(57)【要約】制御可能な半導体スイッチ（ＵＴ、ＵＢ、ＶＴ、ＶＢ、ＷＴ、ＷＢ）を備えたＤＣ／ＤＣブリッジ（Ｂ１）を含む直流負荷（Ｍ１）制御装置。このブリッジは２つのブリッジ区画（Ｂ１１、Ｂ１２）で構成され、これらブリッジ区画のうち一方（Ｂ１２）は直流電流を導通し、他方（Ｂ１１）はＰＷＭ制御されることによって直流電流の大きさを調節する。ＰＷＭ制御される他方のブリッジ区画は２つのブリッジアーム（Ｂ１１１、Ｂ１１２）を含み、これらブリッジアームの半導体スイッチ（ＵＴ、ＵＢ、ＶＴ、ＶＢ）は交互に導通させる。【選択図】図３
2004522400.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
制御可能な半導体スイッチ（ＵＴ、ＵＢ、ＶＴ、ＶＢ、ＷＴ、ＷＢ）を備えたＤＣ／ＤＣブリッジ（Ｂ１）を含み、該ブリッジは２つのブリッジ区画（Ｂ１１、Ｂ１２）で構成され、該ブリッジ区画のうち一方（Ｂ１２）は直流電流を導通し、他方（Ｂ１１）はＰＷＭ制御されることによって該直流電流の大きさを調節する、直流負荷（Ｍ１）制御装置において、前記ＰＷＭ制御される他方のブリッジ区画は２つのブリッジアーム（Ｂ１１１、Ｂ１１２）を含み、該ブリッジアームの半導体スイッチ（ＵＴ、ＵＢ、ＶＴ、ＶＢ）は交互に導通するように制御されることを特徴とする直流負荷制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載の制御装置において、前記ＰＷＭ制御される半導体スイッチは、前記ブリッジ区画（Ｂ１１）の導通時間のうち実質的に最大で５０％の時間だけ導通させるように制御されることを特徴とする制御装置。
【請求項３】
請求項１に記載の制御装置であって、前記半導体スイッチは冷却基板（ＣＯＯＬ１）上に搭載され、該基板には空気などの冷却剤が供給される制御装置において、前記直流電流を導通するブリッジ区画の半導体スイッチ（ＷＴ、ＷＢ）は、前記冷却剤の吸気口の側に配置されることを特徴とする制御装置。
【請求項４】
請求項１に記載の制御装置において、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装置。
【請求項５】
請求項１に記載の制御装置において、前記直流負荷はエレベータ用ブレーキ磁石であることを特徴とする制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は直流負荷を制御する制御装置に関するものである。本制御装置は、制御可能な半導体スイッチを備えたＤＣ／ＤＣブリッジを含み、このブリッジは２つのブリッジ区画で構成されている。これらブリッジ区画のうち一方は直流電流を導通し、他方は、ＰＷＭ制御されることによって、その直流電流の大きさを調節する。
【０００２】
エレベータモータドライブには、交流式または直流式のいずれのモータドライブもある。これらモータドライブは例えばＰＷＭ（パルス幅変調）によって制御される。今日では、交流モータドライブの使用がある程度一般的になっている。これは、とりわけ、交流モータの構造が簡潔なためである。しかし、直流モータドライブも依然として使用されている。また、直流モータドライブに代えて交流モータドライブを用いることも、常に得策とは限らない。なぜなら、例えばギヤレス直流モータドライブと、このようなドライブに用いられる直流モータとは、耐用寿命が長いため、あえて直流モータドライブを交流モータドライブに交換する必要性に乏しいからである。そのうえ、モータの交換には高いコストもかかるからである。
【０００３】
今日では交流モータドライブが採用される傾向が強いため、直流ドライブの制御に用いられるパワーエレクトロニクスシステムを特に開発することも、得策とは言い難い。また、交流ドライブに用いられるＩＧＢＴなどの半導体部品は、常に性能および経済性が改善されている。さらに、ネットワークハーモニクスに関連した、とりわけ新しい負荷調節方式によって、将来、世の情勢が変化すれば、直流ドライブ用の伝統的なサイリスタブリッジを使用することは、ますます困難になると予想される。
【０００４】
本発明は従来技術の欠点を解消し、直流モータなどの直流負荷を制御する新しいタイプのＰＷＭ制御式制御装置を提供することを目的とする。本発明による方式はパワーエレクトロニクス技術の新しい原理に基づいている。同原理によれば、交流ドライブの技術を直流モータの制御に応用可能である。本発明による方式では、ＰＷＭ制御されるブリッジ区画は２つのブリッジアームを含む。これらブリッジアームの半導体スイッチは、交互に導通する。
【０００５】
本発明による方式の好ましい実施例については、特許請求の範囲に記載されている。
【０００６】
本発明による技術を用いれば、近代的で経済的なＰＷＭ制御式直流モータドライブを製造可能であり、例えばエレベータに応用可能である。本発明を適用すれば、交流ドライブ用のパワーエレクトロニクス技術と、大量生産工程で製造されている交流ドライブの構成部品とを、直流ドライブのために利用できる。直流ドライブの導体レールその他のパワーステージにおける構造は、交流ドライブで用いられているものと同様だからである。また、ＩＧＢＴなどの半導体スイッチの使用は、直流技術においても最適化可能だからである。そしてとりわけ、交流ドライブおよび直流ドライブの両方で同一の方法が使用可能となれば、開発および製造方法におけるコスト削減が達成される。
【０００７】
以下、本発明を添付図面の実施例を参照して詳細に説明する。
【０００８】
図１は従来技術における直流モータドライブのＰＷＭ制御式のＨブリッジＨ１であり、これは例えばエレベータに応用されるものである。このブリッジは２つのブリッジアームＨ１１およびＨ１２から成り、これらは直流電源ＵＤＣに接続されている。
各ブリッジアームには、正極側および負極側に、制御可能な半導体スイッチＳ１１〜Ｓ１４が含まれている。これらスイッチは、例えば、ＩＧＢＴトランジスタおよびダイオードによる逆並列接続を含んでいる。本ブリッジは、エレベータの直流モータなどの直流負荷Ｌ１に電力を供給する。
【０００９】
図２は従来技術における３相交流ドライブ用ネットワークブリッジＡ１を示す。このブリッジはネットワークの交流電圧ＵＡＣを直流電圧ＵＤＣに整流するものであり、ブリッジの手前には交流インダクタンス回路Ｐ１が接続されている。本ブリッジは、上方および下方のアームに、制御可能な半導体スイッチＳ２１〜Ｓ２６を有する。これらスイッチは、各ネットワーク相に接続されている。これらスイッチも、例えば、ＩＧＢＴトランジスタおよびダイオードによる逆並列接続を含んでいてよい。
【００１０】
原則として、本発明による電気式モータドライブは、従来技術における３相交流ドライブと同様であり、これはネットワークコンバータ（整流器ブリッジ）と、モータブリッジと、コイルとを含んでいる。本発明は特に、モータに電力を供給するＤＣ／ＤＣブリッジに関するものである。ネットワークブリッジおよびコイルは、例えば図２に示すものにしてよい。本発明によれば、整流器ブリッジおよびモータブリッジの両方に、同一のタイプの制御可能な半導体スイッチを使用可能である。
【００１１】
図３は、本発明によるＤＣ／ＤＣブリッジＢ１を示す。本ブリッジによれば直流モータＭ１に電力が供給され、モータには直流電流Ｉｄｃが流れる。本ブリッジは制御装置ＢＣ１によって制御される。モータの励磁は、別個の励磁装置ＭＡ１を用いて行なわれ、この励磁装置は公知の方法で制御される。
【００１２】
図３に示すＤＣ／ＤＣブリッジは、２つのブリッジ区画Ｂ１１、Ｂ１２から成る。本ブリッジのうち、図３に示す第１のブリッジ区画は２つのアームＢ１１１およびＢ１１２を含み、各アームには、正極側および負極側に、制御可能な半導体スイッチＵＴ、ＵＢ、ＶＴ、ＶＢが含まれている。第２のブリッジ区画Ｂ１２は単一のアームで構成され、このアームには、正極側および負極側に、制御可能な半導体スイッチＷＴおよびＷＢを有する。このように、本ブリッジは全体で３つのアームを有するから、３相ＤＣ／ＡＣブリッジと等価なものである。
【００１３】
本発明のＤＣ／ＤＣブリッジによる変調は、以下のように行なわれる。本発明によるＰＷＭ制御式直流ドライブは、交流ドライブに使われるものと同種のＰＷＭ制御用半導体スイッチを使用可能である。そして交流電流に代えて、（磁界が回転しない）ゼロ周波数が使用される。本発明による直流ドライブでは、代表的には数ｋＨｚもの高周波数のＰＷＭ制御信号を、すべての半導体スイッチが切り替える必要はない。全体のうち２つのスイッチＷＴおよびＷＢはトルク方向（上／下）の選択に使用可能であり、これらスイッチは純粋な直流電流を導通するものである。ＰＷＭ制御用のスイッチＵＴ、ＵＢ、ＶＴ、ＶＢは、数ｋＨｚの周波数でオン／オフの切替が行なわれ、これによって直流電流Ｉｃｄ（トルク）の大きさが制御される。
【００１４】
ＰＷＭ制御用のスイッチでは、最大級のエネルギー消費が生じる。本発明による制御方法では、ＰＷＭ制御用のスイッチは、別々のブリッジアームにおいて、交互に導通する。したがって、これらスイッチは、通常の導通時間の５０％以下の時間だけ導通すれば済む。この動作は図４のタイミング図に示す。同図はスイッチＵＴ、ＶＴおよびＷＴの導通時間と、スイッチＵＢおよびダイオードＶＢの導通時間とを示す。
【００１５】
発熱の観点から見れば、本発明には交流ドライブのパワーステージがまるごと直流ドライブに利用できるという利点がある。回路中のＩＧＢＴにおける熱放散は、典型的には、ＰＷＭ制御用でないスイッチの熱放散の２倍にも上る。そこで本発明により、スイッチＵＴ、ＶＴおよびＷＴを周期的に切り替えることによって、最大でも５０％の時間しか導通させないこととする。導通時間は必要な電圧（電流）に応じて変化させてよい。
【００１６】
実際上、直流スイッチは相対的に、エネルギー消費量が高い。なぜなら直流電流によるエネルギー損失は、切替式ＰＷＭ損失に比較して、わずかに多いからである。したがって、スイッチＷＴおよびＷＢは、冷却区域ＣＯＯＬ１のうち、吸気口側に配置されている（図５）。吸気口側の方が冷却区域の中央部または排気口側より低温だからであり、これは温度を示すカーブＴＥＭＰに示す通りである。
【００１７】
当業者によれば、上述の実施例に限定されることなく、本発明の様々な実施例が実現可能であり、それらは特許請求の範囲内で改変可能であることが明らかである。利用するスイッチはＩＧＢＴのほか、他の種類の完全にゲート制御される部品で構成してもよい。また、負荷は、直流モータのほか、例えばエレベータ用制動磁石で構成してもよい。
【００１８】
本発明による装置は、電気駆動装置に広範囲に利用可能である。本発明の動作原理を適用すれば、最新のＩＧＢＴ技術を用いて、直流エレベータドライブの出力領域を満たすことが可能である。交流および直流ドライブモジュールを同一の生産ラインで組立可能であり、その用途は主としてソフトウェア制御によって選択可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】
従来技術における直流ブリッジを示す図である。
【図２】
交流ドライブのネットワークブリッジを示す図である。
【図３】
本発明による直流ドライブを示す図であり、これは本発明によるＤＣ／ＤＣブリッジを含んでいる。
【図４】
本発明によるＤＣ／ＤＣブリッジのタイミング図である。
【図５】
本発明によるＤＣ／ＤＣブリッジの半導体スイッチのレイアウトおよび冷却の様子を示す図である。
【図１】
2004522400.tif 000003
【図２】
2004522400.tif 000004
【図３】
2004522400.tif 000005
【図４】
2004522400.tif 000006
【図５】
2004522400.tif 000007
【国際公開パンフレット】
2004522400.tif 000008
2004522400.tif 000009
2004522400.tif 000010
2004522400.tif 000011
2004522400.tif 000012
2004522400.tif 000013
2004522400.tif 000014
2004522400.tif 000015
2004522400.tif 000016
2004522400.tif 000017
2004522400.tif 000018
2004522400.tif 000019
【国際調査報告】
2004522400.tif 000020
2004522400.tif 000021