JP4369425B2 - 多数のスイッチング電圧レベルをスイッチングするためのコンバータ回路 - Google Patents

多数のスイッチング電圧レベルをスイッチングするためのコンバータ回路 Download PDF

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Description

本発明は、パワー・エレクトロニクスの分野に係り、また、独立請求項の前提部分に規定された多数のスイッチング電圧レベルをスイッチングするためのコンバータ回路に関する。
今日、コンバータ回路は、パワー・エレクトロニクス向けの広い用途で使用されている。例えば、このようなコンバータ回路に対する要求は、第一に、通常、そのコンバータ回路に接続される電気的なＡＣ電圧ネットワークの相に関して、高調波の発生をできるだけ小さくすることであり、その一方で、できるだけ少ない数の電子部品を用いて、できるだけ高い電力レベルを伝達することである。
多数のスイッチング電圧レベルをスイッチングするための、一つの適切なコンバータ回路が、ドイツ特許公報第 DE 692 05 413 T2 号の中に規定されている。この文献において、ｎ個の第一スイッチング・グループが各相のために設けられ、その中で、第ｎ番目の第一スイッチング・グループは、第一電力半導体スイッチ及び第二電力半導体スイッチにより構成され、第一番目の第一スイッチング・グループから第（ｎ−１）番目のスイッチング・グループまでは、それぞれ、第一電力半導体スイッチ及び第二電力半導体スイッチ並びに第一及び第二電力半導体スイッチに接続されたキャパシタにより構成され、ここで、ｎ≧２ である。ｎ個の第一スイッチング・グループのそれぞれは、それぞれ隣接する第一スイッチング・グループに対して直列に接続され、第一番目の第一スイッチング・グループの中の第一及び第二電力半導体スイッチは、互いに接続されている。第一及び第二電力半導体スイッチは、それぞれ、絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ（ＴＧＢＴ）及びバイポーラ・トランジスタに並列に背中合わせに接続されたダイオードにより構成されている。
DE 692 05 413 T2 による多数のスイッチング電圧レベルをスイッチングするためのコンバータ回路には、運転中にコンバータ回路に蓄えられる電気的エネルギーの量が非常に高くなると言う問題がある。コンバータ回路のｎ個の第一スイッチング・グループの中のキャパシタの中に電気的エネルギーが蓄えられるので、キャパシタは、この電気的エネルギーに対応してデザインされていなければならない。即ち、キャパシタの耐電圧および／またはキャパシタンスが選択されなければならない。しかしながら、このことにより、物理的サイズの大きなキャパシタが必要になり、それに対応して価格も高くなる。更に、キャパシタの物理的サイズが大きいので、コンバータ回路に大きなスペースが必要になり、その結果、例えば鉄道などのような多くの用途において要求される省スペース・デザインが困難になる。更に、物理的に大きなキャパシタの使用は、大量の組み立て及びメインテナンスの手間の増大を招く。
独国特許発明第 DE 692 05 413 T2 号公報
従って、本発明の一つの目的は、多数のスイッチング電圧レベルをスイッチングするためのコンバータ回路において、運転中に蓄えられる電気的エネルギーができるだけ小さく、且つ省スペースの状態で製造することが可能な、コンバータ回路を提供することにある。
上記の目的は、請求項１の特徴部分により実現される。本発明の優位性のある展開は、従属クレームに規定されている。
本発明による多数のスイッチング電圧レベルをスイッチングするためのコンバータ回路は、各相のために設けられたｎ個の第一スイッチング・グループを有している。ここで、第ｎ番目の第一スイッチング・グループは、第一電力半導体スイッチ及び第二電力半導体スイッチにより構成され、第一番目の第一スイッチング・グループから第（ｎ−１）番目のスイッチング・グループまでは、それぞれ、第一電力半導体スイッチ及び第二電力半導体スイッチ並びに第一及び第二電力半導体スイッチに接続されたキャパシタにより構成されている。ここで、本発明よれば、ｎ≧１ である。また、複数の第一スイッチング・グループがあるときには、ｎ個の第一スイッチング・グループのそれぞれは、それぞれ隣接する第一スイッチング・グループに対して直列に接続され、第一番目の第一スイッチング・グループの中の第一及び第二電力半導体スイッチは、互いに接続される。
本発明によれば、ｐ個の第二スイッチング・グループ及びｐ個の第三スイッチング・グループが設けられ、それらは、それぞれ、第一電力半導体スイッチ及び第二電力半導体スイッチ並びに第一及び第二電力半導体スイッチに接続されたキャパシタにより構成され、ここで、ｐ≧１ である。また、複数の第二スイッチング・グループがあるときには、ｐ個の第二スイッチング・グループのそれぞれは、それぞれ隣接する第二スイッチング・グループに対して直列に接続される。複数の第三スイッチング・グループがあるときには、ｐ個の第三スイッチング・グループのそれぞれは、それぞれ隣接する第三スイッチング・グループに対して直列に接続され、第一番目の第二スイッチング・グループは、第ｎ番目の第一スイッチング・グループの中の第一電力半導体スイッチに接続され、第一番目の第三スイッチング・グループは、第ｎ番目の第一スイッチング・グループの中の第二電力半導体スイッチに接続される。更に、第ｐ番目の第二スイッチング・グループの中のキャパシタは、第ｐ番目の第三スイッチング・グループの中のキャパシタに対して直列に接続される。
本発明に基づくコンバータ回路を使用した場合、設けられているｐ個の第二スイッチング・グループ及びｐ個の第三スイッチング・グループは、上記のようなそれらの接続とともに、上記ｐ個の第二スイッチング・グループが、相出力ＡＣ電圧に対して、例えば、正の半サイクルの間のみに関与し、且つ、上記ｐ個の第三スイッチング・グループが、負の半サイクルの間のみに関与することを意味している。このようにして、コンバータ回路に蓄えられる、特にｐ個の第二及び第三スイッチング・グループの中のキャパシタの中に蓄えられる電気的エネルギーの量を減少させることが、好ましくも、可能になる。
更に、上記ｎ個の第一スイッチング・グループは、相出力ＡＣ電圧をバランスさせるためのみに使用され、それにより、複数の第一スイッチング・グループがあるときには、ｎ個の第一スイッチング・グループの中のキャパシタは、バランス状態にあって、電流を本質的に移送せず、従って、電気的エネルギーを本質的に蓄えることもない。コンバータ回路の中に蓄えられる電気的エネルギーの量は、このようにして、全体として低く保たれることが可能になり、それにより、コンバータ回路の中のキャパシタは、僅かな電気的エネルギーのみが蓄えられるように、デザインされていれば良い。即ち、キャパシタの耐電圧および／またはキャパシタンスに関して、そのようにデザインされていれば良い。キャパシタの物理的サイズが小さいので、このコンバータ回路には、非常に僅かなスペースしか必要とならず、従って、例えば鉄道用途向けなどのような多くの用途において要求される省スペース・デザインが、好ましくも可能になる。更に、キャパシタの物理的サイズが小さいので、組み立て及びメインテナンスの手間を、少なく抑えることが、好ましくも可能になる。
本発明の以上の及び更なる目的、優位性及び特徴は、添付図面を用いた本発明の好ましい実施形態の以下の詳細な説明から明らかになるであろう。
図面の中で使用されている参照符号及びそれらの意味は、参照符号リストの形で、まとめられている。以下の図の中において、原則として、同一のパーツには、同一の参照符号が付されている。ここに記載された実施形態は、本発明の主題の例を表わしており、本発明を限定するものではない。
図１ａに、多数のスイッチング電圧レベルをスイッチングするための本発明に基づくコンバータ回路（特に、単相のコンバータ回路）の第一の実施形態を示す。このケースにおいて、コンバータ回路は、各相Ｒ，Ｙ，Ｂのために設けられたｎ個の第一スイッチング・グループ 1.1, ..., 1.n を有している。ここで、第ｎ番目の第一スイッチング・グループ 1.n は、第一電力半導体スイッチ２及び第二電力半導体スイッチ３により構成され、また第一番目の第一スイッチング・グループ 1.1 から第（ｎ−１）番目の第一スイッチング・グループ 1.(n-1) までは、それぞれ、第一電力半導体スイッチ２及び第二電力半導体スイッチ３、並びに第一及び第二電力半導体スイッチ２，３に接続されたキャパシタ４により構成されている。ここで、本発明によれば、ｎ≧１ である。
図１ａから分かるように、第一スイッチング・グループ１, 1.1, ..., 1.n のそれぞれは、４極のネットワークを表わしており、複数の第一スイッチング・グループ 1.1, ..., 1.n があるときには、ｎ個の第一スイッチング・グループ 1.1, ..., 1.n のそれぞれは、それぞれ隣接する第一スイッチング・グループ 1.1, ..., 1.n に対して直列に接続される。即ち、第ｎ番目の第一スイッチング・グループ 1.n は、第（ｎ−１）番目の第一スイッチング・グループ 1.(n-1) に対して直列に接続され、第（ｎ−１）番目の第一スイッチング・グループ 1.(n-l) は、第（ｎ−２）番目の第一スイッチング・グループ1.(n-2) に対して直列に接続され、以下同様に順に接続される。
図１ａから分かるように、第一番目の第一スイッチング・グループ 1.1 の中の第一及び第二電力半導体スイッチ２，３は、互いに接続されている。第一番目の第一スイッチング・グループ 1.1 の中の、第一及び第二電力半導体スイッチ２，３の接続点は、相接続、図１ａに示されているように特に相Ｒのための相接続を形成している。
本発明によれば、図１ａに示されているように、ｐ個の第二スイッチング・グループ 5.1, ..., 5.p 及びｐ個の第三スイッチング・グループ 6.1, ..., 6.p が設けられ、それらは、それぞれ、第一電力半導体スイッチ２及び第二電力半導体スイッチ３、並びに第一及び第二電力半導体スイッチ２，３に接続されたキャパシタ４により構成され、ここで、ｐ≧１ である。
図２に示されているように、ｐ個の第二スイッチング・グループ 5.1, ..., 5.p のそれぞれ、及び、ｐ個の第三スイッチング・グループ 6.1, ..., 6.p のそれぞれは、４極のネットワークを表わしており、複数の第二スイッチング・グループ 5.1, ..., 5.p があるとき、ｐ個の第二スイッチング・グループ 5.1, ..., 5.p のそれぞれは、それぞれ隣接する第二スイッチング・グループ 5.1, ..., 5.p に対して直列に接続される。即ち、第ｐ番目の第二スイッチング・グループ 5.p は、第（ｐ−１）番目の第二スイッチング・グループ 5.(p-1) に対して直列に接続され、第（ｐ−１）番目の第二スイッチング・グループ 5.(p-1) は、第（ｐ−２）番目の第二スイッチング・グループ 5.(p-2) に対して直列に接続され、以下同様に順に接続される。
更に、図１ａに示されているように、複数の 第三スイッチング・グループ 6.1, ..., 6.p があるとき、第ｐ番目の第三スイッチング・グループ 6.1, ..., 6.p のそれぞれは、それぞれ隣接する第三スイッチング・グループ 6.1, ..., 6.p に対して直列に接続される。即ち、第ｐ番目の第三スイッチング・グループ 6.p は、第（ｐ−１）番目の第三スイッチング・グループ 6.(p-1) に対して直列に接続され、第（ｐ−１）番目の第三スイッチング・グループ 6.(p-1) は、第（ｐ−２）番目の第三スイッチング・グループ 6.(p-2) に対して直列に接続され、以下同様に順に接続される。
更に、第一番目の第二スイッチング・グループ 5.1 は、第ｎ番目の第一スイッチング・グループ 1.n の中の第一電力半導体スイッチ２に接続され、第一番目の第三スイッチング・グループ 6.1 は、第ｎ番目の第一スイッチング・グループ 1.n の中の第二電力半導体スイッチ３に接続されている。最後に、第ｐ番目の第二スイッチング・グループ 5.p の中のキャパシタ４は、第ｐ番目の第三スイッチング・グループ 6.p の中のキャパシタ４に対して直列に接続されている。
設けられているｐ個の第二スイッチング・グループ 5.1, ..., 5.p 及びｐ個の第三スイッチング・グループ 6.1, ..., 6.p、及び、それらの、それぞれ互いの間での互いへのの上述の接続、並びに第ｎ番目の第一スイッチング・グループ 1.n への上述の接続は、本発明に基づくコンバータ回路を使用した場合、ｐ個の第二スイッチング・グループ 5.1, ..., 5.p が、相出力ＡＣ電圧に関して、例えば、正の半サイクルのみに関与し、ｐ個の第三スイッチング・グループ 6.1, ..., 6.p が、相出力ＡＣ電圧に関して、負の半サイクルのみに関与することを意味している。前記コンバータ回路に蓄えられる、特に、ｐ個の第二及び第三スイッチング・グループ 5.1, ..., 5.p; 6.1, ..., 6. の中に蓄えられる電気的エネルギーの量は、このようにして、好ましくも少なくなる。
更に、ｎ個の第一スイッチング・グループ 1.1, ..., 1.n は、相出力ＡＣ電圧をバランスさせるためのみに使用される。それにより、相出力ＡＣ電圧がバランス状態にあるとき、ｎ個の第一スイッチング・グループ 1.1, ..., 1.n の中のキャパシタ４は、本質的に電流を流すこともなく、本質的に電気的エネルギーを蓄えることもない。前記コンバータ回路に蓄えられる電気的エネルギーの量を、本発明によれば、全体として低く抑えることができる、それにより、コンバータ回路の中のキャパシタ４を、少量の電気的エネルギー蓄えるためのみにデザインすれば良い。即ち、それらの耐電圧および／またはそれらのキャパシタンスをそのようにデザインすれば良い。
キャパシタ４の物理的サイズが小さいので、コンバータ回路には、最小のスペースしか必要とならず、かくして、好ましくも、例えば鉄道などのような、多くの用途において要求される省スペース・デザインが可能になる。更に、キャパシタ４の小さい物理的サイズはまた、好ましくも、組み立て及びメインテナンスの手間を少なく抑えることを可能にする。
図１ａに示されているように、電圧制限ネットワーク７は、例えば、第ｎ番目の第一スイッチング・グループ 1.n の中の第一電力半導体スイッチ２に対して並列に接続され、また、電圧制限ネットワーク７は、同様に、第ｎ番目の第一スイッチング・グループ 1.n の中の第二電力半導体スイッチ３に対して並列に接続される。この電圧制限ネットワーク７は、オプションとして、選択されることが可能で、且つ、好ましくも、相出力電圧を安定させるために使用され、特に、望ましい相出力電圧が ０Ｖ のときに使用される。この電圧制限ネットワーク７は、好ましくは、キャパシタを有し、または、図１ａの中に示されているように、キャパシタを備えた抵抗器により構成された直列回路である。
当業者にとっては明らかなように、第一スイッチング・グループ 1.1, ..., 1.(n-1) の中の他の全ての第一及び第二電力半導体スイッチ２，３、並びに第二及び第三スイッチング・グループ 5.1, ..., 5.p; 6.1, ..., 6.p も、電圧制限ネットワーク７を備えることが可能であり、特に、いかなるタイプのものであっても良い、および／または、電流制限ネットワークを有することも可能であり、特に、いかなるタイプのものであっても良い。
図１ｂは、多数のスイッチング電圧レベルをスイッチングするための本発明に基づくコンバータ回路の第二の実施形態（特に、単相の）を示す。図１ａの中に示された第一の実施形態とは異なり、第ｎ番目の第一スイッチング・グループ 1.n は、第二の実施形態の中に示されているように、キャパシタ４を有しており、このキャパシタ４は、第ｎ番目の第一スイッチング・グループ 1.n の中の第一及び第二電力半導体スイッチ２，３に接続され、ここで、第一番目の第二スイッチング・グループ 5.1 は、第ｎ番目の第一スイッチング・グループ 1.n の中のキャパシタ４に接続され、また、第一番目の第三スイッチング・グループ 6.1 は、第ｎ番目の第一スイッチング・グループ 1.n の中のキャパシタ４に接続されている。
第ｎ番目の第一スイッチング・グループ 1.n の中のキャパシタ４は、特に望ましい相出力電圧が ０Ｖ のとき、好ましくも、この相出力電圧が安定されると言う結果をもたらし、それによって、このことが、いかなる問題及びいかなる撹乱効果を伴うことなく、実現される。もし、図１ａに示されているような第一実施形態を、図１ｂに示されているような第二の実施形態と比較した場合、第ｎ番目の第一スイッチング・グループ 1.n の中のキャパシタ４を、オプションとして選択することが可能であり、且つ、電圧制限または電圧安定化のためにのみ使用され、従って、電圧源としてはみなされない。
図を簡潔にするために図１ａの中には示されていないが、第ｎ番目の第一スイッチング・グループ 1.n の中のキャパシタ４の代わりに、抵抗器を備えたキャパシタ４により構成された直列回路を設けることもまた可能である。自明であるように、第ｎ番目の第一スイッチング・グループ 1.n の中のキャパシタ４、または、抵抗器を備えたキャパシタ４により構成された直列回路を、オプションとして、上記の全ての実施形態において、採用することが可能である。
図１ｃは、多数のスイッチング電圧レベルをスイッチングするための本発明に基づくコンバータ回路の第三の実施形態（特に、単相の）を示す。このケースにおいて、ｎ個の第一スイッチング・グループ 1.1, ..., 1.n の総数は、ｐ個の第二及び第三スイッチング・グループ 5.1, ..., 5.p; 6.1, ..., 6.p の総数よりも小さい。図１ｃの中で、それらは、ｎ＝１ の第一スイッチング・グループ 1.1, 1.2 、及び、ｐ＝２ の第二スイッチング・グループ 5.1, 5.2 、並びに、ｐ＝２ の第三スイッチング・グループ 6.1, 6.2 である。このことは、好ましくも、より少ない数の第一スイッチング・グループ 1.1, ..., 1.n 、従って、より少ない数の第一及び第二電力半導体スイッチ２，３及びより少ない数のキャパシタ４が必要になり、従って、本発明に基づくコンバータ回路のために必要とされる全スペースを、更に小さくすることができることを意味している。
例として図１ｃの中に示されているように、ｎ＝１ の第一スイッチング・グループ 1.1, 1.2 があるとき、第一及び第二電力半導体スイッチは、好ましくは、それぞれ、高いブロッキング性能の二方向性電力半導体スイッチにより構成される。即ち、それらは、一方向のみに電流を流す駆動可能な高いブロッキング性能の電子部品（例えば、ゲート ターンオフ・サイリスタ（ＧＴＯサイリスタ）または整流駆動電極を有する集積サイリスタ（ＩＧＣＴ：integrated gate commutated thyristor）により構成され、且つ、これに並列に背中合わせに接続された、駆動できず且つ一方向のみに電流を流す受動型の高いブロッキング性能の電子部品（例えば、ダイオード）により構成される。
図２は、多数のスイッチング電圧レベルをスイッチングするための本発明に基づくコンバータ回路の第四の実施形態（特に、単相の）を示す。このケースにおいて、ｎ個の第一スイッチング・グループ 1.1, ..., 1.n の総数は、ｐ個の第二及び第三スイッチング・グループ 5.1, ..., 5.p; 6.1, ..., 6.p の総数と一致する。図２の中で、それらは、ｎ＝２ の第一スイッチング・グループ 1.1, 1.2 、及び、ｐ＝２ の第二スイッチング・グループ 5.1, 5.2 、並びに、ｐ＝２ の第三スイッチング・グループ 6.1, 6.2 である。もし、ｎ個の第一スイッチング・グループ 1.1, ..., 1.n の総数が、ｐ個の第二及び第三スイッチング・グループ 5.1, ..., 5.p; 6.1, ..., 6.p の総数に一致していれば、その場合には、本発明に基づくコンバータ回路において、好ましくも、一般的に、（２ｎ＋１）個のスイッチング電圧レベルをスイッチすることが可能である。即ち、もし、図２に示されているように、ｎ＝２ であれば、５つのスイッチング電圧レベルをスイッチすることが可能である。
更に、ｎ個の第一スイッチング・グループ 1.1, ..., 1.n の総数を、ｐ個の第二及び第三スイッチング・グループ 5.1, ..., 5.p; 6.1, ..., 6.p の総数よりも多くすることも可能である。
図１ａ及び図１ｃに示されているように、第一番目の第二スイッチング・グループ 5.1 の中の第一及び第二電力半導体スイッチ２，３は、互いに接続される。このとき、第一番目の第二スイッチング・グループ 5.1 の中の第一及び第二電力半導体スイッチ２，３の接続点は、第ｎ番目の第一スイッチング・グループ 1.n の中の第一電力半導体スイッチ２に接続される。更に、図１ａ及び図１ｃに示されているように、第一番目の第三スイッチング・グループ 6.1 の中の第一及び第二電力半導体スイッチ２，３は、互いに接続され、このとき、第一番目の第三スイッチング・グループ 6.1 の中の第一及び第二電力半導体スイッチ２，３の接続点は、第ｎ番目の第一スイッチング・グループ 1.n. の中の第二電力半導体スイッチ３に接続される。
図１ｂに示されているように、第一番目の第二スイッチング・グループ 5.1 の中の第一及び第二電力半導体スイッチ２，３は、互いに接続され、このとき、第一番目の第二スイッチング・グループ 5.1 の中の第一及び第二電力半導体スイッチ２，３の接続点は、第ｎ番目の第一スイッチング・グループ 1.n の中のキャパシタ４と、第ｎ番目のスイッチング・グループ 1.n の中の第一電力半導体スイッチ２との接続点に接続される。更に、第一番目の第三スイッチング・グループ 6.1 の中の第一及び第二電力半導体スイッチ２，３は、互いに接続され、このとき、第一番目の第三スイッチング・グループ 6.1 の中の第一及び第二電力半導体スイッチ２，３の接続点は、第ｎ番目の第一スイッチング・グループ 1.n の中のキャパシタ４と、第ｎ番目の第一スイッチング・グループ 1.n の中の第二電力半導体スイッチ３との接続点に接続される。
各スイッチング・グループ 1.1, ..., 1.n; 5.1, ..., 5.p; 6.1, ..., 6.p の中の第一電力半導体スイッチ２及び第二電力半導体スイッチ３は、好ましくは、図１ａ、図１ｂ、図１ｃ及び図２に示された実施形態の場合と同様に、それぞれ二方向性電力半導体スイッチの形態である。
図３ａは、多数のスイッチング電圧レベルをスイッチングするための本発明に基づくコンバータ回路の第五の実施形態（特に、単相の）を示す。図３ａに示されているように、各第一及び各第二スイッチング・グループ 1.1, ..., 1.n; 5.1, ..., 5.p の中の第一電力半導体スイッチ２ は、二方向性電力半導体スイッチである。更に、各第一スイッチング・グループ 1.1, ..., 1.n の中及び各第三スイッチング・グループ 6.1, ..., 6.p の中の、第二電力半導体スイッチ３は、二方向性電力半導体スイッチである。図１ａ、図１ｂ、図１ｃ及び図２に示された実施形態の場合とは異なり、各第二スイッチング・グループ 5.1, ..., 5.p の中の第二電力半導体スイッチ３、及び、各第三スイッチング・グループ 6.1, ..., 6.p の中の第一電力半導体スイッチ２は、一方向性電力半導体スイッチである。このようにすることによって、本発明に基づくコンバータ回路を更にシンプルにすることが可能になる。
図３ｂは、多数のスイッチング電圧レベルをスイッチングするための本発明に基づくコンバータ回路の第六の実施形態（特に、単相の）を示す。図３ｂに示されているように、各第一及び各第三スイッチング・グループ 1.1, ..., 1.n; 6.1, ..., 6.p の中の第一電力半導体スイッチ２は、二方向性電力半導体スイッチである。更に、各第一及び各第二スイッチング・グループ 1.1, ..., 1.n; 5.1, ..., 5.p の中の第二電力半導体スイッチ３は、二方向性電力半導体スイッチである。それに加えて、各第二スイッチング・グループ 5.1, ..., 5.p の中の第一電力半導体スイッチ２、及び、各第三スイッチング・グループ 6.1, ..., 6.p の中の第二電力半導体スイッチ３は、一方向性電力半導体スイッチである。図３ａに示された第五の実施形態に関して先に述べたような、コンバータ回路のシンプル化と言う優位性に加えて、図３ｂに示されたコンバータ回路の第六の実施形態においては、各第二及び第三スイッチング・グループ 5.1, ..., 5.p; 6.1, ..., 6.p の中の、それぞれのキャパシタ４を横切る電圧を、非常に容易に、例えば所定の値に、設定することが可能であり、特に、調整によって設定することが可能である。
図４は、多数のスイッチング電圧レベルをスイッチングするための本発明に基づくコンバータ回路の第七の実施形態（特に、単相の）を示す。このケースにおいて、各第一スイッチング・グループ 1.1, ..., 1.n の中の第一電力半導体スイッチ２及び第二電力半導体スイッチ３は、二方向性電力半導体スイッチである。更に、各第二スイッチング・グループ 5.1, ..., 5.p の中及び各第三スイッチング・グループ 6.1, ..., 6.p の中の、第一電力半導体スイッチ２及び第二電力半導体スイッチ３は、一方向性電力半導体スイッチである。このようにすることによって、本発明に基づくコンバータ回路は、非常にシンプルで且つ更に省スペースなやり方でデザインされた整流器になる。それは、このコンバータ回路が、最小限の数の二方向性電力半導体スイッチしか使用しないからである。
図１ａから図４に示された本発明に基づくコンバータ回路の実施形態における二方向性電力半導体スイッチのそれぞれは、好ましくは、駆動され且つ一方向のみに電流を流すことができる電子部品（例えば、絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ（ＩＧＢＴ）、または、図１ｃに示されているように且つ先に述べたように、ゲート・ターンオフ・サイリスタ（ＧＴＯ）若しくは集積ゲート型整流サイリスタ（ＩＧＣＴ）により構成され、及び、これに並列に背中合わせに接続された、駆動できず且つ一方向のみに電流を流す受動的電子部品（例えばダイオード）により構成される。
図１ａ、図１ｂ、図１ｃ及び図２に示されているように、二方向性電力半導体スイッチの形態の第一及び第二電力半導体スイッチ２，３は、それぞれのスイッチング・グループ 1.1, ..., 1.n; 5.1, ..., 5.p; 6.1, ..., 6.p の中で、それらが反対方向の主コントロール電流方向を持つように接続される。即ち、駆動可能で且つ電流を一方向のみに流す電子部品が、互いに反対方向の主コントロール電流方向を持つように接続される。
更に、第一及び第二電力半導体スイッチ２，３の中の、駆動できない且つ電流を一方向のみに流す受動的電子部品は、図１ａ、図１ｂ、図１ｃ及び図２に示されているように、それぞれのスイッチング・グループ 1.1, ..., 1.n; 5.1, ..., 5.p; 6.1, ..., 6.p の中で、互いに反対のコントロール電流方向を持つように接続される。
更に、図３ａ、ｂ及び図４に示されているような本発明に基づくコンバータ回路の実施形態に基づく一方向性電力半導体スイッチのそれぞれは、好ましくは、駆動できず且つ一方向のみに電流を流す受動的電子部品により、例えばダイオードにより、構成される。先に述べたように、本発明に基づくコンバータ回路は、図３ａ、ｂ及び図４に示されているように、このようなやり方によって、更なるシンプル化が可能である。それは、駆動可能で一方向のみに電流を流す電子部品数がより少なくて済み、それにより駆動の複雑さを大幅に減らすことができるからである。
図３ａ、ｂ及び図４に示されているように、二方向性電力半導体スイッチの形態の第一及び第二電力半導体スイッチ２，３は、それぞれの第一スイッチング・グループ 1.1, ..., 1.n の中で、反対方向にコントロールされた主電流方向を持つように接続される。即ち、駆動可能で一方向のみに電流を流す電子部品は、互いに反対方向のコントロールされた主電流方向を持つ。
更に、それぞれの第二及び第三スイッチング・グループ 5.1, ..., 5.p; 6.1, ..., 6.p に関して、図３ａ、ｂに示されているように、第一及び第二電力半導体スイッチ２，３の中の駆動できず且つ一方向のみに電流を流す受動的電子部品、及び、第一及び第二電力半導体スイッチ２，３の中の駆動され且つ一方向のみに電流を流すことができる電子部品は、それぞれの第二及び第三スイッチング・グループ 5.1, ..., 5.p; 6.1, ..., 6.p の中で、互いに反対の電流方向を持つように接続される。
最後に、図４に示されているように一方向性電力半導体スイッチの形態の、第一及び第二電力半導体スイッチ２，３は、それぞれの第二及び第三スイッチング・グループ 5.1, ..., 5.p; 6.1, ..., 6.p の中で、互いに反対の電流方向を持つように接続される。
更に、ｎ個の第一スイッチング・グループ 1.1, ..., 1.n の場合において、それぞれ隣接する第一スイッチング・グループ 1.1, ..., 1.n の中の二つの第一電力半導体スイッチ２を、一つのモジュールに統合することが、非常に有利であることが見出された。即ち、複数の第一スイッチング・グループ 1.1, ..., 1.n があるときには、第ｎ番目の第一スイッチング・グループ 1.n の中の第一電力半導体スイッチ２、及び（ｎ−２）番目の第一スイッチング・グループ 1.(n-1) の中の第一電力半導体スイッチ２は、モジュールに統合され、そして、第（ｎ−１）番目の第一スイッチング・グループ 1.(n-1) の中の第一電力半導体スイッチ２、及び（ｎ−２）番目の第一スイッチング・グループ 1.(n-2) の中の第一電力半導体スイッチ２は、モジュールに統合され、以下同様に統合される。
更に、ｎ個の第一スイッチング・グループ 1.1, ..., 1.n の場合において、それぞれ隣接する第一スイッチング・グループ 1.1, ..., 1.n 内の二つの第二電力半導体スイッチ３が一つのモジュールに統合されることが有利であることが見出された。即ち、複数の第一スイッチング・グループ 1.1, ..., 1.n があるときには、第ｎ番目の第一スイッチング・グループ 1.n の中の第二電力半導体スイッチ３、及び第（ｎ−１）番目の第一スイッチング・グループ 1.(n-1) の中の第二電力半導体スイッチ３は、モジュールに統合され、そして、第（ｎ−１）番目の第一スイッチング・グループ 1.(n-1) の中の第二電力半導体スイッチ３、及び（ｎ−２）番目の第一スイッチング・グループ 1.(n-2) の中の第二電力半導体スイッチ３は、モジュールに統合され、以下同様に統合される。例えば、これらのようなモジュールは、通常、スタンダード・ハーフ・ブリッジモジュールであり、従ってシンプルなデザインを備え、故障しにくく、従って、コスト効率が良い。
更に、複数の第二スイッチング・グループ 5.1, ..., 5.p があるときには、ｐ個の第二スイッチング・グループ 5.1, ..., 5.p の場合において、第一スイッチング・グループ 1.1, ..., 1.n に関して以上で詳細に述べたやり方と同様に、それぞれ隣接する第二スイッチング・グループ 5.1, ..., 5.p の中の二つの第一電力半導体スイッチ２がモジュールに統合され、そして、それぞれ隣接する第二スイッチング・グループ 5.1, ..., 5.p の中の二つの第二電力半導体スイッチ３がモジュールに統合されることが有利であることが見出された。
更に、複数の第三スイッチング・グループ 6.1, ..., 6.p があるときには、ｐ個の第三スイッチング・グループ 6.1, ..., 6.p の場合において、第一スイッチング・グループ 1.1, ..., 1.n に関して以上で詳細に述べたやり方と同様に、それぞれ隣接する第三スイッチング・グループ 6.1, ..., 6.p の中の二つの第一電力半導体スイッチ２がモジュールに統合され、そして、それぞれ隣接する第三スイッチング・グループ 6.1, ..., 6.p の中の二つの第二電力半導体スイッチ３がモジュールに統合されることが有利であることが見出された。
以上で詳細に説明したように、それぞれの第一及び第二電力半導体スイッチ２，３を統合することは、図１ａから図４までに示されている本発明に基づくコンバータ回路の実施形態の全てに対して適用することができることは、自明である。
しかしながら、ｎ個の第一スイッチング・グループ 1.1, ..., 1.n の場合、及びｐ個の第二及び第三スイッチング・グループ 5.1, ..., 5.p; 6.1, ..., 6.p の場合のそれぞれにおいて、第一電力半導体スイッチ２及び第二電力半導体スイッチ３を一つのモジュールに統合することも可能である。先に述べたように、例えば、これらのようなモジュールは、通常、スタンダード・ハーフ・ブリッジモジュールであり、従ってシンプルなデザインを備え、故障しにくく、従って、コスト効率が良い。この場合に同様に、以上で詳細に説明したように、それぞれの第一及び第二電力半導体スイッチ２，３を統合することは、図１ａから図４までに示されている本発明に基づくコンバータ回路の実施形態の全てに対して適用することができることは、自明である。
多相の用途に対して適用されることが意図された本発明に基づくコンバータ回路の場合には、相Ｒ，Ｙ，Ｂのための第ｐ番目の第二スイッチング・グループ 5.p は、好ましくは、並列に接続され、そして、相Ｒ，Ｙ，Ｂのための第ｐ番目の第三スイッチング・グループ 6.p は、互いに並列に接続される。それぞれの接続は、それぞれの第ｐ番目の第二スイッチング・グループ 5.p の中のキャパシタ４、及び、それぞれの第ｐ番目の第三スイッチング・グループ 6.p の中のキャパシタ４に対して、それぞれ、行われる。
多相のコンバータ回路の場合において、好ましくも、スペースの節約を可能にするため、相Ｒ，Ｙ，Ｂのための、第ｐ番目の第二スイッチング・グループ 5.p の中のキャパシタ４は、好ましくは、結合されて一つのキャパシタを構成し、更に、相Ｒ，Ｙ，Ｂのための、第ｐ番目の第三スイッチング・グループ 6.b の中のキャパシタ４は、好ましくは、同様に結合されて一つのキャパシタを構成する。
全体として、多数のスイッチング電圧レベルをスイッチングするための本発明に基づくコンバータ回路は、このように、使用中に蓄えられる電気的エネルギーが小さいこと及び省スペース・デザインであることにより特徴付けられるソリューションを実現し、従って、複雑ではなく、頑丈で、且つ故障し難いソリューションを実現する。
図１ａは、本発明基づくコンバータ回路の第一の実施形態を示す。 図１ｂは、本発明基づくコンバータ回路の第二の実施形態を示す。 図１ｃは、本発明基づくコンバータ回路の第三の実施形態を示す。 図２は、本発明基づくコンバータ回路の第四の実施形態を示す。 図３ａは、本発明基づくコンバータ回路の第五の実施形態を示す。 図３ｂは、本発明基づくコンバータ回路の第六の実施形態を示す。 図４は、本発明基づくコンバータ回路の第七の実施形態を示す。
符号の説明
1.1, ..., 1.n ・・・第一スイッチング・グループ、２・・・第一電力半導体スイッチ、３・・・第二電力半導体スイッチ、４・・・キャパシタ、5.1, ..., 5.p ・・・第二スイッチング・グループ、6.1, ..., 6.p ・・・第三スイッチング・グループ、７・・・電圧制限ネットワーク。

Claims (21)

  1. 多数のスイッチング電圧レベルをスイッチングするためのコンバータ回路であって、
    各相（Ｒ，Ｙ，Ｂ）のために設けられたｎ個の第一スイッチング・グループ（1.1, ..., 1.n）を有し、
    ここで、第ｎ番目の第一スイッチング・グループ（1.n）は、第一電力半導体スイッチ（２）及び第二電力半導体スイッチ（３）により構成され、
    第一番目の第一スイッチング・グループ（1.1）から第（ｎ−１）番目の第一スイッチング・グループ（1.(n-1)）までは、それぞれ、第一電力半導体スイッチ（２）及び第二電力半導体スイッチ（３）、並びに第一及び第二電力半導体スイッチ（２，３）に接続されたキャパシタ（４）により構成され、
    ｎ個の第一スイッチング・グループ（1.1, ..., 1.n）のそれぞれは、それぞれ隣接する第一スイッチング・グループ（1.1, ..., 1.n）に直列に接続され、
    第一番目の第一スイッチング・グループ（1.1）の中の第一及び第二電力半導体スイッチ（２，３）は、互いに接続されている、
    コンバータ回路において、
    ｎ≧１ であり、且つ、
    ｐ個の第二スイッチング・グループ（5.1, ..., 5.p）及びｐ個の第三スイッチング・グループ（6.1, ..., 6.p）が設けられ、それらは、それぞれ、第一電力半導体スイッチ（２）及び第二電力半導体スイッチ（３）、並びに第一及び第二電力半導体スイッチ（２，３）に接続されたキャパシタ（４）により構成され、
    ここで、ｐ≧１ であり、且つ、
    ｐ個の第二スイッチング・グループ（5.1, ..., 5.p）のそれぞれは、それぞれ隣接する第二スイッチング・グループ（5.1, ..., 5.p）に対して直列に接続され、
    ｐ個の第三スイッチング・グループ（6.1, ..., 6.p）のそれぞれは、それぞれ隣接する第三スイッチング・グループ（6.1, ..., 6.p）に対して直列に接続され、
    第一番目の第二スイッチング・グループ（5.1）は、第ｎ番目の第一スイッチング・グループ（1.n）の中の第一電力半導体スイッチ（２）に接続され、
    第一番目の第三スイッチング・グループ（6.1）は、第ｎ番目の第一スイッチング・グループ（1.n）の中の第二電力半導体スイッチ（３）に接続されていること、及び、
    第ｐ番目の第二スイッチング・グループ（5.p）の中のキャパシタ（４）は、第ｐ番目の第三スイッチング・グループ（6.p）の中のキャパシタ（４）に対して直列に接続されていること、
    を特徴とするコンバータ回路。
  2. 下記特徴を備えた請求項１に記載のコンバータ回路：
    電圧制限ネットワーク（７）が、第ｎ番目の第一スイッチング・グループ（1.n）の中の第一電力半導体スイッチ（２）に対して並列に接続され、
    電圧制限ネットワーク（７）が、第ｎ番目の第一スイッチング・グループ（1.n）の中の第二電力半導体スイッチ（３）に対して並列に接続されている。
  3. 下記特徴を備えた請求項２に記載のコンバータ回路：
    前記電圧制限ネットワーク（７）は、キャパシタを有している。
  4. 下記特徴を備えた請求項２に記載のコンバータ回路：
    前記電圧制限ネットワーク（７）は、キャパシタを備えた抵抗器により構成された直列回路を有している。
  5. 下記特徴を備えた請求項１に記載のコンバータ回路：
    第ｎ番目の第一スイッチング・グループ（1.n）は、第ｎ番目の第一スイッチング・グループ（1.n）の中の第一及び第二電力半導体スイッチ（２，３）に接続されたキャパシタ（４）を有し、
    第一番目の第二スイッチング・グループ（5.1）は、第ｎ番目の第一スイッチング・グループ（1.n）の中のキャパシタ（４）に接続され、
    第一番目の第三スイッチング・グループ（6.1）は、第ｎ番目の第一スイッチング・グループ（1.n）の中のキャパシタ（４）に接続されている。
  6. 下記特徴を備えた請求項１から４のいずれか１項に記載のコンバータ回路：
    第一番目の第二スイッチング・グループ（5.1）の中の第一及び第二電力半導体スイッチ（２，３）は、互いに接続され、
    第一番目の第二スイッチング・グループ（5.1）の中の第一及び第二電力半導体スイッチ（２，３）の接続点は、第ｎ番目の第一スイッチング・グループ（1.n）の中の第一電力半導体スイッチ（２）に接続され、
    第一番目の第三スイッチング・グループ（6.1）の中の第一及び第二電力半導体スイッチ（２，３）は、互いに接続され、
    第一番目の第三スイッチング・グループ（6.1）の中の第一及び第二電力半導体スイッチ（２，３）の接続点は、第ｎ番目の第一スイッチング・グループ（1.n）の中の第二電力半導体スイッチ（３）に接続されている。
  7. 下記特徴を備えた請求項５に記載のコンバータ回路：
    第一番目の第二スイッチング・グループ（5.1）の中の第一及び第二電力半導体スイッチ（２，３）は、互いに接続され、
    第一番目の第二スイッチング・グループ（5.1）の中の第一及び第二電力半導体スイッチ（２，３）の接続点は、第ｎ番目の第一スイッチング・グループ（1.n）の中のキャパシタ（４）と第ｎ番目の第一スイッチング・グループ（1.n）の中の第一電力半導体スイッチ（２）の接続点に接続され、
    第一番目の第三スイッチング・グループ（6.1）の中の第一及び第二電力半導体スイッチ（２，３）は、互いに接続され、
    第一番目の第三スイッチング・グループ（6.1）の中の第一及び第二電力半導体スイッチ（２，３）の接続点は、第ｎ番目の第一スイッチング・グループ（1.n）の中のキャパシタ（４）と第ｎ番目の第一スイッチング・グループ（1.n）の中の第二電力半導体スイッチ（３）の接続点に接続されている。
  8. 下記特徴を備えた請求項１から７のいずれか１項に記載のコンバータ回路：
    ｎ個の第一スイッチング・グループ（1.1, ..., 1.n）の総数は、ｐ個の第二及び第三スイッチング・グループ（5.1, ..., 5.p; 6.1, ..., 6.p）の総数に一致している。
  9. 下記特徴を備えた請求項１から７のいずれか１項に記載のコンバータ回路：
    ｎ個の第一スイッチング・グループ（1.1, ..., 1.n）の総数は、ｐ個の第二及び第三スイッチング・グループ（5.1, ..., 5.p; 6.1, ..., 6.p）の総数よりも少ない。
  10. 下記特徴を備えた請求項１から７のいずれか１項に記載のコンバータ回路：
    ｎ個の第一スイッチング・グループ（1.1, ..., 1.n）の総数は、ｐ個の第二及び第三スイッチング・グループ（5.1, ..., 5.p; 6.1, ..., 6.p）の総数よりも多い。
  11. 下記特徴を備えた請求項１から１０のいずれか１項に記載のコンバータ回路：
    各スイッチング・グループ（1.1, ..., 1.n; 5.1, ..., 5.p; 6.1, ..., 6.p）の中の、第一電力半導体スイッチ（２）及び第二電力半導体スイッチ（３）は、それぞれ、二方向性電力半導体スイッチの形態である。
  12. 下記特徴を備えた請求項１から１０のいずれか１項に記載のコンバータ回路：
    各第一及び各第二スイッチング・グループ（1.1, ..., 1.n; 5.1, ..., 5.p）の中の第一電力半導体スイッチ（２）は、二方向性電力半導体スイッチであり、
    各第一及び各第三スイッチング・グループ（1.1, ..., 1.n; 6.1, ..., 6.p）の中の第二電力半導体スイッチ（３）は、二方向性電力半導体スイッチであり、
    各第二スイッチング・グループ（5.1, ..., 5.p）の中の第二電力半導体スイッチ（３）及び各第三スイッチング・グループ（6.1, ..., 6.p）の中の第一電力半導体スイッチ（２）は、それぞれ、一方向性電力半導体スイッチの形態である。
  13. 下記特徴を備えた請求項１から１０のいずれか１項に記載のコンバータ回路：
    各第一及び各第三スイッチング・グループ（1.1, ..., 1.n; 6.1, ..., 6.p）の中の第一電力半導体スイッチ（２）は、二方向性電力半導体スイッチであり、
    各第一及び各第二スイッチング・グループ（1.1, ...., 1.n; 5.1, ..., 5.p）の中の第二電力半導体スイッチ（３）は、二方向性電力半導体スイッチであり、
    各第二スイッチング・グループ（5.1, ..., 5.p）の中の第一電力半導体スイッチ（２）及び各第三スイッチング・グループ（6.1, ..., 6.p）の中の第二電力半導体スイッチ（３）は、一方向性電力半導体スイッチである。
  14. 下記特徴を備えた請求項１から１０のいずれか１項に記載のコンバータ回路：
    各第一スイッチング・グループ（1.1, ..., 1.n）の中の第一電力半導体スイッチ（２）及び第二電力半導体スイッチ（３）は、それぞれ、二方向性電力半導体スイッチの形態であり、
    各第二スイッチング・グループ（5.1, ..., 5.p）の中及び各第三スイッチング・グループ（6.1, ..., 6.p）の中の、第一電力半導体スイッチ（２）及び第二電力半導体スイッチ（３）は、それぞれ、一方向性電力半導体スイッチの形態である。
  15. 下記特徴を備えた請求項１１から１４のいずれか１項に記載のコンバータ回路：
    前記二方向性電力半導体スイッチは、駆動され且つ一方向のみに電流を流すことができる電子部品、及び、これに並列に背中合わせに接続され、駆動できず且つ一方向のみに電流を流す受動的電子部品により構成されている。
  16. 下記特徴を備えた請求項１２から１５のいずれか１項に記載のコンバータ回路：
    前記一方向性電力半導体スイッチは、駆動できず且つ一方向のみに電流を流す受動的電子部品により構成されている。
  17. 下記特徴を備えた請求項１から１６のいずれか１項に記載のコンバータ回路：
    ｎ個の第一スイッチング・グループ（1.1, ..., 1.n）の場合において、
    それぞれ隣接する第一スイッチング・グループ（1.1, ..., 1.n）の中の、二個の第一電力半導体スイッチ（２）は、モジュールに統合され、且つ、
    それぞれ隣接する第一スイッチング・グループ（1.1, ..., 1.n）の中の、二個の第二電力半導体スイッチ（３）は、モジュールに統合されている。
  18. 下記特徴を備えた請求項１７に記載のコンバータ回路：
    ｐ個の第二スイッチング・グループ（5.1, ..., 5.p）の場合において、それぞれ隣接する第二スイッチング・グループ（5.1, ..., 5.p）の中の二個の第一電力半導体スイッチ（２）は、モジュールに統合され、それぞれ隣接する第二スイッチング・グループ（5.1, ..., 5.p）の中の二個の第二電力半導体スイッチ（３）は、モジュールに統合され、
    ｐ個の第三スイッチング・グループ（6.1, ..., 6.p）の場合において、それぞれ隣接する第三スイッチング・グループ（6.1, ..., 6.p）の中の二個の第一電力半導体スイッチ（２）は、モジュールに統合され、それぞれ隣接する第三スイッチング・グループ（6.1, ..., 6.p）の中の二個の第二電力半導体スイッチ（３）は、モジュールに統合されている。
  19. 下記特徴を備えた請求項１から１６のいずれか１項に記載のコンバータ回路：
    ｎ個の第一スイッチング・グループ（1.1, ..., 1.n）の場合、且つ、ｐ個の第二及び第三スイッチング・グループ（5.1, ..., 5.p; 6.1, ..., 6.p）の場合において、前記第一電力半導体スイッチ（２）及び前記第二電力半導体スイッチ（３）は、それぞれ、モジュールに統合されている。
  20. 下記特徴を備えた請求項１から１９のいずれか１項に記載のコンバータ回路：
    複数の相（Ｒ，Ｙ，Ｂ）がある場合、相（Ｒ，Ｙ，Ｂ）のための第ｐ番目の第二スイッチング・グループ（5.p）は、互いに並列に接続され、且つ、
    相（Ｒ，Ｙ，Ｂ）のための第ｐ番目の第三スイッチング・グループ（6.p）は、互いに並列に接続されている。
  21. 下記特徴を備えた請求項２０に記載のコンバータ回路：
    相（Ｒ，Ｙ，Ｂ）のための第ｐ番目の第二スイッチング・グループ（5.p）の中の複数のキャパシタ（４）は、結合されて一つのキャパシタを構成し、且つ、
    相（Ｒ，Ｙ，Ｂ）のための第ｐ番目の第三スイッチング・グループ（6.p）の中の複数のキャパシタ（４）は、結合されて一つのキャパシタを構成する。
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