Коммутационная ячейка и схема преобразователя для переключения большого количества уровней напряжения
Использование: в области электротехники. Технический результат заключается в повышении надежности. Коммутационная ячейка содержит первый накопитель (2) энергии и второй накопитель (3) энергии, подключенные последовательно друг с другом, первый, второй, третий и четвертый силовые полупроводниковые переключатели (S1, S2, S3, S4), подключенные последовательно, причем первый, второй, третий и четвертый силовые полупроводниковые переключатели (S1, S2, S3, S4) представляют собой управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый переключатель с управляемой однонаправленной передачей тока. Первый силовой полупроводниковый переключатель (S1) соединен с первым накопителем (2) энергии, а четвертый силовой полупроводниковый переключатель (S4) соединен со вторым накопителем (3) энергии. Третий накопитель (4) энергии соединен с точкой соединения между первым и вторым силовым полупроводниковым переключателем (S2) и точкой соединения между третьим и четвертым силовым полупроводниковым переключателем (S4). Переключающий элемент (А) с управляемой двунаправленной передачей тока соединен с точкой соединения между вторым и третьими силовыми полупроводниковыми переключателями (S2, S3) и с точкой соединения между первым (2) и вторым (3) накопителями энергии. 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 8 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области схем преобразователя. Она основана на коммутационном элементе и на схеме преобразователя для переключения большого количества уровней напряжения в соответствии с вводными частями независимых пунктов формулы изобретения.
Уровень техники
В настоящее время силовые полупроводниковые переключатели все чаще используют в технологии преобразования и, в частности, в схемах преобразователей для переключения большого количества уровней напряжения. Такие схемы преобразователей, предназначенные для переключения большого количества уровней напряжения, в частности, описаны в публикации “A Generalized Multilevel Inverter Topology with Self Voltage Balancing”, IEEE Transactions on Industry Applications, Vol.37, No.2, March/April 2001, в которой коммутационная ячейка, имеющая первый накопитель энергии и второй накопитель энергии, последовательно соединенный с первым накопителем энергии, представлена на фиг.1 в схеме преобразователя для переключения, например, трех уровней напряжения. Кроме того, коммутационная ячейка имеет первый, второй, третий и четвертый силовые полупроводниковые переключатели, в которой первый, второй, третий и четвертый силовые полупроводниковые переключатели в каждом случае представляют собой управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый переключатель с управляемой однонаправленной передачей тока; первый, второй, третий и четвертый силовые полупроводниковые переключатели соединены последовательно, причем первый силовой полупроводниковый переключатель соединен с первым накопителем энергии, а четвертый силовой полупроводниковый переключатель соединен со вторым накопителем энергии. Точка соединения между вторым силовым полупроводниковым переключателем и третьим силовым полупроводниковым переключателем соединена, в частности, непосредственно, с точкой соединения между первым накопителем энергии и вторым накопителем энергии. Кроме того, третий накопитель энергии соединен с точкой соединения между первым силовым полупроводниковым переключателем и вторым силовым полупроводниковым переключателем и с точкой соединения между третьим силовым полупроводниковым переключателем и четвертым силовым полупроводниковым переключателем.
В случае схем преобразователей на основе коммутационных ячеек в соответствии с публикацией “A Generalized Multilevel Inverter Topology with Self Voltage Balancing”, IEEE Transactions on Industry Applications, Vol.37, No.2, March/April 2001 возникает проблема, состоящая в том, что, когда, например, требуется обеспечить переключение большого количества уровней напряжения, например пяти или семи уровней напряжения, количество требуемых силовых полупроводниковых переключателей и количество требуемых накопителей энергии существенно увеличивается, как показано на фиг.1, в соответствии с публикацией “A Generalized Multilevel Inverter Topology with Self Voltage Balancing”, IEEE Transactions on Industry Applications, Vol.37, No.2, March/April 2001. Это сопровождается очень большими издержками при производстве схемы и из-за применения силовых полупроводниковых переключателей также очень плотной компоновкой схемы управления, что обычно приводит к повышенной восприимчивости к уровню помех и, следовательно, к низкой доступности. Кроме того, такие схемы преобразователей занимают много места.
В публикации “Soft-Switched Three-Level Capacitor Clamping Inverter with Clamping Voltage Stabilization”, IEEE Transactions on Industry Applications, Vol.36, No.4, July/August 2000 также описывается коммутационная ячейка, имеющая первый накопитель энергии и второй накопитель энергии, соединенный последовательно с первым накопителем энергии и имеющий первый, второй, третий и четвертый силовые полупроводниковые переключатели; при этом первый, второй, третий и четвертый силовые полупроводниковые переключатели в каждом случае представляют собой управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый переключатель с управляемым однонаправленным направлением передачи тока; первый, второй, третий и четвертый силовые полупроводниковые переключатели соединены последовательно; первый силовой полупроводниковый переключатель соединен с первым накопителем энергии, а четвертый силовой полупроводниковый переключатель соединен со вторым накопителем энергии. Кроме того, предусмотрен третий накопитель энергии, который соединен с точкой соединения между первым силовым полупроводниковым переключателем и вторым силовым полупроводниковым переключателем и с точкой соединения между третьим силовым полупроводниковым переключателем и четвертым силовым полупроводниковым переключателем. Кроме того, предусмотрен переключающий элемент с управляемым двунаправленным направлением передачи тока, который подключен через первую индуктивность и первый трансформатор к точке соединения между вторым и третьим силовыми полупроводниковыми переключателями и который соединен через вторую катушку индуктивности и второй трансформатор с точкой соединения между первым накопителем энергии и вторым накопителем энергии.
Сущность изобретения
В связи с этим цель изобретения состоит в создании коммутационной ячейки, с помощью которой становится возможным реализовать простую и надежную схему преобразователя для переключения большого количества уровней напряжения с использованием малого количества компонентов, которая, кроме того, занимала бы мало места. Кроме того, изобретение направлено на создание такой схемы преобразователя. Эти цели достигаются с помощью свойств пунктов 1 и 14 формулы изобретения. Предпочтительные признаки изобретения изложены в зависимых пунктах формулы изобретения.
Коммутационная ячейка, в соответствии с изобретением, предназначенная для переключения большого количества уровней напряжения, имеет первый накопитель энергии и второй накопитель энергии, соединенный последовательно с первым накопителем энергии. Кроме того, коммутационная ячейка имеет первый, второй, третий и четвертый силовые полупроводниковые переключатели, причем первый, второй, третий и четвертый силовые полупроводниковые переключатели в каждом случае представляют собой управляемые двунаправленные силовые полупроводниковые переключатели с управляемой однонаправленной передачей тока; первый, второй, третий и четвертый силовые полупроводниковые переключатели соединены последовательно, при этом первый силовой полупроводниковый переключатель соединен с первым накопителем энергии, а четвертый силовой полупроводниковый переключатель соединен со вторым накопителем энергии. Кроме того, третий накопитель энергии соединен с точкой соединения между первым силовым полупроводниковым переключателем и вторым силовым полупроводниковым переключателем и точкой соединения между третьим силовым полупроводниковым переключателем и четвертым силовым полупроводниковым переключателем. В соответствии с изобретением переключающий элемент с управляемой двунаправленной передачей тока теперь соединен непосредственно с точкой соединения между вторым и третьим силовыми полупроводниковыми переключателями и непосредственно с точкой соединения между первым накопителем энергии и вторым накопителем энергии. Таким образом, предпочтительно, становится возможным установить или регулировать ток в точке соединения между первым накопителем энергии и вторым накопителем энергии в обоих направлениях. Кроме того, с помощью коммутационной ячейки в соответствии с изобретением становится возможным реализовать схему преобразователя, которая совместно с силовыми полупроводниковыми переключателями схемы преобразователя переключает, например, пять и семь уровней напряжения без необходимости использования множества переключающих элементов схемы преобразователя, которыми требуется управлять, что привело бы к существенному увеличению расходов. Кроме того, количество накопителей энергии, предпочтительно, остается без изменения. Затраты на изготовление схемы такого преобразователя могут соответствующим образом поддерживаться на низком уровне при использовании коммутационной ячейки в соответствии с изобретением, при этом также можно аналогично поддерживать малую плотность компоновки цепей управления переключающих элементов. Это означает, что такая схема преобразователя с коммутационной ячейкой в соответствии с изобретением может быть построена с очень малыми издержками, она мало подвержена воздействию взаимных помех и требует минимального места для размещения.
Эти и другие цели, преимущества и свойства настоящего изобретения будут понятны из следующего подробного описания предпочтительных вариантов воплощения изобретения, которые следует рассматривать совместно с чертежами.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - первый вариант воплощения коммутационной ячейки в соответствии с изобретением;
фиг.2 - первый вариант воплощения схемы преобразователя в соответствии с изобретением, предназначенного для переключения большого количества уровней напряжения с коммутационной ячейкой по фиг.1,
фиг.2а - второй вариант воплощения схемы преобразователя в соответствии с изобретением, предназначенного для переключения большого количества уровней напряжения со вторым вариантом воплощения коммутационной ячейки в соответствии с изобретением;
фиг.3 - третий вариант воплощения схемы преобразователя в соответствии с изобретением, предназначенного для переключения большого количество уровней напряжения с третьим вариантом воплощения коммутационной ячейки в соответствии с изобретением;
фиг.4 - четвертый вариант воплощения схемы преобразователя в соответствии с изобретением, предназначенный для переключения большого количества уровней напряжения с четвертым вариантом воплощения коммутационной ячейкой в соответствии с изобретением,
фиг.5 - пятый вариант воплощения схемы преобразователя в соответствии с изобретением, предназначенного для переключения большого количества уровней напряжения с пятым вариантом воплощения коммутационной ячейки в соответствии с изобретением;
фиг.6 - шестой вариант воплощения схемы преобразователя в соответствии с изобретением, предназначенного для переключения большого количества уровней напряжения с шестым вариантом воплощения коммутационной ячейки в соответствии с изобретением;
фиг.7 - седьмой вариант воплощения схемы преобразователя в соответствии с изобретением, предназначенного для переключения большого количества уровней напряжения с седьмым вариантом воплощения коммутационной ячейки в соответствии с изобретением;
фиг.7а - восьмой вариант воплощения схемы преобразователя в соответствии с изобретением, предназначенного для переключения большого количества уровней напряжения с восьмым вариантом воплощения коммутационной ячейки в соответствии с изобретением;
фиг.8 - девятый вариант воплощения схемы преобразователя в соответствии с изобретением, предназначенного для переключения большого количества уровней напряжения с девятым вариантом воплощения коммутационной ячейки в соответствии с изобретением; и
фиг.8а - десятый вариант воплощения схемы преобразователя в соответствии с изобретением, предназначенного для переключения большого количества уровней напряжения с десятым вариантом воплощения коммутационной ячейки в соответствии с изобретением.
Позиции, указанные на чертежах, и соответствующие им элементы перечислены в списке условных обозначений. В принципе, идентичные элементы обозначены на чертежах идентичными номерами ссылочных позиций. Описанные варианты воплощения представляют лишь примеры осуществления изобретения и не ограничивают объем изобретения.
Подробное описание изобретения
На фиг.1 иллюстрируется первый вариант воплощения коммутационной ячейки 1 в соответствии с изобретением. Кроме того, на фиг.2 показан первый вариант воплощения схемы преобразователя в соответствии с изобретением, предназначенного для переключения большого количества уровней напряжения, с использованием коммутационной ячейки по фиг.1. В соответствии с фиг.2 схема преобразователя для переключения большого количества уровней напряжения имеет первый силовой полупроводниковый переключатель S7 и второй силовой полупроводниковый переключатель S8, который включен последовательно с первым силовым полупроводниковым переключателем S7. В соответствии с фиг.2 точка соединения между первым силовым полупроводниковым переключателем S7 и вторым силовым полупроводниковым переключателем S8 также формирует фазовое соединение, иллюстрируемое в качестве примера фазы R. В соответствии с фиг.1 и фиг.2 коммутационная ячейка 1 имеет первый накопитель 2 энергии и второй накопитель 3 энергии, соединенный последовательно с первым накопителем 2 энергии. Кроме того, коммутационная ячейка 1 имеет первый, второй, третий и четвертый силовые полупроводниковые переключатели S1, S2, S3, S4, причем первый, второй, третий и четвертый силовые полупроводниковые переключатели S1, S2, S3, S4 в каждом случае представляют собой управляемые двунаправленные силовые полупроводниковые переключатели с управляемой однонаправленной передачей тока. В соответствии с фиг.1 каждый из первого, второго, третьего и четвертого силовых полупроводниковых переключателей S1, S2, S3, S4 коммутационной ячейки 1, которые в каждом случае воплощены как управляемые двунаправленные силовые полупроводниковые переключатели с управляемой однонаправленной передачей тока, сформированы в качестве примера на основе биполярного транзистора с изолированным затвором (IGВТ, БТИЗ) и с использованием диода, который подключен встречно-параллельно с биполярным транзистором. Однако также рассматривается возможность воплощения упомянутого выше управляемого двунаправленного силового полупроводникового переключателя, например, на основе силового MOSFET (ПТМОП, полевой транзистор со структурой металл - оксид - полупроводник) с добавлением подключенного встречно-параллельного диода. В соответствии со схемой преобразователя по фиг.2 первый и второй силовые полупроводниковые переключатели S7, S8 схемы преобразователя в каждом случае представляют собой управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый переключатель с управляемой однонаправленной передачей тока. В этом случае каждый из первого и второго силовых полупроводниковых переключателей S7, S8, которые в каждом случае воплощены как управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый переключатель с управляемой однонаправленной передачей тока, в соответствии с фиг.2 сформированы в качестве примера на основе биполярного транзистора с изолированным затвором (БТИЗ) и диода, соединенного встречно-параллельно с биполярным транзистором. Однако также предусматривается возможность воплощения упомянутого выше управляемого двунаправленного силового полупроводникового переключателя, например, на основе силового ПТМОП с добавлением включенного встречно-параллельного диода.
В соответствии с фиг.1 и фиг.2 первый, второй, третий и четвертый силовые полупроводниковые переключатели S1, S2, S3, S4 коммутационной ячейки 1 соединены последовательно, при этом первый силовой полупроводниковый переключатель S1 соединен с первым накопителем 2 энергии, а четвертый силовой полупроводниковый переключатель S4 соединен со вторым накопителем 3 энергии. Кроме того, третий накопитель 4 энергии соединен с точкой соединения между первым силовым полупроводниковым переключателем S1 и вторым силовым полупроводниковым переключателем S2 и с точкой соединения между третьим силовым полупроводниковым переключателем S3 и четвертым силовым полупроводниковым переключателем S4.
В соответствии с изобретением переключающий элемент А с управляемой однонаправленной передачей тока соединен непосредственно с точкой соединения между вторым и третьим силовыми полупроводниковыми переключателями S2, S3 и непосредственно с точкой соединения между первым накопителем 2 энергии и вторым накопителем 3 энергии. Таким образом, предпочтительно, становится возможным установить или регулировать ток в точке соединения между первым накопителем 2 энергии и вторым накопителем 3 энергии в обоих направлениях. Кроме того, с помощью коммутационной ячейки 1 в соответствии с изобретением становится возможным реализовать схему преобразователя, которая совместно с силовыми полупроводниковыми переключателями схемы преобразователя переключает, например, пять и семь уровней напряжения без значительного увеличения количества переключающих элементов схемы преобразователя, которыми требуется управлять. Кроме того, количество накопителей 2, 3, 4 энергии, предпочтительно, остается без изменения. Затраты на изготовление такой схемы преобразователя, соответствующим образом, можно поддерживать на низком уровне при использовании коммутационной ячейки 1 в соответствии с изобретением, в котором также можно поддерживать малую плотность компоновки цепей управления элементов переключателей. Это означает, что такая схема преобразователя с коммутационной ячейкой 1 в соответствии с изобретением может быть построена с очень простой компоновкой, незначительно подвержена взаимным помехам и занимает минимальное место.
Как показано, в качестве примера, в варианте воплощения схемы преобразователя в соответствии с изобретением на фиг.2а, а также на фиг.3 - фиг.8а, варианты воплощения которых будут подробно описаны ниже, коммутационная ячейка 1 обычно соединена с первым силовым полупроводниковым переключателем S7 схемы преобразователя и вторым силовым полупроводниковым переключателем S8 схемы преобразователя. Совместно с коммутационной ячейкой 1 в соответствии с изобретением, в частности в соответствии с фиг.2 - фиг.8а, реализована схема преобразователя, которая позволяет переключать, например, пять и семь уровней напряжения без необходимости использования множества переключающих элементов схемы преобразователя, которыми требуется управлять, и в результате чего значительно увеличились бы затраты. Если с помощью схемы преобразователя переключают только пять уровней напряжения, количество избыточных комбинаций состояний переключения относительно уровня напряжения увеличивается, то есть, например, один и тот же уровень напряжения при фазовом соединении может быть установлен с помощью множества комбинаций состояний переключения силовых полупроводниковых переключателей S7, S8 схемы преобразователя, первого, второго, третьего и четвертого силовых полупроводниковых переключателей S1, S2, S3, S4 коммутационной ячейки 1 и переключающего элемента А. В результате, становится возможным, например, обеспечить более однородное использование возможностей переключающих элементов схемы преобразователя, которыми требуется управлять, и третий накопитель 4 энергии может быть выполнен с малыми размерами, поскольку третий накопитель 4 энергии можно как заряжать, так и разряжать с использованием избыточных комбинаций состояний переключения. Затраты на изготовление схемы преобразователя такого типа могут, кроме того, поддерживаться на малом уровне при использовании коммутационной ячейки 1 в соответствии с изобретением, при этом, кроме того, эксплуатационные затраты в отношении переключающих элементов, которыми требуется управлять, аналогичным образом можно поддерживать на низком уровне. Это означает, что такая схема преобразователя в соответствии с изобретением, с коммутационной ячейкой 1 в соответствии с изобретением может быть построена с очень простой компоновкой, она является надежной и занимает очень мало места.
В соответствии с фиг.2 - 8а в схеме преобразователя согласно изобретению обычно первый силовой полупроводниковый переключатель S7 схемы преобразователя соединен с точкой соединения между первым силовым полупроводниковым переключателем S1 коммутационной ячейкой 1 и вторым силовым полупроводниковым переключателем S2 коммутационной ячейкой 1, а второй силовой полупроводниковый переключатель S8 схемы преобразователя соединен с точкой соединения между третьим силовым полупроводниковым переключателем S3 коммутационной ячейки 1 и четвертым силовым полупроводниковым переключателем S4 коммутационной ячейки 1. В результате схема преобразователя в соответствии с изобретением реализована чрезвычайно просто, поэтому она незначительно подвержена взаимным помехам и экономит место.
В соответствии с фиг.1 и фиг.2 переключающий элемент А с управляемой двунаправленной передачей тока коммутационной ячейки 1 имеет два соединенных встречно-последовательно управляемых двунаправленных силовых полупроводниковых переключателя S5, S6 с управляемой однонаправленной передачей тока. Управляемые двунаправленные силовые полупроводниковые переключатели S5, S6 с управляемой однонаправленной передачей тока в каждом случае могут быть воплощены в соответствии с силовыми полупроводниковыми переключателями S1, S2, S3, S4, S7, S8, как отмечено выше. В случае встречно-последовательного соединения управляемых двунаправленных силовых полупроводниковых переключателей S5, S6 с управляемой однонаправленной передачей тока существуют две возможности, то есть либо в соответствии с фиг.1 и фиг.2, или в соответствии со вторым вариантом воплощения схемы преобразователя согласно изобретению для переключения большого количества уровней напряжения по второму варианту воплощения коммутационной ячейки 1 в соответствии с изобретением по фиг.2а.
На фиг.3 показан третий вариант воплощения схемы преобразователя в соответствии с изобретением для переключения большого количества уровней напряжения с третьим вариантом воплощения коммутационной ячейки 1 в соответствии с изобретением, в котором переключающий элемент А с управляемой двунаправленной передачей тока имеет один управляемый однонаправленный силовой полупроводниковый переключатель S9 с управляемой однонаправленной передачей тока и четыре однонаправленных силовых полупроводниковых переключателя D1, D2, D3, D4 с неуправляемой однонаправленной передачей тока. В этом случае управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый переключатель S9 с управляемой однонаправленной передачей тока может быть воплощен в соответствии с силовыми полупроводниковыми переключателями S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7, S8, как отмечено выше. Кроме того, четыре однонаправленных силовых полупроводниковых переключателя D1, D2, D3, D4 с неуправляемой однонаправленной передачей тока воплощены в качестве примера в каждом случае как диоды, которые подключены в соответствии с фиг.3 к управляемому двунаправленному силовому полупроводниковому переключателю S9 с однонаправленной передачей тока, переключающего элемента А. Переключающий элемент А, сформированный в соответствии с фиг.3, имеет только один управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый переключатель S9 с управляемой однонаправленной передачей тока, в результате чего дополнительно уменьшается плотность компоновки цепей управления и, таким образом, дополнительно понижается восприимчивость к помехам. Кроме того, могут быть уменьшены потери на переключение.
На фиг.4 иллюстрируется четвертый вариант воплощения схемы преобразователя в соответствии с изобретением, предназначенного для переключения большого количества уровней напряжения, с четвертым вариантом воплощения коммутационной ячейки 1, в котором переключающий элемент А с управляемой двунаправленной передачей тока содержит первый и второй управляемые однонаправленные силовые полупроводниковые переключатели S10, S11 с управляемой однонаправленной передачей тока, и первый, и второй однонаправленные силовые полупроводниковые переключатели D5, D6 с неуправляемой однонаправленной передачей тока. В этом случае управляемые двунаправленные силовые полупроводниковые переключатели S10, S11 с управляемой однонаправленной передачей тока могут быть воплощены в каждом случае в соответствии с силовыми полупроводниковыми переключателями S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7, S8, S9, как отмечено выше. Кроме того, два однонаправленных силовых полупроводниковых переключателя D5, D6 с неуправляемой однонаправленной передачей тока воплощены в качестве примера. В соответствии с фиг.4 первый управляемый однонаправленный силовой полупроводниковый переключатель S10 с управляемой однонаправленной передачей тока переключающего элемента А и первый однонаправленный силовой полупроводниковый переключатель D5 с неуправляемой однонаправленной передачей тока переключающего элемента А соединены последовательно. Кроме того, второй управляемый однонаправленный силовой полупроводниковый переключатель S11 с управляемой однонаправленной передачей тока переключающего элемента А и второй однонаправленный силовой полупроводниковый переключатель D6 с неуправляемой однонаправленной передачей тока переключающего элемента А соединены последовательно. Кроме того, последовательная цепь, сформированная первым управляемым однонаправленным силовым полупроводниковым переключателем S10 с управляемой однонаправленной передачей тока переключающего элемента А, и первый однонаправленный силовой полупроводниковый переключатель D5 с неуправляемой однонаправленной передачей тока переключающего элемента А соединены встречно-параллельно с последовательной цепью, сформированной вторым управляемым однонаправленным силовым полупроводниковым переключателем S11 с управляемой однонаправленной передачей тока переключающего элемента А и вторым однонаправленным силовым полупроводниковым переключателем D6 с неуправляемой однонаправленной передачей тока переключающего элемента А.
В пятом варианте (фиг.5) воплощения схемы преобразователя в соответствии с изобретением, предназначенного для переключения большого количества уровней напряжения, включающем в себя пятый вариант воплощения коммутационной ячейки 1 в соответствии с изобретением, переключающий элемент А с управляемой двунаправленной передачей тока содержит управляемый силовой полупроводниковый переключатель S12 с управляемой двунаправленной передачей тока. Переключающий элемент А, сформированный в соответствии с фиг.5, соответственно имеет только один управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый переключатель S12, в результате чего можно дополнительно уменьшить плотность компоновки цепей управления и, таким образом, можно дополнительно снизить восприимчивость к взаимным помехам. Кроме того, потери на переключение могут быть уменьшены. Кроме того, уменьшаются потери энергии в открытом состоянии, поскольку только один управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый переключатель S12 предусмотрен в переключающем элементе А с управляемой двунаправленной передачей тока.
На фиг.6 показан шестой вариант воплощения схемы преобразователя в соответствии с изобретением, предназначенного для переключения большого количества уровней напряжения, с шестым вариантом выполнения коммутационной ячейки 1 в соответствии с изобретением. На фиг.6 коммутационная ячейка 1 содержит два дополнительных силовых полупроводниковых переключателя S1.1, S1.2, подключенных последовательно между соединением первого силового полупроводникового переключателя S1 с первым накопителем 2 энергии, и два дополнительных силовых полупроводниковых переключателя S4.1, S4.2, также подключенных последовательно между соединением четвертого силового полупроводникового переключателя S4 со вторым накопителем 2 энергии. В общем, в коммутационной ячейке 1, по меньшей мере, один дополнительный силовой полупроводниковый переключатель S1.1, S1.2 последовательно подключен между соединением первого силового полупроводникового переключателя S1 с первым накопителем 2 энергии, и в дополнение к этому, по меньшей мере, один дополнительный силовой полупроводниковый переключатель S4.1, S4.2 подключен последовательно между соединением четвертого силового полупроводникового переключателя S4 со вторым накопителем 2 энергии. Каждый дополнительный силовой полупроводниковый переключатель S1.1, S1.2, S4.1, S4.2 представляет собой управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый переключатель с управляемой однонаправленной передачей тока. В этом случае дополнительные силовые полупроводниковые переключатели S1.1, S1.2, S4.1, S4.2 могут быть воплощены в виде силовых полупроводниковых переключателей S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7, S8, S9, S10, S11, как упомянуто выше. Переключающий элемент А сформирован в соответствии с фиг.1 или фиг.2, в котором, конечно, также может быть предусмотрен переключающий элемент в соответствии с фиг.2а-5. Если с помощью схемы преобразователя переключают только пять уровней напряжения, все силовые полупроводниковые переключатели S1, S1.1, S1.2, S2, S3, S4, S4.1, S4.2, S5, S6, S7, S8, предпочтительно, могут быть выполнены для работы с одним и тем же блокирующим напряжением. В случае, по меньшей мере, двух дополнительных силовых полупроводниковых переключателей S1.1, S1.2, последовательно подключенных между соединением первого силового полупроводникового переключателя S1 с первым накопителем 2 энергии и, по меньшей мере, двух дополнительных силовых полупроводниковых переключателей S4.1, S4.2, последовательно подключенных между соединением четвертого силового полупроводникового переключателя S4 со вторым накопителем 2 энергии, как показано на фиг.6, последовательно подключенные силовые полупроводниковые переключатели S1.1, S1.2, S4.1, S4.2 теперь предпочтительно могут быть синхронизированы со смещением для лучшего распределения потерь на переключение. В случае только одного дополнительного силового полупроводникового переключателя S1.1, который последовательно подключен между соединением первого силового полупроводникового переключателя S1 с первым накопителем 2 энергии, и только одного дополнительного силового полупроводникового переключателя S4.1, последовательно подключенного между соединением четвертого силового полупроводникового переключателя S4 со вторым накопителем 2 энергии, последовательно подключенный силовой полупроводниковый переключатель S1.1, S4.1, предпочтительно, может быть выполнен с удвоенным блокирующим напряжением. При этом упомянутые дополнительные силовые полупроводниковые переключатели S1.1, S4.1 могут тогда работать с более низкой частотой переключения, чем первый силовой полупроводниковый переключатель S1 коммутационной ячейки 1 и, соответственно, четвертый силовой полупроводниковый переключатель S4 коммутационной ячейки 1, так, что потери в открытом состоянии дополнительных силовых полупроводниковых переключателей S1.1, S4.1 можно в целом поддерживать на низком уровне. В качестве примера в этом случае такой дополнительный силовой полупроводниковый переключатель S1.1, S4.1 с удвоенным блокирующим напряжением может быть выполнен как интегрированный тиристор, который соединен через управляющий электрод (IGCT, ИКЗТ - интегрированный коммутируемый по затвору запираемый тиристор), или тиристор с запираемым затвором (GTO, ТЗЗ) в каждом случае со встречно-параллельно подключенным диодом, в котором первый силовой полупроводниковый переключатель S1 и четвертый силовой полупроводниковый переключатель S4 могут представлять собой, например, биполярный транзистор с изолированным затвором (БТИЗ) или силовой ПТМОП в каждом случае со встречно-параллельным подключенным диодом. Каскадная система преобразователя, предпочтительно, может быть очень легко построена, например, с использованием вариантов воплощения коммутационной ячейки 1 в соответствии с изобретением, представленным на фиг.6.
На фиг.7 показан седьмой вариант воплощения схемы преобразователя в соответствии с изобретением, предназначенного для переключения большого количества уровней напряжения, с седьмым вариантом воплощения коммутационной ячейки 1 в соответствии с изобретением. Кроме того, на фиг.7а показан восьмой вариант воплощения схемы преобразователя в соответствии с изобретением, предназначенного для переключения большого количества уровней напряжения, с восьмым вариантом воплощения коммутационной ячейки 1 в соответствии с изобретением. В общем, в случае коммутационной ячейки 1 по фиг.7 и фиг.7а, по меньшей мере, один дополнительный силовой полупроводниковый переключатель S4.1, S4.2 подключен между соединением четвертого силового полупроводникового переключателя S4 со вторым накопителем 3 энергии. Каждый дополнительный силовой полупроводниковый переключатель S4.1, S4.2 в каждом случае представляет собой управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый переключатель с управляемой однонаправленной передачей тока. В этом случае дополнительные силовые полупроводниковые переключатели S4.1, S4.2 могут быть воплощены в виде силовых полупроводниковых переключателей S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7, S8, S9, S10, S11, как упомянуто выше. Переключающий элемент А сформирован на фиг.7 и фиг.7а в соответствии с фиг.1 и фиг.2, соответственно, при этом, конечно, также предусматривается возможность формирования переключающего элемента в соответствии с фиг.2а-5. В случае одного дополнительного силового полупроводникового переключателя S4.1, как показано на фиг.7, дополнительный силовой полупроводниковый переключатель S4.1 подключен встречно-последовательно относительно четвертого силового полупроводникового переключателя S4. В отличие от этого, в случае множества дополнительных силовых полупроводниковых переключателей S4.1, S4.2, как показано на фиг.7а, по меньшей мере, один дополнительный силовой полупроводниковый переключатель S4.1 подключен встречно-последовательно относительно четвертого силового полупроводникового переключателя S4, и, по меньшей мере, один дополнительный силовой полупроводниковый переключатель S4.2 подключен последовательно относительно четвертого силового полупроводникового переключателя S4. Каскадная система преобразователя аналогичным образом может быть построена очень просто, например с помощью вариантов воплощения коммутационной ячейки 1 в соответствии с фиг.7 и в соответствии с фиг.7а, соответственно.
На фиг.8 показан девятый вариант воплощения схемы преобразователя в соответствии с изобретением, предназначенного для переключения большого количества уровней напряжения в соответствии с девятым вариантом воплощения коммутационной ячейки 1 в соответствии с изобретением. Кроме того, на фиг.8а иллюстрируется десятый вариант воплощения схемы преобразователя в соответствии с изобретением, предназначенного для переключения большого количества уровней напряжения в соответствии с десятым вариантом воплощения коммутационной ячейки 1 в соответствии с изобретением. Обычно в случае коммутационной ячейки 1 по фиг.8 и фиг.8а, по меньшей мере, один дополнительный силовой полупроводниковый переключатель S1.1, S1.2 подключен между соединением первого силового полупроводникового переключателя S1 со вторым силовым полупроводниковым переключателем S2. Каждый дополнительный силовой полупроводниковый переключатель S1.1, S1.2 в каждом случае представляет собой управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый переключатель с управляемой однонаправленной передачей тока. В этом случае дополнительные силовые полупроводниковые переключатели S1.1, S1.2 могут быть воплощены в каждом случае в виде силовых полупроводниковых переключателей S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7, S8, S9, S10, S11, как упомянуто выше. Переключающий элемент А сформирован на фиг.8 и фиг.8а, в соответствии с фиг.1 и фиг.2, соответственно, при этом, конечно, также предусматривается возможность формирования переключающего элемента в соответствии с фиг.2а-фиг.5. В случае одного дополнительного силового полупроводникового переключателя S1.1, как показано на фиг.8, дополнительный силовой полупроводниковый переключатель S1.1 подключен встречно-последовательно относительно первого силового полупроводникового переключателя S1. В отличие от этого, в случае множества дополнительных силовых полупроводниковых переключателей S1.1, S1.2, как показано на фиг.8а, по меньшей мере, один дополнительный силовой полупроводниковый переключатель S1.1 подключен встречно-последовательно относительно первого силового полупроводникового переключателя S1, и, по меньшей мере, один дополнительный силовой полупроводниковый переключатель S1.2 подключен последовательно относительно первого силового полупроводникового переключателя S1. Каскадная система преобразователя может быть построена очень просто, например также с помощью вариантов воплощения коммутационной ячейки 1 в соответствии с фиг.8 и по фиг.8а, соответственно.
Очевидно, что специалист в данной области техники сможет свободно комбинировать все варианты воплощения коммутационной ячейки 1 в соответствии с фиг.2-8а, или со схемой преобразователя в соответствии с фиг.2-8а, а также между собой, как по одной, так и во множестве, для формирования системы преобразователя.
ПЕРЕЧЕНЬ ПОЗИЦИЙ
| 1 | Коммутационная ячейка |
| 2 | Первый накопитель энергии |
| 3 | Второй накопитель энергии |
| 4 | Третий накопитель энергии |
| А | Переключающий элемент коммутационной ячейки |
| S1 | Первый силовой полупроводниковый переключатель коммутационной ячейки |
| S2 | Второй силовой полупроводниковый переключатель коммутационной ячейки |
| S3 | Третий силовой полупроводниковый переключатель коммутационной ячейки |
| S4 | Четвертый силовой полупроводниковый переключатель коммутационной ячейки |
| S5 | Управляемый силовой полупроводниковый переключатель переключающего элемента коммутационной ячейки |
| S6 | Управляемый силовой полупроводниковый переключатель переключающего элемента коммутационной ячейки |
| S7 | Первый силовой полупроводниковый переключатель схемы преобразователя |
| S8 | Второй силовой полупроводниковый переключатель схемы преобразователя |
| S9 | Управляемый силовой полупроводниковый переключатель переключающего элемента коммутационной ячейки |
| S10 | Управляемый силовой полупроводниковый переключатель переключающего элемента коммутационной ячейки |
| S11 | Управляемый силовой полупроводниковый переключатель переключающего элемента коммутационной ячейки |
| S12 | Управляемый силовой полупроводниковый переключатель переключающего элемента коммутационной ячейки |
| D1, D2, D3, D4, D5, D6 | Силовые полупроводниковые переключатели переключающего элемента коммутационной ячейки |
1. Коммутационная ячейка (1), содержащая первый накопитель (2) энергии и второй накопитель (3) энергии, подключенные последовательно друг с другом, первый, второй, третий и четвертый силовые полупроводниковые переключатели (S1, S2, S3, S4), причем первый, второй, третий и четвертый силовые полупроводниковые переключатели (S1, S2, S3, S4) представляют собой управляемые двунаправленные силовые полупроводниковые переключатели с управляемой однонаправленной передачей тока, при этом первый, второй, третий и четвертый силовые полупроводниковые переключатели (S1, S2, S3, S4) подключены последовательно, первый силовой полупроводниковый переключатель (S1) подключен к первому накопителю (2) энергии, четвертый силовой полупроводниковый переключатель (S4) подключен ко второму накопителю (3) энергии, третий накопитель (4) энергии, подключенный к точке соединения между первым силовым полупроводниковым переключателем (S1) и вторым силовым полупроводниковым переключателем (S2) и к точке соединения между третьим силовым полупроводниковым переключателем (S3) и четвертым силовым полупроводниковым переключателем (S4), и переключающий элемент (А) с управляемой двунаправленной передачей тока, соединенный непосредственно с точкой соединения между вторым и третьим силовыми полупроводниковыми переключателями (S2, S3) и непосредственно с точкой соединения между первым накопителем (2) энергии и вторым накопителем (3) энергии.
2. Коммутационная ячейка (1) по п.1, в которой переключающий элемент (А) с управляемой двунаправленной передачей тока включает в себя два соединенных встречно-последовательно управляемых двунаправленных силовых полупроводниковых переключателя (S5, S6) с управляемой однонаправленной передачей тока.
3. Коммутационная ячейка (1) по п.1, в которой переключающий элемент (А) с управляемой двунаправленной передачей тока включает в себя один управляемый однонаправленный силовой полупроводниковый переключатель (S9) с управляемой однонаправленной передачей тока и четыре однонаправленных силовых полупроводниковых переключателя (D1, D2, D3, D4) с неуправляемой однонаправленной передачей тока.
4. Коммутационная ячейка (1) по п.1, в которой переключающий элемент (А) с управляемой двунаправленной передачей тока включает в себя первый и второй управляемые однонаправленные силовые полупроводниковые переключатели (S10, S11) с управляемой однонаправленной передачей тока и первый и второй однонаправленные силовые полупроводниковые переключатели (D5, D6) с неуправляемой однонаправленной передачей тока.
5. Коммутационная ячейка (1) по п.4, в которой первый управляемый однонаправленный силовой полупроводниковый переключатель (S10) с управляемой однонаправленной передачей тока переключающего элемента (А) и первый однонаправленный силовой полупроводниковый переключатель (D5) с неуправляемой однонаправленной передачей тока переключающего элемента (А) подключены последовательно, при этом второй управляемый однонаправленный силовой полупроводниковый переключатель (S11) с управляемой однонаправленной передачей тока переключающего элемента (А) и второй однонаправленный силовой полупроводниковый переключатель (D6) с неуправляемой однонаправленной передачей тока переключающего элемента (А) подключены последовательно, причем последовательная цепь, сформированная первым управляемым однонаправленным силовым полупроводниковым переключателем (S10) с управляемой однонаправленной передачей тока переключающего элемента (А) и первым однонаправленным силовым полупроводниковым переключателем (D5) с неуправляемой однонаправленной передачей тока переключающего элемента (А), соединена встречно-параллельно с последовательной цепью, сформированной вторым управляемым однонаправленным силовым полупроводниковым переключателем (S11) с управляемой однонаправленной передачей тока переключающего элемента (А) и вторым однонаправленным силовым полупроводниковым переключателем (D6) с неуправляемой однонаправленной передачей тока переключающего элемента (А).
6. Коммутационная ячейка (1) по п.1, в которой переключающий элемент (А) с управляемой двунаправленной передачей тока включает в себя управляемый силовой полупроводниковый переключатель (S12) с управляемой двунаправленной передачей тока.
7. Коммутационная ячейка (1) по любому из пп.1-6, в которой, по меньшей мере, один дополнительный силовой полупроводниковый переключатель (S1.1, S1.2) последовательно соединен между соединением первого силового полупроводникового переключателя (S1) с первым накопителем (2) энергии, и по меньшей мере, один дополнительный силовой полупроводниковый переключатель (S4.1, S4.2) последовательно соединен между соединением четвертого силового полупроводникового переключателя (S4) со вторым накопителем (S2) энергии, при этом каждый дополнительный силовой полупроводниковый переключатель (S1.1, S1.2, S4.1, S4.2) представляет собой управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый переключатель с управляемой однонаправленной передачей тока.
8. Коммутационная ячейка (1) по любому из пп.1-6, в которой, по меньшей мере, один дополнительный силовой полупроводниковый переключатель (S4.1, S4.2) соединен между соединением четвертого силового полупроводникового переключателя (S4) со вторым накопителем (3) энергии, при этом каждый дополнительный силовой полупроводниковый переключатель (S4.1, S4.2) представляет собой управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый переключатель с управляемой однонаправленной передачей тока.
9. Коммутационная ячейка (1) по п.8, в которой в случае одного дополнительного силового полупроводникового переключателя (S4.1) этот дополнительный силовой полупроводниковый переключатель (S4.1) подключен встречно-последовательно относительно четвертого силового полупроводникового переключателя (S4).
10. Коммутационная ячейка (1) по п.8, в которой в случае множества дополнительных силовых полупроводниковых переключателей (S4.1, S4.2), по меньшей мере, один дополнительный силовой полупроводниковый переключатель (S4.1) подключен встречно-последовательно относительно четвертого силового полупроводникового переключателя (S4), и, по меньшей мере, один дополнительный силовой полупроводниковый переключатель (S4.2) соединен последовательно относительно четвертого силового полупроводникового переключателя (S4).
11. Коммутационная ячейка (1) по любому из пп.1-6, в которой, по меньшей мере, один дополнительный силовой полупроводниковый переключатель (S1.1, S1.2) подключен между соединением первого силового полупроводникового переключателя (S1) со вторым силовым полупроводниковым переключателем (S2), при этом каждый дополнительный силовой полупроводниковый переключатель (S1.1, S1.2) представляет собой управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый переключатель с управляемой однонаправленной передачей тока.
12. Коммутационная ячейка (1) по п.11, в которой в случае одного дополнительного силового полупроводникового переключателя (S1.1) этот дополнительный силовой полупроводниковый переключатель (S1.1) подключен встречно-последовательно относительно первого силового полупроводникового переключателя (S1).
13. Коммутационная ячейка (1) по п.11, в которой в случае множества дополнительных силовых полупроводниковых переключателей (S1.1, S1.2), по меньшей мере, один дополнительный силовой полупроводниковый переключатель (S1.1) подключен встречно-последовательно относительно первого силового полупроводникового переключателя (S1) и, по меньшей мере, один дополнительный силовой полупроводниковый переключатель (S1.2) подключен последовательно относительно первого силового полупроводникового переключателя (S1).
14. Схема преобразователя для переключения большого числа уровней напряжения, содержащая первый силовой полупроводниковый переключатель (S7), второй силовой полупроводниковый переключатель (S8), соединенный последовательно с первым силовым полупроводниковым переключателем (S7), и коммутационную ячейку (1) по любому из пп.1-13, соединенную с первым силовым полупроводниковым переключателем (S7) схемы преобразователя и со вторым силовым полупроводниковым переключателем (S8) схемы преобразователя.
15. Схема преобразователя по п.14, в которой первый силовой полупроводниковый переключатель (S7) схемы преобразователя соединен с точкой соединения между первым силовым полупроводниковым переключателем (S1) коммутационной ячейки (1) и вторым силовым полупроводниковым переключателем (S2) коммутационной ячейки (1), и второй силовой полупроводниковый переключатель (S8) схемы преобразователя соединен с точкой соединения между третьим силовым полупроводниковым переключателем (S3) коммутационной ячейки (1) и четвертым силовым полупроводниковым переключателем (S4) коммутационной ячейки (1).
16. Схема преобразователя по п.14 или 15, в которой первый и второй силовые полупроводниковые переключатели (S7, S8) схемы преобразователя представляют собой управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый переключатель с управляемой однонаправленной передачей тока.
