DE112012003668T5 - Mehrstufige Stromwandlerschaltung - Google Patents

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Abstract

Bei einer mehrstufigen Stromwandlerschaltung, die einen Wechselstrom mit einer hohen Spannung erzeugt, besteht das Problem, dass eine Stoßspannung an einen Lastkreis angelegt wird, wenn die Spannungsänderung beim Schalten groß ist, und dadurch kommt es zu einem dielektrischen Durchschlag. Unter Verwendung einer Reihenschaltung von zwei Stromquellen als eine Gleichstromquelle weist eine mehrstufige Stromwandlerschaltung Folgendes auf: eine erste Halbleiterschalter-Reihenschaltung, bei der eine Reihenschaltung von 2n IGBTs, die zwischen die positive Elektrode und die negative Elektrode geschaltet sind, mit einem Kondensator kombiniert ist; eine zweite Halbleiterschalter-Reihenschaltung, bei der eine Reihenschaltung von (2n – 2) IGBTs, die zwischen den Emitter eines ersten IGBT der ersten Halbleiterschalter-Reihenschaltung und den Kollektor eines 2n-ten IGBT geschaltet sind, mit einem Kondensator kombiniert ist; und einen bidirektionalen Schalter, der zwischen einen Zwischenpunkt der zweiten Halbleiterschalter-Reihenschaltung und einen Zwischenpunkt der Gleichstromquellen-Reihenschaltung geschaltet ist, wobei die Spannungsänderung der Wechselstromausgabe beim Schalten der Halbleiterschalter im Vergleich zu der bekannten klein ist.

Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Konfigurieren einer mehrstufigen Stromwandlerschaltung, die einen Gleichstrom in einen Wechselstrom mit wenigen niederen Oberschwingungen umwandelt oder einen Wechselstrom in einen Gleichstrom unter Reduzierung der Verzerrung der Eingangswellenform des Wechselstroms umwandelt.
  • Hintergrund der Erfindung
  • 7 zeigt ein Beispiel für eine Schaltung eines fünfstufigen Wechselrichters, die in der Patentliteratur PTL 1 dargestellt ist und eine Stromwandlerschaltung ist, die Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt.
  • 60 und 61 sind Gleichstromquellen (2Ed × 2), die in Reihe geschaltet sind, wobei P das Potential einer positiven Elektrode ist, N das Potential einer negativen Elektrode ist und M ein Zwischenpunktpotential ist. Beim Konfigurieren dieser Gleichstromquelle aus einem Wechselstromversorgungssystem ist es in der Regel möglich, die Konfiguration unter anderem dadurch zu realisieren, dass ein nicht dargestellter Gleichrichter mit einem Kondensator großer Kapazität in Reihe geschaltet wird.
  • Ua ist eine einphasige (U-Phase) Schaltungskonfiguration (Phasenzweig). Nachstehend wird eine innere Konfiguration beschrieben. 51 bis 54 sind vier Halbleiterschalter,
    die aus IGBTs und Dioden bestehen, die zwischen dem Potential auf der P-Seite und dem Potential auf der N-Seite in Reihe geschaltet sind. 55 und 56 sind zwei Halbleiterschalter, die aus IGBTs und Dioden bestehen, die zwischen einem Anschlusspunkt der Halbleiterschalter 51 und 52 und einem Anschlusspunkt der Halbleiterschalter 53 und 54 in Reihe geschaltet sind.
  • Eine Antiparallelschaltung von IGBTs 57 und 58 ist ein bidirektionaler Halbleiterschalter, der zwischen das Potential M der Gleichstromquelle und einen Anschlusspunkt der Halbleiterschalter 55 und 56 geschaltet ist, und sie kann so konfiguriert werden, dass IGBTs (57 und 58) mit einer Durchschlagspannung in Sperrrichtung antiparallel geschaltet werden, wie es in 7 gezeigt ist, oder dass IGBTs (Q1, Q2), die keine Durchschlagspannung in Sperrrichtung haben, mit Dioden (D1, D2) kombiniert werden, wie es in den 10(a) bis (c) gezeigt ist. 10(a) zeigt eine Konfiguration, bei der eine Reihenschaltung aus dem IGBT Q1 und der Diode D1 und eine Reihenschaltung aus dem IGBT Q2 und der Diode D2 antiparallel geschaltet sind. 10(b) zeigt eine Konfiguration, bei der der IGBT Q1, mit dem die Diode D2 antiparallel geschaltet ist, und der IGBT Q2, mit dem die Diode D1 antiparallel geschaltet ist, in Gegenreihenschaltung mit einem gemeinsamen Kollektor geschaltet sind, während 10(c) eine Konfiguration zeigt, bei der die IGBTs Q1 und Q2 in Gegenreihenschaltung mit einem gemeinsamen Emitter geschaltet sind. Außer diesen Konfigurationen gibt es auch Konfigurationen, bei denen unter anderem eine Diodenbrückenschaltung und nur ein IGBT verwendet werden.
  • 59 ist ein Kondensator, der als „fliegender Kondensator” bezeichnet wird, bei dem die mittlere Spannung über dem Kondensator 59 auf Ed eingestellt wird und die Ausgabe eines Zwischenpotentials Ed der Gleichstromquelle 2Ed durch Nutzung der Lade- und Entladeerscheinung des Kondensators 59 realisiert wird. Diese Schaltungsgruppen Ua bilden eine Phase, und durch Parallelschalten von drei Einheiten (Ua, Ub und Uc) entsteht eine Dreiphasen-Wechselrichterschaltung.
  • 62 ist ein Wechselstrommotor, der eine Last des Systems ist. Durch Verwenden dieser Schaltungskonfiguration ist das Potential eines Wechselstrom-Ausgangsanschlusses des Wandlers so, dass durch Nutzung des P-Potentials, des N-Potentials und des M-Potentials der Gleichstromquelle und durch En- und Ausschalten der Halbleiterschalter und der Spannung des Kondensators 59 ein Zwischenpotential von (P – Ed) und (N + Ed) ausgegeben werden kann, wodurch ein Wechselrichter mit einer fünfstufigen Ausgabe entsteht.
  • Es werden zum Beispiel fünf Spannungspegel durch Operationen ausgegeben, mit denen die IGBTs 51 und 52 eingeschaltet werden, wenn eine Spannung 2Ed ausgegeben wird; die IGBTs 51 und 53 eingeschaltet werden, wenn eine Spannung Ed ausgegeben wird; die IGBTs 58, 56 und 53 eingeschaltet werden, wenn eine Nullspannung (die M-Potentialspannung) ausgegeben wird; die IGBTs 53, 55 und 57 eingeschaltet werden, wenn –Ed ausgegeben wird; die IGBTs 53 und 54 eingeschaltet werden, wenn –2Ed ausgegeben wird; und so weiter. Es gibt auch noch andere Betriebsmuster, aber die Einzelheiten werden hier nicht beschrieben. Die Besonderheiten bestehen darin, dass die Spannung Ed, die halb so groß wie die Spannung 2Ed der Gleichstromquelle ist, durch Subtrahieren der Spannung Ed des Kondensators 59 von der Spannung 2Ed der P-seitigen Gleichstromquelle 60 erhalten wird und die Spannung –Ed durch Subtrahieren der Spannung (–Ed) des Kondensators 59 von der Spannung (–2Ed) der N-seitigen Gleichstromquelle 61 erhalten wird.
  • 13 zeigt ein Beispiel für die Wellenform der Spannung Vout der Ausgangsleitung. Die Wellenform wird von fünf Spannungspegeln gebildet, und da die niederen Oberschwingungen und der Schaltverlust der Halbleiterschalter gegenüber einem zweistufigen Wechselrichter reduziert werden können, ist die Konstruktion eines hoch effizienten Systems möglich.
  • 8 zeigt eine Schaltung, die die Grundform einer mehrstufigen Stromwandlerschaltung, wie etwa der fünfstufigen Wandlerschaltung von 7, bildet. Da die Bezugssymbole von Teilen mit den gleichen Funktionen die Gleichen wie in der Schaltung von 7 sind, werden sie nicht noch einmal beschrieben. Eine mehrstufige Schaltung kann durch zusätzliches Verwenden einer Wandlerschaltung zwischen Anschlüssen A und B in der Zeichnung realisiert werden.
  • Als eine Anwendungsschaltung zeigt 9 ein Schaltungsbeispiel für einen siebenstufigen Wechselrichter. Diese Schaltung ist so konfiguriert, dass eine Wechselstromausgabe mit sieben Potentialpegeln dadurch möglich ist, dass IGBTs 1 bis 6 als Halbleiterschalter zwischen die positive Elektrode und die negative Elektrode mit einer Spannung (3Ed × 2) von in Reihe geschalteten Gleichstromquellen 16 und 17 geschaltet werden; ein Kondensator 13, der auf eine Spannungseinheit (Ed) geladen wird, zwischen den Kollektor des IGBT 3 und den Emitter des IGBT 4 geschaltet ist; und ein Kondensator 14, der auf zwei Spannungseinheiten (2Ed) geladen wird, zwischen den Kollektor des IGBT 2 und den Emitter des IGBT 5 geschaltet wird.
  • Es kann angenommen werden, dass die Operationen, mit denen eine Spannung mit sieben Pegeln ausgegeben wird, die Gleichen wie bei fünf Pegeln sind. Zum Beispiel werden sieben Spannungspegel durch Operationen ausgegeben, mit denen die IGBTs 1, 2 und 3 eingeschaltet werden, wenn eine Spannung 3Ed ausgegeben wird; die IGBTs 1, 2 und 4 eingeschaltet werden, wenn eine Spannung 2Ed ausgegeben wird; die IGBTs 1, 5 und 4 eingeschaltet werden, wenn eine Spannung Ed ausgegeben wird; die IGBTs 1, 56, 5 und 4 eingeschaltet werden, wenn eine Nullspannung (die M-Potentialspannung) ausgegeben wird; die IGBTs 4, 5, 55 und 11 eingeschaltet werden, wenn –Ed ausgegeben wird; die IGBTs 4, 2, 55 und 11 eingeschaltet werden, wenn –2Ed ausgegeben wird; die IGBTs 4, 5 und 6 eingeschaltet werden, wenn –3Ed ausgegeben wird; und so weiter. Es gibt auch noch andere Muster, aber die Einzelheiten werden hier nicht beschrieben. Die Besonderheiten bestehen darin, dass die Spannung Ed durch Subtrahieren der Spannung 2Ed des Kondensators 14 von der Spannung 3Ed der P-seitigen Gleichstromquelle 16 erhalten wird; die Spannung 2Ed durch Subtrahieren der Spannung Ed des Kondensators 13 von der Spannung 3Ed der Gleichstromquelle 16 erhalten wird; die Spannung –Ed durch Subtrahieren der Spannung –2Ed des Kondensators 14 von der Spannung –3Ed der N-seitigen Gleichstromquelle 17 erhalten wird; und die Spannung –2Ed durch Subtrahieren der Spannung –Ed des Kondensators 13 von der Spannung –3Ed der N-seitigen Gleichstromquelle 17 erhalten wird.
  • Liste der Entgegenhaltungen
  • Patentliteratur
    • PTL 1: JP-T-2001-525717
  • Nichtpatenliteratur
  • NPL 1: „Fast High-Power/High-Voltage Switch Using Series-Connected IGBTs with Active Gate-Controlled Voltage Balancing” („Schneller Hochleistungs-/Hochspannungsschalter, der in Reihe geschaltete IGBTs mit aktivem Gate-gesteuerten Spannungsabgleich verwendet”), APEC 1994, S. 469–472
  • Kurze Darstellung der Erfindung
  • Technische Aufgabe
  • Wie vorstehend dargelegt worden ist, sind die Operationen der in 9 gezeigten siebenstufigen Wechselrichterschaltung so, dass die Spannungsschwankung zwei Einheiten (2Ed) beträgt, wenn das Schaltelement 55 oder 56 schaltet. Wenn eine hohe Spannungsschwankung in der Ausgangswellenform auftritt, wird im Allgemeinen eine hohe Spannung mit Mikrostoßwellen entsprechend der Spannung in dem lastseitigen Wechselstrommotor erzeugt, und dadurch besteht die Gefahr, dass es zu dem Problem des dielektrischen Durchschlags kommt.
  • 11 zeigt das Schema der Operationen zu diesem Zeitpunkt. 11(a) zeigt den Zustand, in dem die Schaltelemente 12, 56, 5 und 4 in dem Zustand unter Strom gesetzt werden, in dem das M-Potential ausgegeben wird. Wenn, wie in 11(b) gezeigt ist, der IGBT 56 aus diesem Zustand heraus ausgeschaltet wird, kommt es zu einer Kommutierung zu der Seite des IGBT 55 und des Kondensators 14, wodurch eine Spannung des M-Punkt-Potentials (Null) –2Ed an einen Ausgang ausgegeben wird, und der Spannungsschwankungsbereich zu diesem Zeitpunkt ist 2Ed.
  • Beim Wählen der IGBTs 55 und 56 als Elemente, die für eine Spannungsschwankung von einer Einheit (Ed) geeignet sind, müssen die beiden Elemente in Reihe geschaltet werden, und in diesem Fall ist beim Schalten der in Reihe geschalteten IGBTs die Synchronität eine wichtige Bedingung zum gleichmäßigen Teilen der Spannung beim Ausschalten. Als Mittel zur Realisierung ist die in NPL 1 dargestellte Art von Hilfsstromkreis erforderlich, was die Kosten steigen lässt.
  • Ziel der Erfindung ist es, die vorstehend dargelegten Probleme zu beheben. Das heißt, das Ziel ist, dass die Spannungsschwankung durch Schalten der IGBTs in allen Betriebsmodi eine Einheit (Ed) beträgt und dass in Reihe geschaltete IGBTs nicht mehr synchron geschaltet werden müssen.
  • Hier müssen die IGBTs 1 und 6 zwar auch in Reihe geschaltet werden, wenn Elemente mit einer Durchschlagspannung verwendet werden, die für eine Spannungsschwankung von einer Einheit geeignet ist, aber da die Änderung der Ausgangsspannung beim Schalten dieser IGBTs eine Spannungsänderung von einer Einheit (Ed) ist, besteht das Problem der Mikrostoßwellen nicht; es kommt nicht darauf an, dass in Reihe geschaltete Elemente simultan geschaltet werden; und die Spannungsänderung führt nicht zu einer Zerstörung von Elementen.
  • Lösung der Probleme
  • Um die vorstehend dargelegten Probleme zu lösen, ist ein erster Aspekt der Erfindung eine mehrstufige Stromwandlerschaltung, die Gleichstrom in Wechselstrom oder Wechselstrom in Gleichstrom umwandelt und Folgendes aufweist: eine Gleichstromquellen-Reihenschaltung, bei der zwei Gleichstromquellen in Reihe geschaltet sind; eine erste Halbleiterschalter-Reihenschaltung, die zwischen den positiven Anschluss und den negativen Anschluss der Gleichstromquellen-Reihenschaltung geschaltet ist, wobei 2n (n ist eine Ganzzahl von 3 oder größer) Halbleiterschalter in Reihe geschaltet sind, bei denen Dioden antiparallel geschaltet sind; (n – 1) Kondensatoren, die jeweils zwischen den Kollektor des n-ten Halbleiterschalters der ersten Halbleiterschalter-Reihenschaltung von dem positiven Anschluss der Gleichstromquellen-Reihenschaltung und den Emitter des (n + 1)-ten Halbleiterschalters und zwischen den Kollektor des (n – m)-ten Halbleiterschalters und den Emitter des (n + m + 1)-ten Halbleiterschalters geschaltet sind, wobei m eine Ganzzahl von 1 bis (n – 2) ist; eine zweite Halbleiterschalter-Reihenschaltung, bei der (2n – 2) Halbleiterschalter, bei denen Dioden antiparallel geschaltet sind, zwischen den Emitter des ersten Halbleiterschalters der ersten Halbleiterschalter-Reihenschaltung von dem positiven Anschluss der Gleichstromquellen-Reihenschaltung und den Kollektor des 2n-ten Halbleiterschalters in Reihe geschaltet sind; (n – 2) Kondensatoren, die jeweils zwischen den Kollektor des (n – 1)-ten Halbleiterschalters von der positiven Seite der zweiten Halbleiterschalter-Reihenschaltung und den Emitter des n-ten Halbleiterschalters geschaltet sind und wenn n vier oder größer ist, zwischen den Kollektor des (n – m)-ten Halbleiterschalters und den Emitter des (n + m – 1)-ten Halbleiterschalters geschaltet sind, wobei m eine Ganzzahl von 2 bis (n – 2) ist; und einen bidirektionalen Schalter, der in zwei Richtungen schalten kann und zwischen den Emitter des n-ten Halbleiterschalters der ersten Halbleiterschalter-Reihenschaltung und einen Zwischenpotentialpunkt der Gleichstromquellen-Reihenschaltung geschaltet ist.
  • Bei einem zweiten Aspekt der Erfindung ist gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung so konfiguriert, dass eine Stromwandlerschaltung eine Änderung des Spannungspegels von (2n + 1) hat, wobei n eine Ganzzahl von 3 oder größer ist.
  • Bei einem dritten Aspekt der Erfindung ist gemäß dem ersten oder zweiten Aspekt der Erfindung der erste oder 2n-te Halbleiterschalter von dem positiven Anschluss der Gleichstromquellen-Reihenschaltung der ersten Halbleiterschalter-Reihenschaltung so konfiguriert, dass mehrere Schalter in Reihe geschaltet sind.
  • Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
  • Die Erfindung weist Folgendes auf: eine Gleichstromquellen-Reihenschaltung, bei der zwei Gleichstromquellen in Reihe geschaltet sind; eine erste Halbleiterschalter-Reihenschaltung, die zwischen den positiven Anschluss und den negativen Anschluss der Gleichstromquellen-Reihenschaltung geschaltet ist, wobei 2n (n ist eine Ganzzahl von 3 oder größer) Halbleiterschalter, bei denen Dioden antiparallel geschaltet sind, in Reihe geschaltet sind; (n – 1) Kondensatoren, die jeweils zwischen den Kollektor des n-ten Halbleiterschalters der ersten Halbleiterschalter-Reihenschaltung von dem positiven Anschluss der Gleichstromquellen-Reihenschaltung und den Emitter des (n + 1)-ten Halbleiterschalters und zwischen den Kollektor des (n – m)-ten Halbleiterschalters und den Emitter des (n + m + 1)-ten Halbleiterschalters geschaltet sind, wobei m eine Ganzzahl von 1 bis (n – 2) ist; eine zweite Halbleiterschalter-Reihenschaltung, bei der (2n – 2) Halbleiterschalter, bei denen Dioden antiparallel geschaltet sind, zwischen den Emitter des ersten Halbleiterschalters der ersten Halbleiterschalter-Reihenschaltung von dem positiven Anschluss der Gleichstromquellen-Reihenschaltung und den Kollektor des 2n-ten Halbleiterschalters in Reihe geschaltet sind; (n – 2) Kondensatoren, die jeweils zwischen den Kollektor des (n – 1)ten Halbleiterschalters von der positiven Seite der zweiten Halbleiterschalter-Reihenschaltung und den Emitter des n-ten Halbleiterschalters geschaltet sind und wenn n vier oder größer ist, zwischen den Kollektor des (n – m)-ten Halbleiterschalters und den Emitter des (n + m – 1)-ten Halbleiterschalters geschaltet sind, wobei m eine Ganzzahl von 2 bis (n – 2) ist; und einen bidirektionalen Schalter, der in zwei Richtungen schalten kann und zwischen den Emitter des n-ten Halbleiterschalters der ersten Halbleiterschalter-Reihenschaltung und einen Zwischenpotentialpunkt der Gleichstromquellen-Reihenschaltung geschaltet ist.
  • Dadurch beträgt die Änderung der Ausgangsspannung beim Schalten eine Einheit (Ed), was im Vergleich zu der bisher bekannten klein ist; es wird keine Mikrostoßwellen-Spannung mehr in einem lastseitigen Wechselstrommotor oder dergleichen erzeugt; und es treten keine Probleme mit dem dielektrischen Durchschlag mehr auf. Außerdem beträgt dadurch, dass der erste und der 2n-te Halbleiterschalter von dem positiven Anschluss der Gleichstromquellen-Reihenschaltung der ersten Halbleiterschalter-Reihenschaltung so konfiguriert sind, dass mehrere Schalter in Reihe geschaltet sind, die Spannung, die an jeden Halbleiterschalter des Schaltstromkreises angelegt wird, eine Einheit, und es wird kein Hilfsstromkreis oder dergleichen zum Abgleichen der Spannungsteilung beim Schalten in Reihe benötigt.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist ein Schaltplan, der ein erstes Beispiel der Erfindung zeigt.
  • 2 ist ein Betriebsdiagramm A, das einen ersten Schaltvorgang zeigt.
  • 3 ist ein Betriebsdiagramm BA, das einen ersten Schaltvorgang zeigt.
  • 4 ist ein Schaltplan, der ein zweites Beispiel der Erfindung zeigt.
  • 5 ist ein Beispiel für eine Modifikation des ersten Beispiels der Erfindung.
  • 6 ist eine Modifikation des zweiten Beispiels der Erfindung.
  • 7 ist ein Schaltungsbeispiel für einen fünfstufigen Wechselrichter und zeigt ein bekanntes Beispiel.
  • 8 ist eine Grundschaltung einer bekannten mehrstufigen Schaltung.
  • 9 ist ein bekanntes Beispiel für eine siebenstufige Wandlerschaltung.
  • 10 ist ein Schaltungsbeispiel für einen bidirektionalen Schalter.
  • 11 ist ein Beispiel für die Funktionsweise der bekannten siebenstufigen Wandlerschaltung.
  • 12 ist ein Beispiel für die Funktionsweise einer siebenstufigen Wandlerschaltung der Erfindung.
  • 13 ist ein Beispiel für die Wellenform der Ausgangsspannung eines fünfstufigen Wechselrichters.
  • Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
  • Ein Hauptpunkt der Erfindung ist, dass sie Folgendes aufweist: eine Gleichstromquellen-Reihenschaltung, bei der zwei Gleichstromquellen in Reihe geschaltet sind; eine erste Halbleiterschalter-Reihenschaltung, bei der 2n (n ist eine Ganzzahl von 3 oder größer) Halbleiterschalter, zwischen dem positiven Anschluss und dem negativen Anschluss der Gleichstromquellen-Reihenschaltung in Reihe geschaltet sind; (n – 1) Kondensatoren, die jeweils zwischen den Kollektor des n-ten Halbleiterschalters der ersten Halbleiterschalter-Reihenschaltung von dem positiven Anschluss der Gleichstromquellen-Reihenschaltung und den Emitter des (n + 1)-ten Halbleiterschalters und zwischen den Kollektor des (n – m)-ten Halbleiterschalters und den Emitter des (n + m + 1)-ten Halbleiterschalters geschaltet sind, wobei m eine Ganzzahl von 1 bis (n – 2) ist; eine zweite Halbleiterschalter-Reihenschaltung, bei der (2n – 2) Halbleiterschalter zwischen den Emitter des ersten Halbleiterschalters der ersten Halbleiterschalter-Reihenschaltung von dem positiven Anschluss der Gleichstromquellen-Reihenschaltung und den Kollektor des 2n-ten Halbleiterschalters in Reihe geschaltet sind; (n – 2) Kondensatoren, die jeweils zwischen den Kollektor des (n – 1)ten Halbleiterschalters von der positiven Seite der zweiten Halbleiterschalter-Reihenschaltung und den Emitter des n-ten Halbleiterschalters geschaltet sind und wenn n vier oder größer ist, zwischen den Kollektor des (n – m)-ten Halbleiterschalters und den Emitter des (n + m – 1)-ten Halbleiterschalters geschaltet sind, wobei m eine Ganzzahl von 2 bis (n – 2) ist; und einen bidirektionalen Schalter, der zwischen den Emitter des n-ten Halbleiterschalters der ersten Halbleiterschalter-Reihenschaltung und einen Zwischenpotentialpunkt der Gleichstromquellen-Reihenschaltung geschaltet ist. Ein weiterer Hauptpunkt der Erfindung ist, dass eine Wechselstrom-Ausgangsspannung mit einer Änderung des Spannungspegels von (2n + 1) ausgegeben wird.
  • Beispiel 1
  • 1 zeigt ein erstes Beispiel der Erfindung. Das ist ein Beispiel für eine Stromwandlerschaltung, die eine Wechselstrom-Ausgangsspannung mit einer Wellenform mit sieben Spannungspegeln von einer Reihenschaltung aus zwei Gleichstromquellen erzeugt, die eine Spannung von 3Ed (3 Einheiten) liefern. Es handelt sich um ein Konfigurationsbeispiel, bei dem IGBTs als Halbleiterschalter verwendet werden.
  • Im Gegensatz zu der in 9 gezeigten siebenstufigen Wandlerschaltung, bei der die Grundschaltung einer bekannten mehrstufigen Wandlerschaltung (8) verwendet wird, ist hier die Konfiguration so, dass statt des IGBT 55 der zweiten Halbleiterschalter-Reihenschaltung eine Reihenschaltung aus IGBTs 7 und 8 verwendet wird und statt des IGBT 56 eine Reihenschaltung aus IGBTs 9 und 10 verwendet wird und außerdem ein Kondensator 15 zwischen einen Anschlusspunkt der IGBTs 7 und 8 und einen Anschlusspunkt der IGBTs 9 und 10 geschaltet wird.
  • Die 2 und 3 zeigen Betriebsmusterdiagramme. 2 ist das Ausgabebetriebsmuster für die IGBTs 1 bis 12 für den Fall, dass die Potentiale 3Ed, 2Ed, Ed und 0 als die Wechselstrom-Ausgangsspannung ausgegeben werden, während 3 das Ausgabebetriebsmuster für die IGBTs 1 bis 12 für den Fall ist, dass die Potentiale –Ed, –2Ed und –3Ed als die Wechselstrom-Ausgangsspannung ausgegeben werden. „O” stellt den Einschaltzustand dar, während „X” für den Ausschaltzustand steht. Nachstehend wird „Ausgabebetriebsmuster” zu „Betriebsmuster” abgekürzt.
  • Obwohl es in 2 ausreichend ist, dass die IGBTs 1 bis 3 in einem Einschaltzustand sind, wenn 3Ed ausgegeben wird, werden auch die IGBTs 9, 10 und 12 eingeschaltet, damit eine Kommutierungsoperation zum nächsten Zeitpunkt reibungslos vonstatten geht.
  • Es gibt drei Arten von Ausgabemustern, und zwar A bis C, für den Fall, dass 2Ed ausgegeben wird. Das Ausgabemuster A ist ein Muster, bei dem die IGBTs 1, 2 und 4 eingeschaltet werden, die Spannung 2Ed dadurch ausgegeben wird, dass eine Spannung Ed eines Kondensators 13 von einer Spannung 3Ed einer Gleichstromquelle 16 subtrahiert wird (dargestellt als „3 – 1b”), und die IGBTs 9, 10 und 12 eingeschaltet werden, damit die Kommutierungsoperation zum nächsten Zeitpunkt reibungslos abläuft. Das Ausgabemuster B ist ein Muster, bei dem die IGBTs 1, 3 und 5 eingeschaltet werden, die Spannung 2Ed dadurch ausgegeben wird, dass eine Spannung 2Ed eines Kondensators 14 von der Spannung 3Ed der Gleichstromquelle 16 subtrahiert wird und die Spannung Ed des Kondensators 13 addiert wird (dargestellt als „3 – 2 + 1b”), und die IGBTs 9, 10 und 12 eingeschaltet werden, damit die Kommutierungsoperation zum nächsten Zeitpunkt reibungslos abläuft. Das Ausgabemuster C ist ein Muster, bei dem die IGBTs 2, 3, 9, 10, 11 und 12 eingeschaltet werden und die Spannung 2Ed dadurch ausgegeben wird, dass die Spannung 2Ed des Kondensators 14 zu einem M-Potential (Null) addiert wird (dargestellt als „0 + 2”).
  • Es gibt fünf Arten von Ausgabemustern, und zwar A bis E, die Ed ausgeben, und sechs Arten von Ausgabemustern, und zwar A bis F, die Null ausgeben, und da anzunehmen ist, dass die Operationen hierfür die Gleichen wie in der Beschreibung der Ausgabemuster ist, die 3Ed oder 2Ed ausgeben, werden sie hier nicht beschrieben.
  • 3 ist das Ausgabemuster für den Fall, dass eine negative Spannung als die Wechselstrom-Ausgangsspannung ausgegeben wird. Obwohl es ausreichend ist, dass die IGBTs 4, 5 und 6 in einem Einschaltzustand sind, wenn –3Ed ausgegeben wird, werden auch die IGBTs 7, 8 und 11 eingeschaltet, damit eine Kommutierungsoperation zum nächsten Zeitpunkt reibungslos vonstatten geht.
  • Es gibt drei Arten von Ausgabemustern, und zwar A bis C, für den Fall, dass – 2Ed ausgegeben wird. Das Ausgabemuster A ist ein Muster, bei dem die IGBTs 3, 5 und 6 eingeschaltet werden, die Spannung –2Ed dadurch ausgegeben wird, dass die Spannung Ed des Kondensators 13 zu einer Spannung –3Ed einer Gleichstromquelle 17 addiert wird (dargestellt als „–3 + 1b”), und die IGBTs 7, 8 und 11 ebenfalls eingeschaltet werden, damit die Kommutierungsoperation zum nächsten Zeitpunkt reibungslos abläuft. Das Ausgabemuster B ist ein Muster, bei dem die IGBTs 2, 4 und 6 eingeschaltet werden, die Spannung –2Ed dadurch ausgegeben wird, dass die Spannung 2Ed des Kondensators 14 zu der Spannung –3Ed der Gleichstromquelle 17 addiert wird und die Spannung Ed des Kondensators 13 subtrahiert wird (dargestellt als „–3 + 2 – 1b”), und die IGBTs 7, 8 und 11 ebenfalls eingeschaltet werden, damit die Kommutierungsoperation zum nächsten Zeitpunkt reibungslos abläuft. Das Ausgabemuster C ist ein Muster, bei dem die IGBTs 4, 5, 7, 8, 1 und 12 eingeschaltet werden und eine Spannung ausgegeben wird, bei der die Spannung 2Ed des Kondensators 14 von dem M-Punkt-Potential (Null) der Gleichstromquelle subtrahiert wird (dargestellt als „0 – 2”).
  • Es gibt fünf Arten von Ausgabemustern, und zwar A bis E, die –Ed ausgeben, und da anzunehmen ist, dass die Operationen hierfür die Gleichen wie in der Beschreibung der Ausgabemuster ist, die –3Ed oder –2Ed ausgeben, werden sie hier nicht beschrieben.
  • Die Verwendung dieser Schaltungskonfiguration bedeutet, dass beim Ausgeben einer negativen Spannung aus einem Zustand, in dem das M-Potential (Null) ausgegeben wird (die IGBTs 12, 9, 10, 5 und 4 sind im Einschaltzustand), wie es in 12 gezeigt ist, eine Kommutierung zu der Seite des IGBT 7 und des Kondensators 15 dadurch erfolgt, dass der IGBT 10 ausgeschaltet wird, wie es in 11(b) gezeigt ist, und ein Potential von (M – Ed) [genau genommen (M + Ed – 2Ed)] an einen Ausgang ausgegeben wird. Die Potentialschwankung zu diesem Zeitpunkt entspricht einer Einheit (Ed).
  • 5 zeigt ein Beispiel für eine Modifikation des ersten Beispiels (das Beispiel der siebenstufigen Wandlerschaltung) für den Fall, dass die Durchschlagspannungen der verwendeten IGBTs alle gleich sind. Dieser Fall ist ein Beispiel, bei dem der IGBT 1 der ersten Halbleiterschalter-Reihenschaltung in 1 in eine Vier-Schalter-Reihenschaltung aus IGBTs 1a bis 1d geändert wird und der IGBT 6 in eine Vier-Schalter-Reihenschaltung aus IGBTs 6a bis 6d geändert wird. Da Elemente mit der gleichen Durchschlagspannung für alle IGBTs verwendet werden können, wird die Konfiguration der Bauelemente vereinfacht und das Teile-Management wird einfacher.
  • Beispiel 2
  • 4 zeigt ein zweites Beispiel. Das ist ein Beispiel für eine Stromwandlerschaltung, die eine Wechselstrom-Ausgangsspannung mit einer Wellenform mit neun Spannungspegeln von einer Reihenschaltung aus zwei Gleichstromquellen erzeugt, die eine Spannung von 4Ed (4 Einheiten) liefern. Es handelt sich um ein Konfigurationsbeispiel, bei dem IGBTs als Halbleiterschalter verwendet werden.
  • Während die Konfiguration der Grundschaltung die Gleiche wie die in 1 ist, ist die Konfiguration hier so, dass in einer zweiten Halbleiterschalter-Reihenschaltung, bei der IGBTs 29 bis 34 in Reihe geschaltet sind, ein Kondensator 40 zwischen einen Anschlusspunkt der IGBTs 29 und 30 und einen Anschlusspunkt der IGBTs 33 und 34 geschaltet ist und ein Kondensator 41 zwischen einen Anschlusspunkt der IGBTs 30 und 31 und einen Anschlusspunkt der IGBTs 32 und 33 geschaltet ist. Außerdem sind in einer ersten Halbleiterschalter-Reihenschaltung, bei der IGBTs 21 bis 28 in Reihe geschaltet sind, Kondensatoren 39 und 38 und ein Kondensator 37 mit der gleichen Konfiguration wie in der zweiten Halbleiterschalter-Reihenschaltung verbunden.
  • 6 zeigt ein Beispiel für eine Modifikation des zweiten Beispiels (das Beispiel der neunstufigen Wandlerschaltung) für den Fall, dass die Durchschlagspannungen der verwendeten IGBTs alle gleich sind. Bei dieser Konfiguration handelt es sich um eine Konfiguration, bei der statt des IGBT 21 von 4 eine Fünf-Schalter-Reihenschaltung von IGBTs 21a bis 21e verwendet wird und statt des IGBT 28 eine Fünf-Schalter-Reihenschaltung von IGBTs 28a bis 28e verwendet wird.
  • Auf Grund dieser Grundkonfiguration ist es auch möglich, eine mehrstufige Wandlerschaltung mit 11 Stufen oder mehr zu realisieren.
  • Bei dem vorstehend beschriebenen Beispiel ist ein Beispiel für den Fall beschrieben worden, dass die Spannungsänderung beim Schalten eine Gleichstromspannungseinheit (Ed) beträgt, aber wenn mehrere Einheiten der Änderung zulässig sind, ist es selbstverständlich, dass die Anzahl der Halbleiterschalter-Reihenschaltungen und die Anzahl der verwendeten Kondensatoren geändert werden können.
  • In dem Beispiel ist eine Wechselrichterschaltung beschrieben worden, die Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt, aber es ist selbstverständlich, dass die Erfindung in der gleichen Weise auch für eine Wandlerschaltung verwendet werden kann, die Wechselstrom in Gleichstrom umwandelt.
  • Außerdem werden in dem beschriebenen Beispiel IGBTs als die Halbleiterschalter des Schaltungsbeispiels verwendet, aber die Erfindung kann auch mit MOSFETs, GTOs oder dergleichen realisiert werden.
  • Darüber hinaus kann die Konfiguration der IGBTs 1, 6, 21 und 28 in 5 und 6 auch in der gleichen Weise durch Verwenden von Elementen mit einer Durchschlagspannung realisiert werden, die zwei- oder dreimal so groß wie die der anderen Halbleiter-Bauelemente ist, wodurch die Anzahl der Serienelemente verringert werden kann.
  • Anwendungsmöglichkeiten in der Industrie
  • Die Erfindung betrifft eine Stromwandlerschaltungs-Technologie für eine Wechselrichterschaltung mit einer hohen Durchschlagspannung, die eine Wechselstromspannung mit wenigen niederen Oberschwingungen aus einer kleinen Anzahl von in Reihe geschalteten Gleichstromquellen erzeugt, und für eine Gleichstromquellenschaltung, die eine niedrige Gleichspannung von einer Wechselstromquelle mit einer hohen Spannung erzeugt und dabei die Verzerrung der Wellenform des Wechselstroms reduziert, und sie kann für einen Hochspannungs-Motorantriebswechselrichter, Systemverbindungswechselrichter und dergleichen verwendet werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 1 bis 10, 21 bis 34, 51 bis 56, Q1, Q2
    IGBT
    1a bis 1d, 6a bis 6d, 21a bis 21e, 28a bis 28e
    IGBT
    11, 12, 35, 36, 57, 58
    Rückwärts sperrender IGBT
    13 bis 15, 37 bis 41, 59
    Kondensator
    16, 17, 42, 43, 60, 61
    Gleichstromquelle
    62
    Wechselstrommotor
    Ua, Va, Wa
    Phasenzweig
    D1, D2
    Diode

Claims (3)

  1. Mehrstufige Stromwandlerschaltung zum Umwandeln von Gleichstrom in Wechselstrom oder von Wechselstrom in Gleichstrom, dadurch gekennzeichnet, dass sie folgendes umfasst: eine Gleichstromquellen-Reihenschaltung, bei der zwei Gleichstromquellen in Reihe geschaltet sind; eine ersten Halbleiterschalter-Reihenschaltung, die zwischen den positiven Anschluss und den negativen Anschluss der Gleichstromquellen-Reihenschaltung geschaltet ist, wobei 2n (n ist eine Ganzzahl von 3 oder größer) Halbleiterschalter in Reihe geschaltet sind, bei denen Dioden antiparallel geschaltet sind; (n – 1) Kondensatoren, die jeweils zwischen den Kollektor des n-ten Halbleiterschalters der ersten Halbleiterschalter-Reihenschaltung von dem positiven Anschluss der Gleichstromquellen-Reihenschaltung und den Emitter des (n + 1)-ten Halbleiterschalters und zwischen den Kollektor des (n – m)-ten Halbleiterschalters und den Emitter des (n + m + 1)-ten Halbleiterschalters geschaltet sind, wobei m eine Ganzzahl von 1 bis (n – 2) ist; eine zweiten Halbleiterschalter-Reihenschaltung, bei der (2n – 2) Halbleiterschalter, bei denen Dioden antiparallel geschaltet sind, zwischen den Emitter des ersten Halbleiterschalters der ersten Halbleiterschalter-Reihenschaltung von dem positiven Anschluss der Gleichstromquellen-Reihenschaltung und den Kollektor des 2n-ten Halbleiterschalters in Reihe geschaltet sind; (n – 2) Kondensatoren, die jeweils zwischen den Kollektor des (n – 1)-ten Halbleiterschalters von der positiven Seite der zweiten Halbleiterschalter-Reihenschaltung und den Emitter des n-ten Halbleiterschalters geschaltet sind und wenn n vier oder größer ist, zwischen den Kollektor des (n – m)-ten Halbleiterschalters und den Emitter des (n + m – 1)-ten Halbleiterschalters geschaltet sind, wobei m eine Ganzzahl von 2 bis (n – 2) ist; und einen bidirektionalen Schalter, der in zwei Richtungen schalten kann und zwischen den Emitter des n-ten Halbleiterschalters der ersten Halbleiterschalter-Reihenschaltung und einen Zwischenpotentialpunkt der Gleichstromquellen-Reihenschaltung geschaltet ist.
  2. Gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie so konfiguriert ist, dass die Änderung des Spannungspegels (2n + 1) beträgt, wobei n eine Ganzzahl von 3 oder größer ist.
  3. Gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste oder 2n-te Halbleiterschalter der ersten Halbleiterschalter-Reihenschaltung so konfiguriert ist, dass mehrere Schalter in Reihe geschaltet sind.
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