專利名稱:用于轉(zhuǎn)換多個(gè)電壓級(jí)別的開關(guān)裝置單元和變換器電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及變換器電路領(lǐng)域。根據(jù)獨(dú)立權(quán)利要求的前序,它基于用于轉(zhuǎn)換多個(gè)電壓級(jí)別的變換器電路以及開關(guān)裝置單元(Schaltzelle)。
技術(shù)背景如今,在變換器技術(shù)中功率半導(dǎo)體開關(guān)更多地^皮使用,尤其是應(yīng) 用于轉(zhuǎn)換(Schaltung)多個(gè)電壓級(jí)別的變換器電路中。用于轉(zhuǎn)換多個(gè)電 壓級(jí)別的這種變換器電路是在"具有自電壓均衡的通用多級(jí)逆變器拓 樸,,(A Generalized Multilevel Inverter Topology with Self Voltage Balancing",正EE Transactions on Industry Applications, Vol.37, No.2, March/Apri12001 )中給出的。在圖1中相應(yīng)于用于轉(zhuǎn)換例如三個(gè)電壓 級(jí)別的變換器電路給出了開關(guān)裝置單元,開關(guān)裝置單元具有第一能量 存儲(chǔ)器和串聯(lián)于第一能量存儲(chǔ)器的第二能量存儲(chǔ)器。此外開關(guān)裝置單 元還具有第一、第二、第三和第四功率半導(dǎo)體開關(guān),其中第一、第二、 第三和第四功率半導(dǎo)體開關(guān)分別是具有^&控單向通電方向 (unidirektionaler StromfUehrungsrichtung)的可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān), 第一、第二、第三和第四功率半導(dǎo)體開關(guān)串聯(lián),第一功率半導(dǎo)體開關(guān) 與第一能量存儲(chǔ)器連接而第四功率半導(dǎo)體開關(guān)與第上能量存儲(chǔ)器連 接。第二功率半導(dǎo)體開關(guān)與第三功率半導(dǎo)體開關(guān)的連接點(diǎn)和第一能量 存儲(chǔ)器與第二能量存儲(chǔ)器的連接點(diǎn)連接,尤其是直接連接。此外,第 三能量存儲(chǔ)器和第一功率半導(dǎo)體開關(guān)與第二功率半導(dǎo)體開關(guān)的連接 點(diǎn),且和第三功率半導(dǎo)體開關(guān)與第四功率半導(dǎo)體開關(guān)的連接點(diǎn)連接。在基于根據(jù)在"具有自電壓均衡的通用多級(jí)逆變器拓樸"(A正EE Transactions on Industry Applications , Vol.37 , No.2, March/Apri12001 )的開關(guān)裝置單元的變換器電路中是有問題的,即在 例如所期望的較高數(shù)量的要轉(zhuǎn)換的電壓級(jí)別的情況下,比如五個(gè)或七 個(gè)電壓級(jí)別,必需的功率半導(dǎo)體開關(guān)的數(shù)量和必需的能量存儲(chǔ)器的數(shù) 量顯著增加,如才艮據(jù)在"具有自電壓均衡的通用多級(jí)逆變器拓樸"(A Generalized Multilevel Inverter Topology with Self Voltage Balancing", IEEE Transactions on Industry Applications , Vol.37 , No.2, March/Apri12001 )的圖1所示。由此有非常高的電路花費(fèi)且就功率半 導(dǎo)體開關(guān)而言還有高出很多的控制花費(fèi),由此通常情況下產(chǎn)生了增大 的干擾敏感性和由此導(dǎo)致較低的可用性。此外這種變換器電路需要大 量的空間。在"具有鉗位電壓穩(wěn)定的軟開關(guān)三級(jí)電容鉗位逆變器" (Soft-Switched Three-Level Capacitor Clamping Inverter with Claming Voltage Stabilization, IEEE Transactions on Industry Applications, Vol.36, No。 4, July/August2000)中也公開了具有第一能量存儲(chǔ)器、 串聯(lián)于第一能量存儲(chǔ)器的笫二能量存儲(chǔ)器、和第一、第二、第三和第四功率半導(dǎo)體開關(guān)的開關(guān)裝置單元,其中第一、第二、第三和第四功 率半導(dǎo)體開關(guān)分別是具有被控單向通電方向的可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)且第一、第二、第三和第四功率半導(dǎo)體開關(guān)串聯(lián),第一功率半導(dǎo) 體開關(guān)與第一能量存儲(chǔ)器連接而第四功率半導(dǎo)體開關(guān)與第二能量存 儲(chǔ)器連接。此外設(shè)置了笫三能量存儲(chǔ)器,第三能量存儲(chǔ)器和笫一功率 半導(dǎo)體開關(guān)與第二功率半導(dǎo)體開關(guān)的連接點(diǎn)及第三功率半導(dǎo)體開關(guān)與第四功率半導(dǎo)體開關(guān)的連接點(diǎn)連接。此外設(shè)置了具有祐:控雙向通電方向的開關(guān)元件,其通過第一電感和第一變壓器和第二功率半導(dǎo)體開 關(guān)與第三功率半導(dǎo)體開關(guān)的連接點(diǎn)連接,且其通過第二電感和第二變 壓器和第一能量存儲(chǔ)器與第二能量存儲(chǔ)器的連接點(diǎn)連接發(fā)明內(nèi)容因此,本發(fā)明任務(wù)在于給出這樣的開關(guān)裝置單元,使用該開關(guān)裝 置單元能夠?qū)崿F(xiàn)筒單和耐用的用于轉(zhuǎn)換多個(gè)電壓級(jí)別且具有少量元 件的變換器電路,此外變換器電路適于少的空間需求。此外還給出了這種變換器電路。這些任務(wù)通過權(quán)利要求1和14的特征來解決。在 所附權(quán)利要求書中給出了有利的本發(fā)明的變型。根據(jù)本發(fā)明用于轉(zhuǎn)換多個(gè)電壓級(jí)別的開關(guān)裝置單元具有第 一能 量存儲(chǔ)器和串聯(lián)于第一能量存儲(chǔ)器的第二能量存儲(chǔ)器。此外開關(guān)裝置 單元還具有第一、第二、第三和笫四功率半導(dǎo)體開關(guān),其中第一、第 二、第三和第四功率半導(dǎo)體開關(guān)分別是具有#皮控單向通電方向的可控 雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)且第一、第二、第三和第四功率半導(dǎo)體開關(guān)串聯(lián), 而第一功率半導(dǎo)體開關(guān)與第一能量存儲(chǔ)器連接和第四功率半導(dǎo)體開關(guān)與第二能量存儲(chǔ)器連接。此外第三能量存儲(chǔ)器和第一功率半導(dǎo)體開 關(guān)與笫二功率半導(dǎo)體開關(guān)的連^秦點(diǎn),還和第三功率半導(dǎo)體開關(guān)與第四 功率半導(dǎo)體開關(guān)的連接點(diǎn)連接。根據(jù)本發(fā)明具有祐j空雙向通電方向的 開關(guān)元件直接和第二與第三功率半導(dǎo)體開關(guān)的連接點(diǎn)連接且直接和 第一能量存儲(chǔ)器與第二能量存儲(chǔ)器的連接點(diǎn)連接。由此有利地在第一 能量存儲(chǔ)器與第二能量存儲(chǔ)器的連接點(diǎn)上的電流能夠在兩個(gè)方向上 調(diào)節(jié)或控制。此外借助根據(jù)本發(fā)明的開關(guān)裝置單元能夠?qū)崿F(xiàn)變換器電 路,與變換器電路的功率半導(dǎo)體開關(guān)連接,例如轉(zhuǎn)換五個(gè)和七個(gè)電壓 級(jí)別,而不必顯著增加變換器電路中要控制的開關(guān)元件的總數(shù)量。此 外,有利地,能量存儲(chǔ)器的數(shù)量不變。因此,使用根據(jù)本發(fā)明的開關(guān) 裝置單元,這種變換器電路的電路花費(fèi)能夠保持爭(zhēng)支低,其中相應(yīng)于開 關(guān)元件的控制花費(fèi)同樣能夠保持較低。由此這種具有根據(jù)本發(fā)明的開 關(guān)裝置單元的變換器電路全部可以非常簡(jiǎn)單地構(gòu)建,具有較小的干擾 敏感性且需要最小空間。本發(fā)明這個(gè)和其它任務(wù)、優(yōu)點(diǎn)和特征將從以下對(duì)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施 例的具體介紹并結(jié)合附圖而變得清楚。
顯示了圖1 根據(jù)本發(fā)明的開關(guān)裝置單元的笫一實(shí)施例,圖2根據(jù)本發(fā)明的用于轉(zhuǎn)換多個(gè)電壓級(jí)別且具有根據(jù)圖1的開 關(guān)裝置單元的變換器電路的第一實(shí)施例,圖2a根據(jù)本發(fā)明用于轉(zhuǎn)換多個(gè)電壓級(jí)別且具有根據(jù)本發(fā)明的 開關(guān)裝置單元第二實(shí)施例的變換器電路的笫二實(shí)施例,圖3根據(jù)本發(fā)明用于轉(zhuǎn)換多個(gè)電壓級(jí)別且具有根據(jù)本發(fā)明開關(guān) 裝置單元第三實(shí)施例的變換器電路第三實(shí)施例,圖4根據(jù)本發(fā)明用于轉(zhuǎn)換多個(gè)電壓級(jí)別且具有根據(jù)本發(fā)明開關(guān) 裝置單元的第四實(shí)施例的變換器電路的第四實(shí)施例,圖5根據(jù)本發(fā)明用于轉(zhuǎn)換多個(gè)電壓級(jí)別且具有根據(jù)本發(fā)明開關(guān) 裝置單元的第五實(shí)施例的變換器電路的第五實(shí)施例,圖6根據(jù)本發(fā)明變換器電路的第六實(shí)施例,用于轉(zhuǎn)換多個(gè)電壓 級(jí)別且具有根據(jù)本發(fā)明開關(guān)裝置單元的第六實(shí)施例,圖7根據(jù)本發(fā)明用于轉(zhuǎn)換多個(gè)電壓級(jí)別且具有根據(jù)本發(fā)明開關(guān) 裝置單元的第七實(shí)施例的變換器電路的第七實(shí)施例,圖7a根據(jù)本發(fā)明用于轉(zhuǎn)^:多個(gè)電壓級(jí)別且具有根據(jù)本發(fā)明開 關(guān)裝置單元第八實(shí)施例的變換器電路的第八實(shí)施例,圖8根據(jù)本發(fā)明用于轉(zhuǎn)換多個(gè)電壓級(jí)別且具有根據(jù)本發(fā)明開關(guān) 裝置單元第九實(shí)施例的變換器電路的第九實(shí)施例,及圖8a根據(jù)本發(fā)明用于轉(zhuǎn)換多個(gè)電壓級(jí)別且具有根據(jù)本發(fā)明開 關(guān)裝置單元第十實(shí)施例的變換器電路的第十實(shí)施例。在附圖中使用的附圖標(biāo)記與其含義在附圖標(biāo)記列表中概括性地 列出。基本上在這些圖中相同部分提供有相同附圖標(biāo)記。所述實(shí)施例 是本發(fā)明的示例而不起限制作用。附圖標(biāo)記列表1 開關(guān)裝置單元2 第一能量存儲(chǔ)器3 第二能量存儲(chǔ)器4 第三能量存儲(chǔ)器A 開關(guān)裝置單元的開關(guān)元件51 開關(guān)裝置單元的第一功率半導(dǎo)體開關(guān)52 開關(guān)裝置單元的第二功率半導(dǎo)體開關(guān)53 開關(guān)裝置單元的第三功率半導(dǎo)體開關(guān)54 開關(guān)裝置單元的第四功率半導(dǎo)體開關(guān)55 開關(guān)裝置單元的開關(guān)元件的可控功率半導(dǎo)體開關(guān)56 開關(guān)裝置單元的開關(guān)元件的可控功率半導(dǎo)體開關(guān)57 變換器電路的第一功率半導(dǎo)體開關(guān)58 變換器電路的第二功率半導(dǎo)體開關(guān)59 開關(guān)裝置單元開關(guān)元件的可控功率半導(dǎo)體開關(guān)510 開關(guān)裝置單元開關(guān)元件的可控功率半導(dǎo)體開關(guān)511 開關(guān)裝置單元開關(guān)元件的可控功率半導(dǎo)體開關(guān)512 開關(guān)裝置單元開關(guān)元件的可控功率半導(dǎo)體開關(guān) Dl、 D2、D3、 D4、D5、 D6 開關(guān)裝置單元開關(guān)元件的功率半導(dǎo)體開關(guān)具體實(shí)施方式
在圖1中描述了根據(jù)本發(fā)明開關(guān)裝置單元l的第一實(shí)施例。此外, 在圖2中顯示了根據(jù)本發(fā)明用于轉(zhuǎn)換多個(gè)電壓級(jí)別且具有根據(jù)圖1的 開關(guān)裝置單元的變換器開關(guān)的第一實(shí)施例。根據(jù)圖2,用于轉(zhuǎn)換多個(gè) 電壓級(jí)別的變換器電路具有第一功率半導(dǎo)體開關(guān)S7以及串聯(lián)于第一 功率半導(dǎo)體開關(guān)S7的笫二功率半導(dǎo)體開關(guān)S8。根據(jù)圖2隨后笫一功 率半導(dǎo)體開關(guān)S7與第二功率半導(dǎo)體開關(guān)S8的連接點(diǎn)構(gòu)成了相位連接,比如所示相位R。根據(jù)圖1和圖2開關(guān)裝置單元1具有第一能量 存儲(chǔ)器2和串聯(lián)于第一能量存儲(chǔ)器2的第二能量存儲(chǔ)器3。此外,開 關(guān)裝置單元1還具有第一、笫二、第三和笫四功率半導(dǎo)體開關(guān)Sl、 S2、 S3、 S4,其中第一、第二、第三和第四功率半導(dǎo)體開關(guān)S1、 S2、 S3、 S4分別是具有^皮控單向通電方向的可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)。根據(jù)圖 1,各個(gè)分別作為具有纟皮控單向通電方向的可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān) 實(shí)施的開關(guān)裝置單元1的第一、第二、第三和第四功率半導(dǎo)體開關(guān)S1、 S2、 S3、 S4,舉例來說通過絕緣柵雙極晶體管(IGBT)和通過與該雙極 晶體管反并聯(lián)(antiparallel)連接的二極管形成。也可以想到的是前面 提到的可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)例如作為具有另外的反并聯(lián)連接的 二極管的功率MOSFET來實(shí)施。根據(jù)圖2的變換器電路,變換器電路 的第一和第二功率半導(dǎo)體開關(guān)S7、 S8分別是具有纟皮控單向通電方向 的可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)。舉例來講,根據(jù)圖2各個(gè)分別作為具有 被控單向通電方向的可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)實(shí)施的第一和第二功 率半導(dǎo)體開關(guān)S7、 S8通過絕緣4冊(cè)雙極晶體管(IGBT)和通過與雙極晶 體管反并聯(lián)連接的二極管形成。還可以想到的是前面提到的可控雙向 功率半導(dǎo)體開關(guān)比如作為具有另外的反并聯(lián)連接的二極管的功率MOSFET來實(shí)施。根據(jù)圖1和圖2,開關(guān)裝置單元l的第一、第二、第三和第四功 率半導(dǎo)體開關(guān)Sl、 S2、 S3、 S4串聯(lián)且第一功率半導(dǎo)體開關(guān)Sl與第一 能量存儲(chǔ)器2連接和第四功率半導(dǎo)體開關(guān)S4與第二能量存儲(chǔ)器3連 接。此外第三能量存儲(chǔ)器4和第一功率半導(dǎo)體開關(guān)Sl與第二功率半 導(dǎo)體開關(guān)S2的連接點(diǎn)且和第三功率半導(dǎo)體開關(guān)S3與第四功率半導(dǎo)體 開關(guān)S4的連4秦點(diǎn)連4妄。沖艮據(jù)本發(fā)明,祐L控雙向通電方向的開關(guān)元件A直接和第二與第三 功率半導(dǎo)體開關(guān)S2, S3的連接點(diǎn)連接并直接和第一能量存儲(chǔ)器2與 第二能量存儲(chǔ)器3的連接點(diǎn)連接。有利地,由此在第一能量存儲(chǔ)器2 與第二能量存儲(chǔ)器3的連接點(diǎn)上的電流能夠在兩個(gè)方向上調(diào)節(jié)或控制。此外借助根據(jù)本發(fā)明的開關(guān)裝置單元l能夠?qū)崿F(xiàn)變換器電路,與 變換器電路的功率半導(dǎo)體開關(guān)連接,例如轉(zhuǎn)換五個(gè)和七個(gè)電壓級(jí)別, 而不必顯著增加變換器電路中要控制的開關(guān)元件的總數(shù)量。此外,有利地,能量存儲(chǔ)器2、 3、 4的數(shù)量不變。因此,使用根據(jù)本發(fā)明的開 關(guān)裝置單元,這種變換器電路的電路花費(fèi)能夠保持較低,其中關(guān)于開 關(guān)元件的控制花費(fèi)同樣能夠保持較低。由此這種具有根據(jù)本發(fā)明的開 關(guān)裝置單元的變換器電路全部可以非常簡(jiǎn)單地構(gòu)建,干擾敏感小且需 要最小空間。正如在圖2中舉例來說的^^艮據(jù)本發(fā)明的變換器電路的實(shí)施例所 示,還有在圖3到圖8a(其實(shí)施例以下還要具體介紹)中所示,開關(guān) 裝置單元1通常與變換器電路的第一功率半導(dǎo)體開關(guān)S7連接,還與 變換器電路的第二功率半導(dǎo)體開關(guān)S8連接。關(guān)于根據(jù)本發(fā)明的開關(guān) 裝置單元l,尤其是根據(jù)圖2到圖8a,實(shí)現(xiàn)了例如能夠轉(zhuǎn)^:五個(gè)和七 個(gè)電壓級(jí)別的變換器電路而不必顯著提高要控制的變換器電路的開 關(guān)元件總數(shù)量。如果借助變換器電路僅轉(zhuǎn)換五個(gè)電壓級(jí)別,有利地, 冗余開關(guān)狀態(tài)組合或電壓級(jí)別的數(shù)量增加了 ,即借助變換器電路的功 率半導(dǎo)體開關(guān)S7、 S8的更多的開關(guān)狀態(tài)組合,開關(guān)裝置單元1的第 一、第二、第三和第四功率半導(dǎo)體開關(guān)Sl、 S2、 S3、 S4的更多的開 關(guān)狀態(tài)組合,還有開關(guān)元件A的更多的開關(guān)狀態(tài)組合,例如同一電壓 級(jí)別能夠在相位連接處(Phasenanschluss)^皮調(diào)整。由此,能夠例如達(dá)到 變換器電路的要控制的開關(guān)元件的均勻負(fù)荷,且第三能量存儲(chǔ)器4能 夠設(shè)置的小,因?yàn)榻柚哂嗟拈_關(guān)狀態(tài)組合既能夠?qū)嗜芰看鎯?chǔ)器 4充電,也能夠?qū)Φ谌芰看鎯?chǔ)器4放電。使用根據(jù)本發(fā)明的開關(guān)裝 置單元1,這種變換器電路能夠有利地保持低的電路花費(fèi),其中關(guān)于 要控制的開關(guān)元件的控制花費(fèi)同樣能夠保持較低。由此,使用根據(jù)本 發(fā)明開關(guān)裝置單元1,這種根據(jù)本發(fā)明的變換器電路整個(gè)非常簡(jiǎn)單地 構(gòu)建、耐用且僅需要少的空間。根據(jù)圖2到圖8a,在根據(jù)本發(fā)明的變換器電路中,通常變換器電路的第一功率半導(dǎo)體開關(guān)S7和開關(guān)裝置單元1的第一功率半導(dǎo)體開 關(guān)Sl與開關(guān)裝置單元1的第二功率半導(dǎo)體開關(guān)S2的連接點(diǎn)連接,且 變換器電路的第二功率半導(dǎo)體開關(guān)S8和開關(guān)裝置單元1的第三功率 半導(dǎo)體開關(guān)S3與開關(guān)裝置單元1的第四功率半導(dǎo)體開關(guān)S4的連接點(diǎn) 連#"。由此可以想到的是,簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)了根據(jù)本發(fā)明變換器電路,從 而實(shí)現(xiàn)較小的干擾敏感和節(jié)約的空間。才艮據(jù)圖1和圖2,開關(guān)裝置單元1的具有^皮控雙向通電方向的開 關(guān)元件A具有兩個(gè)反串聯(lián)(antiseriell)連接的具有被控單向通電方向 的可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)S5、 S6。如前所述,具有^皮控單向通電方 向的可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)S5、 S6能夠分別相應(yīng)于功率半導(dǎo)體開 關(guān)S1、 S2、 S3、 S4、 S7、 S8來實(shí)施。在具有祐_控單向通電方向的可 控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)S5、 S6反串聯(lián)連接時(shí),僅存在兩種可能,即 或者根據(jù)圖1和圖2,或者按照?qǐng)D2a,根據(jù)本發(fā)明用于轉(zhuǎn)換多個(gè)電壓 級(jí)別且具有根據(jù)本發(fā)明開關(guān)裝置單元1第二實(shí)施例的變換器電路的第 二實(shí)施例。在圖3中示出了根據(jù)本發(fā)明用于轉(zhuǎn)換多個(gè)電壓級(jí)別的變換器電路 的第三實(shí)施例,其具有根據(jù)本發(fā)明開關(guān)裝置單元l的第三實(shí)施例。其 中具有祐:控雙向通電方向的開關(guān)元件A具有有祐j空單向通電方向的 可控單向功率半導(dǎo)體開關(guān)S9和四個(gè)具有非被_控單向通電方向的單向 功率半導(dǎo)體開關(guān)D1、 D2、 D3、 D4。如前所述,具有^皮控單向通電方 向的可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)S9能夠相應(yīng)于功率半導(dǎo)體開關(guān)S1、S2、 S3、 S4, S5、 S6、 S7、 S8來實(shí)施。此外,四個(gè)具有非被控單向通電 方向的單向功率半導(dǎo)體開關(guān)D1、 D2、 D3、 D4,舉例來說,分別作為 二^f及管實(shí)施,其相應(yīng)于圖3和開關(guān)元件A的具有被:控單向通電方向的 可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)S9連接。根據(jù)圖3構(gòu)成的開關(guān)元件A由此 僅具有唯一的具有被控單向通電方向的可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)S9, 因此控制花費(fèi)進(jìn)一步降低且出現(xiàn)了干擾敏感性的進(jìn)一步改善。此外開 關(guān)損耗也能夠降低。在圖4中,描述了根據(jù)本發(fā)明用于轉(zhuǎn)換多個(gè)電壓級(jí)別的變換器電 路第四實(shí)施例,其具有根據(jù)本發(fā)明開關(guān)裝置單元1的第四實(shí)施例。其 中具有被控雙向通電方向的開關(guān)元件A具有第一和第二具有^皮控單 向通電方向的可控單向功率半導(dǎo)體開關(guān)SIO、 Sll,還具有第一和第二 具有非被控單向通電方向的單向功率半導(dǎo)體開關(guān)D5、 D6。如前所述, 具有被控單向通電方向的可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)SIO、 Sll能夠分 別是相應(yīng)于功率半導(dǎo)體開關(guān)Sl、 S2、 S3、 S4、 S5、 S6、 S7、 S8、 S9 實(shí)施。此外,這兩個(gè)具有非^皮控單向通電方向的單向功率半導(dǎo)體開關(guān) D5、 D6,舉例來說,分別作為二極管實(shí)施。按照?qǐng)D4,開關(guān)元件A的 具有祐j空單向通電方向的第一可控單向功率半導(dǎo)體開關(guān)S10和開關(guān)元 件A的具有非^f皮控單向通電方向的第一單向功率半導(dǎo)體開關(guān)D5串聯(lián)。 此外,開關(guān)元件A的具有^皮控單向通電方向的第二可控單向功率半導(dǎo) 體開關(guān)S11與開關(guān)元件A的具有非被控單向通電方向的第二單向功率 半導(dǎo)體開關(guān)D6串聯(lián)。另外,開關(guān)元件A的具有^皮控單向通電方向的 第 一可控單向功率半導(dǎo)體開關(guān)S10與開關(guān)元件A的具有非^皮控單向通 電方向的笫一單向功率半導(dǎo)體開關(guān)D5的串聯(lián)電路反并聯(lián)地連接到開 關(guān)元件A的具有^皮控單向通電方向的第二可控單向功率半導(dǎo)體開關(guān) Sll與開關(guān)元件A的具有非^皮控單向通電方向的第二單向功率半導(dǎo)體 開關(guān)D6的串聯(lián)電路。根據(jù)圖5,在根據(jù)本發(fā)明用于轉(zhuǎn)換多個(gè)電壓級(jí)別且具有根據(jù)本發(fā) 明開關(guān)裝置單元l的第五實(shí)施例的變換器電路的第五實(shí)施例中,具有 4皮控雙向通電方向的開關(guān)元件A,其具有帶^皮控雙向通電方向的可控 功率半導(dǎo)體開關(guān)si2。根據(jù)圖5構(gòu)成的開關(guān)元件A由此僅具有唯一的 可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)S12,因此控制花費(fèi)能夠進(jìn)一步降低且由此 出現(xiàn)了干擾敏感性的進(jìn)一步改善。此外開關(guān)損耗也能夠降低。另外, 有利地,導(dǎo)通損耗也降低,因?yàn)樵诰哂械v:控雙向通電方向的開關(guān)元件 A中僅設(shè)置了唯一的可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)S12。在圖6中顯示了根據(jù)本發(fā)明用于轉(zhuǎn)換多個(gè)電壓級(jí)別的變換器電路的第六實(shí)施例,其具有根據(jù)本發(fā)明開關(guān)裝置單元l的第六實(shí)施例。在圖6的開關(guān)裝置單元1中第一功率半導(dǎo)體開關(guān)Sl與第一能量存儲(chǔ)器2 的連接之間兩個(gè)其它功率半導(dǎo)體開關(guān)Sl.l、 S1.2串聯(lián),其中第四功率 半導(dǎo)體開關(guān)S4與第二能量存儲(chǔ)器2連接之間同樣有兩個(gè)其它功率半 導(dǎo)體開關(guān)S4.1、 S4.2串聯(lián)進(jìn)來。通常,在開關(guān)裝置單元l中第一功率 半導(dǎo)體開關(guān)Sl與第一能量存儲(chǔ)器2連接之間至少有一個(gè)其它功率半 導(dǎo)體開關(guān)Sl.l、 S1.2串聯(lián)進(jìn)來,此外,其中第四功率半導(dǎo)體開關(guān)S4 與第二能量存儲(chǔ)器2連接之間至少有一個(gè)其它功率半導(dǎo)體開關(guān)S4.1、 S4.2串聯(lián)進(jìn)來。各個(gè)附加的功率半導(dǎo)體開關(guān)Sl.l、 S1.2、 S4.1、 S4.2 分別是具有凈皮控單向通電方向的可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)。如前所 述,其它的功率半導(dǎo)體開關(guān)Sl.l, S1.2, S4.1, S4.2能夠分別相應(yīng)于 功率半導(dǎo)體開關(guān)S1、 S2、 S3、 S4、 S5、 S6、 S7、 S8, S9, SIO、 Sll 來實(shí)施。開關(guān)元件A根據(jù)圖l或圖2構(gòu)成,以下很明顯也是可以理解 的,即根據(jù)圖2a到圖5構(gòu)成開關(guān)元件。如果借助變換器電路僅切換五 個(gè)電壓級(jí)別,所有功率半導(dǎo)體開關(guān)Sl、 SU、 S1.2、 S2、 S3、 S4、 S4.1、 S4.2、 S5、 S6、 S7、 S8能夠有利地設(shè)置為相同的截止電壓。如果至少 兩個(gè)其它的功率半導(dǎo)體開關(guān)S1.1、S1.2串聯(lián)進(jìn)第一功率半導(dǎo)體開關(guān)Sl 與第 一能量存儲(chǔ)器2連接之間,且至少兩個(gè)其它功率半導(dǎo)體開關(guān)S4.1 、 S4.2串聯(lián)進(jìn)第四功率半導(dǎo)體開關(guān)S4與第二能量存儲(chǔ)器2連接之間, 如圖6所示,串聯(lián)的功率半導(dǎo)體開關(guān)Sl.l、 S1.2、 S4.1、 S4.2能夠有 利地以偏移的方式計(jì)時(shí),從而更好地分?jǐn)傞_關(guān)損耗。如果只有唯一的 其它功率半導(dǎo)體開關(guān)SU串聯(lián)進(jìn)笫一功率半導(dǎo)體開關(guān)Sl與第一能量 存儲(chǔ)器2連接之間且只有唯一的其它功率半導(dǎo)體開關(guān)S4.1串聯(lián)進(jìn)第四 功率半導(dǎo)體開關(guān)S4與第二能量存儲(chǔ)器2連接之間,則串聯(lián)的功率半 導(dǎo)體開關(guān)Sl.l、 S4.1能夠以有利的方式設(shè)置有兩倍的截止電壓,其中 隨后這些其它的功率半導(dǎo)體開關(guān)Sl.l、 S4.1能夠用相比于開關(guān)裝置單 元1的第一功率半導(dǎo)體開關(guān)Sl且相比于開關(guān)裝置單元1的第四功率 半導(dǎo)體開關(guān)S4更低的轉(zhuǎn)換頻率來驅(qū)動(dòng),從而使其它功率半導(dǎo)體開關(guān)Sl.l、 S4.1的整個(gè)導(dǎo)通損耗能夠保持很小。例如,這種具有兩倍截止 電壓的其它功率半導(dǎo)體開關(guān)Sl.l、 S4.1能夠作為集成的通過控制電極 計(jì)算的閘流晶體管(IGCT-集成門極換向閘流晶體管)或具有總是反并 聯(lián)連接的二極管的門控閘流晶體管(GTO),其中第一功率半導(dǎo)體開關(guān) Sl和第四功率半導(dǎo)體開關(guān)S4例如可以是絕緣柵雙極型晶體管(IGBT) 或具有分別反并聯(lián)連接的二極管的功率MOSFET。借助根據(jù)本發(fā)明開 關(guān)裝置單元1按照?qǐng)D6的實(shí)施例有利地,例如能夠非常輕松地構(gòu)建級(jí) 聯(lián)的變換器系統(tǒng)。圖7顯示了根據(jù)本發(fā)明用于轉(zhuǎn)換多個(gè)電壓級(jí)別且具有根據(jù)本發(fā)明 開關(guān)裝置單元1的第七實(shí)施例的變換器電路的第七實(shí)施例。此外,在 圖7a中顯示了根據(jù)本發(fā)明用于轉(zhuǎn)換多個(gè)電壓級(jí)別且具有根據(jù)本發(fā)明 開關(guān)裝置單元1第八實(shí)施例的變換器電路的第八實(shí)施例。通常,在按 照?qǐng)D7和圖7a的開關(guān)裝置單元l中,第四功率半導(dǎo)體開關(guān)S4與第二 能量存儲(chǔ)器3連接之間至少一個(gè)其它功率半導(dǎo)體開關(guān)S4.1、S4.2連入。 各個(gè)其它功率半導(dǎo)體開關(guān)S4.1、 S4.2分別是具有祐j空單向通電方向的 可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)。如前所述,其它功率半導(dǎo)體開關(guān)S4.1、 S4.2 能夠分別相應(yīng)于功率半導(dǎo)體開關(guān)Sl、 S2、 S3、 S4、 S5、 S6、 S7、 S8、 S9、 SIO、 Sll來實(shí)施。圖7和圖7a的開關(guān)單元A相應(yīng)于圖1和圖2 構(gòu)成,其中很明顯也可以想到的是,根據(jù)圖2a到圖5構(gòu)成開關(guān)元件。 如果是唯一的其它功率半導(dǎo)體開關(guān)S4.1,如圖7所示,則其它功率半 導(dǎo)體開關(guān)S4.1反串聯(lián)地與第四功率半導(dǎo)體開關(guān)S4連接。與此不同的 是,如果較多其它功率半導(dǎo)體開關(guān)S4.1、 S4.2,如圖7a所示,則至少 一個(gè)其它功率半導(dǎo)體開關(guān)S4.1反串聯(lián)地與第四功率半導(dǎo)體開關(guān)S4連 接且至少一個(gè)其它功率半導(dǎo)體開關(guān)S4.2與第四功率半導(dǎo)體開關(guān)S4串 行連接。借助參照?qǐng)D7和圖7a的根據(jù)本發(fā)明的開關(guān)裝置單元1的實(shí)施 例同樣能夠例如有利地非常輕^H也構(gòu)建級(jí)聯(lián)的變換器系統(tǒng)。明開關(guān)裝置單元1第九實(shí)施例的變換器電路的第九實(shí)施例。此外在圖8a中是根據(jù)本發(fā)明用于轉(zhuǎn)換多個(gè)電壓級(jí)別且具有根據(jù)本發(fā)明開關(guān)裝 置單元1第十實(shí)施例的變換器電路的第十實(shí)施例。通常在開關(guān)裝置單 元1中,根據(jù)圖8和圖8a笫一功率半導(dǎo)體開關(guān)Sl與笫二功率半導(dǎo)體 開關(guān)S2連接之間至少一個(gè)其它功率半導(dǎo)體開關(guān)Sl.l、 S1.2聯(lián)入。各 個(gè)其它功率半導(dǎo)體開關(guān)Sl.l、 S1.2分別是具有被控單向通電方向的可 控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)。如前所述,另外的功率半導(dǎo)體開關(guān)Sl.l、 S1.2 能夠分別相應(yīng)于功率半導(dǎo)體開關(guān)Sl、 S2、 S3、 S4、 S5、 S6、 S7、 S8、 S9、 SIO、 Sll實(shí)施。圖8和圖8a的開關(guān)元件A相應(yīng)于圖1或圖2構(gòu) 成,其中很明顯也可想到的是,根據(jù)圖2a到圖5構(gòu)成開關(guān)元件。如圖 8所示,如果是唯一的附加功率半導(dǎo)體開關(guān)Sl.l,則附加功率半導(dǎo)體 開關(guān)S1.1反串聯(lián)地與第一功率半導(dǎo)體開關(guān)S1連"I妄。與此不同,如圖 8a所示,如果較多附加功率半導(dǎo)體開關(guān)Sl.l、 S1.2,至少一個(gè)其它功 率半導(dǎo)體開關(guān)SU反串聯(lián)地與第一功率半導(dǎo)體開關(guān)Sl連接,且至少 一個(gè)附加功率半導(dǎo)體開關(guān)S1.2與笫一功率半導(dǎo)體開關(guān)Sl串行連接。 同樣地,借助按照?qǐng)D8或圖8a根據(jù)本發(fā)明開關(guān)裝置單元1的實(shí)施例, 能夠有利地例如非常輕杠、地構(gòu)建級(jí)聯(lián)的變換器系統(tǒng)。4艮明顯,對(duì)于本領(lǐng)域的才支術(shù)人員,既可以一次,也可以多次地將 按照?qǐng)D2到圖8a根據(jù)本發(fā)明開關(guān)裝置單元1和根據(jù)圖2到圖8a變換 器電路的全部實(shí)施例相互組合為變換器系統(tǒng)。
權(quán)利要求
1.一種開關(guān)裝置單元(1),具有第一能量存儲(chǔ)器(2)和串聯(lián)于所述第一能量存儲(chǔ)器(2)的第二能量存儲(chǔ)器(3),還具有第一、第二、第三和第四功率半導(dǎo)體開關(guān)(S1、S2、S3、S4),其中所述第一、第二、第三和第四功率半導(dǎo)體開關(guān)(S1,S2,S3,S4)分別是具有被控單向通電方向的可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān),且所述第一、第二、第三和第四功率半導(dǎo)體開關(guān)(S1、S2、S3、S4)串聯(lián),并且所述第一功率半導(dǎo)體開關(guān)(S1)與所述第一能量存儲(chǔ)器(2)連接,且所述第四功率半導(dǎo)體開關(guān)(S4)與所述第二能量存儲(chǔ)器(3)連接,還具有第三能量存儲(chǔ)器(4),所述第三能量存儲(chǔ)器(4)和所述第一功率半導(dǎo)體開關(guān)(S1)與所述第二功率半導(dǎo)體開關(guān)(S2)的連接點(diǎn)連接,且和所述第三功率半導(dǎo)體開關(guān)(S3)與所述第四功率半導(dǎo)體開關(guān)(S4)的連接點(diǎn)連接,其特征在于,具有被控雙向通電方向的開關(guān)元件(A)直接與所述第二與所述第三功率半導(dǎo)體開關(guān)(S2,S3)的連接點(diǎn)連接,且直接和所述第一能量存儲(chǔ)器(2)與所述第二能量存儲(chǔ)器(3)的連接點(diǎn)連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)裝置單元(l),其特征在于,所述 具有被控雙向通電方向的開關(guān)元件(A)具有兩個(gè)反串聯(lián)連接的具有被 控單向通電方向的可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)(S5, S6)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)裝置單元(l),其特征在于,所述 具有纟皮控雙向通電方向的開關(guān)元件(A)具有帶祐:控單向通電方向的可 控單向功率半導(dǎo)體開關(guān)(S9),且具有非一皮控單向通電方向的四個(gè)單向 功率半導(dǎo)體開關(guān)(Dl, D2, D3, D4)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)裝置單元(l),其特征在于,所述 具有被控雙向通電方向的開關(guān)元件(A)具有第 一和第二具有被控單向 通電方向的可控單向功率半導(dǎo)體開關(guān)(SIO、 Sll),還具有笫一和第二具有非被控單向通電方向的單向功率半導(dǎo)體開關(guān)(D5、 D6)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的開關(guān)裝置單元(l),其特征在于,所述 開關(guān)元件(A)的具有^皮控單向通電方向的所述第一可控單向功率半導(dǎo) 體開關(guān)(S10)和所述開關(guān)元件(A)的具有非^L控單向通電方向的所述第 一單向功率半導(dǎo)體開關(guān)(D5)串聯(lián),所述開關(guān)元件(A)的具有被^控單向通電方向的所述第二可控單向 功率半導(dǎo)體開關(guān)(S11)和所述開關(guān)元件(A)的具有非被控單向通電方向 的所述第二單向功率半導(dǎo)體開關(guān)(D6)串聯(lián),及所述開關(guān)元件(A)的具有被控單向通電方向的所述第一可控單向 功率半導(dǎo)體開關(guān)(S10)與所述開關(guān)元件(A)的具有非^皮控單向通電方向 的所述第一單向功率半導(dǎo)體開關(guān)(D5)的串行連接反并聯(lián)于所述開關(guān)元 件(A)的具有^皮控單向通電方向的所述第二可控單向功率半導(dǎo)體開關(guān) (S11)與所述開關(guān)元件(A)的具有非^皮控單向通電方向的所述第二單向 功率半導(dǎo)體開關(guān)(D6)的串行連接。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)裝置單元(l),其特征在于,所述 具有被控雙向通電方向的開關(guān)元件(A)具有帶被控雙向通電方向的可 控功率半導(dǎo)體開關(guān)(S12)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1到6中的任一項(xiàng)所述的開關(guān)裝置單元(l),其 特征在于,所述第一功率半導(dǎo)體開關(guān)(S1)與所述第一能量存儲(chǔ)器(2)的 連接之間串行聯(lián)入至少一個(gè)其它的功率半導(dǎo)體開關(guān)(Sl.l, S1.2),及所述第四功率半導(dǎo)體開關(guān)(S4)與所述第二能量存儲(chǔ)器(2)的連接 之間串行聯(lián)入至少一個(gè)其它功率半導(dǎo)體開關(guān)(S4.1, S4.2),其中各個(gè)其 它的功率半導(dǎo)體開關(guān)(Sl.l, S1.2, S4.1, S4.2)分別是具有被控單向通 電方向的可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1到6中的任一項(xiàng)所述的開關(guān)裝置單元(l),其 特征在于,所述第四功率半導(dǎo)體開關(guān)(S4)與所述第二能量存儲(chǔ)器(3)的 連接之間聯(lián)入至少一個(gè)其它功率半導(dǎo)體開關(guān)(S4.1, S4.2),其中各個(gè)其 它的功率半導(dǎo)體開關(guān)(S4.1, S4.2)分別是具有被控單向通電方向的可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的開關(guān)裝置單元(l),其特征在于,在唯 一的其它的功率半導(dǎo)體開關(guān)(S4.1)的情況下,所述其它的功率半導(dǎo)體 開關(guān)(S4.1)反串聯(lián)于所述第四功率半導(dǎo)體開關(guān)(S4)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的開關(guān)裝置單元(1),其特征在于,在較 多其它功率半導(dǎo)體開關(guān)(S4.1, S4.2)的情況下,至少一個(gè)其它功率半導(dǎo) 體開關(guān)(S4.1)反串聯(lián)地與所述第四功率半導(dǎo)體開關(guān)(S4)連接,且至少一 個(gè)其它功率半導(dǎo)體開關(guān)(S4.2)串聯(lián)于所述第四功率半導(dǎo)體開關(guān)(S4)。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1到6中的任一項(xiàng)所述的開關(guān)裝置單元(l),其 特征在于,所述第一功率半導(dǎo)體開關(guān)(S1)與所述第二功率半導(dǎo)體開關(guān) (S2)的連接之間有至少一個(gè)其它功率半導(dǎo)體開關(guān)(S1.1, S1.2)聯(lián)入,其 中各個(gè)其它功率半導(dǎo)體開關(guān)(Sl.l, S1.2)分別是具有^皮控單向通電方向 的可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的開關(guān)裝置單元(l),其特征在于,在 唯一的其它功率半導(dǎo)體開關(guān)(S1.1)情況下,所述其它功率半導(dǎo)體開關(guān) (S1.1)反串聯(lián)地與所述第一功率半導(dǎo)體開關(guān)(S1)連接。
13. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的開關(guān)裝置單元(l),其特征在于,在 較多其它功率半導(dǎo)體開關(guān)(Sl.l, S1.2)的情況下,至少一個(gè)其它功率半 導(dǎo)體開關(guān)(S1.l)反串聯(lián)地與所述第 一功率半導(dǎo)體開關(guān)(Sl)連接,且至少 一個(gè)其它功率半導(dǎo)體開關(guān)(S1.2)串聯(lián)地與所述第一功率半導(dǎo)體開關(guān)(S1) 連接。
14. 一種用于轉(zhuǎn)換多個(gè)電壓級(jí)別的變換器電路,具有第一功率半 導(dǎo)體開關(guān)(S7)和與所述第一功率半導(dǎo)體開關(guān)(S7)串聯(lián)的第二功率半導(dǎo) 體開關(guān)(S8),其特征在于,根據(jù)權(quán)利要求1-13中任一項(xiàng)所述的開關(guān)裝置單元(l)與所述變換 器電路的所述第一功率半導(dǎo)體開關(guān)(S7)連接,且與所述變換器電路的 所述第二功率半導(dǎo)體開關(guān)(S8)連4妾。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的變換器電路,其特征在于,所述變換器電路的所述第一功率半導(dǎo)體開關(guān)(S7)和所述開關(guān)裝置單元(1)的所述 第一功率半導(dǎo)體開關(guān)(S1)與所述開關(guān)裝置單元(1)的所述第二功率半導(dǎo) 體開關(guān)(S2)的連接點(diǎn)連接,及所述變換器電路的所述第二功率半導(dǎo)體開關(guān)(S8)和所述開關(guān)裝置 單元(1)的所述第三功率半導(dǎo)體開關(guān)(S3)與所述開關(guān)裝置單元(1)的所 述第四功率半導(dǎo)體開關(guān)(S4)的連接點(diǎn)連接。
16.根據(jù)權(quán)利要求14或15所述的變換器電路,其特征在于,所 述變換器電路的所述第 一和第二功率半導(dǎo)體開關(guān)(S7, S8)分別是具有 4皮控單向通電方向的可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)。
全文摘要
開關(guān)裝置單元具有第一和與第一能量存儲(chǔ)器(2)串聯(lián)的第二能量存儲(chǔ)器(3),具有第一、第二、第三和第四功率半導(dǎo)體開關(guān)(S1,S2,S3,S4),其中第一、第二、第三和第四功率半導(dǎo)體開關(guān)(S1,S2,S3,S4)分別是具有被控單向通電方向的可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)且第一、第二、第三和第四功率半導(dǎo)體開關(guān)(S1,S2,S3,S4)串聯(lián)。第一功率半導(dǎo)體開關(guān)(S1)與第一能量存儲(chǔ)器(2)連接而第四功率半導(dǎo)體開關(guān)(S4)與第二能量存儲(chǔ)器(3)連接。第三能量存儲(chǔ)器(4),和第一與第二功率半導(dǎo)體開關(guān)(S2)之間連接點(diǎn),還和第三與第四功率半導(dǎo)體開關(guān)(S4)之間連接點(diǎn)連接。為了實(shí)現(xiàn)用于轉(zhuǎn)換多個(gè)電壓級(jí)別的簡(jiǎn)單、耐用且緊湊的變換器電路,在開關(guān)裝置單元(1)中一個(gè)具有被控雙向通電方向的開關(guān)元件(A)直接和第二與第三功率半導(dǎo)體開關(guān)(S2,S3)連接點(diǎn)且直接和第一能量存儲(chǔ)器(2)與第二能量存儲(chǔ)器(3)的連接點(diǎn)連接。此外給出了具有這種開關(guān)裝置單元的變換器電路。
文檔編號(hào)H02M7/48GK101336508SQ200680052081
公開日2008年12月31日 申請(qǐng)日期2006年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月1日
發(fā)明者C·哈德利, S·龐納盧里 申請(qǐng)人:Abb研究有限公司