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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Leistungsumwandlungsschaltung zum Liefern eines bestimmten Spannungssignalverlaufs an eine induktive Last wie z. B. einen Kurzschlussläuferinduktionsmotor.
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Beispiele von Leistungsumwandlungsschaltungen zum Liefern eines bestimmten Spannungssignalverlaufs an eine induktive Last wie z. B. einen Motor enthalten Stromrichter.
JP H06-165510 A offenbart eine Stromrichterschaltung mit zwei Halbbrückenschaltungen. Die Halbbrückenschaltungen enthalten eine hochseitige Schaltvorrichtung und eine niederseitige Schaltvorrichtung, die in Serie an eine Leistungsversorgung angeschlossen sind, eine erste Diode, die anti-parallel mit der hochseitigen Schaltvorrichtung geschaltet ist, und eine zweite Diode, die anti-parallel zu der niederseitigen Schaltvorrichtung geschaltet ist.
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Die erste Diode bildet einen Freilaufpfad für die gespeicherte Energie, die von der Last (der induktiven Last) abgegeben wird, wenn die niederseitige Schaltvorrichtung ausgeschaltet wird. Die zweite Diode liefert dagegen einen Freilaufpfad für die gespeicherte Energie, die von der Last abgeführt wird, wenn die hochseitige Schaltvorrichtung ausgeschaltet wird.
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In solchen Leistungsumwandlungsschaltungen werden die zwei Potentiale der Gleichspannungsleistungsversorgung der externen Last abwechselnd mit einem geeigneten Zeitablauf durchgeführt, wodurch die Durchschnittslastspannung und der Durchschnittslaststrom gesteuert werden.
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Wenn die niederseitige Schaltvorrichtung eingeschaltet ist, fließt ein Strom durch die Serienschaltung, die die Leistungsversorgung, die Last (induktive Last) und die niederseitige Schaltvorrichtung enthält. Wenn dann die niederseitige Schaltvorrichtung aus dem eingeschalteten Zustand ausgeschaltet wird, fällt der durch die induktive Last fließende Strom nicht unmittelbar ab, sondern neigt dazu, weiter zu fließen. Das hat zur Folge, dass ein Strom durch die Last und die erste Diode in einer kontinuierlichen Schleife fließt. Dieser Strom wird als ”Freilaufstrom” bezeichnet.
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Wenn der Freilaufstrom in der ersten Diode fließt und ein EIN-Signal an das Gate der niederseitigen Schaltvorrichtung angelegt wird, schaltet die niederseitige Schaltvorrichtung allmählich ein. Die erste Diode, durch die der Freilaufstrom fließt, schaltet jedoch nicht unmittelbar aus und bleibt eingeschaltet, bis alle in der Diode gespeicherten Träger entladen sind. Das bedeutet, dass die erste Diode während dieser Zeitspanne sowohl in der Vorwärtsrichtung als auch in der Rückwärtsrichtung leitet. Wenn die niederseitige Schaltvorrichtung eingeschaltet wird, während sich die erste Diode in dem leitenden Zustand befindet, wird daher die Leistungsversorgung durch die erste Diode und die niederseitige Schaltvorrichtung kurzgeschlossen. Dieses Phänomen wird als ”Erholung der Diode” bezeichnet. Der augenblickliche Kurzschlussstrom wird als ”Erholungsstrom” bezeichnet.
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Da der Erholungsstrom groß ist und durch die niederseitige Schaltvorrichtung fließt, erhöht der Strom den Schaltverlust der Schaltvorrichtung. Dieses Ansteigen des Schaltverlustes aufgrund der Erholung der Diode tritt unabhängig von der Anzahl von Leistungsversorgungsspannungen und der Anzahl von Halbbrückenschaltungen in der Leistungsumwandlungsschaltung auf.
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Die vorliegende Erfindung wurde durchgeführt, um das obige Problem zu lösen. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, eine verbesserte Leistungsumwandlungsschaltung bereitzustellen, bei der der Schaltverlust der Schaltvorrichtungen verringert ist.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Leistungsumwandlungsschaltung gemäß Anspruch 1.
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Die Leistungsumwandlungsschaltung enthält eine hochseitige Schaltvorrichtung, deren Kollektor mit der Hochpotentialseite einer Leistungsversorgung verbunden ist, eine niederseitige Schaltvorrichtung, deren Emitter mit der Niederpotentialseite der Leistungsversorgung verbunden ist, einen ersten Knoten, mit dem der Emitter der hochseitigen Schaltvorrichtung und der Kollektor der niederseitigen Schaltvorrichtung verbunden sind, eine erste Diode, deren Kathode mit dem Kollektor der hochseitigen Schaltvorrichtung verbunden ist, eine zweite Diode, deren Anode mit dem Emitter der niederseitigen Schaltvorrichtung verbunden ist, einen zweiten Knoten, mit dem die Anode der ersten Diode und die Kathode der zweiten Diode verbunden sind, eine Induktivität, die zwischen den ersten Knoten und den zweiten Knoten geschaltet ist, und eine Snubber-Schaltung, die mit dem ersten Knoten verbunden und daran angepasst ist, eine in der Induktivität gespeicherte Energie zu absorbieren, wenn ein Freilaufstrom in der Leistungsumwandlungsschaltung fließt.
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Die Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch ein Leistungsumwandlungsschaltung gemäß Anspruch 7.
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Die Leistungsumwandlungsschaltung empfängt die ein hohes Potential, ein niedriges Potential und ein neutrales Potential, das zwischen dem hohen Potential und dem niedrigen Potential liegt. Die Leistungsumwandlungsschaltung enthält einen AC-Schalter, der so angeschlossen ist, dass er das neutrale Potential empfängt, und eine erste Schaltvorrichtung, die das hohe Potential an ihrem Kollektor empfängt und das neutrale Potential über den AC-Schalter an ihrem Emitter empfängt. Der AC-Schalter enthält eine Diode. Eine Induktivität ist zwischen die Diode und die Schaltvorrichtung geschaltet.
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Weiterbildungen der Erfindung sind jeweils in den Unteransprüchen angegeben.
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Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Zeichnungen.
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1 ist ein Schaltbild einer Leistungsumwandlungsschaltung einer ersten Ausführungsform.
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2 ist ein Schaltbild einer Abwandlung der Leistungsumwandlungsschaltung der ersten Ausführungsform.
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3 ist ein Schaltbild einer Leistungsumwandlungsschaltung einer zweiten Ausführungsform.
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4 ist ein Schaltbild einer Abwandlung der Leistungsumwandlungsschaltung der zweiten Ausführungsform.
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5 ist ein AC-Ersatzschaltbild der in 4 gezeigten Leistungsumwandlungsschaltung.
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6 ist ein weiteres AC-Ersatzschaltbild der in 4 gezeigten Leistungsumwandlungsschaltung.
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7 ist ein Schaltbild einer Leistungsumwandlungsschaltung einer dritten Ausführungsform.
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8 ist ein Schaltbild einer Abwandlung der Leistungsumwandlungsschaltung der dritten Ausführungsform.
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9 ist ein Schaltbild einer Leistungsumwandlungsschaltung einer vierten Ausführungsform.
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10 ist ein Schaltbild einer Leistungsumwandlungsschaltung einer fünften Ausführungsform.
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11 ist ein vereinfachtes Teilschaltbild, das aus dem Schaltbild von 10 abgeleitet ist.
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12 ist ein Schaltbild einer Abwandlung der Leistungsumwandlungsschaltung der fünften Ausführungsform.
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13 ist ein Schaltbild einer Leistungsumwandlungsschaltung einer sechsten Ausführungsform.
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Mit Bezug auf 1 wird eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Es sei angemerkt, dass durch die Beschreibung der ersten Ausführungsform hindurch gewisse gleiche oder einander entsprechende Komponenten durch dieselben Bezugszeichen gekennzeichnet und nur einmal beschrieben sind. Das gilt auch für die weiteren Ausführungsformen der Erfindung, die daran anschließend beschrieben sind.
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1 ist ein Schaltbild einer Leistungsumwandlungsschaltung der ersten Ausführungsform. Die Leistungsumwandlungsschaltung 10 enthält einen Ausgangsanschluss Vo, einen hochseitigen Anschluss Vh und einen niederseitigen Vl. Der Ausgangsanschluss Vo ist mit einem Ende der Last verbunden, und der hochseitige Anschluss Vh und der niederseitige Anschluss Vl sind mit dem anderen Ende der Last verbunden.
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Die Leistungsumwandlungsschaltung 10 enthält eine hochseitige Schaltvorrichtung SW1 (im Folgenden einfach als Schaltvorrichtung SW1 bezeichnet) und eine niederseitige Schaltvorrichtung SW2 (im Folgenden einfach als Schaltvorrichtung SW2 bezeichnet). Die Schaltvorrichtungen SW1 und SW2 sind beispielsweise IGBTs. Der Kollektor der Schaltvorrichtung SW1 ist mit der Hochpotentialseite einer Leistungsversorgung V1 verbunden. Der Emitter der Schaltvorrichtung SW2 ist mit der Niederpotentialseite der Leistungsversorgung V1 verbunden. Der Emitter der Schaltvorrichtung SW1 und der Kollektor der Schaltvorrichtung SW2 sind an einem ersten Knoten P1 angeschlossen.
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Die Kathode einer ersten Diode D1 ist mit dem Kollektor der Schaltvorrichtung SW1 verbunden. Die Anode einer zweiten Diode D2 ist mit dem Emitter der Schaltvorrichtung SW2 verbunden. Die Anode der ersten Diode D1 und die Kathode der zweiten Diode D2 sind an einem zweiten Knoten P2 angeschlossen. Der Ausgangsanschluss Vo ist ebenfalls an dem zweiten Knoten P2 angeschlossen.
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Eine Erholungsunterdrückungsinduktivität L1 ist zwischen den ersten Knoten P1 und den zweiten Knoten P2 geschaltet.
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Eine Snubber-Schaltung 12 ist mit dem ersten Knoten P1 verbunden. Die Snubber-Schaltung 12 bietet einen Freilaufpfad für die gespeicherte Energie, die von der Erholungsunterdrückungsinduktivität L1 abgegeben wird. Die Snubber-Schaltung 12 enthält eine Diode 14 und eine Diode 20. Die Anode der Diode 14 ist mit dem ersten Knoten P1 verbunden. Die Kathode der Diode 14 ist über einen Widerstand 16 mit der Hochpotentialseite der Leistungsversorgung V1 verbunden, und sie ist auch über einen Kondensator 18 mit der Niederpotentialseite der Leistungsversorgung V1 verbunden.
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Die Kathode der Diode 20 ist mit dem ersten Knoten P1 verbunden. Die Anode der Diode 20 ist über einen Kondensator 22 mit der Hochpotentialseite der Leistungsversorgung V1 verbunden, und sie ist auch über einen Widerstand 24 mit der Niederpotentialseite der Leistungsversorgung V1 verbunden. Es sei angemerkt, dass die Kapazitätswerte der Kondensatoren 18 und 22 so gewählt sind, dass die Spannung an jedem Kondensator, wenn er geladen ist, geringfügig niedriger ist als die Vorwärts- und Rückwärtsspannungsfestigkeit der Schaltvorrichtung, die mit dem Kondensator verbunden ist.
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Es wird nun der Betrieb der Leistungsumwandlungsschaltung 10 beschrieben. Es sei angenommen, dass die Schaltvorrichtung SW2 eingeschaltet wird, wenn ein Freilaufstrom durch den folgenden Pfad fließt: Last → Ausgangsanschluss Vo → erste Diode D1 → hochseitiger Anschluss Vh und zurück zur Last. Das Einschalten der Schaltvorrichtung SW2 bewirkt schließlich, dass ein Strom durch den folgenden Pfad fließt: Hochpotentialseite der Leistungsversorgung V1 → hochseitiger Anschluss Vh → Last → Ausgabeanschluss Vo → Erholungsunterdrückungsinduktivität L1 → Schaltvorrichtung SW2 → Niederpotentialseite der Leistungsversorgung V1.
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Insbesondere wird die Spannung der Leistungsversorgung V1, wenn die Schaltvorrichtung SW2 eingeschaltet wird, zunächst an die Erholungsunterdrückungsinduktivität L1 angelegt. Demzufolge steigt der Kollektorstrom der Schaltvorrichtung SW2 aufgrund der Wirkung der Erholungsunterdrückungsinduktivität L1 allmählich an und nicht plötzlich. Ein Schalten dieser Art wird als ”Nullstromschalten” oder ”ZCS” (Zero Current Switching) bezeichnet. Auch wenn die erste Diode D1 zu dieser Zeit sowohl in der Vorwärtsrichtung als auch in der Rückwärtsrichtung leitend ist, wird die Leistungsversorgung V1 nicht durch die erste Diode D1 und die Schaltvorrichtung SW2 kurzgeschlossen, und daher tritt die Erholung der Diode nicht auf, da der Kollektorstrom der Schaltvorrichtung SW2 durch die Erholungsunterdrückungsinduktivität L1 unterdrückt wird. Somit ergibt sich aus diesem Schaltungsaufbau ein verringerter Schaltverlust der Schaltvorrichtung.
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Es sei angemerkt, dass die Energie, die in der Erholungsunterdrückungsinduktivität L1 gespeichert ist, wenn die Schaltvorrichtung SW2 eingeschaltet ist, bewirkt, dass der Strom, der durch die Schaltvorrichtung SW2 fließt, temporär leicht erhöht wird. Der sich daraus ergebende Anstieg des Leistungsverlusts ist jedoch geringfügig verglichen mit der Verringerung des Leistungsverlusts aufgrund der Erholungsstromverringerungstätigkeit der Erholungsunterdrückungsinduktivität L1.
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Im Folgenden wird der Betrieb der Leistungsumwandlungsschaltung 10 beschrieben, wenn die Schaltvorrichtung SW2 aus ihrem eingeschalteten Zustand ausgeschaltet wird. Wenn dem Gate der Schaltvorrichtung SW2 ein Ausschaltsignal eingegeben wird, sinkt der Kollektorstrom der Schaltvorrichtung SW2 allmählich. Dabei muss die Energie, die in der Erholungsunterdrückungsinduktivität L1 gespeichert ist, von ihr abgeleitet werden, um eine Beschädigung der Schaltvorrichtung SW2 aufgrund einer Abschaltspannungsspitze zu vermeiden.
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Bei der Leistungsumwandlungsschaltung 10 der ersten Ausführungsform wird die Energie, die in der Erholungsunterdrückungsinduktvität L1 gespeichert ist, über den ersten Knoten P1 und die Diode 14 der Snubber-Schaltung 12 abgeleitet, wodurch der Kondensator 18 der Snubber-Schaltung 12 geladen wird. Das vermeidet eine Beschädigung der Schaltvorrichtung SW2 aufgrund einer Abschaltspitzenspannung.
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Es sei angemerkt, dass die Spannung an dem geladenen Kondensator 18 an die Schaltvorrichtung SW2 angelegt ist. Die Kapazität des Kondensators 18 ist jedoch so, dass die Spannung an dem Kondensator 18, wenn er in der oben beschriebenen Weise geladen wird, geringfügig niedriger ist als die Vorwärts- und Rückwärtsspannungsfestigkeit der Schaltvorrichtung SW2, wodurch eine Schwächung der Schaltvorrichtung SW2 aufgrund der Spannung des Kondensators 18 verhindert wird. Es sei angemerkt, dass die Energie, die in dem Kondensator 18 gespeichert ist, über die zweite Diode D2, die Erholungsunterdrückungsinduktivität L1 und die Schaltvorrichtung SW2 abgeleitet wird, wenn die Schaltvorrichtung SW2 wieder eingeschaltet wird, so dass die Energie als Wärme in der Schaltvorrichtung SW2 verbraucht wird.
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Das bedeutet, dass die Energie, die von der Erholungsunterdrückungsinduktivität L1 abgeleitet wird, um den Kondensator 18 zu laden, wenn die Schaltvorrichtung SW2 ausgeschaltet wird, ein Verlust der Leistungsumwandlungsschaltung 10 ist. Der Gesamtverlust der Leistungsumwandlungsschaltung 10 ist jedoch erheblich verringert durch die Erholungsunterdrückungstätigkeit der Erholungsunterdrückungsinduktivität L1.
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Die obige Beschreibung ist auf den Betrieb der Leistungsumwandlungsschaltung 10 gerichtet, wenn die Schaltvorrichtung SW2 ein- und ausgeschaltet wird. Es sei angemerkt, dass die Leistungsumwandlungsschaltung 10, wenn die Schaltvorrichtung SW1 ein- und ausgeschaltet wird, ebenso in einer ähnlichen Weise wie oben mit Bezug auf die Schaltvorrichtung SW2 beschrieben arbeitet, woraus sich ein verringerter Schaltverlust der Schaltvorrichtung SW1 ergibt. Daher wird der Betrieb der Leistungsumwandlungsschaltung 10, wenn die Schaltvorrichtung SW1 ein- und ausgeschaltet wird, nicht beschrieben.
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Es sei angemerkt, dass die Verwendung einer Fast-Recovery-Diode, die eine hinreichend kurze Erholungszeit aufweist, eine Verringerung des Erholungsstroms bewirkt. Bei diesem Verfahren ergeben sich jedoch Probleme wie z. B. ein erhöhter Übertragungsverlust, erhöhte Frequenzen der Komponenten des Erholungssignalverlaufs (die Störungen oder EMI bewirken und Leistungsverlust aufgrund elektromagnetischer Induktion oder Skineffekt bewirken) und eine verringerte Auswahl an Komponenten für die Snubber-Schaltung. Der Aufbau der Leistungsumwandlungsschaltung 10 der ersten Ausführungsform ermöglicht es dagegen, den Erholungsstrom zu verringern, ohne dass die Diode, die anti-parallel zu der Schaltvorrichtung geschaltet ist, eine Fast-Recovery-Diode sein muss, wodurch die obigen Probleme verhindert werden.
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Auch wenn die Leistungsumwandlungsschaltung 10 der ersten Ausführungsform eine Halbbrückenschaltung ist, ist klar, dass die vorliegende Erfindung nicht auf diese Art einer Leistungsumwandlungsschaltung begrenzt ist. Es können eine Mehrzahl von Leistungsumwandlungsschaltungen der ersten Ausführungsform kombiniert werden, um eine Leistungsumwandlungsschaltung bereitzustellen, die eine einzige AC-Phase oder drei oder mehr AC-Phasen aufweist.
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2 ist ein Schaltbild einer Abwandlung der Leistungsumwandlungsschaltung 10 der ersten Ausführungsform. Diese Leistungsumwandlungsschaltung 26 ist vom Einphasen-AC-Typ. Diese Leistungsumwandlungsschaltung 26 enthält zwei Leistungsumwandlungsschaltungen 10 von 1, die mit einem Motor 28 verbunden sind, der als Last dient.
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Weiter sind die Schaltvorrichtungen nicht auf IGBTs eingeschränkt. Die vorliegende Ausführungsform erfordert nur, dass die Schaltvorrichtungen Transistoren sind, die einen Spannungsabfall aufweisen, der größer als die Vorwärtsspannung Vf der Dioden ist, d. h. Transistoren, die eine Rückwärtsblockiereigenschaft mit Bezug auf die Dioden haben. Die Schaltvorrichtungen können z. B. Leistungs-MOSFETs sein. Außerdem können sie aus SiC statt aus Si bestehen.
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Mit Bezug auf 3 wird eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. 3 ist ein Schaltbild einer Leistungsumwandlungsschaltung 30 der zweiten Ausführungsform. Der Aufbau der Leistungsumwandlungsschaltung 30 ermöglicht es, Schaltvorrichtungen zu verwenden, die weniger kosten als die der ersten Ausführungsform, während die Vorteile der ersten Ausführungsform erhalten bleiben.
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Die Leistungsumwandlungsschaltung 30 enthält eine Snubber-Schaltung 32. Die Snubber-Schaltung 32 enthält eine Diode 34 und eine Diode 40. Die Kathode der Diode 34 ist mit dem Emitter der Schaltvorrichtung SW1 verbunden. Der Knoten zwischen der Kathode der Diode 34 und dem Emitter der Schaltvorrichtung SW1 wird im Folgenden als dritter Knoten P3 bezeichnet. In der vorliegenden Ausführungsform ist eine Leistungsverlustverringerungsinduktivität L2 zwischen den dritten Knoten P3 und dem ersten Knoten P1 geschaltete.
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Die Anode der oben beschriebenen Diode 34 ist mit einem Ende eines hochseitigen Kondensators 36 und einem Ende eines hochseitigen Widerstands 38 verbunden. Das andere Ende des hochseitigen Kondensators 36 und das andere Ende des hochseitigen Widerstands 38 sind mit dem Kollektor der Schaltvorrichtung SW1 verbunden.
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Die Anode der Diode 40 ist mit dem Kollektor der Schaltvorrichtung SW2 verbunden. Die Kathode der Diode 40 ist mit einem Ende eines niederseitigen Kondensators 42 und einem Ende eines niederseitigen Widerstands 44 verbunden. Das andere Ende des niederseitigen Kondensators 42 und das andere Ende des niederseitigen Widerstandes 44 sind mit dem Emitter der Schaltvorrichtung SW2 verbunden.
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Somit sind der Kollektor und der Emitter der Schaltvorrichtung SW1 über die Diode 34 mit dem hochseitigen Kondensator 36 verbunden. Außerdem sind der Kollektor und der Emitter der Schaltvorrichtung SW2 über die Diode 40 mit dem niederseitigen Kondensator 42 verbunden.
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Es wird nun der Betrieb der Leistungsumwandlungsschaltung 30 beschrieben. Es sei angemerkt, dass diese Leistungsumwandlungsschaltung 30, wenn jede der Schaltvorrichtungen eingeschaltet wird, zum Verringern des Erholungsstroms auf dieselbe Weise arbeitet wie oben in Verbindung mit der ersten Ausführungsform beschrieben. Daher wird der Betrieb der Leistungsumwandlungsschaltung 30, wenn jede Schaltvorrichtung eingeschaltet wird, nicht beschrieben.
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Die folgende Beschreibung ist auf den Betrieb der Leistungsumwandlungsschaltung 30 gerichtet, wenn die Schaltvorrichtung SW2 von ihrem eingeschalteten Zustand ausgeschaltet wird. Wenn die Schaltvorrichtung SW2 eingeschaltet ist, fließt ein Strom durch den folgenden Pfad: Hochpotentialseite der Leistungsversorgung V1 → hochseitiger Anschluss Vh → Last → Ausgangsanschluss Vo → Erholungsunterdrückungsdiode L1 → Schaltvorrichtung SW2 → Niederpotentialseite der Leistungsversorgung V1. Wenn dann dem Gate der Schaltvorrichtung SW2 ein Ausschaltsignal zugeführt wird, nimmt der Kollektorstrom der Schaltvorrichtung SW2 allmählich ab. Weiter wird die Energie, die in der Erholungsunterdrückungsinduktivität L1 gespeichert ist, über den ersten Knoten P1 und die Diode 40 zu dem niederseitigen Kondensator 42 übertragen.
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Es sei angemerkt, dass die anfängliche Spannung an dem niederseitigen Kondensator 42, d. h. die Spannung an dem Kondensator 42 unmittelbar bevor die Schaltvorrichtung SW2 aus ihrem eingeschalteten Zustand ausgeschaltet wird, im Wesentlichen null ist. Daher wirkt die von der Erholungsunterdrückungsinduktivität L1 abgegebene Leistung zum Laden des niederseitigen Kondensators 42. Dieses Laden verhindert ein plötzliches Ansteigen der Kollektor-Emitterspannung Vce der Schaltvorrichtung SW2, wenn die Schaltvorrichtung SW2 ausgeschaltet wird, woraus sich ein verringerter Ausschaltverlust der Schaltvorrichtung SW2 ergibt. Ein Schalten auf diese Weise wird als ”Null-Spannungsschalten” oder ”ZVS” (zero voltage switching) bezeichnet.
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Die von der Erholungsunterdrückungsinduktivität L1 zu dem niederseitigen Kondensator 42 übertragene Energie wird schließlich als Wärme in dem niederseitigen Widerstand 44 verbraucht, statt dass sie als Wärme in der Schaltvorrichtung SW2 verbraucht wird, wodurch die Erfordernis beseitigt ist, dass die Schaltvorrichtung SW2 eine große Wärmebeständigkeit hat. Das bedeutet, dass die Schaltvorrichtung SW2 eine preisgünstige Schaltvorrichtung mit niedriger Wärmefestigkeit sein kann, woraus sich verringerte Kosten der Leistungsumwandlungsschaltung 30 ergeben. Die Schaltvorrichtung SW1 kann aus demselben Grund ebenfalls durch eine preisgünstige Schaltvorrichtung ersetzt sein.
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Nun wird die Funktion der Leistungsverlustverringerungsinduktivität L2 beschrieben. Es sei angenommen, dass die Schaltvorrichtung SW1 aus ihrem eingeschalteten Zustand ausgeschaltet wird, wenn ein Strom durch den folgenden Pfad fließt: Hochpotentialseite der Leistungsversorgung V1 → Schaltvorrichtung SW1 → Leistungsverlustverringerungsinduktivität L2 → Erholungsunterdrückungsinduktivität L1 → Ausgangsanschluss Vo → Last → niederseitiger Anschluss Vl → Niederpotentialseite der Leistungsversorgung V1. In diesem Fall wird als Ergebnis des Ausschaltens der Schaltvorrichtung SW1 die in der Leistungsverlustverringerungsinduktivität L2 und der Erholungsunterdrückungsinduktivität L1 gespeicherte Energie über die erste Diode D1 übertragen, um den hochseitigen Kondensator 36 zu laden.
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Wenn dann die Schaltvorrichtung SW2 eingeschaltet wird, fließt ein Strom von dem hochseitigen Kondensator 36 zu der Schaltvorrichtung SW2. Dieser Strom steigt jedoch nicht unmittelbar auf einen hohen Wert an, weil die Leistungsverlustverringerungsinduktivität L2 zwischen den hochseitigen Kondensator 36 und die Schaltvorrichtung SW2 geschaltet ist. Wenn die Schaltvorrichtung SW2 eingeschaltet wird, gibt es daher keine Möglichkeit, dass ein großer Strom unmittelbar von dem hochseitigen Kondensator 36 zu der Schaltvorrichtung SW2 fließt, was zu einem verringerten Einschaltverlust der Schaltvorrichtung SW2 führt.
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Auch wenn die Leistungsumwandlungsschaltung 30 der zweiten Ausführungsform zwei Induktivitäten enthält, nämlich die Erholungsunterdrückungsinduktivität L1 und die Leistungsverlustverringerungsinduktivität L2, ist klar, dass die vorliegende Erfindung nicht auf diese besondere Implementierung eingeschränkt ist. Die Erholungsunterdrückungsinduktivität L1 und die Leistungsverlustverringerungsinduktivität L2 können kombiniert und durch eine einzige Induktivität implementiert sein, so dass die Leistungsumwandlungsschaltung einen einfachen Aufbau hat.
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4 bis 6 zeigen einen beispielhaften Aufbau einer Leistungsumwandlungsschaltung, die eine solche Multifunktionsinduktivität enthält. Insbesondere ist 4 ein Schaltbild einer Abwandlung der Leistungsumwandlungsschaltung der zweiten Ausführungsform. Diese Leistungsumwandlungsschaltung enthält eine Induktivität Lm, die daran angepasst ist, die oben beschriebenen Funktionen sowohl der Erholungsunterdrückungsinduktivität L1 als auch der Leistungsverlustverringerungsinduktivität L2 durchzuführen. 5 ist ein AC-Ersatzschaltbild der in 4 gezeigten Leistungsumwandlungsschaltung. 6 ist ein weiteres AC-Ersatzschaltbild der in 4 gezeigten Leistungsumwandlungsschaltung. Die in 4 bis 6 gezeigte Leistungsumwandlungsschaltung enthält nur eine Induktivität und hat daher einen einfacheren Aufbau als die Leistungsumwandlungsschaltung 30 der zweiten Ausführungsform, die zwei Induktivitäten enthält, aber bewahrt die Vorteile der Leistungsumwandlungsschaltung 30.
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Eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird mit Bezug auf 7 beschrieben. 7 ist ein Schaltbild einer Leistungsumwandlungsschaltung 70 der dritten Ausführungsform. Die Leistungsumwandlungsschaltung 70 hat einen einfachen Aufbau, der sicherstellt, dass der Schaltverlust der Schaltvorrichtungen bei niedrigen Schaltfrequenzen verringert ist.
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Die Leistungsumwandlungsschaltung 70 enthält eine Snubber-Schaltung 72. Die Snubber-Schaltung 72 enthält zwei Diodensätze (oder zwei Dioden geringer Größe) 74 und 76. Der Diodensatz 74 enthält eine kleine Diode 74a und eine kleine Diode 74b, die in Reihe geschaltet sind. Die Kathode der Diode 74a ist mit der Kathode der ersten Diode D1 verbunden. Die Anode der Diode 74a ist mit der Kathode der Diode 74b verbunden. Die Anode der Diode 74b ist mit dem ersten Knoten P1 verbunden.
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Der Diodensatz 76 enthält eine kleine Diode 76a und eine kleine Diode 76b, die in Reihe geschaltet sind. Die Kathode der Diode 76a ist mit dem ersten Knoten P1 verbunden. Die Anode der Diode 76a ist mit der Kathode der Diode 76b verbunden. Die Anode der Diode 76b ist mit der Anode der zweiten Diode D2 verbunden.
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Die kombinierte Vorwärtsspannung des Diodensatzes 74, d. h. die Vorwärtsvorspannung, die erforderlich ist, um einen hinreichenden Strom durch den Diodensatz zu leiten, ist größer als die Vorwärtsspannung der ersten Diode D1. Außerdem ist die kombinierte Vorwärtsspannung des Diodensatzes 76 größer als die Vorwärtsspannung der Diode D2.
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Es sei Angenommen, dass die Schaltvorrichtung SW1 von ihrem eingeschalteten Zustand ausgeschaltet wird, wenn ein Strom durch den folgenden Pfad fließt: Leistungsversorgung V1 → Schaltvorrichtung SW1 → Erholungsunterdrückungsinduktivität L1 → Last. In diesem Fall fließen als Ergebnis des Ausschaltens der Schaltvorrichtung SW1 Freilaufströme durch die folgenden Pfade: (1) Diodensatz 76 → Erholungsunterdrückungsinduktivität L1 → zweiter Knoten P2 → Last → niederseitiger Anschluss Vl → Diodensatz 76, und (2) zweite Diode D2 → zweiter Knoten P2 → Last → niederseitiger Anschluss Vl → zweite Diode D2. Die Richtungen dieser Freilaufströme sind in 7 durch durchgezogene Pfeile gekennzeichnet.
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Da die kombinierte Vorwärtsspannung des Diodensatzes 76 größer ist als die Vorwärtsspannung der zweiten Diode D2, tritt eine Spannung zwischen beiden Enden der Erholungsunterdrückungsinduktivität L1 auf, die der Spannungsunterschied zwischen dem Diodensatz 76 und der zweiten Diode D2 ist. Diese Spannung bewirkt, dass die in der Erholungsunterdrückungsdiode 11 gespeicherte Energie über ihren Freilaufpfad, der in 7 durch einen durchgezogenen Pfeil gekennzeichnet ist, abgeleitet wird.
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Die obige Beschreibung wurde auf den Betrieb der Leistungsumwandlungsschaltung 70 unmittelbar nach dem Ausschalten der Schaltvorrichtung SW1 gerichtet. Es sei angemerkt, dass die Leistungsumwandlungsschaltung 70, wenn die Schaltvorrichtung SW2 ausgeschaltet wird, auch in einer ähnlichen Weise wie oben beschrieben arbeitet, außer dass die Freilaufströme in den Richtungen fließen, die in 7 durch gestrichelte Pfeile gekennzeichnet sind.
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Somit verwendet die Leistungsumwandlungsschaltung 70 der dritten Ausführungsform die Snubber-Schaltung 72, die aus den zwei Diodensätzen 74 und 76 besteht, anstatt eine komplizierte Snubber-Schaltung zu verwenden. Daher hat die Leistungsumwandlungsschaltung 70 einen einfachen Aufbau, und doch wirken die Erholungsunterdrückungsinduktivität L1 und die Snubber-Schaltung 72 wie in der ersten Ausführungsform noch zum Verringern des Leistungsverlustes in der Schaltvorrichtung.
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In dem obigen Beispiel enthalten die Diodensätzen 74, 76 der Snubber-Schaltung 72 jeweils zwei Dioden, d. h. die Snubber-Schaltung 72 enthält insgesamt vier Dioden. Es ist jedoch klar, dass die Snubber-Schaltung 72 auch mehr Dioden enthalten kann, d. h., dass jeder Diodensatz drei oder mehr in Reihe geschaltete Dioden enthalten kann, wenn ein solcher Anstieg der Anzahl von Dioden die Leistungsumwandlungsschaltung 70 nicht daran hindert, einen einfachen Aufbau zu haben. Je mehr Dioden in jedem Diodensatz enthalten sind, desto höher ist die kombinierte Vorwärtsspannung des Diodensatzes, und desto höher ist die Spannung, die an der Erholungsumwandlungsinduktivität L1 anliegt. Das bedeutet, dass die Anzahl der Dioden in jedem Diodensatz erhöht werden kann, um eine Rate zu erhöhen, in der die in der Erholungsunterdrückungsinduktivität L1 gespeicherte Energie von ihr abgeleitet wird, und somit die Rate zu erhöhen, in der der Strom in dem Diodensatz abfällt. Auf diese Weise kann die Erholung jedes Diodensatzes 74, 76 schnell verhindert werden.
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8 ist ein Schaltbild einer Leistungsumwandlungsschaltung 80, die eine Abwandlung der Leistungsumwandlungsschaltung der dritten Ausführungsform ist. Diese Leistungsumwandlungsschaltung 80 ist so aufgebaut, dass die Spannung, die entlang der Erholungsunterdrückungsinduktivität L1 auftritt, größer ist als in der Leistungsumwandlungsschaltung 70, und daher wird die Energie, die in der Induktivität L1 gespeichert ist, schneller von ihr abgeleitet.
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Die Snubber-Schaltung 82 der Leistungsumwandlungsschaltung 80 enthält eine Zenerdiode 84 und eine Zenerdiode 86. Die Zenerdiode 84 ist anstelle der in 7 gezeigten Diode 74b eingesetzt und verglichen mit der in 7 gezeigten Verbindung der Diode 74b mit der Diode 74a auf umgekehrte Weise mit der Diode 74a verbunden. Die Zenerdiode 86 ist anstelle der in 7 gezeigten Diode 76b eingesetzt und verglichen mit der in 7 gezeigten Verbindung der Diode 76b mit der Diode 76a auf umgekehrte Weise mit der Diode 76a verbunden.
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Somit enthält jeder Diodensatz in der Snubber-Schaltung 82 eine Zenerdiode, nämlich die Zenerdiode 84 oder 86, und hat daher eine relativ hohe kombinierte Vorwärtsspannung. Daher hat beispielsweise der Diodensatz 88, der mit der ersten Diode D1 verbunden ist, eine kombinierte Vorwärtsspannung, die beträchtlich höher als die Vorwärtsspannung der ersten Diode D1 ist, was es ermöglicht, die in der Erholungsunterdrückungsinduktivität L1 gespeicherte Energie schnell von ihr abzuleiten.
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Mit Bezug auf 9 wird eine vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. 9 ist ein Schaltbild einer Leistungsumwandlungsschaltung einer vierten Ausführungsform. Die Leistungsumwandlungsschaltung 90 ist eine geklemmte Neutralpunkt-Dreipegelstromrichterschaltung. Die Leistungsumwandlungsschaltung 90 arbeitet durch Empfangen von drei Potentialen, nämlich eines hohen Potentials Vhigh, eines niedrigen Potentials Vlow und eines neutralen Potentials Vmid, das in der Mitte zwischen dem hohen Potential Vhigh und dem niedrigen Potential Vlow liegt. Das neutrale Potential Vmid ist das Potential an dem Knoten zwischen der Leistungsversorgung V1 und einer Leistungsversorgung V2. Das neutrale Potential Vmid wird über einen AC-Schalter 92 an den ersten Knoten P1 übertragen. Die Leistungsumwandlungsschaltung 90 enthält wie die Leistungsumwandlungsschaltung 10 der ersten Ausführungsform die Erholungsunterdrückungsinduktivität L1 und die Snubber-Schaltung 12.
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Da die Leistungsumwandlungsschaltung 90 unter Verwendung von zwei Leistungsversorgungen, nämlich der Leistungsversorgungen V1 und V2, bei einer hohen Spannung arbeitet, sind die erste Diode D1 und die zweite Diode D2 vom Hochspannungstyp. Hochspannungsdioden weisen im Allgemeinen einen höheren Erholungsstrom auf als normale Dioden. Der Aufbau der Leistungsumwandlungsschaltung 90 ermöglicht es jedoch, dass die Erholungsunterdrückungsinduktivität L1 den Erholungsstrom verringert, was zu einem verringerten Schaltverlust der Schaltvorrichtungen führt. Weiter bewahrt die vorliegende Ausführungsform auch die Vorteile der ersten Ausführungsform.
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Mit Bezug auf 10 und 11 wird eine fünfte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. 10 ist ein Schaltbild einer Leistungsumwandlungsschaltung 100 der fünften Ausführungsform. Die Leistungsumwandlungsschaltung 100 ist eine geklemmte Neutralpunkt-Dreipegelstromrichterschaltung und empfängt wie die Leistungsumwandlungsschaltung 90 der vierten Ausführungsform drei Potentiale, nämlich ein hohes Potential Vhigh, ein niedriges Potential Vlow und ein neutrales Potential Vmid, das in der Mitte zwischen den hohem Potential Vhigh und dem niedrigen Potential Vlow liegt. Das neutrale Potential Vmid wird durch einen AC-Schalter 102 gesteuert. Der AC-Schalter 102 enthält eine Schaltvorrichtung 104, eine Schaltvorrichtung 106, eine Diode 108 und eine Diode 110. Die Schaltvorrichtungen 104 und 106 können im Folgenden kollektiv als Intra-AC-Schalter-Schaltvorrichtungen bezeichnet sein.
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Das neutrale Potential Vmid ist über die Schaltvorrichtung 104, die Diode 108 und eine Induktivität Lb mit dem Ausgangsanschluss Vo verbunden. Die Anode einer Diode 112 ist mit der Kathode der Diode 108 und der Induktivität Lb verbunden. Die Kathode der Diode 112 ist mit dem hochseitigen Anschluss Vh verbunden. Das neutrale Potential Vmid ist auch über die Schaltvorrichtung 106, die Diode 110 und die Induktivität La mit dem Ausgangsanschluss Vo verbunden.
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Während der Zeitspannen, in denen das Potential an dem Ausgangsanschluss Vo höher als das neutrale Potential Vmid ist, schaltet die Leistungsumwandlungsschaltung 100 zwischen dem neutralen Potential Vmid und dem hohen Potential Vhigh. Es sei angemerkt, dass während der Zeitspannen, in denen das Potential an dem Ausgangsanschluss Vo das neutrale Potential Vmid kreuzt, die Leistungsumwandlungsschaltung 110 in einer anderen Weise als oben beschrieben zwischen den Potentialen schalten kann. Da diese Zeitspannen jedoch verglichen mit der gesamten Schaltzeitspanne kurz sind, ist der Leistungsverlust der Leistungsumwandlungsschaltung 100 während dieser Zeitspannen nicht von Bedeutung. Weiter arbeitet die Leistungsumwandlungsschaltung 100 während der Zeitspannen, in denen das Potential an dem Ausgangsanschluss Vo niedriger als das neutrale Potential Vmid ist, in einer exakt entgegengesetzten Weise zu der, in der sie während der Zeitspannen arbeitet, in denen das Potential an dem Ausgangsanschluss Vo höher als das neutrale Potential Vmid ist. Das bedeutet, dass, wenn der Leistungsverlust der Leistungsumwandlungsschaltung 100 während der Zeitspannen, in denen das Potential an dem Ausgangsanschluss Vo höher als das neutrale Potential Vmid ist, verringert werden kann, dann kann dasselbe Verfahren verwendet werden, um den Leistungsverlust der Schaltung während der Zeitspannen zu verringern, in denen das Potential an dem Ausgangsanschluss Vo niedriger als das neutrale Potential Vmid ist. Daher ist die folgende Beschreibung nur auf ein Verfahren zum Verringern des Leistungsverlusts der Leistungsumwandlungsschaltung 100 während der Zeitspannen gerichtet, in denen das Potential an dem Ausgangsanschluss Vo höher als das neutrale Potential Vmid ist.
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11 ist ein vereinfachtes Teilschaltbild, das aus dem Schaltbild von 10 abgeleitet ist und nur die Komponenten zeigt, die sich auf den Betrieb der Leistungshalbleitervorrichtung 100 während der Zeitspannen beziehen, in denen das Potential an dem Ausgabeanschluss Vo höher als das neutrale Potential Vmid ist. Während dieser Zeitspannen arbeiten die Diode 112, die erste Schaltvorrichtung SW1, die erste Diode D1, die Schaltvorrichtung 106 und die Diode 108 zusammen als Zweipegelstromrichter. Insbesondere werden abhängig von der Richtung des Ladestroms entweder die erste Schaltvorrichtung SW1 und die Schaltvorrichtung 104 abwechselnd ein- und ausgeschaltet, oder die erste Diode D1 und die Schaltvorrichtung 106 werden abwechselnd ein- und ausgeschaltet.
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Wie aus 11 ersichtlich, wird die Erholung der ersten Diode D1 durch die Induktivität La verhindert, die zwischen die erste Diode 1 und die Schaltvorrichtung 106 geschaltet ist. Weiter wird die Erholung der Diode 108 durch die Induktivitäten La und Lb verhindert, die in Reihe zwischen die Diode 108 und die Schaltvorrichtung SW1 geschaltet sind. Es sei angemerkt, dass die Diode 108 in dem AC-Schalter 102 vom Hochspannungstyps ist, um die Erholungsspannungsspitze zu unterdrücken. Hochspannungsdioden haben im allgemeinen einen höheren Erholungsstrom als gewöhnliche Dioden. Der Aufbau der Leistungsumwandlungsschaltung 100 der fünften Ausführungsform enthält jedoch die Induktivitäten La und Lb, um den Erholungsstrom der Diode 108 zu unterdrücken, wodurch wirkungsvoll der Leistungsverlust der Leistungsumwandlungsschaltung 100 verringert wird.
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Somit ermöglicht der Aufbau der Leistungsumwandlungsschaltung 100 eine Verringerung des Leistungsverlusts der Schaltung während der Zeitspannen, in denen das Potential an dem Ausgangsanschluss Vo höher als das neutrale Potential Vmid ist.
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12 ist ein Schaltbild einer Abwandlung der Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 der fünften Ausführungsform. Der Schaltungsaufbau in 12 bewahrt ebenfalls die Vorteile der Leistungsumwandlungsschaltung 100 der fünften Ausführungsform. Auch wenn die Leistungsumwandlungsschaltung 100 der fünften Ausführungsform keine Snubber-Schaltung zum Unterdrücken der Spitzenspannungen enthält, die zwischen beiden Enden der Intra-AC-Schalter-Schaltvorrichtungen auftreten, ist klar, dass eine solche Snubber-Schaltung in der Leistungsumwandlungsschaltung 100 eingegliedert sein kann, um den Leistungsverlust der Schaltung weiter zu verringern.
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Mit Bezug auf 13 wird nun eine sechste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. 13 ist ein Schaltbild einer Leistungsumwandlungsschaltung 130 der sechsten Ausführungsform. Die Leistungsumwandlungsschaltung 130 enthält eine Diode 132 und eine Diode 134. Die Kathode der Diode 132 ist mit der Hochpotentialseite der ersten Leistungsversorgung V1 verbunden, und die Anode ist mit dem Emitter der Schaltvorrichtung SW2 verbunden. Die Kathode der Diode 134 ist mit dem Kollektor einer Schaltvorrichtung SW3 verbunden, und die Anode ist mit der Niederpotentialseite der zweiten Leistungsversorgung V2 verbunden. Die Dioden 132 und 134 wirken als Snubber-Schaltungen zum Unterdrücken von Spitzenspannungen entlang der Intra-AC-Schalter-Schaltvorrichtungen. Somit kann die vorliegende Ausführungsform insbesondere verwendet werden, um wirkungsvoll Spannungspitzen in geklemmten Neutralpunkt-Dreipegelstromrichterschaltungen mit hohem Strom zu verringern und dadurch den Leistungsverlust dieser Stromrichterschaltungen zu verringern. Somit ermöglicht die vorliegende Erfindung eine Verringerung des Schaltverlusts von Schaltvorrichtungen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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