(57)【要約】      （修正有）【課題】簡単な方法で５以上の電圧レベルを切り換えることができるスイッチギアセルを提供する。【解決手段】ｎ＝５、７、９，．．．，であるｎ個の電圧レベルを切り換えるスイッチギアセルの第１及び第２の分岐回路１、２は、ｎ−１の直列接続された電力半導体スイッチと、直列接続された電力半導体スイッチ間のｐ＝ｎ−２電力半導体スイッチ接合点を有している。分岐回路１、２のカウント数ｘ＜(ｐ＋１)／２を有する電力半導体スイッチ間の接合点に接続された中間回路５の電力半導体スイッチ９は第１のキャパシタンス６に接続され、さらに第１又は第２の分岐回路１、２のカウント数ｘ＜(ｐ＋１)／２を有する電力半導体スイッチ間の接合点で第１のキャパシタンス６に接続される。中間回路５のさらに別の電力半導体スイッチ１０は第２のキャパシタンス７に接続され、第２のキャパシタンス７は第２の分岐回路２の電力半導体スイッチ接合点に接続される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１及び第２の分岐回路（１、２）を具備し、各分岐回路（１、２）はｎ−１の直列接続された制御可能な双方向の逆伝導電力半導体スイッチを具備し、分岐回路（１、２）の第１の端部（Ａ）は相互に接続され、分岐回路（１、２）の第２の端部（Ｂ）は第１及び第２のエネルギ貯蔵手段（３、４）の直列の回路を介して相互に接続されているｎ＝５、７、９，．．．，のｎ個の切り換え電圧レベルを切り換えるためのスイッチギアセルにおいて、
各分岐回路（１、２）の制御された単一方向の電流伝導方向を有する直列接続された制御可能な双方向電力半導体スイッチ間のｐ＝ｎ−２電力半導体スイッチ接合点を有し、各分岐回路（１、２）では、電力半導体スイッチ接合点はカウントされ、それぞれの分岐回路（１、２）の第１の端部（Ａ）から第２の端部（Ｂ）まで奇数のカウント数ｘで開始し、
さらに中間回路（５）を具備し、これは第１と第２のエネルギ貯蔵手段（３、４）間の接合点に接続され、多数の電力半導体スイッチを具備し、
中間回路（５）は第１及び第２のキャパシタンス（６、７）を具備し、第１のキャパシタンス（６）は第１の分岐回路（１）の奇数のカウント数ｘを有する電力半導体スイッチ接合点に接続され、第２のキャパシタンス（７）は第２の分岐回路（２）の電力半導体スイッチ接合点に接続され、
中間回路（５）の電力半導体スイッチ（９）は第１又は第２の分岐回路（１、２）のカウント数ｘ＜（ｐ＋１）／２を有する電力半導体スイッチ接合点或いは第１の端部（Ａ）に直接接続されていることを特徴とするスイッチギアセル。
【請求項２】
第１及び第２の分岐回路（１、２）を具備し、各分岐回路（１、２）は制御された単一方向の電流伝導方向を有するｎ−１の直列接続された制御可能な双方向電力半導体スイッチを具備し、分岐回路（１、２）の第１の端部（Ａ）は相互に接続され、分岐回路（１、２）の第２の端部（Ｂ）は第１及び第２のエネルギ貯蔵手段（３、４）の直列の回路を介して相互に接続されているｎ＝５、７、９，．．．，のｎ個の切り換え電圧レベルを切り換えるためのスイッチギアセルにおいて、
各分岐回路（１、２）の制御された単一方向の電流伝導方向を有する直列接続された制御可能な双方向電力半導体スイッチ間のｐ＝ｎ−２電力半導体スイッチ接合点を有し、各分岐回路（１、２）では、電力半導体スイッチ接合点はカウントされ、それぞれの分岐回路（１、２）の第１の端部（Ａ）から第２の端部（Ｂ）まで奇数のカウント数ｘで開始し、
さらに中間回路（５）を具備し、これは第１と第２のエネルギ貯蔵手段（３、４）間の接合点に接続され、多数の電力半導体スイッチを具備し、
中間回路（５）はキャパシタンス（８）を具備し、そのキャパシタンス（８）は第１及び第２の分岐回路（１、２）のカウント数ｘ＜（ｐ＋１）／２を有する電力半導体スイッチ接合点に接続され、
中間回路（５）の電力半導体スイッチ（１１）は第１又は第２の分岐回路（１、２）のカウント数ｘ＜（ｐ＋１）／２を有する電力半導体スイッチ接合点に接続され、
中間回路（５）のこのさらに別の電力半導体スイッチ（１２）は第１又は第２の分岐回路（１、２）のカウント数ｎ≦（ｐ＋１）／２を有する電力半導体スイッチに直接接続され、中間回路（５）のこのさらに別の電力半導体スイッチ（１２）は中間回路（５）のキャパシタンス（８）に直接接続されていないことを特徴とするスイッチギアセル。
【請求項３】
第１及び第２の分岐回路（１、２）を具備し、各分岐回路（１、２）は制御された単一方向の電流伝導方向を有するｎ−１の直列接続された制御可能な双方向電力半導体スイッチを具備し、分岐回路（１、２）の第１の端部（Ａ）は相互に接続され、分岐回路（１、２）の第２の端部（Ｂ）は第１及び第２のエネルギ貯蔵手段（３、４）の直列の回路を介して相互に接続されているｎ＝５、７、９，．．．，のｎ個の切り換え電圧レベルを切り換えるためのスイッチギアセルにおいて、
各分岐回路（１、２）の制御された単一方向の電流伝導方向を有する直列接続された制御可能な双方向電力半導体スイッチ間のｐ＝ｎ−２電力半導体スイッチ接合点を有し、各分岐回路（１、２）では、電力半導体スイッチ接合点はカウントされ、それぞれの分岐回路（１、２）の第１の端部（Ａ）から第２の端部（Ｂ）まで奇数のカウント数ｘで開始し、
さらに中間回路（５）を具備し、これは第１と第２のエネルギ貯蔵手段（３、４）間の接合点に接続され、多数の電力半導体スイッチを具備し、
中間回路（５）は第１及び第２のキャパシタンス（６、７）を具備し、第１のキャパシタンス（６）は第１の分岐回路（１）の奇数のカウント数ｘを有する電力半導体スイッチ接合点に接続され、第２のキャパシタンス（７）は第２の分岐回路（２）の電力半導体スイッチ接合点に接続され、
中間回路（５）の電力半導体スイッチ（９）は第１の分岐回路（１）のカウント数ｘ＝（ｐ＋１）／２を有する電力半導体スイッチ接合点にのみ、または第２の分岐回路（２）のカウント数ｘ＝（ｐ＋１）／２を有する電力半導体スイッチ接合点にのみ接続されているスイッチギアセル。
【請求項４】
第１又は第２の分岐回路（１、２）のカウント数ｘ＜（ｐ＋１）／２を有する電力半導体スイッチ接合点に接続された中間回路（５）の電力半導体スイッチ（９）が第１のキャパシタンス（６）に接続されていることを特徴とする請求項１記載のスイッチギアセル。
【請求項５】
中間回路（５）の電力半導体スイッチ（９）が第１のキャパシタンス（６）に、第１又は第２の分岐回路（１、２）のカウント数ｘ＜（ｐ＋１）／２を有する電力半導体スイッチ接合点との間の接合点で第１のキャパシタンス（６）に接続されていることを特徴とする請求項４記載のスイッチギアセル。
【請求項６】
中間回路（５）のさらに別の電力半導体スイッチ（１０）が第２のキャパシタンス（７）に接続されていることを特徴とする請求項１、３、４または５のいずれか１項記載のスイッチギアセル。
【請求項７】
中間回路（５）のさらに別の電力半導体スイッチ（１０）が第１又は第２の分岐回路（１、２）のカウント数ｘ≦（ｐ＋１）／２を有する電力半導体スイッチ接合点に接続されていることを特徴とする請求項１記載のスイッチギアセル。
【請求項８】
第１又は第２の分岐回路（１、２）のカウント数ｘ≦（ｐ＋１）／２を有する電力半導体スイッチ接合点に接続されている中間回路（５）の電力半導体スイッチ（１１）がキャパシタンス（８）に接続されていることを特徴とする請求項１、３、４または５のいずれか１項記載のスイッチギアセル。
【請求項９】
中間回路（５）の電力半導体スイッチ（１１）がキャパシタンス（８）と、第１又は第２の分岐回路（１、２）のカウント数ｘ＜（ｐ＋１）／２を有する電力半導体スイッチ接合点との間の接合点でキャパシタンス（８）に接続されていることを特徴とする請求項８記載のスイッチギアセル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はパワーエレクトロニクス回路の分野に関する。これは独立請求項の前提部分にしたがって５以上の電圧レベルを切り換えるためのスイッチギアセルに基づいている。
【背景技術】
【０００２】
電力半導体スイッチは現在、変換器技術において、特に多数の電圧レベルを切り換えるための変換器回路において益々使用されている。このような変換器回路のスイッチギアセルはWO 2007/087732 A1号明細書の図２で特定されている。このスイッチギアセルは第１及び第２の分岐回路をそこに具備しており、各分岐回路は制御された単方向の導電方向を有する２つの直列接続された制御可能な双方向電力半導体スイッチ（逆伝導スイッチ）を具備している。２つの分岐回路の第１の端部は相互に接続され、その接続はＡＣ電圧位相接続を形成する。さらに２つの分岐回路の第２の端部は２つのエネルギ貯蔵手段の直列回路を介して相互に接続される。さらに、スイッチギアセルは電力半導体スイッチ構成とキャパシタンスとを有する中間回路を具備し、電力半導体スイッチ構成は直列に接続された２つのエネルギ貯蔵手段間の接合点に接続されている。中間回路のキャパシタンスと電力半導体スイッチ構成はさらに２つの分岐回路の制御可能な双方向の電力半導体スイッチ間の接合点に接続されている。
【０００３】
WO 2007/087732 A1の前述のスイッチギアセルは５つの切り換え電圧レベルを切り換えることだけを可能にする。さらに、スイッチギアセルの接続としたがってその構成は複雑であり、WO 2007/087732 A1によるスイッチギアセルの実現は高い経費を含む結果となる。
【発明の概要】
【０００４】
したがって本発明の目的は、５以上の電圧レベルを切り換えることができ、簡単な方法で実現されることができるスイッチギアセルを特定することであり、さらに従来技術、特にWO 2007/087732 A1に対する代わりの解決策を構成する。この目的は請求項１および２の特徴により達成される。本発明の有効な進展は従属請求項で特定されている。
【０００５】
ｎ個の切り換え電圧レベルを切り換えるための本発明によるスイッチギアセルは第１及び第２の分岐回路を具備し、ｎ＝５、７、９，．．．，であり、各分岐回路は制御された単一方向の電流方向を有するｎ−１の直列接続された制御可能な双方向電力半導体スイッチ（制御可能な双方向逆伝導電力半導体スイッチ）を具備し、分岐回路の第１の端部は相互に接続され、分岐回路の第２の端部は第１及び第２のエネルギ貯蔵手段の直列回路を介して相互に接続されている。さらに、各分岐回路の制御された単一方向の電流方向（逆伝導）を有する直列接続された制御可能な双方向電力半導体スイッチ間のｐ＝ｎ−２の電力半導体スイッチ接合点が与えられ、各分岐回路では、電力半導体スイッチ接合点はカウントされ、それぞれの分岐回路の第１の端部から第２の端部まで奇数のカウント数ｘで開始する。さらに中間回路が設けられ、これは第１と第２のエネルギ貯蔵手段間の接合点に接続され、多数の電力半導体スイッチを具備する。本発明によれば、中間回路は第１及び第２のキャパシタンスを具備し、第１のキャパシタンスは第１の分岐回路の奇数のカウント数ｘを有する電力半導体スイッチ接合点に接続され、第２のキャパシタンスは第２の分岐回路の電力半導体スイッチ接合点に接続される。さらに、中間回路の電力半導体スイッチは第１又は第２の分岐回路のカウント数ｘ＜（ｐ＋１）／２を有する電力半導体スイッチ接合点或いは第１の端部に直接接続されている。
【０００６】
その代りとして、本発明による中間回路の電力半導体スイッチは第１の分岐回路のカウント数ｘ＝（ｐ＋１）／２を有する電力半導体スイッチ接合点にまたは第２の分岐回路のカウント数ｘ＝（ｐ＋１）／２を有する電力半導体スイッチ接合点にのみ接続される。
【０００７】
さらに別の構成では、本発明により、中間回路はキャパシタンスを具備し、そのキャパシタンスは第１及び第２の分岐回路のカウント数ｘ＜（ｐ＋１）／２を有する電力半導体スイッチの接合点に接続されている。さらに別の構成では、中間回路の電力半導体スイッチは第１又は第２の分岐回路のカウント数ｘ＜（ｐ＋１）／２を有する電力半導体スイッチ接合に接続され、さらに別の中間回路の電力半導体スイッチは第１又は第２の分岐回路のカウント数ｘ≦（ｐ＋１）／２を有する電力半導体スイッチ接合点に直接接続され、中間回路のそのさらに別の電力半導体スイッチは中間回路のキャパシタンスに直接誘導されない。したがって特に少数のコンポーネントおよびそれに関する接続を有するｎ＝５、７、９，．．．，のｎ個の切り換え電圧を切り換えるためのスイッチギアセル、特にさらに小さいスペース要件を有しさらに従来技術に対して代替の解決策を構成する特に全体的に簡単なスイッチギアセルが実現される。回路の経費が低い結果として、本発明によるスイッチギアセルは非常に頑丈でもあり、干渉に対してそれ程敏感ではなく、したがって高い有効性の面で優れている。回路の経費が低いために、切り換え素子に関する制御経費はさらに同様に低く維持されることができる。本発明によるスイッチギアセルのさらに別の利点は双方向の方向で中間回路により第１と第２のエネルギ貯蔵手段間の接合点で電流を設定又は調節することが可能であることである。本発明による前述の代わりのスイッチギアセルは付加的にただ１つのキャパシタンスで管理する。
【０００８】
本発明のこれら及びさらに別の目的、利点、特徴は図面を伴った本発明の好ましい実施形態の以下の詳細な説明から明白になるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明によるスイッチギアセルの第１の実施形態を示す図である。
【図２】本発明によるスイッチギアセルの第２の実施形態を示す図である。
【図３】本発明によるスイッチギアセルの第３の実施形態を示す図である。
【図４】本発明によるスイッチギアセルの第４の実施形態を示す図である。
【図５】本発明によるスイッチギアセルの第５の実施形態を示す図である。
【図６】本発明によるスイッチギアセルの第６の実施形態を示す図である。
【図７】本発明によるスイッチギアセルの第７の実施形態を示す図である。
【図８】本発明によるスイッチギアセルの第８の実施形態を示す図である。
【図９】本発明によるスイッチギアセルの第９の実施形態を示す図である。
【図１０】本発明によるスイッチギアセルの第１０の実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図面およびそれらの意味において使用される参照符合は参照符合のリストで要約されている。原理上、同一部分は図面では同じ参照符合が設けられている。記載されている実施形態は例示により本発明の主題を表しているだけで、発明を限定するものではない。
【００１１】
図１はｎ個の電圧レベルを切り換えるための本発明によるスイッチギアセルの第１の実施形態を示しており、ｎ＝５、７、９，．．．，である。図２乃至１０はさらに別の本発明によるスイッチギアセルの実施形態を示している。図１乃至５および図７と図８では、それぞれのスイッチギアセルはｎ＝５の切り換え電圧レベルを切り換える例によって実施されている。対照的に図６、９、１０では、それぞれのスイッチギアセルはｎ＝７の切り換え電圧レベルを切り換える例によって実施されている。本発明による各スイッチギアセルは第１及び第２の分岐回路１、２を具備し、各分岐回路１、２は制御された単一方向の電流伝導方向を有するｎ−１個の直列接続された制御可能な双方向電力半導体スイッチを具備している。言うまでもなく、ｎ＝５、７、９，．．．，の数ｎの切り換え電圧レベルは最大の可能な数であると理解され、それによってｎよりも小さい切り換え電圧レベル、例えばｎ＝５の最大の可能な切り換え電圧レベルの場合では４つの切り換え電圧レベルも切り換えられることができる。制御された単一方向の電流伝導方向を有するそれぞれの制御可能な双方向電力半導体スイッチは絶縁ゲート電極（ＩＧＢＴ）を有するバイポーラトランジスタおよびバイポーラトランジスタと並列に逆接続されているダイオードによる例によって図１乃至１０で形成されている。しかしながら例えば付加的に並列で逆接続されているダイオードを有するパワーＭＯＳＦＥＴとして前述の制御可能な双方向電力半導体スイッチを実施することも考えられる。特に増加された電圧を切り換えることができるように、整流ゲート（ＩＧＣＴ）とそれに並列に逆接続されるダイオードとを有する一体化されたサイリスタとして制御された単一方向の電流伝導方向を有するそれぞれの制御可能な双方向電力半導体スイッチを実施することも考えられる。このようなサイリスタは主に高電圧で、特に過電圧で高い頑丈さを伴って特に低いアクチブパワー損失を有する。さらに各スイッチギアセルは通常、相互に接続されている分岐回路１、２の第１の端部Ａと、第１及び第２のエネルギ貯蔵手段３、４の直列回路を介して相互に接続されている分岐回路１、２の第２の端部Ｂとを具備している。例えばスイッチギアセルが変換器回路で使用されているならば、分岐回路１と２の２つの第１の端部Ａの接続はＡＣ電圧の相接続を形成する。さらに各分岐回路１、２の制御された単一方向の電流伝導方向を有する直列接続された制御可能な双方向の電力半導体スイッチ間のｐ＝ｎ−２電力半導体スイッチ接合点が与えられ、各分岐回路では、電力半導体スイッチ接合点がカウントされ、それぞれの分岐回路の第１の端部Ａから第２の端部Ｂまで奇数のカウント数ｘで開始する。図１乃至１０では、奇数のカウント数ｘはｘ＝１の例によればそれぞれの分岐回路１、２の第１の端部Ａで開始し、その後それぞれの分岐回路１、２の第２の端部Ｂに整数でカウントされる。さらに中間回路５が通常設けられ、これは第１のエネルギ貯蔵手段３と第２のエネルギ貯蔵手段４との間の接合点に接続され、多数の電力半導体スイッチを具備している。本発明によれば、特に図１乃至３と、さらに図５乃至７によれば、中間回路５は第１及び第２のキャパシタンス６、７を具備し、第１のキャパシタンス６は第１の分岐回路１の奇数のカウント数ｘを有する電力半導体スイッチ接合点に接続され、第２のキャパシタンス７は第２の分岐回路２の電力半導体スイッチ接合点に接続される。さらに、中間回路５の電力半導体スイッチ９は第１又は第２の分岐回路１、２のカウント数ｘ＜（ｐ＋１）／２を有する電力半導体スイッチ接合点または第１の端部Ａに直接接続される。第１の端部Ａへの接続はスイッチを介して改良された電流および電圧分布を、したがってスイッチローディングの改良された分布を可能にする。
【００１２】
その代りとして、特に図４によれば、本発明による中間回路５の電力半導体スイッチ９は第１の分岐回路１のカウント数ｘ＝（ｐ＋１）／２を有する電力半導体スイッチ接合点にのみ、または第２の分岐回路２のカウント数ｘ＝（ｐ＋１）／２を有する電力半導体スイッチ接合点にのみ接続される。
【００１３】
さらに別の構成として、図８乃至図１０によれば、本発明による中間回路５はキャパシタンス８を具備し、ここではキャパシタンス８は第１及び第２の分岐回路１、２のカウント数ｘ＜(ｐ＋１)／２を有する電力半導体スイッチ接合点に接続される。さらに中間回路５の電力半導体スイッチ11は第１または第２の分岐回路１、２のカウント数ｘ＜(ｐ＋１)／２を有する電力半導体スイッチ接合点に接続され、さらに第１及び第２の分岐回路１、２のカウント数ｘ≦(ｐ＋１)／２を有する電力半導体スイッチ接合点に直接接続され、ここで中間回路５のさらに別の電力半導体スイッチ12は中間回路５のキャパシタンス８に直接接続されない。
【００１４】
中間回路５の多数の電力半導体スイッチは図１乃至１０の実施例により示されているように、制御された単一方向の電流伝導方向を有する制御可能な双方向電力半導体スイッチとして同様に実施されることができるか、または代わりに図５の例で示されているように非制御可能な単一方向の電力半導体として部分的に実施されることができる。
【００１５】
したがって全体的に、特に少数のコンポーネントとそれに関する接続を有するｎ＝５、７、９，．．．，のｎ個の切り換え電圧を切り換えるためのスイッチギアセル、特にさらに小さいスペース要求を有しさらに従来技術に対して代替の解決策を構成する特に全体的に簡単なスイッチギアセルを実現することが可能である。回路の経費が低い結果として、本発明によるスイッチギアセルは非常に頑丈でもあり、干渉に対してそれ程敏感ではなく、したがって高い有効性の面で優れている。回路の経費が低いために、スイッチ素子に関する制御経費はさらに同様に低く維持されることができる。本発明によるスイッチギアセルのさらに別の利点は双方向で中間回路５により第１と第２のエネルギ貯蔵手段３、４間の接合点で電流を設定又は調節することが可能であることである。本発明による前述の代わりのスイッチギアセルは付加的にただ１つのキャパシタンス８で管理し、したがって実現するのに非常に簡単で価格が効率的である。
【００１６】
図１によれば、第１または第２の分岐回路１、２のカウント数ｘ＜(ｐ＋１)／２を有する電力半導体スイッチ接合点に接続された中間回路５の電力半導体スイッチ９は第１のキャパシタンス６に接続されている。さらに中間回路５の電力半導体スイッチ９は、第１のキャパシタンス６と、第１又は第２の分岐回路１、２のカウント数ｘ＜(ｐ＋１)／２を有する電力半導体スイッチとの間の接合点で第１のキャパシタンス６に接続される。
【００１７】
図１乃至７による実施形態では、中間回路５のさらに別の電力半導体スイッチ10は第２のキャパシタンス７に接続されている。
【００１８】
さらに図５によれば、中間回路５のさらに別の電力半導体スイッチ10は第１または第２の分岐回路１、２のカウント数ｘ≦(ｐ＋１)／２を有する電力半導体切り換え接合点に接続される。
【００１９】
詳細に前述した本発明によるスイッチギアセルの別の形態によれば、実施形態および図８と９にしたがって、第１または第２の分岐回路１、２のカウント数ｘ≦(ｐ＋１)／２を有する電力半導体切り換え接合点に接続される中間回路５の電力半導体スイッチ11はキャパシタンス８に接続される。中間回路５の電力半導体スイッチ11はキャパシタンス８と、第１または第２の分岐回路１、２のカウント数ｘ≦(ｐ＋１)／２を有する電力半導体スイッチ接合点との間の接合点でキャパシタンス８に接続される。
【００２０】
言うまでもなく、当業者は中間回路５およびその中間回路５の部品に関して図１乃至１０による本発明にしたがってスイッチギアセル１の全ての実施形態を相互間で自由に組み合わせることができる。
【符合の説明】
【００２１】
１…第１の分岐回路、２…第２の分岐回路、３…第１のエネルギ貯蔵手段、４…第２のエネルギ貯蔵手段、５…中間回路、６…中間回路の第１のキャパシタンス、７…中間回路の第２のキャパシタンス、８…中間回路のキャパシタンス、９…中間回路の電力半導体スイッチ、１０…中間回路のさらに別の電力半導体スイッチ、１１…中間回路の電力半導体スイッチ、１２…中間回路のさらに別の電力半導体スイッチ、Ａ…分岐回路の第１の端部、Ｂ…分岐回路の第２の端部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【外国語明細書】
2010063352000001.pdf