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VERWEIS AUF EINE VERWANDTE ANMELDUNG
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Diese Anmeldung beruht auf und beansprucht Priorität der am 21. Mai 2013 eingereichten
Japanischen Patentanmeldung Nr. 2013-107081 , deren Inhalt durch Verweis hierin eingeschlossen wird.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Stromversorgungsschaltung für eine Gate-Ansteuerschaltung zum Ansteuern von Leistungshalbleiter-Schaltvorrichtungen eines Stromrichters wie eines Umrichters, insbesondere eine solche Schaltung in einer Stromrichtschaltung, welche fliegende Kondensatoren verwendet.
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2. Beschreibung des Stands der Technik
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8 ist ein Schaltbild der Hauptschaltung einer zweistufigen Umrichterschaltung, einer typischen Stromrichtschaltung, welche eine Gleichstrom/Wechselstrom-Leistungsumwandlung durchführt. Die Umrichterschaltung in 8 enthält eine Haupt-Wechselstromleistungsquelle APM, eine aus Dioden und anderen Schaltungselementen zum Umwandeln einer Wechselstromleistung in eine Gleichstromleistung bestehende Gleichrichtschaltung RE und eine einer Gleichstromversorgung entsprechende Gleichstrom-Zwischenschaltung, welche gewöhnlich aus Kondensatoren hoher Kapazität Ca und Cb besteht. Wenn eine gleichgerichtete Gleichspannung höher als die Nennspannung des Kondensators ist, sind die beiden Kondensatoren in Reihe geschaltet wie in 8 gezeigt. Das Umrichtersystem in 8 enthält eine Last wie einen Wechselstrommotor ACM und eine Leistungshalbleitervorrichtungen enthaltende Gleichstrom/Wechselstrom-Umformschaltung INV, wobei die Umformschaltung INV veränderliche Spannungen bei veränderlichen Frequenzen abgibt. Wenn eine Leistung aus der Last regeneriert wird, arbeitet die Umrichter-Hauptschaltung als ein Umformer, um die Wechselstromleistung in eine Gleichstromleistung umzuwandeln.
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Die Gleichstrom/Wechselstrom-Umformschaltung INV enthält Halbleiter-Schaltvorrichtungen Su, Sv Sw, Sx, Sy und Sz, welche jeweils aus einem IGBT und einer antiparallel geschalteten Diode bestehen. Eine Dreiphasen-Ausgangsschaltung enthält sechs Schaltungen der Halbleiter-Schaltvorrichtungen. Der Stromrichter enthält außerdem Gate-Ansteuerschaltungen GDu, GDv, GDw, GDx, GDy und GDz zum Ansteuern der IGBTs und eine Steuerschaltung CNT zum Steuern der Stromrichter-Schaltung. Die Steuerschaltung CNT gibt für jeden IGBT ein EIN/AUS-Befehlssignal, ein Gate-Ansteuersignal, an eine Gate-Ansteuerschaltung. Da das Basispotential der Steuerschaltung gewöhnlich vom Potential an den IGBTs und vom Potential an deren Gate-Ansteuerschaltung verschieden ist, benötigt eine Stromversorgung für die Gate-Ansteuerschaltung eine Isoliervorrichtung wie einen Transformator.
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Die 9A und 9B zeigen Beispiele von Schaltungen zur Versorgung einer Gate-Ansteuerschaltung GD mit Strom aus einer Niederspannungs-Wechselstromversorgung AP mit einer Netzfrequenz. Die Niederspannungs-Wechselstromleistung der Stromversorgung AP wird gewöhnlich durch die in 8 angegebene Wechselstromleistungsquelle APM geliefert. Das System in 9A erzeugt mittels einer Wechselstrom/Wechselstrom-Umformschaltung ACV oder einer Wechselstrom/Gleichstrom/Wechselstrom-Umformschaltung einen Hochfrequenz-Wechselstrom aus der Niederspannungs-Wechselstromversorgung AP, isoliert den Hochfrequenz-Wechselstrom mittels einer Isoliervorrichtung aus einem Hochfrequenz-Transformator HFT, wandelt die isolierte Hochfrequenz-Wechselstromleistung mit einer Diode D und einem Kondensator Cd in eine Gleichstromleistung um und liefert die Gleichstromleistung an eine Gate-Ansteuerschaltung GD für einen IGBT S. Hier trägt der Hochfrequenz-Wechselstrom dazu bei, den Transformator HFT zu miniaturisieren. 9B zeigt ein System, welches eine Isoliervorrichtung eines Netzfrequenz-Trenntransformators CFT verwendet. Dieses System beseitigt die Wechselstrom/Wechselstrom Umformschaltung ACV im System in 9A und führt die Aufrechterhaltung einer elektrischen Isolierung bei der Netzfrequenz ein. Bei diesem Aufbau arbeitet der Trenntransformator CFT jedoch bei einer Netzfrequenz und ist er folglich größer als der Transformator HFT im System in 9A.
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Für den Hochfrequenz-Transformator HFT und den Netzfrequenz-Transformator CFT zur Verwendung in der Vorrichtung zum Ansteuern von Motoren eines 200-V-Systems und eines 400-V-Systems reicht eine Stehspannung von ungefähr 2 kV aus. Für eine in einer Hochspannungsvorrichtung mit mehreren Kilovolt verwendete Stromversorgung für eine Gate-Ansteuerschaltung für IGBTs wird jedoch ein Transformator mit einer Stehspannung von über 10 kV benötigt.
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10 zeigt eine auf der Schaltung in 8 beruhende Hochspannungs-Stromrichtschaltung. Dieses in Patentdokument 1 offenbarte Schaltungsbeispiel ist eine Stromrichtschaltung vom ”Fliegende-Kondensatoren”-Typ. Diese Schaltung verwendet keine Halbleiter-Schaltvorrichtung mit hoher Stehspannung und verwendet in Reihe geschaltete Halbleiter-Schaltvorrichtungen mit niedriger Stehspannung. Die Schaltung enthält außerdem einen zur Reihenschaltung von Halbleiter-Schaltvorrichtungen parallelgeschalteten fliegenden Kondensator. Obwohl 10 eine Schaltung für eine dreiphasige Wechselstromausgabe zeigt, wird im Folgenden nur die U-Phase beschrieben, weil die drei Phasen den gleichen Schaltungsaufbau aufweisen. Die U-Phase enthält eine Reihenschaltung von vier Halbleiter-Schaltvorrichtungen Su1 Su2, Sx1 und Sx2 zwischen einem positiven Anschlusspunkt P und einem negativen Anschlusspunkt N einer aus in Reihe geschalteten Einzel-Gleichstromversorgungen DP1, DP2, DN1 und DN2 bestehenden Gleichstromversorgung. Eine Reihenschaltung fliegender Kondensatoren Cu1 und Cu2 ist zwischen den Verbindungspunkt zwischen den Schaltvorrichtungen Su1 und Su2 und den Verbindungspunkt zwischen den Halbleiter-Schaltvorrichtungen Sx1 und Sx2 geschaltet. Im Fall, dass die Spannung der Gleichstromversorgung 4 Ed ist und das Potential am Punkt M, welcher ein Punkt mittleren Potentials der Gleichstromversorgung ist, als das Basispotential null definiert ist, können drei Potentialstufen 2 Ed, 0 und –2 Ed an einem Wechselstrom-Ausgabepunkt A abgegeben werden, indem die Spannung der fliegenden Kondensatoren auf 2 Ed gesteuert wird. Somit ist die Schaltung in 10 ein dreistufiger Umrichter.
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Die 11 und 12 zeigen den Aufbau von Gate-Ansteuerungs-Stromversorgungen, wobei die Schaltung in 11 einen Transformator für jeden IGBT enthält, wohingegen die Schaltung in 12, welche in Patentdokument 2 offenbart ist, zwei in Reihe geschaltete Transformatoren für jeden IGBT enthält. Der in 11 gezeigte Hochfrequenz-Transformator HFT1 ist zwecks elektrischer Isolierung zwischen der Niederspannungs-Wechselstromversorgung AP und der Hauptschaltung vorgesehen, und der in 12 gezeigte Hochfrequenz-Transformator HFT3 ist zwecks elektrischer Isolierung zwischen der Niederspannungs-Wechselstromversorgung AP und dem Potential am Punkt M der Gleichstromversorgung vorgesehen. Beide Transformatoren HFT1 und HFT3 müssen gewöhnlich eine hohe Stehspannung aufweisen. Die in 12 gezeigten Transformatoren HFT2 zum Versorgen von Gate-Ansteuerschaltungen für IGBTs mit Strom arbeiten bezüglich des Basispotentials am Punkt M und benötigen eine Stehspannung von 2 Ed.
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[Patentdokument 1]
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Japanische ungeprüfte Patentanmeldungs-Veröffentlichung Nr. 2009-177951
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[Patentdokument 2]
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Japanische ungeprüfte Patentanmeldungs-Veröffentlichung Nr. 2006-081232
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Hochspannungsvorrichtungen mit mehreren Kilovolt wie oben beschrieben verwenden gewöhnlich Transformatoren mit hoher Stehspannung, um die Stromversorgungen für Gate-Ansteuerschaltungen für jeden IGBT elektrisch zu isolieren. Dies verursacht hohe Kosten. Transformatoren, welche eine hohe Stehspannung sicherstellen, müssen eine ausreichend große Trennstrecke zwischen der Primärseite und der Sekundärseite aufweisen, was zur Folge hat, dass die Transformatoren groß sind. Die Kosten und die Größe des Transformators sind nicht einfach proportional zur Höhe der Stehspannung, sondern nehmen exponentiell zu. Somit sind die Kostensenkung und die Verkleinerung ernsthafte Herausforderungen bei Hochspannungsvorrichtungen.
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Der in 11 gezeigte dreistufige Umrichter und höhere Stufen mehrstufiger Umrichter enthalten gewöhnlich eine große Anzahl von Halbleiter-Schaltvorrichtungen, was dann wieder entsprechend viele Transformatoren mit hoher Stehspannung erfordert, was die Kosten steigen lässt. In der Schaltung mit dem Aufbau aus 12 ist das Primärwicklungs-Potential der Hochfrequenz-Transformatoren HFT2 das Potential am Punkt M, müssen aber die Transformatoren HFT2 eine Stehspannung von mindestens 2 Ed sicherstellen, was eine Hälfte der Hauptschaltungs-Gleichstromversorgungs-Spannung ist.
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KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Deshalb ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Stromversorgungsschaltung für eine Gate-Ansteuerschaltung für Halbleiter-Schaltvorrichtungen einer Stromrichtschaltung vom ”Fliegende-Kondensatoren”-Typ bereitzustellen, wobei die Stromversorgungsschaltung eine elektrische Isoliervorrichtung mit einer niedrigen Stehspannung verwendet und folglich eine Verkleinerung und eine Kostensenkung erzielt wird.
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Um die obige Aufgabe zu erfüllen, ist ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Stromversorgungsschaltung für eine Gate-Ansteuerschaltung für Halbleiter-Schaltvorrichtungen eines Stromrichters mit einer Gleichstromversorgung, bestehend aus einer Vielzahl von Einzel-Gleichstromversorgungen, welche mit drei Anschlusspunkten in Reihe geschaltet sind, einer Vielzahl der Halbleiter-Schaltvorrichtungen und einem fliegenden Kondensator (fliegenden Kondensatoren), wobei der Stromrichter eine Leistungsumwandlung von Gleichstrom zu Wechselstrom oder von Wechselstrom zu Gleichstrom durchführt, aus einer Stromrichtschaltung vom ”Fliegende-Kondensatoren”-Typ besteht und durch Addieren oder Subtrahieren jeder Spannung zwischen Anschlusspunkten der Gleichstromversorgung und einer Spannung des fliegenden Kondensators mehrere Spannungsstufen erzeugt, die Stromversorgungsschaltung aus zwei oder mehr in Reihe geschalteten Schaltungen, welche jeweils eine Isoliervorrichtung verwenden, besteht und ein mittlerer Teil der in Reihe geschalteten Schaltungen mit einem Punkt mittleren Potentials der fliegenden Kondensatoren oder einem Punkt (Punkten) feststehenden Potentials eines Hauptschaltungs-Gleichstromteils verbunden ist.
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Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Stromversorgungsschaltung für eine Gate-Ansteuerschaltung eines Stromrichters des ersten Aspekts der Erfindung, wobei der Punkt bzw. die Punkte feststehenden Potentials des Hauptschaltungs-Gleichstromteils ein Potentialpunkt zwischen dem Punkt höchsten Potentials und dem Punkt mittleren Potentials des Hauptschaltungs-Gleichstromteils oder ein Potentialpunkt zwischen dem Punkt niedrigsten Potentials und dem Punkt mittleren Potentials des Hauptschaltungs-Gleichstromteils ist bzw. sind.
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Ein dritter Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Stromversorgungsschaltung für eine Gate-Ansteuerschaltung eines Stromrichters des ersten Aspekts oder des zweiten Aspekts der Erfindung, wobei die Stromversorgungsschaltung für eine Gate-Ansteuerschaltung mindestens zwei Schaltungen, welche jeweils die Isoliervorrichtung verwenden, zur Stromversorgung der Gate-Ansteuerschaltung enthält, welche ab einem Bezugspotentialpunkt, welcher der Punkt mittleren Potentials des Hauptschaltungs-Gleichstromteils ist, in Reihe geschaltet sind.
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In der vorliegenden Erfindung verwendet ein Verfahren zur elektrischen Isolierung in einer Stromversorgungsschaltung für eine Gate-Ansteuerschaltung in einem Hochspannungs-Stromrichter einer ”Mehrere-Kilovolt”-Klasse keine elektrische Isoliervorrichtung aus einem einzigen Transformator mit hoher Stehspannung, sondern verwendet es in Reihe geschaltete Schaltungen von Transformatoren mit niedriger Stehspannung, welche klein und kostengünstig sind.
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Die vorliegende Erfindung verwendet eine elektrische Isoliervorrichtung in einer Stromversorgungsschaltung für eine Gate-Ansteuerschaltung für Halbleiter-Schaltvorrichtungen einer Stromrichtschaltung vom ”Fliegende-Kondensatoren”-Typ, welche eine Art von Hochspannungs-Stromrichtsystem ist. Eine elektrische Isoliervorrichtung der Erfindung ist nicht unter Verwendung eines einzigen Transformators mit hoher Stehspannung aufgebaut, sondern ist unter Verwendung einer Reihenschaltung von Transformatoren mit niedriger Stehspannung, welche klein und kostengünstig sind, aufgebaut. Der mittlere Verbindungspunkt der Reihenschaltung ist mit einem Punkt mittleren Potentials des fliegenden Kondensators oder mit einem Punkt feststehenden Potentials eines Hauptschaltungs-Gleichstromteils verbunden. Dieser Aufbau brachte eine Stromversorgungsschaltung für eine Gate-Ansteuerschaltung zustande, welche klein und kostengünstig ist.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist ein Schaltbild, welches ein Ausführungsform-Beispiel 1 der vorliegenden Erfindung zeigt;
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2 ist eine Tabelle, welche Spannungen an einigen Punkten in der Schaltung des Ausführungsform-Beispiels 1 zeigt;
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3 ist ein vereinfachtes Schaltbild des Ausführungsform-Beispiels 1;
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4 ist ein Schaltbild einer Stromrichtschaltung, auf welche das Ausführungsform-Beispiel 2 der vorliegenden Erfindung angewendet werden soll;
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5 ist eine Tabelle, welche Spannungen an einigen Punkten in der Schaltung des Ausführungsform-Beispiels 2 zeigt;
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6 ist ein Schaltbild einer Stromrichtschaltung, auf welche das Ausführungsform-Beispiel 3 der vorliegenden Erfindung angewendet werden soll;
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7 ist eine Tabelle, welche Spannungen an einigen Punkten in der Schaltung des Ausführungsform-Beispiels 3 zeigt;
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8 zeigt einen allgemeinen Schaltungsaufbau eines Dreiphasen-Umrichtersystems;
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Die 9A und 9B sind Schaltbilder einer herkömmlichen Stromversorgungsschaltung für eine Gate-Ansteuerschaltung, wobei 9A ein Hochfrequenz-Isoliersystem zeigt und 9B ein Netzfrequenz-Isoliersystem zeigt;
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10 ist ein Schaltbild einer Hauptschaltung eines herkömmlichen dreistufigen Hochspannungs-Umrichtersystems;
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11 ist ein Schaltbild eines ersten Beispiels einer herkömmlichen Stromversorgungsschaltung für eine Gate-Ansteuerschaltung in einem Hochspannungs-Umrichtersystem; und
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12 ist ein Schaltbild eines zweiten Beispiels einer herkömmlichen Stromversorgungsschaltung für eine Gate-Ansteuerschaltung in einem Hochspannungs-Umrichtersystem.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Eine Stromversorgungsschaltung für eine Gate-Ansteuerschaltung für Halbleiter-Schaltvorrichtungen einer Stromrichtschaltung vom ”Fliegende-Kondensatoren”-Typ der vorliegenden Erfindung verwendet eine elektrische Isoliervorrichtung, welche aus in Reihe geschalteten Schaltungen, die jeweils einen Transformator verwenden, besteht, wobei ein mittlerer Verbindungspunkt der in Reihe geschalteten Schaltungen mit einem Punkt mittleren Potentials der fliegenden Kondensatoren oder einem Punkt feststehenden Potentials eines Gleichstromteils der Hauptschaltung verbunden ist.
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[Ausführungsform-Beispiel 1]
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1 zeigt das Ausführungsform-Beispiel 1, welches eine Ausführungsform einer einen fliegenden Kondensator verwendenden, dreistufigen Umrichterschaltung mit dreiphasigem Ausgang ist. Eine Gate-Ansteuerschaltung ist mit dem Gate jedes IGBT, welcher eine Halbleiter-Schaltvorrichtung ist, verbunden, obwohl die Gate-Ansteuerschaltung in 1 nicht gezeigt ist. Da die drei Phasen gleich aufgebaut sind, wird im Folgenden hauptsächlich die U-Phase beschrieben. Eine Reihenschaltung von vier Halbleiter-Schaltvorrichtungen Su1, Su2, Sx1 und Sx2 ist zwischen einen positiven Anschlusspunkt P und einen negativen Anschlusspunkt N einer aus Einzel-Gleichstromversorgungen DP1, DP2, DN1 und DN2 bestehenden Gleichstromversorgung geschaltet. Eine Reihenschaltung fliegender Kondensatoren Cu1 und Cu2 ist zwischen den Verbindungspunkt zwischen den Halbleiter-Schaltvorrichtungen Su1 und Su2 und den Verbindungspunkt zwischen den Halbleiter-Schaltvorrichtungen Sx1 und Sx2 geschaltet. Wenn die Spannung der Gleichstromversorgung 4 Ed ist, können bei auf 2 Ed gesteuerter Kondensatorspannung drei Potentialstufen 2 Ed, 0, –2 Ed am Wechselstrom-Ausgabepunkt A ausgegeben werden, wobei die Bezugsspannung null das M-Punkt-Potential ist, welches ein mittleres Gleichspannungspotential ist. Somit ist die Schaltung in 1 ein dreistufiger Umrichter. Wenn eine regenerierte Leistung von der Last über den Wechselstrom-Ausgabepunkt zur Gleichstromversorgung fließt, arbeitet die Schaltung in 1 als ein Umformer, um eine Wechselstromleistung in eine Gleichstromleistung umzuwandeln. Die Stromversorgung vom M-Punkt-Potential am Punkt mittleren Potentials der Gleichstromversorgung zu jeder Gate-Ansteuerschaltung erfolgt mit einer Reihenschaltung aus einer einen Hochfrequenz-Transformator Tr2 verwendenden Schaltung und einer einen Hochfrequenz-Transformator Tr3 verwendenden Schaltung.
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Der Ausgang der einen Hochfrequenz-Transformator Tr3 verwendenden Schaltung wird einer Gate-Ansteuerschaltung für einen IGBT, welcher eine Halbleiter-Schaltvorrichtung ist, zugeführt. Der Reihenschaltungs-Verbindungspunkt zwischen der den Transformator Tr2 verwendenden Schaltung und der den Transformator Tr3 verwendenden Schaltung ist mit einem Punkt feststehenden Potentials eines Potentialpunkts E1, welches um eine Spannung Ed höher als das M-Punkt-Potential der Gleichstromversorgung ist, einem Punkt feststehenden Potentials eines Potentialpunkts E2, welches um eine Spannung Ed niedriger als das M-Punkt-Potential der Gleichstromversorgung ist, oder einem Punkt mittleren Potentials E3 einer Reihenschaltung der fliegenden Kondensatoren Cu1 und Cu2 verbunden.
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2, welche eine Tabelle ist, zeigt einige Spannungen in der Stromversorgungsschaltung für die Gate-Ansteuerschaltung in der in 1 gezeigten Umformschaltung mit dreistufigem Ausgang, wobei das Potential am mittleren Punkt M der Gleichstromversorgung als null definiert ist. Die Spannungen in 2 beinhalten eine Spannung zwischen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung des Hochfrequenz-Transformators Tr2, eine Spannung zwischen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung des Hochfrequenz-Transformators Tr3 und eine Spannung am mittleren Punkt der Reihenschaltung der den Hochfrequenz-Transformator Tr2 verwendenden Schaltung und der den Hochfrequenz-Transformator Tr3 verwendenden Schaltung. Wie deutlich in der Tabelle gezeigt, sind die ganze Gruppe von Hochfrequenz-Transformatoren Tr2 und die ganze Gruppe von Hochfrequenz-Transformatoren Tr3 einer gleichen Spannung Ed zwischen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung des Transformators ausgesetzt. Deshalb genügt es, wenn alle Transformatoren dieser Spannung Ed standhalten.
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3 zeigt einen vereinfachten Aufbau einer Schaltung zum Erzeugen einer Leistung für eine Gate-Ansteuerschaltung aus einer Niederspannungs-Wechselstromversorgung AP. In der Schaltung in 3 ist die Wechselstrom/Wechselstrom-Umformschaltung ACV, welche eine Netzfrequenz-Spannung der Niederspannungs-Wechselstromversorgung AP in eine Hochfrequenz-Wechselspannung umwandelt, die gleiche Schaltung wie diejenige in 12; und ist auch der Hochfrequenz-Transformator Tr1, welcher das Potential am Punkt M der Gleichstromversorgung von der Niederspannungs-Wechselstromversorgung AP elektrisch isoliert, der gleiche wie derjenige in 12. Jedoch sind die Hochfrequenz-Transformatoren HFT2 mit einer hohen Stehspannung von mindestens 2 Ed in der Schaltung in 12 in der Schaltung der Ausführungsform von 3 durch die Hochfrequenz-Transformatoren Tr2 und Tr3 mit einer niedrigen Stehspannung von Ed ersetzt. Die Schaltung in 3 ist eine Schaltung, bei welcher die Wicklungen der Trenntransformatoren direkt in Reihe geschaltet sind. Jedoch kann die den Hochfrequenz-Trenntransformator Tr1, Tr2 oder Tr3 verwendende Schaltung mit einer Kombination aus einer Wechselstrom/Gleichstrom-Umformschaltung, einer Gleichstrom/Wechselstrom-Umformschaltung und einem Trenntransformator aufgebaut sein. Eine solche Schaltung kann in dem Fall, welcher einen eine lange Verdrahtungsstrecke erfordernden Aufbau aufweist, oder in dem Fall, welcher die Betriebsfrequenz ändert, wirkungsvoll angewendet werden.
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[Ausführungsform-Beispiel 2]
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4 zeigt eine Stromrichtschaltung, auf welche das Ausführungsform-Beispiel 2 der vorliegenden Erfindung angewendet werden soll. Die Schaltung ist eine Stromrichtschaltung vom ”Fliegende-Kondensatoren”-Typ, welche fünf Ausgangsspannungsstufen abgeben kann. Im Folgenden wird nur eine Phase beschrieben. Da eine fünfstufige Stromrichtschaltung zum Beispiel in der
japanischen ungeprüften Patentanmeldungs-Veröffentlichung Nr. 2012-182974 offenbart ist, wird hier auf eine ausführliche Beschreibung verzichtet. Der in
4 gezeigte Schaltungsaufbau für das Ausführungsform-Beispiel 2 unterscheidet sich darin vom in
1 gezeigten Schaltungsaufbau des Ausführungsform-Beispiels 1, dass die Schaltung in
4 eine Reihenschaltung von Halbleiter-Schaltvorrichtungen S5 und S6, welche zur Reihenschaltung der fliegenden Kondensatoren C1a und C1b parallelgeschaltet ist, enthält und einen aus antiparallel geschalteten rückwärts sperrenden IGBTs S11 und S12 bestehenden Zweirichtungsschalter zwischen dem Reihenschaltungs-Verbindungspunkt zwischen den in Reihe geschalteten Halbleiter-Schaltvorrichtungen S5 und S6 und dem mittleren Punkt M der Gleichstromversorgung enthält.
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Die Gleichstromversorgung besteht aus in Reihe geschalteten Einzel-Gleichstromversorgungen DP1, DP2, DN1 und DN2, und das Potential am mittleren Punkt M ist null und die Spannung jeder einzelnen Stromversorgung ist Ed. Wenn die Spannung der Reihenschaltung der fliegenden Kondensatoren C1a und C1b auf eine Spannung Ed gesteuert wird, können fünf Spannungsstufen aus dem Wechselstrom-Anschlusspunkt abgegeben werden. Wie in Ausführungsform-Beispiel 1 ist das Potential am Reihenschaltungs-Verbindungspunkt zwischen dem Hochfrequenz-Transformator Tr2 und dem Hochfrequenz-Transformator Tr3 wie in 3 gezeigt entsprechend dem Arbeitspotential der Gate-Ansteuerschaltung für die IGBTs mit einem Punkt feststehenden Potentials des Verbindungspunkts E1 zwischen den Einzel-Gleichstromversorgungen DP1 und DP2, des Verbindungspunkts E2 zwischen den Einzel-Gleichstromversorgungen DN1 und DN2 oder des Reihenschaltungs-Verbindungspunkts der fliegenden Kondensatoren C1a und C1b verbunden. Somit kann in der Stromversorgungsschaltung für die Gate-Ansteuerschaltung für die Halbleiter-Schaltvorrichtungen eine Spannungsteilung durchgeführt werden.
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5, welche eine Tabelle ist, zeigt einige Spannungen, wobei das Potential am mittleren Punkt M der Gleichstromversorgung als null definiert ist, darunter eine Spannung zwischen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung des Hochfrequenz-Transformators Tr2, eine Spannung zwischen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung des Hochfrequenz-Transformators Tr3 und eine Spannung am mittleren Punkt zwischen dem Reihenschaltungs-Verbindungspunkt des Hochfrequenz-Transformators Tr2 und dem Hochfrequenz-Transformator Tr3. Diese Schaltung benötigt drei Transformatorentypen mit einer Stehspannung von 1,5 Ed und mit einer Stehspannung von Ed und mit einer Stehspannung von 0,5 Ed. Gegenüber der herkömmlichen Schaltung, in welcher die ganze Stromversorgungsschaltung für eine Gate-Ansteuerschaltung Transformatoren mit einer Stehspannung von 2 Ed benötigt, werden eine Verkleinerung und eine Kostensenkung erreicht.
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[Ausführungsform-Beispiel 3]
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6 zeigt eine Stromrichtschaltung, auf welche das Ausführungsform-Beispiel 3 der vorliegenden Erfindung angewendet werden soll. Die Schaltung ist eine Stromrichtschaltung vom ”Fliegende-Kondensatoren”-Typ, welche sieben Ausgangsspannungsstufen abgeben kann. Im Folgenden wird nur eine Phase beschrieben. Eine siebenstufige Stromrichtschaltung wurde durch den Erfinder der vorliegenden Erfindung erfunden und in der
japanischen ungeprüften Patentanmeldungs-Veröffentlichung Nr. 2013-146117 offenbart. Deshalb wird hier auf eine ausführliche Beschreibung verzichtet. Die Hauptschaltung der Schaltung in
6 hat einen auf der Grundlage des Schaltungsaufbaus des Ausführungsform-Beispiels 2 in
4 erweiterten Aufbau, um einen siebenstufigen Betrieb durchzuführen. Die Hauptschaltung enthält eine Reihenschaltung von Halbleiter-Schaltvorrichtungen S1a bis S1d, S2 bis S5 und S6a bis S6d, wobei die Reihenschaltung zu einer aus Einzel-Gleichstromversorgungen DP1, DP2, DP3, DN1, DN2 und DN3 bestehenden Gleichstromversorgung parallelgeschaltet ist.
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Die Schaltung in 6 enthält außerdem: einen zu einer Reihenschaltung der Halbleiter-Schaltvorrichtungen S3 und S4 parallelgeschalteten ersten fliegenden Kondensator C1; einen zweiten fliegenden Kondensator aus einer Reihenschaltung fliegender Kondensatoren C2a und C2b; eine zur Reihenschaltung der Kondensatoren C2a und C2b parallelgeschaltete Reihenschaltung von Halbleiter-Schaltvorrichtungen S7 bis S10; einen zu einer Reihenschaltung der Halbleiter-Schaltvorrichtungen S8 und S9 parallelgeschalteten dritten fliegenden Kondensator C3; und einen aus antiparallel geschalteten rückwärts sperrenden IGBTs S11 und S12 bestehenden Zweirichtungsschalter zwischen dem Verbindungspunkt der in Reihe geschalteten Halbleiter-Schaltvorrichtungen S8 und S9 und dem mittleren Punkt M der Gleichstromversorgung.
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Die Gleichstromversorgung besteht aus in Reihe geschalteten Einzel-Gleichstromversorgungen DP1, DP2, DP3, DN1, DN2 und DN3, und das Potential am mittleren Punkt M ist null und die Spannung jeder Einzelstromversorgung ist Ed. Wenn die Spannungen der fliegenden Kondensatoren C1 und C3 jeweils auf Ed gesteuert werden und die Spannung der Reihenschaltung der fliegenden Kondensatoren C2a und C2b auf eine Spannung von 2 Ed gesteuert wird, können sieben Spannungsstufen aus dem Wechselstrom-Anschlusspunkt abgegeben werden.
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Wie in Ausführungsform-Beispiel 1 und Ausführungsform-Beispiel 2 ist das Potential am Reihenschaltungs-Verbindungspunkt zwischen dem Hochfrequenz-Transformator Tr2 und dem Hochfrequenz-Transformator Tr3 wie in 3 gezeigt entsprechend dem Arbeitspotential der Gate-Ansteuerschaltung für die IGBTs mit einem Punkt feststehenden Potentials des Verbindungspunkts E1 zwischen den Einzel-Gleichstromversorgungen DP2 und DP3, des Verbindungspunkts E2 zwischen den Einzel-Gleichstromversorgungen DN1 und DN2 oder des Reihenschaltungs-Verbindungspunkts E3 der fliegenden Kondensatoren C2a und C2b verbunden. Somit kann in der Stromversorgungsschaltung für die Ansteuerschaltung für die Halbleiter-Schaltvorrichtungen eine Spannungsteilung durchgeführt werden.
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7, welche eine Tabelle ist, zeigt einige Spannungen, wobei das Potential am mittleren Punkt M der Gleichstromversorgung als null definiert ist, darunter eine Spannung zwischen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung des Hochfrequenz-Transformators Tr2, eine Spannung zwischen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung des Hochfrequenz-Transformators Tr3 und eine Spannung am mittleren Punkt zwischen den in Reihe geschalteten Hochfrequenz-Transformatoren Tr2 und Tr3. Diese Schaltung benötigt zwei Transformatorentypen mit einer Stehspannung von 2 Ed und mit einer Stehspannung von Ed. Gegenüber der herkömmlichen Schaltung, in welcher die ganze Stromversorgungsschaltung für eine Gate-Ansteuerschaltung Transformatoren mit einer Stehspannung von 3 Ed benötigt, werden eine Verkleinerung und eine Kostensenkung erreicht.
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Bis jetzt wurden die Ausführungsformen für Stromrichtschaltungen vom ”Fliegende-Kondensatoren”-Typ mit dreistufiger, fünfstufiger und siebenstufiger Ausgangsspannung beschrieben. Jedoch kann die vorliegende Erfindung für mehrere Stufen mehrstufiger Stromrichtschaltungen verwendet werden. Der Punkt feststehenden Potentials der Gleichstromversorgung, welcher mit dem Reihenschaltungs-Verbindungspunkt zwischen dem Hochfrequenz-Transformator Tr2 und dem Hochfrequenz-Transformator Tr3 zu verbinden ist, kann der Reihenschaltungs-Verbindungspunkt zwischen den Einzel-Gleichstromversorgungen DP1 und DP2 oder der Reihenschaltungs-Verbindungspunkt der Einzel-Gleichstromversorgungen DN2 und DN3 sein, was die gleichen Wirkungen zustandebringt. Die Anzahl von Reihenschaltungen der jeweils einen Transformator verwendenden Schaltungen kann drei oder mehr sein, und jeder der Reihenschaltungs-Verbindungspunkte ist mit einem Punkt mittleren Potentials zwischen fliegenden Kondensatoren oder einem Punkt feststehenden Potentials der Gleichstromversorgung verbunden, was die gleichen Wirkungen zustandebringt.
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Die vorliegende Erfindung kann für eine Hochspannungsmotor-Ansteuereinrichtung, eine Netzkupplungs-Stromrichteinrichtung und andere Stromrichtsysteme verwendet werden, welche eine Stromrichtschaltung vom ”Fliegende-Kondensatoren”-Typ mit einer aus zwei oder mehr Einzel-Gleichstromversorgungen bestehenden und mehrere Spannungsstufen abgebenden Gleichstromversorgung mit Dreipunkt-Eingang verwenden.
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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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- DP1, DP2, DP3, DN1, DN2, DN3:
- Einzel-Gleichstromversorgung
- ACM:
- Wechselstrommotor
- APM:
- Haupt-Wechselstromleistungsquelle
- AP:
- Niederspannungs-Wechselstromversorgung
- RE:
- Gleichrichtschaltung
- INV:
- Gleichstrom/Wechselstrom-Umformschaltung
- ACV:
- Wechselstrom/Wechselstrom-Umformschaltung
- CFT:
- Netzfrequenz-Transformator
- HFT, HFT1, HFT2, HFT3, Tr1, Tr2, Tr3:
- Hochfrequenz-Transformator
- D:
- Diode
- GD, GDu, GDv, GDw, GDx, GDy, GDz:
- Gate-Ansteuerschaltung
- CNT:
- Steuerschaltung
- Cu1, Cu2, Cv1, Cv2, Cw1, Cw2, C1a, C1b:
- Kondensator
- C1, C2a, C2b, C3, Ca, Cb, Cd:
- Kondensator
- S, Su1, Su2, Sv1, Sv2, Sw1, Sw2:
- Halbleiter-Schaltvorrichtung
- Sx1, Sx2, Sy1, Sy2, Sz1, Sz2:
- Halbleiter-Schaltvorrichtung
- S1a, S1b, S1c, S1d, S2, S3, S4, S4a, S4b, S4c, S5:
- Halbleiter-Schaltvorrichtung
- S6a, S6b, S6c, S6d, S7, S8, S9, S10:
- Halbleiter-Schaltvorrichtung
- S11, S12:
- Rückwärts sperrender IGBT
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2013-107081 [0001]
- JP 2009-177951 [0009]
- JP 2006-081232 [0010]
- JP 2012-182974 [0036]
- JP 2013-146117 [0039]
