机38输送至冷凝器40的制冷剂蒸气与一流体例如空气或水进入热交换关系，并由于与该流体的热交换关系的结果而经历相变成为制冷剂液体。来自冷凝器40的冷凝的液体制冷剂流经膨胀设备（未示出）到达蒸发器42。
蒸发器42可以包括用于冷却负荷的供应管线和返回管线的连接。过程流体例如水、乙二醇、氯化钙卤水或氯化钠卤水，经由返回管线行进入蒸发器42，并经由供应管线离开蒸发器42。蒸发器42中的液体制冷剂与该过程流体进入热交换关系，以降低该过程流体的温度。由于与该过程流体的热交换关系的结果，蒸发器42中的制冷剂液体经历相变成为制冷剂蒸气。蒸发器42中的蒸气制冷剂离开蒸发器42并通过抽吸管线返回到压缩机38以完成循环。应理解，在系统10中可以使用冷凝器40和蒸发器42的任何合适配置，只要能够获得制冷剂在冷凝器40和蒸发器42中的适当相变。
尽管图6将蒸气压缩系统84例示为具有连接在单个制冷剂回路中的一个压缩机，但蒸气压缩系统84可以具有多个压缩机，该多个压缩机由如图3和图5所示的单个VSD提供动力。蒸气压缩系统84也可以具有多个VSD——大致见图2和图4所示的实施方案，所述多个VSD连接进一个或多个制冷剂回路中的每一个。
图7和图8示意性示出了VSD 28的一个实施方案的电路图。来自三相AC电源26的输入线路L1‑L3连接至断路器46。当过量的电流、电压或功率被AC电源26提供给VSD 28时，断路器46可以使VSD 28与AC电源26断开。在断路器46的另一侧可以连接自动变压器48，以将来自AC电源26的输入电压（向上或向下）调节到期望的输入电压。用于每个线路的熔丝50可以被用来响应于这个线路中的过大的电流而使VSD 28的这个输入相或线路断开。用于每个线路的电感器52被用来使VSD 28的相应的线路中的电流平滑。每个电感器52的输出继而被提供给转换器32，以将输入AC电力的每个相转换成DC电力。
在转换器32中，每一对功率开关中的功率开关之一是IGBT 60，IGBT 60连接至反向或反向并联（anti‑parallel）二极管62。使用IGBT 60是因为IGBT模块的高效率和快速切换特性。反向或反向并联二极管62被用来在另一个功率开关即IGBT 64断开之后传导电流。当VSD 28运行在脉冲宽度调制模式下时IGBT 64断开。如图7所示，I GBT60和反向二极管62被连接在电感器52的输出与DC总线54的负轨（negative rail）之间。然而，在本发明的另一个实施方案中，I GBT60和反向二极管62可以被连接在电感器52的输出与DC总线54的正轨（positive rail）之间。
这一对功率开关中的所述另一个功率开关是反向阻断I GBT 64，意味着IGBT 64除了正向电压以外还能够阻断反向电压。反向阻断IGBT 64连接至反向或反向并联IGBT 66，IGBT 66也是反向阻断IGBT。反向并联IGBT 66可以在系统28的预充电操作期间被栅极控制（gate‑controlled）或切换，以仅允许小脉冲的突入电流到达DC线路34（图8）。在预充电操作完成之后，与反向并联二极管62相似，反向并联I GBT 66可以被控制以一直导通。与能够提供反向阻断的二极管串联连接的附加的反向阻断功率开关——诸如I GBT功率开关，例如IGBT 60——可以被用来替代反向阻断IGBT 64和反向阻断IGBT 66。在本发明的又一个实施方案中，IGBT 60可以用反向阻断IGBT 64替换。
反向阻断IGBT 64可以阻断正的发射极‑集电极电压，该发射极‑集电极电压近似等于IGBT 64两端出现的峰值线‑线电压。为了预充电条件，反向阻断IGBT 64可以阻断正的发射极‑集电极电压长达反向并联IGBT 66的导通被延迟的时间。当作为常规二极管运行时，反向阻断IGBT 64和反向并联IGBT 66的反向阻断能力提供反向恢复特性。通过每当处于相同相中的串联连接的IGBT 60接通时防止显著的反向电流在反向并联IGBT 66中流过，反向并联IGBT 66的反向恢复特性防止了反向并联IGBT 66中出现显著的反向恢复损耗。防止反向并联IGBT 66中的反向电流可以限制当串联连接的IGBT 60接通时串联连接的IGBT 60中的电流峰值以及相应的损耗。如图7所示，反向阻断IGBT 64和反向并联IGBT 66被连接在电感器52的输出与DC总线54的正轨之间。然而，在本发明的另一个实施方案中，反向阻断IGBT 64和反向并联IGBT 66可被连接在电感器52的输出与DC总线54的负轨之间。
并联连接至转换器32的输出的是DC线路34，如图8所示。DC线路34可以包括电容器56和电阻器58，以对DC电力进行滤波并储存来自DC总线54的能量。电阻器58可以用作电压平衡器件，以维持电容器56之间基本相等的DC线路电压。电阻器58也可以用作电荷消耗器件，以当电力被从AC电源26（图7）移除时“放泄（bleed off）”电容器56中储存的电压。
使用图7所示的转换器模块32，可以控制DC线路34的电容器56的预充电。转换器模块32包括三对（每个输入相一对）功率开关或晶体管。转换器模块32还包括相应的控制连接，以控制这些功率开关的切换。控制面板44（为了简化未示出）使用一调制方案选择性地将每个功率开关在“通”或启用位置与“断”或停用位置之间进行切换，以对DC线路34的电容器56进行预充电。转换器模块32可以用作升压整流器（boost rectifier），以向DC线路34提供升高的DC电压，以从VSD 28获得大于VSD 28的输入电压的输出电压。
连接至DC总线54的还有逆变器部分36，逆变器部分36将DC总线54上的DC电力转换成用于马达30的三相AC电力。可以使用单个逆变器部分或模块36，然而可以向系统28添加附加的逆变器模块36。附加的逆变器模块36会具有与图5所示的逆变器模块36相似的示意表示。逆变器36包括三对（每个输出相一对）I GBT功率开关70和反向二极管62。逆变器模块36还包括相应的控制连接82，以控制IGBT功率开关70的切换。
逆变器模块36通过使用调制方案选择性地将逆变器模块36中的每个IGBT功率开关70在“通”或启用位置与“断”或停用位置之间进行切换，将DC总线54上的DC电力转换成三相AC电力，以从逆变器模块36获得期望的AC电压和频率。基于调制方案，控制信号（gating signal）或切换信号通过控制面板44被提供给IGBT功率开关70，以在“通”位置与“断”位置之间切换IGBT功率开关70。IGBT功率开关70优选地当切换信号是“高”——即逻辑1——时处于“通”位置，且当切换信号是“低”——即逻辑0——时处于“断”位置。然而应理解，I GBT功率开关70的启用和停用可以基于切换信号的相反状态。
现在参看图9和图10，示出了VSD 28的另一个示例性实施方案的电路图。除了转换器32的运行之外，这个实施方案中的VSD 28的运行与上文参照图7和图8描述的VSD 28的运行相似。与图7和图8所示的实施方案相似，每个电感器52的输出被提供给转换器32，且DC线路34被并联连接至转换器32的输出。
在转换器模块32中，每一对功率开关中的功率开关之一是IGBT60，IGBT 60连接至反向或反向并联二极管62。反向或反向并联二极管62被用来当VSD 28在脉冲宽度调制模式下运行时在IGBT 70断开之后传导电流。IGBT 60和反向二极管62被连接在电感器52的输出与DC总线54的负轨之间。然而，在另一个实施方案中，IGBT 60和反向二极管62可以被连接在电感器52的输出与DC总线54的正轨之间。
另一个功率开关组合包括IGBT 70——带有相关联的反向并联二极管74，辅助IGBT 78，以及辅助反向并联二极管80。辅助IGBT 78和辅助二极管80被连接在IGBT 70与DC总线54的正轨之间。IGBT 78在预充电操作期间可以被控制，以仅允许小脉冲的突入电流到达DC线路34。与反向并联二极管74相似，在预充电操作完成之后，IGBT 78可以被控制以一直导通。
转换器模块32还包括相应的控制连接（为了简化未示出），以采用与上文针对逆变器模块36描述的方式相似的方式控制这些功率开关的切换。转换器模块32的功率开关可以是IGBT功率开关，所述IGBT功率开关通过脉冲宽度调制技术进行控制，以产生用于DC线路34的期望的输出电压。转换器模块32可以用作升压整流器，以向DC线路34提供升高的DC电压，以从VSD 28获得大于VSD 28的输入电压的输出电压。
IGBT 78和二极管80被并联连接在IGBT 70与DC总线54的正轨之间，如图9所示。然而，在另一个实施方案中，IGBT 78和二极管80可以被并联连接在IGBT 60与DC总线54的负轨之间。
图7中的IGBT 66和图9中的IGBT 78主要用于预充电操作，以限制进入DC线路34的突入电流。在变速驱动器的预充电操作之后，这些I GBT一直接通并且用作二极管。图7中的I GBT 66和图9中的IGBT 78仅用于预充电，且在预充电操作完成之后一直被栅极控制为接通。因而，IGBT 66、78的最大额定电流可以小于图7中的IGBT 60、64以及图9中的IGBT 60、70的最大额定电流。较低的最大额定电流对应于图7中的IGBT 66以及图9中的IGBT 78的较小尺寸，且导致了较小尺寸的转换器32，该较小尺寸的转换器32与由具有较高额定电流的I GBT器件构造的转换器相比，要求VSD 28内的较少空间且生产成本较低。
在VSD 28中的短路或故障事件期间，具有较低的最大额定电流的IGBT 66和IGBT 78可以经历与具有较高的额定电流的IGBT 60、64以及IGBT 60、70相同的短路电流。如果可以使得IGBT 66、78传导与IGBT 60、64近似相等的电流，则在这样的事件中安全断开的可能性会提高。
具有较低的额定电流的IGBT 66、78可以被供应以比最大额定电流较高的具有较高的额定电流的IGBT 60、64（在图7中的IGBT 66的情况下）或IGBT 60、70（在图9中的I GBT 78的情况下）更高的栅极‑发射极电压。增加的栅极‑发射极电压允许定额较低的IGBT 66和IGBT 78支持高于额定电流的电流水平，即，增加的栅极‑发射极电压允许定额在较低电流的IGBT 66和IGBT 78支持基本等于具有较高的额定电流的IGBT 60、64以及IGBT 60、70的电流水平的电流水平。增加IGBT 66、78的栅极‑发射极电压提高了在变速驱动器的短路或故障期间安全断开的概率。
现在参看图11，示出了栅极驱动器板（gate driver board）86的一个实施方案，栅极驱动器板86具有连接至示例性有源转换器IGBT切换模块90的双极结型晶体管（BJT）驱动器，供用于图9所示的转换器配置。辅助IGBT 78和辅助反向并联二极管80被连接在IGBT 70与直流总线54的正轨之间。I GBT 78在预充电操作期间可以被控制，以仅允许小脉冲的突入电流到达直流线路34。在预充电操作完成之后，I GBT 78可以被控制以一直导通，与反向并联二极管相似。使用BJT驱动器电路100，通过栅极电阻器RG和发射极电阻器RE，将栅极‑发射极电压施加在IGBT 78的辅助栅极端子91与辅助发射极端子92之间。在至少一个示例性实施方案中，所施加的、辅助IGBT 78的栅极‑发射极电压VGE_AUX可以在17V至20V的范围内。换言之，VGE_AUX可以是用于控制标准I GBT的栅极‑发射极电压的近似1.133和1.333倍。用于辅助IGBT 78的栅极信号（gate signal）由通过外部连接器94连接的控制面板44产生。如上文所述，VGE_AUX在预充电操作期间以变化长度的脉冲方式被施加。当预充电操作完成后，VGE_AUX被连续地施加，使得IGBT 78一直导通。
栅极驱动器板86还包括分别连接至IGBT 70和60的BJT驱动器电路88和96。使用BJT驱动器电路88，通过栅极电阻器RG和发射极电阻器RE，将栅极‑发射极电压施加在IGBT 70的栅极端子71与发射极端子73之间。相似地，使用BJT驱动器电路96，通过栅极电阻器RG和发射极电阻器RE，将栅极‑发射极电压施加至IGBT 60的栅极端子61和发射极端子63。BJT驱动器电路88和96施加近似15V的标准的栅极‑发射极电压VGE，用于切换IGBT 70和60。BJT驱动器电路88和96分别从隔离的电源和控制器102、103接收控制输入信号。隔离的电源和控制器102、103分别通过外部连接器98、99与控制面板44通信。切换模块90上的热敏电阻104可以通过连接器97连接至控制面板44，用于IGBT 60、70、78的温度控制。阻断二极管105、106被串联连接在隔离的电源和控制器102、103与端子89、73处存在的高电压之间。
尽管在示例性实施方案中使用IGBT描述了向具有较低的额定电流的开关供应较高的栅极‑发射极电压以提高变速驱动器的可靠性的方法，但该方法适用于任何栅极控制的半导体器件开关或器件。
尽管例示和描述了本发明的仅某些特征和实施方案，但本领域技术人员可以想到许多修改和变更（例如尺寸、大小、结构、形状和各元件的比例、参数值（例如温度、压力等）、安装布置、材料使用、颜色、取向等方面的改变），而实质上不偏离权利要求中限定的主题的新颖教导和优点。因此应理解，随附的权利要求旨在覆盖落在本发明本质精神内的所有这样的修改和变更。此外，为了努力提供对示例性实施方案的简明描述，可能没有描述实际实现方式的所有特征（即，那些与当前预期的实施本发明的最佳方式无关的特征，或那些与使得能够实施所要求保护的发明无关的特征）。应认识到，在开发任何这样的实际实现方式时，如在任何工程或设计项目中，可以做出众多实现方式特定的决策。这样的开发努力可能是复杂的和耗时的，但无论如何对于受益于本公开内容的普通技术人员来说都是设计、制作和生产的常规工作，而不需要过度的实验。

资源描述

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1、(10)申请公布号 CN 102884695 A (43)申请公布日 2013.01.16 C N 1 0 2 8 8 4 6 9 5 A *CN102884695A* (21)申请号 201080066613.5 (22)申请日 2010.05.04 H02H 9/00(2006.01) H02M 5/458(2006.01) H02P 27/04(2006.01) H03K 17/04(2006.01) H03K 17/0814(2006.01) H03K 17/10(2006.01) H03K 17/12(2006.01) H03K 17/567(2006.01) (71)申请人江森自控。

2、科技公司地址美国密歇根州 (72)发明人 S阿蒂加-曼诺 MS托德 I杰德瑞克 (74)专利代理机构北京北翔知识产权代理有限公司 11285 代理人李洁杨勇 (54) 发明名称变速驱动器 (57) 摘要描述了一种用于变速驱动器的转换器模块，其具有用于预充电的半导体器件。预充电电路包括多个切换模块，一个切换模块具有与第二半导体开关并联或串联连接的第一半导体开关。第二半导体开关在预充电操作期间被接通和断开，以限制进入直流线路的突入电流。在预充电操作之后，第二半导体开关被一直接通且像二极管一样起作用。第二半导体器件可以具有比主半导体器件低的最大额定电流。具有较低的额定电流的。

3、半导体器件经历与具有较高的额定电流的半导体器件相同的短路电流。具有较低的额定电流的半导体器件可以被供应以比具有较高的额定电流的半导体器件大的栅极-发射极电压，以平衡半导体器件之间的电流。 (85)PCT申请进入国家阶段日 2012.11.05 (86)PCT申请的申请数据 PCT/US2010/033499 2010.05.04 (87)PCT申请的公布数据 WO2011/139269 EN 2011.11.10 (51)Int.Cl. 权利要求书3页说明书8页附图9页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请权利要求书 3 页说明书 8 页附图 9 页。

4、1/3页 2 1.一种用于变速驱动器的转换器模块，包括：多个切换模块，所述多个切换模块中的一个切换模块包括与第二半导体开关并联或串联连接的第一半导体开关，所述第二半导体开关在所述变速驱动器的预充电操作期间被可控地切换，以限制进入所述直流线路的突入电流，且所述第二半导体开关的最大额定电流小于所述第一半导体开关的最大额定电流。 2.根据权利要求1所述的转换器模块，其中所述辅助半导体模块选自由如下项组成的组：绝缘栅双极晶体管、双极结型晶体管、金属氧化物半导体场效应晶体管以及硅可控整流器。 3.根据权利要求1所述的转换器模块，其中所述第一半导体开关和所述第二半导体开关被连接在至少一个电感。

5、器的输出与直流总线的正轨之间。 4.根据权利要求1所述的转换器模块，其中所述第二半导体开关在预充电操作之后在所述变速驱动器的运行期间处于打开位置，所述第二半导体开关的打开位置被配置为允许在所述变速驱动器的运行期间电流通过所述第二半导体开关。 5.根据权利要求4所述的转换器模块，其中所述第二半导体开关在所述变速驱动器的预充电状况期间被切换到断开位置，基本防止在所述变速驱动器的预充电状况期间电流通过所述第二半导体开关。 6.根据权利要求4所述的转换器模块，其中所述第二半导体开关通过如下方式被控制：施加大于施加至所述第一半导体开关的标准的栅极-发射极电压的辅助的栅极-发射极电压。 7.根。

6、据权利要求6所述的转换器模块，其中所述辅助的栅极-发射极电压处于17伏特至20伏特的范围内，且所述标准的栅极-发射极电压是15伏特。 8.一种变速驱动器，包括：转换器，其连接至提供输入交流电力的交流电源，所述转换器被配置为将固定的输入交流电压转换成直流电压；直流线路，其连接至所述转换器，所述直流线路被配置为对所述直流电压进行滤波并储存来自所述转换器的能量；以及逆变器，其连接至所述直流线路，所述逆变器被配置为将来自所述直流线路的直流电压转换成具有可变电压和可变频率的输出电力；以及所述转换器包括预充电电路，所述预充电电路包括多个切换模块，所述多个切换模块中的一个切换模块包括连接至。

7、第二半导体开关的第一半导体开关，所述第二半导体开关在所述变速驱动器的预充电操作期间被可控地切换，以限制进入所述直流线路的突入电流，且所述第二半导体开关的最大额定电流小于所述第一半导体开关的最大额定电流。 9.根据权利要求8所述的变速驱动器，其中所述第二半导体开关选自由如下项组成的组：绝缘栅双极晶体管、双极结型晶体管、金属氧化物半导体场效应晶体管以及硅可控整流器。 10.根据权利要求8所述的变速驱动器，其中所述第二半导体开关在预充电操作之后在所述变速驱动器的运行期间处于打开位置，所述第二半导体开关的打开位置被配置为允许在所述变速驱动器的运行期间电流通过所述第二半导体开关。 11.根据。

8、权利要求8所述的变速驱动器，其中所述第二半导体开关在所述变速驱动器权利要求书CN 102884695 A 2/3页 3 的预充电状况期间被切换到断开位置，基本防止在所述变速驱动器的预充电状况期间电流通过所述第二半导体开关。 12.根据权利要求8所述的变速驱动器，其中所述第二半导体开关的最大额定电流小于所述第一半导体开关的最大额定电流。 13.根据权利要求8所述的变速驱动器，其中所述第一半导体开关和所述第二半导体开关被连接在至少一个电感器的输出与直流总线的正轨之间。 14.根据权利要求8所述的变速驱动器，其中所述第一半导体开关与所述第二半导体开关是并联连接的。 15.根据权利要。

9、求8所述的变速驱动器，其中所述第一半导体开关与所述第二半导体开关是串联连接的。 16.根据权利要求12所述的变速驱动器，其中所述第二半导体开关通过如下方式被控制：施加大于施加至所述第一半导体开关的标准的栅极-发射极电压的辅助的栅极-发射极电压。 17.根据权利要求16所述的变速驱动器，其中所述辅助的栅极-发射极电压处于17伏特至20伏特的范围内，且所述标准的栅极-发射极电压是15伏特。 18.一种用于系统的驱动器，包括：变速驱动器，所述变速驱动器被配置为接收具有固定的输入交流电压和固定的输入频率的输入交流电力，并提供具有可变电压和可变频率的输出电力，所述可变电压的最大电压在量值上。

10、大于所述固定的输入交流电压，且所述可变频率的最大频率大于所述固定的输入频率，所述变速驱动器包括：转换器，其连接至提供输入交流电力的交流电源，所述转换器被配置为将所述固定的输入交流电压转换成直流电压；直流线路，其连接至所述转换器，所述直流线路被配置为对所述直流电压进行滤波并储存来自所述转换器的能量；逆变器，其连接至所述直流线路，所述逆变器被配置为将来自所述直流线路的直流电压转换成具有可变电压和可变频率的输出电力；以及所述转换器包括预充电电路，所述预充电电路包括多个切换模块，所述多个切换模块中的一个切换模块包括与第二半导体开关并联或串联连接的第一半导体开关，所述第二半导体开关在。

11、所述变速驱动器的预充电操作期间被可控地切换，以限制进入所述直流线路的突入电流，且所述第二半导体开关的最大额定电流小于所述第一半导体开关的最大额定电流。 19.根据权利要求18所述的驱动器，其中所述第二半导体开关选自由如下项组成的组：绝缘栅双极晶体管、双极结型晶体管、金属氧化物半导体场效应晶体管以及硅可控整流器。 20.根据权利要求18所述的驱动器，其中所述第二半导体开关在预充电操作之后在所述变速驱动器的运行期间处于打开位置，所述第二半导体开关的打开位置被配置为允许在所述变速驱动器的运行期间电流通过所述第二半导体开关。 21.根据权利要求18所述的驱动器，其中所述第二半导体开关在所述。

12、变速驱动器的预充电状况期间被切换到断开位置，基本防止在所述变速驱动器的预充电状况期间电流通过权利要求书CN 102884695 A 3/3页 4 所述第二半导体开关。 22.根据权利要求18所述的驱动器，其中所述第二半导体开关的最大额定电流小于所述第一半导体开关的最大额定电流。权利要求书CN 102884695 A 1/8页 5 变速驱动器背景技术 0001 本申请总体涉及变速驱动器。更具体地，本申请涉及变速驱动器中的电子器件功率组件。 0002 变速驱动器（VSD）是一种能够通过控制供应至交流（AC）电动马达的电力的频率和电压来控制该马达的速度的系统。VSD可以。

13、被用于多种应用，例如：用于大型建筑物的通风系统、泵以及机械工具驱动器。 0003 VSD包括多个级以向马达提供速度控制。VSD可以包括整流器或转换器级、直流线路（link）级以及逆变器级。整流器或转换器级也被称为转换器将来自交流电源的具有固定线频率、固定线电压的交流电力转换成直流电力。直流线路级也被称为直流线路对来自转换器的直流电力进行滤波，且通常包含大量的电容。最后，逆变器级也被称为逆变器与直流线路并联连接，并将来自直流线路的直流电力转换成具有可变频率、可变电压的交流电力。 0004 当电力被施加至VSD时，直流线路电容器两端的电压称为直流线路电压从零上升至额定值。如果对直流线。

14、路电压的上升放任不管，则通过从交流电源汲取非常大的电流通过整流器并进入直流线路电容器，电压水平的上升将非常快地出现。被直流线路电容器汲取的大电流称为突入电流（inrush current）可以对VSD的部件造成损害。因此，为了使VSD的部件免遭突入电流的损害，直流线路电压从0V至额定电压的上升应受到控制。对直流线路电压的控制被称为电路的直流线路预充电操作或预充电。 0005 在一些采用对电容器的受控充电或预充电以限制突入电流的VSD应用中，转换器被布置为向直流线路提供预充电电流。这些半导体器件诸如绝缘栅双极晶体管（IGBT）或用于对交流线电压进行整流的其他类型的功率开关或晶体管的导。

15、通受到控制，以在 VSD的预充电操作期间仅让小脉冲的突入电流流过。在预充电过程中用于控制突入电流的半导体器件通常此后一直被接通。仅在预充电过程中被使用的这些半导体器件可以具有小于主半导体器件的最大额定电流的最大额定电流。 0006 在转换器的输入或逆变器的输出上出现故障或短路状况时，转换器可能遭受有害的或破坏性的电流。这些缘于故障或短路的有害的或破坏性的电流可以损害VSD的部件或整个VSD。因此，期望在短路状况期间对VSD提供保护，以防止损坏转换器的半导体器件以及配电系统和VSD的其他部件。 0007 在转换器中使用具有较低的最大额定电流的辅助半导体器件连同具有较高的额定电流的主半。

16、导体器件，对在短路或故障事件期间安全断开造成问题。需要一种方案来提高这样的变速驱动器在短路或故障事件期间的可靠性。发明内容 0008 一个实施方案涉及一种用于变速驱动器的转换器模块，该转换器模块具有多个切换模块，所述多个切换模块中的一个切换模块具有与第二半导体开关并联或串联连接的第一半导体开关，所述第二半导体开关在所述变速驱动器的预充电操作期间被可控地切换，说明书CN 102884695 A 2/8页 6 以限制进入直流线路的突入电流。所述第二半导体开关的最大额定电流小于所述第一半导体开关的最大额定电流。 0009 另一个实施方案涉及一种变速驱动器，该变速驱动器具有转换器，所述。

17、转换器连接至提供输入交流电力的交流电源。所述转换器将固定的输入交流电压转换成直流电压。所述变速驱动器还包括直流线路，所述直流线路连接至所述转换器。所述直流线路对所述直流电压进行滤波并储存来自所述转换器的能量。所述变速驱动器还包括逆变器，所述逆变器连接至所述直流线路。所述逆变器将来自所述直流线路的直流电压转换成具有可变电压和可变频率的输出电力。所述转换器具有预充电电路，所述预充电电路具有多个切换模块，所述多个切换模块中的一个切换模块包括与第二半导体开关并联或串联连接的第一半导体开关。所述第二半导体开关在所述变速驱动器的预充电操作期间被可控地切换，以限制进入所述直流线路的突入电流。。

18、所述第二半导体开关的最大额定电流小于所述第一半导体开关的最大额定电流。 0010 又一个实施方案涉及一种用于系统的驱动器，该驱动器具有变速驱动器。所述变速驱动器接收具有固定的输入交流电压和固定的输入频率的输入交流电力，并提供具有可变电压和可变频率的输出电力。所述可变电压的最大电压在量值上大于所述固定的输入交流电压，且所述可变频率的最大频率大于所述固定的输入频率。所述变速驱动器包括转换器，所述转换器连接至提供输入交流电力的交流电源。所述转换器将所述固定的输入交流电压转换成直流电压。所述变速驱动器还包括直流线路，所述直流线路连接至所述转换器。所述直流线路对所述直流电压进行滤波并储存来。

19、自所述转换器的能量。所述变速驱动器还包括逆变器，所述逆变器连接至所述直流线路。所述逆变器将来自所述直流线路的直流电压转换成具有可变电压和可变频率的输出电力。所述转换器具有预充电电路，所述预充电电路具有多个切换模块，所述多个切换模块中的一个切换模块包括与第二半导体开关并联或串联连接的第一半导体开关。所述第二半导体开关在所述变速驱动器的预充电操作期间被可控地切换，以限制进入所述直流线路的突入电流。所述第二半导体开关的最大额定电流小于所述第一半导体开关的最大额定电流。附图说明 0011 图1示出了商用环境中的加热、通风、空气调节和制冷（HVAC&R）系统的一个示例性实施方案。 001。

20、2 图2图解示出了VSD系统配置的一个示例性实施方案。 0013 图3图解示出了具有多个马达的VSD系统配置的一个示例性实施方案。 0014 图4图解了VSD系统的一个示例性实施方案。 0015 图5图解示出了具有多个逆变器的VSD系统的一个示例性实施方案。 0016 图6图解示出了蒸气压缩系统的一个示例性实施方案。 0017 图7和图8示意性示出了VSD系统的一个示例性实施方案的电路图。 0018 图9和图10示意性示出了VSD系统的另一个示例性实施方案的电路图。 0019 图11示出了用于有源（active）转换器IGBT切换模块的双极结型晶体管（BJT）驱动器板的一个示例性实施方案，其。

21、供用在图9所示的转换器配置中。说明书CN 102884695 A 3/8页 7 具体实施方式 0020 图1示出了用于商用背景的建筑物12中的加热、通风、空气调节系统（HVAC系统） 10的一个示例性环境。系统10可以包括被纳入蒸气压缩系统14中的压缩机，该蒸气压缩系统可以供应被用来冷却建筑物12的冷液体（chilled liquid）。系统10还可以包括：锅炉16，其被用来加热建筑物12；以及，空气分配系统，其使空气循环通过建筑物12。该空气分配系统可以包括空气返回管18、空气供应管20和空气处理机22。空气处理机22可以包括热交换器，该热交换器通过管道24连接至锅炉16和蒸气。

22、压缩系统14。空气处理机22中的热交换器可以接收来自锅炉16的热液体（heated liquid）或来自蒸气压缩系统14的冷液体，取决于系统10的运行模式。系统10被示为在建筑物12的每个楼层上具有单独的空气处理机，但应认识到，这些部件可以在各个楼层之间共享。 0021 图2和图3例示了包括变速驱动器（VSD）28的系统配置，其可以被用于向HVAC系统10提供动力。AC电源26给VSD 28供电，VSD 28给一个马达30（见图2）或多个马达30 （见图3）提供动力。该一个或多个马达30可以被用来驱动HVAC、制冷或冷却系统10的相应的压缩机38（总体见图6）。交流电源26从场所中存。

23、在的AC电网或配电系统向VSD 28 提供单相或多相（例如三相）的、具有固定电压和固定频率的AC电力。AC电源26优选地可以向VSD 28提供线频率为50Hz或60Hz的200V、230V、380V、460V或600V的AC电压或线电压，取决于相应的AC电网。 0022 VSD 28从AC电源26接收具有特定的固定线电压和固定线频率的AC电力，并以期望电压和期望频率向一个或多个马达30提供AC电力，所述期望电压和期望频率两者都可以改变以满足特定要求。VSD 28可以向一个或多个马达30提供具有比该一个或多个马达 30的额定电压和频率高的电压和频率以及比该一个或多个马达30的额定电压和频。

24、率低的电压和频率的AC电力。在另一个实施方案中，VSD 28可以提供与一个或多个马达30的额定频率相比较高和较低的频率，但仅可以提供与该一个或多个马达30的额定电压相比相同或较低的电压。一个或多个马达30可以是感应马达，但也可以包括任意类型的能够以可变速度进行操作的马达。所述马达还可以具有任何合适的极布置，包括二极、四极或六极。 0023 图4和图5例示了VSD 28的不同实施方案。VSD 28可以具有三个级：转换器级 32、DC线路级34和输出级，所述输出级具有一个逆变器36（见图4）或多个逆变器36（见图5）。转换器32将来自AC电源26的具有固定线频率和固定线电压的AC电力转换。

25、成DC 电力。直流线路34对来自转换器32的DC电力进行滤波，并提供能量储存部件。DC线路34 可以由电容器和电感器组成，所述电容器和电感器是表现出高的可靠性水平和非常低的故障率的无源器件。最后，在图4所示的实施方案中，逆变器36将来自DC线路34的DC电力转换成用于马达30的具有可变频率、可变电压的AC电力，并且在图5所示的实施方案中，多个逆变器36被并联连接在DC线路34上。每个逆变器36将来自DC线路34的DC电力转换成用于相应的马达30的具有可变频率、可变电压的AC电力。上述一个或多个逆变器 36可以是功率模块，该功率模块可以包括用金属线接合技术互连的功率晶体管、绝缘栅双极晶。

26、体管（IGBT）功率开关和反相二极管（inverse diode）。应理解，VSD 28的DC线路34 和逆变器36可以包括与上文所述的部件不同的部件，只要VSD 28的DC线路34和逆变器 36可以向马达30提供适当的输出电压和频率。 0024 对于图3和图5，多个逆变器36可以由控制系统联合控制，以使得每个逆变器36 说明书CN 102884695 A 4/8页 8 基于提供给该每个逆变器36的共同的控制信号或控制指令，向相应的马达提供具有相同的期望电压和频率的AC电力。在另一个实施方案中，多个逆变器36可以由控制系统个别地控制，以允许每个逆变器36基于提供给该每个逆变器36的单独。

27、的控制信号或控制指令，向相应的马达30提供具有不同的期望电压和频率的AC电力。个别控制的能力允许VSD 28 的逆变器36更有效率地满足马达30和系统需求以及负载，而不管连接至其他逆变器36的其他马达30和系统的要求如何。例如，一个逆变器36可以向一个马达30提供全功率，同时另一个逆变器36正向另一个马达30提供半功率。任一实施方案中对逆变器36的控制都可以通过控制面板或其他合适的控制设备来进行。 0025 对于由VSD 28提供动力的每个马达30，在VSD 28的输出级中存在一个相应的逆变器36。可由VSD 28提供动力的马达30的数目取决于VSD 28中包括的逆变器36的数目。。

28、在一个实施方案中，VSD 28中可以包括两个或三个逆变器36，所述两个或三个逆变器 36并联连接至DC线路34，并且被用于为相应的马达30提供动力。尽管VSD 28可以具有两个至三个逆变器36，但应理解，逆变器36的数目可以超过三个，只要DC线路34的能力足够大到为每个逆变器36提供并维持适当的DC电压。 0026 图6例示了包括在蒸气压缩系统中的VSD，其使用了图2或图4的系统配置和VSD 28。蒸气压缩系统84包括压缩机38、冷凝器40、液体冷却器或蒸发器42以及控制面板44。压缩机38由马达30驱动，马达30由VSD 28提供动力。VSD 28从AC电源26接收具有特定的固定线电。

29、压和固定线频率的AC电力，并且以期望电压和期望频率向马达30提供AC电力，所述期望电压和期望频率两者都可以改变以满足特定要求。控制面板44可以包括多种不同的部件，诸如模拟-数字（A/D）转换器、微处理器、非易失性存储器和接口板，以控制蒸气压缩系统84的运行。控制面板44也可以被用来控制VSD 28和马达30的运行。 0027 压缩机38压缩制冷剂蒸气，并经由排出管线将该蒸气输送至冷凝器40。压缩机 38可以是任何合适类型的压缩机，例如螺旋式压缩机、离心式压缩机、往复式压缩机、涡旋式压缩机等。由压缩机38输送至冷凝器40的制冷剂蒸气与一流体例如空气或水进入热交换关系，并由于与该流体的热。

30、交换关系的结果而经历相变成为制冷剂液体。来自冷凝器40 的冷凝的液体制冷剂流经膨胀设备（未示出）到达蒸发器42。 0028 蒸发器42可以包括用于冷却负荷的供应管线和返回管线的连接。过程流体例如水、乙二醇、氯化钙卤水或氯化钠卤水，经由返回管线行进入蒸发器42，并经由供应管线离开蒸发器42。蒸发器42中的液体制冷剂与该过程流体进入热交换关系，以降低该过程流体的温度。由于与该过程流体的热交换关系的结果，蒸发器42中的制冷剂液体经历相变成为制冷剂蒸气。蒸发器42中的蒸气制冷剂离开蒸发器42并通过抽吸管线返回到压缩机38 以完成循环。应理解，在系统10中可以使用冷凝器40和蒸发器42的任何合适。

31、配置，只要能够获得制冷剂在冷凝器40和蒸发器42中的适当相变。 0029 尽管图6将蒸气压缩系统84例示为具有连接在单个制冷剂回路中的一个压缩机，但蒸气压缩系统84可以具有多个压缩机，该多个压缩机由如图3和图5所示的单个VSD提供动力。蒸气压缩系统84也可以具有多个VSD大致见图2和图4所示的实施方案，所述多个VSD连接进一个或多个制冷剂回路中的每一个。 0030 图7和图8示意性示出了VSD 28的一个实施方案的电路图。来自三相AC电源26 的输入线路L1-L3连接至断路器46。当过量的电流、电压或功率被AC电源26提供给VSD 说明书CN 102884695 A 5/8页 9 。

32、28时，断路器46可以使VSD 28与AC电源26断开。在断路器46的另一侧可以连接自动变压器48，以将来自AC电源26的输入电压（向上或向下）调节到期望的输入电压。用于每个线路的熔丝50可以被用来响应于这个线路中的过大的电流而使VSD 28的这个输入相或线路断开。用于每个线路的电感器52被用来使VSD 28的相应的线路中的电流平滑。每个电感器52的输出继而被提供给转换器32，以将输入AC电力的每个相转换成DC电力。 0031 在转换器32中，每一对功率开关中的功率开关之一是IGBT 60，IGBT 60连接至反向或反向并联（anti-parallel）二极管62。使用IGBT 60。

33、是因为IGBT模块的高效率和快速切换特性。反向或反向并联二极管62被用来在另一个功率开关即IGBT 64断开之后传导电流。当VSD 28运行在脉冲宽度调制模式下时IGBT 64断开。如图7所示，I GBT60和反向二极管62被连接在电感器52的输出与DC总线54的负轨（negative rail）之间。然而，在本发明的另一个实施方案中，I GBT60和反向二极管62可以被连接在电感器52的输出与DC总线54的正轨（positive rail）之间。 0032 这一对功率开关中的所述另一个功率开关是反向阻断I GBT 64，意味着IGBT 64 除了正向电压以外还能够阻断反向电压。反向。

34、阻断IGBT 64连接至反向或反向并联IGBT 66，IGBT 66也是反向阻断IGBT。反向并联IGBT 66可以在系统28的预充电操作期间被栅极控制（gate-controlled）或切换，以仅允许小脉冲的突入电流到达DC线路34（图8）。在预充电操作完成之后，与反向并联二极管62相似，反向并联I GBT 66可以被控制以一直导通。与能够提供反向阻断的二极管串联连接的附加的反向阻断功率开关诸如I GBT功率开关，例如IGBT 60可以被用来替代反向阻断IGBT 64和反向阻断IGBT 66。在本发明的又一个实施方案中，IGBT 60可以用反向阻断IGBT 64替换。 0033 反。

35、向阻断IGBT 64可以阻断正的发射极-集电极电压，该发射极-集电极电压近似等于IGBT 64两端出现的峰值线-线电压。为了预充电条件，反向阻断IGBT 64可以阻断正的发射极-集电极电压长达反向并联IGBT 66的导通被延迟的时间。当作为常规二极管运行时，反向阻断IGBT 64和反向并联IGBT 66的反向阻断能力提供反向恢复特性。通过每当处于相同相中的串联连接的IGBT 60接通时防止显著的反向电流在反向并联IGBT 66 中流过，反向并联IGBT 66的反向恢复特性防止了反向并联IGBT 66中出现显著的反向恢复损耗。防止反向并联IGBT 66中的反向电流可以限制当串联连接的I。

36、GBT 60接通时串联连接的IGBT 60中的电流峰值以及相应的损耗。如图7所示，反向阻断IGBT 64和反向并联IGBT 66被连接在电感器52的输出与DC总线54的正轨之间。然而，在本发明的另一个实施方案中，反向阻断IGBT 64和反向并联IGBT 66可被连接在电感器52的输出与DC总线54的负轨之间。 0034 并联连接至转换器32的输出的是DC线路34，如图8所示。DC线路34可以包括电容器56和电阻器58，以对DC电力进行滤波并储存来自DC总线54的能量。电阻器58可以用作电压平衡器件，以维持电容器56之间基本相等的DC线路电压。电阻器58也可以用作电荷消耗器件，以当。

37、电力被从AC电源26（图7）移除时“放泄（bleed off）”电容器56中储存的电压。 0035 使用图7所示的转换器模块32，可以控制DC线路34的电容器56的预充电。转换器模块32包括三对（每个输入相一对）功率开关或晶体管。转换器模块32还包括相应的控制连接，以控制这些功率开关的切换。控制面板44（为了简化未示出）使用一调制方案选说明书CN 102884695 A 6/8页 10 择性地将每个功率开关在“通”或启用位置与“断”或停用位置之间进行切换，以对DC线路 34的电容器56进行预充电。转换器模块32可以用作升压整流器（boost rectifier），以向DC线路34。

38、提供升高的DC电压，以从VSD 28获得大于VSD 28的输入电压的输出电压。 0036 连接至DC总线54的还有逆变器部分36，逆变器部分36将DC总线54上的DC电力转换成用于马达30的三相AC电力。可以使用单个逆变器部分或模块36，然而可以向系统28添加附加的逆变器模块36。附加的逆变器模块36会具有与图5所示的逆变器模块 36相似的示意表示。逆变器36包括三对（每个输出相一对）I GBT功率开关70和反向二极管62。逆变器模块36还包括相应的控制连接82，以控制IGBT功率开关70的切换。 0037 逆变器模块36通过使用调制方案选择性地将逆变器模块36中的每个IGBT功率开关。

39、70在“通”或启用位置与“断”或停用位置之间进行切换，将DC总线54上的DC电力转换成三相AC电力，以从逆变器模块36获得期望的AC电压和频率。基于调制方案，控制信号（gating signal）或切换信号通过控制面板44被提供给IGBT功率开关70，以在“通”位置与“断”位置之间切换IGBT功率开关70。IGBT功率开关70优选地当切换信号是“高” 即逻辑1时处于“通”位置，且当切换信号是“低”即逻辑0时处于“断”位置。然而应理解，I GBT功率开关70的启用和停用可以基于切换信号的相反状态。 0038 现在参看图9和图10，示出了VSD 28的另一个示例性实施方案的电路图。除了转。

40、换器32的运行之外，这个实施方案中的VSD 28的运行与上文参照图7和图8描述的VSD 28的运行相似。与图7和图8所示的实施方案相似，每个电感器52的输出被提供给转换器 32，且DC线路34被并联连接至转换器32的输出。 0039 在转换器模块32中，每一对功率开关中的功率开关之一是IGBT60，IGBT 60连接至反向或反向并联二极管62。反向或反向并联二极管62被用来当VSD 28在脉冲宽度调制模式下运行时在IGBT 70断开之后传导电流。IGBT 60和反向二极管62被连接在电感器52的输出与DC总线54的负轨之间。然而，在另一个实施方案中，IGBT 60和反向二极管62可以被。

41、连接在电感器52的输出与DC总线54的正轨之间。 0040 另一个功率开关组合包括IGBT 70带有相关联的反向并联二极管74，辅助 IGBT 78，以及辅助反向并联二极管80。辅助IGBT 78和辅助二极管80被连接在IGBT 70 与DC总线54的正轨之间。IGBT 78在预充电操作期间可以被控制，以仅允许小脉冲的突入电流到达DC线路34。与反向并联二极管74相似，在预充电操作完成之后，IGBT 78可以被控制以一直导通。 0041 转换器模块32还包括相应的控制连接（为了简化未示出），以采用与上文针对逆变器模块36描述的方式相似的方式控制这些功率开关的切换。转换器模块32的功率开关。

42、可以是IGBT功率开关，所述IGBT功率开关通过脉冲宽度调制技术进行控制，以产生用于DC 线路34的期望的输出电压。转换器模块32可以用作升压整流器，以向DC线路34提供升高的DC电压，以从VSD 28获得大于VSD 28的输入电压的输出电压。 0042 IGBT 78和二极管80被并联连接在IGBT 70与DC总线54的正轨之间，如图9所示。然而，在另一个实施方案中，IGBT 78和二极管80可以被并联连接在IGBT 60与DC总线54的负轨之间。 0043 图7中的IGBT 66和图9中的IGBT 78主要用于预充电操作，以限制进入DC线路 34的突入电流。在变速驱动器的预充电操作。

43、之后，这些I GBT一直接通并且用作二极管。说明书CN 102884695 A 10 7/8页 11 图7中的I GBT 66和图9中的IGBT 78仅用于预充电，且在预充电操作完成之后一直被栅极控制为接通。因而，IGBT 66、78的最大额定电流可以小于图7中的IGBT 60、64以及图9 中的IGBT 60、70的最大额定电流。较低的最大额定电流对应于图7中的IGBT 66以及图 9中的IGBT 78的较小尺寸，且导致了较小尺寸的转换器32，该较小尺寸的转换器32与由具有较高额定电流的I GBT器件构造的转换器相比，要求VSD 28内的较少空间且生产成本较低。 0044 在VS。

44、D 28中的短路或故障事件期间，具有较低的最大额定电流的IGBT 66和IGBT 78可以经历与具有较高的额定电流的IGBT 60、64以及IGBT 60、70相同的短路电流。如果可以使得IGBT 66、78传导与IGBT 60、64近似相等的电流，则在这样的事件中安全断开的可能性会提高。 0045 具有较低的额定电流的IGBT 66、78可以被供应以比最大额定电流较高的具有较高的额定电流的IGBT 60、64（在图7中的IGBT 66的情况下）或IGBT 60、70（在图9中的 I GBT 78的情况下）更高的栅极-发射极电压。增加的栅极-发射极电压允许定额较低的 IGBT 66和IG。

45、BT 78支持高于额定电流的电流水平，即，增加的栅极-发射极电压允许定额在较低电流的IGBT 66和IGBT 78支持基本等于具有较高的额定电流的IGBT 60、64以及 IGBT 60、70的电流水平的电流水平。增加IGBT 66、78的栅极-发射极电压提高了在变速驱动器的短路或故障期间安全断开的概率。 0046 现在参看图11，示出了栅极驱动器板（gate driver board）86的一个实施方案，栅极驱动器板86具有连接至示例性有源转换器IGBT切换模块90的双极结型晶体管（BJT）驱动器，供用于图9所示的转换器配置。辅助IGBT 78和辅助反向并联二极管80被连接在 IGB。

46、T 70与直流总线54的正轨之间。I GBT 78在预充电操作期间可以被控制，以仅允许小脉冲的突入电流到达直流线路34。在预充电操作完成之后，I GBT 78可以被控制以一直导通，与反向并联二极管相似。使用BJT驱动器电路100，通过栅极电阻器R G 和发射极电阻器R E ，将栅极-发射极电压施加在IGBT 78的辅助栅极端子91与辅助发射极端子92之间。在至少一个示例性实施方案中，所施加的、辅助IGBT 78的栅极-发射极电压V GE_AUX 可以在 17V至20V的范围内。换言之，V GE_AUX 可以是用于控制标准I GBT的栅极-发射极电压的近似1.133和1.333倍。用于。

47、辅助IGBT 78的栅极信号（gate signal）由通过外部连接器94 连接的控制面板44产生。如上文所述，V GE_AUX 在预充电操作期间以变化长度的脉冲方式被施加。当预充电操作完成后，V GE_AUX 被连续地施加，使得IGBT 78一直导通。 0047 栅极驱动器板86还包括分别连接至IGBT 70和60的BJT驱动器电路88和96。使用BJT驱动器电路88，通过栅极电阻器R G 和发射极电阻器R E ，将栅极-发射极电压施加在IGBT 70的栅极端子71与发射极端子73之间。相似地，使用BJT驱动器电路96，通过栅极电阻器R G 和发射极电阻器R E ，将栅极-发射极电压。

48、施加至IGBT 60的栅极端子61和发射极端子63。BJT驱动器电路88和96施加近似15V的标准的栅极-发射极电压V GE ，用于切换IGBT 70和60。BJT驱动器电路88和96分别从隔离的电源和控制器102、103接收控制输入信号。隔离的电源和控制器102、103分别通过外部连接器98、99与控制面板44通信。切换模块90上的热敏电阻104可以通过连接器97连接至控制面板44，用于IGBT 60、 70、78的温度控制。阻断二极管105、106被串联连接在隔离的电源和控制器102、103与端子89、73处存在的高电压之间。说明书CN 102884695 A 11 8/8。

49、页 12 0048 尽管在示例性实施方案中使用IGBT描述了向具有较低的额定电流的开关供应较高的栅极-发射极电压以提高变速驱动器的可靠性的方法，但该方法适用于任何栅极控制的半导体器件开关或器件。 0049 尽管例示和描述了本发明的仅某些特征和实施方案，但本领域技术人员可以想到许多修改和变更（例如尺寸、大小、结构、形状和各元件的比例、参数值（例如温度、压力等）、安装布置、材料使用、颜色、取向等方面的改变），而实质上不偏离权利要求中限定的主题的新颖教导和优点。因此应理解，随附的权利要求旨在覆盖落在本发明本质精神内的所有这样的修改和变更。此外，为了努力提供对示例性实施方案的简明描述，可能没有描述实际实现方式的所有特征（即，那些与当前预期的实施本发明的最佳方式无关的特征，或那些与使得能够实施所要求保护的发明无关的特征）。应认识到，在开发任何这样的实际实现方式时，如在任何工程或设计项目中，可以做出众多实现方式特定的决策。这样的开发努力可能是复杂的和耗时的，但无论如何对于受益于本公开内容的普通技。

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