ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ СХЕМА ДЛЯ КОММУТАЦИИ МНОЖЕСТВА УРОВНЕЙ КОММУТИРУЕМОГО НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 2008 года по МПК H02M7/48 

Изобретение относится к области силовой электроники. Оно исходит из преобразовательной схемы для коммутации множества уровней коммутируемого напряжения согласно ограничительной части независимого пункта формулы.

Преобразовательные схемы используются сегодня в большом разнообразии силовой электроники. Требования к такой преобразовательной схеме заключаются, во-первых, в том, чтобы создавать как можно меньше гармоник на фазах обычно подключенной к преобразовательной схеме электрической сети переменного напряжения, а во-вторых, передавать как можно большие мощности с помощью минимально возможного числа электронных элементов. Подходящая преобразовательная схема для коммутации множества уровней коммутируемого напряжения описана в DE 69205413 Т2. Здесь на каждую фазу предусмотрено n первых коммутационных групп, причем n-я первая коммутационная группа образована первым и вторым силовыми полупроводниковыми выключателями, а коммутационные группы от первой первой до (n-1)-й образованы соответственно первым и вторым силовыми полупроводниковыми выключателями и соединенным с первым и вторым силовыми полупроводниковыми выключателями конденсатором, причем n≥2. Каждая из n первых коммутационных групп соединена параллельно с соответственно соседней первой коммутационной группой, причем первый и второй силовые полупроводниковые выключатели первой первой коммутационной группы соединены между собой. Первый и второй полупроводниковые выключатели образованы соответственно биполярным транзистором с изолированным затвором (IGBT) и включенным встречно-параллельно биполярному транзистору диодом.

Проблемой у преобразовательной схемы для коммутации множества уровней коммутируемого напряжения в DE 69205413 Т2 является то, что аккумулированная в ней во время работы электрическая энергия очень высока. Поскольку электрическая энергия аккумулирована в конденсаторах n первых коммутационных групп преобразовательной схемы, конденсаторы должны быть рассчитаны на эту электрическую энергию, т.е. в отношении своей электрической прочности и/или емкости. Это обуславливает, однако, использование конденсаторов большого конструктивного размера, которые соответственно дороги. К тому же преобразовательная схема из-за больших по конструктивному размеру конденсаторов требует много места, так что компактная конструкция, необходимая для многих применений, например для тяги, невозможна. Кроме того, использование больших по конструктивному размеру конденсаторов приводит к высоким затратам на монтаж и обслуживание.

Задачей изобретения является создание преобразовательной схемы для коммутации множества уровней коммутируемого напряжения, которая во время своей работы аккумулировала бы как можно меньше электрической энергии и могла бы быть реализована компактной. Эта задача решается посредством признаков пункта 1 формулы изобретения. В зависимых пунктах приведены предпочтительные модификации изобретения.

Преобразовательная схема для коммутации множества уровней коммутируемого напряжения согласно изобретению содержит на каждую фазу n первых коммутационных групп, причем n-я первая коммутационная группа образована первым и вторым управляемыми двунаправленными силовыми полупроводниковыми выключателями, а коммутационные группы от первой первой до (n-1)-й образованы соответственно первым и вторым управляемыми двунаправленными силовыми полупроводниковыми выключателями и соединенным с первым и вторым управляемыми двунаправленными силовыми полупроводниковыми выключателями конденсатором. Каждая из n первых коммутационных групп при наличии нескольких первых коммутационных групп соединена с соответственно соседней первой коммутационной группой, а первый и второй управляемые двунаправленные силовые полупроводниковые выключатели первой первой коммутационной группы соединены между собой. Согласно изобретению n≥1 и предусмотрено р вторых и р третьих коммутационных групп, которые содержат соответственно первый и второй управляемые двунаправленные силовые полупроводниковые выключатели и конденсатор, причем р≥1. Каждая из р вторых коммутационных групп при наличии нескольких вторых коммутационных групп соединена с соответственно соседней второй коммутационной группой. Кроме того, каждая из р третьих коммутационных групп при наличии нескольких третьих коммутационных групп соединена с соответственно соседней третьей коммутационной группой. Первая вторая и первая третья коммутационные группы содержат к тому же соответственно включенный встречно-последовательно второму управляемому двунаправленному силовому полупроводниковому выключателю третий управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый выключатель, причем первая вторая коммутационная группа соединена с первым управляемым двунаправленным силовым полупроводниковым выключателем n-й первой коммутационной группы, а первая третья коммутационная группа - со вторым управляемым двунаправленным силовым полупроводниковым выключателем n-й первой коммутационной группы. Кроме того, конденсатор р-й второй коммутационной группы последовательно соединен с конденсатором р-й третьей коммутационной группы.

За счет предусмотренных р вторых и р третьих коммутационных групп и их описанных выше соединений р вторые коммутационные группы участвуют, например, в работе преобразовательной схемы только при положительной полуволне колебания по отношению к фазовому выходному переменному напряжению, а р третьи коммутационные группы - только при отрицательной полуволне колебания. Благодаря этому электрическая энергия, аккумулированная в преобразовательной схеме, в частности в конденсаторах р вторых и р третьих коммутационных групп, может быть предпочтительно уменьшена. Далее n первые коммутационные группы служат только для балансировки фазового выходного переменного напряжения, так что при наличии нескольких первых коммутационных групп конденсаторы n первых коммутационных групп в сбалансированном состоянии, в основном, не пропускают ток и, тем самым, в основном, также не аккумулируют электрическую энергию. Таким образом, аккумулированная электрическая энергия преобразовательной схемы может, в целом, поддерживаться на низком уровне благодаря чему конденсаторы преобразовательной схемы должны быть рассчитаны лишь на небольшую аккумулируемую электрическую энергию, т.е. в отношении своей электрической прочности и/или емкости. За счет небольшого конструктивного размера конденсаторов преобразовательная схема требует очень мало места, так что предпочтительно возможна компактная конструкция, требуемая для многих применений, например для тяги. К тому же за счет небольшого конструктивного размера конденсаторов затраты на монтаж и обслуживание могут поддерживаться предпочтительно на низком уровне.

Эти и другие задачи, преимущества и признаки настоящего изобретения содержатся в нижеследующем подробном описании предпочтительных вариантов осуществления изобретения в сочетании с чертежами.

На чертежах изображают:

- фиг.1 - первый вариант выполнения преобразовательной схемы;

- фиг.2 - второй вариант выполнения преобразовательной схемы;

- фиг.3 - третий вариант выполнения преобразовательной схемы.

Использованные на чертежах ссылочные позиции и их значения перечислены в перечне. В принципе, на фигурах одинаковые детали обозначены одинаковыми ссылочными позициями. Описанные варианты выполнения являются примером объекта изобретения и не обладают ограничивающим действием.

На фиг.1 изображена, в частности, однофазная преобразовательная схема для коммутации множества уровней коммутируемого напряжения. Здесь преобразовательная схема содержит предусмотренные на каждую фазу R, S, Т n первых коммутационных групп 1.1, ..., 1.n, причем n-я первая коммутационная группа 1.n образована первым 2 и вторым 3 управляемыми двунаправленными силовыми полупроводниковыми выключателями, а коммутационные группы от первой первой 1.1 до (n-1)-й коммутационной группы 1.(n-1) образованы соответственно первым 2 и вторым 3 управляемыми двунаправленными силовыми полупроводниковыми выключателями и соединенным с первым 2 и вторым 3 управляемыми двунаправленными силовыми полупроводниковыми выключателями конденсатором 4, причем согласно изобретению n≥1, а каждая из n первых коммутационных групп 1.1, ..., 1.n соединена с соответственно соседней первой коммутационной группой 1.1,..., 1.n. На фиг.1 первый 2 и второй 3 управляемые двунаправленные силовые полупроводниковые выключатели первой первой коммутационной группы 1.1 соединены между собой. Точка соединения первого 2 и второго 3 управляемых двунаправленных силовых полупроводниковых выключателей первой первой коммутационной группы 1.1 образует на фиг.1 фазовое подключение, в частности, для фазы R.

Согласно изобретению предусмотрено р вторых коммутационных групп 5.1, ..., 5.р и р третьих коммутационных групп 6.1, ..., 6.р, которые содержат соответственно первый 7,8 и второй 9,10 управляемые двунаправленные силовые полупроводниковые выключатели и конденсатор 13, 14, причем р≥1. Поскольку на фиг.1 у каждой из р вторых коммутационных групп 5.1, ..., 5.р и р третьих коммутационных групп 6.1, ..., 6.р речь идет о четырехполюснике, каждая из р вторых коммутационных групп 5.1, ..., 5.р по теории четырехполюсников соединена с соответственно соседней второй коммутационной группой 5.1, ..., 5.р, а каждая из р третьих коммутационных групп 6.1, ..., 6.р по теории четырехполюсников соединена с соответственно соседней третьей коммутационной группой 6.1, ..., 6.р. Кроме того, первая вторая 5.1 и первая третья 6.1 коммутационные группы содержат соответственно включенный встречно-последовательно соответствующему второму управляемому двунаправленному силовому полупроводниковому выключателю 9, 10 третий управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый выключатель 11, 12, причем первая вторая коммутационная группа 5.1 соединена с первым управляемым двунаправленным силовым полупроводниковым выключателем 2 n-й первой коммутационной группы 1.n, а первая третья коммутационная группа 6.1 - со вторым управляемым двунаправленным силовым полупроводниковым выключателем 3 n-й первой коммутационной группы 1.n. Наконец, конденсатор 13 р-й второй коммутационной группы 5.р соединен последовательно с конденсатором 14 р-й третьей коммутационной группы 6.р. Посредством предусмотренных р вторых коммутационных групп 5.1, ..., 5.р и р третьих коммутационных групп 6.1, ..., 6.р и их описанных соединений соответственно между собой, по отношению друг к другу и к n-ой первой коммутационной группе 1.n р вторые коммутационные группы 5.1, ..., 5.р участвуют, например, в работе преобразовательной схемы согласно изобретению только при положительной полуволне колебания по отношению к фазовому выходному переменному напряжению, а р третьи коммутационные группы 6.1, ..., 6.р - только при отрицательной полуволне колебания. Благодаря этому электрическая энергия, аккумулированная в преобразовательной схеме, в частности в конденсаторах 13, 14 р вторых 5.1, ..., 5.р и третьих 6.1, ..., 6.р коммутационных групп, может быть предпочтительно уменьшена. Далее n первые коммутационные группы 1.1, ..., 1.n служат только для балансировки фазового выходного переменного напряжения, так что конденсаторы 4 n первых коммутационных групп 1.1, ..., 1.n в сбалансированном, т.е. в уравновешенном состоянии фазового выходного переменного напряжения, в основном, не пропускают ток и, тем самым, в основном, также не аккумулируют электрическую энергию. Таким образом, аккумулированная электрическая энергия преобразовательной схемы может, в целом, поддерживаться на низком уровне благодаря чему конденсаторы 4, 13, 14 преобразовательной схемы должны быть рассчитаны лишь на небольшую аккумулируемую электрическую энергию, т.е. в отношении своей электрической прочности и/или емкости. За счет небольшого конструктивного размера конденсаторов 4, 13, 14 преобразовательная схема требует минимум места, так что предпочтительно возможна компактная конструкция, требуемая для многих применений, например для тяги. К тому же за счет небольшого конструктивного размера конденсаторов 4, 13, 14 затраты на монтаж и обслуживание могут поддерживаться предпочтительно на низком уровне.

Следует упомянуть, что встречно-параллельное включение второго 9, 10 и третьего 11, 12 управляемых двунаправленных силовых полупроводниковых выключателей следует понимать так, что второй и третий управляемые двунаправленные силовые полупроводниковые выключатели 9, 10, 11, 12 имеют соответственно встречное управляемое направление главного тока.

На фиг.1 n-я первая коммутационная группа 1.n содержит соединенный с первым 2 и вторым 3 управляемыми двунаправленными силовыми полупроводниковыми выключателями n-й первой коммутационной группы 1.n конденсатор 4, причем первая вторая коммутационная группа 5.1 и первая третья коммутационная группа 6.1 соединены с конденсатором 4 n-й первой коммутационной группы 1.n. За счет конденсатора 4 n-й первой коммутационной группы 1.n предпочтительно достигается то, что, в частности, при желаемом фазовом выходном напряжении 0 В это фазовое выходное напряжение может быть стабилизировано и достигнуто, тем самым, без паразитных эффектов. Конденсатор 4 n-й первой коммутационной группы 1.n служит только для ограничения или стабилизации напряжения и не должен, тем самым, рассматриваться как источник напряжения.

На фиг.1 первый 7 и второй 9 управляемые двунаправленные силовые полупроводниковые выключатели первой второй коммутационной группы 5.1 соединены между собой, причем точка соединения первого 7 и второго 9 управляемых двунаправленных силовых полупроводниковых выключателей первой второй коммутационной группы 5.1 соединена с точкой соединения конденсатора 4 n-й первой коммутационной группы 1.n и первого управляемого двунаправленного силового полупроводникового выключателя 2 n-й первой коммутационной группы 1.n. Далее первый 8 и третий 12 управляемые двунаправленные силовые полупроводниковые выключатели первой третьей коммутационной группы 6.1 соединены между собой, причем точка соединения первого 8 и третьего 12 управляемых двунаправленных силовых полупроводниковых выключателей первой третьей коммутационной группы 6.1 соединена с точкой соединения конденсатора 4 n-й первой коммутационной группы 1.n и второго управляемого двунаправленного силового полупроводникового выключателя 3 n-й первой коммутационной группы 1.n.

На фиг.1 у первой второй коммутационной группы 5.1 первый 7 и третий 11 управляемые двунаправленные силовые полупроводниковые выключатели соединены с конденсатором 13 первой второй коммутационной группы 5.1. Далее у первой третьей коммутационной группы 6.1 первый 8 и второй 10 управляемые двунаправленные силовые полупроводниковые выключатели соединены с конденсатором 14 первой третьей коммутационной группы 6.1. К тому же у второй второй коммутационной группы до р-й второй коммутационной группы 5.2, ..., 5.р и у второй третьей коммутационной группы до р-й третьей коммутационной группы 6.2, ..., 6.р соответственно первый и второй управляемые двунаправленные силовые полупроводниковые выключатели 7, 9, 8, 10 соединены с конденсатором 13, 14 соответствующей коммутационной группы 5.2, ..., 5.р, 6.2, ...,6.р.

Возможно, чтобы число n первых коммутационных групп 1.1, ..., 1.n соответствовало числу р вторых 5.1, ..., 5.р и третьих 6.1, ..., 6.р коммутационных групп. Предпочтительно за счет этого могут коммутироваться, в целом, (2n+1) уровней коммутируемого напряжения преобразовательной схемы.

В качестве альтернативы возможно также, чтобы число n первых коммутационных групп 1.1, ..., 1.n было меньше числа вторых 5.1, ..., 5.р и третьих 6.1, ..., 6.р коммутационных групп. Из этого предпочтительно следует, что требуется меньше первых коммутационных групп 1.1, ..., 1.n и, тем самым, меньше первых 2 и вторых 3 управляемых двунаправленных силовых полупроводниковых выключателей и меньше конденсаторов 4, а преобразовательная схема может быть, таким образом, в целом, дополнительно уменьшена в отношении занимаемого ею места.

Далее возможно также, чтобы число n первых коммутационных групп 1.1, ..., 1.n было больше числа вторых 5.1, ..., 5.р и третьих 6.1, ..., 6.р коммутационных групп.

В целом, у преобразовательной схемы соответствующий первый, второй и третий управляемые двунаправленные силовые полупроводниковые выключатели 2, 3, 7, 8, 9, 10, 11, 12 n первых 1.1, ..., 1.n, p вторых 5.1, ..., 5.р и третьих 6.1, ..., 6.р коммутационных групп образованы управляемым силовым полупроводниковым элементом с пропусканием тока в одном направлении, например биполярным транзистором с изолированным затвором (IGBT), и включенным встречно-параллельно ему пассивным неуправляемым силовым полупроводниковым элементом с пропусканием тока в одном направлении, например диодом. На фиг.1 первые и вторые управляемые двунаправленные силовые полупроводниковые выключатели 2, 3, 7, 8, 9, 10 соединены внутри соответствующей коммутационной группы 1.1, ..., 1.n, 5.1, ..., 5.р, 6.1, ..., 6.р таким образом, что они имеют встречное управляемое направление главного тока, т.е. управляемые силовые полупроводниковые элементы с однонаправленным пропусканием тока имеют соответственно встречное друг другу управляемое направление главного тока. Далее у первой второй 5.1 и у первой третьей 6.1 коммутационных групп, как уже сказано, третий управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый выключатель 11, 12 включен встречно-последовательно соответствующему второму управляемому двунаправленному силовому полупроводниковому выключателю 9, 10, т.е., например, на фиг.1 выполненные в виде диодов пассивные неуправляемые силовые полупроводниковые элементы вторых и третьих управляемых двунаправленных силовых полупроводниковых выключателей 9, 10, 11, 12 соединены между собой своими анодами, а выполненные в виде IGBT управляемые силовые полупроводниковые элементы соединены между собой своими эмиттерами. Возможно также соединение соответствующего второго управляемого двунаправленного силового полупроводникового выключателя 9, 10 с третьим управляемым двунаправленным силовым полупроводниковым выключателем 11, 12 встречно-последовательно таким образом, чтобы выполненные в виде диодов пассивные неуправляемые силовые полупроводниковые элементы вторых и третьих управляемых двунаправленных силовых полупроводниковых выключателей 9, 10, 11, 12 были соединены между собой своими катодами, а выполненные в виде IGBT управляемые силовые полупроводниковые элементы были соединены между собой своими коллекторами. Это соединение показано в третьем варианте выполнения преобразовательной схемы на фиг.3 со вторым 9 и третьим 11 управляемыми двунаправленными силовыми полупроводниковыми выключателями первой второй коммутационной группы 5.1, который подробно описан ниже. Это соединение эквивалентно замене местами второго и третьего управляемых двунаправленных силовых полупроводниковых выключателей 9, 10, 11, 12 внутри соответствующей коммутационной группы 5.1, 6.1 в первом варианте выполнения на фиг.1, причем принцип действия идентичен описанному выше встречно-последовательному соединению второго и третьего управляемых двунаправленных силовых полупроводниковых выключателей 9, 10, 11, 12.

Оказалось предпочтительным, что у n первых коммутационных групп 1.1, ..., 1.n два первых управляемых двунаправленных силовых полупроводниковых выключателя 2 соответственно соседних первых коммутационных групп 1.1, ..., 1.n интегрированы в один модуль, т.е. при наличии нескольких первых коммутационных групп 1.1, ..., 1.n в один модуль интегрированы первый управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый выключатель 2 n-й первой коммутационной группы 1.n и первый управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый выключатель 2 (n-1)-й первой коммутационной группы 1.(n-1) и в один модуль интегрированы первый управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый выключатель 2 (n-1)-й первой коммутационной группы 1.(n-1) и первый управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый выключатель 2 (n-2)-й первой коммутационной группы 1.(n-2) и т.д. Далее оказалось предпочтительным, что два вторых управляемых двунаправленных силовых полупроводниковых выключателя 3 соответственно соседних первых коммутационных групп 1.1, ..., 1.n интегрированы в один модуль, т.е. при наличии нескольких первых коммутационных групп 1.1, ..., 1.n в один модуль интегрированы второй управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый выключатель 3 n-й первой коммутационной группы 1.n и второй управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый выключатель 3 (n-1)-й первой коммутационной группы 1.(n-1) и в один модуль интегрированы второй управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый выключатель 3 (n-1)-й первой коммутационной группы 1.(n-1) и второй управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый выключатель 3 (n-2)-й первой коммутационной группы 1.(n-2) и т.д. Описанные выше модули являются обычными стандартными полумостовыми модулями, имеют соответственно простую конструкцию, малочувствительны к помехам и к тому же недороги.

Возможно также, чтобы в случае наличия нескольких первых коммутационных групп 1.1, ..., 1.n у n первых коммутационных групп 1.1, ..., 1.n в один модуль были интегрированы соответственно первый 2 и второй 3 управляемые двунаправленные силовые полупроводниковые выключатели. Как уже сказано, такие модули являются обычными стандартными полумостовыми модулями, имеют соответственно простую конструкцию, малочувствительны к помехам и к тому же недороги.

Далее оказалось предпочтительным, что в случае наличия нескольких вторых коммутационных групп 5.1, ..., 5.р у р вторых коммутационных групп 5.1, ..., 5.р в один модуль интегрированы два первых управляемых двунаправленных силовых полупроводниковых выключателя 7 соответственно соседних вторых коммутационных групп 5.1, ..., 5.р, т.е. подробно описанным выше для n первых коммутационных групп 1.1, ..., 1.n образом. Далее при наличии нескольких третьих коммутационных групп 6.1,..., 6.р у р третьих коммутационных групп 6.1, ..., 6.р в один модуль интегрированы два первых управляемых двунаправленных силовых полупроводниковых выключателя 8 соседних третьих коммутационных групп 6.1, ..., 6.р, т.е. подробно описанным выше для n первых коммутационных групп 1.1, ..., 1.n образом.

В качестве альтернативы этому возможно также, что при наличии нескольких вторых 5.1, ..., 5.р и третьих 6.1, ..., 6.р коммутационных групп у р вторых 5.1, ..., 5.р и третьих 6.1, ..., 6.р коммутационных групп в один модуль интегрированы соответственно первые 7, 8 и вторые 9, 10 управляемые двунаправленные силовые полупроводниковые выключатели. Описанные выше модули являются обычными стандартными модулями, имеют соответственно простую конструкцию, малочувствительны к помехам и к тому же недороги.

Далее возможно, чтобы в один модуль были интегрированы третий управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый выключатель 11 первой второй коммутационной группы 5.1 и третий управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый выключатель 12 первой третьей коммутационной группы 6.1. Также здесь речь идет о стандартных модулях с соответствующими уже упомянутыми преимуществами.

У реализуемой многофазной преобразовательной схемы р-е вторые 5.р и р-е третьи 6.р коммутационные группы фаз R, S, Т соединены между собой преимущественно параллельно. Соответствующие соединения осуществляются на конденсаторах 13 соответствующих р-х вторых 5.р и на конденсаторах 14 соответствующих р-х третьих коммутационных групп.

Чтобы у реализованной многофазной преобразовательной схемы можно было сэкономить место, конденсаторы 13 р-х вторых коммутационных групп 5.р фаз R, S, Т объединены преимущественно в один конденсатор. Кроме того, конденсаторы 14 р-х третьих коммутационных групп 6.р фаз R, S, Т также объединены преимущественно в один конденсатор.

На фиг.2 изображен второй вариант выполнения преобразовательной схемы, отличающийся от первого варианта согласно фиг.1 тем, что параллельно третьему управляемому двунаправленному силовому полупроводниковому выключателю 11 первой второй коммутационной группы 5.1 включен контур 15 ограничения напряжения, а параллельно третьему управляемому двунаправленному силовому полупроводниковому выключателю 12 первой третьей коммутационной группы 6.1 также включен контур 15 ограничения напряжения. Контур 15 ограничения напряжения может быть выбран опционно и служит предпочтительно для стабилизации фазового выходного напряжения, в частности при желаемом фазовом выходном напряжении 0 В. Преимущественно контур 15 ограничения напряжения содержит конденсатор или, как показано на фиг.2, сериесную схему из резистора и конденсатора.

В качестве альтернативы второму варианту выполнения на фиг.3 изображен третий вариант выполнения преобразовательной схемы. Третий вариант выполнения на фиг.3 отличается от второго варианта выполнения на фиг.2 тем, что контур 15 ограничения напряжения соединен с точкой соединения второго 9 и третьего 11 управляемых двунаправленных силовых полупроводниковых выключателей первой второй коммутационной группы 5.1 и с точкой соединения второго 10 и третьего 12 управляемых двунаправленных силовых полупроводниковых выключателей первой третьей коммутационной группы 6.1. Контур 15 ограничения напряжения может быть выбран опционно и служит предпочтительно для стабилизации фазового выходного напряжения, в частности при желаемом фазовом выходном напряжении 0 В. Преимущественно контур 15 ограничения напряжения содержит конденсатор или, как показано на фиг.3, сериесную схему из резистора и конденсатора.

В целом, преобразовательная схема для коммутации множества уровней коммутируемого напряжения представляет собой отличающееся небольшой аккумулированной электрической энергией во время своей работы и компактной конструкцией и, тем самым, несложное, надежное и малочувствительное к помехам техническое решение.

Перечень ссылочных позиций

1.1, ..., 1.n - первые коммутационные группы

2 - первый управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый выключатель первых коммутационных групп

3 - второй управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый выключатель первых коммутационных групп

4 - конденсатор первых коммутационных групп

5.1, ..., 5.р - вторые коммутационные группы

6.1, ..., 6.р - третьи коммутационные группы

7 - первый управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый выключатель вторых коммутационных групп

8 - первый управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый выключатель вторых коммутационных групп

9 - второй управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый выключатель вторых коммутационных групп

10 - второй управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый выключатель третьих коммутационных групп

11 - третий управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый выключатель вторых коммутационных групп

12 - третий управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый выключатель третьих коммутационных групп

13 - конденсатор вторых коммутационных групп

14 - конденсатор третьих коммутационных групп

15 - контур ограничения напряжения

Предложена преобразовательная схема для коммутации множества уровней коммутируемого напряжения, содержащая на каждую фазу (R, S, Т) n первых коммутационных групп (1.1, ..., 1.n), причем n-я первая коммутационная группа (1.n) образована первым (2) и вторым (3) управляемыми двунаправленными силовыми полупроводниковыми выключателями, а коммутационные группы от первой первой (1.1) до (n-1)-й коммутационной группы (1.(n-1))-й образованы соответственно первым (2) и вторым (3) управляемыми двунаправленными силовыми полупроводниковыми выключателями и соединенным с первым (2) и вторым (2) управляемыми двунаправленными силовыми полупроводниковыми выключателями конденсатором (4), причем каждая из n первых коммутационных групп (1.1, ..., 1.n) соединена с соответственно соседней первой коммутационной группой (1.1, ..., 1.n), а первый (2) и второй (3) управляемые двунаправленные силовые полупроводниковые выключатели первой первой коммутационной группы (1.1) также соединены между собой. Для достижения технического результата - уменьшения аккумулированной электрической энергии преобразовательной схемы n>1 - и предусмотрено р вторых (5.1, ..., 5.р) и р третьих (6.1, ..., 6.р) коммутационных групп, содержащих соответственно первый управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый выключатель (7, 8), второй управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый выключатель (9, 10) и конденсатор (13, 14), причем р>1. Каждая из р вторых коммутационных групп (5.1, ..., 5.р) соединена с соответственно соседней второй коммутационной группой (5.1, ..., 5.р), а каждая из р третьих коммутационных групп (6.1, ..., 6.р) соединена с соответственно соседней третьей коммутационной группой (6.1, ..., 6.р). Далее первая вторая (5.1) и первая третья (6.1) коммутационные группы содержат соответственно третий управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый выключатель (11, 12), включенный встречно-параллельно соответствующему второму управляемому двунаправленному силовому полупроводниковому выключателю (9, 10), причем первая вторая коммутационная группа (5.1) соединена с первым управляемым двунаправленным силовым полупроводниковым выключателем (2) n-й первой коммутационной группы (1.n), а первая третья коммутационная группа (6.1) соединена со вторым управляемым двунаправленным силовым полупроводниковым выключателем (3) n-й первой коммутационной группы (1.n), и конденсатор (13) р-й второй коммутационной группы (5.р) последовательно соединен с конденсатором (14) р-й третьей коммутационной группы (6.р). 19 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Преобразовательная схема для коммутации множества уровней коммутируемого напряжения, содержащая на каждую фазу (R, S, T) n первых коммутационных групп (1.1, ..., 1.n), причем n-я первая коммутационная группа (1.n) образована первым (2) и вторым (3) управляемыми двунаправленными силовыми полупроводниковыми выключателями, а коммутационные группы от первой первой (1.1) до (n-1)-й коммутационной группы (1.(n-1))-й образованы соответственно первым (2) и вторым (3) управляемыми двунаправленными силовыми полупроводниковыми выключателями и соединенным с первым (2) и вторым (3) управляемыми двунаправленными силовыми полупроводниковыми выключателями конденсатором (4), причем каждая из n первых коммутационных групп (1.1, ..., 1.n) соединена с соответственно соседней первой коммутационной группой (1.1, ..., 1.n), a первый (2) и второй (3) управляемые двунаправленные силовые полупроводниковые выключатели первой первой коммутационной группы (1.1) также соединены между собой, отличающаяся тем, что n≥1 и предусмотрены р вторых (5.1, ..., 5.р) и р третьих (6.1, ..., 6.р) коммутационных групп, содержащих соответственно первый управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый выключатель (7, 8), второй управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый выключатель (9, 10) и конденсатор (13, 14), причем р≥1 и каждая из р вторых коммутационных групп (5.1, ..., 5.р) соединена с соответственно соседней второй коммутационной группой (5.1, ..., 5.р), а каждая из р третьих коммутационных групп (6.1, ..., 6.р) соединена с соответственно соседней третьей коммутационной группой (6.1, ..., 6.р), первая вторая (5.1) и первая третья (6.1) коммутационные группы содержат соответственно третий управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый выключатель (11, 12), включенный встречно-последовательно соответствующему второму управляемому двунаправленному силовому полупроводниковому выключателю (9, 10), причем первая вторая коммутационная группа (5.1) соединена с первым управляемым двунаправленным силовым полупроводниковым выключателем (2) n-й первой коммутационной группы (1.n), а первая третья коммутационная группа (6.1) соединена со вторым управляемым двунаправленным силовым полупроводниковым выключателем (3) n-й первой коммутационной группы (1.n), при этом конденсатор (13) р-й второй коммутационной группы (5.р) последовательно соединен с конденсатором (14) р-й третьей коммутационной группы (6.р).2. Схема по п.1, отличающаяся тем, что n-я первая коммутационная группа (1.n) содержит конденсатор (4), соединенный с первым (2) и вторым (3) управляемыми двунаправленными силовыми полупроводниковыми выключателями n-й первой коммутационной группы (1.n), причем первая вторая (5.1) и первая третья (6.1) коммутационные группы соединены с конденсатором (4) n-й первой коммутационной группы (1.n).3. Схема по п.2, отличающаяся тем, что первый (7) и второй (9) управляемые двунаправленные силовые полупроводниковые выключатели первой второй коммутационной группы (5.р) соединены между собой, причем точка соединения первого (7) и второго (9) управляемых двунаправленных силовых полупроводниковых выключателей первой второй коммутационной группы (5.р) соединена с точкой соединения конденсатора (4) и первого управляемого двунаправленного силового полупроводникового выключателя (2) n-й первой коммутационной группы (1.n), при этом первый (8) и третий (12) управляемые двунаправленные силовые полупроводниковые выключатели первой третьей коммутационной группы (6.р) соединены между собой, причем точка соединения первого (8) и третьего (12) управляемых двунаправленных силовых полупроводниковых выключателей первой третьей коммутационной группы (6.р) соединена с точкой соединения конденсатора (4) и второго управляемого двунаправленного силового полупроводникового выключателя (3) n-й первой коммутационной группы (1.n).4. Схема по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что первый (7) и третий (11) управляемые двунаправленные силовые полупроводниковые выключатели первой второй коммутационной группы (5.1) соединены с конденсатором (13) первой второй коммутационной группы (5.1), при этом первый (8) и второй (10) управляемые двунаправленные силовые полупроводниковые выключатели первой третьей коммутационной группы (6.1) соединены с конденсатором (14) первой третьей коммутационной группы (6.1).5. Схема по п.1, отличающаяся тем, что у второй второй коммутационной группы до р-й второй коммутационной группы (5.2, ..., 5.р) и у второй третьей коммутационной группы до р-й третьей коммутационной группы (6.2, ..., 6.р) соответственно первый и второй управляемые двунаправленные силовые полупроводниковые выключатели (7, 9, 8, 10) соединены с конденсатором (13, 14) соответствующей коммутационной группы (5.2, ..., 5.р; 6.2, ..., 6.р).6. Схема по п.1, отличающаяся тем, что параллельно третьему управляемому двунаправленному силовому полупроводниковому выключателю (11) первой второй коммутационной группы (5.1) включен контур (15) ограничения напряжения, при этом параллельно третьему управляемому двунаправленному силовому полупроводниковому выключателю (12) первой третьей коммутационной группы (6.1) также включен контур (15) ограничения напряжения.7. Схема по п.1, отличающаяся тем, что контур (15) ограничения напряжения соединен с точкой соединения второго (9) и третьего (11) управляемых двунаправленных силовых полупроводниковых выключателей первой второй коммутационной группы (5.1) и с точкой соединения второго (10) и третьего (12) управляемых двунаправленных силовых полупроводниковых выключателей первой третьей коммутационной группы (6.1).8. Схема по п.6 или 7, отличающаяся тем, что контур (15) ограничения напряжения содержит конденсатор.9. Схема по п.6 или 7, отличающаяся тем, что контур (15) ограничения напряжения содержит сериесную схему из резистора и конденсатора.10. Схема по п.1, отличающаяся тем, что число n первых коммутационных групп (1.1, ..., 1.n) соответствует числу р вторых (5.1, ..., 5.р) и третьих (6.1, ..., 6.р) коммутационных групп.11. Схема по п.1, отличающаяся тем, что число n первых коммутационных групп (1.1, ..., 1.n) меньше числа р вторых (5.1, ..., 5.р) и третьих (6.1, ..., 6.р) коммутационных групп.12. Схема по п.1, отличающаяся тем, что число n первых коммутационных групп (1.1, ..., 1.n) больше числа р вторых (5.1, ..., 5.р) и третьих (6.1, ..., 6.р) коммутационных групп.13. Схема по п.1, отличающаяся тем, что соответствующий первый, второй и третий управляемые двунаправленные силовые полупроводниковые выключатели (2, 3, 7, 8, 9, 10, 11, 12) образованы управляемым силовым полупроводниковым элементом с пропусканием тока в одном направлении и включенным встречно-параллельно ему пассивным неуправляемым силовым полупроводниковым элементом с пропусканием тока в одном направлении.14. Схема по п.1, отличающаяся тем, что два первых управляемых двунаправленных силовых полупроводниковых выключателя (2) соответственно соседних первых коммутационных групп (1.1, ..., 1.n) интегрированы в один модуль, а также в один модуль интегрированы два вторых управляемых двунаправленных силовых полупроводниковых выключателя (3) соответственно соседних первых коммутационных групп (1.1, ..., 1.n).15. Схема по п.1, отличающаяся тем, что в один модуль интегрированы соответственно первый (2) и второй (3) управляемые двунаправленные силовые полупроводниковые выключатели n первых коммутационных групп (1.1, ..., 1.n).16. Схема по п.1, отличающаяся тем, что два первых управляемых двунаправленных силовых полупроводниковых выключателя (7) соответственно соседних вторых коммутационных групп (5.1, ..., 5.р) интегрированы в один модуль, при этом также в один модуль интегрированы два вторых управляемых двунаправленных силовых полупроводниковых выключателя (8) соответственно соседних третьих коммутационных групп (6.1, ..., 6.р).17. Схема по п.1, отличающаяся тем, что соответственно первый (7, 8) и второй (9, 10) управляемые двунаправленные силовые полупроводниковые выключатели р вторых (5.1, ..., 5.р) и третьих коммутационных групп (6.1, ..., 6.р) интегрированы в один модуль.18. Схема по п.1, отличающаяся тем, что третий управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый выключатель (11) первой второй коммутационной группы (5.1) и третий управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый выключатель (12) первой третьей коммутационной группы (6.1) интегрированы в один модуль.19. Схема по п.1, отличающаяся тем, что р-е вторые коммутационные группы (5.р) нескольких фаз (R, S, Т) и р-е третьи коммутационные группы (6.р) фаз (R, S, Т) параллельно соединены между собой.20. Схема по п.19, отличающаяся тем, что конденсаторы (13) р-х вторых коммутационных групп (5.1, ..., 5.р) фаз (R, S, Т) объединены в один конденсатор, при этом конденсаторы (14) р-х третьих коммутационных групп (6.р) фаз (R, S, Т) также объединены в один конденсатор.