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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine mehrstufige Umformschaltung, welche mittels fliegender Kondensatoren mehrstufige Spannungen abgibt, insbesondere eine Schaltung zum Laden der Kondensatoren in der mehrstufigen Umformschaltung.
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Beschreibung des Stands der Technik
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10 zeigt ein Beispiel einer in Patentdokument 1 offenbarten, fliegende Kondensatoren verwendenden fünfstufigen Umformschaltung. Diese Umformschaltung liefert fünf Spannungsstufen aus einer aus zwei in Reihe geschalteten Einzel-Gleichstromversorgungen DP und DN bestehenden Gleichstromversorgung mit drei Anschlusspunkten, einem positiven Anschlusspunkt P, einem Null-Anschlusspunkt M und einem negativen Anschlusspunkt N. Eine Reihenschaltung von Halbleiterschaltern S1 bis S4, welche jeweils aus einer antiparallel geschalteten Diode und einem IGBT bestehen, ist zwischen den positiven Anschlusspunkt P und den negativen Anschlusspunkt N der Gleichstromversorgung geschaltet. Parallel zu einer Reihenschaltung der Halbleiterschalter S2 und S3 sind eine Reihenschaltung der Halbleiterschalter S5 und S6 und ein Kondensator C1, welcher als fliegender Kondensator bezeichnet wird, geschaltet. Ein aus rückwärts sperrenden IGBTs S15 und S16 bestehender Wechselstromschalter, welcher eine Stehspannung in einer Sperrrichtung aufweist, ist zwischen den Verbindungspunkt zwischen den Halbleiterschaltern S5 und S6 und den Null-Anschlusspunkt M, welcher ein Punkt mittleren Potentials der Gleichstromversorgung ist, geschaltet. Ein Wechselstrom-Anschlusspunkt U ist der Verbindungspunkt zwischen den Halbleiterschaltern S2 und S3.
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Wenn die Spannungen Edcp und Eden der Einzel-Gleichstromversorgungen DP beziehungsweise DN jeweils 2E betragen und die Spannung Vc1 über den Kondensator C1 auf E gesteuert wird, liefert die Schaltung mit dem oben beschriebenen Aufbau fünf Spannungsstufen am Wechselstrom-Anschlusspunkt U. Zum Beispiel wenn die Halbleiterschalter S1, S2, S6 und S16 im Durchlasszustand sind, wird eine Spannung 2E aus dem Wechselstrom-Anschlusspunkt U abgegeben; wenn die Halbleiterschalter S1, S3, S6 und S16 im Durchlasszustand sind oder die Halbleiterschalter S2 und S6 und der Wechselstromschalter Sac im Durchlasszustand sind, wird eine Spannung E abgegeben; wenn die Halbleiterschalter S3 und S6 und der Wechselstromschalter Sac im Durchlasszustand sind oder die Halbleiterschalter S2 und S5 und der Wechselstromschalter Sac im Durchlasszustand sind, wird eine Spannung null abgegeben; wenn die Halbleiterschalter S2, S4, S5 und S15 im Durchlasszustand sind oder die Halbleiterschalter S3 und S5 und der Wechselstromschalter Sac im Durchlasszustand sind, wird eine Spannung -E abgegeben; und wenn die Halbleiterschalter S3, S4, S5 und S15 im Durchlasszustand sind, wird eine Spannung -2E am Wechselstrom-Anschlusspunkt U abgegeben.
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Bei dieser Arbeitsweise gibt es zwei Wege, eine Spannung E aus dem Wechselstrom-Anschlusspunkt U in der Stromrichtung zur Last hin abzugeben. Einer davon verläuft über einen Pfad 1: Halbleiterschalter S1 → Kondensator C1 → Halbleiterschalter S3; der andere verläuft über einen Pfad 2: Wechselstromschalter Sac → Halbleiterschalter S6 → Kondensator C1 → Halbleiterschalter S2. Der Kondensator C1 wird über den Pfad 1 geladen und über den Pfad 2 entladen. Die Durchschnittsspannung des Kondensators C1 lässt sich durch Erfassen der Spannung des Kondensators C1 und geeignetes Auswählen der Pfade, so dass der Durchschnittswert der Spannung E beträgt, auf den Wert E steuern. Entsprechend gibt es zwei Pfade für die Abgabe einer Spannung -E aus dem Wechselstrom-Anschlusspunkt U, und die Durchschnittsspannung des Kondensators C1 lässt sich auf den Wert E steuern.
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11 zeigt ein Beispiel einer Umformschaltung, welche eine aus der in 10 gezeigten Umformschaltung von fünf Stufen erweiterte Umformschaltung von sieben Stufen ist. Die siebenstufige Umformschaltung in 11 hat einen Schaltungsaufbau, welcher aus einer aus Einzel-Gleichstromversorgungen DP und DN bestehenden Gleichstromversorgung mit drei Anschlusspunkten, einem positiven Anschlusspunkt P, einem Null-Anschlusspunkt M und einem negativen Anschlusspunkt N, sieben Spannungsstufen liefert. Zwischen den positiven Anschlusspunkt P und den negativen Anschlusspunkt N ist eine Reihenschaltung von Halbleiterschaltern S1 bis S6, welche jeweils aus einer Diode und einem IGBT bestehen, welche antiparallel zueinander geschaltet sind, geschaltet. Parallel zu der Reihenschaltung von Halbleiterschaltern S2 bis S5 sind ein Kondensator C2 und eine Reihenschaltung der Halbleiterschalter S7 und S8 geschaltet. Parallel zu der Reihenschaltung von Halbleiterschaltern S3 und S4 ist ein Kondensator C1 geschaltet. Zwischen den Verbindungspunkt zwischen den Halbleiterschaltern S7 und S8 und den Null-Anschlusspunkt M, d.h. den Punkt mittleren Potentials der Gleichstromversorgung, ist ein Wechselstromschalter Sac geschaltet, welcher aus antiparallel geschalteten rückwärts sperrenden IGBTs S15 und S16 besteht, welche jeweils eine Stehspannung in der Sperrrichtung aufweisen. Der Verbindungspunkt zwischen den Halbleiterschaltern S3 und S4 ist der Wechselstrom-Anschlusspunkt U.
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Bei diesem Schaltungsaufbau werden, wenn die Spannungen Edcp und Eden der Einzel-Gleichstromversorgungen DP und DN jeweils 3E sind und die Spannung Vc1 über den Kondensator C1 auf E gesteuert wird und die Spannung Vc2 über den Kondensator C2 auf 2E gesteuert wird, sieben Spannungsstufen aus dem Wechselstrom-Anschlusspunkt U abgegeben. Zum Beispiel wenn die Halbleiterschalter S1 bis S3 im Durchlasszustand sind, wird eine Spannung 3E aus dem Wechselstrom-Anschlusspunkt U abgegeben; wenn die Halbleiterschalter S1, S2 und S4 im Durchlasszustand sind, wird eine Spannung 2E abgegeben; wenn die Halbleiterschalter S1, S5 und S4 im Durchlasszustand sind, wird eine Spannung E abgegeben; wenn der Wechselstromschalter Sac und die Halbleiterschalter S7, S2 und S3 oder der Wechselstromschalter Sac und die Halbleiterschalter S8, S5 und S4 im Durchlasszustand sind, wird eine Spannung null abgegeben; wenn der Wechselstromschalter Sac und die Halbleiterschalter S7, S2 und S4 im Durchlasszustand sind, wird eine Spannung -E abgegeben; wenn der Wechselstromschalter Sac und die Halbleiterschalter S7, S5 und S4 im Durchlasszustand sind, wird eine Spannung -2E abgegeben; und wenn die Halbleiterschalter S4 bis S6 im Durchlasszustand sind, wird eine Spannung -3E aus dem Wechselstrom-Anschlusspunkt U abgegeben. Im einzelnen gibt es eine Vielzahl von anderen Steuermethoden als die oben beschriebenen. Diese stellen jedoch erweiterte Arbeitsweisen der in 11 gezeigten Schaltung dar, und deshalb wird hierauf eine ausführliche Beschreibung derselben verzichtet.
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Bei dieser Arbeitsweise gibt es zwei Wege, eine Spannung E aus dem Wechselstrom-Anschlusspunkt U abzugeben. Einer davon verläuft über einen Pfad 1: Halbleiterschalter S1 → Kondensator C2 → Halbleiterschalter S5 → Halbleiterschalter S4; der andere verläuft über einen Pfad 2: Wechselstromschalter Sac → Halbleiterschalter S8 → Kondensator C2 → Halbleiterschalter S2 → Kondensator C1 → Halbleiterschalter S4. Der Kondensator C2 wird über den Pfad 1 geladen und über den Pfad 2 entladen. Die Durchschnittsspannung des Kondensators C2 lässt sich durch Erfassen der Spannung des Kondensators C2 und geeignetes Auswählen der Pfade, so dass der Durchschnittswert der Spannung 2E beträgt, auf den Wert 2E steuern. Entsprechend gibt es zwei Pfade für die Abgabe einer Spannung -E aus dem Wechselstrom-Anschlusspunkt U, und die Durchschnittsspannung des Kondensators C2 lässt sich durch geeignetes Auswählen der Pfade auf den Wert 2E steuern.
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Es gibt zwei Wege, eine Spannung 2E aus dem Wechselstrom-Anschlusspunkt U abzugeben. Einer davon verläuft über einen Pfad 1: Halbleiterschalter S1 → Halbleiterschalter S2 → Kondensator C1 → Halbleiterschalter S4; der andere verläuft über einen Pfad 2: Halbleiterschalter S1 → Kondensator C2 → Halbleiterschalter S5 → Kondensator C1 → Halbleiterschalter S3. Der Kondensator C1 wird über den Pfad 1 geladen und über den Pfad 2 entladen. Die Durchschnittsspannung des Kondensators C1 lässt sich durch Erfassen der Spannung des Kondensators C1 und geeignetes Auswählen der Pfade, so dass der Durchschnittswert der Spannung E beträgt, auf den Wert E steuern. Entsprechend gibt es zwei Pfade für die Abgabe einer Spannung -2E aus dem Wechselstrom-Anschlusspunkt U, und die Durchschnittsspannung des Kondensators C1 lässt sich auf den Wert E steuern.
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In der siebenstufigen Umformschaltung mit dem Aufbau aus 11 führen die Halbleiterschalter S7 und S8 das Umschalten mit einem Spannungsänderungsschritt von zwei Einheiten, d.h. 2E, aus. Eine große Spannungsänderung in einer Ausgangswellenform erzeugt gewöhnlich eine hohe Mikrostoßspannung zum Beispiel an einem Wechselstrommotor auf der Lastseite entsprechend der Spannungsänderung, was ein Problem eines Isolationsdurchschlags verursacht.
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Um dieses Problem zu bewältigen, hat der Erfinder der vorliegenden Erfindung die in Patentdokument 2 offenbarte Schaltung vorgeschlagen. 12 zeigt den Aufbau der Schaltung, in welcher eine aus in Reihe geschalteten Einzel-Gleichstromversorgungen DP und DN bestehende Gleichstromversorgung Anschlusspunkte hat, und zwar, nach absteigendem elektrischem Potential geordnet, einen positiven Anschlusspunkt P, einen Null-Anschlusspunkt M und einen negativen Anschlusspunkt N. Der Anschlusspunkt M ist der Basis-Anschlusspunkt mit einem Potential von null. Halbleiterschalter in der folgenden Beschreibung sind IGBTs, welche jeweils mit einer antiparallel geschalteten Diode versehen sind. Natürlich können auch die anderen Arten von Halbleiterschaltern verwendet werden. Eine Reihenschaltung von Halbleiterschaltern S1 bis S6 ist zwischen den positiven Anschlusspunkt P und den negativen Anschlusspunkt N geschaltet. Der Verbindungspunkt zwischen den Halbleiterschaltern S3 und S4 ist ein Wechselstrom-Anschlusspunkt U. Eine Reihenschaltung von Halbleiterschaltern S7 bis S10 und ein Kondensator C2 sind zwischen den Verbindungspunkt zwischen den Halbleiterschaltern S1 und S2 und den Verbindungspunkt zwischen den Halbleiterschaltern S5 und S6 geschaltet. Ein aus antiparallel geschalteten rückwärts sperrenden IGBTs S15 und S16 bestehender Wechselstromschalter Sac ist zwischen den Null-Anschlusspunkt M und den Verbindungspunkt zwischen den Halbleiterschaltern S8 und S9 geschaltet.
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Ferner ist ein Kondensator C1 zwischen den Anschlusspunkt mit höherem Potential des Halbleiterschalters S3 und den Anschlusspunkt mit niedrigerem Potential des Halbleiterschalters S4 geschaltet und ist ein Kondensator C3 zwischen den Anschlusspunkt mit höherem Potential des Halbleiterschalters S8 und den Anschlusspunkt mit niedrigerem Potential des Halbleiterschalters S9 geschaltet. Die Kondensatoren C1, C2 und C3 werden als fliegende Kondensatoren bezeichnet. Statt den in 12 gezeigten Aufbau einer Antiparallelschaltung der Halbleiterschalter S15 und S16, welche jeweils Rückwärtssperrfähigkeit aufweisen, zu verwenden, kann der Wechselstromschalter Sac aus einer Kombination von IGBTs ohne Rückwärtssperrfähigkeit und Dioden wie in 13 gezeigt bestehen. Schaltung (a) in 13 besteht aus zwei antiparallel geschalteten Reihenschaltungen, welche jeweils aus einer Diode und einem IGBT bestehen. Die Schaltungen (b) und (c) bestehen aus zwei in Reihe geschalteten Schaltungen, wobei jede Schaltung aus einer antiparallel geschalteten Diode und einem IGBT besteht.
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Die Höhe der Spannung jeder der Einzel-Gleichstromversorgungen DP und DN in der Schaltung in 12 wird hier als 3E angenommen. Ähnlich dem herkömmlichen Beispiel in 11 werden die Spannungen Vc1, Vc2 und Vc3 der Kondensatoren C1, C2 und C3 durch Laden oder Entladen der Kondensatoren, um Durchschnittswerte von Vc1 = E, Vc2 = 2E und Vc3 = E zu halten, verändert. Wenn das Potential am Null-Anschlusspunkt M null ist, kann die Ausgangsspannung Vu am Wechselstrom-Anschlusspunkt U mittels Durchlass-/Sperrbetriebs der Halbleiterschalter in sieben Stufen von ±3E, ±2E, ±E und null erzielt werden. Zum Beispiel wenn die Halbleiterschalter S1, S2, S3, S9, S10 und S16 in einem Durchlasszustand sind und die anderen Halbleiterschalter in einem Sperrzustand sind wie in 14A gezeigt, beträgt die Ausgangsspannung am Wechselstrom-Anschlusspunkt U +3E, was gleich der Spannung am Anschlusspunkt P der Einzel-Gleichstromversorgung DP ist. Wenn die Halbleiterschalter S1, S3, S5, S9, S10 und S16 im Durchlasszustand sind und die anderen Halbleiterschalter im Sperrzustand sind wie in 14B gezeigt, beträgt die Ausgangsspannung am Wechselstrom-Anschlusspunkt U +2E, was gleich der Spannung +3E der Einzel-Gleichstromversorgung DP minus die Spannung +2E der Kondensatorspannung Vc2 plus die Spannung +E der Kondensatorspannung Vc1 ist.
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Wenn die Halbleiterschalter S3, S5, S9, S10, S15 und S16 im Durchlasszustand sind und die anderen Halbleiterschalter im Sperrzustand sind wie in 14C gezeigt, beträgt die Ausgangsspannung am Wechselstrom-Anschlusspunkt U +E, was gleich dem Potential null am Anschlusspunkt M der Gleichstromversorgung plus die Spannung +E der Kondensatorspannung Vc1 ist. Wenn die Halbleiterschalter S4, S5, S9, S10, S15 und S16 im Durchlasszustand sind und die anderen Halbleiterschalter im Sperrzustand sind wie in 14D gezeigt, beträgt die Ausgangsspannung am Wechselstrom-Anschlusspunkt U null, was gleich dem Potential am Anschlusspunkt M der Gleichstromversorgung ist. Wenn die Halbleiterschalter S3, S5, S7, S9, S15 und S16 im Durchlasszustand sind und die anderen Halbleiterschalter im Sperrzustand sind wie in 14E gezeigt, beträgt die Ausgangsspannung am Wechselstrom-Anschlusspunkt U null, was gleich der Spannung null am Anschlusspunkt M der Gleichstromversorgung plus die Spannung +1E der Kondensatorspannung Vc3 minus die Spannung +2E der Kondensatorspannung Vc2 plus die Spannung +1E der Kondensatorspannung Vc1 ist.
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Elektrischer Strom fließt infolge Durchlass-/Sperrbetriebs der Halbleiterschalter auf den in den 14A bis 14E gezeigten Pfaden vom Anschlusspunkt P, M oder N zum Wechselstrom-Anschlusspunkt U, während die Kondensatoren geladen oder entladen werden. Ähnlich wie bei der fünfstufigen Umformschaltung in 10 und der siebenstufigen Umformschaltung in 11 gibt es eine Vielzahl von Pfaden für eine Methode zum Erzielen der gleichen Spannung am Wechselstromausgangs-Anschlusspunkt. Durch Erfassen der Spannungen der Kondensatoren und Auswählen eines geeigneten Pfads ist die Spannungssteuerung für die Kondensatoren C1 und C3 in 12 auf E und den Kondensator C2 auf 2E möglich. Eine andere Kombination von Pfaden kann eine gewünschte Spannung liefern und die Kondensatoren laden oder entladen, jedoch wird hier auf Einzelheiten verzichtet.
Ferner beschreibt Patentdokument 3 eine Umrichterschaltung zur Schaltung einer Vielzahl von Spannungsniveaus. Dazu ist bei einer Schaltzelle ein Schaltelement mit gesteuerter bidirektionaler Stromführungsrichtung unmittelbar mit einem Verbindungspunkt eines zweiten mit einem dritten Leistungshalbleiterschalter und unmittelbar mit dem Verbindungspunkt eines ersten Energiespeichers mit einem zweiten Energiespeicher verbunden.
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- [Patentdokument 1] Japanische ungeprüfte Patentanmeldungs-Veröffentlichung JP 2012-182974 A
- [Patentdokument 2] Japanische ungeprüfte Patentanmeldungs-Veröffentlichung JP 2013-146117 A
- [Patentdokument 3] US 2008 0315859A1
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Die Umformschaltung in 12 stellt aus der Gleichstromversorgung mit drei Anschlusspunkt-Potentialstufen sieben Stufen von Ausgangsspannungen Vu bereit, indem sie mittels Durchlass-/Sperrbetriebs der Halbleiterschalter die Spannungen Edcp und Eden der Einzel-Gleichstromversorgungen DP und DN und die Spannungen Vc1, Vc2 und Vc3 der Kondensatoren C1, C2 und C3 kombiniert. Um sieben Ausgangsspannungsstufen zu erhalten, ist der Durchschnittswert der Spannung Vc1 über den Kondensator C1 notwendigerweise E, ist der Durchschnittswert der Spannung Vc2 über den Kondensator C2 notwendigerweise 2E und ist der Durchschnittswert der Spannung Vc3 über den Kondensator C3 notwendigerweise E. Im tatsächlichen Betrieb der Schaltung ändern sich die Kondensatorspannungen Vc1, Vc2 und Vc3 jedoch aufgrund des in der Schaltung fließenden Stroms. Bei einem gewöhnlich verwendeten Verfahren, um die Kondensatorspannungen auf den Durchschnittswerten zu halten, wird Durchlass-/Sperrbetrieb der Halbleiterschalter S1 bis S10 und des Wechselstromschalters Sac kombiniert, um gewünschte Spannungen abzugeben und gleichzeitig das Laden und Entladen der Kondensatoren C1, C2 und C3 zu steuern. Diese Steuerung benötigt eine Einrichtung zum Erfassen der Kondensatorspannungen Vc1, Vc2 und Vc3. Trotzdem haben die Kondensatoren keinen Teil mit gemeinsamem Potential. Folglich erfordert die Spannungserfassungsschaltung eine Isolierfunktion, was die Kosten der Einrichtung erhöht.
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KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Deshalb ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine mehrstufige Umformschaltung bereitzustellen, welche fähig ist, die Kondensatorspannungen zu niedrigen Kosten auf gewünschte Werte zu steuern, in welcher einige der in der mehrstufigen Umformschaltung verwendeten Kondensatoren nicht mit einer Spannungserfassungsschaltung versehen sind.
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Um die obige Aufgabe zu erfüllen, ist der erste Aspekt der vorliegenden Erfindung eine mehrstufige Umformschaltung, welche aus einer mit drei Anschlusspunkten versehenen Gleichstromversorgung, welche aus zwei Einzelstromversorgungen besteht und drei verschiedene Spannungsstufen einschließlich null aufweist, zahlreiche Spannungsstufen erzeugt und die zahlreichen Spannungsstufen auswählt und abgibt, wobei die mehrstufige Umformschaltung enthält: eine erste und eine zweite Schaltergruppe, wobei jede Schaltergruppe n in Reihe geschaltete Halbleiterschalter mit einer antiparallel geschalteten Diode umfasst, wobei n eine Ganzzahl größer als oder gleich drei ist; eine dritte und eine vierte Schaltergruppe, wobei jede Schaltergruppe (n-1) in Reihe geschaltete Halbleiterschalter umfasst; und einen Wechselstromschalter, bestehend aus einer Kombination von rückwärts sperrenden Halbleiterschaltern; wobei eine Reihenschaltung der ersten Schaltergruppe und der zweiten Schaltergruppe zwischen einen ersten Gleichstrom-Anschlusspunkt, welcher einer der drei Anschlusspunkte der Gleichstromversorgung auf dem höchsten Potential ist, und einen dritten Gleichstrom-Anschlusspunkt, welcher einer der drei Anschlusspunkte der Gleichstromversorgung auf dem niedrigsten Potential ist, geschaltet ist, wobei die erste Schaltergruppe mit dem ersten Gleichstrom-Anschlusspunkt verbunden ist; eine Reihenschaltung der dritten Schaltergruppe und der vierten Schaltergruppe zwischen einen negativen Anschlusspunkt eines ersten Halbleiterschalters, welcher die erste Schaltergruppe bildet, und einen positiven Anschlusspunkt eines n-ten Halbleiterschalters, welcher die zweite Schaltergruppe bildet, geschaltet ist, wobei die dritte Schaltergruppe mit dem negativen Anschlusspunkt des ersten Halbleiterschalters der ersten Schaltergruppe verbunden ist; der Wechselstromschalter zwischen einen Verbindungspunkt der dritten Schaltergruppe und der vierten Schaltergruppe und einen zweiten Gleichstrom-Anschlusspunkt, welcher einer der drei Anschlusspunkte der Gleichstromversorgung auf einem mittleren Potential ist, geschaltet ist; ein j-ter Kondensator, wobei j eine Ganzzahl von 1 bis (n-2) ist, zwischen einen positiven Anschlusspunkt eines (n-m)-ten Halbleiterschalters, welcher die erste Schaltergruppe bildet, wobei m eine Ganzzahl von 0 bis (n-3) ist, und einen negativen Anschlusspunkt eines k-ten Halbleiterschalters, welcher die zweite Schaltergruppe bildet, wobei keine Ganzzahl von 1 bis (n-2) ist, geschaltet ist; ein (n-1)-ter Kondensator zwischen einen positiven Anschlusspunkt der dritten Schaltergruppe und einen negativen Anschlusspunkt der vierten Schaltergruppe geschaltet ist; ein i-ter Kondensator, wobei i eine Ganzzahl von n bis (2n-3) ist, zwischen einen positiven Anschlusspunkt eines (n-m-1)-ten Halbleiterschalters, welcher die dritte Schaltergruppe bildet, und einen negativen Anschlusspunkt eines k-ten Halbleiterschalters, welcher die vierte Schaltergruppe bildet, geschaltet ist; ein Verbindungspunkt zwischen der ersten Schaltergruppe und der zweiten Schaltergruppe ein Wechselstrom-Anschlusspunkt ist; und eine Brückungseinrichtung einen Anschlusspunkt des j-ten Kondensators und einen Anschlusspunkt des i-ten Kondensators verbindet.
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Der zweite Aspekt der Erfindung ist die mehrstufige Umformschaltung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung, wobei eine j-te Diode, welche die Brückungseinrichtung ist, zwischen einen positiven Anschlusspunkt des j-ten Kondensators und einen negativen Anschlusspunkt des i-ten Kondensators geschaltet ist; und eine (i-1)-te Diode, welche die Brückungseinrichtung ist, zwischen einen positiven Anschlusspunkt des i-ten Kondensators und einen negativen Anschlusspunkt des j-ten Kondensators geschaltet ist.
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Der dritte Aspekt der Erfindung ist die mehrstufige Umformschaltung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung, wobei eine Reihenschaltung einer j-ten Diode und eines j-ten Widerstands, wobei die Reihenschaltung die Brückungseinrichtung ist, zwischen einen positiven Anschlusspunkt des j-ten Kondensators und einen negativen Anschlusspunkt des i-ten Kondensators geschaltet ist; und eine Reihenschaltung einer (i-1)-ten Diode und eines (i-1)-ten Widerstands, wobei die Reihenschaltung die Brückungseinrichtung ist, zwischen einen positiven Anschlusspunkt des i-ten Kondensators und einen negativen Anschlusspunkt des j-ten Kondensators geschaltet ist.
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Der vierte Aspekt der Erfindung ist die mehrstufige Umformschaltung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung, in welcher ein j-ter rückwärts sperrender Halbleiterschalter, welcher die Brückungseinrichtung ist, zwischen einen positiven Anschlusspunkt des j-ten Kondensators und einen negativen Anschlusspunkt des i-ten Kondensators geschaltet ist; und ein (i-1)-ter rückwärts sperrender Halbleiterschalter, welcher die Brückungseinrichtung ist, zwischen einen positiven Anschlusspunkt des i-ten Kondensators und einen negativen Anschlusspunkt des j-ten Kondensators geschaltet ist.
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Der fünfte Aspekt der Erfindung ist die mehrstufige Umformschaltung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung, wobei ein j-tes Impedanzelement, welches die Brückungseinrichtung ist, zwischen einen positiven Anschlusspunkt des j-ten Kondensators und einen positiven Anschlusspunkt des i-ten Kondensators geschaltet ist; und ein (i-1)-tes Impedanzelement, welches die Brückungseinrichtung ist, zwischen einen negativen Anschlusspunkt des i-ten Kondensators und einen negativen Anschlusspunkt des j-ten Kondensators geschaltet ist.
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Der sechste Aspekt der Erfindung ist die mehrstufige Umformschaltung gemäß einem beliebigen der Aspekte zwei bis fünf der Erfindung, wobei eine Zenerdiode zum j-ten Kondensator, (n-1)-ten Kondensator oder i-ten Kondensator parallelgeschaltet ist.
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Eine mehrstufige Umformschaltung, welche von einem „Fliegende-Kondensatoren“-Typ ist, der Erfindung enthält eine Brückungseinrichtung zwischen fliegenden Kondensatoren. Diese Einrichtung gestattet, auf eine Spannungserfassung einiger der Kondensatoren in der Umformschaltung zu verzichten und die Kondensatorspannungen dennoch auf gewünschte Werte zu steuern. Deshalb wird die Anzahl von Kondensatorspannungs-Erfassungsschaltungen gesenkt, was eine Senkung der Kosten der Einrichtung zur Folge hat.
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Figurenliste
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- 1 ist ein Schaltplan eines Beispiels einer mehrstufigen Umformschaltung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 2A veranschaulicht eine Arbeitsweise der mehrstufigen Umformschaltung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 2B veranschaulicht eine weitere Arbeitsweise der mehrstufigen Umformschaltung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 3 ist ein Schaltplan eines Beispiels einer mehrstufigen Umformschaltung gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 4 ist ein Schaltplan eines Beispiels einer mehrstufigen Umformschaltung gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 5 ist ein Schaltplan eines Beispiels einer mehrstufigen Umformschaltung gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 6 ist ein Schaltplan eines Beispiels einer mehrstufigen Umformschaltung gemäß der fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 7 ist ein Schaltplan eines Beispiels einer mehrstufigen Umformschaltung gemäß der sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 8 veranschaulicht die Arbeitsweise der mehrstufigen Umformschaltung gemäß der sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 9 ist ein Schaltplan eines Beispiels einer mehrstufigen Umformschaltung gemäß der siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 10 zeigt ein Beispiel einer herkömmlichen fünfstufigen Umformschaltung;
- 11 zeigt ein Beispiel einer herkömmlichen siebenstufigen Umformschaltung;
- 12 zeigt ein Beispiel einer herkömmlichen siebenstufigen Umformschaltung eines verbesserten Typs;
- 13 zeigt Beispiele von Wechselstromschalter-Schaltungen;
- 14A veranschaulicht eine Arbeitsweise (a) der verbesserten siebenstufigen Umformschaltung;
- 14B veranschaulicht eine Arbeitsweise (b) der verbesserten siebenstufigen Umformschaltung;
- 14C veranschaulicht eine Arbeitsweise (c) der verbesserten siebenstufigen Umformschaltung;
- 14D veranschaulicht eine Arbeitsweise (d) der verbesserten siebenstufigen Umformschaltung;
- 14E veranschaulicht eine Arbeitsweise (e) der verbesserten siebenstufigen Umformschaltung;
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Der wesentliche Punkt der vorliegenden Erfindung lautet wie folgt.
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Eine mehrstufige Umformschaltung der Erfindung erzeugt aus einer Gleichstromversorgung mit drei Spannungsstufen zahlreiche Spannungsstufen, wobei die mehrstufige Umformschaltung enthält: eine Reihenschaltung einer ersten und einer zweiten Schaltergruppe, welche zwischen einen positiven Anschlusspunkt und einen negativen Anschlusspunkt der Stromversorgung geschaltet ist, wobei jede Schaltergruppe n in Reihe geschaltete Halbleiterschalter enthält, wobei n eine Ganzzahl größer als oder gleich drei ist; eine Reihenschaltung einer dritten und einer vierten Schaltergruppe, welche zwischen einen negativen Anschlusspunkt eines ersten Halbleiterschalters, welcher die erste Schaltergruppe bildet, und einen positiven Anschlusspunkt eines n-ten Halbleiterschalters, welcher die zweite Schaltergruppe bildet, geschaltet ist, wobei die dritte Gruppe mit einem negativen Anschlusspunkt des ersten Halbleiterschalters der ersten Schaltergruppe verbunden ist, wobei jede der dritten und der vierten Schaltergruppe (n-1) in Reihe geschaltete Halbleiterschalter enthält; und einen Wechselstromschalter, bestehend aus einer Kombination von rückwärts sperrenden Halbleiterschaltern, welcher zwischen einen Verbindungspunkt der dritten Schaltergruppe und der vierten Schaltergruppe und einen mittleren Anschlusspunkt der Gleichstromversorgung geschaltet ist; wobei ein j-ter Kondensator, wobei j eine Ganzzahl von 1 bis (n-2) ist, zwischen einen positiven Anschlusspunkt eines (n-m)-ten Halbleiterschalters, welcher die erste Schaltergruppe bildet, wobei m eine Ganzzahl von 0 bis (n-3) ist, und einen negativen Anschlusspunkt eines k-ten Halbleiterschalters, welcher die zweite Schaltergruppe bildet, wobei keine Ganzzahl von 1 bis (n-2) ist, geschaltet ist; ein (n-1)-ter Kondensator zwischen einen positiven Anschlusspunkt der dritten Schaltergruppe und einen negativen Anschlusspunkt der vierten Schaltergruppe geschaltet ist; ein i-ter Kondensator, wobei i eine Ganzzahl von n bis (2n-3) ist, zwischen einen positiven Anschlusspunkt eines (n-m-1)-ten Halbleiterschalters, welcher die dritte Schaltergruppe bildet, und einen negativen Anschlusspunkt eines k-ten Halbleiterschalters, welcher die vierte Schaltergruppe bildet, geschaltet ist; ein Verbindungspunkt zwischen der ersten Schaltergruppe und der zweiten Schaltergruppe ein Wechselstrom-Anschlusspunkt ist; und mindestens eine Brückungseinrichtung einen Anschlusspunkt des j-ten Kondensators und einen Anschlusspunkt des i-ten Kondensators verbindet.
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[Ausführungsform-Beispiel 1]
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1 ist ein Schaltplan eines Beispiels einer mehrstufigen Umformschaltung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Dies ist eine siebenstufige Umformschaltung, welche ein Beispiel ist, bei welchem die Zahl n in den Ansprüchen drei ist. Eine aus in Reihe geschalteten Einzel-Gleichstromversorgungen DP und DN bestehende Gleichstromversorgung hat Anschlusspunkte, und zwar, nach absteigendem elektrischem Potential geordnet, einen positiven Anschlusspunkt P, einen Null-Anschlusspunkt M und einen negativen Anschlusspunkt N. Der Anschlusspunkt M ist der Basis-Anschlusspunkt mit einem Potential von null. Halbleiterschalter in der folgenden Beschreibung sind IGBTs, welche jeweils mit einer antiparallel geschalteten Diode versehen sind. Natürlich können auch die anderen Arten von Halbleiterschaltern verwendet werden. Eine Reihenschaltung von Halbleiterschaltern S1 bis S6 ist zwischen den positiven Anschlusspunkt P und den negativen Anschlusspunkt N geschaltet. Der Verbindungspunkt zwischen den Halbleiterschaltern S3 und S4 ist ein Wechselstrom-Anschlusspunkt U. Eine Reihenschaltung von Halbleiterschaltern S7 bis S10 und ein Kondensator C2 sind zwischen dem Verbindungspunkt zwischen den Halbleiterschaltern S1 und S2 und dem Verbindungspunkt zwischen den Halbleiterschaltern S5 und S6 parallelgeschaltet. Ein aus Halbleiterschaltern aus antiparallel geschalteten rückwärts sperrenden IGBTs S15 und S16 bestehender Wechselstromschalter Sac ist zwischen den Null-Anschlusspunkt M und den Verbindungspunkt zwischen den Halbleiterschaltern S8 und S9 geschaltet.
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Ferner ist ein Kondensator C1 zwischen den Anschlusspunkt mit höherem Potential des Halbleiterschalters S3 und den Anschlusspunkt mit niedrigerem Potential des Halbleiterschalters S4 geschaltet und ist ein Kondensator C3 zwischen den Anschlusspunkt mit höherem Potential des Halbleiterschalters S8 und den Anschlusspunkt mit niedrigerem Potential des Halbleiterschalters S9 geschaltet. Eine Diode D1, welche eine Brückungseinrichtung ist, ist zwischen den Anschlusspunkt mit höherem Potential des Kondensators C1 und den Anschlusspunkt mit niedrigerem Potential des Kondensators C3 geschaltet, und eine Diode D2, welche eine Brückungseinrichtung ist, ist zwischen den Anschlusspunkt mit höherem Potential des Kondensators C3 und den Anschlusspunkt mit niedrigerem Potential des Kondensators C1 geschaltet.
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Im Fall, dass die Spannungen der Einzel-Gleichstromversorgungen DP und DN jeweils 3E sind, die Spannung über den Kondensator C1 E ist, die Spannung über den Kondensator C2 2E ist und die Spannung über den Kondensator C3 E ist, wird eine Spannung +3E am Wechselstrom-Anschlusspunkt U ausgegeben, wenn die Halbleiterschalter S1, S2, S3, S9, S10 und S16 in einem Durchlasszustand sind und die anderen Halbleiterschalter in einem Sperrzustand sind. Wenn die Beziehung zwischen den Spannungen Vc1, Vc2 und Vc3 der Kondensatoren C1, C2 beziehungsweise C3 Vc2 > Vc1 + Vc3 lautet, wird der Kondensator C2 entladen und werden die Kondensatoren C1 und C2 geladen, so dass die Beziehung Vc2 = Vc1 + Vc3 erreicht wird. Der Strom Ic zwischen den Kondensatoren C1, C2, und C3 fließt, wie durch die gestrichelte Linie in 2A gezeigt, über den Pfad Kondensator C2 → Halbleiterschalter S2 → Kondensator C1 → Diode D2 → Kondensator C3 → Halbleiterschalter S10 → Kondensator C2. Die Summe der Spannung Vc1 des Kondensators C1 und der Spannung Vc3 des Kondensators C3 wird in der in 2A gezeigten Art und Weise und auch in anderen Arten und Weisen, in welchen mindestens die Halbleiterschalter S2 und S10 sich im Durchlasszustand befinden und ein Pfad zum Laden des Kondensators C1 und des Kondensators C3 aus dem Kondensator C2 gebildet ist, bei der Spannung Vc2 des Kondensators C2 geklemmt.
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Eine Spannung null wird am Wechselstrom-Anschlusspunkt U ausgegeben, wenn die Halbleiterschalter S3, S5, S7, S9, S15 und S16 in einem Durchlasszustand sind und die anderen Halbleiterschalter in einem Sperrzustand sind. Hier wird, wenn die Beziehung zwischen den Spannungen Vc1, Vc2 und Vc3 der Kondensatoren C1, C2 beziehungsweise C3 Vc2 > Vc1 + Vc3 lautet, der Kondensator C2 entladen und werden die Kondensatoren C1 und C2 geladen, so dass die Beziehung Vc2 = Vc1 + Vc3 erreicht wird. Der Strom Ic zwischen den Kondensatoren C1, C2 und C3 fließt, wie durch die gestrichelte Linie in 2B gezeigt, über den Pfad Kondensator C2 → Halbleiterschalter S7 → Kondensator C3 → Diode D1 → Kondensator C1 → Halbleiterschalter S5 → Kondensator C2. Die Summe der Spannung Vc1 des Kondensators C1 und der Spannung Vc3 des Kondensators C3 wird bei der Spannung Vc2 des Kondensators C2 geklemmt. Die Summe der Spannung Vc1 des Kondensators C1 und der Spannung Vc3 des Kondensators C3 wird in der in 2B gezeigten Art und Weise und auch in anderen Arten und Weisen, in welchen mindestens die Halbleiterschalter S5 und S7 sich im Durchlasszustand befinden und ein Pfad zum Laden des Kondensators C1 und des Kondensators C3 aus dem Kondensator C2 gebildet ist, bei der Spannung Vc2 des Kondensators C2 geklemmt. Wenn ähnlich wie bei der herkömmlichen Technologie ein geeigneter Pfad ausgewählt wird, um die Spannung über den Kondensator C1 auf E und die Spannung über den Kondensator C2 auf 2E zu steuern, nimmt die Spannung über den Kondensator C3 hier den Wert E an. Somit braucht die Spannung über den Kondensator C3 nicht erfasst zu werden, was eine Erfassungsschaltung für die Spannung erübrigt und eine Kostensenkung bewirkt.
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[Ausführungsform-Beispiel 2]
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3 zeigt eine mehrstufige Umformschaltung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Diese Schaltung verwendet einen ohmschen Widerstand als ein Impedanzelement. Brückungseinrichtungen in diesem Ausführungsform-Beispiel 2 sind eine Reihenschaltung einer Diode D1 und eines Widerstands R1 und eine Reihenschaltung einer Diode D2 und eines Widerstands R2 anstelle der Dioden in Ausführungsform-Beispiel 1. Die Arbeitsweise der Halbleiterschalter und die Beziehung zwischen den Kondensatorspannungen Vc1, Vc2 und Vc3 sind die gleichen wie diejenigen in Ausführungsform-Beispiel 1. Eine Spannungserfassung des Kondensators C3 ist in diesem Ausführungsform-Beispiel 2 ebenfalls nicht notwendig. Die in den Brückungseinrichtungen verwendeten Widerstände ermöglichen, eine Ladezeit anzupassen. Wenn anstelle des Widerstands eine Drosselspule verwendet wird, wird eine Einschaltstromspitze unterdrückt.
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[Ausführungsform-Beispiel 3]
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4 zeigt eine mehrstufige Umformschaltung gemäß Ausführungsform-Beispiel 3 der vorliegenden Erfindung. Diese Schaltung ist eine aus der Schaltung von Ausführungsform-Beispiel 1 zu einer Schaltung, in welcher alle Halbleiterschalter und Dioden eine gleiche Stehspannung aufweisen, abgewandelte Schaltung. Die Zahl n ist in diesem Beispiel wieder drei. Der Halbleiterschalter S1 und der Halbleiterschalter S6 in 1 sind durch vier in Reihe geschaltete Halbleiterschalter S1a bis S1d beziehungsweise vier in Reihe geschaltete Halbleiterschalter S6a bis S6d ersetzt. Die Diode D1 und die Diode D2, welche in 1 Brückungseinrichtungen sind, sind durch zwei in Reihe geschaltete Dioden D1a und D1b beziehungsweise zwei in Reihe geschaltete Dioden D2a und D2b ersetzt. Die Arbeitsweise der Halbleiterschalter und die Beziehung zwischen den Kondensatorspannungen Vc1, Vc2, und Vc3 sind die gleichen wie diejenigen in Ausführungsform-Beispiel 1. Eine Spannungserfassung des Kondensators C3 ist in diesem Ausführungsform-Beispiel 3 ebenfalls nicht notwendig. Da alle Halbleiterschalter und Dioden eine gleiche Stehspannung aufweisen, zeichnet sich diese Umformschaltung durch Vorteile einer vereinfachten Konstruktion der Einrichtung und einer einfachen Teileverwaltung aus.
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[Ausführungsform-Beispiel 4]
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5 zeigt eine mehrstufige Umformschaltung gemäß Ausführungsform-Beispiel 4 der vorliegenden Erfindung. In dieser Schaltung von Ausführungsform-Beispiel 4 ist die Brückungseinrichtung aus den Dioden D1 und D2 in Ausführungsform-Beispiel 1 durch eine Brückungseinrichtung aus Halbleiterschaltern Sr1 und Sr2 mit Rückwärtssperrfähigkeit ersetzt. Obwohl jeder der Halbleiterschalter Sr1 und Sr2 mit Rückwärtssperrfähigkeit der Schaltung in 5 aus einer Diode und einem IGBT ohne Rückwärtssperrfähigkeit besteht, kann ein rückwärts sperrender IGBT die in Reihe geschaltete Diode in der Schaltung in 5 erübrigen. Wenn die Halbleiterschalter Sr1 und Sr2 ständig in einem Durchlasszustand gehalten werden, erbringt die Schaltung dieser Ausführungsform die gleiche Wirkung wie die Schaltung von Ausführungsform-Beispiel 1. Wenn es nicht möglich ist, in der Schaltung von Ausführungsform-Beispiel 1 die Beziehung der Spannungen über den Kondensatoren C1 und C3 auf dem Wert E und der Spannung über den Kondensator C2 auf dem Wert 2E aufrechtzuerhalten, wird der Halbleiterschalter Sr1 oder Sr2 in Durchlass-/Sperrbetrieb versetzt, um die Kondensatorspannungen auf gewünschte Werte zu steuern. Die Arbeitsweise der Umformschaltung unter der Bedingung der Durchlasszustände der Halbleiterschalter Sr1 und Sr2 sind die gleichen wie diejenigen in Ausführungsform-Beispiel 1. Eine Spannungserfassung des Kondensators C3 ist in diesem Ausführungsform-Beispiel 4 ebenfalls nicht notwendig. Wenn ein Strompfad in geeigneter Weise wie bei der herkömmlichen Technologie ausgewählt wird, um die Spannung über den Kondensator C1 auf E und die Spannung über den Kondensator C2 auf 2E zu steuern, nimmt die Spannung über den Kondensator C3 ohne eine Spannungserfassungsschaltung den gewünschten Wert E an. Wenn zu den rückwärts sperrenden Halbleiterschaltern Sr1 und Sr2 ohmsche Widerstände oder Induktivitäten hinzugefügt werden, erhält man die gleichen Wirkungen wie diejenigen in Ausführungsform-Beispiel 2.
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[Ausführungsform-Beispiel 5]
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6 zeigt eine mehrstufige Umformschaltung gemäß Ausführungsform-Beispiel 5 der vorliegenden Erfindung. In dieser Schaltung von Ausführungsform-Beispiel 5 ist eine Zenerdiode ZD1 zum Kondensator C3 in der Schaltung von Ausführungsform-Beispiel 1 parallelgeschaltet. Wenn ein Strompfad in geeigneter Weise wie bei der herkömmlichen Technologie ausgewählt wird, um die Spannung über den Kondensator C1 auf E und die Spannung über den Kondensator C2 auf 2E zu steuern, nimmt die Spannung über den Kondensator C3 ohne eine Spannungserfassungsschaltung den gewünschten Wert E an. In der Schaltung von Ausführungsform-Beispiel 1 wie in den 2A und 2B gezeigt werden die Kondensatoren C1 und C3 immer geladen. Infolgedessen können die Kondensatoren eine Überspannung erleiden, was Entladen erfordert. Um dieses Problem zu bewältigen, ist die Zenerdiode parallel zu den Kondensatoren vorgesehen und werden die Kondensatorspannungen bei der Zenerspannung geklemmt, wodurch sowohl Entladen als auch Laden möglich ist. Obwohl die Zenerdiode in der Ausführungsform von 6 zum Kondensator C3 parallelgeschaltet ist, kann die Zenerdiode auch zu einem, zweien oder dreien der Kondensatoren C1, C2 und C3 parallelgeschaltet sein.
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[Ausführungsform-Beispiel 6]
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7 zeigt eine mehrstufige Umformschaltung gemäß Ausführungsform-Beispiel 6 der vorliegenden Erfindung. Diese Schaltung von Ausführungsform-Beispiel 6 hat einen Aufbau des herkömmlichen Beispiels in 12 mit zusätzlichen Widerständen R1, welcher zwischen den Anschlusspunkt positiven Potentials des Kondensators C1 und den Anschlusspunkt positiven Potentials des Kondensators C3 geschaltet ist, und R2, welcher zwischen den Anschlusspunkt negativen Potentials des Kondensators C1 und den Anschlusspunkt negativen Potentials des Kondensators C3 geschaltet ist. Dieser Aufbau gestattet, die Kondensatoren C1 und C3 zu laden oder zu entladen, um die Spannung Vc1 des Kondensators C1 und die Spannung Vc3 des Kondensators C3 aneinander anzugleichen. Wenn die Beziehung zwischen der Kondensatorspannung Vc1 und der Kondensatorspannung Vc3 Vc1 > Vc3 ist, fließt ein Strom wie durch die gestrichelte Linie in 8 gezeigt auf dem Pfad Kondensator C1 → Widerstand R1 → Kondensator C3 → Widerstand R2 → Kondensator C1 und wird die Spannung Vc1 = Vc3. Wenn die Beziehung zwischen der Kondensatorspannung Vc1 und der Kondensatorspannung Vc3 Vc1 < Vc3 ist, fließt im Gegensatz dazu ein Strom auf dem Pfad Kondensator C3 → Widerstand R1 → Kondensator C1 → Widerstand R2 → Kondensator C3 und wird die Spannung Vc1 = Vc3. Wenn ein Strompfad in geeigneter Weise wie bei der herkömmlichen Technologie ausgewählt wird, um die Spannung über den Kondensator C1 auf E und die Spannung über den Kondensator C2 auf 2E zu steuern, nimmt die Spannung über den Kondensator C3 ohne eine Spannungserfassungsschaltung den gewünschten Wert E an. In diesem Ausführungsform-Beispiel 6 können die Kondensatorspannungen Vc1 und Vc3 über die Widerstände ausgeglichen werden, selbst wenn alle Halbleiterschalter in einem Sperrzustand sind. Dieser Aufbau kann für eine Schaltung mit Kondensatoren, welche dafür ausgelegt sind, auf eine gleiche Spannung gesteuert zu werden, verwendet werden.
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[Ausführungsform-Beispiel 7]
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9 zeigt eine mehrstufige Umformschaltung gemäß Ausführungsform-Beispiel 7 der vorliegenden Erfindung. Diese Schaltung in Ausführungsform-Beispiel 7 ist eine neunstufige Umformschaltung, bei welcher die Zahl n in den Ansprüchen vier ist. Bei dieser neunstufigen Umformschaltung von einem „Fliegende-Kondensatoren“-Typ hat eine aus in Reihe geschalteten Einzel-Gleichstromversorgungen DP und DN bestehende Gleichstromversorgung Anschlusspunkte, und zwar, nach absteigendem elektrischem Potential geordnet, einen positiven Anschlusspunkt P, einen Null-Anschlusspunkt M und einen negativen Anschlusspunkt N. Der Anschlusspunkt M ist der Basis-Anschlusspunkt mit einem Potential von null. Halbleiterschalter in der folgenden Beschreibung sind IGBTs, welche jeweils mit einer antiparallel geschalteten Diode versehen sind. Natürlich können auch andere Arten von Halbleiterschaltern verwendet werden. Eine Reihenschaltung von Halbleiterschaltern S1 bis S8 ist zwischen den positiven Anschlusspunkt P und den negativen Anschlusspunkt N geschaltet. Der Verbindungspunkt zwischen den Halbleiterschaltern S4 und S5 ist ein Wechselstrom-Anschlusspunkt U. Eine Reihenschaltung von Halbleiterschaltern S9 bis S14 und ein Kondensator C3 sind zwischen dem Verbindungspunkt zwischen den Halbleiterschaltern S1 und S2 und dem Verbindungspunkt zwischen den Halbleiterschaltern S7 und S8 parallelgeschaltet. Ein aus antiparallel geschalteten rückwärts sperrenden IGBTs S15 und S16 bestehender Wechselstromschalter Sac ist zwischen den Null-Anschlusspunkt M und den Verbindungspunkt zwischen den Halbleiterschaltern S11 und S12 geschaltet.
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Ferner sind geschaltet: ein Kondensator C2 zwischen den Anschlusspunkt mit höherem Potential des Halbleiterschalters S3 und den Anschlusspunkt mit niedrigerem Potential des Halbleiterschalters S6, ein Kondensator C1 zwischen den Anschlusspunkt mit höherem Potential des Halbleiterschalters S4 und den Anschlusspunkt mit niedrigerem Potential des Halbleiterschalters S5, ein Kondensator C4 zwischen den Anschlusspunkt mit höherem Potential des Halbleiterschalters S10 und den Anschlusspunkt mit niedrigerem Potential des Halbleiterschalters S13 und ein Kondensator C5 zwischen den Anschlusspunkt mit höherem Potential des Halbleiterschalters S11 und den Anschlusspunkt mit niedrigerem Potential des Halbleiterschalters S12. Diese Kondensatoren C1 bis C5 werden als fliegende Kondensatoren bezeichnet. Statt den in 9 gezeigten Aufbau einer Antiparallelschaltung der Halbleiterschalter S15 und S16, welche jeweils Rückwärtssperrfähigkeit aufweisen, zu verwenden, kann der Wechselstromschalter Sac aus einer Kombination von IGBTs ohne Rückwärtssperrfähigkeit und Dioden wie in 13 gezeigt bestehen. Schaltung (a) in 13 besteht aus zwei antiparallel geschalteten Reihenschaltungen, welche jeweils aus einer Diode und einem IGBT bestehen. Die Schaltungen (b) und (c) in 13 bestehen aus zwei in Reihe geschalteten Schaltungen, wobei jede Schaltung aus einer antiparallel geschalteten Diode und einem IGBT besteht.
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Außerdem sind Brückungseinrichtungen vorgesehen, welche sind: eine zwischen den Anschlusspunkt mit höherem Potential des Kondensators C1 und den Anschlusspunkt mit niedrigerem Potential des Kondensators C4 geschaltete Brückungseinrichtung aus Diode D1, eine zwischen den Anschlusspunkt mit höherem Potential des Kondensators C2 und den Anschlusspunkt mit niedrigerem Potential des Kondensators C5 geschaltete Brückungseinrichtung aus Diode D2, eine zwischen den Anschlusspunkt mit höherem Potential des Kondensators C4 und den Anschlusspunkt mit niedrigerem Potential des Kondensators C1 geschaltete Brückungseinrichtung aus Diode D3 und eine zwischen den Anschlusspunkt mit höherem Potential des Kondensators C5 und den Anschlusspunkt mit niedrigerem Potential des Kondensators C2 geschaltete Brückungseinrichtung aus Diode C4.
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Im Schaltungsaufbau in 9 werden die Höhen jeder der Spannungen der Einzelstromversorgungen DP und DN als 4E angenommen. Durchschnittswerte der Spannungen Vc1 bis Vc5 der Kondensatoren C1 bis C5 werden durch Laden oder Entladen der Kondensatoren C1 bis C5 auf Vc1 = E, Vc2 = 2E, Vc3 = 3E, Vc4 = 2E und Vc5 = E gehalten. Das Potential am Null-Anschlusspunkt M wird als null angenommen. Die Ausgangsspannung Vu am Wechselstrom-Anschlusspunkt U kann mittels Durchlass-/Sperrbetriebs der Halbleiterschalter neun Ausgangsspannungsstufen von ±4E, ±3E, ±2E, ±1E und 0 annehmen.
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Die Brückungseinrichtungen aus Dioden D1 bis D4 sind so geschaltet, dass die Summe der Spannung Vc1 des Kondensators C1 und der Spannung Vc4 des Kondensators C4 gleich der Spannung Vc3 des Kondensators C3 ist und dass die Summe der Spannung Vc5 des Kondensators C5 und der Spannung Vc2 des Kondensators C2 gleich der Spannung Vc3 des Kondensators C3 ist. Da die genaue Arbeitsweise der Arbeitsweise in Ausführungsform-Beispiel 1 ähnelt, wird hier auf Beschreibungen derselben verzichtet. Die Summe der Spannung Vc1 des Kondensators C1 und der Spannung Vc4 des Kondensators C4 wird bei der Spannung Vc3 des Kondensators C3 geklemmt, und die Summe der Spannung Vc5 des Kondensators C5 und der Spannung Vc2 des Kondensators C2 wird bei der Spannung Vc3 des Kondensators C3 geklemmt. Bei diesem Aufbau werden, ähnlich wie bei der herkömmlichen Technologie, die Spannungen über den Kondensatoren C1, C2 und C3 erfasst und werden Lade- und Entladepfade der Kondensatoren in geeigneter Weise ausgewählt, um die Spannung des Kondensators C1 auf den Wert E, die Spannung des Kondensators C2 auf den Wert 2E und die Spannung des Kondensators C3 auf den Wert 3E zu steuern. Infolgedessen nimmt die Spannung des Kondensators C4 den Wert 2E an, ohne dass die Spannung des Kondensators C4 erfasst wird, und nimmt die Spannung des Kondensators C5 den Wert E an, ohne dass die Spannung des Kondensators C5 erfasst wird. Somit sind Spannungserfassungsschaltungen für die Kondensatoren C4 und C5 unnötig, was die Kosten der Einrichtung senkt. Diese neunstufige Umformschaltung kann auch die Schaltungen der Ausführungsform-Beispiele 2 bis 6 verwenden.
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Obwohl die bisherige Beschreibung soweit die siebenstufige Umformschaltung und die neunstufige Umformschaltung betrifft, kann die vorliegende Erfindung auch für mehrstufige Umformschaltungen mit 11 oder mehr Stufen verwendet werden. Obwohl die Beschreibung für Halbleiterschalter aus IGBTs verwendende Beispiele erfolgte, können auch andere Arten von Halbleiterschaltern einschließlich MOSFETs und Abschaltthyristoren in den erfundenen Schaltungen verwendet werden.
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Die vorliegende Erfindung kann für Hochspannungsmotor-Ansteuereinrichtungen und Stromrichteinrichtungen für Stromnetzkupplungen, welche aus einer aus zwei in Reihe geschalteten Einzel-Gleichstromversorgungen bestehenden Gleichstromversorgung mit drei Anschlusspunkten eine mehrstufige Spannung abgeben, verwendet werden.
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Merkmale, Bestandteile und spezielle Einzelheiten der Strukturen der oben beschriebenen Ausführungsformen können vertauscht oder kombiniert werden, um weitere, für die jeweilige Anwendung optimierte Ausführungsformen zu bilden. Soweit diese Abwandlungen für einen Fachmann ohne weiteres ersichtlich sind, sollen sie, um der Kürze der vorliegenden Beschreibung willen, durch die obige Beschreibung unausgesprochen offenbart sein, ohne dass jede mögliche Kombination ausdrücklich angegeben ist.
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Bezugszeichenliste
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- S1 - S14:
- Halbleiterschalter, welcher ein IGBT sein kann
- S15 - S16:
- Rückwärts sperrender IGBT
- Sac:
- Wechselstromschalter
- C1 - C5:
- Kondensator
- DP, DN:
- Einzel-Gleichstromversorgung
- R1, R2:
- Widerstand
- ZD1:
- Zenerdiode
- D1 - D4, D1a, D1b, D2a, D2b:
- Diode
- Sr1, Sr2:
- Rückwärts sperrender Schalter
