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Hintergrund der Erfindung
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1. Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Steuerverfahren für einen mehrstufigen Stromwandler zum Umwandeln von Gleichstrom in Wechselstrom oder zum Umwandeln von Wechselstrom in Gleichstrom, und sie betrifft insbesondere ein Verfahren zur Unterbrechungssteuerung zum sicheren Abschalten des Wandlers.
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2. Beschreibung des Standes der Technik
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4 zeigt ein Beispiel für eine Wechselrichterschaltung mit fünf Stufen, die eine Stromwandlerschaltung zum Umwandeln von Gleichstrom in Wechselstrom ist. Die Bezugssymbole 1 und 2 bezeichnen in Reihe geschaltete Gleichstromquellen jeweils mit einer Spannung von 2Ed, die eine Gleichstromquellen-Einheit bilden, die ein elektrisches Potential P an der positiven Klemme, ein elektrisches Potential N an der negativen Klemme und ein elektrisches Potential M am Mittelpunkt hat. Dieses Gleichstromquellensystem kann in der Regel aus einem Wechselstromquellensystem mit zwei in Reihe geschalteten Gleichstromquellen bestehen, die wiederum aus einem Gleichrichter und einem Kondensator mit einer großen Kapazität bestehen, die nicht in der Figur gezeigt sind.
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Die Symbole S1, S7, S8 und S6 bezeichnen vier Halbleiterschalter von IGBTs (Bipolartransistoren mit integriertem Gate), die jeweils eine antiparallel geschaltete Diode haben, die zwischen dem elektrischen Potential auf der P-Seite und dem elektrischen Potential auf der N-Seite in Reihe geschaltet ist. Die Symbole S2 und S5 bezeichnen IGBTs, die jeweils eine antiparallel geschaltete Diode haben, die zwischen den Anschlusspunkten der IGBTs S1 und S7 bzw. den Anschlusspunkten der IGBTs S8 und S6 geschaltet ist. Das Symbol S9 bezeichnet einen bidirektionalen Halbleiterschalter, der zwischen einen Reihenschaltungspunkt, das elektrische Potential M, der Gleichstromquellen 1 und 2 und den Reihenschaltungspunkt der IGBTs S7 und S8 geschaltet ist. Der bidirektionale Halbleiterschalter kann aus einer antiparallelen Schaltung von rückwärts sperrenden IGBTs bestehen, wie es in 4 gezeigt ist, oder aus einer Kombination aus IGBTs Q1 und Q2 ohne Rückwärtssperrvermögen, die die Dioden D1 und D2 haben, wie es in den 9A und 9B gezeigt ist. 9A zeigt den IGBT Q1 und den IGBT Q2 mit gemeinsam angeschlossenen Kollektoren, und 9B zeigt den IGBT Q1 mit gemeinsam angeschlossenen Emittern.
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Das Bezugssymbol 10 bezeichnet einen so genannten fliegenden Kondensator, der so gesteuert wird, dass er eine gemittelte Spannung Ed über dem Kondensator hat, und der ein Ausgangssignal bei einem mittleren elektrischen Potential der Gleichstromquelle 1 oder 2 unter Ausnutzung der Lade- und Entlade-Erscheinungen des Kondensators erzeugt. Eine Schaltung 11U aus diesen Bauelementen ist eine Schaltung für die U-Phase. Eine Schaltung 11V für die V-Phase und eine Schaltung 11W für die W-Phase können ähnlich konfiguriert sein, um einen Dreiphasen-Wechselrichter zu bilden.
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Das Bezugssymbol 12 bezeichnet einen elektrischen Wechselstrommotor, ein Beispiel für eine Last bei diesem Wechselrichtersystem. Der Wechselrichter dieser Schaltungskonfiguration stellt die folgenden fünf Ausgangsstufen an einem Ausgangsanschluss 13 dieses Wandlers bereit: ein Potential P, ein Potential N, ein Potential M und zwei weitere Zwischenpotentiale, und zwar das Potential P (2Ed) – Ed und das Potential N (–2Ed) + Ed, der Gleichstromquelle 1 oder 2 unter Verwendung der EIN/AUS-Operation der Halbleiterschalter und der Spannung über dem Kondensator 10. 10 zeigt ein Beispiel für die Wellenform der Ausgangsspannung Vout.
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Dieser Wechselrichter mit fünf Ausgangsstufen erzeugt kleinere harmonische Komponenten niedriger Ordnung und einen geringeren Schaltverlust bei den Halbleiterschaltern als ein Wechselrichter mit zwei Stufen. Daher kann ein System mit einer hohen Effizienz konfiguriert werden.
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Die 5 und 6 zeigen Grundformen von mehrstufigen Umwandlungsschaltungen, wie etwa des Wandlers mit fünf Stufen von 4. Die Schaltung von 5 hat die Konfiguration der Schaltung von 4, aus der die IGBTs S2 und S5 entfernt wurden. Die Schaltung von 6 hat eine Konfiguration, bei der die Funktion der IGBTs S7 und S9 von 4 von dem bidirektionalen Schalter S12 ausgeführt wird und die Funktion der IGBTs S8 und S9 von dem bidirektionalen Schalter S13 ausgeführt wird. Fünf oder mehr Stufen der mehrstufigen Umwandlungsschaltung können dadurch erhalten werden, dass eine oder mehrere Umwandlungsschaltungen mit einem oder mehreren Halbleiterschaltern zwischen den Anschlüssen 16 und 17 in 5 oder zwischen den Anschlüssen 18 und 19 in 6 eingefügt werden. Die Schaltung von 4 ist ein Beispiel für das Einfügen der IGBTs S2 und S5 zwischen den Anschlüssen 16 und 17 von 5.
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7 zeigt ein erstes Beispiel für eine Wechselrichterschaltung mit sieben Stufen als eine Anwendungsmöglichkeit für die mehrstufige Umwandlungsschaltung. Bei einer Versorgungsgleichspannung von 3Ed × 2 kann eine Ausgabe eines elektrischen Potentials mit sieben Stufen dadurch erhalten werden, dass ein Kondensator 20, der mit einer Spannungseinheit Ed geladen ist, zwischen den Kollektor des IGBT S3 und den Emitter des IGBT S4 geschaltet wird, und ein Kondensator 21, der mit zwei Spannungseinheiten 2Ed geladen ist, zwischen den Kollektor des IGBT S2 und den Emitter des IGBT S5 geschaltet wird.
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8 zeigt eine Schaltungskonfiguration, bei der alle Schaltelemente die gleiche Stehspannung zeigen. Die Schaltung von
7 erfordert vier Reihenschaltungen aus diesen Schaltern jeweils für die IGBTs S1 und S6 in
7 und zwei Reihenschaltungen aus diesen Schaltern jeweils für die IGBTs S7 und S8 in
7. Damit jedes Element die gleiche Spannung in einem statischen Zustand dieser Schaltung hat, sind Teilungswiderstände (in der Figur nicht dargestellt) in der Regel mit den IGBTs parallel geschaltet. Das Vorsehen dieser Teilungswiderstände zielt jedoch nicht darauf ab, eine gleichmäßige Spannungsaufteilung unter dynamischen Bedingungen, wie etwa in einem Schaltprozess, zu realisieren. Daher wird eine andere Maßnahme benötigt, um eine gleichmäßige Spannungsaufteilung in dem Schaltprozess zu erreichen.
11 zeigt eine Variante einer Umwandlungsschaltung mit sieben Stufen, bei der ein Kondensator
22, der mit einer Spannungseinheit Ed geladen ist, zwischen den Verbindungspunkt eines IGBT S7a und eines IGBT S7b in
8 (der Verbindungspunkt eines IGBT S10 und eines IGBT S7 in
11) und den Verbindungspunkt eines IGBT S8a und eines IGBT S8b in
8 (der Verbindungspunkt eines IGBT S8 und eines IGBT S11 in
11) geschaltet ist. Das Patentdokument 1 beschreibt ein Beispiel für eine Wechselrichterschaltung mit fünf Stufen und die Grundschaltungen für die mehrstufige Schaltung.
Patentdokument 1:
Japanische Übersetzung der internationalen PCT-Anmeldung Nr. 2009-525717
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Wenn bei einer Systemabschaltung in einem System mit einer mehrstufigen Schaltung mit drei oder mehr Stufen, zum Beispiel mit der in 12A gezeigten Schaltung mit sieben Stufen, aus dem normalen Betrieb, bei dem IGBTs S1a bis S1d, S2 und S3 im eingeschalteten Zustand sind und ein elektrischer Strom zu dem Wechselstrom-Ausgang fließt, eine Unterbrechung aller Phasen zwangsweise durchgeführt wird, wird für jeden IGBT S1a bis S1d, S2 und S3 gleichzeitig eine Gate-Unterbrechung durchgeführt. Der Strom wird, wie in 12B gezeigt ist, zu den Dioden übertragen, die mit den IGBTs S4, S5 und S6a bis S6d antiparallel geschaltet sind. Dabei erhält die Schaltung zwischen dem Kollektor des IGBT S1a und dem Emitter des IGBT S3 eine Spannung von mehr als 6Ed, die auch eine transiente Stoßspannung enthält.
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Die Reihenschaltung aus den IGBTs S1a bis S1d erhält zwar eine Spannung von mindestens 4Ed, aber wenn die Spannung von den einzelnen in Reihe geschalteten Elementen gleichmäßig aufgeteilt wird, erhält jedes Element eine Spannung von etwa einer Ed-Einheit. In der Tat kann es zu einer Unausgeglichenheit bei der Spannungsaufteilung durch eine Streuung der Signalübertragungszeit der Gate-Schaltung zum Ansteuern dieser in Reihe geschalteten IGBTs und eine Änderung der Schalteigenschaften der IGBTs kommen. Dadurch kann ein bestimmter der IGBTs eine Überspannung erhalten, was zu einem Ausfall des Elements führt.
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Der Ausfall der Halbleiterschalter könnte auch bei einer unsymmetrischen Spannung vermieden werden, wenn Elemente mit einer hohen Stehspannung zum Einsatz kommen. Eine solche Maßnahme hat jedoch die Probleme große Größe und hohe Kosten.
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Kurze Darstellung der Erfindung
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Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine mehrstufige Stromwandlervorrichtung zur Verfügung zu stellen, bei der die Halbleiterschalter, die die Vorrichtung bilden, beim Abschalten der Vorrichtung so unterbrochen werden, dass vermieden wird, dass die Halbleiterschalter eine Überspannung erhalten, und dadurch eine Verkleinerung und Kostensenkung der Vorrichtung ohne Verwendung von Halbleiter-Schaltelementen erreicht werden, die eine hohe Stehspannung haben.
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Um das vorgenannte Ziel zu erreichen, weist ein mehrstufiger Stromwandler zum Umwandeln von Gleichstrom in Wechselstrom oder von Wechselstrom in Gleichstrom bei einer ersten Erfindung Folgendes auf: eine Gleichstromquellen-Einheit, die ein positives Terminal, ein negatives Terminal und ein Mittelpunktterminal mit einem mittleren elektrischen Potential zwischen dem positiven Terminal und dem negativen Terminal hat; eine Schaltung für eine Phase mit einer Schaltung aus in Reihe geschalteten Halbleiterschaltern mit mindestens vier Halbleiterschaltern, die jeweils eine antiparallel geschaltete Diode haben, wobei die Schaltung aus in Reihe geschalteten Halbleiterschaltern zwischen das positive Terminal und das negative Terminal der Gleichstromquelle geschaltet ist, und mit einem bidirektionalen Schalter, der bidirektional schalten kann und zwischen das Mittelpunktterminal der Gleichstromquellen-Einheit und einen Zwischenverbindungspunkt der Schaltung aus in Reihe geschalteten Halbleiterschaltern geschaltet ist; und eine Schaltung mit mindestens einem Halbleiterschalter, wobei einer der mindestens einen Halbleiterschalter zwischen einen von zwei Ausgangsanschlüssen, die das Potential jedes Verbindungspunkts der Halbleiterschalter in der Schaltung aus in Reihe geschalteten Halbleiterschaltern ausgeben, und einen Anschluss des bidirektionalen Schalters geschaltet sind, wobei sich der Anschluss auf einer Seite befindet, die nicht mit der Gleichstromquellen-Einheit verbunden ist, und mit einem Kondensator, der zwischen die beiden Ausgangsanschlüsse geschaltet ist, wobei der mehrstufige Stromwandler in einer Prozedur abgeschaltet wird, bei der die Halbleiterschalter entsprechend festgelegten sequentiellen Operationen unterbrochen werden und zum Schluss der bidirektionale Schalter unterbrochen wird.
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Der mehrstufige Stromwandler einer zweiten Erfindung ist der mehrstufige Stromwandler der ersten Erfindung, wobei die sequentiellen Operationen zum Unterbrechen der Halbleiterschalter nacheinander mit einem festgelegten Zeitabstand zwischen den Unterbrechungsprozessen für die einzelnen Schalter in einem eingeschalteten Zustand ausgeführt werden.
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Der mehrstufige Stromwandler einer dritten Erfindung ist der mehrstufige Stromwandler der ersten oder der zweiten Erfindung, wobei der mehrstufige Stromwandler ein Stromwandler mit fünf oder mehr Stufen ist.
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In einer Abschaltprozedur für einen mehrstufigen Stromwandler gemäß der Erfindung werden Halbleiterschalter entsprechend einer festgelegten Operationsabfolge nacheinander unterbrochen, und zum Schluss wird der bidirektionale Schalter unterbrochen, der mit dem Mittelpunkt der Gleichstromquellen-Einheit verbunden ist. Mit dieser Prozedur wird auch bei einer Unterbrechung aller Phasen der Halbleiterschalter bei einer erzwungenen Abschaltung vermieden, dass einer der Halbleiterschalter eine hohe Spannung erhält. Somit kann durch die Verwendung von Schaltern mit einer niedrigen Stehspannung eine Vorrichtung geringer Größe mit niedrigen Kosten konfiguriert werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Beispiel für eine Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
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Die 2A bis 2E zeigen ein Beispiel für eine erste Operation bei der Unterbrechung einer Stromwandlerschaltung mit fünf Stufen.
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Die 3A bis 3E zeigen ein Beispiel für eine zweite Operation bei der Unterbrechung einer Stromwandlerschaltung mit fünf Stufen.
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4 zeigt ein Beispiel für eine Wechselrichterschaltung einer Stromwandlerschaltung mit fünf Stufen.
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5 zeigt eine erste Grundform einer mehrstufigen Stromwandlerschaltung.
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6 zeigt eine zweite Grundform einer mehrstufigen Stromwandlerschaltung.
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7 zeigt ein Beispiel für eine Stromwandlerschaltung mit sieben Stufen unter Verwendung der ersten Grundform einer mehrstufigen Stromwandlerschaltung.
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8 zeigt ein Beispiel für eine Stromwandlerschaltung mit sieben Stufen, die Halbleiterschalter mit der gleichen Stehspannung hat.
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Die 9A und 9B zeigen Beispiele für die Konfiguration eines bidirektionalen Schalters.
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10 zeigt ein Beispiel für die Wellenform der Ausgangsspannung Vout eines Wechselrichters mit fünf Stufen.
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11 zeigt eine Variante einer Stromwandlerschaltung mit sieben Stufen.
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Die 12A und 12B zeigen ein Beispiel für Operationen in dem Prozess des Unterbrechens bei einer Stromwandlerschaltung mit sieben Stufen.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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Der wesentliche Punkt der vorliegenden Erfindung ist, dass bei einem mehrstufigen Stromwandler, bei dem ein bidirektionaler Halbleiterschalter mit dem Mittelpunkt auf einem mittleren elektrischen Potential der Gleichstromquellen-Einheit verbunden ist, die Gates der Halbleiterschalter nacheinander mit einem Zeitabstand gemäß einer festgelegten Abfolge oder einer Abfolge, die der Spannung und dem Strom während des Betriebs entspricht, unterbrochen werden und der am Schluss unterbrochene Halbleiterschalter der bidirektionale Halbleiterschalter ist, der mit dem Mittelpunkt der Gleichstromquellen-Einheit verbunden ist. Dieses Operationsschema erlaubt einen Übergang von einem Betriebszustand in einen Abschaltzustand mit einer minimalen Spannungsänderung.
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Ausführungsform 1
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1 ist ein Betriebsablaufdiagramm zum Abschalten der Hauptschaltung aus einem normalen Betriebszustand bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wenn im Block 23 während des normalen Betriebs bei Block 24 eine Betriebsanweisung gegeben wird, wird im Block 25 entschieden, ob eine Unterbrechung aller Phasen für eine Zwangsabschaltung durchgeführt wird. Wenn keine Unterbrechung aller Phasen angewiesen worden ist, kehrt das Operationsschema zu dem normalen Betrieb im Block 24 zurück.
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Wenn die Unterbrechung aller Phasen durchgeführt werden soll, werden im Block 26 die Schalter im eingeschalteten Zustand nacheinander mit einem festgelegten Zeitabstand entsprechend einem festgelegten Ablauf unterbrochen. In dem letzten Schritt, im Block 27, wird der bidirektionale Halbleiterschalter unterbrochen, der mit dem elektrischen Mittelpunktpotential der Gleichstromquellen-Einheit verbunden ist. Dieser bidirektionale Halbleiterschalter entspricht dem Schalter S9 in der Hauptschaltung, die in 2 gezeigt ist.
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Die 2A bis 2E zeigen ein Beispiel für eine erste Operation bei der Unterbrechung einer Stromwandlerschaltung mit fünf Stufen. Die Schaltungskonfiguration ist die Gleiche wie bei 4 und wird daher nicht beschrieben. 2A zeigt IGBTs S1 und S2 im eingeschalteten Zustand. Wenn alle IGBTs S1 und S2 im leitenden Zustand entsprechend der Anweisung zur Unterbrechung aller Phasen gleichzeitig unterbrochen werden, gelangt die Umwandlungsschaltung mit fünf Stufen in den Zustand von 2E, der ein Modus ist, bei dem der Strom durch die Dioden der IGBTs S5 und S6 zirkuliert. Bei diesem Arbeitsablauf erhält der IGBT S1 eine Spannung von 3Ed, zu der eine überlagerte Stoßspannung hinzukommt, wobei die Spannung von 3Ed die Versorgungsspannung von 2Ed × 2 minus der Spannung Ed über dem Kondensator 10 ist. Wenn der IGBT S1 eine Reihenschaltungskonfiguration hat, kann es durch eine Spannungsunausgeglichenheit zu einem Ausfall des Bauelements kommen.
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Um dieses Problem zu bewältigen, wird die Unterbrechungsprozedur in der Reihenfolge IGBT S1 → IGBT S2 → IGBT S8 mit einem bestimmten festgelegten Zeitabstand ausgeführt, und zum Schluss wird der bidirektionale Schalter S9 unterbrochen. Bei dieser Prozedur erhält jeder geschaltete IGBT die gleiche Spannung Ed plus eine Stoßspannung, wenn der IGBT S1 und der IGBT S6 in Reihe geschaltet sind. Hier erhalten der IGBT S1 und der IGBT S6 statisch eine Spannung von 2Ed oder 3Ed, aber es kann auch eine Spannungsaufteilung mit parallel geschalteten Widerständen durchgeführt werden.
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Nachstehend wird die Unterbrechungsoperation in der Reihenfolge IGBT S1 → IGBT S2 → IGBT S8 beschrieben.
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Wenn der IGBT S1 aus dem in 2A gezeigten Zustand heraus, in dem die IGBTs S1 und S2 eingeschaltet sind und der Wechselstrom-Ausgangsanschluss die Spannung 2Ed der Gleichstromquelle 1 bereitstellt, ausgeschaltet wird, wird der Strom, der durch die IGBTs S1 und S2 geflossen ist, auf dem folgenden Pfad übertragen, der durch die Strichlinie in 2B dargestellt ist: Punkt M der Gleichstromquellen-Einheit → bidirektionaler IGBT S9 → IGBT S8 → Kondensator 10 → IGBT S2 → Wechselstrom-Ausgangsanschluss. Hierbei ist die Spannung an dem Wechselstrom-Ausgangsanschluss die Spannung Ed des Kondensators 10. Der IGBT S1 erhält die Spannung Ed, die die Spannung 2Ed der Gleichstromquelle 1 minus der Spannung Ed des Kondensators 10 ist.
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Wenn der IGBT S2 aus diesem Zustand heraus ausgeschaltet wird, wird der Strom, der durch den IGBT S2 geflossen ist, auf dem folgenden Pfad übertragen, der durch die Strichlinie in 2C dargestellt ist: Punkt M der Gleichstromquellen-Einheit → bidirektionaler IGBT S9 → IGBT S8 → Diode des IGBT S5 → Wechselstrom-Ausgangsanschluss. Hier ist die ausgegebene Wechselspannung gleich dem elektrischen Potential M an dem Mittelpunkt der Gleichstromquellen-Einheit. Der IGBT S2 erhält die Spannung Ed des Kondensators 10.
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Wenn der IGBT S8 aus diesem Zustand heraus ausgeschaltet wird, wird der Strom, der durch den IGBT S8 geflossen ist, auf dem folgenden Pfad übertragen, der durch die Strichlinie in 2D dargestellt ist: Punkt M der Gleichstromquellen-Einheit → bidirektionaler IGBT S9 → Diode des IGBT S7 → Kondensator 10 → Diode des IGBT S5 → Wechselstrom-Ausgangsanschluss. Hier ist das elektrische Potential an dem Wechselstrom-Ausgangsanschluss die Spannung –Ed, die das elektrische Potential an dem Punkt M ist, das Null ist, minus der Spannung Ed des Kondensators 10. Der IGBT S8 erhält die Spannung Ed des Kondensators 10.
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Wenn der bidirektionale IGBT S9 ausgeschaltet wird, wird der Laststrom an dem Wechselstromausgang auf dem Pfad über die Diode des IGBT S5 und die Diode des IGBT S6 übertragen, wie in 2E gezeigt ist. Hier erhält der bidirektionale IGBT S9 die Spannung Ed. Die IGBTs, die ausgeschaltet werden, erhalten nur eine Spannungseinheit Ed. Somit wird die Stromkreisunterbrechung ohne Verwendung von Halbleiterschaltern, die eine hohe Stehspannung haben, sicher durchgeführt.
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Ausführungsform 2
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3 zeigt ein zweites Beispiel für den Betrieb bei einer Unterbrechung aller Phasen der Wandlerschaltung mit fünf Stufen. Die Schaltungskonfiguration ist die Gleiche wie die in 4 und wird daher nicht beschrieben. Während bei dem Betriebsbeispiel der 2A bis 2E zuerst der IGBT S1 aus dem Zustand heraus, in dem die IGBTs S1 und S2 eingeschaltet sind, ausgeschaltet wird, wird bei dem Betrieb dieser Ausführungsform 2 zuerst der IGBT S2 ausgeschaltet. 3A zeigt die IGBTs S1 und S2 im leitenden Zustand. Wenn alle IGBTs S1 und S2 entsprechend einer Anweisung zur Unterbrechung aller Phasen gleichzeitig unterbrochen werden, wird der Strom so übertragen, dass er in dem in 3E gezeigten Modus fließt, bei dem der Strom durch die Diode des IGBT S5 und die Diode des S6 zirkuliert. Hier erhält der IGBT S1 die Spannung 3Ed, zu der eine überlagerte Stoßspannung hinzukommt, die die Spannung 2Ed × 2 der Gleichstromquellen-Einheit minus der Spannung Ed des Kondensators 10 ist. Daher kann das Halbleiterelement durch eine Spannungsunausgeglichenheit ausfallen, wenn der IGBT S1 eine Reihenschaltungskonfiguration hat.
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Um dieses Problem zu bewältigen, wird die Unterbrechungsprozedur in der Reihenfolge IGBT S2 → IGBT S1 → IGBT S8 mit einem bestimmten festgelegten Zeitabstand ausgeführt, und zum Schluss wird der bidirektionale Schalter S9 unterbrochen. Bei dieser Prozedur erhält jeder geschaltete IGBT die gleiche Spannung Ed plus eine Stoßspannung, wenn der IGBT S1 und der IGBT S6 in Reihe geschaltet sind. Hier erhalten der IGBT S1 und der IGBT S6 statisch eine Spannung von 2Ed oder 3Ed, aber es kann auch eine Spannungsaufteilung mit parallel geschalteten Widerständen durchgeführt werden.
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Nachstehend wird die Unterbrechungsoperation in der Reihenfolge IGBT S2 → IGBT S1 → IGBT S8 beschrieben.
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Wenn der IGBT S1 aus dem in 3A gezeigten Zustand heraus, in dem die IGBTs S1 und S2 eingeschaltet sind und der Wechselstrom-Ausgangsanschluss die Spannung 2Ed der Gleichstromquelle 1 bereitstellt, ausgeschaltet wird, wird der Strom, der durch die IGBTs S1 und S2 geflossen ist, auf dem folgenden Pfad übertragen, der durch die Strichlinie in 3B dargestellt ist: Punkt P der Gleichstromquellen-Einheit → IGBT S1 → Kondensator 10 → Diode des IGBT S5 → Wechselstrom-Ausgangsanschluss. Hierbei ist die Spannung an dem Wechselstrom-Ausgangsanschluss die Spannung Ed, die die Spannung 2Ed der Gleichstromquelle 1 minus der Spannung Ed des Kondensators 10 ist. Der IGBT S2 erhält die Spannung Ed des Kondensators 10
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Wenn der IGBT S1 aus diesem Zustand heraus ausgeschaltet wird, wird der Strom, der durch den IGBT S1 geflossen ist, auf dem folgenden Pfad übertragen, der durch die Strichlinie in 3C dargestellt ist: Punkt M der Gleichstromquellen-Einheit → bidirektionaler IGBT S9 → IGBT S8 → Diode des IGBT S5 → Wechselstrom-Ausgangsanschluss. Hier ist die ausgegebene Wechselspannung gleich dem elektrischen Potential M an dem Mittelpunkt der Gleichstromquellen-Einheit. Der IGBT S1 erhält die Spannung Ed, die die Spannung 2Ed der Gleichstromquelle 1 minus der Spannung Ed des Kondensators 10 ist.
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Wenn der IGBT S8 aus diesem Zustand heraus ausgeschaltet wird, wird der Strom, der durch den IGBT S8 geflossen ist, auf dem folgenden Pfad übertragen, der durch die Strichlinie in 3D dargestellt ist: Punkt M der Gleichstromquellen-Einheit → bidirektionaler IGBT S9 → Diode des IGBT S7 → Kondensator 10 → Diode des IGBT S5 → Wechselstrom-Ausgangsanschluss. Hier ist das elektrische Potential an dem Wechselstrom-Ausgangsanschluss die Spannung –Ed, die das elektrische Potential an dem Punkt M ist, das Null ist, minus der Spannung Ed des Kondensators 10. Der IGBT S8 erhält die Spannung Ed des Kondensators 10.
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Wenn der bidirektionale IGBT S9 ausgeschaltet wird, wird der Laststrom an dem Wechselstromausgang auf dem Pfad über die Diode des IGBT S5 und die Diode des IGBT S6 übertragen, wie in 3E gezeigt ist. Hier erhält der bidirektionale IGBT S9 die Spannung Ed. Die IGBTs, die ausgeschaltet werden, erhalten nur eine Spannungseinheit Ed. Somit wird die Stromkreisunterbrechung ohne Verwendung von Halbleiterschaltern, die eine hohe Stehspannung haben, sicher durchgeführt.
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In jedem Betriebsbeispiel wird die Unterbrechung von IGBTs in einer bestimmten Reihenfolge durchgeführt, und zum Schluss wird der bidirektionale IGBT S9 unterbrochen. Bei dieser Unterbrechungsprozedur erhält jeder Halbleiterschalter nur die Spannung Ed plus die Stoßspannung in dem Prozess des Ausschaltens.
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Die mehrstufigen Wandlerschaltungen der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen sind eine Umwandlungsschaltung mit fünf Stufen und eine Umwandlungsschaltung mit sieben Stufen. Die vorliegende Erfindung kann jedoch auch für mehrstufige Wandler mit neun oder mehr Stufen verwendet werden, die auf Grund der Basisschaltung von 5 oder 6 konfiguriert sind und ein bidirektionales Schaltelement haben, das mit dem Punkt M des mittleren elektrischen Potentials einer Gleichstromquellen-Einheit verbunden ist. Die vorstehende Beschreibung bezieht sich zwar auf eine Schaltung, die einen Gleichstrom in einen Wechselstrom umwandelt, aber die vorliegende Erfindung kann auch für Schaltungen verwendet werden, die einen Wechselstrom in einen Gleichstrom umwandeln.
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungstechnologie für Vorrichtungen, wie etwa Hochspannungswechselrichter zum Erzeugen eines mehrstufigen Hochspannungswechselstroms von mehreren Gleichstromquellen sowie Gleichstromquellen zum Erzeugen von mehrstufigen Gleichspannungen von einer Hochspannungswechselstromquelle, und kann für Ansteuervorrichtungen von Hochspannungsmotoren und für Wechselrichter für den Netzanschluss verwendet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1, 2
- Gleichstromquelle
- 10, 20, 21, 22
- Kondensator
- 11U, 11V, 11W
- Mehrstufige Schaltung für eine Phase
- 12
- Motorlast
- D1, D2
- Diode
- S1, S1a bis S1d, S2, S3, S4, S5
- IGBT
- S6, S6a bis S6d
- IGBT
- S7, S7a, S7b, S8, S8a, S8b, Q1, Q2
- IGBT
- S9, S12, S13
- Bidirektionaler Schalter, der ein bidirektionaler IGBT ist
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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