JP4299337B2

JP4299337B2 - 直流負荷を制御するためのｄｃ／ｄｃブリッジ

Info

Publication number: JP4299337B2
Application number: JP2006502056A
Authority: JP
Inventors: ペッカヤホコネン、; エサプトゥキネン、
Original assignee: Kone Corp
Current assignee: Kone Corp
Priority date: 2003-02-07
Filing date: 2004-01-29
Publication date: 2009-07-22
Anticipated expiration: 2024-01-29
Also published as: BRPI0407332B1; AU2004209167A1; DE602004017699D1; EP1590883B1; EP1590883A1; BRPI0407332A; HK1086115A1; CA2514863A1; CA2514863C; WO2004070933A1; CN100417006C; JP2006517080A; CN1748354A; AU2004209167B2

Description

詳細な説明

本発明は、直流負荷を制御するためのDC/DCブリッジに関するものである。前記ブリッジは、制御可能な半導体スイッチが設けられた電力段を有し、また２つのブリッジ部を含んでおり、これらの一つのブリッジ部が直流を伝導し、他方のブリッジ部をPWMによって制御して電流の大きさを調整する。

エレベータのモータ駆動部は、交流または直流モータ駆動部のどちらかでよく、この駆動部は、例えば、PWM (パルス変調方式)により制御できる。現在、交流モータ駆動部は、とくにその簡単な構造が理由でかなり普及している。しかしながら、直流モータ駆動部も今もなお使用されている。直流モータ駆動部を交流モータ駆動部と交換することは、必ずしも好ましいとは限らない。例えばギアのない直流モータ駆動部と、これに使用される直流モータは耐久性があり、したがってこれらを交流モータ駆動部に交換する必要がないからである。さらに、モータを交換することは、比較的高いコストを伴う。

また、時流が交流モータ駆動部に向いているため、直流駆動部の制御に使用するためのパワーエレクトロニクスシステムを特別に開発することは、ほとんど合理的でない。さらに、交流駆動部で使用されるIGBT等の半導体部品は、絶えずより効率的および経済的になってきている。そのうえ、とくに電源回路の高調波に関する新しい規則により将来この状況が変わる可能性があり、その結果、直流駆動部で用いられている従来のサイリスタブリッジの使用がさらに困難になることが予想される。

本発明は、上述した従来技術の問題を克服し、直流モータ等の直流負荷のために新型のPWM制御式DC/DCブリッジを実現することを目的とする。本発明の解決策は、新しい方式のパワーエレクトロニクストポロジーに基づいており、交流駆動部の技術を直流モータの制御部で利用することが可能になる。本発明の解決策では、PWM制御式ブリッジ部は２つのブリッジアームより成り、これらのブリッジアームにおける半導体スイッチが交互に導通状態になる。

本発明の解決策は、前記の特許請求の範囲に具体的に定義されている。

本発明の技術を用いることによって、例えばエレベータアプリケーションのための、最新で経済的なPWM制御式直流モータ駆動部を製造することが可能になる。本発明を適用することにより、パワーエレクトロニクス技術、および多数の製品シリーズにおける交流駆動部の部品を、直流駆動部に利用することが可能になる。導体レール、および電力段回路の他の部品は、交流駆動部で使用されていたこれらのものと同じにできる。さらに、IGBT等の半導体スイッチの使用を直流アプリケーションにおいても最適化できる。とくに、開発および製造方法におけるコストを抑えることが実現され、これは同一の方法を交流および直流駆動部の両方に使用することが可能になったためである。

以下本発明を、添付図面および例を参照しながら詳細に説明する。

図１に、例えばエレベータアプリケーションを対象とする直流モータ駆動部の従来技術のPWM制御式Hブリッジ H1を示す。これは、直流源UDCと接続された２つのブリッジアームH11とH12より成る。それぞれのアームは、正極と負極を制御可能な半導体スイッチS11〜S14を含み、例えばIGBTトランジスタとダイオードの反転並列接続により形成されている。このブリッジは、エレベータの直流モータ等の直流負荷 L1に電力を供給する。

また、図２に、電源回路ブリッジA1を示す。これは、この電源回路の交流電圧UACを直流電圧UDCに整流する従来技術の三相交流駆動部において使用され、交流誘導子部P1がこの前に接続される。このブリッジは、上のアームと下のアームに制御可能な半導体スイッチS21〜S26を有している。これらは電源回路の各相に接続され、また、例えばIGBTトランジスタとダイオードの反転並列接続により形成することができる。

本発明の電気モータ駆動部は、原理上は、ネットワークコンバータ(整流ブリッジ)、モータブリッジ、および、誘導子を含んでいる従来技術の三相交流駆動部と類似している。とくに本発明は、モータに電力を供給するDC/DCブリッジに関する。電源回路ブリッジと誘導子は、例えば図２に示すようなものでもよい。本発明によれば、同じ型の制御可能な半導体スイッチを整流ブリッジとモータブリッジの両方に使用することができる。

図３に、本発明によるDC/DCブリッジB1を示す。これを使用して、直流モータM1に電力を供給し、このモータに直流Idcが流れる。このブリッジは、制御部BC1により制御される。別の磁化部MA1の使用によりモータの磁化が得られ、磁化部自体は公知の方法で制御される。

図３に示されるDC/DCブリッジは、２つのブリッジ部B11、B12を含む。図３において、ブリッジの第１のブリッジ部は、２つのアームB111とB112を含み、それぞれが制御可能な半導体スイッチ部S21〜S24を含んでいる。このブリッジアームは互いにコネクタCONN1を介して電力段回路基板と接続している。第２のブリッジ部B12は、制御可能な半導体スイッチ部S25〜S26を有する一つのアームより成る。したがって、このブリッジは総じて３つのアームを有し、三相DC/ACブリッジに相当する。制御部BC1では、半導体スイッチ毎に制御器BC21〜BC26が設けられる。

本発明のDC/DCブリッジの変調は、次のように行われる。本発明のPWM制御式直流駆動部は、交流駆動部で使用されるものと同じ種類の半導体スイッチS21〜S26をPWM制御に使用できる。例えば制御部内のスイッチSW1により直流駆動部に切り替えることが可能である。交流の代わりに、ゼロ周波数が使用される(非回転磁界)。本発明の直流駆動部において、すべての半導体スイッチで高周波のPWM制御信号、一般的に数キロヘルツの周波数をスイッチングする必要はない。トルク方向(上/下)を切り替えるには、スイッチのうちのスイッチS25とS26の2つを使用でき、当該スイッチは純粋なDC電流を伝導する。PWM制御に使用されるスイッチS21〜S26は、数キロヘルツの周波数で入/切し、電流Idc(トルク)の大きさを制御する。

最大の動力損失は、PWM制御に使用されるスイッチS21〜S26で発生する。本発明の制御方法において、PWM制御に使用されるスイッチは各アーム内で交互に導通し、当該スイッチが通常の導通時間の約50％以下の時間だけ作動する。この動作を図４のタイミングチャートに示す。図４には、ダイオードS22とS24の導通時間だけでなく、スイッチS21、S23、およびS26の導通時間も示す。

温度の観点からみると、本発明は、交流駆動部の電力段を直流駆動部において十分に利用できるという効果を奏する。回路内で使用されるIGBTにおける発熱は一般的に、PWM制御に使用されないスイッチにおける発熱の倍である。したがって、本発明によればスイッチS21とS23を、周期的に最大限でも50％の時間だけ導通させるようにする。導通時間は必要とする電圧(電流)に応じて変化する。

従来技術のHブリッジと比較すると、この回路はさらに、雑音をもたらす直流波Idcの脈動を元の水準の約半分に減らすことが可能である。この効果は、PWMスイッチS21〜S24のスイッチング周波数を減らすことで得られ、これらのスイッチの発熱を減らして、ブリッジの負荷容量を増加することができる。

実際には、直流スイッチの発熱はより高くてもよい。直流の損失はPWMスイッチングの損失よりも若干大きいからである。したがって、スイッチS25とS26を、冷却部COOL1(図５)の空気取り入れ口側(矢印)に位置させる。温度曲線TEMPが示すように、ここは冷却部の中央部や空気出口側よりも涼しいためである。

本発明の様々な実施例は上述の例に限定されるものではなく、前述の特許請求の範囲内で改変可能であることは当業者にとって明らかである。IGBTの他に別の全ゲート制御式部品より成るスイッチを使用してもよい。また、直流モータの他に、例えばエレベータのブレーキ磁石より成る負荷にしてもよい。

本発明の方式は、幅広い電気駆動部に使用することができる。本発明の原理を適用することにより、直流エレベータ駆動部の出力領域を最新のIGBT技術を用いて補うことが可能になる。交流および直流駆動部の各部は、同じ製造ラインで組み立てることが可能であり、主にソフトウェア制御によりアプリケーションを切り替えることが可能である。

従来技術の直流ブリッジである。交流駆動部におけるネットワークブリッジである。本発明によるDC/DCブリッジを含む直流駆動部である。本発明のDC/DCブリッジのタイミングチャートである。本発明のDC/DCブリッジにおける半導体スイッチの配置と冷却部を示したものである。

Claims

直流負荷を制御するためのDC/DCブリッジであって、制御可能な半導体スイッチ部が設けられ、２つのブリッジ部を有しており、そのうちの一つのブリッジ部が直流を伝導し、他のブリッジ部をパルス変調方式によって制御して電流の大きさを調整するDC/DCブリッジにおいて、
前記DC/DCブリッジは３つのブリッジアームより成り、
そのうちの２つのアームは、並列に接続され、
該並列に接続されたブリッジアームにおける前記半導体スイッチは、PWMによって制御してPWM制御式ブリッジ部を形成することを特徴とするDC/DCブリッジ。
請求項１に記載の制御部において、前記PWMブリッジアームにおける半導体スイッチは、同時に導通させることを特徴とする制御部。
請求項１に記載の制御部において、前記PWMブリッジアームにおける半導体スイッチは、交互に導通させることを特徴とする制御部。
請求項３に記載の制御部において、前記PWM制御に使用される半導体スイッチは、最大限でも前記ブリッジ部の導通時間の実質的に50%の間、導通するように制御されることを特徴とする制御部。
請求項１に記載の制御部において、前記半導体スイッチは、空気等の冷却媒体が供給される冷却基板にブリッジアーム部として装着され、前記直流を伝導するブリッジ部の半導体スイッチ部は、媒体取り入れ口側に配置されることを特徴とする制御部。
請求項５に記載の制御部において、前記半導体スイッチ部は互いに異なる距離で配置され、冷却を最適化することを特徴とする制御部。
請求項１に記載の制御部において、前記直流負荷は、直流モータであることを特徴とする制御部。
請求項１に記載の制御部において、前記直流負荷は、エレベータのブレーキ磁石であることを特徴とする制御部。
請求項１に記載の制御部において、前記ブリッジアームは互いに、電力段回路基板または少なくともその近くに接続されることを特徴とする制御部。
請求項１に記載の制御部において、前記ブリッジを直流駆動部および交流駆動部の両方で機能させることができ、前記制御部は直流/交流駆動部を切り替えるためのスイッチを有することを特徴とする制御部。