WO2011134092A2 - Circuit for a multilevel converter comprising thyristor switching - Google Patents

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WO2011134092A2
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    • Y02B70/10Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes

Definitions

  • the invention relates to the field of power electronics. Fields of application are, for example, converters in drive technology or in the power supply.
  • multi-level inverters (multilevel inverters) can be used.
  • circuit topologies commonly used in converters can be roughly divided into 3 categories, namely voltage source inverters, power source inverters, and cycloconverters.
  • the voltage source inverters can be subdivided into the number of states into which each converter phase can be switched. For a two-position inverter, each inverter phase can be switched to 2 different states (+ and -).
  • each inverter phase can be switched to more than 2 different states, for example three different states (+, 0 and -) for the three-level inverter in 3.
  • Typical representatives of the multilevel inverters are the Neutral Point Clamped Inverter (NPC), the Flying Capacitor Inverter, the Cascaded H-Bridge Inverter (CHB) and the Modular Multilevel Inverter (M2C).
  • NPC Neutral Point Clamped Inverter
  • CHB Cascaded H-Bridge Inverter
  • M2C Modular Multilevel Inverter
  • the current of each inverter phase flows through a plurality of semiconductor switches (i.e., turn-off power semiconductors such as IGBT, IGCT, GTO, or MOSFET) or freewheeling diodes (i.e., fast-switching diodes).
  • semiconductor switches i.e., turn-off power semiconductors such as IGBT, IGCT, GTO, or MOSFET
  • freewheeling diodes i.e., fast-switching diodes
  • the circuit according to this invention consists of at least 2 series-connected cells. Each cell may have one or more inverter phases connected in parallel to the same DC link capacitor.
  • Each cell consists of a DC link capacitor or a DC voltage source and per current direction and phase each consisting of a turn-off semiconductor, a freewheeling diode (fast diode) and a thyristor.
  • the cell active for each phase is switched to the phase connection of the inverter by the thyristor network.
  • the corresponding thyristors are switched only with the fundamental frequency of the phase current.
  • an additional voltage source is used to switch over the thyristors.
  • the current of each converter phase flows only through a semiconductor switch (turn-off power semiconductor) or a freewheeling diode (fast diode) and through a thyristor.
  • the forward losses of the thyristors are significantly lower than those of the semiconductor switches or freewheeling diodes. For this reason, the circuit topology according to this invention has significantly lower forward losses than the previously known circuit topologies.
  • the circuit according to this invention Since the switching losses remain unchanged compared with the previous circuit topologies, the circuit according to this invention has overall lower semiconductor losses. This improves the efficiency of the drive and reduces the cost of the semiconductors and their cooling.
  • Freewheeling diode are involved within the same cell.
  • the semiconductor switches are represented as IGBTs representative of any type of semiconductor device which can be turned off (IGBT, IGCT, GTO or MOSFET).
  • FIG. 1 shows the circuit diagram of a cell for a converter phase with two current directions for the circuit according to the invention
  • Fig. 2 shows the schematic diagram of a cell for a converter phase with both current directions, wherein the terminals of the semiconductor switches are connected to each other for both current directions;
  • Fig. 3 shows the circuit diagram of an inventive three-point circuit for a
  • Fig. 4 shows the circuit diagram of an inventive three-point circuit for a
  • FIG. 5 shows the circuit diagram of an inventive five-point circuit for a
  • Fig. 6 shows the circuit diagram of an inventive five-point circuit for a
  • Fig. 7 shows the circuit diagram of an inventive three-point circuit for a
  • Fig. 8 shows the circuit diagram of an inventive three-point circuit for a
  • the circuit topology according to this invention consists of several cells. Each cell may have one or more inverter phases which are parallel to one another
  • a cell consists of a DC link capacitor (CZK), whose voltage can be considered to be substantially constant, and each converter phase and each of their current directions of a turn-off semiconductor (SP or SN), a freewheeling diode (DP or DN) and a thyristor (TP or TN).
  • CZK DC link capacitor
  • the current direction which leads out of a cell is called positive.
  • FIG. 1 A cell which is designed for one phase and both current directions is shown in FIG.
  • the cell according to FIG. 1 behaves as follows:
  • SP is clocking, i. is switched on and off, thus switching the phase connection AC to CZK + or CZK-. While SP is off, the phase current flows through DP.
  • TN With negative phase current, TN conducts. TP is locked. SN clocks, ie is switched on and off, and thus switches the phase connection AC to CZK + or CZK-. While SN is off, the current flows through DN.
  • Figure 2 shows a cell with the same characteristics as the cell according to Figure 1, wherein the terminals of the semiconductor switches for the two current directions are interconnected.
  • the DC link capacitors are connected in series, but not directly, but via the commutation voltage source (UK), which is opposite to the
  • DC link capacitors is poled.
  • the DC link capacitors are offset by the voltage UK, thereby enabling the commutation (that is, the switching) of the thyristors. This is necessary because the thyristors do not have a
  • Control signal but only by means of a negative anode-cathode voltage can be erased.
  • the commutation voltage source has a relatively low DC voltage (eg about 20V).
  • the thyristors of the same inverter phase of all cells are connected to each other directly or via other thyristors and thus provide the phase connection of the inverter for each phase.
  • the thyristor of a single cell is conductive in each case.
  • the cell active for this inverter phase is selected.
  • either the negative or the positive potential of the intermediate circuit capacitor of the active cell is switched to the phase connection via the conductive thyristor.
  • FIG. 3 shows a corresponding arrangement with 2 cells for one phase.
  • This circuit corresponds to a 3-point circuit, since the phase connection can optionally be switched to the DC link potentials CZK1 +, CZK1-, CZK2 + or CZK2-, the potentials CZK1- and CZK2 + only a small difference (corresponding to the
  • Thyristor T1 P conducts, blocking all other thyristors.
  • the semiconductor switch S1 P is clocked.
  • the semiconductor switch S2P and the thyristor T2P are turned on.
  • Thyristor T1 P is commutated by the circuit S2P - T2P - T1 P - D1 P - UK1 and turns off.
  • thyristor T2P conducts, blocking all other thyristors.
  • Thyristor T1 N conducts, all other thyristors block.
  • the semiconductor switch S1 N clocks.
  • the thyristor T2N is turned on.
  • Thyristor T1 N is commutated by the circuit D1 N-T1 N-T2N-D2N-UK1-CZK1 and turns off.
  • thyristor T2N conducts, blocking all other thyristors.
  • Thyristor T2P conducts, all other thyristors block.
  • the semiconductor switch S2P is clocking.
  • the thyristor T1 P is turned on.
  • Thyristor T2P is commutated by the circuit D1 P - T1 P - T2P - D2P - CZK2 - UK1 and switches off.
  • thyristor T1 is conducting P, all other thyristors are blocking.
  • Semiconductor switch S1 P clocks. Commutation of cell 2 to cell 1 with negative phase current:
  • Thyristor T2N conducts, all other thyristors block.
  • the semiconductor switch S2N is clocking.
  • the semiconductor switch S1 N and the thyristor T1 N are turned on.
  • Thyristor T2N is connected through the circuit D2N-T2N-T1N-S1N-UK1
  • thyristor T2N conducts, blocking all other thyristors.
  • the commutation voltage is UK1 or (CZK1 - UK1) or (CZK2 - UK1).
  • the two commutation auxiliary circuits are fed by the voltage sources UK11 and UK12, which usefully have approximately the same voltage as UK1.
  • the switches SK1 1 or SK12 are turn-off power semiconductors.
  • SK1 1 and SH2 are normally locked, they are only during the corresponding
  • the diodes DK1 1, DK12, DK13 and DK14 serve to limit the voltage stress of the semiconductor switches SK11 and SK12 to voltages corresponding to the voltage sources UK11 and UK12, respectively.
  • Thyristor T1 P conducts, blocking all other thyristors.
  • the semiconductor switch S1 P is clocked.
  • the semiconductor switch S2P and the thyristor T2P are turned on.
  • Thyristor T1 P is commutated by the circuit S2P - T2P - T1 P - D1 P - UK1 and turns off.
  • thyristor T2P conducts, blocking all other thyristors.
  • Thyristor T1 N conducts, all other thyristors block.
  • the semiconductor switch S1 N clocks.
  • Thyristor T2N and the commutation semiconductor switch SK12 are turned on.
  • Thyristor T1 N is connected through the circuit S1 N - T1 N - T2N - DK13 - SK12 - UK12 -
  • thyristor T2N conducts, blocking all other thyristors.
  • Commutation semiconductor switch SK12 is turned off and semiconductor switch S2N is clocked.
  • Thyristor T2P conducts, all other thyristors block.
  • the semiconductor switch S2P is clocking.
  • Thyristor T1 P and the commutation semiconductor switch SK11 are turned on.
  • Thyristor T2P is commutated by the circuit SK1 1 - DK1 1 - T1 P - T2P - S2P - UK11 and switches off.
  • thyristor T1 is conducting P, all other thyristors are blocking.
  • Commutation semiconductor switch SK1 1 is turned off and semiconductor switch S1 P is clocked.
  • Thyristor T2N conducts, all other thyristors block.
  • the semiconductor switch S2N is clocking.
  • the semiconductor switch S1 N and the thyristor T1 N are turned on.
  • Thyristor T2N is connected through the circuit D2N-T2N-T1N-S1N-UK1
  • thyristor T2N conducts, blocking all other thyristors.
  • Figures 2, 3 and 4 show the new circuit concept in an embodiment with 2 cells. This corresponds to the so-called three-point circuits. By analogy, circuits with any number of cells and phases can be executed in this way.
  • the interconnection of the phase connections of the individual cells can by
  • thyristor networks can be realized.
  • the choice of the suitable network depends above all on the voltage design. Basically, a star-shaped network or a chain-like network makes sense.
  • Figure 5 shows an example of a circuit with 4 cells, 3 phases and a star-shaped thyristor network. For the sake of clarity, the commutation auxiliary circuits according to FIG. 4 are not shown.
  • Figure 6 shows an example of a circuit with 4 cells, 3 phases and a chain-shaped thyristor network. For the sake of clarity, the commutation auxiliary circuits according to FIG. 4 are not shown.
  • the thyristors are claimed only by the voltage corresponding to a single cell. Depending on the angle of the phase current with respect to the phase voltage (cos phi), not all semiconductors in all cells need to be populated.
  • D2RN, D2SN, D2TN Cell 2 freewheeling diode for negative phase current for
  • D2RP, D2SP, D2TP Cell 2 freewheeling diode for positive phase current for
  • T1 N, T2N, T3N, T4N thyristor for negative phase current of cell 1, cell 2, etc.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)

Abstract

Disclosed is a circuit for a multilevel converter, consisting of individual cells formed by a DC link capacitor and by 2 semiconductor switches, 2 freewheeling diodes, and 2 thyristors for each phase. The DC links of the cells are connected in series, and those thyristors of all cells that are part of one phase are interconnected and form the phase output of the converter. In each phase, one thyristor is switched on, thus selecting the cell that is active for said phase. An additional voltage source is required to switch the thyristor.

Description

B E S C H R E I B U N G Schaltung für einen Multilevel-Umrichter mit Thyristor-Umschaltung  B E S C H R E I N C U Circuit for a multilevel inverter with thyristor switching
Technisches Gebiet Technical area
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Leistungselektronik. Anwendungsgebiete sind zum Beispiel Umrichter in der Antriebstechnik oder in der Stromversorgung. The invention relates to the field of power electronics. Fields of application are, for example, converters in drive technology or in the power supply.
Zur Erhöhung der Spannung und Reduktion der Oberwellen der Umrichter können Mehr- Punkt-Umrichter (Multilevel-Umrichter) eingesetzt werden. To increase the voltage and reduce the harmonics of the inverters, multi-level inverters (multilevel inverters) can be used.
Stand der Technik State of the art
Die üblicherweise in Umrichtern eingesetzten Schaltungstopologien lassen sich grob in 3 Kategorien einteilen, nämlich in Spannungszwischenkreis-Umrichter, Stromzwischenkreis- Umrichter und Direktumrichter. The circuit topologies commonly used in converters can be roughly divided into 3 categories, namely voltage source inverters, power source inverters, and cycloconverters.
Die Spannungszwischenkreis-Umrichter lassen sich unterteilen in die Anzahl Zustände, in welche jede Umrichterphase geschaltet werden kann. Bei einem Zweipunkt-Umrichter kann jede Umrichterphase in 2 unterschiedliche Zustände geschaltet werden (+ und -).  The voltage source inverters can be subdivided into the number of states into which each converter phase can be switched. For a two-position inverter, each inverter phase can be switched to 2 different states (+ and -).
Bei einem Multilevel-Umrichter kann jede Umrichterphase in mehr als 2 unterschiedliche Zustände geschaltet werden, so zum Beispiel beim Dreipunkt-Umrichter in 3 unterschiedliche Zustände (+, 0 und -). In the case of a multilevel inverter, each inverter phase can be switched to more than 2 different states, for example three different states (+, 0 and -) for the three-level inverter in 3.
Typische Vertreter der Multilevel-Umrichter sind der Neutral-Point-Clamped-Umrichter (NPC), der Flying-Capacitor-Umrichter, der kaskadierte H-Brücken-Umrichter (CHB) sowie der modulare Multilevel-Umrichter (M2C).  Typical representatives of the multilevel inverters are the Neutral Point Clamped Inverter (NPC), the Flying Capacitor Inverter, the Cascaded H-Bridge Inverter (CHB) and the Modular Multilevel Inverter (M2C).
Bei diesen Multilevel-Schaltungstopologien fliesst der Strom jeder Umrichterphase durch mehrere Halbleiterschalter (d.h. durch abschaltbare Leistungshalbleiter wie z.B. IGBT, IGCT, GTO oder MOSFET) oder Freilaufdioden (d.h. schnellschaltende Dioden). In these multilevel circuit topologies, the current of each inverter phase flows through a plurality of semiconductor switches (i.e., turn-off power semiconductors such as IGBT, IGCT, GTO, or MOSFET) or freewheeling diodes (i.e., fast-switching diodes).
Dabei fliesst der Strom durch umso mehr Halbleiterschalter oder Freilaufdioden, je mehr Level eine Schaltung aufweist. Eine Übersicht über die bekannten Multilevel-Umrichter ist zum Beispiel in der Publikation "Diode-clamped Multilevel Voltage Source Converter for Medium Voltage Dynamic Voltage Restorer" von P. Boonchiam und N. Mithulananthan zu finden. In this case, the current flows through all the more semiconductor switches or free-wheeling diodes, the more levels a circuit has. An overview of the known multilevel inverters can be found, for example, in the publication "Diode-clamped Multilevel Voltage Source Converter for Medium Voltage Dynamic Voltage Restorer" by P. Boonchiam and N. Mithulananthan.
Darstellung der Erfindung Presentation of the invention
Die Schaltung gemäss dieser Erfindung besteht aus mindestens 2 seriegeschalteten Zellen. Jede Zelle kann eine oder mehrere Umrichterphasen aufweisen, welche parallel am gleichen Zwischenkreiskondensator angeschlossen sind. The circuit according to this invention consists of at least 2 series-connected cells. Each cell may have one or more inverter phases connected in parallel to the same DC link capacitor.
Jede Zelle besteht aus einem Zwischenkreiskondensator bzw. einer Gleichspannungsquelle und pro Stromrichtung und Phase aus je einem abschaltbaren Halbleiter, einer Freilaufdiode (schnelle Diode) und einem Thyristor.  Each cell consists of a DC link capacitor or a DC voltage source and per current direction and phase each consisting of a turn-off semiconductor, a freewheeling diode (fast diode) and a thyristor.
Die für jede Phase aktive Zelle wird durch das Thyristor-Netzwerk an den Phasenanschluss des Umrichters geschaltet. The cell active for each phase is switched to the phase connection of the inverter by the thyristor network.
Die entsprechenden Thyristoren werden nur mit der Grundfrequenz des Phasenstromes geschaltet.  The corresponding thyristors are switched only with the fundamental frequency of the phase current.
Da die Thyristoren nicht aktiv abgeschaltet werden können, wird zum Umschalten der Thyristoren eine zusätzliche Spannungsquelle, die Kommutierungs-Spannungsquelle, verwendet.  Since the thyristors can not be actively switched off, an additional voltage source, the commutation voltage source, is used to switch over the thyristors.
Für eine 3-Punktschaltung werden 2 solche Zellen seriegeschaltet, für eine 5-Punkt-Schaltung werden 4 solche Zellen seriegeschaltet. For a 3-point circuit, 2 such cells are switched in series, for a 5-point circuit 4 such cells are switched in series.
In der Schaltung gemäss dieser Erfindung fliesst der Strom jeder Umrichterphase nur durch einen Halbleiterschalter (abschaltbarer Leistungshalbleiter) oder eine Freilaufdiode (schnelle Diode) sowie durch einen Thyristor. In the circuit according to this invention, the current of each converter phase flows only through a semiconductor switch (turn-off power semiconductor) or a freewheeling diode (fast diode) and through a thyristor.
Die Durchlassverluste der Thyristoren sind deutlich geringer als jene der Halbleiterschalter oder Freilaufdioden. Aus diesem Grund weist die Schaltungstopologie gemäss dieser Erfindung deutlich tiefere Durchlassverluste als die bisher bekannten Schaltungstopologien auf. The forward losses of the thyristors are significantly lower than those of the semiconductor switches or freewheeling diodes. For this reason, the circuit topology according to this invention has significantly lower forward losses than the previously known circuit topologies.
Da die Schaltverluste gegenüber den bisherigen Schaltungstopologien unverändert bleiben, weisst die Schaltung gemäss dieser Erfindung insgesamt geringere Halbleiterverluste auf. Damit verbessert sich der Wirkungsgrad des Umrichters und die Kosten für die Halbleiter und ihre Kühlung werden reduziert. Since the switching losses remain unchanged compared with the previous circuit topologies, the circuit according to this invention has overall lower semiconductor losses. This improves the efficiency of the drive and reduces the cost of the semiconductors and their cooling.
Ein weiterer Vorteil der Schaltung gemäss dieser Erfindung besteht darin, dass bei den Schaltvorgängen der Halbleiterschalter jeweils nur ein Halbleiterschalter und eine Another advantage of the circuit according to this invention is that in the switching operations of the semiconductor switches in each case only a semiconductor switch and a
Freilaufdiode innerhalb der gleichen Zelle beteiligt sind. Freewheeling diode are involved within the same cell.
Deshalb müssen jeweils nur die Phasen innerhalb einer Zelle niederinduktiv aufgebaut sein, und nicht die komplette Schaltung wie beim Neutral-Point-Clamped-Umrichter (NPC) oder dem Flying-Capacitor-Umrichter. Dies reduziert die Anforderungen an den mechanischen Aufbau der Schaltung.  Therefore, only the phases within a cell need to be low-inductively configured, and not the complete circuit as in the Neutral Point Clamped Inverter (NPC) or Flying Capacitor inverter. This reduces the requirements for the mechanical structure of the circuit.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert. In the following the invention will be explained in more detail with reference to embodiments in conjunction with the drawings.
In allen Figuren sind die Halbleiterschalter als IGBTs dargestellt, stellvertretend für irgend einen Typ von abschaltbarem Halbleiterelement (IGBT, IGCT, GTO oder MOSFET).  In all figures, the semiconductor switches are represented as IGBTs representative of any type of semiconductor device which can be turned off (IGBT, IGCT, GTO or MOSFET).
Es zeigen: Show it:
Fig. 1 Das Schaltschema einer Zelle für eine Umrichterphase mit beiden Stromrichtungen für die erfindungsgemässe Schaltung; 1 shows the circuit diagram of a cell for a converter phase with two current directions for the circuit according to the invention;
Fig. 2 Das Schaltschema einer Zelle für eine Umrichterphase mit beiden Stromrichtungen, wobei die Anschlüsse der Halbleiterschalter für beide Stromrichtungen miteinander verbunden sind; Fig. 2 shows the schematic diagram of a cell for a converter phase with both current directions, wherein the terminals of the semiconductor switches are connected to each other for both current directions;
Fig. 3 Das Schaltschema einer erfindungsgemässen Dreipunkt-Schaltung für eine Fig. 3 shows the circuit diagram of an inventive three-point circuit for a
Umrichterphase mit beiden Stromrichtungen;  Converter phase with both current directions;
Fig. 4 Das Schaltschema einer erfindungsgemässen Dreipunkt-Schaltung für eine Fig. 4 shows the circuit diagram of an inventive three-point circuit for a
Umrichterphase mit beiden Stromrichtungen mit zusätzlichen Hilfskommutierungs- Schaltungen; Fig. 5 Das Schaltschema einer erfindungsgemässen Fünfpunkt-Schaltung für eine Converter phase with both current directions with additional auxiliary commutation circuits; Fig. 5 shows the circuit diagram of an inventive five-point circuit for a
Umrichterphase mit beiden Stromrichtungen, mit einem sternförmigen Thyristor- Netzwerk;  Inverter phase with both current directions, with a star-shaped thyristor network;
Fig. 6 Das Schaltschema einer erfindungsgemässen Fünfpunkt-Schaltung für eine Fig. 6 shows the circuit diagram of an inventive five-point circuit for a
Umrichterphase mit beiden Stromrichtungen, mit einem kettenförmigen Thyristor- Netzwerk;  Inverter phase with both current directions, with a chain-shaped thyristor network;
Fig. 7 Das Schaltschema einer erfindungsgemässen Dreipunkt-Schaltung für eine Fig. 7 shows the circuit diagram of an inventive three-point circuit for a
Umrichterphase mit einem Laststromwinkel von 0 Grad;  Inverter phase with a load current angle of 0 degrees;
Fig. 8 Das Schaltschema einer erfindungsgemässen Dreipunkt-Schaltung für eine Fig. 8 shows the circuit diagram of an inventive three-point circuit for a
Umrichterphase mit einem Laststromwinkel von 180 Grad;  Inverter phase with a load current angle of 180 degrees;
Ausführung der Erfindung Embodiment of the invention
Die Schaltungstopologie gemäss dieser Erfindung besteht aus mehreren Zellen. Jede Zelle kann eine oder mehrere Umrichterphasen aufweisen, welche parallel am gleichen The circuit topology according to this invention consists of several cells. Each cell may have one or more inverter phases which are parallel to one another
Zwischenkreiskondensator angeschlossen sind. DC link capacitor are connected.
Eine Zelle besteht aus einem Zwischenkreiskondensator (CZK), dessen Spannung als weitgehend konstant betrachtet werden kann, sowie pro Umrichterphase und jede ihrer Stromrichtungen aus einem abschaltbaren Halbleiter (SP bzw. SN), einer Freilaufdiode (DP bzw. DN) und einem Thyristor (TP bzw. TN).  A cell consists of a DC link capacitor (CZK), whose voltage can be considered to be substantially constant, and each converter phase and each of their current directions of a turn-off semiconductor (SP or SN), a freewheeling diode (DP or DN) and a thyristor (TP or TN).
Die Stromrichtung, welche aus einer Zelle hinausführt, wird als positiv bezeichnet.  The current direction which leads out of a cell is called positive.
Eine Zelle, welche für eine Phase und beide Stromrichtungen ausgelegt ist, ist in Zeichnung 1 dargestellt.  A cell which is designed for one phase and both current directions is shown in FIG.
Die Zelle gemäss Figur 1 verhält sich wie folgt: The cell according to FIG. 1 behaves as follows:
Bei positivem Phasenstrom leitet TP. TN ist gesperrt. With positive phase current, TP conducts. TN is locked.
SP taktet, d.h. wird ein- und ausgeschaltet, und schaltet somit den Phasenanschluss AC auf CZK+ oder CZK-. Während SP ausgeschaltet ist, fliesst der Phasenstrom durch DP.  SP is clocking, i. is switched on and off, thus switching the phase connection AC to CZK + or CZK-. While SP is off, the phase current flows through DP.
Bei negativem Phasenstrom leitet TN. TP ist gesperrt. SN taktet, d.h. wird ein- und ausgeschaltet, und schaltet somit den Phasenanschluss AC auf CZK+ oder CZK- . Während SN ausgeschaltet ist, fliesst der Strom durch DN. With negative phase current, TN conducts. TP is locked. SN clocks, ie is switched on and off, and thus switches the phase connection AC to CZK + or CZK-. While SN is off, the current flows through DN.
Figur 2 zeigt eine Zelle mit gleichen Eigenschaften wie die Zelle gemäss Figur 1 , wobei die Anschlüsse der Halbleiterschalter für die beiden Stromrichtungen miteinander verbunden sind. Figure 2 shows a cell with the same characteristics as the cell according to Figure 1, wherein the terminals of the semiconductor switches for the two current directions are interconnected.
Um eine Multilevel-Schaltung zu erhalten, werden nun mehrere solche Zellen In order to obtain a multilevel circuit, now several such cells
zusammengeschaltet. connected together.
Die Zwischenkreiskondensatoren werden in Serie verbunden, allerdings nicht direkt, sondern über die Kommutierungs-Spannungsquelle (UK), welche entgegengesetzt zu den  The DC link capacitors are connected in series, but not directly, but via the commutation voltage source (UK), which is opposite to the
Zwischenkreiskondensatoren gepolt ist. Dadurch werden die Zwischenkreiskondensatoren um die Spannung UK versetzt, um dadurch die Kommutierung (das heisst das Umschalten) der Thyristoren zu ermöglichen. Das ist notwendig, weil die Thyristoren nicht über ein DC link capacitors is poled. As a result, the DC link capacitors are offset by the voltage UK, thereby enabling the commutation (that is, the switching) of the thyristors. This is necessary because the thyristors do not have a
Steuersignal, sondern nur mithilfe einer negativen Anoden-Kathoden-Spannung gelöscht werden können. Control signal, but only by means of a negative anode-cathode voltage can be erased.
Die Kommutierungs-Spannungsquelle weist eine relativ geringe Gleichspannung (zB ca 20V auf).  The commutation voltage source has a relatively low DC voltage (eg about 20V).
Die Thyristoren der jeweils gleichen Umrichterphase von allen Zellen werden direkt oder über weitere Thyristoren miteinander verbunden und ergeben so den Phasenanschluss des Umrichters für jede Phase. The thyristors of the same inverter phase of all cells are connected to each other directly or via other thyristors and thus provide the phase connection of the inverter for each phase.
Für jede Umrichterphase ist jeweils der Thyristor einer einzigen Zelle leitend. So wird die für diese Umrichterphase aktive Zelle ausgewählt. Über den leitenden Thyristor wird, abhängig vom Zustand des Halbleiterschalters der aktiven Zelle, entweder das Minus- oder das Plus- Potential des Zwischenkreiskondensators der aktiven Zelle auf den Phasenanschluss geschaltet. For each inverter phase, the thyristor of a single cell is conductive in each case. Thus, the cell active for this inverter phase is selected. Depending on the state of the semiconductor switch of the active cell, either the negative or the positive potential of the intermediate circuit capacitor of the active cell is switched to the phase connection via the conductive thyristor.
Figur 3 zeigt eine entsprechende Anordnung mit 2 Zellen für eine Phase. FIG. 3 shows a corresponding arrangement with 2 cells for one phase.
Diese Schaltung entspricht einer 3-Punktschaltung, da der Phasenanschluss wahlweise an die Zwischenkreispotentiale CZK1 +, CZK1-, CZK2+ oder CZK2- geschaltet werden kann, wobei die Potentiale CZK1- und CZK2+ nur eine kleine Differenz (entsprechend der This circuit corresponds to a 3-point circuit, since the phase connection can optionally be switched to the DC link potentials CZK1 +, CZK1-, CZK2 + or CZK2-, the potentials CZK1- and CZK2 + only a small difference (corresponding to the
Kommutierungs-Hilfsspannung) aufweisen. Commutation auxiliary voltage).
Für die Funktionsweise der erfindungsgemässen Schaltung ist es wichtig, dass die Thyristoren von einer aktiven Zelle auf eine benachbarte Zelle umgeschaltet (kommutiert) werden können. Im folgenden sind deshalb diese Umschaltvorgänge der Thyristoren zur Auswahl der aktiven Zelle in Detail beschrieben. Diese Umschaltvorgänge verlaufen für verschiedene For the operation of the circuit according to the invention, it is important that the thyristors can be switched from one active cell to an adjacent cell (commutated). In the following, therefore, these switching operations of the thyristors for selecting the active cell will be described in detail. These switching operations are different
Phasenanschlüsse jeweils unabhängig von einander. Phase connections each independently.
Dabei sind 4 mögliche Umschaltvorgänge zu betrachten, die Beschreibungen beziehen sich auf die beispielhafte Darstellung in Figur 3: 4 possible switching operations are to be considered, the descriptions refer to the exemplary representation in FIG. 3:
Kommutierung von Zelle 1 zu Zelle 2 bei positivem Phasenstrom: Commutation of cell 1 to cell 2 with positive phase current:
Thyristor T1 P leitet, alle anderen Thyristoren sperren.  Thyristor T1 P conducts, blocking all other thyristors.
Der Halbleiterschalter S1 P taktet.  The semiconductor switch S1 P is clocked.
S1 P schaltet ab, der Phasenstrom fliesst dann durch die Freilaufdiode D1 P.  S1 P turns off, the phase current then flows through the freewheeling diode D1 P.
Der Halbleiterschalter S2P und der Thyristor T2P werden eingeschaltet.  The semiconductor switch S2P and the thyristor T2P are turned on.
Thyristor T1 P wird durch den Stromkreis S2P - T2P - T1 P - D1 P - UK1 abkommutiert und schaltet aus.  Thyristor T1 P is commutated by the circuit S2P - T2P - T1 P - D1 P - UK1 and turns off.
Jetzt leitet Thyristor T2P, alle anderen Thyristoren sperren. Halbleiterschalter S2P taktet.  Now, thyristor T2P conducts, blocking all other thyristors. Semiconductor switch S2P clocks.
Kommutierung von Zelle 1 zu Zelle 2 bei negativem Phasenstrom: Commutation of cell 1 to cell 2 with negative phase current:
Thyristor T1 N leitet, alle anderen Thyristoren sperren.  Thyristor T1 N conducts, all other thyristors block.
Der Halbleiterschalter S1 N taktet.  The semiconductor switch S1 N clocks.
S1 N schaltet ab, der Phasenstrom fliesst dann durch die Freilaufdiode D1 N.  S1 N turns off, the phase current then flows through the freewheeling diode D1 N.
Der Thyristor T2N wird eingeschaltet.  The thyristor T2N is turned on.
Thyristor T1 N wird durch den Stromkreis D1 N - T1 N - T2N - D2N - UK1 - CZK1 abkommutiert und schaltet aus.  Thyristor T1 N is commutated by the circuit D1 N-T1 N-T2N-D2N-UK1-CZK1 and turns off.
Jetzt leitet Thyristor T2N, alle anderen Thyristoren sperren. Halbleiterschalter S2N taktet.  Now, thyristor T2N conducts, blocking all other thyristors. Semiconductor switch S2N clocks.
Kommutierung von Zelle 2 zu Zelle 1 bei positivem Phasenstrom: Commutation of cell 2 to cell 1 with positive phase current:
Thyristor T2P leitet, alle anderen Thyristoren sperren.  Thyristor T2P conducts, all other thyristors block.
Der Halbleiterschalter S2P taktet.  The semiconductor switch S2P is clocking.
S2P schaltet ab, der Phasenstrom fliesst dann durch die Freilaufdiode D2P.  S2P switches off, the phase current then flows through the freewheeling diode D2P.
Der Thyristor T1 P wird eingeschaltet.  The thyristor T1 P is turned on.
Thyristor T2P wird durch den Stromkreis D1 P - T1 P - T2P - D2P - CZK2 - UK1 abkommutiert und schaltet aus.  Thyristor T2P is commutated by the circuit D1 P - T1 P - T2P - D2P - CZK2 - UK1 and switches off.
Jetzt leitet Thyristor T1 P, alle anderen Thyristoren sperren. Halbleiterschalter S1 P taktet. Kommutierung von Zelle 2 zu Zelle 1 bei negativem Phasenstrom: Now, thyristor T1 is conducting P, all other thyristors are blocking. Semiconductor switch S1 P clocks. Commutation of cell 2 to cell 1 with negative phase current:
Thyristor T2N leitet, alle anderen Thyristoren sperren.  Thyristor T2N conducts, all other thyristors block.
Der Halbleiterschalter S2N taktet.  The semiconductor switch S2N is clocking.
S2N schaltet ab, der Phasenstrom fliesst dann durch die Freilaufdiode D2N.  S2N switches off, the phase current then flows through the freewheeling diode D2N.
Der Halbleiterschalter S1 N und der Thyristor T1 N werden eingeschaltet.  The semiconductor switch S1 N and the thyristor T1 N are turned on.
Thyristor T2N wird durch den Stromkreis D2N - T2N - T1 N - S1 N - UK1  Thyristor T2N is connected through the circuit D2N-T2N-T1N-S1N-UK1
abkommutiert und schaltet aus.  abkommutiert and switches off.
Jetzt leitet Thyristor T2N, alle anderen Thyristoren sperren. Halbleiterschalter S2N taktet.  Now, thyristor T2N conducts, blocking all other thyristors. Semiconductor switch S2N clocks.
Die bisher beschriebenen Kommutierungsvorgänge weisen für die Thyristoren 2 The commutation processes described so far have for the thyristors. 2
unterschiedliche Kommutierungsspannungen auf. Je nach Kommutierungsvorgang beträgt die Kommutierungsspannung UK1 oder (CZK1 - UK1 ) bzw. (CZK2 - UK1 ). different commutation voltages. Depending on the commutation process, the commutation voltage is UK1 or (CZK1 - UK1) or (CZK2 - UK1).
Da die Kommutierungsspannung das Schaltverhalten der Thyristoren beeinflusst, kann es unerwünscht sein, die Spannung (CZK1 - UK1 ) (bzw CZK2 - UK1 ) als Since the commutation voltage affects the switching behavior of the thyristors, it may be undesirable to use the voltage (CZK1 - UK1) (or CZK2 - UK1) as
Kommutierungsspannung zu verwenden, denn diese ist erheblich höher als die eigentliche Kommutierungsspannung UK1. Commutation voltage to use, because this is considerably higher than the actual commutation voltage UK1.
Mit zwei zusätzlichen Kommutierungs-Hilfsschaltungen kann erreicht werden, dass für alle Kommutierungsvorgänge die gleiche Kommutierungsspannung wirksam ist. With two additional commutation auxiliary circuits can be achieved that for all commutation the same commutation voltage is effective.
Die Schaltung mit 2 Zellen und den beiden zusätzlichen Kommutierungs-Hilfsschaltungen ist in Figur 4 dargestellt. The circuit with 2 cells and the two additional commutation auxiliary circuits is shown in FIG.
Die beiden Kommutierungs-Hilfsschaltungen werden durch die Spannungsquellen UK11 und UK12 gespeist, welche sinnvollerweise etwa die gleiche Spannung wie UK1 aufweisen. The two commutation auxiliary circuits are fed by the voltage sources UK11 and UK12, which usefully have approximately the same voltage as UK1.
Die Schalter SK1 1 bzw. SK12 sind abschaltbare Leistungshalbleiter. The switches SK1 1 or SK12 are turn-off power semiconductors.
SK1 1 und SH2 sind normalerweise gesperrt, sie werden nur während dem entsprechenden SK1 1 and SH2 are normally locked, they are only during the corresponding
Kommutierungsvorgang kurzzeitig eingeschaltet. Commutation briefly turned on.
Die Dioden DK1 1 , DK12, DK13 und DK14 dienen dazu, die Spannungsbeanspruchung der Halbleiterschalter SK11 bzw. SK12 auf Spannungen entsprechend den Spannungsquellen UK11 bzw. UK12 zu begrenzen. The diodes DK1 1, DK12, DK13 and DK14 serve to limit the voltage stress of the semiconductor switches SK11 and SK12 to voltages corresponding to the voltage sources UK11 and UK12, respectively.
Im folgenden sind die Umschaltvorgänge der Thyristoren unter Berücksichtigung der  In the following, the switching operations of the thyristors are taking into account the
Kommutierungs-Hilfsschaltungen beschrieben. Dabei sind 4 mögliche Umschaltvorgänge zu betrachten, die Beschreibungen beziehen sich auf die beispielhafte Darstellung in Figur 4: Commutation auxiliary circuits described. 4 possible switching operations are to be considered, the descriptions refer to the exemplary representation in FIG. 4:
Kommutierung von Zelle 1 zu Zelle 2 bei positivem Phasenstrom: Commutation of cell 1 to cell 2 with positive phase current:
SK11 und SK12 sperren während dem gesamten Kommutierungsvorgang, dh die Kommutierungs-Hilfsschaltungen sind nicht aktiv. Die Kommutierung läuft ab wie zuvor beschrieben:  SK11 and SK12 block during the entire commutation process, ie the commutation auxiliary circuits are not active. The commutation takes place as described above:
Thyristor T1 P leitet, alle anderen Thyristoren sperren.  Thyristor T1 P conducts, blocking all other thyristors.
Der Halbleiterschalter S1 P taktet.  The semiconductor switch S1 P is clocked.
S1 P schaltet ab, der Phasenstrom fliesst dann durch die Freilaufdiode D1 P.  S1 P turns off, the phase current then flows through the freewheeling diode D1 P.
Der Halbleiterschalter S2P und der Thyristor T2P werden eingeschaltet.  The semiconductor switch S2P and the thyristor T2P are turned on.
Thyristor T1 P wird durch den Stromkreis S2P - T2P - T1 P - D1 P - UK1 abkommutiert und schaltet aus.  Thyristor T1 P is commutated by the circuit S2P - T2P - T1 P - D1 P - UK1 and turns off.
Jetzt leitet Thyristor T2P, alle anderen Thyristoren sperren. Halbleiterschalter S2P taktet.  Now, thyristor T2P conducts, blocking all other thyristors. Semiconductor switch S2P clocks.
Kommutierung von Zelle 1 zu Zelle 2 bei negativem Phasenstrom: Commutation of cell 1 to cell 2 with negative phase current:
Thyristor T1 N leitet, alle anderen Thyristoren sperren.  Thyristor T1 N conducts, all other thyristors block.
Der Halbleiterschalter S1 N taktet.  The semiconductor switch S1 N clocks.
Dann bleibt S1 N eingeschaltet, womit der Phasenstrom durch S1 N fliesst.  Then S1 N remains on, causing the phase current to flow through S1 N.
Thyristor T2N und der Kommutierungs-Halbleiterschalter SK12 werden eingeschaltet. Thyristor T2N and the commutation semiconductor switch SK12 are turned on.
Thyristor T1 N wird durch den Stromkreis S1 N - T1 N - T2N - DK13 - SK12 - UK12 -Thyristor T1 N is connected through the circuit S1 N - T1 N - T2N - DK13 - SK12 - UK12 -
UK1 abkommutiert und schaltet aus. UK1 abkommutiert and switches off.
Jetzt leitet Thyristor T2N, alle anderen Thyristoren sperren.  Now, thyristor T2N conducts, blocking all other thyristors.
Kommutierungs-Halbleiterschalter SK12 wird ausgeschaltet und Halbleiterschalter S2N taktet.  Commutation semiconductor switch SK12 is turned off and semiconductor switch S2N is clocked.
Kommutierung von Zelle 2 zu Zelle 1 bei positivem Phasenstrom: Commutation of cell 2 to cell 1 with positive phase current:
Thyristor T2P leitet, alle anderen Thyristoren sperren.  Thyristor T2P conducts, all other thyristors block.
Der Halbleiterschalter S2P taktet.  The semiconductor switch S2P is clocking.
Dann bleibt S2P eingeschaltet, womit der Phasenstrom durch S2P fliesst.  Then S2P remains on, causing the phase current to flow through S2P.
Thyristor T1 P und der Kommutierungs-Halbleiterschalter SK11 werden eingeschaltet. Thyristor T2P wird durch den Stromkreis SK1 1 - DK1 1 - T1 P - T2P - S2P - UK11 abkommutiert und schaltet aus.  Thyristor T1 P and the commutation semiconductor switch SK11 are turned on. Thyristor T2P is commutated by the circuit SK1 1 - DK1 1 - T1 P - T2P - S2P - UK11 and switches off.
Jetzt leitet Thyristor T1 P, alle anderen Thyristoren sperren. Kommutierungs-Halbleiterschalter SK1 1 wird ausgeschaltet und Halbleiterschalter S1 P taktet. Now, thyristor T1 is conducting P, all other thyristors are blocking. Commutation semiconductor switch SK1 1 is turned off and semiconductor switch S1 P is clocked.
Kommutierung von Zelle 2 zu Zelle 1 bei negativem Phasenstrom: Commutation of cell 2 to cell 1 with negative phase current:
SK11 und SK12 sperren während dem gesamten Kommutierungsvorgang, d.h. die Kommutierungs-Hilfsschaltungen sind nicht aktiv. Die Kommutierung läuft ab wie zuvor beschrieben:  SK11 and SK12 lock during the entire commutation process, i. the commutation auxiliary circuits are not active. The commutation takes place as described above:
Thyristor T2N leitet, alle anderen Thyristoren sperren.  Thyristor T2N conducts, all other thyristors block.
Der Halbleiterschalter S2N taktet.  The semiconductor switch S2N is clocking.
S2N schaltet ab, der Phasenstrom fliesst dann durch die Freilaufdiode D2N.  S2N switches off, the phase current then flows through the freewheeling diode D2N.
Der Halbleiterschalter S1 N und der Thyristor T1 N werden eingeschaltet.  The semiconductor switch S1 N and the thyristor T1 N are turned on.
Thyristor T2N wird durch den Stromkreis D2N - T2N - T1 N - S1 N - UK1  Thyristor T2N is connected through the circuit D2N-T2N-T1N-S1N-UK1
abkommutiert und schaltet aus.  abkommutiert and switches off.
Jetzt leitet Thyristor T2N, alle anderen Thyristoren sperren. Halbleiterschalter S2N taktet.  Now, thyristor T2N conducts, blocking all other thyristors. Semiconductor switch S2N clocks.
Die Figuren 2, 3 und 4 zeigen das neue Schaltungskonzept in einer Ausführung mit 2 Zellen. Dies entspricht der sogenannten Dreipunkt-Schaltungen. Sinngemäss können auf diese Weise Schaltungen mit einer beliebigen Anzahl Zellen und Phasen ausgeführt werden. Figures 2, 3 and 4 show the new circuit concept in an embodiment with 2 cells. This corresponds to the so-called three-point circuits. By analogy, circuits with any number of cells and phases can be executed in this way.
Das Zusammenschalten der Phasenanschlüsse der einzelnen Zellen kann durch The interconnection of the phase connections of the individual cells can by
unterschiedliche Thyristor-Netzwerke realisiert werden. Die Wahl des geeigneten Netzwerkes hängt vor allem von der Spannungsauslegung ab. Grundsätzlich sinnvoll ist ein sternförmiges Netzwerk oder ein kettenförmiges Netzwerk. different thyristor networks can be realized. The choice of the suitable network depends above all on the voltage design. Basically, a star-shaped network or a chain-like network makes sense.
Figur 5 zeigt beispielshaft eine Schaltung mit 4 Zellen, 3 Phasen und einem sternförmigen Thyristor- Netzwerk. Der besseren Übersicht wegen sind die Kommutierungs-Hilfsschaltungen gemäss Figur 4 nicht gezeichnet. Figure 5 shows an example of a circuit with 4 cells, 3 phases and a star-shaped thyristor network. For the sake of clarity, the commutation auxiliary circuits according to FIG. 4 are not shown.
Figur 6 zeigt beispielshaft eine Schaltung mit 4 Zellen, 3 Phasen und einem kettenförmigen Thyristor-Netzwerk. Der besseren Übersicht wegen sind die Kommutierungs-Hilfsschaltungen gemäss Figur 4 nicht gezeichnet. Figure 6 shows an example of a circuit with 4 cells, 3 phases and a chain-shaped thyristor network. For the sake of clarity, the commutation auxiliary circuits according to FIG. 4 are not shown.
Bei dieser Anordnung der Thyristoren werden diese nur durch die Spannung entsprechend einer einzelnen Zelle beansprucht. Abhängig vom Winkel des Phasenstromes gegenüber der Phasenspannung (cos phi) müssen nicht alle Halbleiter in allen Zellen bestückt sein. In this arrangement, the thyristors are claimed only by the voltage corresponding to a single cell. Depending on the angle of the phase current with respect to the phase voltage (cos phi), not all semiconductors in all cells need to be populated.
Figur 7 zeigt beispielshaft eine Schaltung mit 2 Zellen und 1 Phase, für einen Phasenstrom mit einem Winkel von 0 Grad zur Phasenspannung (cos phi = 1 ). FIG. 7 shows by way of example a circuit with 2 cells and 1 phase, for a phase current with an angle of 0 degrees to the phase voltage (cos phi = 1).
Der besseren Übersicht wegen sind die Kommutierungs-Hilfsschaltungen gemäss Figur 4 nicht gezeichnet.  For the sake of clarity, the commutation auxiliary circuits according to FIG. 4 are not shown.
Figur 8 zeigt beispielshaft eine Schaltung mit 2 Leveln und 1 Phase, für einen Phasenstrom mit einem Winkel von 0 Grad zur Phasenspannung (cos phi = -1 ). FIG. 8 exemplarily shows a circuit with 2 levels and 1 phase, for a phase current with an angle of 0 degrees to the phase voltage (cos phi = -1).
Der besseren Übersicht wegen sind die Kommutierungs-Hilfsschaltungen gemäss Figur 4 nicht gezeichnet. For the sake of clarity, the commutation auxiliary circuits according to FIG. 4 are not shown.
Bezeichnungsliste name list
CZK Zwischenkreiskondensator einer Zelle CZK DC link capacitor of a cell
CZK1 , CZK2, CZK3, CZK4 Zwischenkreiskondensator der Zelle 1 , Zelle 2, usw. DK11 , DK12, DK13, DK14 Dioden der Kommutierungs-Hilfsschaltungen  CZK1, CZK2, CZK3, CZK4 DC link capacitor of cell 1, cell 2, etc. DK11, DK12, DK13, DK14 Diodes of commutation auxiliary circuits
DN Freilaufdiode für negativen Phasenstrom  DN freewheeling diode for negative phase current
D1 N, D2N, D3N, D4N Freilaufdiode für negativen Phasenstrom der Zelle 1 , Zelle  D1 N, D2N, D3N, D4N Freewheeling diode for negative phase current of cell 1, cell
2, usw.  2, etc.
D1 RN, D1SN, D1TN Freilaufdiode der Zelle 1 für negativen Phasenstrom für  D1 RN, D1SN, D1TN Freewheeling diode of cell 1 for negative phase current for
Phase R, Phase S, usw.  Phase R, Phase S, etc.
D2RN, D2SN, D2TN Freilaufdiode der Zelle 2 für negativen Phasenstrom für  D2RN, D2SN, D2TN Cell 2 freewheeling diode for negative phase current for
Phase R, Phase S, usw.  Phase R, Phase S, etc.
DP Freilaufdiode für positiven Phasenstrom  DP freewheeling diode for positive phase current
D1 P, D2P, D3P, D4P Freilaufdiode für positiven Phasenstrom der Zelle 1 , Zelle  D1 P, D2P, D3P, D4P freewheeling diode for positive phase current of cell 1, cell
2, usw.  2, etc.
D1 RP, D1 SP, D1TP Freilaufdiode der Zelle 1 für positiven Phasenstrom für  D1 RP, D1 SP, D1TP Freewheeling diode of cell 1 for positive phase current for
Phase R, Phase S, usw.  Phase R, Phase S, etc.
D2RP, D2SP, D2TP Freilaufdiode der Zelle 2 für positiven Phasenstrom für  D2RP, D2SP, D2TP Cell 2 freewheeling diode for positive phase current for
Phase R, Phase S, usw.  Phase R, Phase S, etc.
SK1 1 , SK12 Halbleiterschalter für die Kommutierungs-Hilfsschaltung SK1 1, SK12 Semiconductor switch for the commutation auxiliary circuit
SN Halbleiterschalter für negativen Phasenstrom S1 N, S2N, S3N, S4N Halbleiterschalter für negativen Phasenstrom der Zelle 1 , SN semiconductor switch for negative phase current S1 N, S2N, S3N, S4N negative phase current semiconductor switch of cell 1,
Zelle 2, usw  Cell 2, etc
S1 RN, S1SN, S1TN Halbleiterschalter der Zelle 1 für negativen Phasenstrom für Phase R, Phase S, usw. S1 RN, S1SN, S1TN Semiconductor switch of cell 1 for negative phase current for phase R, phase S, etc.
S2RN, S2SN, S2TN Halbleiterschalter der Zelle 2 für negativen Phasenstrom für Phase R, Phase S, usw. S2RN, S2SN, S2TN cell 2 negative phase current switch for phase R, phase S, etc.
SP Halbleiterschalter für positiven Phasenstrom SP semiconductor switch for positive phase current
S1 P, S2P, S3P, S4P Halbleiterschalter für positiven Phasenstrom der Zelle 1 ,  S1 P, S2P, S3P, S4P positive phase current semiconductor switch of cell 1,
Zelle 2, usw.  Cell 2, etc.
S1 RP, S1SP, S1TP Halbleiterschalter der Zelle 1 für positiven Phasenstrom für Phase R, Phase S, usw. S1 RP, S1SP, S1TP semiconductor cell of positive phase current cell 1 for phase R, phase S, etc.
S2RP, S2SP, S2TP Halbleiterschalter der Zelle 2 für positiven Phasenstrom für Phase R, Phase S, usw. S2RP, S2SP, S2TP cell 2 positive phase current switch for phase R, phase S, etc.
TN Thyristor für negativen Phasenstrom TN thyristor for negative phase current
T1 N, T2N, T3N, T4N Thyristor für negativen Phasenstrom der Zelle 1 , Zelle 2, usw.  T1 N, T2N, T3N, T4N thyristor for negative phase current of cell 1, cell 2, etc.
T1 1 N, T21 N, T31 N, T41 N Thyristor für negativen Phasenstrom bei kettenförmigem T1 1 N, T21 N, T31 N, T41 N Thyristor for negative phase current in a chain
Thyristor-Netzwerk  Thyristor network
T1 RN, T1 SN, T1TN Thyristor der Zelle 1 für negativen Phasenstrom für Phase T1 RN, T1 SN, T1TN cell 1 thyristor for negative phase current for phase
R, Phase S, usw.  R, phase S, etc.
T2RN, T2SN, T2TN Thyristor der Zelle 2 für negativen Phasenstrom für Phase T2RN, T2SN, T2TN cell phase 2 thyristor for phase negative phase current
R, Phase S, usw.  R, phase S, etc.
TP Thyristor für positiven Phasenstrom TP thyristor for positive phase current
T1 P, T2P, T3P, T4P Thyristor für positiven Phasenstrom der Zelle 1 , Zelle 2, usw.  T1 P, T2P, T3P, T4P positive phase current thyristor of cell 1, cell 2, etc.
T1 1 P, T21 P, T31 P, T41 P Thyristor für positiven Phasenstrom bei kettenförmigem T1 1 P, T21 P, T31 P, T41 P Thyristor for positive phase current in a chain
Thyristor-Netzwerk  Thyristor network
T1 RP, T1 SP, T1TP Thyristor der Zelle 1 für positiven Phasenstrom für Phase T1 RP, T1 SP, T1TP Cell 1 thyristor for phase positive phase current
R, Phase S, usw.  R, phase S, etc.
T2RP, T2SP, T2TP Thyristor der Zelle 2 für positiven Phasenstrom für Phase T2RP, T2SP, T2TP Thyristor of cell 2 for positive phase current for phase
R, Phase S, usw.  R, phase S, etc.
UK Kommutierungs-Spannungsquelle UK commutation voltage source
UK1 , UK2, UK3 Kommutierungs-Spannungsquelle der Zelle 1 , Zelle 2, usw.  UK1, UK2, UK3 cell 1 commutation voltage source, cell 2, etc.
UK1 1 , UK12 Kommutierungs-Hilfsspannungsquellen UK1 1, UK12 commutation auxiliary power sources

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E PATENT APPLICATIONS
1. Multilevel-Umrichter umfassend a) mindestens 2 Zellen, bestehend aus dem Zwischenkreiskondensator (CZK1 , CZK2); sowie 1. Multilevel converter comprising a) at least 2 cells, consisting of the intermediate circuit capacitor (CZK1, CZK2); such as
b) mindestens eine Phase, welche für jede Stromrichtung in jeder Zelle je einen Halbleiterschalter (S1 P, S2P, S1 N, S2N), eine Freilaufdiode (D1 P, D2P, D1 N, D2N) und einen Thyristor (T1 P, T2P, T1 N, T2N) aufweist;  b) at least one phase which, for each current direction in each cell, comprises a semiconductor switch (S1 P, S2P, S1N, S2N), a freewheeling diode (D1P, D2P, D1N, D2N) and a thyristor (T1P, T2P, T1 N, T2N);
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
c) die positiven Anschlüsse der Halbleiterschalter für die positive Stromrichtung (S1 P bzw. S2P) mit den positiven Anschlüssen der  c) the positive terminals of the semiconductor switches for the positive current direction (S1 P or S2P) with the positive terminals of
Zwischenkreiskondensatoren (CZK1 bzw. CZK2) und deren negative Anschlüsse mit den Anoden der Thyristoren für die positive Stromrichtung (T1 P bzw. T2P) der jeweiligen Zelle verbunden sind;  DC link capacitors (CZK1 or CZK2) and their negative terminals are connected to the anodes of the thyristors for the positive current direction (T1 P or T2P) of the respective cell;
d) die Anoden der Freilaufdioden für die positive Stromrichtung (D1 P bzw. D2P) mit den negativen Anschlüssen der Zwischenkreiskondensatoren (CZK1 bzw. CZK2) und deren Kathoden mit den Anoden der Thyristoren für die positive Stromrichtung (T1 P bzw. T2P) der jeweiligen Zelle verbunden sind; e) die negativen Anschlüsse der Halbleiterschalter für die negative Stromrichtung (S1 N bzw. S2N) mit den negativen Anschlüssen der  d) the anodes of the freewheeling diodes for the positive current direction (D1 P or D2P) with the negative terminals of the DC link capacitors (CZK1 or CZK2) and their cathodes with the anodes of the thyristors for the positive current direction (T1 P or T2P) of the respective Cell are connected; e) the negative terminals of the semiconductor switches for the negative current direction (S1 N or S2N) with the negative terminals of
Zwischenkreiskondensatoren (CZK1 bzw. CZK2) und deren positive Anschlüsse mit den Kathoden der Thyristoren für die negative Stromrichtung (T1 N bzw. T2N) der jeweiligen Zelle verbunden sind;  DC link capacitors (CZK1 or CZK2) and their positive terminals are connected to the cathodes of the thyristors for the negative current direction (T1 N or T2N) of the respective cell;
f) die Kathoden der Freilaufdioden für die negative Stromrichtung (D1 N bzw. D2N) mit den positiven Anschlüssen der Zwischenkreiskondensatoren (CZK1 bzw. CZK2) und deren Anoden mit den Kathoden der Thyristoren für die negative Stromrichtung (T1 N bzw. T2N) der jeweiligen Zelle verbunden sind;  f) the cathodes of the freewheeling diodes for the negative current direction (D1 N or D2N) with the positive terminals of the DC link capacitors (CZK1 or CZK2) and their anodes with the cathodes of the thyristors for the negative current direction (T1 N or T2N) of the respective Cell are connected;
g) die Zwischenkreiskondensatoren (CZK1 , CZK2) mittels einer Kommutierungs- Spannungsquelle (UK) seriell verbunden werden, wobei die Kommutierungs- Spannungsquelle (UK) die entgegengesetzte Polarität der  g) the DC link capacitors (CZK1, CZK2) are connected in series by means of a commutation voltage source (UK), the commutation voltage source (UK) having the opposite polarity of the
Zwischenkreiskondensatoren (CZK1 , CZK2) aufweist;  Having DC link capacitors (CZK1, CZK2);
h) die Anoden der Thyristoren für die positive Stromrichtung (T1 P, T2P) einer Phase von allen Zellen mit einander direkt oder über weitere Thyristoren miteinander und mit dem Phasenanschluss des Umrichters verbunden sind; i) die Kathoden der Thyristoren für die negative Stromrichtung (T1 N, T2N) einer Phase von allen Zellen mit einander direkt oder über weitere Thyristoren miteinander und mit dem Phasenanschluss des Umrichters verbunden sind; h) the anodes of the thyristors for the positive current direction (T1 P, T2P) of one phase of all cells are connected to each other directly or via further thyristors with each other and with the phase connection of the inverter; i) the cathodes of the thyristors for the negative current direction (T1 N, T2N) of one phase of all cells are connected to each other directly or via further thyristors with each other and with the phase connection of the inverter;
2. Multilevel-Umrichter gemäss Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die 2. Multilevel inverter according to claim 1, characterized in that the
Kommutierung der Thyristoren verbessert wird durch zusätzliche Kommutierungs- Hilfsschaltungen, bestehend aus  Commutation of the thyristors is improved by additional commutation auxiliary circuits consisting of
a) einer Hilfsspannungsquelle (UK1 1 ), deren negativer Pol am positiven Pol der Kommutierungs-Spannungsquelle (UK) angeschlossen ist;  a) an auxiliary voltage source (UK1 1) whose negative pole is connected to the positive pole of the commutation voltage source (UK);
b) einer Hilfsspannungsquelle (UK12), deren positiver Pol am negativen Pol der Kommutierungs-Spannungsquelle (UK) angeschlossen ist;  b) an auxiliary voltage source (UK12) whose positive pole is connected to the negative pole of the commutation voltage source (UK);
c) einem Halbleiterschalter (SK1 1 ), dessen positiver Pol am positiven Pol der Hilfsspannungsquelle (UK1 1) angeschlossen ist;  c) a semiconductor switch (SK1 1) whose positive pole is connected to the positive pole of the auxiliary voltage source (UK1 1);
d) einem Halbleiterschalter (SK12), dessen negativer Pol am negativen Pol der Hilfsspannungsquelle (UK1 1) angeschlossen ist;  d) a semiconductor switch (SK12) whose negative pole is connected to the negative pole of the auxiliary voltage source (UK1 1);
e) einer Diode (DK11 ), deren Anode am negativen Anschluss des  e) a diode (DK11) whose anode is connected to the negative terminal of the
Halbleiterschalters (SK1 1 ) und deren Kathode am negativen Pol des  Semiconductor switch (SK1 1) and its cathode at the negative pole of
Halbleiterschalters (S1 P) angeschlossen ist;  Semiconductor switch (S1 P) is connected;
f) einer Diode (DK12), deren Anode am negativen Anschluss der  f) a diode (DK12) whose anode is connected to the negative terminal of
Hilfsspannungsquelle (UK1 1) und deren Kathode am negativen Pol des  Auxiliary voltage source (UK1 1) and its cathode at the negative pole of
Halbleiterschalters (SK1 1) angeschlossen ist;  Semiconductor switch (SK1 1) is connected;
g) einer Diode (DK13), deren Anode am positiven Anschluss des  g) a diode (DK13) whose anode is connected to the positive terminal of the
Halbleiterschalters (S2N) und deren Kathode am positiven Pol des Halbleiterschalters (SK12) angeschlossen ist; sowie  Semiconductor switch (S2N) and whose cathode is connected to the positive pole of the semiconductor switch (SK12); such as
h) einer Diode (DK14), deren Anode am positiven Anschluss des  h) a diode (DK14) whose anode is connected to the positive terminal of the
Halbleiterschalters (SK12) und deren Kathode positiven Anschluss der  Semiconductor switch (SK12) and its cathode positive connection of
Hilfsspannungsquelle (UK12) angeschlossen ist.  Auxiliary voltage source (UK12) is connected.
3. Multilevel-Umrichter gemäss Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Thyristor- Netzwerk sternförmig angeordnet ist, d.h. die Phasenanschlüsse der jeweiligen Phase von allen Zellen sind miteinander verbunden und bilden so den Umrichter- Phasenanschluss dieser Phase. 3. Multilevel converter according to claim 1, characterized in that the thyristor network is arranged in a star shape, i. the phase terminals of the respective phase of all cells are connected together, thus forming the inverter phase connection of this phase.
4. Multilevel-Umrichter gemäss Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Thyristor- Netzwerk kettenförmig angeordnet ist, d.h. zwischen den Phasenanschlüssen der jeweiligen Phase von potentialmässig benachbarten Zellen sowie zwischen den mittleren Zellen und dem Umrichter-Phasenanschluss können zusätzliche Thyristoren geschaltet sein, um die Spannungsbeanspruchung der einzelnen Thyristoren zu reduzieren. 4. Multilevel inverter according to claim 1, characterized in that the thyristor network is arranged in a chain, ie between the phase terminals of In addition, additional thyristors may be connected in each phase of potential-adjacent cells and between the middle cells and the converter phase connection in order to reduce the voltage load of the individual thyristors.
5. Multilevel-Umrichter gemäss Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Zelle die Halbleiterschalter für beide Stromrichtungen miteinander verbunden sind, d.h. der negative Anschluss des Halbleiterschalters für den positiven Strom (SP), der positive Anschluss des Halbleiterschalters für den negativen Strom (SN), die Kathode der Freilaufdiode für den positiven Strom (DP) und die Anode der Freilaufdiode für den negativen Strom (DN) sind miteinander verbunden. 5. Multilevel inverter according to claim 1, characterized in that within the cell, the semiconductor switches for both current directions are interconnected, i. the negative terminal of the semiconductor switch for the positive current (SP), the positive terminal of the semiconductor switch for the negative current (SN), the cathode of the freewheeling diode for the positive current (DP) and the anode of the freewheeling diode for the negative current (DN) connected with each other.
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