ЭЛЕМЕНТ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОГО УСТРОЙСТВА И СХЕМА ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ДЛЯ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ МНОЖЕСТВА УРОВНЕЙ НАПРЯЖЕНИЯ С ТАКИМ ЭЛЕМЕНТОМ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОГО УСТРОЙСТВА
DISTRIBUTING DEVICE ELEMENT AND CONVERTER CIRCUIT FOR SWITCHING MANY VOLTAGE LEVELS WITH SUCH DISTRIBUTING DEVICE ELEMENT

Область техники, к которой относится изобретение
Данное изобретение относится к схеме преобразователя. Оно касается элемента распределительного устройства и схемы преобразователя, которые предназначены для переключения множества уровней напряжения, как заявлено в ограничительных частях независимых пунктов формулы изобретения.
Уровень техники
В настоящее время схемы преобразователя используются в самых разных силовых электронных устройствах. Требования к схемам преобразователя состоят в том, чтобы они в данном случае, прежде всего, генерировали как можно меньшие уровни гармоник по фазам электрической силовой системы питания переменного напряжения, которая подключена обычным образом к схеме преобразователя, и, с другой стороны, передавали как можно более высокие уровни мощности при как можно меньшем количестве электронных компонентов. Одна из соответствующих схем преобразователя, предназначенных для переключения множества уровней напряжения, описана в DE 69205413 Т2. В этом документе представлен элемент распределительного устройства, имеющий группу соединения, причем эта группа соединения имеет первый и второй управляемые двунаправленные силовые полупроводниковые переключатели и конденсатор. Каждый из первого и второго управляемых двунаправленных силовых полупроводниковых переключателей сформирован из биполярного транзистора с изолированным управляющим электродом (IGBT, БТИЗ, биполярный транзистор с изолированным затвором) и диода, который включен встречно и параллельно биполярному транзистору.
Элемент распределительного устройства для схемы преобразователя, предназначенный для переключения множества уровней напряжения в соответствии с DE 69205413 Т2, характеризуется тем, что электрическая энергия, накапливаемая в элементе распределительного устройства во время работы, очень велика. Поскольку электрическая энергия накапливается в конденсаторе элемента распределительного устройства, этот конденсатор и силовые полупроводниковые переключатели должны быть разработаны с учетом этой электрической энергии, то есть с учетом выдерживаемого напряжения (блокирующего напряжения) и/или емкости. Однако такой подход требует использования конденсаторов с большими физическими размерами, которые являются, соответственно, дорогостоящими. Кроме того, для элемента распределительного устройства и поэтому для схемы преобразователя также требуется много места из-за наличия физически крупных конденсаторов, поэтому невозможно разработать конструкцию, занимающую мало места, что требуется во многих вариантах применения, например, для регулирования тяги. Кроме того, требуются дорогостоящие и сложные силовые полупроводниковые переключатели, которые имеют высокое рабочее напряжение. Кроме того, использование физически крупных конденсаторов приводит к большим трудозатратам при сборке и техническом обслуживании. Кроме того, схема преобразователя, предназначенная для переключения множества уровней напряжения в соответствии с DE 69205413 Т2, чувствительна к высоким напряжениям, в частности к избыточным напряжениям, из-за исключительного использования биполярных транзисторов с изолированным управляющим электродом в качестве управляемого силового полупроводникового переключателя, что также приводит к существенным потерям энергии.
Раскрытие изобретения
Одна цель изобретения, таким образом, состоит в разработке элемента распределительного устройства, который запасает как можно меньшее количество электрической энергии во время работы и может быть разработан с малыми размерами. Дополнительная цель изобретения состоит в разработке схемы преобразователя, предназначенной для переключения множества уровней напряжения, которая также запасает как можно меньше электрической энергии во время ее работы и может быть произведена с малыми размерами, которая в значительной степени нечувствительна к высоким напряжениям и состояниям сбоя и имеет низкие потери энергии.
Эти цели достигаются с помощью признаков пункта 1 и пункта 6 формулы изобретения. Предпочтительные варианты воплощения изобретения определены в зависимых пунктах формулы изобретения.
Элемент распределительного устройства в соответствии с изобретением имеет группу соединения, причем эта группа соединения имеет первый и второй управляемые двунаправленные силовые полупроводниковые переключатели и конденсатор. В соответствии с изобретением группа соединения, кроме того, имеет третий, четвертый, пятый и шестой управляемые двунаправленные силовые полупроводниковые переключатели, причем первый управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый переключатель подключен встречно и последовательно со вторым управляемым двунаправленным силовым полупроводниковым переключателем, и третий управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый переключатель подключен встречно и последовательно с четвертым управляемым двунаправленным силовым переключателем. Кроме того, конденсатор соединен с точкой соединения первого управляемого двунаправленного силового полупроводникового переключателя со вторым управляемым двунаправленным силовым полупроводниковым переключателем и с точкой соединения третьего управляемого двунаправленного силового полупроводникового переключателя с четвертым управляемым двунаправленным силовым полупроводниковым переключателем. Пятый управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый переключатель, кроме того, соединен с точкой соединения первого управляемого двунаправленного силового полупроводникового переключателя со вторым управляемым двунаправленным силовым полупроводниковым переключателем и с четвертым управляемым двунаправленным силовым полупроводниковым переключателем, и шестой управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый переключатель соединен с точкой соединения третьего управляемого двунаправленного силового полупроводникового переключателя с четвертым управляемым двунаправленным силовым полупроводниковым переключателем и со вторым управляемым двунаправленным силовым полупроводниковым переключателем. Кроме того, предусмотрены первый и второй, соединенный последовательно с первым, емкостные накопители энергии, при этом первый управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый переключатель и третий управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый переключатель соединены друг с другом в точке соединения первого емкостного накопителя энергии со вторым емкостным накопителем энергии. Количество электрической энергии, запасаемой в элементе распределительного устройства, предпочтительно, может поддерживаться малым благодаря управляемым двунаправленным силовым полупроводниковым переключателям, конденсатору, двум емкостным накопителям энергии и их соединениям друг с другом и между ними, как описано выше, поэтому, в данном случае, выдерживаемое напряжение или блокирующее напряжение отдельных управляемых двунаправленных силовых полупроводниковых переключателей, предпочтительно, должно соответствовать только напряжению конденсатора и, таким образом составляет максимальное напряжение на конденсаторе, и в этом случае отдельные управляемые двунаправленные силовые полупроводниковые переключатели, соответственно, должны быть разработаны только таким образом, чтобы их блокирующее напряжение соответствовало этому напряжению. Поскольку в элементе распределительного устройства запасается малое количество электрической энергии, его размеры могут быть малыми, поскольку конденсатор в элементе распределительного устройства должен быть разработан для сохранения только этого малого количества электрической энергии, то есть с учетом его выдерживаемого напряжения и/или его емкости. Поскольку в результате получают малый физический размер конденсатора, то требуется очень мало места для элемента распределительного устройства. Кроме того, трудозатраты на сборку и техническое обслуживание также могут быть малыми из-за малых физических размеров.
Схема преобразователя в соответствии с изобретением, предназначенная для переключения множества уровней напряжения, содержит элемент распределительного устройства в соответствии с изобретением и, кроме того, элемент фазового распределительного устройства, причем элемент фазового распределительного устройства имеет первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой управляемые двунаправленные силовые полупроводниковые переключатели, причем первый управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый переключатель элемента фазового распределительного устройства последовательно соединен со вторым управляемым двунаправленным силовым полупроводниковым переключателем элемента фазового распределительного устройства, третий управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый переключатель в элементе фазового распределительного устройства последовательно соединен с четвертым управляемым двунаправленным силовым полупроводниковым переключателем элемента фазового распределительного устройства, и пятый управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый переключатель в элементе фазового распределительного устройства соединен с точкой соединения первого управляемого двунаправленного силового полупроводникового переключателя со вторым управляемым двунаправленным силовым полупроводниковым переключателем элемента фазового распределительного устройства. Шестой управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый переключатель элемента фазового распределительного устройства также соединен с точкой соединения третьего управляемого двунаправленного силового полупроводникового переключателя с четвертым управляемым двунаправленным силовым полупроводниковым переключателем элемента фазового распределительного устройства. Кроме того, первый управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый переключатель элемента фазового распределительного устройства соединен с первым емкостным накопителем энергии элемента распределительного устройства, причем второй управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый переключатель элемента фазового распределительного устройства соединен с точкой соединения шестого управляемого двунаправленного силового полупроводникового переключателя со вторым управляемым двунаправленным силовым полупроводниковым переключателем элемента распределительного устройства. Четвертый управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый переключатель элемента фазового распределительного устройства также соединен со вторым емкостным накопителем энергии элемента распределительного устройства, причем третий управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый переключатель элемента фазового распределительного устройства соединен с точкой соединения пятого управляемого двунаправленного силового полупроводникового переключателя с четвертым управляемым двунаправленным силовым полупроводниковым переключателем элемента распределительного устройства. Управляемые двунаправленные силовые полупроводниковые переключатели элемента фазового распределительного устройства и элемента распределительного устройства в соответствии с изобретением, поэтому, предпочтительно, позволяют поддерживать малую сохраненную электрическую энергию в схеме преобразователя, произведенной таким образом. Благодаря малому общему количеству электрической энергии, сохраненной в схеме преобразователя, схема преобразователя может иметь малые размеры и, поэтому, занимает очень мало места. Схема преобразователя, поэтому, подходит для множества применений, например для применения при регулировании тяги. Кроме того, благодаря элементу распределительного устройства и элементу фазового распределительного устройства для схемы преобразователя требуется меньшее количество компонентов, чем в обычных схемах преобразователя, для получения уровней напряжения переключателя. Кроме того, благодаря элементу распределительного устройства и элементу фазового распределительного устройства схема преобразователя имеет высокое выдерживаемое напряжение и, поэтому, нечувствительна к высоким напряжениям и состояниям повреждения и, в целом, имеет низкие потери энергии.
Эти и другие цели, преимущества и свойства настоящего изобретения будут понятны из подробного описания предпочтительных вариантов воплощения изобретения совместно с чертежами.
Краткое описание чертежей
На чертежах:
фиг.1 - первый вариант воплощения элемента распределительного устройства в соответствии с изобретением,
фиг.2 - второй вариант воплощения элемента распределительного устройства в соответствии с изобретением,
фиг.3 - первый вариант воплощения схемы преобразователя в соответствии с изобретением,
фиг.4 - второй вариант воплощения схемы преобразователя в соответствии с изобретением,
фиг.5 - третий вариант воплощения схемы преобразователя в соответствии с изобретением.
Номера ссылочных позиций, используемые на чертежах, и их значения представлены в виде списка в обобщенной форме в списке номеров ссылочных позиций. В принципе, идентичные детали обозначены одинаковыми номерами ссылочных позиций на чертежах. Описанные варианты воплощения представляют примеры предмета изобретения и не обладают ограничительным эффектом.
Подробное описание изобретения
На фиг.1 показан первый вариант воплощения элемента распределительного устройства в соответствии с изобретением, в котором элемент распределительного устройства имеет группу соединений 1, причем группа соединений 1 имеет первый и второй управляемые двунаправленные силовые полупроводниковые переключатели 2, 3 и конденсатор 25. В соответствии с изобретением группа соединений 1 также имеет третий, четвертый, пятый и шестой управляемые двунаправленные силовые полупроводниковые переключатели 4, 5, 6, 7, причем первый управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый переключатель 2 подключен встречно и последовательно со вторым управляемым двунаправленным силовым полупроводниковым переключателем 3, и третий управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый переключатель 4 включен встречно и последовательно с четвертым управляемым двунаправленным силовым полупроводниковым переключателем 5. Кроме того, конденсатор 25 в группе соединений подключен к точке соединения первого управляемого двунаправленного силового полупроводникового переключателя 2 со вторым управляемым двунаправленным силовым полупроводниковым переключателем 3 и к точке соединения третьего управляемого двунаправленного силового полупроводникового переключателя 4 с четвертым управляемым двунаправленным силовым полупроводниковым переключателем 5. Пятый управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый переключатель 6 также соединен с точкой соединения первого управляемого двунаправленного силового полупроводникового переключателя 2 со вторым управляемым двунаправленным силовым полупроводниковым переключателем 3 и с четвертым управляемым двунаправленным силовым полупроводниковым переключателем 5, шестой управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый переключатель 7 соединен с точкой соединения третьего управляемого двунаправленного силового полупроводникового переключателя 4 с четвертым управляемым двунаправленным силовым полупроводниковым переключателем 5 и также соединен со вторым управляемым двунаправленным силовым полупроводниковым переключателем 3. Кроме того, предусмотрены первый и второй, соединенный последовательно с первым, емкостные накопители 8, 9 энергии, причем первый управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый переключатель 2 и третий управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый переключатель 4 подключены друг к другу в точке соединения первого емкостного накопителя 8 энергии со вторым емкостным накопителем 9 энергии. Количество электрической энергии, запасаемой в элементе распределительного устройства, предпочтительно, может поддерживаться малым с помощью управляемых двунаправленных силовых полупроводниковых переключателей 2, 3, 4, 5, 6, 7, конденсатора 25, двух емкостных накопителей 8, 9 энергии и их соединений, как описано выше, друг с другом и между собой, при этом выдерживаемое напряжение или блокирующее напряжение отдельных управляемых двунаправленных силовых полупроводниковых переключателей 2, 3, 4, 5, 6, 7 должно соответствовать только напряжению на конденсаторе 25, которое представляет собой максимальное напряжение на конденсаторе 25, и при этом отдельные управляемые двунаправленные силовые полупроводниковые переключатели 2, 3, 4, 5, 6, 7, соответственно, должны быть рассчитаны на это напряжение по их напряжению блокирования. Вследствие малого общего количества электрической энергии, запасаемой в элементе распределительного устройства, его размеры могут быть малыми, поскольку конденсатор 25 элемента распределительного устройства должен быть рассчитан на сохранение только малого количества электрической энергии, то есть с учетом выдерживаемого им напряжения и/или его емкости. В результате этого благодаря малым физическим размерам конденсатора 25 для элемента распределительного устройства требуется очень мало места. Кроме того, малый физический размер также позволяет обеспечивать малые трудозатраты при сборке и техническом обслуживании элемента.
На фиг.2 показан второй вариант воплощения элемента распределительного устройства в соответствии с изобретением, в котором предусмотрены n дополнительных групп соединений 1.1, … 1.n, каждая из которых имеет первый, второй, третий и четвертый управляемые двунаправленные силовые полупроводниковые переключатели 20, 21, 22, 23 и конденсатор 24, где n≥1. В каждой из этих n дополнительных групп соединений 1.1, … 1.n конденсатор 24 подключен к первому управляемому двунаправленному силовому полупроводниковому переключателю 20 и второму управляемому двунаправленному силовому полупроводниковому переключателю 21, при этом третий управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый переключатель 22 подключен к точке соединения конденсатора 24 с первым управляемым двунаправленным силовым полупроводниковым переключателем 20 и вторым управляемым двунаправленным силовым полупроводниковым переключателем 21. Кроме того, четвертый управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый переключатель 23 подключен к точке соединения конденсатора 24 со вторым управляемым двунаправленным силовым полупроводниковым переключателем 21 и первым управляемым двунаправленным силовым полупроводниковым переключателем 20. Поскольку, как показано на фиг.2, каждая из n дополнительных групп соединений 1.1, … 1.n представляет собой четырехполюсную схему, каждая из n дополнительных групп соединений 1.1, … 1.n подключается в соединенной форме к соответствующей расположенной рядом дополнительной группе соединений 1.1, … 1.n, при этом группа соединений 1 подключается к первой дополнительной группе соединений 1.1. Для подключения группы соединений 1 к первой дополнительной группе соединений 1.1 точка соединения шестого управляемого двунаправленного силового полупроводникового переключателя 7 со вторым управляемым двунаправленным силовым полупроводниковым переключателем 3 в группе соединений 1 соединяется с точкой соединения конденсатора 24 с первым управляемым двунаправленным силовым полупроводниковым переключателем 20 в первой дополнительной группе соединений 1.1. Кроме того, точка соединения пятого управляемого двунаправленного силового полупроводникового переключателя 6 с четвертым управляемым двунаправленным силовым полупроводниковым переключателем 5 в группе соединений 1 подключена к точке соединения конденсатора 24 со вторым управляемым двунаправленным силовым полупроводниковым переключателем 21 в первой дополнительной группе соединений 1.1. В дополнение к уже упомянутым преимуществам элемента распределительного устройства в соответствии с изобретением n дополнительных групп соединений 1.1, … 1.n обеспечивают дополнительные уровни напряжения переключения, то есть обеспечивается множество уровней напряжения переключения, в зависимости от выбора количества n дополнительных групп соединений 1.1, … 1.n, без усложнения основной схемы и при небольшом количестве компонентов.
Первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой управляемые двунаправленные силовые полупроводниковые переключатели 2, 3, 4, 5, 6, 7 в группе соединений 1, предпочтительно, каждый имеет, по меньшей мере, два управляемых двунаправленных переключающих элемента, причем эти управляемые двунаправленные переключающие элементы включены последовательно. Переключаемое напряжение на соответствующих управляемых двунаправленных силовых полупроводниковых переключателях 2, 3, 4, 5, 6, 7, поэтому, можно предпочтительно увеличить. Кроме того, первый, второй, третий и четвертый управляемые двунаправленные силовые полупроводниковые переключатели 20, 21, 22, 23 в каждой из n дополнительных групп соединений 1.1, … 1.n также каждый может иметь, по меньшей мере, два управляемых двунаправленных переключающих элемента, причем управляемые двунаправленные переключающие элементы тогда подключены последовательно. В этом случае также переключаемое напряжение на соответствующих управляемых двунаправленных силовых полупроводниковых переключателях 20, 21, 22, 23, предпочтительно, может быть увеличено. В соответствии с этим любое требуемое количество управляемых двунаправленных переключающих элементов можно использовать для каждого управляемого двунаправленного силового полупроводникового переключателя 2, 3, 4, 5, 6, 7, 20, 21, 22, 23 в элементе 1 распределительного устройства в вариантах воплощения, показанных на фиг.1 и фиг.2.
На фиг.3 показан первый вариант воплощения схемы преобразователя в соответствии с изобретением, которая имеет элемент 1 распределительного устройства в соответствии с изобретением, как показано на фиг.1. Кроме того, элемент 10 фазового распределительного устройства предусмотрен в схеме преобразователя, показанной на фиг.3, при этом элемент 10 фазового распределительного устройства имеет первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой управляемые двунаправленные силовые полупроводниковые переключатели 11, 12, 13, 14, 15, 16, и при этом первый управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый переключатель 11 элемента 10 фазового распределительного устройства последовательно соединен со вторым управляемым двунаправленным силовым полупроводниковым переключателем 12 элемента 10 фазового распределительного устройства; третий управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый переключатель 13 элемента 10 фазового распределительного устройства последовательно соединен с четвертым управляемым двунаправленным силовым полупроводниковым переключателем 14 элемента 10 фазового распределительного устройства, а пятый управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый переключатель 15 элемента 10 фазового распределительного устройства соединен с точкой соединения первого управляемого двунаправленного силового полупроводникового переключателя 11 со вторым управляемым двунаправленным силовым полупроводниковым переключателем 12 элемента 10 фазового распределительного устройства. Шестой управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый переключатель 16 элемента 10 фазового распределительного устройства также соединен с точкой соединения третьего управляемого двунаправленного силового полупроводникового переключателя 13 с четвертым управляемым двунаправленным силовым полупроводниковым переключателем 14 элемента 10 фазового распределительного устройства. Кроме того, первый управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый переключатель 11 элемента 10 фазового распределительного устройства, как показано на фиг.3, соединен с первым емкостным накопителем 8 энергии элемента 1 распределительного устройства, при этом второй управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый переключатель 12 элемента 10 фазового распределительного устройства подключен к точке соединения шестого управляемого двунаправленного силового полупроводникового переключателя 7 со вторым управляемым двунаправленным силовым полупроводниковым переключателем 3 элемента 1 распределительного устройства. Кроме того, четвертый управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый переключатель 14 элемента 10 фазового распределительного устройства подключен ко второму емкостному накопителю 9 энергии элемента 1 распределительного устройства, при этом третий управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый переключатель 13 элемента 10 фазового распределительного устройства подключен к точке соединения пятого управляемого двунаправленного силового полупроводникового переключателя 6 с четвертым управляемым двунаправленным силовым полупроводниковым переключателем 5 элемента 1 фазового распределительного устройства. Описанная выше схема преобразователя, показанная на фиг.3, предпочтительно, обеспечивает возможность переключения до пяти уровней переключения напряжения при очень небольшом количестве компонентов.
В альтернативном варианте, который не представлен, в первом варианте воплощения схемы преобразователя в соответствии с изобретением и как показано на фиг.3, как описано выше, предусмотрен элемент 1 распределительного устройства в соответствии с изобретением, как показано на фиг.2. Кроме того, в этом случае предусмотрен элемент 10 фазового распределительного устройства, причем элемент 10 фазового распределительного устройства имеет первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой управляемые двунаправленные силовые полупроводниковые переключатели 11, 12, 13, 14, 15, 16, и первый управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый переключатель 11 элемента 10 фазового распределительного устройства последовательно подключен со вторым управляемым двунаправленным силовым полупроводниковым переключателем 12 элемента 10 фазового распределительного устройства, с третьим управляемым двунаправленным силовым полупроводниковым переключателем 13 элемента 10 фазового распределительного устройства, подключенным последовательно с четвертым управляемым двунаправленным силовым полупроводниковым переключателем 14 элемента 10 фазового распределительного устройства, а пятый управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый переключатель 15 в элементе фазового распределительного устройства 10 подключен к точке соединения первого со вторым управляемым двунаправленным силовым полупроводниковым переключателем 11, 12 элемента 10 фазового распределительного устройства. Шестой управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый переключатель 16 элемента 10 фазового распределительного устройства также подключен к точке соединения третьего с четвертым управляемым двунаправленным силовым полупроводниковым переключателем 13, 14 элемента 10 фазового распределительного устройства, с первым управляемым двунаправленным силовым полупроводниковым переключателем 11 элемента 10 фазового распределительного устройства, подключенным к первому емкостному накопителю 8 энергии элемента 1 распределительного устройства, и при этом второй управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый переключатель 12 элемента 10 фазового распределительного устройства подключен к точке соединения четвертого управляемого двунаправленного силового полупроводникового переключателя 23 с первым управляемым двунаправленным силовым полупроводниковым переключателем 20 в n-ом дополнительном элементе 1.n распределительного устройства. Кроме того, четвертый управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый переключатель 14 элемента 10 фазового распределительного устройства подключен ко второму емкостному накопителю 9 энергии элемента 1 распределительного устройства, при этом третий управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый переключатель 13 элемента 10 фазового распределительного устройства подключен к точке соединения третьего управляемого двунаправленного силового полупроводникового переключателя 22 со вторым управляемым двунаправленным силовым полупроводниковым переключателем 21 в n-ом дополнительном элементе 1.n распределительного устройства. Множество уровней переключения напряжения, соответственно, становятся возможными благодаря описанной выше схеме преобразователя, в зависимости, в частности, от количества n дополнительных групп подключения 1.1, … 1.n.
Количество электрической энергии, запасаемой в схеме преобразователя, построенной таким образом, может предпочтительно поддерживаться на низком уровне благодаря управляемым двунаправленным силовым полупроводниковым переключателям 11, 12, 13, 14, 15, 16 элемента 10 фазового распределительного устройства и управляемым двунаправленным силовым полупроводниковым переключателям 2, 3, 4, 5, 6, 7, 20, 21, 22, 23 элемента 1 распределительного устройства в соответствии с изобретением. Поэтому, благодаря малому общему количеству электрической энергии, запасаемой в схеме преобразователя, схема преобразователя может быть выполнена с малыми размерами и, таким образом, занимает очень мало места. Схема преобразователя, поэтому, пригодна для использования во многих вариантах применения, например, для управления тягой. Кроме того, благодаря элементу 1 распределительного устройства и элементу 10 фазового распределительного устройства в схеме преобразователя требуется меньшее количество компонентов, чем в обычных схемах преобразователя, для получения уровней переключаемого напряжения. Кроме того, благодаря элементу 1 распределительного устройства и элементу 10 фазового распределительного устройства схема преобразователя имеет высокое выдерживаемое напряжение, и, поэтому, нечувствительна к высоким напряжениям и состояниям неисправности, и имеет малые общие потери энергии.
Пятый и шестой управляемые двунаправленные силовые полупроводниковые переключатели 15, 16 элемента 10 фазового распределительного устройства, предпочтительно, соединены друг с другом и, соответственно, формируют фазовое соединение, в частности, для фазы R, как представлено в качестве примера на фиг.3.
В качестве дальнейшего развития схемы преобразователя, показанной на фиг.3, или, другими словами, совместно с альтернативным вариантом воплощения схемы преобразователя, которая была описана выше, не показанным на чертежах, на фиг.4 показан второй вариант воплощения схемы преобразователя в соответствии с изобретением. В этом варианте воплощения элемент 10 фазового распределительного устройства имеет седьмой и восьмой управляемые двунаправленные силовые полупроводниковые переключатели 17, 18 и конденсатор 19, при этом конденсатор 19 элемента 10 фазового распределительного устройства подключен к пятому и шестому управляемым двунаправленным мощным переключателям 15, 16 элемента 10 фазового распределительного устройства. Кроме того, седьмой управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый переключатель 17 элемента 10 фазового распределительного устройства, показанного на фиг.4, подключен к точке соединения конденсатора 19 элемента 10 фазового распределительного устройства с пятым управляемым двунаправленным силовым полупроводниковым переключателем 15 элемента 10 фазового распределительного устройства, а восьмой управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый переключатель 18 элемента 10 фазового распределительного устройства подключен к точке соединения конденсатора 19 элемента 10 фазового распределительного устройства с шестым управляемым двунаправленным силовым полупроводниковым переключателем 16 элемента 10 фазового распределительного устройства, при этом седьмой и восьмой управляемые двунаправленные силовые полупроводниковые переключатели 17, 18 элемента 10 фазового распределительного устройства подключены друг к другу. Схема преобразователя, как описано выше и как представлено на фиг.4, предпочтительно обеспечивает до одиннадцати уровней переключения напряжения с очень малым количеством компонентов.
Соответствующие управляемые двунаправленные силовые полупроводниковые переключатели 2, 3, 4, 5, 6, 7, 20, 21, 22, 23 элемента 1 распределительного устройства, показанного на фиг.1 и фиг.2, и соответствующие управляемые двунаправленные силовые полупроводниковые переключатели 15, 16, 17, 18 элемента 10 фазового распределительного устройства, как показано на фиг.3, фиг.4 и фиг.5, предпочтительно, сформированы из биполярных транзисторов с изолированным электродом управления (БТИЗ - Биполярный транзистор с изолированным затвором), с подключенным встречно и параллельно ему диодом. Кроме того, соответствующие управляемые двунаправленные силовые полупроводниковые переключатели 11, 12, 13, 14 элемента 10 фазового распределительного устройства, показанного на фиг.3, фиг.4 и фиг.5, предпочтительно, сформированы в виде интегрального тиристора с подключенным управляющим электродом (IGCT, ИТПУ) и подключенным встречно и параллельно к нему диодом, в частности, для обеспечения возможности переключения повышенного напряжения. Однако, в качестве альтернативы, также возможно использовать в качестве соответствующих управляемых двунаправленных силовых полупроводниковых переключателей 11, 12, 13, 14 в элементе 10 фазового распределительного устройства биполярные транзисторы с изолированным управляющим электродом (БТИЗ - биполярный транзистор с изолированным затвором) и с встречно и параллельно подключенным к нему диодом. Обычно, первый, второй, третий и четвертый управляемые двунаправленные силовые полупроводниковые переключатели 11, 12, 13, 14 в элементе 10 фазового распределительного устройства каждый, предпочтительно, имеет, по меньшей мере, два управляемых двунаправленных переключающих элемента, при этом управляемые двунаправленные переключающие элементы включены последовательно. Предпочтительно это позволяет увеличить переключаемое напряжение на соответствующих управляемых двунаправленных силовых полупроводниковых переключателях 11, 12, 13, 14 в элементе 10 фазового распределительного устройства.
Как уже было упомянуто выше, соответствующий переключающий элемент может быть сформирован из биполярного транзистора с изолированным управляющим электродом (БТИЗ - биполярный транзистор с изолированным затвором) и с встречно и параллельно подключенным к нему диодом или с использованием интегрального тиристора с подключенным управляющим электродом (ИТПУ) и с встречно и параллельно подключенным к нему диодом.
В результате дальнейшего развития схемы преобразователя, показанной на фиг.4, на фиг.5 представлен третий вариант воплощения схемы преобразователя в соответствии с изобретением. Схема преобразователя, показанная на фиг.5, предпочтительно, пригодна для переключения множества фаз R, Y, В, причем схема преобразователя, показанная на фиг.5, представлена только в качестве примера только для подключения трех фаз R, Y, В, хотя, в общем, можно переключать любое требуемое количество фаз. Обычно, с этой целью, элемент 10 фазового распределительного устройства предусмотрен для каждой фазы R, Y, В, как представлено в качестве примера на фиг.5. Кроме того, первый управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый переключатель 11 в каждом элементе 10 фазового распределительного устройства подключен к первому емкостному накопителю 8 энергии в элементе 1 распределительного устройства, при этом второй управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый переключатель 12 в каждом элементе 10 фазового распределительного устройства подключен к точке соединения шестого управляемого двунаправленного силового полупроводникового переключателя 7 со вторым управляемым двунаправленным силовым полупроводниковым переключателем 3 в элементе 1 распределительного устройства. Четвертый управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый переключатель 14 в каждом элементе 10 фазового распределительного устройства также подключен ко второму емкостному накопителю 9 энергии в элементе 1 распределительного устройства, при этом третий управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый переключатель 13 в каждом элементе 10 фазового распределительного устройства подключен к точке соединения пятого управляемого двунаправленного силового полупроводникового переключателя 6 с четвертым управляемым двунаправленным силовым полупроводниковым переключателем 5 элемента 1 распределительного устройства.
При дальнейшем развитии схемы преобразователя, которая не представлена, но которая подробно описана выше, возможно, прежде всего, снова предусмотреть элемент 10 фазового распределительного устройства для каждой фазы R, Y, В для подключения к множеству, то есть обычно к любому требуемому количеству фаз R, Y, В. В отличие от варианта воплощения схемы преобразователя, показанной на фиг.5, первый управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый переключатель 11 в каждом элементе 10 фазового распределительного устройства при этом подключен к первому емкостному накопителю 8 энергии в элементе 1 распределительного устройства, при этом второй управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый переключатель 12 в каждом элементе 10 фазового распределительного устройства подключен к точке соединения четвертого управляемого двунаправленного силового полупроводникового переключателя 23 с первым управляемым двунаправленным силовым полупроводниковым переключателем 20 в n-ом дополнительном элементе 1.n распределительного устройства. Кроме того, четвертый управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый переключатель 14 в каждом элементе 10 фазового распределительного устройства подключен ко второму емкостному накопителю 9 энергии элемента 1 распределительного устройства, при этом третий управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый переключатель 13 в каждом элементе 10 фазового распределительного устройства подключен к точке соединения третьего управляемого двунаправленного силового полупроводникового переключателя 22 со вторым управляемым двунаправленным силовым полупроводниковым переключателем 21 в n-ом дополнительном элементе 1.n распределительного устройства.
Список номеров ссылочных позиций
1 - группа соединения;
1.1, … 1.n - n дополнительные группы соединений;
2 - первый управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый переключатель в группе соединения;
3 - второй управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый переключатель в группе соединения;
4 - третий управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый переключатель в группе соединения;
5 - четвертый управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый переключатель в группе соединения;
6 - пятый управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый переключатель в группе соединения;
7 - шестой управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый переключатель в группе соединения;
8 - первый емкостной накопитель энергии;
9 - второй емкостной накопитель энергии;
10 - элемент фазового распределительного устройства;
11 - первый управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый переключатель в элементе фазового распределительного устройства;
12 - второй управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый переключатель в элементе фазового распределительного устройства;
13 - третий управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый переключатель в элементе фазового распределительного устройства;
14 - четвертый управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый переключатель в элементе фазового распределительного устройства;
15 - пятый управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый переключатель в элементе фазового распределительного устройства;
16 - шестой управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый переключатель в элементе фазового распределительного устройства;
17 - седьмой управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый переключатель в элементе фазового распределительного устройства;
18 - восьмой управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый переключатель в элементе фазового распределительного устройства;
19 - конденсатор в элементе фазового распределительного устройства;
20 - первый управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый переключатель в n-той дополнительной группе соединения;
21 - второй управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый переключатель в n-той дополнительной группе соединения;
22 - третий управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый переключатель в n-той дополнительной группе соединения;
23 - четвертый управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый переключатель в n-той дополнительной группе соединения;
24 - конденсатор в n-той дополнительной группе соединения;
25 - конденсатор в группе соединения.