преобразовательная схема для коммутации большого числа уровней коммутируемого напряжения

Формула изобретения

1. Преобразовательная схема для коммутации большого числа уровней коммутируемого напряжения, содержащая на каждую фазу (R, S, Т) первую коммутационную группу (1), образованную первым (2) и вторым (3) управляемыми двунаправленными силовыми полупроводниковыми выключателями, которые соединены между собой, отличающаяся тем, что предусмотрено n вторых коммутационных групп (4.1, 4.n), содержащих соответственно первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой управляемые двунаправленные силовые полупроводниковые выключатели (5, 6, 7, 8, 9, 10) и конденсатор (11), причем n 1, первый управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый выключатель (5) включен встречно-последовательно со вторым управляемым двунаправленным силовым полупроводниковым выключателем (6), третий управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый выключатель (7) включен встречно-последовательно с четвертым управляемым двунаправленным силовым полупроводниковым выключателем (8), первый (5) и третий (7) управляемые двунаправленные силовые полупроводниковые выключатели соединены с конденсатором (11), пятый управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый выключатель (9) соединен непосредственно с четвертым управляемым двунаправленным силовым полупроводниковым выключателем (8) и непосредственно с точкой соединения первого управляемого двунаправленного силового полупроводникового выключателя (5) с конденсатором (11), а шестой управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый выключатель (10) соединен непосредственно со вторым управляемым двунаправленным силовым полупроводниковым выключателем (6) и непосредственно с точкой соединения третьего управляемого двунаправленного силового полупроводникового выключателя (7) с конденсатором (11), при n>1 каждая из n вторых коммутационных групп (4.1, 4.n) соединена с соответственно соседней второй коммутационной группой (4.1, 4.n), первая коммутационная группа (1) соединена с первой второй коммутационной группой (4.1), предусмотрены третья (12) и четвертая (13) коммутационные группы, которые содержат соответственно первый (14, 16) и второй (15, 17) управляемые двунаправленные силовые полупроводниковые выключатели и соединенный с ними конденсатор (18, 19), причем первый (14, 16) и второй (15, 17) управляемые двунаправленные силовые полупроводниковые выключатели соединены между собой, третья (12) и четвертая (13) коммутационные группы соединены с n-й второй коммутационной группой (4.n), при этом третья коммутационная группа (12) соединена с четвертой коммутационной группой (14).

2. Преобразовательная схема для коммутации большого числа уровней коммутируемого напряжения, содержащая на каждую фазу (R, S, Т) первую коммутационную группу (1), образованную первым (2) и вторым (3) управляемыми двунаправленными силовыми полупроводниковыми выключателями, которые соединены между собой, отличающаяся тем, что предусмотрено n вторых коммутационных групп (4.1, 4.n), содержащих соответственно первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой управляемые двунаправленные силовые полупроводниковые выключатели (5, 6, 7, 8, 9, 10) и конденсатор (11), причем n 1, первый управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый выключатель (5) включен встречно-последовательно со вторым управляемым двунаправленным силовым полупроводниковым выключателем (6), третий управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый выключатель (7) включен встречно-последовательно с четвертым управляемым двунаправленным силовым полупроводниковым выключателем (8), первый (5) и третий (7) управляемые двунаправленные силовые полупроводниковые выключатели соединены с конденсатором (11), пятый управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый выключатель (9) соединен непосредственно с четвертым управляемым двунаправленным силовым полупроводниковым выключателем (8) и непосредственно с точкой соединения первого управляемого двунаправленного силового полупроводникового выключателя (5) с конденсатором (11), а шестой управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый выключатель (10) соединен непосредственно со вторым управляемым двунаправленным силовым полупроводниковым выключателем (6) и непосредственно с точкой соединения третьего управляемого двунаправленного силового полупроводникового выключателя (7) с конденсатором (11), при n>1 каждая из n вторых коммутационных групп (4.1, 4.n) соединена с соответственно соседней второй коммутационной группой (4.1, 4.n), первая коммутационная группа (1) соединена с первой второй коммутационной группой (4.1), предусмотрены третья (12) и четвертая (13) коммутационные группы, которые содержат соответственно первый (14, 16) и второй (15, 17) управляемые двунаправленные силовые полупроводниковые выключатели и соединенный с ними конденсатор (18, 19), причем первый (14, 16) и второй (15, 17) управляемые двунаправленные силовые полупроводниковые выключатели соединены между собой, предусмотрено p пятых коммутационных групп (20.1, 20.р), содержащих соответственно первый (21) и второй (22) управляемые двунаправленные силовые полупроводниковые выключатели, причем p 1, при p>1 каждая из p пятых коммутационных групп (20.1, 20.р) соединена с соответственно соседней пятой коммутационной группой (20.1, 20.р), первая пятая коммутационная группа (20.1) соединена с n-й второй коммутационной группой (4.n), третья коммутационная группа (12) соединена с p-й пятой коммутационной группой (20.р), четвертая коммутационная группа (13) соединена с p-й пятой коммутационной группой (20.р), при этом третья коммутационная группа (12) соединена с четвертой коммутационной группой (13).

3. Схема по п.1, отличающаяся тем, что первый управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый выключатель (2) первой коммутационной группы (1) соединен с точкой соединения первого управляемого двунаправленного силового полупроводникового выключателя (5) с конденсатором (11) первой второй коммутационной группы (4.1), а второй управляемый силовой полупроводниковый выключатель (3) первой коммутационной группы (1) - с точкой соединения третьего управляемого двунаправленного силового полупроводникового выключателя (7) с конденсатором (11) первой второй коммутационной группы (4.1), точка соединения первого (14) и второго (15) управляемых двунаправленных силовых полупроводниковых выключателей третьей коммутационной группы (12) соединена с точкой соединения второго (6) и шестого (10) управляемых двунаправленных силовых полупроводниковых выключателей n-й второй коммутационной группы (4.n), точка соединения первого (16) и второго (17) управляемых двунаправленных силовых полупроводниковых выключателей четвертой коммутационной группы (13) соединена с точкой соединения четвертого (8) и пятого (9) управляемых двунаправленных силовых полупроводниковых выключателей n-й второй коммутационной группы (4.n), при этом конденсатор (18) третьей коммутационной группы (12) соединен с конденсатором (19) четвертой коммутационной группы (13).

4. Схема по п.1, отличающаяся тем, что первый управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый выключатель (2) первой коммутационной группы (1) соединен с точкой соединения первого управляемого двунаправленного силового полупроводникового выключателя (5) с конденсатором (11) первой второй коммутационной группы (4.1), а второй управляемый силовой полупроводниковый выключатель (3) первой коммутационной группы (1) - с точкой соединения третьего управляемого двунаправленного силового полупроводникового выключателя (7) с конденсатором (11) первой второй коммутационной группы (4.1), соединение пятого (9) и четвертого (8) управляемых двунаправленных силовых полупроводниковых выключателей в каждой второй коммутационной группе (4.1, 4.n) находится в точке соединения четвертого (8) и третьего (7) управляемых двунаправленных силовых полупроводниковых выключателей, а соединение шестого (10) и второго (6) управляемых двунаправленных силовых полупроводниковых выключателей в каждой второй коммутационной группе (4.1, 4.n) - в точке соединения второго (6) и первого (5) управляемых двунаправленных силовых полупроводниковых выключателей, точка соединения первого (14) и второго (15) управляемых двунаправленных силовых полупроводниковых выключателей третьей коммутационной группы (12) соединена со вторым управляемым двунаправленным силовым полупроводниковым выключателем (6) n-й второй коммутационной группы (4.n), точка соединения первого (16) и второго (17) управляемых двунаправленных силовых полупроводниковых выключателей четвертой коммутационной группы (13) соединена с четвертым управляемым двунаправленным силовым полупроводниковым выключателем (8) n-й второй коммутационной группы (4.n), при этом конденсатор (18) третьей коммутационной группы (12) соединен с конденсатором (19) четвертой коммутационной группы (13).

5. Схема по п.2, отличающаяся тем, что первый управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый выключатель (2) первой коммутационной группы (1) соединен с точкой соединения первого управляемого двунаправленного силового полупроводникового выключателя (5) с конденсатором (11) первой второй коммутационной группы (4.1), а второй управляемый силовой полупроводниковый выключатель (3) первой коммутационной группы (1) - с точкой соединения третьего управляемого двунаправленного силового полупроводникового выключателя (7) с конденсатором (11) первой второй коммутационной группы (4.1), первый управляемый силовой полупроводниковый выключатель (21) первой пятой коммутационной группы (20.1) соединен с точкой соединения второго (6) и шестого (10) управляемых двунаправленных силовых полупроводниковых выключателей n-й второй коммутационной группы (4.n), второй управляемый силовой полупроводниковый выключатель (22) первой пятой коммутационной группы (20.1) соединен с точкой соединения четвертого (8) и пятого (9) управляемых двунаправленных силовых полупроводниковых выключателей n-й второй коммутационной группы (4.n), точка соединения первого (14) и второго (15) управляемых двунаправленных силовых полупроводниковых выключателей третьей коммутационной группы (12) соединена с первым управляемым силовым полупроводниковым выключателем (21) p-й пятой коммутационной группы (20.р), точка соединения первого (16) и второго (17) управляемых двунаправленных силовых полупроводниковых выключателей четвертой коммутационной группы (13) соединена со вторым управляемым силовым полупроводниковым выключателем (21) p-й пятой коммутационной группы (20.р), при этом конденсатор (18) третьей коммутационной группы (12) соединен с конденсатором (19) четвертой коммутационной группы (13).

6. Схема по п.2, отличающаяся тем, что первый управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый выключатель (2) первой коммутационной группы (1) соединен с точкой соединения первого управляемого двунаправленного силового полупроводникового выключателя (5) с конденсатором (11) первой второй коммутационной группы (4.1), а второй управляемый силовой полупроводниковый выключатель (3) первой коммутационной группы (1) - с точкой соединения третьего управляемого двунаправленного силового полупроводникового выключателя (7) с конденсатором (11) первой второй коммутационной группы (4.1), соединение пятого (9) и четвертого (8) управляемых двунаправленных силовых полупроводниковых выключателей в каждой второй коммутационной группе (4.1, 4.n) находится в точке соединения четвертого (8) и третьего (7) управляемых двунаправленных силовых полупроводниковых выключателей, а соединение шестого (10) и второго (6) управляемых двунаправленных силовых полупроводниковых выключателей в каждой второй коммутационной группе (4.1, 4.n) - в точке соединения второго (6) и первого (5) управляемых двунаправленных силовых полупроводниковых выключателей, первый управляемый силовой полупроводниковый выключатель (21) первой пятой коммутационной группы (20.1) соединен со вторым управляемым двунаправленным силовым полупроводниковым выключателем (6) n-й второй коммутационной группы (4.n), второй управляемый силовой полупроводниковый выключатель (22) первой пятой коммутационной группы (20.1) соединен с четвертым управляемым двунаправленным силовым полупроводниковым выключателем (8) n-й второй коммутационной группы (4.n), точка соединения первого (14) и второго (15) управляемых двунаправленных силовых полупроводниковых выключателей третьей коммутационной группы (12) соединена с первым управляемым силовым полупроводниковым выключателем (21) p-й пятой коммутационной группы (20.р), точка соединения первого (16) и второго (17) управляемых двунаправленных силовых полупроводниковых выключателей четвертой коммутационной группы (13) соединена со вторым управляемым силовым полупроводниковым выключателем (22) p-й пятой коммутационной группы (20.р), при этом конденсатор (18) третьей коммутационной группы (12) соединен с конденсатором (19) четвертой коммутационной группы (13).

7. Схема по п.5, отличающаяся тем, что каждая пятая коммутационная группа (20.1, 20.р) содержит конденсатор (23), соединенный с первым (21) и вторым (22) управляемыми двунаправленными силовыми полупроводниковыми выключателями соответствующей пятой коммутационной группы (20.1, 20.р), конденсатор (23) первой пятой коммутационной группы (20.1) соединен с точкой соединения первого управляемого двунаправленного силового полупроводникового выключателя (21) первой пятой коммутационной группы (20.1) с точкой соединения второго (6) и шестого (10) управляемых двунаправленных силовых полупроводниковых выключателей n-й второй коммутационной группы (4.п), при этом конденсатор (23) первой пятой коммутационной группы (20.1) соединен с точкой соединения второго управляемого двунаправленного силового полупроводникового выключателя (22) первой пятой коммутационной группы (20.1) с точкой соединения четвертого (8) и пятого (9) управляемых двунаправленных силовых полупроводниковых выключателей n-й второй коммутационной группы (4.n).

8. Схема по п.6, отличающаяся тем, что каждая пятая коммутационная группа (20.1, 20.р) содержит конденсатор (23), соединенный с первым (21) и вторым (22) управляемыми двунаправленными силовыми полупроводниковыми выключателями соответствующей пятой коммутационной группы (20.1, 20.р), конденсатор (23) первой пятой коммутационной группы (20.1) соединен с точкой соединения первого управляемого двунаправленного силового полупроводникового выключателя (21) первой пятой коммутационной группы (20.1) со вторым управляемым двунаправленным силовым полупроводниковым выключателем (6) n-й второй коммутационной группы (4.n), при этом конденсатор (23) первой пятой коммутационной группы (20.1) соединен с точкой соединения второго управляемого двунаправленного силового полупроводникового выключателя (22) первой пятой коммутационной группы (20.1) с четвертым управляемым двунаправленным силовым полупроводниковым выключателем (8) n-й второй коммутационной группы (4.n).

9. Схема по п.6, отличающаяся тем, что первая пятая коммутационная группа (20.1) содержит конденсатор (23), соединенный с первым (21) и вторым (22) управляемыми двунаправленными силовыми полупроводниковыми выключателями первой пятой коммутационной группы (20.1), конденсатор (23) первой пятой коммутационной группы (20.1) соединен с точкой соединения первого управляемого двунаправленного силового полупроводникового выключателя (21) первой пятой коммутационной группы (20.1) со вторым управляемым двунаправленным силовым полупроводниковым выключателем (6) n-й второй коммутационной группы (4.n), при этом конденсатор (23) первой пятой коммутационной группы (20.1) соединен с точкой соединения второго управляемого двунаправленного силового полупроводникового выключателя (22) первой пятой коммутационной группы (20.1) с четвертым управляемым двунаправленным силовым полупроводниковым выключателем (8) n-й второй коммутационной группы (4.n).

10. Схема по п.6, отличающаяся тем, что первая пятая коммутационная группа (20.1) и, по меньшей мере, одна дополнительная пятая коммутационная группа (20.2, ,20.р) содержат соответственно конденсатор (23), соединенный с первым (21) и вторым (22) управляемыми двунаправленными силовыми полупроводниковыми выключателями соответствующей пятой коммутационной группы (20.1, 20.2, ,20.р), конденсатор (23) первой пятой коммутационной группы (20.1) соединен с точкой соединения первого управляемого двунаправленного силового полупроводникового выключателя (21) первой пятой коммутационной группы (20.1) со вторым управляемым двунаправленным силовым полупроводниковым выключателем (6) n-й второй коммутационной группы (4.п), при этом конденсатор (23) первой пятой коммутационной группы (20.1) соединен с точкой соединения второго управляемого двунаправленного силового полупроводникового выключателя (22) первой пятой коммутационной группы (20.1) с четвертым управляемым двунаправленным силовым полупроводниковым выключателем (8) n-й второй коммутационной группы (4.n).

11. Схема по любому из пп.1-10, отличающаяся тем, что первый, второй, третий, четвертой, пятый и шестой управляемые двунаправленные силовые полупроводниковые выключатели (5, 6, 7, 8, 9, 10) каждой второй коммутационной группы (4.1, 4.n) содержат соответственно, по меньшей мере, два управляемых двунаправленных коммутационных элемента, которые включены последовательно.

12. Схема по любому из пп.2, 5-10, отличающаяся тем, что первый (21) и второй (22) управляемые двунаправленные силовые полупроводниковые выключатели каждой пятой коммутационной группы (20.1, 20.р) содержат соответственно, по меньшей мере, два управляемых двунаправленных коммутационных элемента, которые включены последовательно.

13. Схема по любому из пп.1-10, отличающаяся тем, что первый (14) и второй (15) управляемые двунаправленные силовые полупроводниковые выключатели третьей коммутационной группы (12) и первый (16) и второй (17) управляемые двунаправленные силовые полупроводниковые выключатели четвертой коммутационной группы (13) содержат соответственно, по меньшей мере, два управляемых двунаправленных коммутационных элемента, которые включены последовательно.

14. Схема по п.11, отличающаяся тем, что первый (14) и второй (15) управляемые двунаправленные силовые полупроводниковые выключатели третьей коммутационной группы (12) и первый (16) и второй (17) управляемые двунаправленные силовые полупроводниковые выключатели четвертой коммутационной группы (13) содержат соответственно, по меньшей мере, два управляемых двунаправленных коммутационных элемента, которые включены последовательно.

15. Схема по п.12, отличающаяся тем, что первый (14) и второй (15) управляемые двунаправленные силовые полупроводниковые выключатели третьей коммутационной группы (12) и первый (16) и второй (17) управляемые двунаправленные силовые полупроводниковые выключатели четвертой коммутационной группы (13) содержат соответственно, по меньшей мере, два управляемых двунаправленных коммутационных элемента, которые включены последовательно.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области силовой электроники. Оно исходит из преобразовательной схемы для коммутации большого числа уровней коммутируемого напряжения в соответствии с ограничительной частью независимых пунктов формулы.

Преобразовательные схемы широко используются сегодня в силовой электронике. Требования к такой преобразовательной схеме заключаются в том, чтобы, во-первых, создавать как можно меньше высших гармоник на фазах обычно подключенной к ней электрической сети переменного напряжения, а во-вторых, передавать максимальные мощности с как можно меньшим числом электронных элементов. Подходящая преобразовательная схема для коммутации большого числа уровней коммутируемого напряжения описана в DE 69205413 Т2. В ней предусмотрены первая коммутационная группа и n дополнительных первых коммутационных групп для каждой фазы, причем n 1, первая коммутационная группа образована первым и вторым управляемыми двунаправленными силовыми полупроводниковыми выключателями, а n дополнительных первых коммутационных групп - соответственно первым и вторым управляемыми двунаправленными силовыми полупроводниковыми выключателями и соединенным с ними конденсатором. Каждая из первых коммутационных групп соединена с соответственно соседней первой коммутационной группой, причем первый и второй управляемые двунаправленные силовые полупроводниковые выключатели соединены между собой. Первый и второй управляемые двунаправленные силовые полупроводниковые выключатели образованы соответственно биполярным транзистором с изолированным затвором (IGBT - Insulated Gate Bipolartransistor) и включенным встречно-параллельно с ним диодом.

Другая родовая преобразовательная схема для коммутации большого числа уровней коммутируемого напряжения описана в WO 2006/053448 А1.

Проблема преобразовательной схемы, известной из DE 69205413 Т2, заключается в том, что накопленная в ней во время работы электрическая энергия очень высока. Поскольку электрическая энергия накоплена в конденсаторах n первых коммутационных групп преобразовательной схемы, конденсаторы приходится рассчитывать на эту электрическую энергию, т.е. в отношении их электрической прочности и/или емкости. Однако это обуславливает конденсаторы большого конструктивного размера, которые соответственно дороги. К тому же из-за конденсаторов большого конструктивного размера преобразовательная схема требует много места, так что компактная конструкция, требуемая для многих применений, например тяги, невозможна. Также использование конденсаторов большого конструктивного размера приводит к повышению затрат на монтаж и обслуживание. Кроме того, преобразовательная схема, известная из DE 69205413 Т2 из-за исключительного использования IGBT восприимчива к высоким напряжениям, в частности к перенапряжениям, и имеет также значительные потери кпд.

Задачей изобретения является создание преобразовательной схемы для коммутации большого числа уровней коммутируемого напряжения, которая при работе накапливала бы как можно меньше электрической энергии, которую можно было бы реализовать компактной, которая была бы в значительной степени невосприимчивой к высоким напряжениям и аварийным состояниям и имела бы небольшие потери кпд. Эта задача решается посредством признаков пунктов 1 и 2 формулы изобретения. В зависимых пунктах приведены предпочтительные модификации изобретения.

Предложенная преобразовательная схема для коммутации большого числа уровней коммутируемого напряжения включает в себя на каждую фазу первую коммутационную группу, образованную первым и вторым управляемыми двунаправленными силовыми полупроводниковыми выключателями, которые соединены между собой. Согласно изобретению предусмотрено n вторых коммутационных групп, содержащих соответственно первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой управляемые двунаправленные силовые полупроводниковые выключатели и конденсатор, причем n 1, первый и второй управляемые двунаправленные силовые полупроводниковые выключатели включены встречно-последовательно, третий и четвертый управляемые двунаправленные силовые полупроводниковые выключатели включены встречно-последовательно, первый и третий управляемые двунаправленные силовые полупроводниковые выключатели соединены с конденсатором, пятый управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый выключатель соединен непосредственно с четвертым управляемым двунаправленным силовым полупроводниковым выключателем и непосредственно с точкой соединения первого управляемого двунаправленного силового полупроводникового выключателя с конденсатором, а шестой управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый выключатель соединен непосредственно со вторым управляемым двунаправленным силовым полупроводниковым выключателем и непосредственно с точкой соединения третьего управляемого двунаправленного силового полупроводникового выключателя с конденсатором. При n>1 каждая из n вторых коммутационных групп соединена с соответственно соседней второй коммутационной группой, а первая коммутационная группа - с первой второй коммутационной группой. Предусмотрены третья и четвертая коммутационные группы, которые содержат соответственно первый и второй управляемые двунаправленные силовые полупроводниковые выключатели и соединенный с ними конденсатор, причем первый и второй управляемые двунаправленные силовые полупроводниковые выключатели соединены между собой. Третья и четвертая коммутационные группы соединены с n-ой второй коммутационной группой, а третья коммутационная группа соединена с четвертой коммутационной группой. В качестве альтернативы предусмотрено p пятых коммутационных групп, содержащих соответственно первый и второй управляемые двунаправленные силовые полупроводниковые выключатели, причем p 1, а при p>1 каждая из p пятых коммутационных групп соединена с соответственно соседней пятой коммутационной группой. Первая пятая коммутационная группа соединена тогда с n-ой второй коммутационной группой, третья и четвертая коммутационные группы соединены с p-ой пятой коммутационной группой, а третья коммутационная группа соединена с четвертой коммутационной группой, p пятые коммутационные группы образуют предпочтительно дополнительный резерв в отношении управляемых двунаправленных силовых полупроводниковых выключателей предложенной преобразовательной схемы.

При одинаковом числе уровней коммутируемого напряжения можно за счет предложенной преобразовательной схемы посредством n вторых коммутационных групп, третьей и четвертой коммутационных групп, p пятых коммутационных групп и их описанных выше соединений предпочтительно уменьшить число конденсаторов по сравнению с преобразовательными схемами из уровня техники и, кроме того, ее накопленную электрическую энергию. Таким образом, накопленную электрическую энергию преобразовательной схемы можно поддерживать, в целом, на низком уровне, благодаря чему ее конденсаторы приходится рассчитывать лишь на небольшую накапливаемую электрическую энергию, т.е. в отношении их электрической прочности и/или емкости. На основе вытекающего из этого небольшого конструктивного размера конденсаторов преобразовательная схема требует очень мало места, так что возможна предпочтительно компактная конструкция, как она требуется для многих применений, например для тяги. Кроме того, за счет небольшого конструктивного размера конденсаторов можно поддерживать предпочтительно на низком уровне также затраты на монтаж и обслуживание.

Эта и другие задачи, преимущества и признаки изобретения становятся очевидными из нижеследующего подробного описания предпочтительных вариантов его осуществления в сочетании с чертежами.

Краткое описание чертежей

На чертежах изображают:

- фиг.1: первый вариант преобразовательной схемы;

- фиг.2: второй вариант преобразовательной схемы;

- фиг.3: третий вариант преобразовательной схемы;

- фиг.4: четвертый вариант преобразовательной схемы;

- фиг.5: пятый вариант преобразовательной схемы;

- фиг.6: шестой вариант преобразовательной схемы;

- фиг.7: седьмой вариант преобразовательной схемы.

Используемые на чертежах ссылочные позиции и их значение объединены в перечне. В принципе, одинаковые на фигурах детали обозначены одинаковыми ссылочными позициями. Описанные варианты являются примером объекта изобретения и не обладают ограничительным действием.

На фиг.1 изображен первый вариант однофазной преобразовательной схемы для коммутации большого числа уровней коммутируемого напряжения. Она включает в себя на каждую фазу R, S, Т первую коммутационную группу 1, которая образована первым 2 и вторым 3 управляемыми двунаправленными силовыми полупроводниковыми выключателями, соединенными между собой. Точка их соединения образует на фиг.1 фазный вывод, в частности для фазы R.

Предусмотрено n вторых коммутационных групп 4.1, 4.n, содержащих соответственно первый 5, второй 6, третий 7, четвертый 8, пятый 9 и шестой 10 управляемые двунаправленные силовые полупроводниковые выключатели, причем n 1, первый 5 и второй 6 управляемые двунаправленные силовые полупроводниковые выключатели включены встречно-последовательно, третий 7 и четвертый 8 управляемые двунаправленные силовые полупроводниковые выключатели включены встречно-последовательно, первый 5 и третий 7 управляемые двунаправленные силовые полупроводниковые выключатели соединены с конденсатором 11, пятый управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый выключатель 9 соединен непосредственно с четвертым управляемым двунаправленным силовым полупроводниковым выключателем 8 и непосредственно с точкой соединения первого управляемого двунаправленного силового полупроводникового выключателя 5 с конденсатором 11, а шестой управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый выключатель 10 соединен непосредственно со вторым управляемым двунаправленным силовым полупроводниковым выключателем 6 и непосредственно с точкой соединения третьего управляемого двунаправленного силового полупроводникового выключателя 7 с конденсатором 11. Поскольку на фиг.1 в случае каждой из n вторых коммутационных групп 4.1, 4.n речь идет о четырехполюснике, при n>1 каждая из n вторых коммутационных групп 4.1, 4.n соединена с соответственно соседней второй коммутационной группой 4.1, 4.n. Далее на фиг.1 первая коммутационная группа 1 соединена с первой второй коммутационной группой 4.1, и предусмотрены третья 12 и четвертая 13 коммутационные группы, содержащие соответственно первый 14, 16 и второй 15, 17 управляемые двунаправленные силовые полупроводниковые выключатели и соединенный с ними конденсатор 18, 19, причем первый 14, 16 и второй 15, 17 управляемые двунаправленные силовые полупроводниковые выключатели соединены между собой. Далее на фиг.1 третья 12 и четвертая 13 коммутационные группы соединены с n-ой второй коммутационной группой 4.n, а третья 12 и четвертая 13 коммутационные группы соединены между собой. В качестве альтернативы во втором варианте на фиг.2 предусмотрено p пять коммутационных групп 20.1, 20.p, содержащих соответственно первый 21 и второй 22 управляемые двунаправленные силовые полупроводниковые выключатели, причем p 1. Поскольку на фиг.2 в случае каждой из p пятых коммутационных групп речь идет о четырехполюснике, при p>1 каждая из p пятых коммутационных групп соединена соответственно с соседней пятой коммутационной группой 20.1, 20.p. На фиг.2 первая пятая коммутационная группа 20.1 соединена с n-ой второй коммутационной группой 4.n, третья 12 и четвертая 13 коммутационные группы - с p-ой пятой коммутационной группой 20.p, а третья 12 и четвертая 13 коммутационные группы соединены между собой, p пятые коммутационные группы образуют предпочтительно дополнительный резерв в отношении управляемых двунаправленных силовых полупроводниковых выключателей предложенной преобразовательной схемы.

При одинаковом числе уровней коммутируемого напряжения можно за счет предложенной преобразовательной схемы посредством n вторых коммутационных групп 4.1, 4.n, третьей 12 и четвертой 13 коммутационных групп, p пятых коммутационных групп 20.1, 20.p и их описанных выше соединений предпочтительно уменьшить число конденсаторов 11, 18, 19, 23 преобразовательной схемы и, кроме того, ее накопленную электрическую энергию. Таким образом, накопленную электрическую энергию преобразовательной схемы можно поддерживать, в целом, на низком уровне, благодаря чему ее конденсаторы 11, 18, 19, 23 приходится рассчитывать лишь на небольшую накапливаемую электрическую энергию, т.е. в отношении их электрической прочности и/или емкости. На основе вытекающего из этого небольшого конструктивного размера конденсаторов преобразовательная схема требует очень мало места, так что возможна предпочтительно компактная конструкция, как она требуется для многих применений, например для тяга. Кроме того, за счет небольшого конструктивного размера конденсаторов 11, 18, 19, 23 можно поддерживать предпочтительно на низком уровне также затраты на монтаж и обслуживание.

Если, например, в первом варианте на фиг.1 выбрать n=1 вторых коммутационных групп 4.1, 4.n, то преобразовательная схема для коммутации девяти уровней коммутируемого напряжения достигается всего лишь с тремя конденсаторами. Если, например, во втором варианте на фиг.2 выбрать n=1 вторых коммутационных групп 4.1, 4.n и p=1 пятых коммутационных групп 20.1, 20.p, то преобразовательная схема для коммутации девяти уровней коммутируемого напряжения достигается также всего лишь с тремя конденсаторами, причем возникает предпочтительно дополнительный резерв в отношении управляемых двунаправленных силовых полупроводниковых выключателей предложенной преобразовательной схемы за счет p=1 пятой коммутационной группы 20.1, 20.p.

На фиг.1 первый управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый выключатель 2 первой коммутационной группы 1 соединен с точкой соединения первого управляемого двунаправленного силового полупроводникового выключателя 5 с конденсатором 11 первой второй коммутационной группы 4.1, а второй управляемый силовой полупроводниковый выключатель 3 первой коммутационной группы 1 - с точкой соединения третьего управляемого двунаправленного силового полупроводникового выключателя 7 с конденсатором 11 первой второй коммутационной группы 4.1. Точка соединения первого 14 и второго 15 управляемых двунаправленных силовых полупроводниковых выключателей третьей коммутационной группы 12 соединена с точкой соединения второго 6 и шестого 10 управляемых двунаправленных силовых полупроводниковых выключателей n-ой второй коммутационной группы 4.n. Точка соединения первого 16 и второго 17 управляемых двунаправленных силовых полупроводниковых выключателей четвертой коммутационной группы 13 соединена с точкой соединения четвертого 8 и пятого 9 управляемых двунаправленных силовых полупроводниковых выключателей n-ой второй коммутационной группы 4.n. На фиг.1 конденсатор 18 третьей коммутационной группы 12 соединен с конденсатором 19 четвертой коммутационной группы 13.

На фиг.2 первый управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый выключатель 2 первой коммутационной группы 1 соединен с точкой соединения первого управляемого двунаправленного силового полупроводникового выключателя 5 с конденсатором 11 первой коммутационной группы 1, а второй управляемый силовой полупроводниковый выключатель 3 первой коммутационной группы 1 - с точкой соединения третьего управляемого двунаправленного силового полупроводникового выключателя 7 с конденсатором 11 первой второй коммутационной группы 4.1. Первый управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый выключатель 21 первой пятой коммутационной группы 20.1 соединен с точкой соединения второго 6 и шестого 10 управляемых двунаправленных силовых полупроводниковых выключателей n-ой второй коммутационной группы 4.n, а второй управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый выключатель 22 первой пятой коммутационной группы 20.1 соединен с точкой соединения четвертого 8 и пятого 9 управляемых двунаправленных силовых полупроводниковых выключателей n-ой второй коммутационной группы 4.n. Точка соединения первого 14 и второго 15 управляемых двунаправленных силовых полупроводниковых выключателей третьей коммутационной группы 12 соединена, кроме того, с первым управляемым двунаправленным силовым полупроводниковым выключателем 21 p-ой пятой коммутационной группы 20.p, а точка соединения первого 16 и второго 17 управляемых двунаправленных силовых полупроводниковых выключателей четвертой коммутационной группы 13 - со вторым управляемым двунаправленным силовым полупроводниковым выключателем 22 p-ой пятой коммутационной группы 20.p. Наконец конденсатор 18 третьей коммутационной группы 12 соединен с конденсатором 19 четвертой коммутационной группы 13.

На фиг.3 изображен третий вариант преобразовательной схемы. Исходя из фиг.1, на фиг.3 первый управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый выключатель 2 первой коммутационной группы 1 соединен с точкой соединения первого управляемого двунаправленного силового полупроводникового выключателя 5 с конденсатором 11 первой второй коммутационной группы 4.1, а второй управляемый силовой полупроводниковый выключатель 3 первой коммутационной группы 1-е точкой соединения третьего управляемого двунаправленного силового полупроводникового выключателя 7 с конденсатором 11 первой второй коммутационной группы 4.1. В отличие от фиг.1 соединение пятого 9 и четвертого 8 управляемых двунаправленных силовых полупроводниковых выключателей в каждой второй коммутационной группе 4.1, 4.n находится в точке соединения четвертого 8 и третьего 7 управляемых двунаправленных силовых полупроводниковых выключателей, а соединение шестого 10 и второго 6 управляемых двунаправленных силовых полупроводниковых выключателей в каждой второй коммутационной группе 4.1, 4.n - в точке соединения второго 6 и первого 5 управляемых двунаправленных силовых полупроводниковых выключателей. Точка соединения первого 14 и второго 15 управляемых двунаправленных силовых полупроводниковых выключателей третьей коммутационной группы 12 соединена со вторым управляемым двунаправленным силовым полупроводниковым выключателем 6 n-ой второй коммутационной группы 4.n. Кроме того, точка соединения первого 16 и второго 17 управляемых двунаправленных силовых полупроводниковых выключателей четвертой коммутационной группы 13 соединена с четвертым управляемым двунаправленным силовым полупроводниковым выключателем 8 n-ой второй коммутационной группы 4.n, а конденсатор 18 третьей коммутационной группы 12 соединен с конденсатором 19 четвертой коммутационной группы 13.

На фиг.4 изображен четвертый вариант преобразовательной схемы. Исходя из фиг.2, на фиг.4 каждая пятая коммутационная группа 20.1, 20.p содержит конденсатор 23, соединенный с первым 21 и вторым 22 управляемыми двунаправленными силовыми полупроводниковыми выключателями соответствующей пятой коммутационной группы 20.1, 20.p, причем конденсатор 23 первой пятой коммутационной группы 20.1 соединен с точкой соединения первого управляемого двунаправленного силового полупроводникового выключателя 21 первой пятой коммутационной группы 20.1 с точкой соединения второго 6 и шестого 10 управляемых двунаправленных силовых полупроводниковых выключателей n-ой второй коммутационной группы 4.n. Кроме того, конденсатор 23 первой пятой коммутационной группы 20.1 соединен с точкой соединения второго управляемого двунаправленного силового полупроводникового выключателя 22 первой пятой коммутационной группы 20.1 с точкой соединения четвертого 8 и пятого 9 управляемых двунаправленных силовых полупроводниковых выключателей n-ой второй коммутационной группы 4.n. Если, например, в четвертом варианте на фиг.4 выбрать n=1 вторых коммутационных групп 4.1, 4.n и p=1 пятых коммутационных групп 20.1, 20.p, то преобразовательная схема для коммутации девяти уровней коммутируемого напряжения достигается всего лишь с четырьмя конденсаторами, причем посредством конденсатора 23 соответствующей пятой коммутационной группы 20.1, 20.p могут быть достигнуты предпочтительно резервные комбинации коммутационных состояний управляемых двунаправленных силовых полупроводниковых выключателей, т.е. несколько комбинаций коммутационных состояний образуют один и тот же уровень коммутируемого напряжения, благодаря чему, в целом, можно стабилизировать напряжение на соответствующем конденсаторе 11, 18, 19, 23 преобразовательной схемы, а управляемые двунаправленные силовые полупроводниковые выключатели создают меньше потерь и могут быть использованы, тем самым, более эффективно.

На фиг.5 изображен пятый вариант преобразовательной схемы. Исходя из фиг.2, на фиг.5 аналогично фиг.3 первый управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый выключатель 2 первой коммутационной группы 1 соединен с точкой соединения первого управляемого двунаправленного силового полупроводникового выключателя 5 с конденсатором 11 первой второй коммутационной группы 4.1, а второй управляемый силовой полупроводниковый выключатель 3 первой коммутационной группы 1 - с точкой соединения третьего управляемого двунаправленного силового полупроводникового выключателя 7 с конденсатором 11 первой второй коммутационной группы 4.1. На фиг.5 соединение пятого 9 и четвертого 8 управляемых двунаправленных силовых полупроводниковых выключателей в каждой второй коммутационной группе 4.1, 4.n находится в точке соединения четвертого 8 и третьего 7 управляемых двунаправленных силовых полупроводниковых выключателей. Соединение шестого 10 и второго 6 управляемых двунаправленных силовых полупроводниковых выключателей в каждой второй коммутационной группе 4.1, 4.n находится в точке соединения второго 6 и первого 5 управляемых двунаправленных силовых полупроводниковых выключателей. Кроме того, первый управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый выключатель 21 первой пятой коммутационной группы 20.1 соединен со вторым управляемым двунаправленным силовым полупроводниковым выключателем 6 n-ой второй коммутационной группы 4.n, а второй управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый выключатель 22 первой пятой коммутационной группы 20.1 - с четвертым управляемым двунаправленным силовым полупроводниковым выключателем 8 n-ой второй коммутационной группы 4.n. Точка соединения первого 14 и второго 15 управляемых двунаправленных силовых полупроводниковых выключателей третьей коммутационной группы 12 соединена с первым управляемым двунаправленным силовым полупроводниковым выключателем 21 p-ой пятой коммутационной группы 20.p, а точка соединения первого 16 и второго 17 управляемых двунаправленных силовых полупроводниковых выключателей четвертой коммутационной группы 13 - со вторым управляемым двунаправленным силовым полупроводниковым выключателем 22 p-ой пятой коммутационной группы 20.p. Наконец конденсатор 18 третьей коммутационной группы 12 соединен с конденсатором 19 четвертой коммутационной группы 13. Соответственно фиг.2 в варианте на фиг.5 посредством p пятых коммутационных групп 20.1, 20.p может быть достигнут предпочтительно дополнительный резерв в отношении управляемых двунаправленных силовых полупроводниковых выключателей преобразовательной схемы.

На фиг.6 изображен шестой вариант преобразовательной схемы. Исходя из фиг.5, на фиг.6 каждая пятая коммутационная группа 20.1, 20.р содержит конденсатор 23, соединенный с первым 21 и вторым 22 управляемыми двунаправленными силовыми полупроводниковыми выключателями соответствующей пятой коммутационной группы 20.1, 20.p, причем конденсатор 23 первой пятой коммутационной группы 20.1 соединен с точкой соединения первого управляемого двунаправленного силового полупроводникового выключателя 21 первой пятой коммутационной группы 20.1 со вторым управляемым двунаправленным силовым полупроводниковым выключателем 6 n-ой второй коммутационной группы 4.n. Конденсатор 23 первой пятой коммутационной группы 20.1 соединен с точкой соединения второго управляемого двунаправленного силового полупроводникового выключателя 22 первой пятой коммутационной группы 20.1 с четвертым управляемым двунаправленным силовым полупроводниковым выключателей 8 n-ой второй коммутационной группы 4.n. Если, например, в четвертом варианте на фиг.4 выбрать n=1 вторых коммутационных групп 4.1, 4.n и p=1 пятых коммутационных групп 20.1, 20.p, то преобразовательная схема для коммутации девяти уровней коммутируемого напряжения достигается всего лишь с четырьмя конденсаторами, причем посредством конденсатора 23 соответствующей пятой коммутационной группы 20.1, 20.p могут быть достигнуты предпочтительно резервные комбинации коммутационных состояний управляемых двунаправленных силовых полупроводниковых выключателей, т.е. несколько комбинаций коммутационных состояний образуют один и тот же уровень коммутируемого напряжения, благодаря чему, в целом, можно стабилизировать напряжение на соответствующем конденсаторе 11, 18, 19, 23 преобразовательной схемы, а управляемые двунаправленные силовые полупроводниковые выключатели создают меньше потерь и могут быть использованы, тем самым, более эффективно.

В качестве дополнительного варианта к фиг.5 и в отличие от фиг.6 возможно также, чтобы только первая пятая коммутационная группа 20.1 содержала конденсатор 23, соединенный с первым 21 и вторым 22 управляемыми двунаправленными силовыми полупроводниковыми выключателями, причем конденсатор 23 первой пятой коммутационной группы 20.1 соединен с точкой соединения первого управляемого двунаправленного силового полупроводникового выключателя 21 первой пятой коммутационной группы 20.1 со вторым управляемым двунаправленным силовым полупроводниковым выключателем 6 n-ой второй коммутационной группы 4.п. Конденсатор 23 первой пятой коммутационной группы 20.1 соединен с точкой соединения второго управляемого двунаправленного силового полупроводникового выключателя 22 первой пятой коммутационной группы 20.1 с четвертым управляемым двунаправленным силовым полупроводниковым выключателей 8 n-ой второй коммутационной группы 4.n. При n=1 вторых коммутационных групп 4.1, 4.n и p=2 пятых коммутационных групп 20.1, 20.p, причем первая пятая коммутационная группа 20.1 содержит конденсатор 23, а вторая пятая коммутационная группа 20.2 не содержит его, преобразовательная схема для коммутации девяти уровней коммутируемого напряжения достигается всего лишь с четырьмя конденсаторами, причем посредством конденсатора 23 соответствующей пятой коммутационной группы 20.1, 20.p могут быть достигнуты предпочтительно резервные комбинации коммутационных состояний управляемых двунаправленных силовых полупроводниковых выключателей, т.е. несколько комбинаций коммутационных состояний образуют один и тот же уровень коммутируемого напряжения, благодаря чему, в целом, можно стабилизировать напряжение на соответствующем конденсаторе 11, 18, 19, 23 преобразовательной схемы, а управляемые двунаправленные силовые полупроводниковые выключатели создают меньше потерь и могут быть использованы, тем самым, более эффективно.

В качестве дополнительного варианта к фиг.5 и в отличие от фиг.6 возможно также, чтобы первая пятая коммутационная группа 20.1 и, по меньшей мере, одна вторая пятая коммутационная группа 20.2 содержала соответственно конденсатор 23, соединенный с первым 21 и вторым 22 управляемыми двунаправленными силовыми полупроводниковыми выключателями соответствующей пятой коммутационной группы 20.1, 20.2, ,20.p, причем конденсатор 23 первой пятой коммутационной группы 20.1 соединен с точкой соединения первого управляемого двунаправленного силового полупроводникового выключателя 21 первой пятой коммутационной группы 20.1 со вторым управляемым двунаправленным силовым полупроводниковым выключателем 6 n-ой второй коммутационной группы 4.n. Конденсатор 23 первой пятой коммутационной группы 20.1 соединен с точкой соединения второго управляемого двунаправленного силового полупроводникового выключателя 22 первой пятой коммутационной группы 20.1 с четвертым управляемым двунаправленным силовым полупроводниковым выключателей 8 n-ой второй коммутационной группы 4.n.

Во всех вариантах возможно, чтобы первый 5, второй 6, третий 7, четвертый 8, пятый 9 и шестой 10 управляемые двунаправленные силовые полупроводниковые выключатели каждой второй коммутационной группы 4.1, 4.n содержали преимущественно соответственно, по меньшей мере, два управляемых двунаправленных коммутационных элемента, причем последние включены последовательно. Предпочтительно за счет этого можно повысить коммутируемое напряжение на соответствующем управляемом двунаправленном силовом полупроводниковом выключателе 5-10. Кроме того, также первый 21 и второй 22 управляемые двунаправленные силовые полупроводниковые выключатели каждой пятой коммутационной группы 20.1, 20.p могут содержать соответственно, по меньшей мере, два управляемых двунаправленных коммутационных элемента, причем последние включены последовательно. Также в этом случае можно повысить коммутируемое напряжение на соответствующем управляемом двунаправленном силовом полупроводниковом выключателе 21, 22. Кроме того, также первый 14 и второй 15 управляемые двунаправленные силовые полупроводниковые выключатели четвертой коммутационной группы 13 могут содержать соответственно, по меньшей мере, два управляемых двунаправленных коммутационных элемента, причем последние включены последовательно. Также в этом случае можно предпочтительно повысить коммутируемое напряжение на соответствующем управляемом двунаправленном силовом полупроводниковом выключателе 14-17. Следовательно, в вариантах на фиг.1-6 возможно произвольное число управляемых двунаправленных коммутационных элементов для каждого управляемого двунаправленного силового полупроводникового выключателя 5-10, 14-17, 21, 22. На фиг.7 изображен седьмой вариант преобразовательной схемы, причем аналогично фиг.3 предусмотрено, например, n=1 вторых коммутационных групп 4.1, 4.n, а первый 5, второй 6, третий 7, четвертый 8, пятый 9 и шестой 10 управляемые двунаправленные силовые полупроводниковые выключатели единственной второй коммутационной группы 4.1 содержат соответственно два управляемых двунаправленных коммутационных элемента, а первый и второй управляемые двунаправленные силовые полупроводниковые выключатели 14-17 третьей 12 и четвертой 13 коммутационных групп содержат соответственно три управляемых двунаправленных коммутационных элемента.

Преимущественно соответствующий управляемый двунаправленный коммутационный элемент каждого управляемого двунаправленного силового полупроводникового выключателя преобразовательной схемы образован, например, биполярным транзистором с изолированным затвором (IGBT - Insulated Gate Bipolartransistor) и включенным встречно-параллельно с ним диодом. Чтобы можно было коммутировать высокое напряжение на конденсаторах 18, 19 третьей 12 и четвертой 13 коммутационных групп, управляемый двунаправленный коммутационный элемент первого и второго управляемых двунаправленных силовых полупроводниковых выключателей 14-17 третьей 12 и четвертой 13 коммутационных групп образован преимущественно запираемым тиристором с интегрированным блоком управления (IGCT) и включенным встречно-параллельно с ним диодом.

В целом, предложенная преобразовательная схема для коммутации большого числа уровней коммутируемого напряжения представляет собой отличающееся небольшой накопленной электрической энергией во время своей работы и компактной конструкцией и, тем самым, простое и мало подверженное сбоям решение.

Перечень ссылочных позиций

1 - первая коммутационная группа

2 - первый управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый выключатель первой коммутационной группы

3 - второй управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый выключатель первой коммутационной группы

4.1, 4.n - вторые коммутационные группы

5 - первый управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый выключатель вторых коммутационных групп

6 - второй управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый выключатель вторых коммутационных групп

7 - третий управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый выключатель вторых коммутационных групп

8 - четвертый управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый выключатель вторых коммутационных групп

9 - пятый управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый выключатель вторых коммутационных групп

10 - шестой управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый выключатель вторых коммутационных групп

11 - конденсатор вторых коммутационных групп

12 - третья коммутационная группа

13 - четвертая коммутационная группа

14 - первый управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый выключатель третьей коммутационной группы

15 - второй управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый выключатель третьей коммутационной группы

16 - первый управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый выключатель четвертой коммутационной группы

17 - второй управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый выключатель четвертой коммутационной группы

18 - конденсатор третьей коммутационной группы

19 - конденсатор четвертой коммутационной группы

20.1, 20.p - пятые коммутационные группы

21 - первый управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый выключатель пятых коммутационных групп

22 - второй управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый выключатель пятых коммутационных групп

23 - конденсатор пятой коммутационной группы