(57)【要約】【発明の要旨】電力を使用する如何なるデバイスにも適用され得るＡＣドライブ、特に中間電圧ＡＣドライブを提供する。好ましい実施例では、マルチレベルＡＣドライブトポロジーを使用し、このＡＣドライブにおいて複数のインバータと変換器は、電気バスを介して電気的に結合し、それぞれのモジュラーベースを介して物理的に結合し、各部品のそれぞれの熱交換器に接続された共通の冷却システムを共有する。このＡＣドライブは、変換器モジュールに接続される複数のインバータモジュールからなり、上述の各部品は冷却装置を有する比較的小型のユニットに実装する
2004513596.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
変換器と少なくとも１つのインバータを含むＡＣドライブであって、前記少なくとも１つのインバータは、
熱交換器、
前記熱交換器に熱的に結合される少なくとも１つのトランジスタ、
少なくとも１つのキャパシタ、
前記トランジスタと前記キャパシタの上にそれぞれ配置される接点にて前記トランジスタを前記キャパシタに電気的に結合する複数の電気バス、及び
前記電気バスの少なくとも１つと、このバスと前記トランジスタとの間の前記接点とを雰囲気から密閉するように、前記電気バスの前記少なくとも１つに塗布され、前記電気バスの前記少なくとも１つと前記トランジスタとの間の前記接点の全部を覆う絶縁材を含むことを特徴とする中間電圧ＡＣドライブ。
【請求項２】
前記電気バスは、アルミニウムであることを特徴とする請求項１記載のＡＣドライブ。
【請求項３】
前記電気バスの少なくとも２つは、互いに平行な関係にあり、それらの間に配置される絶縁体を有することを特徴とする請求項１記載のＡＣドライブ。
【請求項４】
前記平行なバスの各々は、前記バスを前記トランジスタに電気的に結合するように、前記バスから延長するフランジを有することを特徴とする請求項３記載のＡＣドライブ。
【請求項５】
前記平行なバスの各々は、前記平行なバスが前記トランジスタに直角にあるように前記トランジスタに接続されることを特徴とする請求項４記載のＡＣドライブ。
【請求項６】
前記絶縁体は、ラミネートマイカであることを特徴とする請求項３記載のＡＣドライブ。
【請求項７】
前記絶縁材は、前記絶縁体の表面の少なくとも幾らかから空気を除去するように前記表面の前記少なくとも幾らかに含浸することを特徴とする請求項３記載のＡＣドライブ。
【請求項８】
前記絶縁材は、シリコンを主成分とすることを特徴とする請求項１記載のＡＣドライブ。
【請求項９】
前記絶縁材は、ＲＴＶシリコンであることを特徴とする請求項１記載のＡＣドライブ。
【請求項１０】
前記絶縁材は、約２８のショアＡ硬さを有することを特徴とする請求項１記載のＡＣドライブ。
【請求項１１】
前記絶縁材は、前記電気バスの全部と、前記電気バスと前記トランジスタとの間の前記接点の全部とを前記雰囲気から密閉するように、前記電気バスの全部と、前記電気バスと前記トランジスタとの間の前記接点の全部とを覆うことを特徴とする請求項１記載のＡＣドライブ。
【請求項１２】
前記熱交換器は前記トランジスタが熱的に結合される平面部材を含み、前記絶縁材が前記平面部材のほぼ全部を覆うことを特徴とする請求項１記載のＡＣドライブ。
【請求項１３】
前記絶縁材は、ガス抜きした状態にあることを特徴とする請求項１記載のＡＣドライブ。
【請求項１４】
前記熱交換器を通り抜ける冷却媒体を通す冷却システムであることを特徴とする請求項１記載のＡＣドライブ。
【請求項１５】
前記冷却媒体は空気であることを特徴とする請求項１４記載のＡＣドライブ。
【請求項１６】
前記絶縁材は、前記バスの全部と前記接点の全部とを前記雰囲気から密閉するように、前記バスの全部と前記接点の全部とを覆うことを特徴とする請求項１記載のＡＣドライブ。
【請求項１７】
熱交換器、
前記熱交換器に熱的に結合される複数のトランジスタ、
複数のキャパシタ、及び
前記トランジスタと前記キャパシタの各々の上にそれぞれ配置される接点にて前記トランジスタを前記キャパシタに電気的に結合する複数の電気バスを含むインバータであって、
前記電気バスのほぼ全部と、前記電気バスと前記トランジスタとの間の前記接点の全部とを雰囲気から密閉するように、前記電気バスの前記ほぼ全部と、前記電気バスと前記トランジスタとの間の前記接点の全部とを絶縁材で覆うことを特徴とするＡＣドライブ用インバータ。
【請求項１８】
前記電気バスは、アルミニウムであることを特徴とする請求項１７記載のインバータ。
【請求項１９】
前記電気バスの少なくとも２つは、互いに平行な関係にあり、それらの間に配置される絶縁体を有することを特徴とする請求項１７記載のインバータ。
【請求項２０】
前記平行なバスの各々は、前記バスを前記トランジスタに電気的に結合するように、前記バスから延長するフランジを有することを特徴とする請求項１９記載のインバータ。
【請求項２１】
前記平行なバスの各々は、前記平行なバスが前記トランジスタに直角にあるように前記トランジスタに接続されることを特徴とする請求項２０記載のインバータ。
【請求項２２】
前記絶縁体は、ラミネートマイカであることを特徴とする請求項１９記載のインバータ。
【請求項２３】
前記絶縁材は、前記絶縁体の表面の少なくとも幾らかから空気を除去するように前記表面の前記少なくとも幾らかに含浸することを特徴とする請求項１９記載のインバータ。
【請求項２４】
前記絶縁材は、シリコンを主成分とすることを特徴とする請求項１７記載のインバータ。
【請求項２５】
前記絶縁材は、ＲＴＶシリコンであることを特徴とする請求項１７記載のインバータ。
【請求項２６】
前記絶縁材は、約２８のショアＡ硬さを有することを特徴とする請求項１７記載のインバータ。
【請求項２７】
前記絶縁材は、前記電気バスの全部と、前記電気バスと前記トランジスタとの間の前記接点の全部とを前記雰囲気から密閉するように、前記電気バスの全部と、前記電気バスと前記トランジスタとの間の前記接点の全部とを覆うことを特徴とする請求項１７記載のインバータ。
【請求項２８】
前記熱交換器は前記トランジスタが熱的に結合される蒸発器板を含み、前記絶縁材が前記蒸発器板のほぼ全部を覆うことを特徴とする請求項１７記載のインバータ。
【請求項２９】
前記絶縁材は、ガス抜きした状態にあることを特徴とする請求項１７記載のインバータ。
【請求項３０】
前記絶縁材は、前記バスの全部と前記接点の全部とを前記雰囲気から密閉するように、前記バスの全部と前記接点の全部とを覆うことを特徴とする請求項１７記載のインバータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する分野】
本発明は、電力変換器に関し、より詳細には、６００〜１５，０００ボルトを要するＡＣモータや他の種々の電力変換機器を駆動するのに使用する中間電圧の可変速度ＡＣドライブに関するものである。
【０００２】
【発明の背景】
加減或いは可変速度ＡＣドライブは、一般に、ＡＣ誘導モータを駆動しその速度を制御するのに使用する。ＡＣドライブは、一般に、その出力電圧と電流の特性を制御し、従ってユーザーが（ＡＣドライブの駆動しているモータの）モータ速度を制御し、モータ駆動のプロセスとともにモータ電力の使用を最適化するので、エネルギー節約の利点がある。ＡＣドライブは、固定周波数と電圧を有するＡＣ或いはＤＣの電力のいずれかの供給を受け、これを可変振幅と周波数を有する電圧或いは電流のＡＣ電力に変換することによって動作する。これにより、モータの速度と電力を制御でき、多用途の要求が可能である。
【０００３】
ＡＣドライブの使用は、駆動プロセスを大いに向上させ、電気エネルギーの節約を提供するが、問題がなくもない。現在のＡＣドライブシステムの最大の問題の一つは、そのシステムの大きさである。このことは、とりわけ、かなりの量のフロア或いは施設スペースを要求する中間電圧印加に使用されるＡＣドライブについていえる。加えて、現存のシステムのＡＣドライブ部品は、（システムの部品の冷却手段として使用される）空気に晒されるため、清浄で、環境的に制御された領域に配置することが必要であり、濾過手段と温度及び湿度の制御手段とによって、有害な汚染物質や湿気がシステムの動作に悪影響を及ぼすのを防ぐことが重要である。一方、誘導モータは、一般に堅牢であり、汚染物質のない清浄な環境は必要ない。この環境条件の相違のため、一般に、ドライブとモータとの間にかなりの距離が必要であろう。この距離のために、モータ動的制御の問題、更には、反射波現象に起因するモータ絶縁の問題が生じる。
【０００４】
最新式中間電圧電力変換デバイスは、低電圧（０〜６００Ｖ）デバイスに使用される絶縁方法に類似の絶縁方法を使用する。電力スイッチ及び相互接続バスは、絶縁材料の部分放電劣化の影響を回避するために、異なる電位間にかなりの物理的スペースを有していなければならない。空気が全ての部品の周囲に存在するために、この距離はかなり大きくなり得る。更に、汚染物質が絶縁素子を囲んで導体の周囲のイオン化を促し、コロナの影響を発生させたり、更には短絡を引き起こしたりし得るので、ドライブのキャビネットに入る空気の質を環境的に制御する必要がある。絶縁のために必要とされるこの大きな体積は、相互接続素子内に分布する浮遊インダクタンスを増加させるだろう。相互接続素子は、ケーブルかバスバーのいずれかになり得る。電力スイッチはかなりの量の電流を伝えるので、ターンオフサイクルの間に、スイッチ電流の負の変化率により、電流の変化率の大きさに比例する電圧スパイクと回路の浮遊インダクタンスが発生する（Ｖｐｋ＝Ｌ＊（ｄｉ／ｄｔ）、ここで、Ｌは回路の浮遊インダクタンスであり、ｄｉ／ｄｔはスイッチ電流の変化率である）。これらの電圧過渡は、適切なレベルに制限されないと、電力半導体スイッチを破壊するだろう。最新式中間電圧電力変換デバイスは、結局、浮遊インダクタンスの量に比例する電圧抑制デバイスを使用することになる。また、絶縁の必要のため適切なスペースを要求するこれらの過渡電圧抑制デバイスを加えることは、結局、複雑さやコストだけでなく、物理的体積をもより増加させることになる。
【０００５】
多くの電力変換デバイスの、とりわけＡＣドライブの別の問題は、部品交換可能性である。現在のＡＣドライブの内部構成は、一般に、複雑であるので、半導体電力スイッチのような一部品が故障したとき、損傷した部品を交換するのにかなりの時間量が必要となることが多い。
【０００６】
中間電圧ＡＣドライブの更なる問題は、宇宙線によって故障が発生しやすいことである。この現象の様相の全ては不明であるが、種々の天体から放出される亜原子粒子が、地球と、電力変換システムの部品を含む地球上の全ての物に衝突することは知られている。これらの高エネルギーの粒子は、半導体原子構造とその定格電圧耐性能の破壊を引き起こす。このため、宇宙線は、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）やＩＧＣＴ（集積ゲート転流サイリスタ）などの半導体電力スイッチのようなＡＣドライブの電気の流れている部品の幾つかを長い間に劣化させる。この現象は、電力半導体スイッチの電圧利用をその定格ＤＣ値の約６０％に制限する。この電圧レベル以上に使用すると、電力半導体スイッチの寿命サイクルはかなり短くなるだろう。
【０００７】
【発明の概要】
本発明の目的は、上述の悪影響なしに、駆動される機械または負荷の近くに、或いは直接に隣接して配置され得るよりコンパクトなデバイスを提供することによって、電力変換機器における上述の問題を解決することにある。本発明は、異なる技術分野の最新の先端技術の独特の組み合わせである。本発明は、効率的で、環境に堅牢であり、柔軟性のあるコンパクトな低中高電圧印加用電力変換システムを提供する。本発明により、気体或いは液体の流体を冷却剤として使用する先例のない特徴を有する電力変換ビルディングブロックを設計することが可能である。
【０００８】
本発明は、如何なる電力変換デバイスにも適用されるものであり、特に中間電圧ＡＣドライブに適用され得る。本発明に使用される電気的トポロジーは、最新式電力変換機器に使用されるものに似ている。好ましい実施例では、マルチレベルＡＣドライブトポロジーを使用する。複数のインバータと変換器は電気バスを介して電気的に結合し、それぞれのモジュラーベースを介して物理的に結合し、各部品のそれぞれのヒートシンクに接続された共通の冷却システムを共有してもよい。相互接続するバスと電力部品、絶縁、冷却システム及び宇宙線フィルタの新規な配置は、現在のＡＣドライブの上述の問題を取り除くものであり、ドライブの効率的使用の寿命延長、小スペース化、簡単な修理、及び駆動される負荷デバイスに対して近接配置が可能になる。
【０００９】
本発明では、ＡＣドライブは、変換器モジュールに接続されＡＣドライブを生成する複数のインバータモジュールからなり、前述の各部品は冷却装置を有する比較的小型のユニットに実装する。各インバータは、モジュラーベース、複数の電力半導体スイッチが熱的に結合され該ベースに接続されるヒートシンク又は熱交換器、複数のキャパシタ、該電力半導体スイッチを該キャパシタに接続する複数の電気バス、及び該電気バスのような電気の流れている該部品の幾つか或いは全てを包む或いは覆う絶縁媒体からなる。変換器は、同様の構成を有しており、モジュラーベース、複数の電力半導体スイッチ又はダイオード、キャパシタ、リアクタ、ヒートシンク又は熱交換器、複数の接触器、及びバスのような電気の流れている部品を覆う絶縁材料からなる。
【００１０】
図１１は、冷却システムを取り付けた図１０に示すＡＣマイクロドライブアセンブリの図示である。
【００１１】
［発明の詳細な説明］
添付図面を参照し、本発明を詳述する。なお、実施例では中間電圧ＡＣドライブは６００〜１５，０００ボルトの容量範囲を有するが、以下の構想は任意の電圧レベルの電力変換デバイスに適用され得る。限定せず図示の目的のため、本発明の以下の実施例は３レベル、４，１６０ボルト、２，５００ ＨＰ、１２パルスＡＣ入力ドライブとする。そのため、以下に言及する全ての固有或いは好ましい寸法又はパラメータは、斯かるドライブ用であって、異なる動作特性を有するドライブに最適な或いは好ましいものでなくてよいが、斯かる寸法及びパラメータは以下の実施例を考慮して最適化できる。
【００１２】
さて、図１Ａ、１Ｂ及び１Ｃは、トランジスタ３０及び３２とダイオード３１とが固定された熱交換器アセンブリ２０の実施例を示す。この実施例では、熱交換器は空気或いは他の気体を使用して熱交換器の冷却を提供する空気冷却型である。熱交換器アセンブリ２０は、トランジスタ３０及び３２とダイオード３１とを保持する蒸発器板２２に熱的に接続された熱交換器凝縮器ブロック２１を有する。熱交換器凝縮器ブロック２１は、トランジスタ３０及び３２とダイオード３１の発生熱が凝縮器ブロック２１を通過する空気のような冷却媒体へ移動できるように使用される構造である。
【００１３】
凝縮器ブロック２１は、アルミニウム、銅などのような高熱伝導特性を有する任意の材料から作られうる。なお、図では、熱交換器アセンブリ２０は熱を凝縮器ブロック２１中、それから冷却媒体中へ移動できるように一連の熱管２３を有する。熱交換器アセンブリ２０の構成は、これに限定されるものではなく、冷却媒体への熱移動効率を最適化できるように任意の形状又は様式に修正できる。これは特に、使用する冷却媒体に依存して適用できる。空気は（図示したアセンブリ用に）冷却媒体として好ましいが、他の気体、水、不凍剤、オイルのような他の媒体を凝縮器ブロック２１に通過させることにより使用できる。冷却媒体として空気を使用しない場合は、冷却媒体がＡＣドライブの部品に入らないように追加の事前注意をしなければならい。
【００１４】
本発明の好ましい実施例では、熱交換器アセンブリ２０において、熱管２３に加えて、積み重ねたフィン２８は追加の熱表面を設けるように凝縮器ブロック２１（図１Ｂ）を構成し、熱交換器アセンブリ２０の効率を増加させる。熱管２３とフィン２８は、アルミニウム、銅などのような熱伝導性材料からつくられていることが好ましい。また、フィン２８はそれぞれ、それらの間に配置された安定化隔離体２９を有し、隣接するフィン２８が損傷したり曲がったりしてフィン２８の熱特性が落ちるのを防止するようにすることが好ましい。これは、既知の或いは一般に使用される任意の方法、例えばフィンをディンプリング（ｄｉｍｐｌｉｎｇ）することによって行われるので、ディンプル（窪み）がスペーサ或いはスタビライザ２９として作用する。これらのスタビライザ２９が無いと、フィン２８が曲がる可能性があり空気或いは他の冷却媒体が隣接する２つのフィン２８を通過できず、従って熱交換器アセンブリ２０の冷却効率が下がる。これらの隔離体２９は、一般にＡＣドライブが使用される或いは晒される機械的及び／又は熱的条件に従って使用する。大きな冷却の余裕があるか、或いは凝縮器ブロック部を、損傷や曲がりの危険がないように他の機械的手段によって保護するならば、隔離体２９は必要ないかもしれない。
【００１５】
更にフィン２８は、既知の或いは一般に使用される任意の手段、例えば、摩擦嵌合、ハンダ付け、溶接、接着剤、留め具などによって熱管２３に固定され得る。フィン２８の間隔と厚さは、使用される材料、使用される冷却媒体、必要な熱移動量、及びＡＣドライブの使用環境を考慮しＡＣドライブの特定の使用と構成に対して最適化される。本発明の実施例では、使用されるフィンの材料はアルミニウムで、フィン２８はトランジスタとダイオードの寸法によって定まる９．０インチの幅と長さを有し０．０２０インチの厚さを有し、フィン２８の間隔は０．１２５インチであり、熱管２３は通常、０．７５インチの直径を有し、熱管２３のうちの６つは４０（Ｃの最大周囲温度で５０（Ｃの温度上昇で３０００ワットの熱エネルギーを冷却できることが好ましい。小さい熱管の直径は熱管１つ当たりの冷却容量を下げ、大きい熱管の直径は冷却容量を上げる。現在の工業基準では、使用可能な熱管の直径範囲は０．２５０〜１．５０インチである。しかし、本発明は、これらの寸法の使用に制限されない。
【００１６】
前述したように、凝縮器ブロック２１は、トランジスタ３０及び３２とダイオード３１とを装着するのに使用する蒸発器板２２に熱的に結合される。蒸発器板２２は、凝縮器ブロック２１と同じ熱伝導性材料から作られることが好ましく、別個に作られ熱管２３を介して凝縮器ブロック２１に固定され得るか、或いは、凝縮器ブロック２１と一体的に形成され得る。熱管２３を使用する場合、熱管２３をハンダ付けにより蒸発器板２２に固定し、その場合、蒸発器板２２の挿入穴にハンダを設け熱管２３を挿入し、ハンダが周りに上昇し熱管２３を蒸発器板２２に密閉するのが好ましい。また、熱管２３の適切な使用を確実にするため、蒸発器板２２に構造或いは部品を装着するのに、熱管の位置に一致する留め具穴を使用するべきではなく、さもなければ熱管２３の効率は落ちるだろうことに注意されたい。使用する熱管２３の正確な数、形、構成及び大きさは、ＡＣドライブの特性と設計パラメータに依存して決まる。熱管２３を使用しない場合、蒸発器板２２は、既知の或いは一般に使用される任意の方法により凝縮器ブロック２１に固定し得る。しかし、凝縮器ブロック２１と蒸発器板２２間の接続は通常、一方から他方への熱伝導率を最適化し熱交換器アセンブリ２０の最大冷却効率を得るようにする。
【００１７】
蒸発器板２２は、図１Ａ、１Ｂ及び１Ｃに示すように簡単な平板、或いは、矩形や円筒状のような他の種々の構成或いは形状に形成され得る。トランジスタ３０及び３２とダイオード３１は、ＡＣドライブの性能を最適化できる任意の位置で蒸発器板２２に装着する。この構成により、容易に製造可能なＡＣドライブを得ることができ、その場合、同一の熱交換器アセンブリ２０を、異なるトランジスタの位置、大きさ及び構成を有する異なるＡＣドライブに使用できる。さらに、大平板の蒸発器板２２の使用は、後述するシステムの熱管理について追加の利点を有する。
【００１８】
トランジスタ３０及び３２とダイオード３１は、ＡＣドライブの特定の用途に必要な既知の或いは一般に使用される任意のトランジスタとダイオードであってよい。本発明はこれらの電気部品のタイプの使用にひとえに制限されず、既知の或いは一般に使用されるＡＣドライブ用部品の他の如何なるタイプを本発明の範囲や精神を変更することなく使用できるが、図１Ａ、１Ｂ及び１Ｃに示すトランジスタは一般にＩＧＢＴトランジスタである。
【００１９】
図２Ａ及び２Ｂは、本発明の熱交換器アセンブリ１１０の別の実施例を示す。前の実施例と違い、この実施例では熱交換器凝縮器ブロック２１を使用せず、空気、気体、オイル、不凍剤、水などのような冷却媒体が通過し電気部品３０、３１、３２の熱管理を提供する戻りブロック３５と冷却板３８とによって形成される（流体用蛇行通路を有する金属板）マニホールドのように働く装着冷却板を使用する。図２Ａ及び２Ｂに示す実施例では、電気部品は冷却媒体が通過する冷却板３８に固定し、戻りブロック３５は冷却媒体を冷却板３８に通して蛇行通路を形成するように運び、冷却媒体の入口と出口を提供するのに使用する。冷却媒体は通常、凝縮器ブロック３５を通る一定の流れを確保するように、入口ポート３６を通って戻りブロック３５に入り、出口ポート３７を通ってポンプシステム（図示せず）へ出る。戻りブロック３５と冷却板３８の内部様相の正確な構成は通常、必要性と動作基準に依存して決まるが、凝縮器ブロック３５上のいずれの装着穴も冷却板３８内の冷却媒体路に支障を来たさないことが好ましい。
【００２０】
この実施例では図１Ａ、１Ｂ及び１Ｃに示すような大型熱交換器凝縮器ブロック２１を有していないので、戻りブロック３５上のスペースは、ＡＣドライブに何ら追加の大きさを加えることなく冷却システムの冷却剤濾過器、ラジエータ、ポンプ、貯蔵器などのために使用できる。実際、この構成により、ＡＣドライブの全体構造と動作に相対的に殆ど変化無しに自己完結型液体冷却熱交換器アセンブリを空気冷却熱交換器アセンブリに隣接して使用できる。この可能性は従来技術では得られなかった。
【００２１】
図３Ａ、３Ｂ及び３Ｃは、本発明による熱交換器アセンブリの更に別の実施例を示す。これらの図は、（「ホッケーパック」スイッチとして知られる）別のタイプの電気デバイスである非絶縁電力半導体スイッチ２２１を使用する熱交換器アセンブリ２２０を示す。これらのデバイス２２１は、ＩＧＢＴより高電力を扱うことができるが、図示するように非絶縁冷却プロセスでは、デバイス２２１に接続される（蒸発器板とも呼ばれる）装着板２２２をお互いと冷却システムの残りとから絶縁することが要求される。このため、熱管２２３を使用する場合、（蒸発器板とも呼ばれる）装着板２２２に接続される熱管２２３を、セラミック（或いは他の絶縁材料）スペーサ２２４を使用して熱交換器凝縮器ブロック２２５に接続される熱管から電気的に絶縁する。これらの絶縁スペーサ２２４はデバイス２２１からアセンブリ２２０に流れる電流から保護する。デバイスの製造業者は（ボックスクランプと呼ばれる）留め具２２６を推奨するが、既知の或いは一般に使用される任意の方法によってデバイス２２１を装着板２２２に固定し得る。
【００２２】
図４Ａ及び４Ｂは、本発明で使用され得る熱交換器アセンブリ２２０Ａの更に別の実施例を示す。この実施例はオープン凝縮器ブロック２２５の代わりにクローズド冷却マニホールドブロック２３５を使用する以外は図３Ａ、３Ｂ及び３Ｃに示すのと同様であり、その場合、冷却媒体を凝縮器ブロック２２５のフィン上を通過させる代わりに、冷却媒体はマニホールドブロック２３５を通過し、図２Ａ及び２Ｂに示す戻りブロック３５と冷却マニホールド板３８と同様に作用する。この構成では、（蒸発器板とも呼ばれる）装着板２２２は冷却マニホールドブロック２３５に電気的に接続しないが、熱管２２３と絶縁スペーサ２２４を使用して絶縁される。この構成は、液体冷却媒体を使用し、電気デバイスが非絶縁型の、いわゆる「ホッケーパック」デバイスであるとき好ましい。これは、装着板２２２が隔てられたままであると同時に冷却マニホールドブロック２３５に熱的に結合されたままであるためである。
【００２３】
また、デバイス２２１を相互接続するのに使用する電気バス２２９と絶縁体２３０を図示する。
【００２４】
本発明の熱交換器の種々の実施例は、電気デバイス（ＩＧＢＴ又は非ＩＧＢＴのいずれであろうと）によって発生した熱が（熱管を使用する場合、蒸発器板とも呼ばれる）装着構造、および（熱管を使用する場合、凝縮器ブロックとも呼ばれる）熱交換器マニホールド、或いは冷却流体源（その構成は何であってもよい）、それから冷却媒体（何でも選べる）中を通過することによって機能する。更に、種々の熱交換器アセンブリ用の上述の構成は、コンパクトであり、管理が比較的に容易であり、ＡＣドライブの各モジュールがそれ自身の独立別個の冷却方法或いはシステムを有することができ、異なる冷却方法を有するモジュールを同一のＡＣドライブアセンブリに使用できる。例えば、全てのインバータは空気冷却を使用する図１Ａ、１Ｂ及び１Ｃに示す実施例を使用すると共に、変換器は図２Ａ及び２Ｂ に示す実施例を使用する場合にＡＣドライブを作ることができる。
【００２５】
図５Ａ、５Ｂ及び５Ｃは、本発明によるインバータ１００の部分アセンブリを示す。インバータ１００は図１Ａ、１Ｂ及び１Ｃに示すような熱交換器アセンブリ２０を採用するが、本発明は斯かる構成に限定されず、本発明の範囲の変更無しに前述の熱交換器アセンブリの何れをも採用できる。
【００２６】
本発明のＡＣドライブは、複数のインバータ１００を含み、その数は通常３つであるがＡＣドライブの使用用途のタイプに依存して変えてよい。インバータ１００は、インバータの部品の全てをベース１０に機械的に固定できるモジュラーベース１０にセットする。更に、ベース１０はＡＣドライブの追加部品、例えば、追加インバータ１００或いは変換器２００に容易に固定される（或いは取り外せる）ように設計する。隣接部品（即ちインバータ／変換器）のトレイ１０を、既知の或いは一般に使用される任意の方法、例えば、ボルト、ネジ、リベットなどで互いに固定し得る。前述したように、インバータ１００或いは変換器２００のアセンブリが容易にＡＣドライブから取り外せる取り付け方法を使用することが好ましい。例えば、熱交換器アセンブリ２０の凝縮器ブロックとモジュラーベース１０の４隅の４つのボルト（ボルト使用の場合）を含むエアダクトを取り外すことによって、インバータ１００はモジュラーベース１０の嵌合特徴に依存して上または側から取り外せる。これは、部品交換に必要とされる時間と労力を大幅に減少させる。
【００２７】
熱交換器アセンブリ２０は、既知の或いは一般に使用される任意の方法でトレイ１０に固定できる。例えば、装着ブラケット２５を使用し、アセンブリ２０をトレイ１０に固定し、その場合、ボルト、ネジ、リベットなどでブラケット２５を固定する。
【００２８】
キャパシタブラケット１５を各トレイ１０に取り付ける。キャパシタブラケット１５はトレイ１０に機械的に固定するか、トレイ１０と一体的に作る。ブラケット１５は多数のキャパシタ６１、６２を有するキャパシタバンク６０の支持を提供する。既知の或いは一般に使用されるキャパシタ６１、６２は、本発明の動作に影響することなく本発明と合体できる。キャパシタ６１、６２は、低いインダクタンスタイプ（３０ナノヘンリー以下のインダクタンス値）でなければならず、高リプル電流に耐えることができなければならない。好ましい実施例は、オイルまたは気体を充填したポリエチレンフィルムの、非極性キャパシタ、例えばＭｏｎｔｅｎａ Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｐｏｗｅｒ Ｃａｐａｃｉｔｏｒｓのような４１６０Ｖ動作に対して４０００Ｖ、５５０μＦで定格されたキャパシタを使用する。また、インバータ１００を接続するように構成した接続領域８０をキャパシタブラケット１５に固定する。
【００２９】
電気バス５０、５５，７０，７５、５０Ａ、５５Ａ、７０Ａ、７５Ａで、トランジスタ３０及び３２とダイオード３１とキャパシタ（と他の主要電気部品）のすべてを接続する。バスは、主要電気部品の全部へ或いはこれらの部品から（及び隣接するインバータと変換器へ）電流を運ぶ。本発明用のバスは、バランスさせた低インダクタンスバスとして最も正確に記述され、図示例のインバータはマルチレベルインバータブリッジである。
【００３０】
マルチレベルインバータブリッジは、２レベルインバータブリッジより複雑な電流路レイアウトを有する。半導体スイッチとダイオードは所与の時間に最大動作電圧に制限される。電力半導体スイッチを直列に効果的に接続し、直列に接続したスイッチの数を電圧性能に掛けることによって、マルチレベルトポロジーを使用し電力変換デバイスのより高出力電圧を達成する。本発明では、スイッチとダイオードの機械的レイアウトは電流ループを防止するように形成する。電気伝導バスは、回路電流により生じたあらゆる電磁界を大きさと位相において瞬間かつ正確に相殺するようにスイッチとダイオードを接続する。これが、バランスさせた低インダクタンスバスのことである。それは、電界を均等分布でき、電流路の浮遊インダクタンスを最小にでき、スイッチのターンオフ時間に電圧過渡を最小にできる。これらの特徴は、部分放電絶縁疲労の影響を最小にするためと、電圧過渡抑制デバイスの必要性を取り除くため中間電圧デバイスでは特に重要である。このタイプのシステムのインダクタンスは、次の公式で決定できる。
【００３１】
Ｌ＝［３１．９＊（Ｄ＋ＳＤ）＊（Ｌ）］／［（Ｗ）］
ここで
Ｌは、導電バスバーの全インダクタンス
Ｄは、平行バスバー間の誘電体の厚さ
Ｗは、導電バスバーの幅
Ｌは、導電バスバーの長さ
ＳＤは、高周波数でスキンの影響による導電バスバー内電流通路のスキンの深さであり、ＳＤの定義はＳＤ＝１／［（（πＦＭＮ）］ここでＦは電流周波数、Ｍは金属の透磁率、Ｎは金属の導電率。例えば、銅に対してＳＤ＝２．６／［（Ｆ］。
【００３２】
インダクタンスは、誘電体の厚さに正比例する。本発明では、誘電体の厚さＤの減少は、真空化による空気の除去及び／或いはバスバーアセンブリを空気、湿気、汚染物質を断つ絶縁媒体中に浸すことによって可能となる。これは、より詳細に後述する。
【００３３】
バスは、アルミニウム、銅、スチールなどのような任意の電気伝導性材料から作る。しかし、実施例ではアルミニウムが好ましい。アルミニウムの使用は、銅のような他の材料より１インチ当たり高抵抗値を提供し、ＡＣドライブシステムを電気的に抑制する。バスバーの形と寸法は種々の構成或いは代替トランジスタ配置の必要に応じて変更できるが、本発明の最適動作に重要なバスバーの幾何的特徴がある。好ましい実施例では、バーの厚さは１インチの１／８であり、バスバーの幅は変更できるが、バスの厚さ（上記インダクタンス公式を参照）よりかなり大きいのが好ましい。更に、バス上には鋭い角または縁はない。バスバーは、丸い縁を有し、電界集中の悪影響を減少させる。バスバーは、可能な限り短く形成し、インダクタンス（上記インダクタンス公式を参照）を減少させ、バーの製造と組立の特性を改善する。
【００３４】
高電圧電位の影響は周知であり、電気が流れている端子とバスのまわりの気体のイオン化によるコロナ影響を含む。露出し電気が流れている端子とバスの形は、実際に金属端子の導電性路を空気のような周囲の気体中に延長させ、異なる電位の端子間に配置した絶縁障壁を劣化させるコロナ影響を悪化させ得る。コロナ影響は、絶縁破壊を引き起こし得る。本発明では、絶縁材を塗布してコロナ影響を大幅に減少させる。さらに、絶縁材料間のポケットの空気分子のイオン化は部分放電現象を引き起こし得る。この現象は、エアポケット内に電荷を放電し、電気アーク状の高熱を放出する。最後には、エアポケット内繰り返し放電或いはアークの後、カーボントラッキング（炭素粒子により発生する２絶縁点間漏電）によりエアポケットにブリッジが形成する。アークとカーボントラッキングの発生はバスと他の電気能動デバイス間の絶縁層を長い間に劣化させる。コロナ影響と部分放電は、（１）鋭い角の導体表面、特に空気に晒すとき部分放電による所与の絶縁の厚さに対する電荷量増加、（２）絶縁材料或いは導体で少なくとも部分的に囲まれた空気または気体が充填した空洞或いは裂け目、（３）導体と絶縁材料の平面表面間の空気または気体が充填したスペース、および（４）周囲の領域より低表面抵抗率を有する絶縁材料上の小露出領域を含む、多くの要因によって悪化する。
【００３５】
好ましい実施例では、バスバーは組立前に磨きバスの表面に存在する全ての欠陥を除去し、バスの性能を最適化するようにし、可能な限り電界集中を減少させる。
【００３６】
図５Ｂ及び５Ｃは、本発明による３レベルインバータブリッジのバランスさせた低インダクタンス相互接続バスを示す。この実施例では側が対称であるとしても（必ずしもそうである必要は無いが）、熱交換器２０の各側を図示する。図示例ではブリッジの足を、正半分と負半分に２分する。一方側を正の電流の流れに使用し、他方側を負の電流の流れに使用する。好ましい実施例では瞬間電流路がよく決定されるように電力半導体スイッチ３０，３１，３２をレイアウトする。
【００３７】
図５Ｂは３レベルインバータブリッジの１／３の正半分を示し、図５Ｃは３レベルインバータブリッジの１／３の負半分を示す。図示の構成ではシステムはＩＧＢＴスイッチ３２、ダイオード３１、及び第２のＩＧＢＴスイッチ３０を含む。ダイオード３１或いはスイッチ３２がオンであるか否かにかかわらず、スイッチ３０の電流は常にオンであるため、スイッチ３０をキャパシタバンク６０から最も遠くに配置するのが好ましい。キャパシタバンク６０は並べて配置する２つのキャパシタからなり、一方は３レベルインバータブリッジの１／３の正半分、他方は負半分である。（これらの部品の配置は本発明の範囲を変更或いは影響することなく所望の配置の必要に応じて変更できる。）スイッチ３０の隣に中性電流を運ぶダイオード３１があり、ダイオード３１の隣に正電流（或いは図５Ｃに示す負電流）を運ぶスイッチ３２がある。スイッチ３２は、電気バス５５を介してキャパシタ端子６１に接続し、バス５０を介してダイオード３１とスイッチ３０に接続する。スイッチ３２がオンでダイオード３１がオフであるとき、電流路はキャパシタ端子６１からスイッチ３２の端子６３へ行き、スイッチ３２を通って外へ端子６４を通ってダイオード３１を通過してスイッチ３０上の端子６５に行く。電流はスイッチ３０を通過し端子６６から出て戻りバスバー７０、（バスバー５０，５５，７５間）を通ってキャパシタバンク６０へと戻り、全体のシステムインダクタンスは減少する。この構成では、キャパシタ端子６１から出る電流はバスバー５０，５５に沿って、平行路のバスバー７０においてキャパシタ端子６１へ戻る。この近接平行路は、導電バスを通る電流の通路により発生する磁界を大きさと位相において相殺し（或いは大幅減少させ）、従って全体のシステムインダクタンスを減少させる。
【００３８】
スイッチ３２をオフにすると、ダイオード３１はオンになりキャパシタ端子６２から電流がバスバー７５を通ってダイオード３１の端子６７へ、ダイオード３１を通ってダイオード３１の端子６８から出てバスバー５０を経由しスイッチ３０まで流れる。電流はスイッチ３０を通過しスイッチ３０の端子６６から出て戻りバスバー７０に沿って、キャパシタバンク６０へと戻り、その場合、近接平行電流路はバスインダクタンスを最小にする。バス７０は、（図示しない）モータ或いは接続６９を介するバスへの駆動によって動く他のデバイスまで電流を運ぶ。この構成では、戻りバスバー７０を２つの駆動バス（５０，５５と７５）の中央に配置し能動バスは動作中等距離にあるので、上記の両サイクルの間（スイッチ３２のオン、オフにかかわらず）、システムインダクタンスはとても似ている。
【００３９】
互いに平行なバスの部分は、バス性能を最適化するようにバスの平行な部分に装着穴や欠陥が無いのが好ましい。
【００４０】
バスと電気部品（ダイオード、キャパシタ、及びスイッチ）間の電気接続は、バスのフランジ５１−５４、５６−５９を介して行う。バスからダイオード、キャパシタ、及びトランジスタへの電流移動を最適化するようにフランジ５１−５４、５６−５９は、バス５０、５５、７０、７５の平行な部分と一体化するのが好ましい。更に、バスは、ダイオード、キャパシタ、及びトランジスタに直角に固定するのが好ましい。この構成は、電気の流れているデバイスとの接点でバスにより発生するインダクタンスを最小にする。更に、インダクタンスを最小に保つため、バスをデバイスに固定するフランジ角度は可能な限り鋭角にする。これは、バスの平行な部分が接続部に近づくにつれて可能な限り互いに近接したままであることを確実にする。
【００４１】
本発明のバスバー５０、５５、７０、７５は、絶縁体４０と４１のいずれかの側に挟まれる。絶縁体４０と４１はプレス加工したマイカ、テフロン（登録商標）、ポリエステルシート、アラミド繊維或いはシート及び他の類似の合成絶縁材料のような非導電性絶縁材料から作る。しかし、バス間部分放電防止の最適特性のためＡＣ電圧バスバーにはラミネートマイカを使用し、ＤＣ電圧バスバーには「Ｎｏｍｅｘ」（商標名）のようなアラミド材料を使用することが好ましい。
【００４２】
本発明のＡＣ電圧バスバー５０、５５、７０、７５について、現存のＡＣドライブでは、コロナ影響（アーク）の問題を回避するように絶縁体の厚さは２インチまでの高さとするが、本発明の（後述する）新規な特徴の為、絶縁体４０と４１の厚さは０．０２０インチまでの低さにできる（しかし、中間電圧スペクトラムのより高い端には高くすべきである）。絶縁材料のタイプは、所与の電圧レベルに必要な厚さに決定する。例えば、好ましい実施例では厚さは約０．０６０インチで、追加の保護と寿命が得られる。この減少させた厚さは平行なバスバー間インダクタンスを大幅に減少させ、好ましい実施例ではバスバー間に厚さ０．０６０インチのマイカ絶縁体を有する幅４インチ、厚さ１／８インチのアルミニウムバスバーで、１メートル当たり３０ナノヘンリーのインダクタンスを達成した。対向電界を有する２つの平らなバスバーのインダクタンスはバー間隔の距離に直接に関係するので、頗る薄い絶縁体の使用は全体のインダクタンスを大幅に減少させ、ＡＣドライブの全体の大きさを大幅に減少できる。
【００４３】
更に、現在のＡＣドライブは、空気に晒すために、バスバー間絶縁を最大にするようにバスバーの縁をかなり越えて延長する絶縁体を必要とする。本発明の（後述する）新規な構成の為、バスバーの縁をかなり越えて延長する絶縁体を必要としない。しかし、十分な保護特性と追加の損傷耐性特性を得るように、絶縁体４０と４１はバーの縁から少なくとも幾らかの距離延長することが好ましい。必要以上に更に延長する絶縁体４０と４１を有することは、小さな縁部分が破壊或いは除去されても絶縁体の現場修理は重要ではなく、従って完全な絶縁体の交換を必要としないことを保証する。
【００４４】
図６Ａ、６Ｂ及び６Ｃは、本発明によるほぼ完成したインバータ１００を示す。インバータ１００の電気の流れている部品は絶縁材料９０と保護ハウジング９５で外部の雰囲気から密閉する。絶縁材料９０は電気能動デバイス（ダイオード、キャパシタ、スイッチ、接続部、及びバスバー）の全部、或いはほぼ全部を覆い、有害な雰囲気或いは空気から密閉する。非導電性気体、オイル、又はジェルのような任意の非導電性絶縁材料を使用できるが、ポッティング化合物を使用することが好ましい。
【００４５】
ポッティング化合物９０は既知の或いは一般に使用される任意の非導電性絶縁体でよいが、ＲＴＶシリコン化合物が好ましい。化合物は少なくとも次の物理的特性の幾つかを有することが好ましい。
【００４６】
樹脂粘性−２０，０００ｃｐｓ
硬さ、ショアーＡ−２８
張力−１，０１４ｐｓｉ
破壊での延長 ６００％
引き裂き抵抗１７０ ｌｂｓ／ｉｎｃｈ　及び
線形収縮１％以下
斯かる絶縁体の例は、優秀な修理特性を有するＷａｃｋｅｒ Ｃｈｅｍｉｅ ＧｍｂＨにより作られたＥｌａｓｔｏｓｉｌ Ｍ４６０１（商標名）である。同様な或いは同等な特性を有する他の如何なるシリコン化合物でも望ましい。上記の部品の周りのポッティング化合物９０の使用は、これらの部品が通常晒される空気或いは他の有害な気体の全部或いは殆ど全部がこれらの部品に接触するのを防止する。空気或いは気体のこの除去はそれらが導体として働くことを防止し、コロナ影響と部分放電の発生を防止する。このため電気能動部品の全部を互いに極めて近接して配置できるが、従来技術ではそれらは互いから比較的大きな距離を保たねばならず、従ってドライブの大きさを増加させる。
【００４７】
既知の方法を使用し絶縁体９０を部品の上と周りにスプレーするか注ぐか或いは塗布し、電気能動デバイスの中及び／又は周りのエアポケットと間隙の全部又は殆ど全部に入り込ませる。任意のかなりの量の雰囲気或いは空気の存在は、互いに近接した高電圧デバイスに関係する悪影響を発生させ得るが、本発明は大幅にこれを減少させるか取り除く。化合物９０の別の利点は、硬化後シリコン絶縁体化合物は硬さが変化して液体からゲルのような粘度にまで変わり得るので、修理が必要な際に電気部品から除去できることである。修理のために化合物を除去するとき化合物９０と部品間に可能な限り殆ど接着力がないのが望ましい。これは、修理の時間と費用を減少させる。
【００４８】
好ましいシリコン化合物は中間電圧ＡＣドライブに生じる問題の多くに影響されない。例えば、シリコン化合物は高電圧過渡、応力、磁力、温度変化とレベル、及び高電圧誘電体応力に対して疲労や故障なしに抵抗できる。更に、シリコン化合物は高度、温度、湿度、空気質などに関係なく如何なる環境条件でも完全な状態を維持する。また、空気が電気部品に接触するのを除去するから、バスや他の部品に接触する空気の悪影響を防止するように空気を調節したり濾過したりする必要は無い。現在のＡＣドライブは空気を露出電気部品上に通して冷却されるので、冷却システムにかなりの濾過と環境制御が必要である。これは、現在のドライブの使用費用を非常に高くする。
【００４９】
加えて、ポッティング化合物９０は空気より良く熱を移動させ吸収するので、熱をバスや他の電気部品からこの化合物中に移動できる。熱はヒートシンクアセンブリ２０の蒸発器板２２中に移動するか、ポッティング化合物９０の表面を通ってエンクロージャ９５、それから空気へ放出される。従って、ＡＣドライブの熱管理特性の損失はない。図６Ａ、６Ｂ及び６Ｃに示すように、ポッティング化合物９０は、バス５０、５５、７０、７５がトランジスタ３０、３２、ダイオード３１、キャパシタ６１、６２に接触するインバータ１００のスペースのかなりの部分を充填する。実際、必要ないが、ポッティング化合物９０は空気が電気部品に接触しないように電気部品の全てを少なくとも覆うことが好ましい。化合物でキャパシタ６１、６２の端子を覆う際、端子の高さを減少させ、キャパシタの内部インダクタンスを下げ得る。しかし、これらの接点を覆う化合物９０を使用しないなら、キャパシタ６１、６２の間隙の製造業者要件を維持するべきである。
【００５０】
ポッティング化合物９０は、蒸発器板２２の殆ど全表面を覆うように塗布して、化合物９０と熱交換器アセンブリ２０間に可能な最大熱移動表面を提供する。加えて、ポッティング化合物９０は、完全性を保証するように部分々々でなく単一部分としてインバータ１００上に取り付けるのが好ましい。化合物９０は、小さな損傷が保護特性を落とさないような厚さを有するのが好ましい。十分な保護を提供することに加えて、化合物の厚いコーティングの使用はバス５０、５５、７０、７５に機械的振動を緩衝させる機械的支持を提供するので、適所にバスを保持するために現在のＡＣドライブに存在する多くの追加構造部品の必要を省く。
【００５１】
化合物９０の正確な構成と外寸はドライブと部品の構成と特性に依存して変化し得る。図６Ａ、６Ｂ及び６Ｃに示す実施例では４１６０ＶＡＣ ＲＭＳまでの電圧で動作できるように化合物９０は被覆高電圧部品全てを囲む少なくとも１インチの厚さを有する。厚さは、スペース、費用、重量に加えて、印加電圧に対して最適化する。化合物９０の費用を下げるため、（小球或いは他の形状の）誘電体フィラーを化合物９０に使用し、その有益な特性を落とすことなく化合物の全体の体積を減少できる。化合物９０は、部品とバス（バスの位置に膨らみがある）の外形に幾分従うように図示したが、平らな側を有する固体ブロックを使用できる。このような構成は１５，０００Ｖより高電圧のようにシリコンの追加保護が必要な印加に望ましい。図１Ｃ、２Ｂ、３Ａ−３Ｃ、４Ａでは、破線は熱交換器アセンブリについて電気の流れている部品の周りの化合物９０の包装を示す。
【００５２】
また、図６Ａ、６Ｂ及び６Ｃに化合物ハウジング９５を示す。ハウジング９５を加えて部品と化合物９０に追加保護を提供し、化合物９０の形状を保持するのに役立つ。幾つかの用途と幾つかの化合物では、ハウジング９５を使用する必要は無いが好ましい。ハウジング９５はプラスチック、金属、炭素組成物などの既知の或いは一般に使用される任意の材料からできる。しかし、ハウジング９５は内部部品に追加静電電磁シールドを提供する材料から作ることが好ましい。
【００５３】
更に、ハウジング９５の構造的完全性は使用絶縁体或いは化合物９０のタイプと一致するようにする。本発明は任意の電気的、環境的絶縁材料を使用し、電気部品を保護し、高電圧電気部品に接触する空気の悪影響（例えばコロナ影響）を防止する。例は、窒素のような純気体、オイル、ゲル、シリコンポッティング化合物、あるいは真空の使用を含む。これらの絶縁方法のすべては、空気の除去及び／又は雰囲気からの高電圧部品の密閉及び高電圧部品の中と周囲の任意のオープンスペースの含浸、従って高電圧部品を互いに近接して配置できる。窒素、オイル、真空のような絶縁方法を使用する際、ハウジング９５は絶縁完全性を維持できる（例えば真空を維持できる）ように製造されねばならない。このようなハウジングの製造は困難で費用がかかるため、厳しい封じ込め要件を必要としない絶縁体、例えば、前述の好ましい材料特性を有しそれ自身の完全性を維持できる化合物を使用することが好ましい。
【００５４】
誘電体絶縁体化合物９０について、シリコンの割合が１、２、３の絶縁体化合物或いは類似の絶縁体化合物９０を使用できるが、絶縁体化合物９０をインバータ１００上に取り付ける前に「ガス抜きする」ことが好ましい。化合物を混合する際、気泡と気体が混合物によく入る。インバータ１００上に取り付ける際、この気泡が絶縁体化合物９０に残った場合、空気が部品とバスに接触し、現在のＡＣドライブの問題のように、システムの動作が悪影響を受ける。
【００５５】
更に、本発明のＡＣドライブを中間電圧スペクトラムのより高い電圧範囲に使用する際、絶縁体化合物９０は塗布後「真空化される」ことが好ましい。必然的にこの方法は、絶縁体化合物９０をインバータ１００（或いは他の任意の部品）上に塗布し全体部品を真空室に配置し、その間絶縁体化合物９０はまだ硬化していることを伴う。それから絶縁体化合物９０が硬化している間に真空室の空気圧を減少させ、混合物中の残留空気或いは部品と絶縁体化合物９０間の残留空気を絶縁体化合物９０及び／又はインバータから全て除去できる。これは空気の悪影響の回避を確実にし、ＡＣドライブの動作寿命と効率を大幅に増加させ、インバータ１００の部品を一緒により近接して配置できインダクタンスを減少させ、ＡＣドライブの全体の大きさを減少できる。ＡＣドライブがより低い電圧範囲で動作する用途では、電気負荷と力が重要のようではないので「真空化」プロセスは必要ない。
【００５６】
加えて、絶縁体化合物９０がまだ液状にある間に絶縁体化合物９０をインバータアセンブリ１００に塗布することが好ましい。液状で、硬化する前は、シリコン化合物は非常に低い表面張力を有し、化合物９０は絶縁体４０及び／又はバスの中と周囲の他の任意の小間隙に含浸でき、間隙に存在する空気を除去し化合物９０で置き換える。好ましい実施例ではこの含浸はその事前の全体のインバータモジュール１００の真空化により向上する。
【００５７】
本発明によるインバータ１００（或いは他の任意の部品）の製造の際、最初にバス５０、５５、７０、７５及び絶縁体４０、４１を、上下のバス間の平行関係を維持しながらしっかりと挟むある種のクランプ力を与える。完成したバスアセンブリをインバータ１００に取り付け、テストして電圧絶縁問題の無いことを確かめる。それから、部品から全ての悪い汚染物質を除去するため加熱真空室を使用して、空気、諸気体、水分、汚染物質などを電気バスや部品から除去する。その後（或いは浄化段階中）上述のように（使用される化合物や方法に依存して）ユニットを絶縁体化合物９０でポッティングする。ポッティングの量及び大きさは空気及び他の有害な要素から保護するのに十分であり、かつ、部品の表面からヒートシンクアセンブリ２０までと、絶縁体化合物９０の外部表面を通りエンクロージャ９５までの熱伝導性レベルを提供する。絶縁体化合物は液状で塗布するので、絶縁体化合物９０が電気部品の小領域に入り込みやすく全ての空気或いは気体が除去される。このため、絶縁体化合物９０は必要な空間の全ての中に入り込むように液状で低表面張力を有することが好ましい。
【００５８】
代わりに、絶縁体化合物９０を絶縁体４０や他の部品に追加含浸するために、真空化後、絶縁体化合物９０に圧力を（機械的圧力或いは雰囲気圧力を介して）加え、残っている全てのエアポケット中に追加化合物材料を押し込むことができる。それから化合物９０を周囲の温度或いは使用した特定の化合物に合った任意の温度で硬化できる。このプロセス完了後、部品（例えば、インバータ１００）を再テストする。この時点で全部の或いは殆ど全部の空気がバスのような重要な部品に接触するのを除去し、バスを互いに非常に近接させて配置できるので、インダクタンスを減少させ、ＡＣドライブの全体の大きさを大幅に減少できる。更に、高電圧部品に接触する空気が存在しないので、特定の位置の空気の質或いは雰囲気条件がＡＣドライブに悪影響を与える心配が無い。これは、空気の調節または濾過の費用を大幅に減少させ、ＡＣドライブは多くのスペースを取りすぎず大幅な電気経路指定を必要とせず制御機械に直接隣接させて配置できる。加えて、現在のＡＣドライブに要求されるスナバのような電気部品はもはや必要ない。
【００５９】
図７Ａ、７Ｂ及び７Ｃは、本発明によるＡＣドライブの実施例となるような互いに固定された本発明の２つのインバータモジュール１００を示す。前述のように、モジュール１００のトレイ１０は、修理のために一方のモジュール１００を他方から容易に外せるような既知の或いは一般に使用される任意の方法で互いに固定する。また、宇宙線フィルタデバイス９６をハウジング９５の外側に装着する。ポッティング化合物或いは絶縁体９０とハウジング９５は、部品の外形に効果的に従がって構成或いは塗布し、バスが配置される棚部９７を提供し、棚部９７の上に宇宙線フィルタ９６を配置できる。
【００６０】
電力半導体スイッチへの宇宙線の影響は偶然発見され、未だよく理解されていない。電力変換製造業者は電力半導体を電圧定格内で使用しているとき製品が早くに故障することを発見した。これらの電力半導体スイッチは半導体基板絶縁破壊を示すように故障した。地下約３００フィートで使用した電力変換デバイスが同じ故障率に従わなかったため宇宙線への斯かる故障の関係は生じた。電源供給された電力半導体スイッチに粒子加速器で粒子を当てる更なるテストは、地表で動作する製品に見られたものと同じ影響を引き起こした。半導体製造業者が提示した解決策は、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）のような電力半導体スイッチの動作電圧をその定格電圧性能の約６０％に下げることだった。電圧限界は統計的プロセスで定める。また、特に太陽嵐中に太陽によって放出される粒子の影響から機器と人間を保護するためポリエチレンを有人宇宙船デバイスに使用している。これらの粒子は、宇宙線より大きい。
【００６１】
宇宙線は、天体によって放出される高エネルギーの亜原子粒子である。あるタイプの粒子は地球の全断面を通り抜けることができ、他は地球の上及び内の物質と接触する際に散逸する。このエネルギー散逸と亜原子再結合は生物（細胞）と電気システム（半導体デバイス）に悪影響を及ぼし得る。
【００６２】
本発明は、半導体電圧利用を増加するために加え得る宇宙線フィルタ９６を含む。これらの粒子を含む或いは本発明の電気システムへのそれらの悪影響を大幅に抑制するため、フィルタ９６はＩＧＢＴのような電力半導体スイッチを覆う鉛或いは類似の材料から作ることが好ましい。静電電磁シールド容器或いはハウジング９５は、電力半導体スイッチを密接に囲み、宇宙線からの大小の亜原子粒子を吸収するためポリエチレンでコーティングした鉛ブロックが挿入される棚部９７を生成するように設計する。本発明の好ましい実施例では、棚部９７上のスペースを充填する鉛ブロックの断面は少なくとも２インチの厚さであり、ポリエチレンコーティングは少なくとも１／２インチの厚さである。実際に、鉛のような材料の任意の量の使用は宇宙線の影響をフィルタリングして減少させ、厚さ最小２インチは実験に基づいており、印加電圧を増加させるとき十分な電力半導体寿命を達成させ、或いは、製造業者推奨動作電圧で使用されるときその平均寿命を増加させる。
【００６３】
図示されるフィルタ９６の配置は、ＡＣドライブアセンブリは図示のようにその装着表面（フロア）に置くと仮定するから、（有害宇宙線は空から来るのであって地球を通って来るのではないので）棚部９７の底側にはフィルタ９６の保護を必要としない。しかしながら、（その側に）ＡＣドライブを直立させることは可能である。この場合、フィルタ９６は、ドライブの内部部品の十分な保護を提供するようにハウジング９５の上側に棚部９７のいずれかの側に配置する。代わりに、フィルタ９６を、化合物９０の硬化の前にポッティング化合物中でカプセル化できる。
【００６４】
本発明で、インバータモジュール１００間の開口に合う手頃な大きさのポリエチレンクラッド鉛ブロックを使用して、電力半導体スイッチを宇宙線の影響から保護し更に推奨スイッチ定格電圧の６０％〜約７５％より高い電圧を印加できるインバータ１００のような小体積電力変換デバイスを生成する。例えば、現在のＡＣドライブ構成では、３，３００ＶのＩＧＢＴは地表レベル上で１，９００Ｖ以上で動作できない。本発明では、動作電圧は例えば、２，５００Ｖまで上昇できよう。
【００６５】
図８と図９は、本発明のＡＣドライブに使用される変換器アセンブリ２００を示す。変換器２００は入力ＡＣ電圧をＤＣ電圧に変換するのに使用され、このＤＣ電圧はインバータ１００内で操作され元の可変振幅で可変周波数のＡＣ電圧に変換され得る。変換器２００の製造は前述したようにインバータ１００の製造に似ている。変換器２００は、インバータ１００のベース１０とキャパシタブラケット１５に構成が似ているキャパシタブラケットアセンブリ２１５を有するモジュラーベース２１０を含む。ベース２１０は通常、ベース１０と同一材料から作り、容易にインバータベース１０と接続或いは切り離しできる。これは、本発明のモジュラーの様相を確実にし、多大な費用或いは動作時間のロスなしに容易にＡＣドライブの諸部分を取り外したり、取り付けたりできる。
【００６６】
また変換器２００は、インバータ１００のキャパシタバンク６０に似たキャパシタバンク２６０を含む。加えて、変換器２００はリアクタ２８０、高電圧サブアセンブリ２４０、及びコネクタサブアセンブリ２３０を含む。
【００６７】
更に、上述したインバータ１００と全く同じく、変換器２００は熱交換器アセンブリ２２０を有する。図示した熱交換器アセンブリ２２０は、図３Ａ〜３Ｃに示したものと似ているが、使用する所望の冷却方法と電気部品に従って前述した構成の何れでも可能である。
【００６８】
本発明によるＡＣドライブは、互換性のある或いは類似した熱交換システムを有するモジュラー部品（例えば、インバータ１００と変換器２００）を使用する。これは、交換品を迅速に挿入可能にして取り外した部品を交換させることによって、インバータ／変換器モジュールの容易な交換と修理を可能にする。更に、異なる熱交換システムを単一のＡＣドライブアセンブリの異なるモジュールに使用できる。この構成を使用する際、熱交換器アセンブリの全体の大きさと形が、本発明のコンパクトで近接可能な様相を維持するように相似していることが好ましい。
【００６９】
インバータ１００にあるように、変換器２００は熱交換器システム上とキャパシタバンク接続部上の任意の全ての高電圧部品を覆うポッティング化合物９０を有する。図８と図９に示すように、熱交換器アセンブリ２２０がある容器９１は、絶縁体化合物９０で充填し絶縁材９０の使用によって提供される必要な保護が設けられる。通常、インバータ１００に対するプロセスと同一のプロセスを利用して絶縁体化合物９０を塗布する。即ち、このプロセスの間或いは前に加熱真空室中で塵、汚染物質、水分及び空気を除去し、液状の絶縁体化合物９０を塗布する。絶縁体化合物９０は通常、高電圧部品とバスバーの全部を覆うように塗布する。インバータアセンブリ１００について前述した絶縁方法は変換器アセンブリ２００に等しく適用する。加えて、この場合に変換器２００の高電圧半導体部品を保護するように図７Ｂの宇宙線フィルタ９６も適用できよう。
【００７０】
図１０と図１１は、本発明による組み立て後のＡＣドライブ１０００を示し、図中に３つのインバータ１００、１つの変換器２００、及び共通冷却システム１１００がある。前に気付いたように、そして図に見られるように、本発明のモジュラーの特徴は、たとえ３つのインバータモジュールと変換器モジュールとの高電圧部品とバスバーの全部が１つのエンクロージャの内部にあるように本発明の素子を非モジュラーＡＣドライブ上に使用したとしても、多大な費用或いは中断時間なしに１つのインバータ１００をＡＣドライブアセンブリ１０００から容易に取り外して交換できるという利点を提供する。更に、ドライブ１０００のバスと電気部品を冷却するのに空気を使用しないため、殆ど全ての既知の或いは一般に使用される冷却システム１１００を使用できる。強制エアダクト冷却システム１１００を図１１に示す。しかし、オイルや水のような他の冷却媒体を使用できる。仮にオイル（或いは、他の任意の液体）を使用する場合、万一その幾らかがエンクロージャ９５の上に滴った場合、オイル（或いは液体）は電気部品を密閉するのに使用する絶縁体化合物９０を化学的に攻撃して劣化させるべきではない。
【００７１】
更に、高電圧部品が空気に晒されるのを除去するように絶縁体化合物を使用する利点のため、ＡＣドライブを冷却するのに使用する空気の質を制御する凝った環境制御或いは濾過システムは必要ない。高電圧部品は気密状態にあるので、例えば炭塵のような汚染物質をかなりの量含む空気の流れが、ドライブの動作に悪影響を及ぼすことなく凝縮器ブロックを通過できよう。
【００７２】
請求の範囲によってのみ限定される本発明の精神及び範囲から逸脱することなく本発明の好ましい実施例の変更、修正、及び新発展が可能であることは明白である。
【図面の簡単な説明】
本発明の諸利益、性質、及び種々の他の特徴は、図示した実施例の考察からより明瞭になろう。
図１Ａ、１Ｂ及び１Ｃは、本発明で使用する熱交換器アセンブリの実施例を示す。
図２Ａ及び２Ｂは、図１Ａ、１Ｂ及び１Ｃに示す熱交換器アセンブリの別の実施例を示す。
図３Ａ、３Ｂ及び３Ｃは、本発明で使用する熱交換器アセンブリの追加実施例を示す。
図４Ａ及び４Ｂは、図３Ａ、３Ｂ及び３Ｃに示す熱交換器アセンブリの別の実施例を示す。
図５Ａ、５Ｂ及び５Ｃは、本発明によるインバータアセンブリのバスの働きの実施例を示す。
図６Ａ、６Ｂ及び６Ｃは、本発明によるインバータアセンブリの実施例を示す。
図７Ａ、７Ｂ及び７Ｃは、図６Ａ、６Ｂ及び６Ｃの互いに固定された２つのインバータアセンブリを示す。
図８は、本発明で使用する変換器アセンブリの実施例を示す。
図９は、図８に示す変換器アセンブリの別の図示である。
図１０は、本発明によるＡＣマイクロドライブアセンブリの実施例の図示である。
【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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