用于为变速驱动器中的直流环节预充电的系统的制作方法

专利名称：用于为变速驱动器中的直流环节预充电的系统的制作方法
用于为变速驱动器中的直流环节预充电的系统本申请是2005年3月7日所提交的，为2005年3月1日所提交的申请 No. 1 1/068， 999的部分继续申请No. 11/073， 830的部分继续申请。
背景技术：
本发明一般涉及变速驱动器。更明确地，本发明涉及用于为在整流器或 变换器中使用绝缘栅双极型晶体管的变速驱动器中的直流环节预充电的系统。用于加热、通风、空调和致冷(HVAC&R)应用的变速驱动器(VSD)典型 地包括整流器或变换器、直流环节、和逆变器。整流器或变换器将来自AC功 率源的固定线频率，固定线电压AC功率转换成为DC功率。直流环节将来自 变换器的DC功率滤波，并典型地包含大量电容。最后，逆变器与直流环节并 联并将来自直流环节的DC功率转换成为变频、变压AC功率。当将电功率应 用于VSD时，被称为直流环节电压的，横跨直流环节电容器的电压，从零上 升至额定值，典型地大约600V。如果任由直流环节电压的这种上升自然发生， 经由整流器通过从输入功率线汲取非常大的电流将进入直流环节电容器，其 将非常迅速地发生。这个被称为涌流的大电流能够损害VSD的部件。因而， 为了避免对VSD部件的损害，必须以某些受控制的方式实现直流环节电压从 0V至额定电压的上升。直流环节电压的这种受控制的上升称为直流环节预充 电操作。大多数VSD以两种不同的方法实现直流环节预充电。第一种方法利用输 入功率线与整流器之间所连接的预充电电阻器和接触器。第二种方法利用也 称为硅可控整流器、或SCR的，(至少部分地)由半导体闸流管组成的整流器。在第一种方法中，使用预充电接触器连接输入功率线与整流器之间的、 或有时输入功率线与直流环节之间的预充电电阻器。这些预充电电阻器将涌 流限制在可管理的水平。在完成预充电之后，通过断开预充电接触器，从电 路中排除预充电电阻器，且通过闭合被称为配备接触器的另一个接触器，将 输入功率线串联到整流器。在系统操作期间，配备接触器保持闭合。这种方
法良好地适合于在其中整流器为筒单二极管整流器的VSD,其不提供控制涌 流的方法。这种方法的主要缺点在于其部件的成本和大小，尤其是配备接触器，其能够负面地影响整个VSD的成本和大小。在第二种方法中，将整流器本身用于实现预充电。这种情形中的整流器 在每相都具有至少一个SCR。 SCR为能够电控制其电流传导的功率半导体。控 制整流器的SCR的传导，以致在预充电期间，仅允许小脉沖的涌流流动。在 完成预充电之后， 一直控制整流器的SCR传导，即，在预充电之后的整流器 表现为仿佛其是二极管整流器。上文所描述的二种预充电方法适用于其整流器由二极管和/或SCR组成 的VSD。然而，存在具有不使用二极管或SCR，但事实上，使用绝缘栅双极型 晶体管(IGBT)或其它类型的功率开关或晶体管的整流器或变换器的VSD。 通常将IGBT包装成模块，且一个模块包括六个IGBT是很普通的，其对于三 相整流器是足够的。注意到IGBT模块也能够用于VSD的逆变器。典型的IGBT 模块包括IGBT模块中的每个IGBT的二极管，即，在具有六个IGBT的IGBT 模块中，将存在六个二极管。这些二极管一般地被称为，及连接为反并联二 极管，并且当VSD以脉宽调制(P丽)模式操作时，在截止IGBT之后，用于 传导电流。能够考虑以IGBT模块中的六个反并联二极管形成IGBT模块中所 嵌入的三相二极管整流器。关于使用IGBT模块的VSD的预充电，所嵌入的二极管整流器会呈现问题， 因为上文所描述的第一种预充电方法(预充电和配备接触器以及电阻器)必 须用于为直流环节预充电。这给具有关于整流器或变换器的IGBT模块的VSD 增加了额外的成本和大小负担。因此，所需要的是用于为具有不需要预充电和配备接触器和电阻器的基 于IGBT的整流器或变换器的VSD的直流环节预充电的系统。发明内容本发明的 一个实施例指向包括逆变器模块、直流环节和变换器模块的变 速驱动器。逆变器模块能够将DC电压转换为AC电压，以为电动机提供功率。 直流环节能够滤波和存储能量，并且并联地电连接到逆变器模块。变换器模 块能够将AC电压转换为DC电压，并且并联地电连接到直流环节，以及电连 接到AC功率源。变换器模块包括多对功率开关，其中每对功率开关包括连接 到反并联二极管的绝缘栅双极型晶体管和连接到反并联反向阻挡绝缘栅双极 型晶体管的反向阻挡绝缘栅双极型晶体管。变换器模块中的多对功率开关是 可控制的，以为直流环节预充电。本发明的另一个实施例指向具有逆变器、直流环节和变换器模块的变速 驱动器。逆变器模块能够将DC电压转换为AC电压，以为负载提供功率。直 流环节能够滤波和存储能量，并且并联地电连接到逆变器模块。变换器模块能够将来自AC功率源的AC电压转换为DC电压，并且并联地电连接到直流环 节。变换器模块包括多对功率开关，其中每对功率开关包括反并联地连接至 碳化硅可控整流器的反向阻档功率开关。变换器模块是可控制的，以为直流 环节预充电。本发明的另 一个实施例指向具有包括连接成闭环的压縮机、冷凝器装置 和蒸发器装置的制冷电路的冷却器系统。该冷却器系统也具有连接到压缩机 的驱动器装置，以为压缩机提供功率。驱动器装置包括电动机和变速驱动器。 变速驱动器包括逆变器模块、直流环节和变换器模块。逆变器模块电连接到 电动机，并配置为将DC电压转换为AC电压，以为电动机提供功率。直流环 节滤波和存储能量，并且并联地电连接到逆变器模块。变换器模块将来自AC 功率源的AC电压转换为DC电压，并且并联地电连接到直流环节。变换器模 块具有多对功率开关。每对功率开关包括反并联地连接至碳化硅可控整流器 的反向阻挡功率开关。最后，变换器模块是可控制的，以为直流环节预充电。本发明的另一个实施例指向包括逆变器模块、直流环节和变换器模块的 变速驱动器。逆变器模块将DC电压转换为AC电压，以为负载提供功率。直 流环节滤波和存储能量，并且并联地电连接到逆变器模块。变换器模块将来 自AC功率源的AC电压转换为DC电压，并且并联地电连接到直流环节。变换 器模块包括多对功率开关装置，每对功率开关装置具有反并联地连接至第二 反向阻挡功率开关配置的第一反向阻挡功率开关配置。变换器模块是可控制 的，以为直流环节预充电。本发明的另 一个实施例指向具有包括连接成闭环的压縮机、冷凝器装置 和蒸发器装置的制冷电路和连接到压缩机，以为压缩机提供功率的驱动器装 置的冷却器系统。驱动器装置具有电动机和变速驱动器。变速驱动器包括逆 变器模块、直流环节和变换器模块。逆变器模块电连接到电动机，并配置为 将DC电压转换为AC电压，以为电动机提供功率。直流环节滤波和存储能量，
并且并联地电连接到逆变器模块。变换器模块将来自AC功率源的AC电压转 换为DC电压，并且并联地电连接到直流环节。变换器模块具有多对功率开关 装置，其中每对功率开关装置包括反并联地连接至第二反向阻挡功率开关配 置的第一反向阻挡功率开关配置。变换器模块是可控制的，以为直流环节预 充电。本发明的另 一个实施例指向包括逆变器模块、直流环节和变换器模块的 变速驱动器。逆变器模块将DC电压转换为AC电压，以为负载提供功率。直 流环节滤波和存储能量，并且并联地电连接到逆变器模块。变换器模块将来 自AC功率源的AC电压转换为DC电压，并且并联地电连接到直流环节。变换的第一二极管串联的第 一绝缘栅双极型晶体管，该第一二极管与第二绝缘栅 双极型晶体管反并联地连接，该第二绝缘栅双极型晶体管与为提供反向阻挡 而配置的第二二极管串联。第一绝缘栅双极型晶体管与第二二极管反并联地 连接，以及第二绝缘栅双极型晶体管与第一二极管反并联地连接。变换器模 块是可控制的，以为直流环节预充电。本发明的另一个实施例指向具有包括连接成闭环的压缩机、冷凝器装置 和蒸发器装置的制冷电路和连接到压缩机，以为压缩机提供功率的驱动器装 置的冷却器系统。驱动器装置具有电动机和变速驱动器。变速驱动器包括逆 变器模块、直流环节和变换器模块。逆变器模块电连接到电动机，并配置为 将DC电压转换为AC电压，以为电动机提供功率。直流环节滤波和存储能量， 并且并联地电连接到逆变器模块。变换器模块将来自AC功率源的AC电压转 换为DC电压，并且并联地电连接到直流环节。变换器模块具有多对功率开关， 其中每对功率开关包括与第二绝缘栅双极型晶体管和反并联二极管串联的第 一绝缘柵双极型晶体管和反并联二极管。关于第一绝缘栅双极型晶体管和反 并联二极管，第二绝缘栅双极型晶体管和反并联二极管具有相反的配置。第 一绝缘栅双极型晶体管与关于第二绝缘栅双极型晶体管的反并联二极管串 联，以及第二绝缘栅双极型晶体管与关于第 一绝缘栅双极型晶体管的反并联 二极管串联。变换器模块是可控制的，以为直流环节预充电。本发明的一个优点是其小而紧凑，且从而能够减小变速驱动器的大小。 本发明的另 一个优点是其通过消除对昂贵部件的需要而减小变速驱动器 的成本。
本发明的另一个优点是其通过消除受制于日常的磨损和毁坏的电机部件 而增加变速驱动器的可靠性。本发明的另 一个优点为由于碳化硅可控整流器中的反向恢复现象的缺乏 而引起的变速驱动器的已增加的效率。结合阐明作为例子的本发明的原理的附图，从下列优选实施例的更详细 的描述中，本发明的其它特点和优点将会很明显。


图1A和IB示意性地阐明本发明的一般系统配置。图2A和2B示意性地阐明本发明的变速驱动器的实施例。图3示意性地阐明能够与本发明一起使用的制冷系统。图4A和4B阐明本发明的变速驱动器的实施例的电路图。图5A和5B阐明本发明的变速驱动器的另一个实施例的电路图。图6A和6B阐明本发明的变速驱动器的另一个实施例的电路图。无论何处可能，遍及绘图，将使用相同的参考数字指代相同或相似的部具体实施方式
图1A和1B—般阐明本发明的系统配置。AC功率源102供给变速驱动器 (VSD) 104,其给电动机106 (参见图1A)或电动机106 (参见图1B)提供 功率。电动机106适宜地用于驱动制冷或冷却系统的相应的压縮机(一般参 见图3)。 AC功率源102/人一个站点所呈现的AC功率网或分布系统给VSD 104 提供单相或多相(例如，三相)、固定电压、和固定频率的AC功率。依赖于 相应的AC功率网，AC功率源1Q2能够在5服z或6QHz的线频率，适宜地给 VSD 104供应AC电压，或200V、 230V、 380V、 460V、或600V的线电压。VSD104从AC功率源102接收具有特定的固定线电压和固定线频率的AC 功率，并在期望的电压和期望的频率，将AC功率提供给电动机106,该期望 的电压和期望的频率两者都能够变化，以满足特定的要求。适宜地，VSD104 能够将AC功率提供给具有比电动机1Q6的额定电压和频率高的电压和频率， 以及比其低的电压和频率的电动机106。在另一个实施例中，VSD104又可提 供比电动机106的额定电压和频率高和低的频率，但仅只与其相同或比其低 的电压。电动机106适宜地为感应电动机，但能够包括能够以变速操作的任 何类型的电动机。感应电动机能够具有包括两极、四极或六极的任何适当的 极装置。图2A和2B阐明本发明的VSD 104的不同实施例。VSD 104能够具有三 级变换器级202、直流环节级2(M和具有一个逆变器206 (参见图2A )或 多个逆变器206 (参见图2B)的输出级。变换器202将来自AC功率源102的 固定线频率、固定线电压AC转换成为DC功率。直流环节204滤波来自变换 器202的DC功率，并提供能量存储部件。直流环节204能够由电容器和电感 器组成，其为展示高可靠率和非常低的失效率的无源器件。最后，在图2A的 实施例中，逆变器206将来自直流环节204的DC功率转换成为变频、变电压 的AC功率，以用于电动机106，以及在图2B的实施例中，逆变器206并联 地连接到直流环节204,并且每个逆变器206都将来自直流环节204的DC功 率转换成为关于相应的电动机106的变频、变电压AC功率。逆变器206能够 为一个功率模块，其能够包括功率晶体管、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)功 率开关和与引线接合技术互相连接的反向二极管。此外，应该理解，只要VSD 104的直流环节204和逆变器206能够为电动机106提供适当的输出电压和 频率，VSD 104的直流环节204和逆变器206就能够合并与上文所讨论的那 些不同的部件。关于图1B和2B，由控制系统联合地控制逆变器206，以致基于提供给逆 变器206的每一个的共同的控制信号或控制指令，每个逆变器206将在相同 的期望的电压和频率的AC功率提供给相应的电动机。在另一个实施例中，由 控制系统单独地控制逆变器206，以基于提供给每个逆变器206的分别的控 制信号或控制指令，允许每个逆变器206将在不同的期望电压和频率的AC功 率提供给相应的电动机106。这种能力允许VSD 104的逆变器206更加有效 地满足电动机106和独立于其它电动机106的要求的系统需要和负载以及连 接到其它逆变器206的系统。例如， 一个逆变器206能够提供全部功率给电 动机106,而另一个逆变器206提供一半的功率给另一个电动机106。能够通 过控制面板或其它适当的控制器件进行任一实施例中逆变器206的控制。对于将由VSD 104提供功率的每个电动机106,在VSD 104的输出级中， 存在相应的逆变器206。能够由VSD 104提供功率的电动机106的数目依赖 于VSD 104中所合并的逆变器206的数目。在一个实施例中，能够存在合并
于并联地连接到直流环节204并用于为相应的电动机106提供功率的VSD 104 的或者2个或者3个逆变器206。虽然VSD 104能够具有2个与3个之间的 逆变器206，应该理解到，只要直流环节204能够给逆变器206的每一个都 提供并维持适当的DC电压，就能够使用多于3个的逆变器206。图3示一般阐明合并于使用图1A和2A的系统配置和VSD 104的制冷或 冷却系统的本发明的一个实施例。.如图3中所示，HVAC、制冷或液体冷却系 统3Q0包括压缩机302、冷凝器装置3Q4、液体冷却或蒸发器装置306和控制 面板308。压缩机302由通过VSD 104提供功率的电动机106驱动。VSD 104 接收具有来自AC功率源102的特定的固定线电压和固定线频率的AC功率， 并在期望的电压和期望的频率将AC功率提供给电动机106,该期望的电压和 期望的频率两者都能够改变，以满足特定的要求。控制面板308能够包括多 种的不同的部件，例如模拟数字(A/D)转换器、微处理器、非易失性存储器、 和接口板，以控制制冷系统3 0 0的操作。控制面板3 0 8也能够用于控制V S D 10 4 的才乘作和电动才几106。压缩机302压缩制冷剂蒸汽，并通过排出线将该蒸汽递送至冷凝器304。 压缩机302能够为任何适当类型的压缩机，例如，螺杆式压缩机、离心式压 缩机、往复式压缩机、涡旋式压缩机，等等。由压缩机302递送至冷凝器304 的制冷剂蒸汽进入与流体，例如，空气或水的热交换关系，并且作为与流体 热交换关系的结果，经历至制冷液体的相变。来自冷凝器304的经冷凝的液 体制冷剂流经膨胀器件(未示出)至蒸发器306。蒸发器306能够包括关于冷却负载的供应线和返回线的连接。次级液体， 例如水、乙烯、氯化钙卣水或氯化钠盐溶液，经由返回线流经蒸发器306, 并经由供应线退出蒸发器306。蒸发器306中的液体制冷剂进入与次级液体 的热交换关系，以降低次级液体的温度。作为与次级液体热交换关系的结果， 蒸发器306中的制冷液体经历至制冷剂蒸汽的相变。蒸发器306中的蒸汽制 冷剂退出蒸发器306,并通过吸气线返回至压缩机302,以完成循环。应该理 解到，假若获得冷凝器304和蒸发器306中的制冷剂的适当的相变，则系统 300中能够使用冷凝器304和蒸发器306的任何适当的配置。HVAC、制冷或液体冷却系统300能够包括图3中未示出的许多其它特点。 为方便解释说明，简化绘图，已特意地省略了这些特点。此外，尽管图3阐 明如具有连接至单个制冷电路的一个压缩机的HVAC、制冷或液体冷却系统
300,应该理解到，系统300能够具有连接至一个或多个制冷电路的每一个的， 由如图1B和2B中所示的单个VSD，或一般参见图1A和2A中所示的实施例， 由多个VSD提供功率的多个压缩机。如图2A中所示，图4A和4B示出关于VSD 104的一个实施例的电路图。 在VSD 104的这个实施例中，来自三相AC功率源102的输入线Ll-L3连接到 电路断路器402，当给VSD 104:提供过量的电流、电压或功率时，该电路断 路器402能够从AC功率源102断开VSD 104。然后能够将电路断路器402连 接到可选择的自耦变压器404。当使用时，自耦变压器404适宜地用于将来 自AC功率源102的输入电压调节(或者向上或者向下)至期望的输入电压。 响应那条线中的过流，能够将关于每条线的保险丝406用于断开VSD 104的 那个输入相或线。关于每条线的电感器408用于平滑VSD 104的相应线中的 电流。然后将电感器408的每一个的输出提供给变换器202,以将输入AC功 率的每相都转换成DC功率。并联地连接到变换器202的输出的是直流环节204。这个实施例中的直 流环节204包括电容器420和电阻器422,以滤波DC功率并存储来自DC总 线412的能量。电阻器422能够用作电压平衡器件，以在电容器组420之间 维持大致相等的直流环节电压。电阻器422也能够用作电荷损耗器件，以当 从AC功率源102释放功率时，释放电容器组420中所存储的电压。同样连接 到DC总线412的是逆变器部分2Q6,其将DC总线412上的DC功率转换成三 相AC功率，以用于电动机。在图4A和4B中所示的实施例中，使用一个逆变 器部分或模块206。然而，如图2B中所示，能够增加额外的逆变器模块206， 其将具有与图4B中所示的逆变器模块206类似的电路表示。逆变器模块206 包括三对(关于每个输出相一个)IGBT功率开关和反向二极管。逆变器模块 206也包括相应的控制连接，以控制IGBT功率开关的开关变换。通过使用调制方案从逆变器模块206获得期望的AC电压和频率，以选择 性地在"导通"或激活状态与"截止"或解激活状态之间变换逆变器模块206 中的IGBT功率开关的每一个，逆变器模块206将DC总线412上的DC功率转 换成为三相AC功率。基于调制方案，控制面板308给IGBT功率开关提供门 信号或变换信号，以在"导通"状态与"截止"状态之间变换IGBT功率开关。 当变换信号为"高"，即，逻辑1时，IGBT功率开关适宜地处于"导通"状 态，而当变换信号为"低"，即，逻辑O时，其处于"截止"状态。然而，应
该理解到，IGBT功率开关的激活和解激活能够是基于变换信号的相反状态的。在本发明的优选实施例中，使用图4A中所示的变换器模块202控制直流 环节204的电容器420的预充电。变换器模块202包括三对(关于每个输入 相一对)功率开关或晶体管。变换器模块202也包括相应的控制连接(为筒 单起见而未示出)，以便以类似于上文关于逆变器模块206所描述的那个的方 式控制功率开关的变换。在变换器模块202的优选实施例中，如下文详细讨 论的，功率开关为IGBT功率开关，其由脉度调制技术控制，以产生关于直流 环节的期望的输出电压。适宜地，变换器模块202能够像升压整流器一样操 作，以给直流环节204提供经增压的DC电压，以获得来自VSD 104的大于 VSD 104的输入电压的输出电压。在变换器模块202中，每对功率开关中的功率开关的一个都为连接到反 向或反并联二极管452的IGBT 450。当以脉宽调制模式操作VSD 104时，在 截止另一个功率开关IGBT 454后，使用反向或反并联二极管452传导电流。 如图4A中所示，在电感器408的输出与DC总线412的负轨之间连接IGBT 450 和反向二极管452。然而，在本发明的另一个实施例中，能够在电感器408 的输出与DC总线412的正轨之间连接IGBT 450和反向二极管452。功率开关对中的另一个功率开关是反向阻挡IGBT 454，即，IGBT4S4能 够在相反和向前的方向阻挡电压。反向阻挡IGBT 454连接到反向或反并联 IGBT 456,该反并联IGBT 456也为反向阻挡IGBT。然后，在预充电^t喿作期 间适宜地控制反并联IGBT 456,以仅允许小脉冲涌流到达直流环节204。在 预充电操作结束后，类似于反并联二极管452，能够一直控制反并联IGBT 456 传导。在下文关于图6A和6B所讨论的本发明的另一个实施例中，代替反向 阻挡IGBT 454和反向阻挡IGBT 456，能够使用与能够提供反向阻挡的二极 管串联的其它反向阻挡功率开关，例如IGBT功率开关，如，IGBT450。在本 发明的另一个实施例中，能够由反向阻挡IGBT 454替换IGBT 450。为了预充电，只要延迟了反并联IGBT 456的传导，反向阻挡IGBT 454 阻挡正的反射极-集电极电压，该反射极-集电极电压近似等于横跨IGBT 454 而出现的峰值线-线电压。另外，当如传统的二极管操作时，反向阻挡IGBT454 和反并联IGBT 456的反向阻挡能力提供良好的反向恢复特征。无论何时导通 在同相的串联的IGBT 450,通过防止反并联IGBT 456中的大反向电流流动， 反并联IGBT 456的反向恢复特征防止反并联IGBT 456中的大反向恢复损失
出现。此外，当导通串联的IGBT 450时，反并联IGBT 456中反向电流的防 止能够限制串联的IGBT 450中的峰电流值和相应的损失。如图4A中所示， 在电感器408的输出和DC总线412的正轨之间连接反向阻挡IGBT 454和反 并联IGBT 456。然而，在本发明的另一个实施例中，能够在电感器408的输 出和DC总线412的负轨之间连接反向阻挡IGBT 454和反并联IGBT 456。如图2A中所示，图5A和5B示出关于VSD 104的另 一个实施例的电^各图。 除下文将详细描述的变换器202的操作之外，这个实施例中的VSD 104的操 作类似于上文关于图4A和4B所描述的VSD 104的操作。首先，类似于图4A 和4B中所示的实施例，将电感器408的每一个的输出提供给变换器202，且 直流环节204并联至变换器202的输出。在本发明的另一个优选实施例中，使用图5A中所示的变换器模块202控 制直流环节204的电容器420的预充电。变换器才莫块202包括三对(关于每 个输入相一对)功率开关或晶体管。变换器模块202也包括相应的控制连接 (为筒单起见未示出)，以便以类似于上文关于逆变器模块206所描述的那个 的方式控制功率开关的变换。适宜地，如下文所详细讨论的，变换器模块202 的功率开关为IGBT功率开关，该IGBT功率开关由脉宽调制技术控制，以产 生关于直流环节所期望的输出电压。在本发明的优选实施例中，变换器模块 202能够像升压整流器一样操作，以将经增压的DC电压提供给直流环节204， 以从VSD 104获得大于VSD 104的输入电压的输出电压。在变换器模块202中，每对功率开关中的功率开关的一个都是连接到反 向或反并联二极管452的IGBT 450。当以脉宽调制模式操作VSD l(M时，在 截止IGBT 454之后，使用反向或反并联二极管452传导电流。如图5A中所 示，在电感器408的输出和DC总线412的负轨之间连接IGBT 450和反向二 极管452。然而，在本发明的另一个实施例中，能够在电感器408的输出和 DC总线412的正轨之间连接IGBT 450和反向二极管452。功率开关对中的另一个功率开关为反向阻挡IGBT "4,即，IGBT 454能 够在相反和向前的方向阻挡电压。反向阻挡IGBT 454反并联地连接至碳化硅 可控整流器(SiCCR) 500。然后，在预充电操作期间适宜地控制SiCCR 500, 以仅允许小脉冲涌流到达直流环节204。在预充电操作结束后，类似于反并 联二极管452,能够一直控制SiCCR 500传导。在本发明的另 一个实施例中， 如下文关于图6A和6B所讨论的，代替反向阻挡IGBT 454，能够使用与能够
提供反向阻挡的二极管串联的其它反向阻挡功率开关，例如IGBT功率开关，如，IGBT 450。在本发明的另一个实施例中，能够由反向阻挡IGBT 454替换 IGBT 450。为了预充电，只要延迟了 SiCCR 500的传导，反向阻挡IGBT 454阻挡正 的发射极-集电极电压，该发射极-集电极电压近似等于横跨IGBT 454而出现 的峰值线-线电压。另外，当如传统的二极管操作时，SiCCR 500并不展示反 向恢复现象或特征。无论何时导通在同相的IGBT 450,通过防止SiCCR 500 中的大反向电流流动，SiCCR 500中的反向恢复特征的缺乏防止SiCCR 500 中的大反向恢复损失出现。此外，当导通IGBT 450时，SiCCR 500中反向电 流的防止能够限制IGBT 450中的峰电流值，和相应的损失。最后，当导通 IGBT 454时，SiCCR 500中的反向恢复特征的缺乏限制横跨IGBT 450而出现 的漏电感中所感应的瞬时电压。漏电感为器件之间的不良寄生电感，并能够由将器件，如，IGBT 450、 反并联二极管452 、反向阻挡IGBT 454、和SiCCR 500电连接在一起的引线 接合而产生。当导通器件时，通过寄生电感可看到高速率的电流变化，该高 速率的电流变化也可通过截止器件看到，引起横跨所截止的器件的额外的电 压应力。二极管反向恢复现象能够由必须被清除的整流器中所存储的电荷而 引起，并导致在相反的方向流经二极管的瞬时电流。反向电流流动，直到其 到达峰最大值(依赖于器件特征和逆变器电路参数)，并然后返回为零。二极 管中的电流的变化率，如电流从其峰值返回为零，引起横跨在横跨所截止的500中的反向恢复特征的缺乏限制这种横跨IGBT 450而出现的瞬时电压。如图5A中所示，在电感器408的输出和DC总线412的正轨之间连接反 向阻挡IGBT 454和SiCCR 500。然而，在本发明的另 一个实施例中，能够在 电感器408的输出和DC总线412的负轨之间连接反向阻挡IGBT 454和SiCCR 500。如图2A中所示，图6A和6B示出关于VSD 104的另一个实施例的电路图。 除下文将详细描述的变换器202的操作之外，这个实施例中的VSD 104的操 作类似于上文关于图4A和4B所描述的VSD 104的操作。首先，类似于图4A 和4B中所示的实施例，将电感器408的每一个的输出提供给变换器202，且 直流环节204并联至变换器202的输出。在本发明的另一个优选实施例中，使用图6A中所示的变换器模块202控 制直流环节204的电容器420的预充电。变换器模块202包括三组(关于每 个输入相一组)功率开关或晶体管。变换器模块202也包括相应的控制连接 (为简单起见未示出)，以便以类似于上文关于逆变器模块206所描述的那个 的方式控制功率开关的变换。适宜地，如下文所详细讨论的，变换器模块202 的功率开关为IGBT功率开关，该IGBT功率开关由脉宽调制技术控制，以产 生关于直流环节所期望的输出电压。在本发明的优选实施例中，变换器模块 202能够像升压整流器一样操作，以将经增压的DC电压提供给直流环节204， 以从VSD 104获得大于VSD 104的输入电压的输出电压。在变换器模块202中，每组功率开关中的功率开关的一个都是连接到反 向或反并联二极管452的IGBT 450。当以脉宽调制模式操作VSD 104时，在 截止IGBT 650A之后，使用反向或反并联二极管452传导电流。如图6A中所 示，在电感器408的输出和DC总线412的负轨之间连接IGBT 450和反向二 极管452。然而，在本发明的另一个实施例中，能够在电感器408的输出和 DC总线412的正轨之间连接IGBT 450和反向二极管452。功率开关组中的另两个功率开关为IGBT 650A和650B，类似于IGBT 450， 该IGBT不能够在相反的方向阻挡电压。IGBT 650A连接到反向或反并联二极 管652A,以及IGBT 650B连接到反向或反并联二极管6MB。另外，IGBT6S0A 与反向或反并联二极管652B串联，以致反向或反并联二极管652B能够为IGBT 650A提供反向阻挡，以及IGBT 650B与反向或反并联二极管652A串联，以 致反向或反并联二极管652A能够为IGBT 650B提供反向阻挡。然后，在预充 电操作期间适宜地控制IGBT 650B，以仅允许小脉冲涌流经过反向或反并联 二极管652A到达直流环节。在预充电操作结束后，类似于反并联二极管452， 能够一直控制功率开关65QB传导。为了预充电，只要延迟了 IGBT 6 5 OB和反向或反并联二极管6 5 2 A的传导， 反向或反并联二极管652B与IGBT 650A的串联阻挡正的发射极-集电极电压， 该发射极-集电极电压近似等于横跨IGBT 650A而出现的峰值线-线电压。二 极管652A直接横跨集电极与IGBT 65QA的发射极的连接确保二极管652B提 供阻挡能力。然后，在预充电操作期间适宜地控制IGBT 650B,以仅允许小 脉冲涌流到达直流环节204。在预充电操作结束后，类似于反并联二极管452， 能够一直控制IGBT 650B传导。另外，紧接着预充电，当如传统的反并联二 极管一样操作时，IGBT 650B与反并联二极管652B的并联提供与IGBT 65 0B 和二极管652B相关联的反向恢复损失的最小化，仿佛除了传导压降以外，不 存在横跨任一器件的电压，就好像迫使电流在二极管652B和IGBT 650B对中 的任一方向流动。能够控制预充电脉冲操作，以允许在预充电期间由IGBT 650B消灭非常低水平的峰电流，并且紧接着预充电，存在与IGBT 650B和二 极管652B相关联的最小反向恢复损失，因此器件能够在电气规格和物理大小 两者上减小，从而提供使用非反向阻挡类型IGBT器件的低成本途径。如图6A中所示，在电感器408的输出和DC总线412的正轨之间连接IGBT 650A和650B以及反向二极管652A和652B。然而，在本发明的另一个实施例 中，能够在电感器408的输出和DC总线412的负轨之间连接IGBT 650A和 65OB以及反向二极管652A和652B。尽管已经参考优选实施例描述了本发明，本领域技术人员将理解到，可 以作各种各样的改变，并且可以用等同物替代其元素，而不背离本发明的范 围。另外，可以作许多更改，以适应本发明教义的特殊的情形或原料，而不 背离其基本范围。因此，意指本发明并不是局限于公开为用于执行这个发明 所设想的最佳模式的特殊的实施例，而是本发明将包括落于附属权利要求的 范围之内的所有的实施例。
权利要求
1.一种变速驱动器，包括逆变器装置，用于将DC电压转换为AC电压，以为负载提供功率；直流环节，用于滤波和存储能量，所述直流环节并联地电连接至所述逆变器装置；变换器装置，用于将来自AC功率源的AC电压转换为DC电压，所述变换器装置并联地电连接至所述直流环节，所述变换器装置包括多对功率开关装置，其中每对功率开关装置包括反并联地连接至第二反向阻挡功率开关配置的第一反向阻挡功率开关配置；并且其中所述变换器装置是可控制的，用于为所述直流环节预充电。
2. 如权利要求1所述的变速驱动器，其中所述第一反向阻挡功率开关配 置为反向阻挡绝缘栅双极型晶体管，以及所述第二反向阻挡功率开关配置为 反向阻挡绝缘栅双极型晶体管。
3. 如权利要求1所述的变速驱动器，其中所述第一反向阻挡功率开关配置是与为提供反向阻挡而配置的第一二极 管串联的第一绝缘栅双极型晶体管；所述第二反向阻挡功率开关配置是与为提供反向阻挡而配置的第二二极 管串联的第二绝缘栅双极型晶体管；所述第 一绝缘栅双极型晶体管与所述第二二极管反并联地连接，以及所 述第二绝缘^t双极型晶体管与所述第一二极管反并联地连接。
4. 如权利要求1所述的变速驱动器，其中所述变换器装置是脉宽调制技 术可控的。
5. 如权利要求1所述的变速驱动器，其中所述变换器装置配置为如升压 整流器一样操作。
6. —种冷却器系统，包括制冷电路，包括连接成闭环的压缩机、冷凝器装置和蒸发器装置； 连接到所述压缩机的驱动器装置，用于为所述压缩机提供功率，所述驱 动器装置包括电动机和变速驱动器，所述变速驱动器包括电连接到所述电动机的逆变器装置，所述逆变器装置配置为将DC电 压转换为AC电压，用于为所述电动机提供功率；直流环节，用于滤波和存储能量，所述直流环节并联地电连接到所述逆变器装置；以及变换器装置，用于将来自AC功率源的AC电压转换为DC电压，所述 变换器装置并联地电连接到所述直流环节，所述变换器装置包括多对功 率开关装置，其中每对功率开关装置包括反并联地连接至第二反向阻挡 功率开关配置的第一反向阻挡功率开关配置；并且其中所述变换器装置是可控制的，用于为所述直流环节预充电。
7. 如权利要求6所述的冷却器系统，其中所述第一反向阻挡功率开关配 置为反向阻挡绝缘栅双极型晶体管，以及所述第二反向阻挡功率开关配置为 反向阻挡绝缘栅双极型晶体管。
8. 如权利要求6所述的冷却器系统，其中所述第一反向阻挡功率开关配置是与为提供反向阻挡而配置的第一二极 管串联的第一绝缘栅双极型晶体管；所述第二反向阻挡功率开关配置是与为提供反向阻挡而配置的第二二极 管串联的第二绝缘栅双极型晶体管；所述第一绝缘4册双极型晶体管与所述第二二极管反并联地连接，以及所 述第二绝缘栅双极型晶体管与所述第一二极管反并联地连接。
9. 如权利要求6所述的冷却器系统，其中所述变换器装置是脉宽调制技 术可控的。
10. 如权利要求6所述的冷却器系统，其中所述变换器装置配置为如升压 整流器一样操作。
11. 一种变速驱动器，包括逆变器模块，用于将DC电压转换为AC电压，以为负载提供功率； 直流环节，用于滤波和存储能量，所述直流环节并联地电连接至所述逆 变器模块；变换器模块，用于将来自AC功率源的AC电压转换为DC电压，所述变换 器模块并联地电连接至所述直流环节，所述变换器模块包括多对功率开关， 其中每对功率开关包括与为提供反向阻挡而配置的第一二极管串联的第一绝缘栅双极型晶体管；与为提供反向阻挡而配置的第二二极管串联的第二绝缘栅双极型晶 体管，与所述第二二极管串联的所述第二绝缘栅双极型晶体管反并联地连接至与所述第一二极管串联的所述第 一绝缘栅双极型晶体管；并且其中所述第 一绝缘栅双极型晶体管与所述第二二极管反并联地连接，以及所述第二绝缘栅双极型晶体管与所述第一二极管反并联地连接； 并且其中所述变换器模块是可控制的，用于为所述直流环节预充电。
12. 如权利要求11所述的变速驱动器，其中所述变换器模块是脉宽调制 技术可控的。
13. 如权利要求11所述的变速驱动器，其中所述变换器模块配置为如升 压整流器一样操作。
14. 如权利要求11所述的变速驱动器，其中所述第二绝缘栅双极型晶体 管是可控的，用于将涌流脉冲提供给所述直流环节，以为所述直流环节预充 电。
15. 如权利要求14所述的变速驱动器，其中响应所述直流环节的预充电 的完成，控制所述第二绝缘栅双极型晶体管 一 直传导。
16. 如权利要求11所述的变速驱动器，其中每对功率开关包括反并联地 连接至二极管的绝缘栅双极型晶体管。
17. —种冷却器系统，包括制冷电路，包括连接成闭环的压缩机、冷凝器装置和蒸发器装置； 连接到所迷压缩机的驱动器装置，用于为所述压缩机提供功率，所述驱 动器装置包括电动机和变速驱动器，所述变速驱动器包括电连接到所述电动机的逆变器模块，所述逆变器模块配置为将DC电 压转换为AC电压，用于为所述电动机提供功率；直流环节，用于滤波和存储能量，所述直流环节并联地电连接到所 述逆变器模块；变换器装置，用于将来自AC功率源的AC电压转换为DC电压，所述 变换器模块并联地电连接到所述直流环节，所述变换器模块包括多对功 率开关，其中每对功率开关包括与第二绝缘栅双极型晶体管和反向平行 二极管串联的第 一绝缘栅双极型晶体管和反向平行二极管，关于所述第 一绝缘栅双极型晶体管和反向平行二极管，所述第二绝缘栅双极型晶体 管和反向平行二极管具有相反的配置；并且 其中所述第 一绝缘栅双极型晶体管与关于所述第二绝缘栅双极型晶 体管的所述反向平行二极管串联，以及所述第二绝缘栅双极型晶体管与关于第一绝缘栅双极型晶体管的所述反向平行二极管串联；并且其中所述变换器模块是可控制的，用于为所述直流环节预充电。
18. 如权利要求17所述的冷却器系统进一步包括控制系统，用于控制所 述变速驱动器的操作，并且其中所述控制系统配置为控制所述第二绝缘栅双 极型晶体管，用于将涌流脉冲提供给所述直流环节，以为所述直流环节预充 电。
19. 如权利要求18所述的冷却器系统，其中所述控制系统配置为响应所 述直流环节的预充电的完成，控制所述第二绝缘栅双极型晶体管一直传导。
20. 如权利要求18所述的冷却器系统，其中所述控制系统配置为由脉宽调制技术控制变换器模块。
21. 如权利要求17所述的冷却器系统，其中每对功率开关包括反并联地 连接至二极管的绝缘栅双极型晶体管。
22. 如权利要求17所述的冷却器系统，其中所述变换器模块配置为如升 压整流器一样操作。
23.—种变速驱动器，包括逆变器模块，用于将DC电压转换为AC电压，以为电动机提供功率； 直流环节，用于滤波和存储能量，所述直流环节并联地电连接至所述逆 变器模块；变换器模块，用于将AC电压转换为DC电压，所述变换器模块并联地电 连接至所述直流环节，并且电连接至AC功率源，所述变换器模块包括多对功 率开关，其中每对功率开关包括连接至反向平行二极管的绝缘栅双极型晶体 管和连接至反向平行反向阻挡绝缘栅双极型晶体管的反向阻挡绝缘栅双极型 晶体管；并且其中所述变换器模块中的所述多对功率开关是可控制的，用于为所述直 流环节预充电。
全文摘要
提供了一种具有可控以为直流环节(204)预充电的变换器(202)的变速驱动器(104)。该变速驱动器(104)也包括逆变器(206)。变换器(202)将来自AC功率源(102)的固定线频率、固定线电压AC功率转换成为DC功率。直流环节(204)滤波来自变换器(202)的DC功率。最后，逆变器(206)与直流环节(204)并联，并将来自直流环节(204)的DC功率转换成为变频、变电压AC功率。变换器(202)包括多对功率开关，其中每对功率开关包括反并联地连接至另一个反向阻挡功率开关装置(456，(652A，650B))的反向阻挡功率开关装置(454，(650A，652B))。可选择地，每对功率开关包括与碳化硅可控整流器(500)反并联地连接的反向阻挡功率开关(454)。
文档编号H02H9/00GK101160702SQ200680012497
公开日2008年4月9日 申请日期2006年2月9日 优先权日2005年3月1日
发明者哈罗德·R·施内茨卡 申请人:约克国际公司