(57)【要約】  本発明は第１のエネルギ蓄積装置２およびそれに直列接続されている第２のエネルギ蓄積装置３を有するスイッチギアセルを特定しており、第１、第２、第３、第４の電力半導体スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４を有し、それらは制御された単方向の電流の駆動可能な双方向の電力半導体スイッチである。第１の電力半導体スイッチＳ１は第１のエネルギ蓄積装置２へ接続され、第４の電力半導体スイッチＳ４は第２のエネルギ蓄積装置３へ接続される。第３のエネルギ蓄積装置４は第１及び第２の電力半導体スイッチＳ２の間の接合と第３及び第４の電力半導体スイッチＳ４との間の接合に接続されている。多数の電圧レベルを切換える簡単で頑丈で小型の変換器回路を構成するため、スイッチギアセル１では制御された双方向電流誘導方向のスイッチング素子Ａは第２及び第３の電力半導体スイッチＳ２、Ｓ３の間の接続部と、第１のエネルギ蓄積装置２と第２のエネルギ蓄積装置３との間の接続部に直接接続される。さらにこのようなスイッチギアセルを有する変換器回路が特定される。【選択図】図１
2009525717.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のエネルギ蓄積装置（２）およびそれに直列接続されている第２のエネルギ蓄積装置（３）を有するスイッチギアセル（１）において、
第１、第２、第３、第４の電力半導体スイッチ（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４）を有し、それら第１、第２、第３、第４の電力半導体スイッチ（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４）はそれぞれ制御された単方向電流伝送方向の駆動可能な双方向の電力半導体スイッチであり、第１、第２、第３、第４の電力半導体スイッチ（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４）は直列に接続されており、第１の電力半導体スイッチ（Ｓ１）は第１のエネルギ蓄積装置（２）に接続され、第４の電力半導体スイッチ（Ｓ４）は第２のエネルギ蓄積装置（３）に接続され、
第１の電力半導体スイッチ（Ｓ１）と第２の電力半導体スイッチ（Ｓ２）との間の接続点と、第３の電力半導体スイッチ（Ｓ３）と第４の電力半導体スイッチ（Ｓ４）との間の接続点に接続されている第３のエネルギ蓄積装置（４）を有し、
さらに、制御された双方向電流伝送方向のスイッチング素子（Ａ）が、第２および第３の電力半導体スイッチ（Ｓ２、Ｓ３）の間の接続点と、第１のエネルギ蓄積装置（２）と第２のエネルギ蓄積装置（３）との間の接続点との間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（１）。
【請求項２】
制御された双方向電流伝送方向のスイッチング素子（Ａ）が制御された単方向電流伝送方向の２つの逆方向で直列接続された駆動可能な双方向電力半導体スイッチ（Ｓ５、Ｓ６）を有することを特徴とする請求項１記載のスイッチギアセル（１）。
【請求項３】
制御された双方向電流伝送方向のスイッチング素子（Ａ）が制御された単方向電流伝送方向の１つの駆動可能な単方向電力半導体スイッチ（Ｓ９）と、制御されない４個の単方向電流伝送方向の単方向電力半導体スイッチ（Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４）とを有することを特徴とする請求項１記載のスイッチギアセル（１）。
【請求項４】
制御された双方向電流伝送方向のスイッチング素子（Ａ）が制御された単方向電流伝送方向の第１及び第２の駆動可能な単方向電力半導体スイッチ（Ｓ１０、Ｓ１１）と、制御されない単方向電流伝送方向の第１及び第２の単方向電力半導体スイッチ（Ｄ５、Ｄ６）を有することを特徴とする請求項１記載のスイッチギアセル（１）。
【請求項５】
スイッチング素子（Ａ）の制御された単方向電流伝送方向の第１の駆動可能な単方向電力半導体スイッチ（Ｓ１０）と、スイッチング素子（Ａ）の制御されない単方向電流伝送方向の第１の単方向電力半導体スイッチ（Ｄ５）とが直列に接続され、
スイッチング素子（Ａ）の制御された単方向電流伝送方向の第２の駆動可能な単方向電力半導体スイッチ（Ｓ１１）と、スイッチング素子（Ａ）の制御されない単方向電流伝送方向の第２の単方向電力半導体スイッチ（Ｄ６）とが直列に接続され、
スイッチング素子（Ａ）の制御された単方向電流伝送方向の第１の駆動可能な単方向電力半導体スイッチ（Ｓ１０）と、スイッチング素子（Ａ）の制御されない単方向電流伝送方向の第１の単方向電力半導体スイッチ（Ｄ５）とにより形成される直列回路が、スイッチング素子（Ａ）の制御された単方向電流伝送方向の第２の駆動可能な単方向電力半導体スイッチ（Ｓ１１）とスイッチング素子（Ａ）の制御されない単方向電流伝送方向の第２の単方向電力半導体スイッチ（Ｄ６）とにより形成される直列回路と逆並列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（１）。
【請求項６】
制御された双方向電流伝送方向のスイッチング素子（Ａ）は制御された双方向電流伝送方向の駆動可能な電力半導体スイッチ（Ｓ１２）を有することを特徴とする請求項１記載のスイッチギアセル（１）。
【請求項７】
少なくとも１つのさらに別の電力半導体スイッチ（Ｓ1.1、Ｓ1.2）は第１の電力半導体スイッチ（Ｓ１）と第１のエネルギ蓄積装置（２）との間に直列に接続されていることと、
少なくとも１つのさらに別の電力半導体スイッチ（Ｓ4.1、Ｓ4.2）は第４の電力半導体スイッチ（Ｓ４）と第２のエネルギ蓄積装置（Ｓ２）との間で直列に接続され、それらのさらに別の半導体スイッチ（Ｓ1.1、Ｓ1.2、Ｓ4.1、Ｓ4.2）は制御された単方向電流伝送方向の駆動可能な双方向電力半導体スイッチであることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項記載のスイッチギアセル（１）。
【請求項８】
さらに別の電力半導体スイッチ（Ｓ4.1、Ｓ4.2）が第４の電力半導体スイッチ（Ｓ４）と第２のエネルギ蓄積装置（３）との間に接続され、それらの電力半導体スイッチ（Ｓ4.1、Ｓ4.2）は制御された単方向電流伝送方向の駆動可能な双方向電力半導体スイッチである請求項１乃至６のいずれか１項記載のスイッチギアセル（１）。
【請求項９】
前記さらに別の電力半導体スイッチ（Ｓ4.1）は単一であり、この別の電力半導体スイッチ（Ｓ4.1）は第４の電力半導体スイッチ（Ｓ４）に関して逆方向で直列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（１）。
【請求項１０】
前記さらに別の電力半導体スイッチ（Ｓ4.1、Ｓ4.2）は複数であり、その少なくとも１つの電力半導体スイッチ（Ｓ4.1）は第４の電力半導体スイッチ（Ｓ４）に関して逆方向で直列に接続され、別の少なくとも１つの電力半導体スイッチ（Ｓ4.2）は第４の電力半導体スイッチ（Ｓ４）に関して同方向で直列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（１）。
【請求項１１】
少なくとも１つのさらに別の電力半導体スイッチ（Ｓ1.1、Ｓ1.2）が第１の電力半導体スイッチ（Ｓ１）と第２の電力半導体スイッチ（Ｓ２）との間で接続され、それらの電力半導体スイッチ（Ｓ1.1、Ｓ1.2）はそれぞれ制御された単方向電流伝送方向の駆動可能な双方向電力半導体スイッチである請求項１乃至６のいずれか１項記載のスイッチギアセル（１）。
【請求項１２】
前記さらに別の電力半導体スイッチ（Ｓ1.1）は単一であり、この電力半導体スイッチ（Ｓ1.1）は第１の電力半導体スイッチ（Ｓ１）に関して逆方向で直列に接続されていることを特徴とする請求項１１記載のスイッチギアセル（１）。
【請求項１３】
前記さらに別の電力半導体スイッチ（Ｓ1.1、Ｓ1.2）は複数であり、その少なくとも１つの電力半導体スイッチ（Ｓ1.1）は第１の電力半導体スイッチ（Ｓ１）に関して逆方向で直列接続され、別の少なくとも１つの電力半導体スイッチ（Ｓ1.2）は第１の電力半導体スイッチ（Ｓ１）に関して同方向で直列に接続されていることを特徴とする請求項１１記載のスイッチギアセル（１）。
【請求項１４】
第１の電力半導体スイッチ（Ｓ７）およびその第１の電力半導体スイッチ（Ｓ７）と直列に接続されている第２の電力半導体スイッチ（Ｓ８）を有する多数の電圧レベルを切換えるための変換器回路において、
請求項１乃至１３のいずれか１項記載のスイッチギアセル（１）が変換器回路の第１の電力半導体スイッチ（Ｓ７）と変換器回路の第２の電力半導体スイッチ（Ｓ８）とに接続されていることを特徴とする変換器回路。
【請求項１５】
変換器回路の第１の電力半導体スイッチ（Ｓ７）はスイッチギアセル（１）の第１の電力半導体スイッチ（Ｓ１）とスイッチギアセル（１）の第２の電力半導体スイッチ（Ｓ２）との間の接続点に接続され、
変換器回路の第２の電力半導体スイッチ（Ｓ８）はスイッチギアセル（１）の第３の電力半導体スイッチ（Ｓ３）とスイッチギアセル（１）の第４の電力半導体スイッチ（Ｓ４）との間の接続点に接続されていることを特徴とする請求項１４記載の変換器回路。
【請求項１６】
変換器回路の第１および第２の電力半導体スイッチ（Ｓ７、Ｓ８）はそれぞれ制御された単方向電流伝送方向の駆動可能な双方向電力半導体スイッチであることを特徴とする請求項１４記載の変換器回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は変換器回路の分野に関する。これは独立請求項の前文にしたがって多数の電圧レベルを切り換えるためのスイッチギアセル及び変換器回路に基づいている。
【背景技術】
【０００２】
現在、電力半導体スイッチが変換器技術の使用が増加しており、特に多数の電圧レベルを切換えるための変換器回路で益々使用されている。このように多数の電圧レベルを切換えるための変換器回路は文献（“A Generalized Multilevel Inverter Topology with Self Voltage Balancing”、IEEE Transactions on Industry Applications、Vol.37、No.2、2001年３／４月）に完成されており、そこでは第１のエネルギ蓄積装置およびその第１のエネルギ蓄積装置と直列に接続されている第２のエネルギ蓄積装置を有するスイッチギアセルが例えば３つの電圧レベルを切換えるための変換器回路に関して図１に示されている。さらにスイッチギアセルは第１、第２、第３、第４の電力半導体スイッチを有し、それにおいては第１、第２、第３、第４の電力半導体スイッチはそれぞれ制御された単方向電流伝送方向の駆動可能な双方向電力半導体スイッチであり、第１、第２、第３、第４の電力半導体スイッチは直列に接続されており、第１の電力半導体スイッチは第１のエネルギ蓄積装置へ接続され、第４の電力半導体スイッチは第２のエネルギ蓄積装置へ接続されている。第２の電力半導体スイッチと第３の電力半導体スイッチとの間の接続点は特に第１のエネルギ蓄積装置と第２のエネルギ蓄積装置との間の接続点に直接接続されている。さらに、第３のエネルギ蓄積装置は第１の電力半導体スイッチと第２の電力半導体スイッチとの間の接続点と、第３の電力半導体スイッチと第４の電力半導体スイッチとの間の接続点とに接続されている。
【０００３】
文献（“A Generalized Multilevel Inverter Topology with Self Voltage Balancing”、IEEE Transactions on Industry Applications、Vol.37、No.2、2001年３／４月）によるスイッチギアセルに基づいた変換器回路の場合で問題なのは、例えば５又は７の電圧レベル等のより多くの電圧レベル数が切換えられることが望まれる場合、文献（“A Generalized Multilevel Inverter Topology with Self Voltage Balancing”、IEEE Transactions on Industry Applications、Vol.37、No.2、2001年３／４月）にしたがった図１に示されているような構成では、必要とされる電力半導体スイッチ数と、必要とされるエネルギ蓄積装置数が非常に増加することである。これは非常に高い回路の経費を伴い、また電力半導体スイッチに関して非常に高い駆動経費を伴い、それによって典型的に干渉に対する感知が増加し、したがって利用性が低下する。さらにこのような変換器回路は大きなスペースを必要とする。
【０００４】
文献（“Soft-Switched Three-Level Capacitor Clamping Inverter with Clamping Voltage Stabilization”、IEEE Transactions on Industry Applications、Vol.36、No.4、2000年７／８月）にも第１のエネルギ蓄積装置およびその第１のエネルギ蓄積装置と直列に接続されている第２のエネルギ蓄積装置を有し、第１、第２、第３、第４の電力半導体スイッチを有するスイッチギアセルが開示されており、第１、第２、第３、第４の電力半導体スイッチはそれぞれ制御された単方向電流伝送方向の駆動可能な双方向の電力半導体スイッチであり、第１、第２、第３、第４の電力半導体スイッチは直列に接続されており、第１の電力半導体スイッチは第１のエネルギ蓄積装置へ接続され、第４の電力半導体スイッチは第２のエネルギ蓄積装置へ接続されている。さらに、第３のエネルギ蓄積装置が設けられ、それは第１の電力半導体スイッチと第２の電力半導体スイッチとの間の接続点と第２の電力半導体スイッチと第４の電力半導体スイッチ間の接続点に接続されている。さらに、制御された双方向電流伝送方向のスイッチング素子が設けられ、それは第１のインダクタンスと第１の変成器を介して第２及び第３の電力半導体スイッチの間に接続され、それは第２のインダクタンスと第２の変成器を介して第１のエネルギ蓄積装置と第２のエネルギ蓄積装置との間の接続点に接続されている。
【発明の開示】
【発明の要約】
【０００５】
それ故、本発明の目的はスイッチギアセルを特定することであり、それによりさらに小さいスペース要求に対応する少ない数のコンポーネントしか使用せずに多数の電圧レベルを切換えることのできる簡単で頑丈な変換器回路を実現することが可能である。さらに本発明はこのような変換器回路を特定する。これらの目的は請求項１および１４に記載されている特徴により実現される。本発明の有効な形態は独立請求項で特定されている。
【０００６】
本発明による多数の電圧レベルを切り換えるためのスイッチギアセルは第１のエネルギ蓄積装置およびその第１のエネルギ蓄積装置と直列に接続されている第２のエネルギ蓄積装置を有する。さらに、スイッチギアセルは第１、第２、第３、第４の電力半導体スイッチを有し、それにおいて、第１、第２、第３、第４の電力半導体スイッチはそれぞれ制御された単方向電流伝送方向の駆動可能な双方向の電力半導体スイッチであり、第１、第２、第３、第４の電力半導体スイッチは直列に接続されており、第１の電力半導体スイッチは第１のエネルギ蓄積装置へ接続され、第４の電力半導体スイッチは第２のエネルギ蓄積装置へ接続されている。さらに、第３のエネルギ蓄積装置は第１の電力半導体スイッチと第２の電力半導体スイッチとの間の接続点と、第３の電力半導体スイッチと第４の電力半導体スイッチとの間の接続点とに接続されている。本発明によれば、制御された双方向電流伝送方向のスイッチング素子は、第２と第３の電力半導体スイッチの間の接続点と、第１のエネルギ蓄積装置と第２のエネルギ蓄積装置との間の接続点へ直接接続されている。したがって、双方向で第１のエネルギ蓄積装置と第２のエネルギ蓄積装置との間の接続点における電流を設定又は調節することが可能である利点が得られる。さらに、本発明によるスイッチギアセル手段により、駆動される変換器回路のスイッチング素子数を全体的に顕著に増加する必要なく、変換器回路の電力半導体スイッチと共に例えば５及び７の電圧レベルを切換える変換器回路を実現することが可能である。さらに、エネルギ蓄積装置の数は変化されない状態にできる利点がある。このような変換器回路の回路の経費はしたがって本発明によるスイッチギアセルによって低く維持されることができ、スイッチング素子に関する駆動経費は付加的に同様に低く維持されることができる。このことは本発明によるスイッチギアセルを有するこのような変換器回路が非常に簡単に全体的に構成され、干渉に対する感知性が非常に低く、最小のスペースしか必要とされないことを意味する。
【０００７】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
図面に使用されている参照符合とそれらの意味は参照符合のリストで要約して列挙されている。原理上、同一の部分は図面で同じ参照符合を設けられている。示されている実施形態は本発明の主題の例を表しており、発明を限定するものではない。  
図１は本発明によるスイッチギアセル１の第１の実施形態を示している。さらに図２ａは図１によるスイッチギアセルによる多数の電圧レベルを切換えるための本発明による変換器回路の第１の実施形態を示している。図２ａによれば、多数の電圧レベルを切換えるための変換器回路は第１の電力半導体スイッチＳ７とその第１の電力半導体スイッチＳ７と直列接続されている第２の電力半導体スイッチＳ８とを有する。図２ａによれば、第１の電力半導体スイッチＳ７と第２の電力半導体スイッチＳ８との間の接続点は例えば位相Ｒで示されている位相接続を形成する。図１及び図２ａによれば、スイッチギアセル１は第１のエネルギ蓄積装置２とその第１のエネルギ蓄積装置２と直列接続されている第２のエネルギ蓄積装置３とを有している。さらに、スイッチギアセル１は第１、第２、第３、第４の電力半導体スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４を有し、ここで第１、第２、第３、第４の電力半導体スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４はそれぞれの場合、制御された単方向電流伝送方向の駆動可能な双方向電力半導体スイッチである。図１によれば、それぞれの場合、制御された単方向電流伝送方向の駆動可能な双方向電力半導体スイッチとして実施されているスイッチギアセル１の第１、第２、第３、第４の電力半導体スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４は例えば絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）とそのバイポーラトランジスタと逆並列接続されているダイオードによって形成されている。しかしながら、例えばさらに逆並列接続されたダイオードを有する電力ＭＯＳＦＥＴとして前述された駆動可能な双方向電力半導体スイッチを構成することも考えられる。図２ａによる変換器回路によれば、変換器回路の第１及び第２の電力半導体スイッチＳ７、Ｓ８はそれぞれの場合、制御された単方向電流伝送方向の駆動可能な双方向電力半導体スイッチである。この場合、それぞれの場合に制御された単方向電流伝送方向の駆動可能な双方向電力半導体スイッチとして構成されている各第１及び第２の電力半導体スイッチＳ７、Ｓ８は図２ａによれば例示により絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）とそのバイポーラトランジスタと逆並列に接続されているダイオードによって形成されている。しかしながら、例えばさらに逆並列接続されているダイオードを有する電力ＭＯＳＦＥＴとして前述された駆動可能な双方向電力半導体スイッチを構成することも考えられる。
【０００９】
図１及び図２ａによれば、スイッチギアセル１の第１、第２、第３、第４の電力半導体スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４は直列に接続され、第１の電力半導体スイッチＳ１は第１のエネルギ蓄積装置２に接続され、第４の電力半導体スイッチＳ４は第２のエネルギ蓄積装置３に接続されている。さらに、第３のエネルギ蓄積装置４は第１の電力半導体スイッチＳ１と第２の電力半導体スイッチＳ２との間の接続点と、第３の電力半導体スイッチＳ３と第４の電力半導体スイッチＳ４との間の接続点に接続されている。
【００１０】
本発明によれば、制御された単方向電流伝送方向のスイッチング素子Ａは第２の電力半導体スイッチＳ２と第３の電力半導体スイッチＳ３との間の接続点と、第１のエネルギ蓄積装置２と第２のエネルギ蓄積装置３との間の接続点に直接接続されている。したがって双方向において第１のエネルギ蓄積装置２と第２のエネルギ蓄積装置３との間の接続点の電流を設定又は調節することが有効に可能である。さらに、本発明によるスイッチギアセル１により、駆動される変換器回路のスイッチング素子数を全体的に顕著に増加させることなく、変換器回路の電力半導体スイッチを伴って例えば５および７の電圧レベルを切換える変換器回路を実現することが可能である。さらにエネルギ蓄積装置２、３、４の数は変更されない状態に維持される利点がある。このような変換器回路の回路費用はしたがって本発明によるスイッチギアセル１によって低く維持されることができ、スイッチング素子に関する駆動費用は付加的に同様に低く維持されることができる。これはスイッチギアセル１を有するこのような変換器回路が全体的に非常に簡単に構成され、干渉に対してそれ程敏感ではなく、最小のスペースしか必要としないことを意味している。
【００１１】
例として図２ａ及び図３乃至図８ｂに本発明による変換器回路の実施形態が示されており、その実施形態を詳細に後述すると、スイッチギアセル１は一般的に変換器回路の第１の電力半導体スイッチＳ７と変換器回路の第２の電力半導体スイッチＳ８へ接続されている。本発明によるスイッチギアセル１に関して、特に図２ａ乃至図８ｂによれば、駆動される変換器回路のスイッチング素子数を全体的に顕著に増加する必要なく、例えば５および７の電圧レベルを切換えることができる変換器回路が実現される。５の電圧レベルが変換器回路により切り換えられるならば、電圧レベルに関する冗長な切換え状態の組合せ数を増加させる利点が得られ、即ち例えば位相接続で同じ電圧レベルは変換器回路の電力半導体スイッチＳ７、Ｓ８と、スイッチギアセル１の第１、第２、第３、第４の電力半導体スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４及びスイッチング素子Ａの電力半導体スイッチの複数の切換え状態の組合せにより設定されることができる。結果として、例えば駆動される変換器回路のスイッチング素子のより均一な容量利用を実現することが可能であり、第３のエネルギ蓄積装置４は冗長切換え状態の組合せによる充電及び放電の両者が行われるように設計されているので第３のエネルギ蓄積装置４は小さく設計されることができる。このタイプの変換器回路の回路費用はさらに有効に本発明によるスイッチギアセル１により小さく維持されることができ、駆動されるスイッチング素子に関する駆動費用は同様にさらに低く維持されることができる。このことは本発明によるスイッチギアセル１を有する本発明によるこのような変換器回路が全体的に非常に簡単に構成され、頑丈であり、僅かなスペースしか必要としないことを意味している。
【００１２】
図２ａ乃至図８ｂによれば、本発明による変換器回路では通常、変換器回路の第１の電力半導体スイッチＳ７はスイッチギアセル１の第１の電力半導体スイッチＳ１とスイッチギアセル１の第２の電力半導体スイッチＳ２との間の接続点に接続され、変換器回路の第２の電力半導体スイッチＳ８はスイッチギアセル１の第３の電力半導体スイッチＳ３とスイッチギアセル１の第４の電力半導体スイッチＳ４との間の接続点に接続されている。結果として、本発明による変換器回路は非常に簡単に実現され、それ故干渉に対してそれ程敏感ではなく、スペースを節約する。
【００１３】
図１及び図２ａによれば、スイッチギアセル１の制御された双方向電流伝送方向のスイッチング素子Ａは制御された単方向電流伝送方向の２つの直列接続された逆方向に駆動可能な双方向電力半導体スイッチＳ５、Ｓ６を有する。制御された単方向電流伝送方向の駆動可能な双方向電力半導体スイッチはそれぞれの場合、前述したように電力半導体スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ７、Ｓ８にしたがって実施されることができる。制御された単方向電流伝送方向の駆動可能な双方向の電力半導体スイッチＳ５、Ｓ６の逆方向の直列接続の場合に、２つの可能性、即ち図１及び図２ａによる可能性または、図２ｂによる本発明にしたがったスイッチギアセル１の第２の実施形態により多数の電圧レベルを切り換えるための本発明による変換器回路の第２の実施形態の２つの可能性が存在する。
【００１４】
図３は本発明によるスイッチギアセルの第３の実施形態による多数の電圧レベルを切り換えるための本発明による変換器回路の第３の実施形態を示しており、制御された双方向電流伝送方向Ａを有するスイッチング素子１は制御された単方向電流伝送方向の１つの駆動可能な単方向電力半導体スイッチＳ９と、制御されない単方向電流伝送方向の４つの単方向の電力半導体スイッチＤ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４を有する。この場合、制御された単方向電流伝送方向の駆動可能な双方向電力半導体スイッチＳ９は前述したように電力半導体スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５、Ｓ６、Ｓ７、Ｓ８にしたがって構成されることができる。さらに、制御されない単方向電流伝送方向の４つの単方向電力半導体スイッチＤ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４はそれぞれの場合に図３によりスイッチング素子Ａの制御された単方向電流伝送方向の駆動可能な双方向の電力半導体スイッチＳ９へ接続されているダイオードとして例示により実施される。図３により形成されるスイッチング素子Ａはしたがって制御された単方向電流伝送方向の単一の駆動可能な双方向電力半導体スイッチＳ９だけを有し、それによって駆動費用はさらに減少され、したがって干渉に対する感度の改良がしたがって行われる。さらに切換え損失は減少されることができる。
【００１５】
図４は本発明によるスイッチギアセル１の第４の実施形態による多数の電圧レベルを切換えるための本発明による変換器回路の第４の実施形態を示しており、制御された双方向電流伝送方向のスイッチング素子Ａは制御された単方向電流伝送方向の第１及び第２の駆動可能な単方向電力半導体スイッチＳ１０、Ｓ１１と、制御されない単方向電流伝送方向の第１及び第２の単方向電力半導体スイッチＤ５、Ｄ６を有する。この場合、制御された単方向電流伝送方向の駆動可能な双方向の電力半導体スイッチＳ１０、Ｓ１１は前述したようにそれぞれの場合に電力半導体スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５、Ｓ６、Ｓ７、Ｓ８にしたがって実施されることができる。さらに、制御されない単方向電流伝送方向の２つの単方向の電力半導体スイッチＤ５、Ｄ６はそれぞれの場合にダイオードとして例示により実施される。図４によれば、スイッチング素子Ａの制御された単方向電流伝送方向の第１の駆動可能な単方向電力半導体スイッチＳ１０と、スイッチング素子Ａの制御されない単方向電流伝送方向の第１の単方向の電力半導体スイッチＤ５が直列に接続されている。さらに、スイッチング素子Ａの制御された単方向電流伝送方向の第２の駆動可能な単方向電力半導体スイッチＳ１１と、スイッチング素子Ａの制御されない単方向電流伝送方向の第２の単方向の電力半導体スイッチＤ６が直列に接続されている。さらに、スイッチング素子Ａの制御された単方向電流伝送方向の第１の駆動可能な単方向電力半導体スイッチＳ１０と、スイッチング素子Ａの制御されない単方向電流伝送方向の第１の単方向の電力半導体スイッチＤ５により形成される直列回路は、スイッチング素子Ａの制御された単方向電流伝送方向の第２の駆動可能な単方向電力半導体スイッチＳ１１と、スイッチング素子Ａの制御されない単方向電流伝送方向の第２の単方向の電力半導体スイッチＤ６により形成される直列回路と逆並列に接続されている。
【００１６】
本発明によるスイッチギアセル１の第５の実施形態についての図５による多数の電圧レベルを切換えるための本発明による変換器回路の第５の実施形態では、制御された双方向電流伝送方向のスイッチング素子Ａは制御された双方向電流伝送方向の駆動可能な電力半導体スイッチＳ１２を有している。したがって図５により形成されたスイッチング素子Ａは単一の駆動可能な双方向電力半導体スイッチＳ１２のみを有し、それによって駆動費用はさらに減少されることができ、干渉に対する感度の改良がしたがって行われる。さらに切換え損失が減少されることができる。さらに、単一の駆動可能な双方向電力半導体スイッチＳ１２だけが制御された双方向電流伝送方向のスイッチング素子Ａに設けられるので、オン状態の損失は有効に減少される。
【００１７】
図６は本発明によるスイッチギアセル１の第６の実施形態による多数の電圧レベルを切換えるための本発明による変換器回路の第６の実施形態を示している。図６ではスイッチングギアセル１の場合、２つのさらに別の電力半導体スイッチＳ１．１とＳ１．２が第１の電力半導体スイッチＳ１と第２のエネルギ蓄積装置２との間に直列に接続されており、２つのさらに別の電力半導体スイッチＳ４．１とＳ４．２が第４の電力半導体スイッチＳ４と第２のエネルギ蓄積装置２との間に同様に直列に接続されている。一般的に、スイッチギアセル１の場合、少なくとも１つのさらに別の電力半導体スイッチＳ１．１とＳ１．２が第１の電力半導体スイッチＳ１と第１のエネルギ蓄積装置２の接続間に直列に接続されており、さらに少なくとも１つのさらに別の電力半導体スイッチＳ４．１とＳ４．２が第４の電力半導体スイッチＳ４と第２のエネルギ蓄積装置２との間に直列に接続されている。これらの電力半導体スイッチＳ１．１とＳ１．２、Ｓ４．１とＳ４．２はそれぞれの場合、制御された単方向電流伝送方向の駆動可能な双方向電力半導体スイッチである。この場合、これらの電力半導体スイッチＳ１．１とＳ１．２、Ｓ４．１とＳ４．２は前述したようにそれぞれ電力半導体スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５、Ｓ６、Ｓ７、Ｓ８、Ｓ９、Ｓ１０、Ｓ１１にしたがって実施されることができる。スイッチング素子Ａは図１又は図２ａにしたがって形成され、勿論図２ｂ乃至図５によるスイッチング素子を形成することが考えられる。５つの電圧レベルが変換器回路により切り換えられるならば、全ての電力半導体スイッチＳ１、Ｓ１．１、Ｓ１．２、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ４．１、Ｓ４．２、Ｓ５、Ｓ６、Ｓ７、Ｓ８は有効に同じブロック電圧に対して設計される。第１の電力半導体スイッチＳ１から第１のエネルギ蓄積装置２への接続の間に直列に接続されている少なくとも２つのさらに別の電力半導体スイッチＳ１．１、Ｓ１．２と、第４の電力半導体スイッチＳ４から第２のエネルギ蓄積装置２への接続間で直列に接続されている少なくとも２つのさらに別の電力半導体スイッチＳ４．１、Ｓ４．２の場合、図６に示されているように直列接続された電力半導体スイッチＳ１．１、Ｓ１．２、Ｓ４．１、Ｓ４．２はスイッチ損失を良好に分配するためにオフセット方法で有効にクロックされることができる。第１の電力半導体スイッチＳ１から第１のエネルギ蓄積装置２への接続の間に直列に接続されているさらに別の電力半導体スイッチＳ１．１と、第４の電力半導体スイッチＳ４から第２のエネルギ蓄積装置２への接続の間に直列に接続されているさらに別の電力半導体スイッチＳ４．１の場合、直列接続された電力半導体スイッチＳ１．１と、Ｓ４．１は有効に二倍の電圧をブロックするように設計されることができ、ここで前記別の電力半導体スイッチＳ１．１、Ｓ４．１はその後それぞれスイッチギアセル１の第１の電力半導体スイッチＳ１よりも低い切換え周波数で動作されることができ、スイッチギアセル１の第４の電力半導体スイッチＳ４はそれぞれスイッチギアセル１の第１の電力半導体スイッチＳ１と、スイッチギアセル１の第４の電力半導体スイッチＳ４よりも低い切換え周波数で動作されることができ、それによって別の電力半導体スイッチＳ１．１、Ｓ４．１のオン状態の損失はその後全体的に低く維持されることができる。例示により、この場合、このようなブロック電圧を二倍にする別の電力半導体スイッチＳ１．１、Ｓ４．１はそれぞれの逆並列接続されたダイオードを有する駆動電極（ＩＧＣＴ−集積ゲート切換えサイリスタ）またはゲートオフ切換えサイリスタ（ＧＴＯ）を介して切り換えられる集積されたサイリスタであり、第１の電力半導体スイッチＳ１と第４の電力半導体スイッチＳ４はその後例えばそれぞれの場合逆並列接続されたダイオードを有する絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）または電力ＭＯＳＦＥＴであることができる。カスケード変換器システムは有効に図６による本発明にしたがって例えばスイッチギアセル１の実施形態により非常に容易に構成されることができる。
【００１８】
図７ａは本発明によるスイッチギアセル１の第７の実施形態による多数の電圧レベルを切換えるための本発明による変換器回路の第７の実施形態を示している。さらに図７ｂは本発明によるスイッチギアセル１の第８の実施形態による多数の電圧レベルを切換えるための本発明による変換器回路の第８の実施形態を示している。通常、図７ａと７ｂによるスイッチギアセル１の場合、少なくとも１つのさらに別の電力半導体スイッチＳ４．１、Ｓ４．２は第４の電力半導体スイッチＳ４と第２のエネルギ蓄積装置３との接続の間に接続されている。さらに別の各電力半導体スイッチＳ４．１、Ｓ４．２はそれぞれの場合制御された単方向電流伝送方向の駆動可能な双方向電力半導体スイッチである。この場合、これらの電力半導体スイッチＳ４．１、Ｓ４．２はそれぞれ前述したように電力半導体スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５、Ｓ６、Ｓ７、Ｓ８、Ｓ９、Ｓ１０、Ｓ１１にしたがって実施されることができる。スイッチング素子Ａはそれぞれ図１および図２ａにしたがって図７ａと図７ｂにしたがって形成され、図２ｂ乃至図５によるスイッチング素子を形成することも勿論考えられる。単一の電力半導体スイッチＳ４．１の場合、図７ａに示されているように、この電力半導体スイッチＳ４．１は第４の電力半導体スイッチＳ４に関して逆方向で逆方向で直列に接続されている。対照的に、図７ｂに示されているように、複数の電力半導体スイッチＳ４．１、Ｓ４．２の場合、少なくとも１つのさらに別の電力半導体スイッチＳ４．１は第４の電力半導体スイッチＳ４に関して逆方向で直列に接続されており、少なくとも１つの別の電力半導体スイッチＳ４．２は第４の電力半導体スイッチＳ４に関して直列に接続されている。カスケード変換器システムは同様に例えばそれぞれ図７ａおよび図７ｂにしたがったスイッチギアセル１の実施形態によって有効に非常に容易に構成されることができる。
【００１９】
図８ａは本発明によるスイッチギアセル１の第９の実施形態による多数の電圧レベルを切換えるための本発明による変換器回路の第９の実施形態を示している。さらに図８ｂは本発明によるスイッチギアセル１の第１０の実施形態による多数の電圧レベルを切換えるための本発明による変換器回路の第１０の実施形態を示している。一般的に、図８ａと８ｂによるスイッチギアセル１の場合、少なくとも１つのさらに別の電力半導体スイッチＳ１．１、Ｓ１．２は第１の電力半導体スイッチＳ１と第２の電力半導体スイッチＳ２との間に接続されている。さらに別の電力半導体スイッチＳ１．１、Ｓ１．２はそれぞれの場合制御された単方向電力伝送方向の駆動可能な双方向の電力半導体スイッチである。この場合、別の電力半導体スイッチＳ１．１、Ｓ１．２はそれぞれの場合前述したように電力半導体スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５、Ｓ６、Ｓ７、Ｓ８、Ｓ９、Ｓ１０、Ｓ１１にしたがって実施されることができる。スイッチング素子Ａはそれぞれ図１および図２ａにしたがって図８ａと図８ｂにしたがって形成され、勿論図２ｂ乃至図５によるスイッチング素子を形成することも考えられる。単一の別の電力半導体スイッチＳ１．１の場合、図８ａに示されているように、この別の電力半導体スイッチＳ１．１は第１の電力半導体スイッチＳ１に関して逆方向直列に接続されている。対照的に、複数の別の電力半導体スイッチＳ１．１、Ｓ１．２が使用される場合、図８ｂに示されているように、少なくとも１つの電力半導体スイッチＳ１．１は第１の電力半導体スイッチＳ１に関して逆方向直列に接続されており、少なくとも１つのさらに別の電力半導体スイッチＳ１．２は第１の電力半導体スイッチＳ１に関して同方向で直列に接続されている。カスケード変換器システムは例えばそれぞれ図８ａと図８ｂにより本発明にしたがってスイッチギアセル１の実施形態によっても有効に非常に容易に構成されることができる。
【００２０】
言うまでもなく、当業者は図２ａ乃至図８ｂによる本発明にしたがったスイッチギアセル１または図２ａ乃至図８ｂによる変換器回路の全ての実施形態を相互に、単一および多様に変換器システムを形成するために自由に組み合わせることができる。
【表１】
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【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明によるスイッチギアセルの第１の実施形態の図。
【図２ａ】図１によるスイッチギアセルによって多数の電圧レベルを切換えるための本発明による変換器回路の第１の実施形態を示す図。
【図２ｂ】本発明によるスイッチギアセルの第２の実施形態によって多数の電圧レベルを切換えるための本発明による変換器回路の第２の実施形態を示す図。
【図３】本発明によるスイッチギアセルの第３の実施形態による多数の電圧レベルを切換えるための本発明による変換器回路の第３の実施形態を示す図。
【図４】本発明によるスイッチギアセルの第４の実施形態による多数の電圧レベルを切換えるための本発明による変換器回路の第４の実施形態を示す図。
【図５】本発明によるスイッチギアセルの第５の実施形態による多数の電圧レベルを切換えるための本発明による変換器回路の第５の実施形態を示す図。
【図６】本発明によるスイッチギアセルの第６の実施形態による多数の電圧レベルを切換えるための本発明による変換器回路の第６の実施形態を示す図。
【図７ａ】本発明によるスイッチギアセルの第７の実施形態による多数の電圧レベルを切換えるための本発明による変換器回路の第７の実施形態を示す図。
【図７ｂ】本発明によるスイッチギアセルの第８の実施形態による多数の電圧レベルを切換えるための本発明による変換器回路の第８の実施形態を示す図。
【図８ａ】本発明によるスイッチギアセルの第９の実施形態による多数の電圧レベルを切換えるための本発明による変換器回路の第９の実施形態を示す図。
【図８ｂ】本発明によるスイッチギアセルの第１０の実施形態による多数の電圧レベルを切換えるための本発明による変換器回路の第１０の実施形態を示す図。
【図１】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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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７ａ】
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【図７ｂ】
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【図８ａ】
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【図８ｂ】
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【国際調査報告】
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