Многоуровневый силовой преобразователь
MULTILEVEL POWER CONVERTER

Область техники
[0001] Настоящее изобретение относится к многоуровневому силовому преобразователю высокого напряжения и высокой мощности.
Предпосылки создания изобретения
[0002] Силовые преобразователи состоят из основных переключательных схемных элементов, которые являются полупроводниковыми элементами (модулями, образованными полупроводниковым переключательным элементом, таким как IGBT-транзистор, и диодом, включенным обратно-параллельно полупроводниковому переключательному элементу; причем данный термин понимается аналогично и в дальнейшем описании). Для получения высоких напряжений в силовом преобразователе применяют схемную конфигурацию, в которой несколько полупроводниковых элементов соединены друг с другом последовательно.
[0003] На существующем уровне техники известны многоуровневые силовые преобразователи, аналогичные описанные выше силовому преобразователю, которые, имея схемную конфигурацию с несколькими последовательно соединенными полупроводниковыми элементами, дают на выходе пять уровней напряжения. В качестве одной из конфигураций многоуровневого силового преобразователя была предложена схемная конфигурация, описанная в патентном документе №1. В патентном документе №1, в соответствии с иллюстрацией фиг. 27 настоящей заявки, источники DCC1 и DCC2 постоянного тока и плавающие конденсаторы FC1 и FC2 являются общими для трех фаз, благодаря чему удается уменьшить количество конденсаторов, применяемых в многоуровневом силовом преобразователе, и соответственно, уменьшить размеры устройства.
Список цитируемых документов
Патентная литература
[0004] Патентный документ №1: опубликованная заявка на патент Японии №2012-209368.
Сущность изобретения
[0005] Однако в схемной конфигурации, показанной на фиг. 27, поскольку конденсаторы и часть полупроводниковых элементов S1-S4 являются общими для всех трех фаз, существуют комбинации выходных напряжений, которые невозможно подать на выход, что является недостатком подобной схемы. А именно, при попытке подать на выход фазовые напряжения, равные 2Е, 0 и -2Е, через выходные клеммы U, V и W соответственно, плавающий конденсатор FC1 оказывается замкнутым накоротко, и, следовательно, данная комбинация из трех фазовых напряжений не может быть подана на выход.
[0006] Рассмотрим, со ссылками на фиг. 28, конкретный пример. На фиг. 28 проиллюстрирован пример, в котором фаза U имеет на выходе напряжение, равное 2Е, фаза V имеет на выходе напряжение, равное 0, а фаза W имеет на выходе напряжение, равное -2Е. При этом окружностями на фиг. 28 выделены полупроводниковые элементы во включенном состоянии.
[0007] В соответствии с иллюстрацией фиг. 28, при попытке одновременно подать на выход напряжения, равные 2Е, 0 и -2Е, через выходные клеммы U, V и W соответственно, полупроводниковые элементы S1 и S2, расположенные с двух сторон от плавающего конденсатора FC1, включены одновременно, и следовательно, плавающий конденсатор FC1 замкнут накоротко. В результате, через контур короткого замыкания, DCC1→S1→FC1→S2→DCC1, протекает сверхток.
[0008] Из-за этой проблемы, в случае схемной конфигурации, показанной на фиг. 27, невозможно выбрать только один из полупроводниковых элементов для включения, как это показано на фиг.28, и значит напряжения, равные 2Е, 0 и -2Е, не могут быть одновременно поданы на выход.
[0009] В случае схемной конфигурации, показанной на фиг. 27, поскольку напряжения, равные 2Е, 0 и -2Е, не могут быть одновременно поданы на выход через выходные клеммы U, V и W соответственно, то эти напряжения, в качестве альтернативного метода, заменяют на комбинацию других выходных напряжений. К примеру, в качестве альтернативного метода, путем периодической подачи на выход напряжений, равных 2Е, Е и -2Е, и равных 2Е, -Е и -2Е, через выходные клеммы U, V и W соответственно, обеспечивается вывод средних напряжений, равных 2Е, 0 и -2Е, то есть напряжения, равные 2Е, 0 и -2Е, заменяют соответствующими средними напряжениями.
[0010] Однако при этом временные интервалы, в течение которых на выход поданы напряжения 2Е, Е и -2Е и 2Е, -Е и -2Е через клеммы U, V и W соответственно, должны постоянно поддерживаться равными, и необходим также постоянный контроль времени. В результате, возникает проблема, связанная с усложнением управления. Это проблема возникает также в случае применения схемной конфигурации, где количество выходных фаз, по сравнению с фиг. 27, увеличено до четырех или более.
[0011] С другой стороны, в варианте №5 осуществления изобретения из патентного документа №1, который проиллюстрирован на фиг. 29(a) настоящей заявки, и в варианте №6 осуществления изобретения из патентного документа №1, который проиллюстрирован на фиг. 29(b) настоящей заявки, в случае, когда напряжение, прикладываемое каждым из источников DCC1 и DCC2 напряжения постоянного тока равно 2Е, а напряжение, приложенное к каждому из плавающих конденсаторов CFC1 и CFC2 равно Е, напряжения 2Е, 0 и -2Е могут быть одновременно поданы на выход через выходные клеммы OUT_U, OUT_V и OUT_W, соответственно. Однако в схемных конфигурациях, проиллюстрированных на фиг. 29(a) и фиг. 29(b), возникают проблемы (1) и (2), описанные ниже.
[0012] (1) В схемных конфигурациях, проиллюстрированных на фиг. 29(а) и фиг. 29(b), максимально значение постоянного напряжения, приложенного к полупроводниковым элементам SU5, SU6, SV5, SV6, SW5 и SW6, имеющим соединение с выходными клеммами OUTJJ, OUT_V и OUT_W, равно 3Е. Следовательно, необходимо применять полупроводниковые элементы с высоким выдерживаемым напряжением, что является недостатком, поскольку ведет к увеличению размеров и стоимости устройства.
[0013] (2) Поскольку через полупроводниковые элементы S2.1-S2.3 и S1.1-S1.3, выделенные окружностями на фиг. 29(a) и фиг. 29(b), протекают токи трех фаз, фазы U, фазы V и фазы W, то для охлаждения этих полупроводниковых элементов S2.1-S2.3 и S1.1-S1.3 необходим крупногабаритный радиатор охлаждения.
[0014] Описанные выше проблемы (1) и (2) свойственны также схемным конфигурациям, основанным на фиг. 29(a) и фиг. 29(b), где количество выходных фаз увеличено до четырех или более.
[0015] В свете приведенного выше описания целью настоящего изобретения является обеспечение подачи на выход произвольных напряжений всех фаз, а также упрощение управления подачей на выход произвольных уровней напряжения всех фаз в многофазном и многоуровневом силовом преобразователе.
[0016] Настоящее изобретение было предложено в свете описанных выше недостатков. В соответствии с одним из аспектов настоящего изобретения многоуровневый силовой преобразователь, который формирует выходные напряжения переменного тока с множеством уровней напряжения, полученных путем преобразования напряжений от источника питания постоянного тока и плавающего конденсатора, включает: N источников напряжения постоянного тока (N≥2), соединенных последовательно друг с другом; базовые схемы М фаз (М≥3), каждая из которых включает полупроводниковые элементы, с первого по четвертый, которые включены последовательно, один за другим, между положительным и отрицательным электродами каждого из N источников напряжения постоянного тока; пятый полупроводниковый элемент, один вывод которого соединен с общей точкой соединения первого и второго полупроводниковых элементов; и шестой полупроводниковый элемент, первый вывод которого соединен с общей точкой соединения третьего и четвертого полупроводниковых элементов; плавающий конденсатор, который включен между вторыми выводами пятых полупроводниковых элементов, во всех фазах, и вторыми выводами шестых полупроводниковых элементов всех фаз, при этом плавающий конденсатор является общим для М фаз; и схемы выбора напряжения М фаз, каждая из которых в качестве входной клеммы имеет общие точки соединения второго и третьего полупроводниковых элементов, содержит полупроводниковые элементы между входными клеммами и выходной клеммой, и обеспечивает подачу на выход, через выходную клемму, потенциала любой из входных клемм путем управления, с возможностью выбора, состояниями «включено» и «выключено» полупроводниковых элементов.
[0017] В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения многоуровневый силовой преобразователь, который формирует выходные напряжения переменного тока с множеством уровней напряжения, полученных путем преобразования напряжений от источника питания постоянного тока и плавающего конденсатора, включает: N источников напряжения постоянного тока (где N - четное число, большее либо равное 2), соединенных последовательно друг с другом; базовые схемы, содержащие первый полупроводниковый элемент, первый вывод которого соединен с выводом положительного электрода источника постоянного тока в четной ступени из N последовательно соединенных источников питания постоянного тока, при этом первый полупроводниковый элемент является общим для М фаз (М≥3); полупроводниковые элементы, со второго по четвертый, которые включены последовательно, один за другим, между вторым выводом первого полупроводникового элемента в четной ступени и отрицательным электродом источника напряжения постоянного тока в четной ступени; шестые полупроводниковые элементы М фаз, первые выводы которых соединены с общими точками соединения третьего и четвертого полупроводниковых элементов в четной ступени; четвертый полупроводниковый элемент, первый вывод которого соединен с выводом отрицательного электрода источника напряжения постоянного тока в нечетной ступени, при этом четвертый полупроводниковый элемент является общим для М фаз; полупроводниковые элементы, с первого по третий М фаз, которые включены последовательно, один за другим, между выводом положительного электрода источника напряжения постоянного тока в нечетной ступени и вторым выводом четвертого полупроводникового элемента в нечетной ступени; и пятые полупроводниковые элементы М фаз, первые выводы которых соединены с общими точками соединения первого и второго полупроводниковых элементов в нечетной ступени; плавающий конденсатор в четной ступени, который включен между общей точкой соединения первого и второго полупроводниковых элементов в нечетной ступени и вторыми выводами шестых полупроводниковых элементов всех фаз в четной ступени, при этом плавающий конденсатор является общим для М фаз;
плавающий конденсатор в нечетной ступени, который включен между вторыми выводами пятых полупроводниковых элементов всех фаз в нечетной ступени и общей точкой соединения третьего и четвертого полупроводниковых элементов в нечетной ступени, при этом плавающий конденсатор является общим для М фаз; и схемы выбора напряжения М фаз, каждая из которых в качестве входной клеммы имеет общие точки соединения второго и третьего полупроводниковых элементов, содержит полупроводниковые элементы между входными клеммами и выходной клеммой, и обеспечивает подачу на выход, через выходную клемму, потенциала любой из входных клемм путем управления, с возможностью выбора, состояниями «включено» и «выключено» полупроводниковых элементов.
[0018] В дополнение, в соответствии с еще одним из аспектов настоящего изобретения многоуровневый силовой преобразователь, который формирует выходные напряжения переменного тока с множеством уровней напряжения, полученных путем преобразования напряжений от источника питания постоянного тока и плавающего конденсатора, включает: N источников напряжения постоянного тока (где N - четное число, большее либо равное 2), соединенных последовательно друг с другом; базовые схемы, содержащие четвертый полупроводниковый элемент, первый вывод которого соединен с выводом отрицательного электрода источника постоянного тока в четной ступени из N последовательно соединенных источников питания постоянного тока, при этом четвертый полупроводниковый элемент является общим для М фаз (где М≥3);полупроводниковые элементы, с первого по третий, М фаз, которые включены последовательно, один за другим, между отрицательным электродом источника напряжения постоянного тока в четной ступени и вторым выводом четвертого полупроводникового элемента в четной ступени; пятые полупроводниковые элементы М фаз, первые выводы которых соединены с общими точками соединения первого и второго полупроводниковых элементов в четной ступени; первый полупроводниковый элемент, первый вывод которого соединен с выводом положительного электрода источника напряжения постоянного тока в нечетной ступени, при этом первый полупроводниковый элемент является общим для М фаз; полупроводниковые элементы, со второго по четвертый, М фаз, которые включены последовательно, один за другим, между вторым выводом первого полупроводникового элемента в нечетной ступени и выводом отрицательного электрода источника напряжения постоянного тока в нечетной ступени; и шестые полупроводниковые элементы М фаз, первые выводы которых соединены с общими точками соединения третьего и четвертого полупроводниковых элементов в нечетной ступени; плавающий конденсатор в четной ступени, который включен между всеми пятыми полупроводниковыми элементами и общей точкой соединения третьего и четвертого полупроводниковых элементов в четной ступени, при этом плавающий конденсатор является общим для М фаз; плавающий конденсатор в нечетной ступени, который включен между общей точкой соединения первого и второго полупроводниковых элементов и всеми шестыми полупроводниковыми элементами в нечетной ступени, при этом плавающий конденсатор является общим для М фаз; и схемы выбора напряжения М фаз, каждая из которых в качестве входной клеммы имеет общие точки соединения второго и третьего полупроводниковых элементов, содержит полупроводниковые элементы между входными клеммами и выходной клеммой, и обеспечивает подачу на выход, через выходную клемму, потенциала любой из входных клемм путем управления, с возможностью выбора, состояниями «включено» и «выключено» полупроводниковых элементов.
[0019] Также, в соответствии с еще одним из аспектов настоящего изобретения многоуровневый силовой преобразователь, который формирует выходные напряжения переменного тока с множеством уровней напряжения, полученных путем преобразования напряжений от источника питания постоянного тока и плавающего конденсатора, включает: N источников напряжения постоянного тока (где N - четное число, большее либо равное 2), соединенных последовательно друг с другом; базовые схемы М фаз (М≥3), каждая из которых содержит второй и третий полупроводниковые элементы, которые последовательно соединены, один за другим, с выводом положительного электрода источника напряжения постоянного тока в четной ступени из N последовательно соединенных источников напряжения постоянного тока; а также третий и второй полупроводниковые элементы, которые последовательно соединены, один за другим, с выводом отрицательного электрода источника напряжения постоянного тока в нечетной ступени из N последовательно соединенных источников напряжения постоянного тока; плавающий конденсатор, который включен параллельно второму и третьему полупроводниковым элементам в каждой четной ступени и в нечетной ступени, при этом плавающий конденсатор является общим для М фаз; и схемы выбора напряжения М фаз, каждая из которых в качестве входной клеммы имеет общие точки соединения второго и третьего полупроводниковых элементов каждой из базовых схем и общую точку соединения вывода отрицательного электрода источника напряжения постоянного тока в четной ступени и вывода положительного электрода источника напряжения постоянного тока в нечетной ступени, содержит полупроводниковые элементы между входными клеммами и выходной клеммой и обеспечивает подачу на выход, через выходную клемму, потенциала любой из входных клемм путем управления, с возможностью выбора, состояниями «включено» и «выключено» полупроводниковых элементов.
[0020] Также, в соответствии с еще одним из аспектов настоящего изобретения многоуровневый силовой преобразователь, который формирует выходные напряжения переменного тока с множеством уровней напряжения, полученных путем преобразования напряжений от источника питания постоянного тока и плавающего конденсатора, включает: N источников напряжения постоянного тока (где N - четное число, большее либо равное 2), соединенных последовательно друг с другом; базовые схемы М фаз (М≥3), каждая из которых содержит полупроводниковые элементы, со второго по четвертый, которые включены последовательно между выводами положительного и отрицательного электродов источника напряжения постоянного тока в четной ступени из N последовательно соединенных источников напряжения постоянного тока; шестой полупроводниковый элемент, первый вывод которого соединен с общей точкой соединения третьего и четвертого полупроводниковых элементов в четной ступени; полупроводниковые элементы, со первого по третий, которые включены последовательно, один за другим, между выводами положительного и отрицательного электродов источника напряжения постоянного тока в нечетной ступени из N последовательно соединенных источников напряжения постоянного тока; и пятый полупроводниковый элемент, первый вывод которого соединен с общей точкой соединения первого и второго полупроводниковых элементов в нечетной ступени; плавающий конденсатор в четной ступени, который включен между вторыми выводами всех шестых полупроводниковых элементов в четной ступени и общей точкой соединения вывода положительного электрода источника напряжения постоянного тока и второго полупроводникового элемента в четной ступени, при этом плавающий конденсатор является общим для М фаз; плавающий конденсатор в нечетной ступени, который включен между вторыми выводами всех пятых полупроводниковых элементов в нечетной ступени и общей точкой соединения вывода отрицательного электрода источника напряжения постоянного тока и третьего полупроводникового элемента в нечетной ступени, при этом плавающий конденсатор является общим для М фаз; и схемы выбора напряжения М фаз, каждая из которых в качестве входной клеммы имеет общие точки соединения второго и третьего полупроводниковых элементов, содержит полупроводниковые элементы между входными клеммами и выходной клеммой и обеспечивает подачу на выход, через выходную клемму, потенциала любой из входных клемм путем управления, с возможностью выбора, состояниями «включено» и «выключено» полупроводниковых элементов.
[0021] В дополнение, в соответствии с еще одним из аспектов настоящего изобретения многоуровневый силовой преобразователь, который формирует выходные напряжения переменного тока с множеством уровней напряжения, полученных путем преобразования напряжений от источника питания постоянного тока и плавающего конденсатора, включает: N источников напряжения постоянного тока (где N - четное число, большее либо равное 2), соединенных последовательно друг с другом; базовые схемы М фаз (М≥3), каждая из которых содержит полупроводниковые элементы, с первого по третий, которые включены последовательно между выводами положительного и отрицательного электродов источника напряжения постоянного тока в четной ступени из N последовательно соединенных источников напряжения постоянного тока; пятый полупроводниковый элемент, первый вывод которого соединен с общей точкой соединения первого и второго полупроводниковых элементов в четной ступени; полупроводниковые элементы, со второго по четвертый, которые включены последовательно, один за другим, между выводами положительного и отрицательного электродов источника напряжения постоянного тока в нечетной ступени из N последовательно соединенных источников напряжения постоянного тока; и шестой полупроводниковый элемент, первый вывод которого соединен с общей точкой соединения третьего и четвертого полупроводниковых элементов в нечетной ступени; плавающий конденсатор в четной ступени, который включен между вторыми выводами всех шестых полупроводниковых элементов в четной ступени и общей точкой соединения вывода отрицательного электрода источника напряжения постоянного тока и третьего полупроводникового элемента в четной ступени, при этом плавающий конденсатор является общим для М фаз; плавающий конденсатор в нечетной ступени, который включен между вторыми выводами всех пятых полупроводниковых элементов в нечетной ступени и общей точкой соединения вывода положительного электрода источника напряжения постоянного тока и второго полупроводникового элемента в нечетной ступени, при этом плавающий конденсатор является общим для М фаз; и схемы выбора напряжения М фаз, каждая из которых в качестве входной клеммы имеет общие точки соединения второго и третьего полупроводниковых элементов, содержит полупроводниковые элементы между входными клеммами и выходной клеммой и обеспечивает подачу на выход, через выходную клемму, потенциала любой из входных клемм путем управления, с возможностью выбора, состояниями «включено» и «выключено» полупроводниковых элементов.
[0022] При этом количество последовательных соединений всех или некоторых полупроводниковых элементов в базовых схемах и в схемах выбора напряжения может быть больше или равно 2.
[0023] Также количество параллельных соединений всех или некоторых полупроводниковых элементов в базовых схемах и схемах выбора напряжения может быть больше или равно 2.
[0024] В соответствии с настоящим изобретением обеспечивается возможность выдачи произвольно выбранных напряжений всех фаз, а также упрощается управление выдачей произвольного уровня напряжения всех фаз в многофазном и многоуровневом силовом преобразователе.
Краткое описание чертежей
[0025] Фиг. 1 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую базовую ячейку.
Фиг. 2 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую базовую схему, в которой N базовых ячеек соединены последовательно друг с другом.
На фиг. 3 проиллюстрированы блок-схемы схемных конфигураций, представляющих собой схемы выбора напряжения.
Фиг. 4 представляет собой блок-схему, которая иллюстрирует многоуровневый силовой преобразователь в соответствии с вариантом №1 осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 5 представляет собой блок-схему, которая иллюстрирует многоуровневый силовой преобразователь в соответствии с вариантом №2 осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 6 представляет собой блок-схему, которая иллюстрирует многоуровневый силовой преобразователь в соответствии с вариантом №3 осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 7 представляет собой блок-схему, которая иллюстрирует многоуровневый силовой преобразователь в соответствии с вариантом №4 осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 8 представляет собой блок-схему, которая иллюстрирует многоуровневый силовой преобразователь в соответствии с вариантом №5 осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 9 представляет собой блок-схему схемной конфигурации, которая иллюстрирует базовую ячейку в варианте №6 осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 10 представляет собой блок-схему схемной конфигурации, которая иллюстрирует многоуровневый силовой преобразователь в соответствии с вариантом №6 осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 11 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую пример работы для каждого из выходных напряжений в варианте №6 осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 4 представляет собой блок-схему, которая иллюстрирует пример работы многоуровневого силового преобразователя в варианте №6 осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 13 представляет собой блок-схему схемной конфигурации, которая иллюстрирует многоуровневый силовой преобразователь в соответствии с вариантом №7 осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 14 представляет собой блок-схему, которая иллюстрирует пример работы многоуровневого силового преобразователя в варианте №7 осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 15 представляет собой блок-схему схемной конфигурации, которая иллюстрирует многоуровневый силовой преобразователь в соответствии с вариантом №8 осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 16 представляет собой блок-схему, которая иллюстрирует пример работы многоуровневого силового преобразователя в варианте №8 осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 17 представляет собой блок-схему схемной конфигурации, которая иллюстрирует многоуровневый силовой преобразователь в соответствии с вариантом №9 осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 18 представляет собой блок-схему, которая иллюстрирует пример работы многоуровневого силового преобразователя в варианте №9 осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 19 представляет собой блок-схему схемной конфигурации, которая иллюстрирует многоуровневый силовой преобразователь в соответствии с вариантом №10 осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 20 представляет собой блок-схему, которая иллюстрирует пример работы многоуровневого силового преобразователя в варианте №10 осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 21 представляет собой блок-схему схемной конфигурации, которая иллюстрирует многоуровневый силовой преобразователь в соответствии с вариантом №11 осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 22 представляет собой блок-схему, которая иллюстрирует пример работы многоуровневого силового преобразователя в варианте №11 осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 23 представляет собой блок-схему схемной конфигурации, которая иллюстрирует многоуровневый силовой преобразователь в соответствии с вариантом №12 осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 24 представляет собой блок-схему, которая иллюстрирует пример работы многоуровневого силового преобразователя в варианте №12 осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 25 представляет собой блок-схему схемной конфигурации, которая иллюстрирует многоуровневый силовой преобразователь в соответствии с вариантом №13 осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 26 представляет собой блок-схему схемной конфигурации, которая иллюстрирует многоуровневый силовой преобразователь в соответствии с вариантом №14 осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 27 представляет собой блок-схему схемной конфигурации, которая иллюстрирует один из примеров многоуровневого силового преобразователя в соответствии с существующим уровнем техники.
Фиг. 28 представляет собой пояснительную блок-схему, иллюстрирующую выходное напряжение, которое не может быть подано на выход в многоуровневом силовом преобразователе в соответствии с существующим уровнем техники.
На фиг. 29 показаны блок-схемы схемных конфигурации, иллюстрирующие дополнительные примеры многоуровневых силовых преобразователей в соответствии с существующим уровнем техники.
Описание вариантов осуществления изобретения
[0026] Базовая ячейка
Фиг. 1 представляет принципиальную схему, иллюстрирующую базовую ячейку, которую применяют в многоуровневом силовом преобразователе в соответствии с настоящим изобретением. Базовая ячейка сконфигурирована из шести полупроводниковых элементов SN.1-SN.6 (например, модули, образованные полупроводниковыми переключательными элементами, таким как IGBT-транзистор и диод, включенный обратно-параллельно полупроводниковому переключательному элементу; причем данный термин понимается аналогично и в дальнейшем описании).
[0027] А именно, в соответствии с иллюстрацией фиг. 1, клемма 3 соединена со стороной положительного электрода источника напряжения постоянного тока (конденсатор постоянного тока или источник питания постоянного тока), а клемма 1 соединена со стороной отрицательного электрода источника напряжения постоянного тока. При этом клемма 2' соединена со стороной положительного электрода плавающего конденсатора (или источника напряжения постоянного тока), а клемма 2ʺ соединена со стороной отрицательного электрода плавающего конденсатора.
[0028] Полупроводниковые элементы SN.1-SN.4 последовательно соединены, один за одним, между клеммой 3 и клеммой 1. При этом между клеммой 2' и общей точкой соединения полупроводниковых элементов SN.1 и SN.2 установлен полупроводниковый элемент SN.5 Полупроводниковый элемент SN.6 включен между клеммой 2ʺ и общей точкой соединения полупроводниковых элементов SN.3 и SN.4. В данном случае общей точкой соединения полупроводниковых элементов SN.2 и SN.3 является клемма 2.
[0029] Базовая схема
На фиг. 2 проиллюстрирована базовая схема, в которой N базовых ячеек, показанных на фиг. 1, соединены последовательно друг с другом. В данном случае N больше или равно 2 (N≥2).
[0030] Источник напряжения постоянного тока подключен между клеммами с номерами 2N+1 и 2N-1. Плавающий конденсатор подключен между клеммами с номерами 2N' и 2Nʺ. В данном случае, когда напряжение источника напряжения постоянного тока равно 2Е, а напряжение на каждом из плавающих конденсаторов равно Е, в конфигурации, где базовые ячейки N ступеней соединены последовательно друг с другом, на клемме 2N может присутствовать выходное напряжение, равное 2En, 2En-E или 2En-2E (где n находится в промежутке от 1 до N).
[0031] Путем подключения схемы выбора напряжения, предназначенной для выбора напряжения на каждой из клемм 2N, 2(N-1), … и клемме 2, может быть получен (2N+1)-уровневый силовой преобразователь.
[0032] Схема выбора напряжения
Ниже, на примере фиг. 3, будет приведено описание схемы выбора напряжения. Схема выбора напряжения представляет собой схему, которая имеет входные клеммы, соответствующие клеммам (2, и 2N) базовой схемы и путем которой выбирают один из потенциалов на входной клемме в качестве выходного потенциала, подаваемого на выход через выходную клемму. Схема выбора напряжения имеет конфигурацию, проиллюстрированную на фиг. 3(a), 3(b), 3(c) или 3(d), или полученную их комбинированием. Между каждой из входных клемм и выходных клемм установлены полупроводниковые элементы S1-S28. Путем включения, с возможностью выбора, полупроводниковых элементов S1-S28, потенциал одной из входных клемм (на фиг. 3(a): 2N_3, 2(N_1)_3, 4_3 и 2_3, на фиг. 3(b): 2N_3, 2(N_1)_3,3_3, и 2_3, на фиг. 3(c): 4_3, 3_3, 2_3, и на фиг. 3(d): 4N+1_3, 4N-1_3, 4N-3_3, 5_3, 3_3, и 2_3) может быть подан на выход.
[0033] Вариант №1 осуществления настоящего изобретения Фиг. 4 представляет собой эскизную блок-схему, которая иллюстрирует конфигурацию многоуровневого силового преобразователя в соответствии с вариантом №1 осуществления настоящего изобретения. В соответствии с иллюстрацией фиг. 4, многоуровневый силовой преобразователь в варианте №1 осуществления настоящего изобретения является М-фазным и N-ступенчатым многоуровневым силовым преобразователем, имеющим в своей конфигурации базовую схему, проиллюстрированную на фиг. 2, и схему выбора напряжения, проиллюстрированную на фиг. 3. В данном примере N≥2, а М≥3.
[0034] Каждый из фазовых модулей 11-1М получен комбинированием базовой схемы и схемы выбора напряжения. Конфигурации базовой схемы и схемы выбора напряжения идентичны проиллюстрированным на фиг. 2 и 3, и следовательно, их описание повторно приведено не будет. N источников DCC1-DCCN напряжения постоянного тока соединены последовательно между двумя концевыми клеммами 1 и 2N+1 фазовых модулей 11-1М. Общие точки соединения источников DCC1-DCCN напряжения постоянного тока соединены, соответственно, с клеммами 3, …, и 2N-1 фазовых модулей 11-1М (базовых схем). При этом N плавающих конденсаторов FC1-FCN соединены, соответственно, с клеммами 2ʺ, 2', …, 2Nʺ и 2N' физических устройств 11-1М.
[0035] В данном примере, когда напряжение каждого из источников DCC1-DCCN напряжения постоянного тока равно 2Е, напряжение на каждом из плавающих конденсаторов FC1-FCN равно Е, на выход, через клемму 2рʺ, могут быть поданы напряжения, равные (2р-2)Е и (2р-1)Е (где р=1, 2, …, и N). Также, через клемму 2р' в на выход могут быть поданы напряжения, равные (2р-1)Е и 2рЕ. При этом через клемму 2р-1 на выход может быть подано напряжение, равное (2р-2)Е, а через клемму 2р+1 на выход может быть подано напряжение, равное 2рЕ.
[0036] Далее, потенциалы клемм 1, 2ʺ, 2', и 3, …, и 2N-1, 2Nʺ, 2N' и 2N+1 подают на вход фазовых модулей 11-1М. Затем, в базовой схеме, путем избирательного включения полупроводниковых элементов S1.1, S1.2, S1.3 S1.4, а также SN.1, SN.2, SN.3 и SN.4 для каждой ступени, один из потенциалов клемм 1, 2ʺ, 2', и 3, …, а также 2N-1, 2Nʺ, 2N' и 2N+1 подают на выход через каждую из клемм 2, …, и 2N. Также, путем избирательного включения полупроводниковых элементов базовой схемы каждой ступени с использованием схемы выбора напряжения один из потенциалов клемм 2, …, и 2N подают на выход через каждую из выходных клемм OUT1-OUTM. В результате через выходные клеммы OUT1-OUTM могут быть поданы на выход напряжения (2N+1) уровней.
[0037] В соответствии с предшествующим описанием, согласно варианту №1 осуществления настоящего изобретения, обеспечивается выполнение операций и получение результатов, описанных в пунктах (1) и (2) ниже.
[0038] (1) По сравнению со схемной конфигурацией существующего уровня техники, показанной на фиг. 27, на выход может быть подан произвольный уровень фазового напряжения, при этом управление, необходимое для подачи произвольного уровня фазового напряжения на выход, является более простым.
[0039] (2) В отличие от схемной конфигурации, соответствующей существующему уровню техники, которая была показана на фиг. 29(a) и 29(b), в данном случае отсутствует полупроводниковый элемент, через который протекали бы выходные токи трех фаз, фазы U, фазы В и фазы W, что приводило бы к высоким энергетическим потерям, и это позволяет добиться уменьшения размера охлаждающего радиатора, предназначенного для охлаждения полупроводникового элемента.
[0040] Вариант №2 осуществления настоящего изобретения
Далее, на примере фиг. 5 будет рассмотрен многоуровневый силовой преобразователь, соответствующий варианту №2 осуществления настоящего изобретения. Многоуровневый силовой преобразователь в варианте 2 осуществления настоящего изобретения имеет конфигурацию, в которой схема, где первые полупроводниковые элементы S2.1-SN.1 являются общими для М фаз, а пятые полупроводниковые элементы S2.5-SN.5 опущены (удалены) из базовых ячеек в четных ступенях базовой схемы, проиллюстрированной на фиг. 2, и схема, где четвертые полупроводниковые элементы S1.4-SN-1.4 являются общими для М фаз, а шестые полупроводниковые элементы S1.6-SN-1.6 опущены (удалены) из базовых ячеек в нечетных ступенях базовой схемы, соединены друг с другом в виде N ступеней. В данном примере многоуровневый силовой преобразователь, соответствующий варианту №2 осуществления настоящего изобретения, является М-фазным и N-ступенчатым многоуровневым силовым преобразователем. N представляет собой четное число, большее или равное 2, а М≥3. В остальном конфигурация силового преобразователя идентична варианту №1 осуществления настоящего изобретения.
[0041] В конфигурации варианта №2 осуществления настоящего изобретения возможна подача на выход напряжений с (2N+1) уровнями через выходные клеммы OUT1-OUTM. В соответствии с многоуровневым силовым преобразователем, предложенным в варианте №2 осуществления настоящего изобретения, по сравнению со схемной конфигурацией существующего уровня техники, показанной на фиг. 27, на выход может быть подан произвольный уровень фазового напряжения, и при этом управление, необходимое для подачи произвольного уровня фазового напряжения на выход, является более простым. Также, по сравнению с вариантом №1 осуществления настоящего изобретения, может быть снижено количество полупроводниковых элементов.
[0042] Вариант №3 осуществления настоящего изобретения
Далее, на примере фиг. 6 будет рассмотрен многоуровневый силовой преобразователь, соответствующий варианту №3 осуществления настоящего изобретения. Многоуровневый силовой преобразователь в варианте №3 осуществления настоящего изобретения имеет конфигурацию, в которой схема, где четвертые полупроводниковые элементы S2.4-SN.4 являются общими для М фаз, а шестые полупроводниковые элементы S2.6-SN.6 опущены (удалены) из базовых ячеек в нечетных ступенях базовой схемы, проиллюстрированной на фиг. 2, и схема, в которой первые полупроводниковые элементы S1.1-SN-1.1 являются общими для М фаз, а пятые полупроводниковые элементы S1.5-SN-1.5 опущены (удалены) из базовых ячеек в нечетных ступенях базовой схемы, соединены друг с другом в виде N ступеней. В данном примере многоуровневый силовой преобразователь, соответствующий варианту №3 осуществления настоящего изобретения, является М-фазным и N-ступенчатым многоуровневым силовым преобразователем. N представляет собой четное число, большее или равное 2, а М≥3. При этом в остальном конфигурация силового преобразователя идентична варианту №1 осуществления настоящего изобретения.
[0043] В конфигурации варианта №3 осуществления настоящего изобретения возможна подача на выход напряжений с (2N+1) уровнями через выходные клеммы OUT1-OUTM.
[0044] В соответствии с многоуровневым силовым преобразователем, предложенным в варианте №3 осуществления настоящего изобретения, могут выполняться те же операции и могут быть получены те же результаты, что и в варианте №2 осуществления настоящего изобретения.
[0045] Вариант №4 осуществления настоящего изобретения.
Далее, на примере фиг. 7 будет рассмотрен многоуровневый силовой преобразователь, соответствующий варианту №4 осуществления настоящего изобретения. В варианте №4 осуществления настоящего изобретения первые полупроводниковые элементы S2.1-SN.1 базовых ячеек в четных ступенях являются общими для М фаз, а четвертые полупроводниковые элементы S1.4-SN-1.4 базовых ячеек в нечетных ступенях, которые являются общими для М фаз, опущены (удалены) из состава многоуровневого силового преобразователя, предложенного в варианте №2 осуществления настоящего изобретения. То есть на фиг. 7 опущены (удалены) полупроводниковые элементы, которые были соединены с клеммами 1, 5, 2N-3 и 2N+1. В остальном конфигурация силового преобразователя идентична варианту №2 осуществления настоящего изобретения. В данном примере N представляет собой четное число, большее или равное 2, а М≥3.
[0046] В конфигурации варианта №4 осуществления настоящего изобретения на выход, через клеммы OUT1-OUTM, могут быть поданы выходные напряжения (2N+1) уровней.
[0047] В соответствии с многоуровневым силовым преобразователем, предложенным в варианте №4 осуществления настоящего изобретения, по сравнению со схемной конфигурацией существующего уровня техники, показанной на фиг. 27, на выход может быть подан произвольный уровень фазового напряжения, при этом управление, необходимое для подачи произвольного уровня фазового напряжения на выход, является более простым.
[0048] В отличие от схемной конфигурации, соответствующей существующему уровню техники, которая была показана на фиг. 29(a) и 29(b), в данном случае отсутствует полупроводниковый элемент, через который протекали бы выходные токи трех фаз, фазы U, фазы В и фазы W, что приводило бы к высоким энергетическим потерям, и это позволяет добиться уменьшения размера охлаждающего радиатора, предназначенного для охлаждения полупроводникового элемента.
[0049] При этом, по сравнению с вариантом №2 осуществления настоящего изобретения, может быть снижено количество полупроводниковых элементов.
[0050] Вариант №5 осуществления настоящего изобретения
Далее, на примере фиг. 8 будет рассмотрен многоуровневый силовой преобразователь, соответствующий варианту №5 осуществления настоящего изобретения. В варианте №5 осуществления настоящего изобретения четвертые полупроводниковые элементы S2.4-SN.4 базовых ячеек в четных ступенях являются общими для М фаз, а первые полупроводниковые элементы S1.1-SN-1.1 базовых ячеек в нечетных ступенях, которые являются общими для М фаз, опущены (удалены) из состава многоуровневого силового преобразователя, предложенного в варианте №3 осуществления настоящего изобретения. То есть на фиг. 8 опущены (удалены) полупроводниковые элементы, которые были соединены с клеммами 3 и 2N-1. В остальном конфигурация силового преобразователя идентична варианту №3 осуществления настоящего изобретения. В данном примере N представляет собой четное число, большее или равное 2, а М≥3.
[0051] В конфигурации варианта №5 осуществления настоящего изобретения на выход, через клеммы OUT1-OUTM, могут быть поданы выходные напряжения (2N+1) уровней.
[0052] В соответствии с многоуровневым силовым преобразователем, предложенным в варианте №5 осуществления настоящего изобретения, по сравнению со схемной конфигурацией существующего уровня техники, показанной на фиг. 27, на выход может быть подан произвольный уровень фазового напряжения, при этом управление, необходимое для подачи произвольного уровня фазового напряжения на выход, является более простым.
[0053] В отличие от схемной конфигурации, соответствующей существующему уровню техники, которая была показана на фиг. 29(a) и 29(b), в данном случае отсутствует полупроводниковый элемент, через который протекали бы выходные токи трех фаз, фазы U, фазы В и фазы W, что приводило бы к высоким энергетическим потерям, и это позволяет добиться уменьшения размера охлаждающего радиатора, предназначенного для охлаждения полупроводникового элемента.
[0054] При этом, по сравнению с вариантом №3 осуществления настоящего изобретения, может быть снижено количество полупроводниковых элементов.
[0055] Вариант №6 осуществления настоящего изобретения
На фиг. 9 проиллюстрирована базовая ячейка, которую получают в том случае, когда в варианте №1 осуществления настоящего изобретения N=1, а М=3. Базовая ячейка имеет источник DCC1 напряжения постоянного тока, плавающий конденсатор FC1, полупроводниковые элементы SUN.1-SUN.6 фазы U, полупроводниковые элементы SVN.1-SVN.6 фазы V и полупроводниковые элементы SWN.1-SWN.6 фазы W.
[0056] Путем соединения базовых ячеек последовательно друг другу в двух ступенях (N=2 и М=3 в варианте №1 осуществления настоящего изобретения) может быть получена конфигурация 5-уровневого силового преобразователя, проиллюстрированная на фиг. 10. В данном примере была использована схема выбора напряжения в соответствии с фиг. 3(a).
[0057] В данном случае напряжение каждого из источников DCC1 и DCC2 напряжения постоянного тока равно 2Е, а напряжение на каждом из плавающих конденсаторов FC1 и FC2 равно Е. При этом базовая схема фазы U включает полупроводниковые элементы, с первого по четвертый, SU1.1-SU1.4 и SU2.1-SU2.4, которые последовательно соединены, друг за другом, между положительной и отрицательной клеммами двух источников DCC1 и DCC2, напряжения постоянного тока, пятые полупроводниковые элементы SU1.5 и SU2.5, первые выводы которых, соответственно, соединены с общими точками соединения первых и вторых полупроводниковых элементов SU1.1, SU1.2, SU2.1, и SU2.2, а также шестые полупроводниковые элементы SU1.6 и SU2.6, первые выводы которых соединены, соответственно, с общими точками соединения третьих и четвертых полупроводниковых элементов SU1.3, SU1.4, SU2.3 и SU2.4. То же остается верным для фазы V и фазы W.
[0058] Плавающие конденсаторы FC1 и FC2 установлены между вторыми выводами пятых полупроводниковых элементов SU1.5, SV1.5, SW1.5, SU2.5, SV2.5, SW2.5 и вторыми выводами шестых полупроводниковых элементов SU1.6, SV1.6, SW1.6, SU2.6, SV2.6, SW2.6.
[0059] Схема выбора напряжения фазы U сконфигурирована из полупроводниковых элементов SU1-SU4. То же остается верным для фазы V и фазы W.
[0060] В данном примере символами U, V и W обозначены выходные клеммы. Один из примеров модифицированной конфигурации, проиллюстрированный на фиг. 10, содержит схему, в которой два или более полупроводниковых элементов соединены последовательно друг с другом в целях устойчивости к высоким напряжениям, а также содержит схему, в которой два или более полупроводниковых элементов соединены параллельно друг другу в целях устойчивости к сильным токам.
[0061] При этом, если выдерживаемое напряжение полупроводникового элемента является достаточным, полупроводниковые элементы SU1 и SU2, проиллюстрированные на фиг. 10, которые представляют собой два полупроводниковых элемента, соединенные последовательно друг с другом, могут быть заменены на один полупроводниковый элемент. Также, аналогичное верно для полупроводниковых элементов SV1 и SV2, SW1 и SW2, SU3 и SU4, SV3 и SV4, а также SW3 и SW4.
[0062] В данной схеме плавающие конденсаторы FC1 и FC2 являются общими для трех фаз, и, следовательно, на выход могут быть поданы напряжения пяти уровней.
[0063] Пример типовой последовательности переключений для фазы U проиллюстрирован в таблице 1. В результате переключения полупроводниковых элементов в последовательности, проиллюстрированной в таблице 1, в каналах, продемонстрированных на фиг. 11, на выход могут быть поданы пять уровней напряжения: 2Е, Е, 0, -Е и -2Е. В данном случае таблица 1 и фиг. 11 являются исключительно примерами, то есть, могут применяться и другие последовательности переключения.
[0064]
[0065] На фиг. 12 проиллюстрировано функционирование каждого из полупроводниковых элементов в случае, когда через выходную клемму U на выход подают напряжение, равное 2Е, через выходную клемму V на выход подают напряжение, равное 0, а через выходную клемму W на выход подают напряжение, равное -2Е. На фиг. 12 окружностями выделены полупроводниковые элементы во включенном состоянии.
[0066] Даже в том случае, когда устройство находится в описанном выше состоянии коммутации, за счет того, что полупроводниковые элементы SU1.5, SV1.5, SW1.5, SU1.6, SV1.6 и SW1.6 соединены с обоими выводами плавающего конденсатора FC1, и за счет того, что полупроводниковые элементы SU2.5, SV2.5, SW2.5, SU2.6, SV2.6 и SW2.6 соединены с обоими выводами плавающего конденсатора FC2, функционирование может осуществляться без короткого замыкания какого-либо из плавающих конденсаторов FC1 и FC2.
[0067] Следовательно, на выход может быть подана комбинация фазовых напряжений 2Е, 0 и -2Е, которая не может быть подана на выход в схемной конфигурации, проиллюстрированной на фиг. 27, и при этом управление, необходимое для подачи на выход напряжений 2Е, 0 и -2Е является более простым.
[0068] Далее будет рассмотрено выдерживаемое напряжение полупроводникового элемента во время его функционирования в составе схемы, проиллюстрированной на фиг. 12.
[0069] В качестве одного из примеров будет рассмотрен случай, в котором в фазе U на выход подают напряжение, равное 2Е, в фазе V на выход подают напряжение, равное -2Е, и в фазе W на выход подают напряжение, равное 2Е. В данном случае, в качестве необходимого условия, импедансы полупроводниковых элементов SW2.1, SW2.2, SW1 и SW2 в отключенном состоянии должны быть равны друг другу.
[0070] В этом случае потенциал клеммы коллектора полупроводникового элемента SW2.1 равен 2Е, а потенциал выходной клеммы W (т.е. потенциал клеммы эмиттера полупроводникового элемента SW2) равен -2Е, и это напряжение делится на импедансах полупроводниковых элементов SW2.1, SW2.2, SW1 и SW2, и соответственно, потенциал общей точки соединения полупроводниковых элементов SW2.2 и SW1 становится равен 0. Следовательно, напряжение, приложенное к схеме из подключенных последовательно полупроводниковых элементов SW1 и SW2 равно 2Е. В данном примере точкой отсчета всех потенциалов является клемма 0, показанная на фиг. 10. Данное состояние, это состояние, в котором напряжение, приложенное к схеме из последовательно соединенных полупроводниковых элементов SW2.1, SW2.2, SW1 и SW2 становится максимальным (4Е).
[0071] Соответственно, в схеме, проиллюстрированной на фиг. 10, максимальное значение напряжения, приложенного к схеме из последовательно соединенных полупроводниковых элементов SW1 и SW2 в установившемся состоянии равно 2Е. Аналогичное верно для полупроводниковых элементов SU1 и SU2, SV1 и SV2, SW1 и SU3 и SU4, SV3 и SV4, а также SW3 и SW4.
[0072] С другой стороны, в схеме, соответствующей существующему уровню техники, показанной на фиг. 29(a), имеется режим, в котором напряжение клеммы W0 становится равным Е, а напряжение на выходной клемме OUT_W становится равным -2Е, в соответствии с состояниями («включено» или «выключено») переключательного элемента. В данном случае к переключательному элементу SW5 будет приложено напряжение 3Е.
[0073] В схеме, соответствующей существующему уровню техники, показанной на фиг. 29(a), имеется режим, в котором напряжение клеммы W0 становится равным Е, а напряжение на выходной клемме OUT_W становится равным -2Е, в соответствии с состояниями (включено/выключено) переключательного элемента. В данном случае к переключательному элементу SW5 будет приложено напряжение 3Е.
[0074] Как следует из приведенного выше описания, по сравнению со схемой, соответствующей существующему уровню техники (фиг. 29(a) и фиг. 29(b)), вариант №6 осуществления настоящего изобретения обладает преимуществом, которое заключается в менее высоких требованиях к выдерживаемому напряжению полупроводникового элемента, имеющему непосредственное соединение с выходной клеммой.
[0075] При этом, в отличие от схемной конфигурации существующего уровня техники, показанной на фиг. 29(a) и 29(b), в случае варианта №6 осуществления настоящего изобретения не имеется полупроводниковых элементов, через которые протекали бы токи всех трех фаз, фазы U, фазы V и фазы W. Соответственно, не требуется радиатор охлаждения с высокой охлаждающей способностью.
[0076] Это является преимуществом как в плане стоимости устройства, так и в плане его миниатюризации.
[0077] В варианте №6 осуществления настоящего изобретения была рассмотрена схема с трехфазным выходом, однако в схемах, где количество выходных фаз увеличено до четырех и более, фазовые напряжения соответствующих фаз также могут быть поданы на выход по отдельности без короткого замыкания какого-либо из плавающих конденсаторов FC1 и FC2. Данная схема, по сравнению со схемами существующего уровня техники, проиллюстрированными на фиг. 29(a) и фиг. 29(b), обладает также преимуществом в отношении выдерживаемого напряжения полупроводникового элемента, и тем преимуществом, что отсутствует полупроводниковый элемент, через который протекали бы токи всех трех фаз.
[0078] Вариант №7 осуществления настоящего изобретения
Далее, на примере фиг. 13 будет рассмотрен многоуровневый силовой преобразователь, соответствующий варианту №7 осуществления настоящего изобретения. Конфигурация многоуровневого силового преобразователя в варианте №7 осуществления настоящего изобретения - это конфигурация, в которой для случая варианта №3 осуществления настоящего изобретения N=2 и М=3, и применяется схема выбора напряжения, проиллюстрированная на фиг. 3(a). В данном примере символами U, V и W обозначены выходные клеммы.
[0079] Базовая схема содержит четвертый полупроводниковый элемент S2.4, первый вывод которого соединен с выводом отрицательного электрода источника DCC2 постоянного тока в четной ступени из двух последовательно соединенных источников DCC1 и DCC2, и который является общим для трех фаз; полупроводниковые элементы SU2.1-SU2.3, SV2.1-SV2.3 и SW2.1-SW2.3, с первого по третий, в трех фазах, которые включены последовательно, один за другим, между выводом положительного электрода источника DCC2 напряжения постоянного тока в четной ступени и вторым выводом четвертого полупроводникового элемента S2.4 в четной ступени; пятые полупроводниковые элементы SU2.5, SV2.5 и SW2.5, первые выводы которых соединены, соответственно, с общими точками соединения первого и второго полупроводниковых элементов SU2.1, SU2.2, SV2.1, SV2.2, SW2.1 и SW2.2 в четной ступени; первый полупроводниковый элемент S1.1, первый вывод которого соединен с выводом положительного электрода источника DCC1 напряжения постоянного тока в нечетной ступени, и который является общим для трех фаз; полупроводниковые элементы SU1.2-SU1.2, SV1.2-SV1.4 и SW1.2-SW1.4, со второго по четвертый, в трех фазах, которые включены последовательно, один за другим, между вторым выводом первого полупроводникового элемента S1.1 в нечетной ступени и выводом отрицательного электрода источника DCC1 напряжения постоянного тока в нечетной ступени; и шестые полупроводниковые элементы SU1.6, SV1.6 и SW1.6, первые выводы которых соединены, соответственно, с общими точками соединения третьего и четвертого полупроводниковых элементов SU1.3, SU1.4, SV1.3, SV1.4, SW1.3 и SW1.4 в нечетной ступени; [0080] Плавающий конденсатор FC2 включен между всеми пятыми полупроводниковыми элементами SU2.5, SV2.5, SW2.5 и общей точкой соединения третьего и четвертого полупроводниковых элементов SU2.3, SV2.3, SW2.3, SU2.4 в нечетной ступени. Плавающий конденсатор FC1 включен между общей точкой соединения первого и второго полупроводниковых элементов S1.1, SU1.2, SV1.2 и SW1.2 и шестыми полупроводниковыми элементами SU1.6, SV1.6, SW1.6 в нечетной ступени.
[0081] Схема выбора напряжения сконфигурирована из полупроводниковых элементов SU1-SU4, SV1-SV4 и SW1-SW4.
[0082] Один из примеров модифицированной конфигурации, проиллюстрированный на фиг. 13, содержит схему, в которой два или более полупроводниковых элементов соединены последовательно друг с другом в целях устойчивости к высоким напряжениям. Также, она содержит схему, в которой два или более полупроводниковых элементов соединены параллельно друг другу в целях устойчивости к сильным токам.
[0083] При этом, если выдерживаемое напряжение полупроводникового элемента является достаточным, полупроводниковые элементы SU1 и SU2, проиллюстрированные на фиг. 13, которые представляют собой два полупроводниковых элемента, соединенные последовательно друг с другом, могут быть заменены на один полупроводниковый элемент. Также, аналогичное верно для полупроводниковых элементов SV1 и SV2, SW1 и SW2, SU3 и SU4, SV3 и SV4, а также SW3 и SW4.
[0084] При этом в варианте №7 осуществления настоящего изобретения, на выход может быть подана комбинация фазовых напряжений 2Е, 0 и -2Е, которая не может быть подана на выход в схемной конфигурации, проиллюстрированной на фиг. 27. Это состояние проиллюстрировано на фиг. 14. На фиг. 14 окружностями выделены полупроводниковые элементы во включенном состоянии.
[0085] На фиг. 14 проиллюстрировано функционирование каждого из полупроводниковых элементов в случае, когда через выходную клемму U на выход подают напряжение, равное 2Е, через выходную клемму V на выход подают напряжение, равное 0, а через выходную клемму W на выход подают напряжение, равное -2Е. В данном случае, поскольку плавающий конденсатор FC2 соединен с полупроводниковыми элементами SU2.5, SV2.5 и SW2.5, а плавающий конденсатор FC1 соединен с полупроводниковыми элементами SU1.6, SV1.6 и SW1.6, на выход может быть подана комбинация напряжений 2Е, 0 и -2Е без короткого замыкания какого-либо из плавающих конденсаторов FC1 и FC2, и при этом управление, необходимое для подачи на выход напряжений 2Е, 0 и -2Е, является более простым.
[0086] Также в варианте №7 осуществления настоящего изобретения, в состоянии, когда импедансы полупроводниковых элементов SW2.1, SW2.2, SW1 и SW2 в отключенном состоянии равны друг другу, максимальное значение напряжения, приложенного к схеме из соединенных последовательно полупроводниковых элементов SW1 и SW2 в устойчивом состоянии равно 2Е, аналогично варианту №6 осуществления настоящего изобретения. Аналогичное верно для полупроводниковых элементов SU1 и SU2, SV1 и SV2, SW1 и SU3 и SU4, SV3 и SV4, а также SW3 и SW4.
[0087] В варианте №7 осуществления настоящего изобретения была рассмотрена схема с трехфазным выходом, однако в схемах, где количество выходных фаз увеличено до четырех и более, фазовые напряжения соответствующих фаз также могут быть поданы на выход по отдельности без короткого замыкания какого-либо из плавающих конденсаторов FC1 и FC2. Данная схема, по сравнению со схемами существующего уровня техники, проиллюстрированными на фиг. 29(a) и фиг. 29(b), обладает также преимуществом в отношении выдерживаемого напряжения полупроводникового элемента.
[0088] Вариант №8 осуществления настоящего изобретения
Фиг. 15 представляет собой блок-схему схемной конфигурации, которая иллюстрирует многоуровневый силовой преобразователь в соответствии с вариантом №8 осуществления настоящего изобретения. Конфигурация многоуровневого силового преобразователя в варианте №8 осуществления настоящего изобретения - это конфигурация, в которой для случая варианта №2 осуществления настоящего изобретения N=2 и М=3, и применяется схема выбора напряжения, проиллюстрированная на фиг. 3(a). Символами U, V и W обозначены выходные клеммы.
[0089] Базовая схема содержит первый полупроводниковый элемент S2.1, первый вывод которого соединен с выводом положительного электрода источника DCC2 постоянного тока в четной ступени из двух последовательно соединенных источников DCC1 и DCC2, и который является общим для 3 фаз; полупроводниковые элементы SU2.2a-SU2.4, SV2.2a-SV2.4 и SW2.2a-SW2.4, со второго по четвертый, в трех фазах, которые включены последовательно, один за другим, между вторым выводом второго полупроводникового элемента S2.1 в четной ступени и выводом отрицательного электрода источника DCC2 напряжения постоянного тока в четной ступени; шестые полупроводниковые элементы SU2.6, SV2.6 и SW2.6, в трех фазах, первые выводы которых соединены, соответственно, с общими точками соединения третьего и четвертого полупроводниковых элементов SU2.3, SU2.4, SV2.3, SV2.4, SW2.3 и SW2.4; четвертый полупроводниковый элемент S1.4, первый вывод которого соединен с выводом отрицательного электрода источника DCC1 напряжения постоянного тока в нечетной ступени, и который является общим для трех фаз; полупроводниковые элементы SU1.1-SU1.3b, SV1.1-SV1.3b и SW1.1-SW1.3b, с первого по третий, в трех фазах, которые включены последовательно, один за другим, между выводом положительного электрода источника DCC1 напряжения постоянного тока в нечетной ступени и вторым выводом четвертого полупроводникового элемента S1.4 в нечетной ступени; и пятые полупроводниковые элементы SU1.5, SV1.5 и SW1.5, в трех фазах, первые выводы которых соединены, соответственно, с общими точками соединения первого и второго полупроводниковых элементов SU1.1, SU1.2, SV1.1, SV1.2, SW1.1 и SW1.2 в нечетной ступени.
[0090] Плавающий конденсатор FC2 включен между общими точками соединения первого и второго полупроводниковых элементов S2.1, SU2.2a, SV2.2a и SW2.2a в четной ступени и вторыми выводами шестых полупроводниковых элементов SU2.6, SV2.6, SW2.6 всех трех фаз в четной ступени. Плавающий конденсатор FC1 включен между вторыми выводами пятых полупроводниковых элементов SU1.5, SV1.5, SW1.5 всех фаз в нечетной ступени и общими точками соединения третьего и четвертого полупроводниковых элементов SU1.3b, SV1.3b, SW1.3b и S1.4 в нечетной ступени.
[0091] Схема выбора напряжения сконфигурирована из полупроводниковых элементов SU1-SU4, SV1-SV4 и SW1-SW4.
[0092] При этом в варианте №8 осуществления настоящего изобретения, на выход может быть подана комбинация фазовых напряжений 2Е, 0 и -2Е, которая не может быть подана на выход в схемной конфигурации, проиллюстрированной на фиг. 27.
[0093] Это состояние проиллюстрировано на фиг. 16. На фиг. 16 окружностями выделены полупроводниковые элементы во включенном состоянии. На фиг. 16 проиллюстрировано функционирование каждого из полупроводниковых элементов в случае, когда через выходную клемму U на выход подают напряжение, равное 2Е, через выходную клемму V на выход подают напряжение, равное 0, а через выходную клемму W на выход подают напряжение, равное -2Е. В данном случае, поскольку плавающий конденсатор FC1 соединен с пятыми полупроводниковыми элементами SU1.5, SV1.5 и SW1.5, а плавающий конденсатор FC2 соединен с шестыми полупроводниковыми элементами SU2.6, SV2.6 и SW2.6, на выход может быть подана комбинация напряжений 2Е, 0 и -2Е, через выходные клеммы U, V и W, без короткого замыкания какого-либо из плавающих конденсаторов FC1 и FC2, и при этом управление, необходимое для подачи на выход напряжений 2Е, 0 и -2Е, является более простым.
[0094] Один из примеров модификации варианта №8 осуществления настоящего изобретения содержит схему, в которой два или более полупроводниковых элементов соединены последовательно друг с другом в целях устойчивости к высоким напряжениям. Также, он содержит схему, в которой два или более полупроводниковых элементов соединены параллельно друг другу в целях устойчивости к сильным токам. При этом, если выдерживаемое напряжение полупроводникового элемента является достаточным, полупроводниковые элементы SU1.3a и SU1.3b, проиллюстрированные на фиг. 15, которые представляют собой два полупроводниковых элемента, соединенные последовательно друг с другом, могут быть заменены на один полупроводниковый элемент.
[0095] Также, аналогичное верно для полупроводниковых элементов SV1.3a и SV1.3b, SW1.3a и SW1.3b, SU2.2a и SU2.2b, SV2.2a и SV2.2b, SW2.2a и SW2.2b, SU1 и SU2, SV1 и SV2, SW1 и SU3 и SU4, SV3 и SV4, а также SW3 и SW4.
[0096] Также в варианте №8 осуществления настоящего изобретения, в состоянии, когда импедансы полупроводниковых элементов SW2.2a, SW2.2b, SW1 и SW2 в отключенном состоянии равны друг другу, максимальное значение напряжения, приложенного к схеме из соединенных последовательно полупроводниковых элементов SW1 и SW2 в устойчивом состоянии равно 2Е, аналогично варианту №6 осуществления настоящего изобретения. Аналогичное верно для полупроводниковых элементов SU1 и SU2, SV1 и SV2, SW1 и SU3 и SU4, SV3 и SV4, а также SW3 и SW4.
[0097] В варианте №8 осуществления настоящего изобретения была рассмотрена схема с трехфазным выходом, однако в схемах, где количество выходных фаз увеличено до четырех и более, фазовые напряжения соответствующих фаз также могут быть поданы на выход по отдельности без короткого замыкания какого-либо из плавающих конденсаторов FC1 и FC2. Данная схема, по сравнению со схемами существующего уровня техники, проиллюстрированными на фиг. 29(a) и фиг. 29(b), обладает также преимуществом в отношении выдерживаемого напряжения полупроводникового элемента.
[0098] Вариант 9 осуществления настоящего изобретения
Далее, на примере фиг. 17 будет рассмотрен многоуровневый силовой преобразователь, соответствующий варианту №9 осуществления настоящего изобретения. Конфигурация многоуровневого силового преобразователя в варианте №9 осуществления настоящего изобретения - это конфигурация, в которой для случая варианта №4 осуществления настоящего изобретения N=2 и М=3, и применяется схема выбора напряжения, проиллюстрированная на фиг. 3(a). Символами U, V и W обозначены выходные клеммы.
[0099] Базовая схема содержит первый полупроводниковые элементы SU2.2-SU2.4, SV2.2-SV2.4 и SW2.2-SW2.4, со второго по четвертый, которые последовательно соединены, друг за другом, с выводом положительного электрода источника DCC2 напряжения постоянного тока в четной ступени из двух последовательно соединенных источников DCC1 и DCC2 напряжения постоянного тока; и полупроводниковые элементы SU1.3-SU1.1, SV1.3-SV1.1 и SW1.3-SW1.1, с первого по третий, которые последовательно соединены, друг за другом, с выводом отрицательного электрода источника DCC1 напряжения постоянного тока в нечетной ступени из двух последовательно соединенных источников DCC1 и DCC2 напряжения постоянного тока.
[0100] Плавающий конденсатор FC1 подключен параллельно второму и третьему полупроводниковым элементам SU1.3, SU1.2, SV1.3, SV1.2, SW1.3 и SW1.2 в нечетной ступени. Плавающий конденсатор FC2 подключен параллельно второму и третьему полупроводниковым элементам SU2.2, SU2.3, SV2.2, SV2.3, SW2.2 и SW2.3 в четной ступени.
[0101] Дополнительно, пятые полупроводниковые элементы SU1.5, SV1.5 и SW1.5 установлены между плавающим конденсатором FC1 и вторыми полупроводниковыми элементами SU1.2, SV1.2, SW1.2 в нечетной ступени. Шестые полупроводниковые элементы SU2.6, SV2.6 и SW2.6 установлены между плавающим конденсатором FC2 и третьими полупроводниковыми элементами SU2.3, SV2.3, SW2.3 в четной ступени.
[0102] При этом первые полупроводниковые элементы SU1.1, SV1.1 и SW1.1 установлены между вторыми полупроводниковыми элементами SU1.2, SV1.2, SW1.2 в нечетной ступени и клеммой 0. Четвертые полупроводниковые элементы SU2.4, SV2.4 и SW2.4 установлены между третьими полупроводниковыми элементами SU2.3, SV2.3, SW2.3 в четной ступени и клеммой 0.
[0103] Схема выбора напряжения сконфигурирована из полупроводниковых элементов SU1, SU3, SV1, SV3, SW1 и SW3.
[0104] Путем управления каждым из напряжений источников DCC1 и DCC2 постоянного тока, так, чтобы они были равны 2Е, и управления напряжениями плавающих конденсаторов FC1 и FC2 так, чтобы они были равны Е, на выход могут быть поданы напряжения пяти уровней: 2Е, Е, 0, -Е и-2Е.
[0105] Один из примеров модифицированной конфигурации, проиллюстрированный на фиг. 17, содержит схему, в которой два или более полупроводниковых элементов соединены последовательно друг с другом в целях устойчивости к высоким напряжениям. Также, она содержит схему, в которой два или более полупроводниковых элементов соединены параллельно друг другу в целях устойчивости к сильным токам.
[0106] На фиг. 18 проиллюстрировано функционирование каждого из полупроводниковых элементов в случае, когда через выходную клемму U на выход подают напряжение, равное 2Е, через выходную клемму V на выход подают напряжение, равное 0, а через выходную клемму W на выход подают напряжение, равное -2Е. На фиг. 18 окружностями выделены полупроводниковые элементы во включенном состоянии. В данном случае, поскольку плавающий конденсатор FC1 соединен с полупроводниковыми элементами SU1.5, SV1.5 и SW1.5, а плавающий конденсатор FC2 соединен с полупроводниковыми элементами SU2.6, SV2.6 и SW2.6, на выход может быть подана комбинация напряжений 2Е, 0 и -2Е, через выходные клеммы U, V и W, без короткого замыкания какого-либо из плавающих конденсаторов FC1 и FC2, и при этом управление, необходимое для подачи на выход напряжений 2Е, 0 и -2Е, является более простым.
[0107] Также в варианте №9 осуществления настоящего изобретения, в состоянии, когда импедансы полупроводниковых элементов SW2.2 и SW1 в отключенном состоянии равны друг другу, максимальное значение напряжения, приложенного полупроводниковому элементу SW1 в устойчивом состоянии равно 2Е, аналогично варианту №6 осуществления настоящего изобретения. Аналогичное верно для полупроводниковых элементов SU1, SV1, SU3, SV3 и SW3.
[0108] При этом, в отличие от схемной конфигурации существующего уровня техники, показанной на фиг. 29(a) и 29(b), в случае варианта №9 осуществления настоящего изобретения не имеется полупроводниковых элементов, через которые протекали бы токи всех трех фаз, фазы U, фазы V и фазы W. Соответственно, не требуется радиатор охлаждения с высокой охлаждающей способностью.
[0109] В варианте №9 осуществления настоящего изобретения была рассмотрена схема с трехфазным выходом, однако в схемах, где количество выходных фаз увеличено до четырех и более, фазовые напряжения соответствующих фаз также могут быть поданы на выход по отдельности без короткого замыкания какого-либо из плавающих конденсаторов FC1 и FC2. Данная схема, по сравнению со схемами существующего уровня техники, проиллюстрированными на фиг. 29(a) и фиг. 29(b), обладает также преимуществом в отношении выдерживаемого напряжения полупроводникового элемента, и тем преимуществом, что отсутствует полупроводниковый элемент, через который протекали бы токи всех трех фаз.
[0110] Вариант №10 осуществления настоящего изобретения
Далее, на примере фиг. 19 будет рассмотрен многоуровневый силовой преобразователь, соответствующий варианту №10 осуществления настоящего изобретения. Конфигурация многоуровневого силового преобразователя в варианте №10 осуществления настоящего изобретения - это конфигурация, в которой для случая варианта №4 осуществления настоящего изобретения N=2 и М=3. Символами U, V и W обозначены выходные клеммы. В качестве схемы выбора напряжения использована конфигурация, показанная на фиг. 3(b).
[0111] Базовая схема содержит первый и третий полупроводниковые элементы SU2.2, SU2.3, SV2.2, SV2.3, SW2.2 и SW2.3, которые последовательно соединены, друг за другом, с выводом положительного электрода источника DCC2 напряжения постоянного тока в четной ступени из двух последовательно соединенных источников DCC1 и DCC2 напряжения постоянного тока; а также третий и второй полупроводниковые элементы SU1.3, SU1.2, SV1.3, SV1.2, SW1.3 и SW1.2, которые последовательно соединены, друг за другом, с выводом отрицательного электрода источника DCC1 напряжения постоянного тока в нечетной ступени из двух последовательно соединенных источников DCC1 и DCC2 напряжения постоянного тока.
[0112] Плавающий конденсатор FC1 подключен параллельно второму и третьему полупроводниковым элементам SU1.2, SU1.3, SV1.2, SV1.3, SW1.2 и SW1.3 в нечетной ступени. Плавающий конденсатор FC2 подключен параллельно второму и третьему полупроводниковым элементам SU2.2, SU2.3, SV2.2, SV2.3, SW2.2 и SW2.3 в четной ступени.
[0113] Схема выбора напряжения сконфигурирована из полупроводниковых элементов SU7, SU8, SU11, SU12, SV7, SV8, SV11, SV12, SW7, SW8, SW11 b SW12.
[0114] Путем управления каждым из напряжений источников DCC1 и DCC2 постоянного тока, так, чтобы они были равны 2Е, и управления напряжениями плавающих конденсаторов FC1 и FC2 так, чтобы они были равны Е, на выход могут быть поданы напряжения пяти уровней: 2Е, Е, 0, -Е и-2Е.
[0115] Один из примеров модифицированной конфигурации, проиллюстрированный на фиг. 19, содержит схему, в которой два или более полупроводниковых элементов соединены последовательно друг с другом в целях устойчивости к высоким напряжениям. Также, она содержит схему, в которой два или более полупроводниковых элементов соединены параллельно друг другу в целях устойчивости к сильным токам.
[0116] На фиг. 20 проиллюстрировано функционирование каждого из полупроводниковых элементов в случае, когда через выходную клемму U на выход подают напряжение, равное 2Е, через выходную клемму V на выход подают напряжение, равное 0, а через выходную клемму W на выход подают напряжение, равное -2Е. На фиг. 20 окружностями выделены полупроводниковые элементы во включенном состоянии. В данном случае, поскольку плавающий конденсатор FC2, со стороны отрицательного электрода, не имеет соединения со стороной отрицательного электрода источника DCC2 напряжения постоянного тока, а плавающий конденсатор FC1, со стороны положительного электрода, не имеет соединения с источником DCC1 напряжения постоянного тока, то через клеммы U, V и W на выход может быть подана комбинация фазовых напряжений 2Е, 0 и -2Е без короткого замыкания какого-либо из плавающих конденсаторов FC1 и FC2, и при этом управление, необходимое для подачи на выход напряжений, равных 2Е, 0 и -2Е, является более простым.
[0117] При этом, в отличие от схемной конфигурации существующего уровня техники, показанной на фиг. 29(a) и 29(b), в случае варианта №10 осуществления настоящего изобретения не имеется полупроводниковых элементов, через которые протекали бы токи всех трех фаз, фазы U, фазы V и фазы W. Соответственно, не требуется радиатор охлаждения с высокой охлаждающей способностью.
[0118] В варианте №10 осуществления настоящего изобретения была рассмотрена схема с трехфазным выходом, однако в схемах, где количество выходных фаз увеличено до четырех и более, фазовые напряжения соответствующих фаз также могут быть поданы на выход по отдельности без короткого замыкания какого-либо из плавающих конденсаторов FC1 и FC2. Данная схема, по сравнению со схемами существующего уровня техники, проиллюстрированными на фиг. 29(a) и фиг. 29(b), обладает также преимуществом в отношении выдерживаемого напряжения полупроводникового элемента, и тем преимуществом, что отсутствует полупроводниковый элемент, через который протекали бы токи всех трех фаз.
[0119] Вариант №11 осуществления настоящего изобретения
Далее, на примере фиг. 21 будет рассмотрен многоуровневый силовой преобразователь, соответствующий варианту №11 осуществления настоящего изобретения. Конфигурация многоуровневого силового преобразователя в варианте №11 осуществления настоящего изобретения - это конфигурация, в которой для случая варианта №4 осуществления настоящего изобретения N=2 и М=3. В качестве схемы выбора напряжения используют конфигурацию, проиллюстрированную на фиг. 3(c).
[0120] Базовая схема содержит первый и третий полупроводниковые элементы SU2.2, SU2.3, SV2.2, SV2.3, SW2.2 и SW2.3, которые последовательно соединены, друг за другом, с выводом положительного электрода источника DCC2 напряжения постоянного тока в четной ступени из двух последовательно соединенных источников DCC1 и DCC2 напряжения постоянного тока; а также третий и второй полупроводниковые элементы SU1.3, SU1.2, SV1.3, SV1.2, SW1.3 и SW1.2, которые последовательно соединены, друг за другом, с выводом отрицательного электрода источника DCC1 напряжения постоянного тока в нечетной ступени из двух последовательно соединенных источников DCC1 и DCC2 напряжения постоянного тока.
[0121] Плавающий конденсатор FC1 подключен параллельно второму и третьему полупроводниковым элементам SU1.2, SU1.3, SV1.2, SV1.3, SW1.2 и SW1.3 в нечетной ступени. Плавающий конденсатор FC2 подключен параллельно второму и третьему полупроводниковым элементам SU2.2, SU2.3, SV2.2, SV2.3, SW2.2 и SW2.3 в четной ступени.
[0122] Схема выбора напряжения сконфигурирована из диодов DU1, DU2, DV1, DV2, DW1 и DW2, а также полупроводниковых элементов SU12-SU15, SV12-SV15 и SW12-SW15.
[0123] Путем управления каждым из напряжений источников DCC1 и DCC2 постоянного тока, так, чтобы они были равны 2Е, и управления напряжениями плавающих конденсаторов FC1 и FC2 так, чтобы они были равны Е, на выход, через клеммы U, V и W, могут быть поданы напряжения пяти уровней: 2Е, Е, 0, -Е и -2Е.
[0124] Один из примеров модифицированной конфигурации, проиллюстрированный на фиг. 21, содержит схему, в которой два или более полупроводниковых элементов соединены последовательно друг с другом в целях устойчивости к высоким напряжениям. Также, она содержит схему, в которой два или более полупроводниковых элементов соединены параллельно друг другу в целях устойчивости к сильным токам.
[0125] На фиг. 22 проиллюстрировано функционирование каждого из полупроводниковых элементов в случае, когда через выходную клемму U на выход подают напряжение, равное 2Е, через выходную клемму V на выход подают напряжение, равное 0, а через выходную клемму W на выход подают напряжение, равное -2Е. На фиг. 22 окружностями выделены полупроводниковые элементы во включенном состоянии. В данном случае, поскольку плавающий конденсатор FC2, со стороны отрицательного электрода, не имеет соединения со стороной отрицательного электрода источника DCC2 напряжения постоянного тока, а плавающий конденсатор FC1, со стороны положительного электрода, не имеет соединения с источником DCC1 напряжения постоянного тока, то через клеммы U, V и W, соответственно, на выход может быть подана комбинация фазовых напряжений 2Е, 0 и -2Е без короткого замыкания какого-либо из плавающих конденсаторов FC1 и FC2, и при этом управление, необходимое для подачи на выход напряжений, равных 2Е, 0 и -2Е, является более простым.
[0126] При этом, в отличие от схемной конфигурации существующего уровня техники, показанной на фиг. 29(a) и 29(b), в случае варианта №11 осуществления настоящего изобретения не имеется полупроводниковых элементов, через которые протекали бы токи всех трех фаз, фазы U, фазы V и фазы W. Соответственно, не требуется радиатор охлаждения с высокой охлаждающей способностью.
[0127] В варианте №11 осуществления настоящего изобретения была рассмотрена схема с трехфазным выходом, однако в схемах, где количество выходных фаз увеличено до четырех и более, фазовые напряжения соответствующих фаз также могут быть поданы на выход по отдельности без короткого замыкания какого-либо из плавающих конденсаторов FC1 и FC2. Данная схема, по сравнению со схемами существующего уровня техники, проиллюстрированными на фиг. 29(a) и фиг. 29(b), обладает также преимуществом в отношении выдерживаемого напряжения полупроводникового элемента, и тем преимуществом, что отсутствует полупроводниковый элемент, через который протекали бы токи всех трех фаз.
[0128] Вариант №12 осуществления настоящего изобретения
Далее, на примере фиг. 23 будет рассмотрен многоуровневый силовой преобразователь, соответствующий варианту №12 осуществления настоящего изобретения. Конфигурация многоуровневого силового преобразователя в варианте №12 осуществления настоящего изобретения - это конфигурация, в которой для случая варианта №5 осуществления настоящего изобретения N=2 и М=3. В качестве схемы выбора напряжения используют конфигурацию, проиллюстрированную на фиг. 3(c).
[0129] Базовая схема содержит полупроводниковые элементы SU2.1-SU2.3, SV2.1-SV2.3 и SW2.1-SW2.3, с первого по третий, которые последовательно соединены, друг за другом, между выводом положительного электрода и выводом отрицательного электрода источника DCC2 напряжения постоянного тока в четной ступени из двух последовательно соединенных источников DCC1 и DCC2 напряжения постоянного тока; пятый полупроводниковый элемент SU2.5, SV2.5 и SW2.5, первые выводы которых соединены с общими точками соединения первого и второго полупроводниковых элементов SU2.1, SU2.2, SV2.1, SV2.2, SW2.1 и SW2.2 в четной ступени; полупроводниковые элементы SU1.2-SU1.4, SV1.2-SV1.4, SW1.2-SW1.4, которые включены последовательно между выводом положительного электрода и выводом отрицательного электрода источника DCC1 напряжения постоянного тока в нечетной ступени из двух последовательно соединенных источников DCC1 и DCC2 напряжения постоянного тока; и шестые полупроводниковые элементы SU1.6, SV1.6 и SW1.6, первые выводы которых соединены, с общими точками соединения третьего и четвертого полупроводниковых элементов SU1.3, SU1.4, SV1.3, SV1.4, SW1.3 и SW1.4 в нечетной ступени.
[0130] Плавающий конденсатор FC2 включен между вторыми выводами всех пятых полупроводниковых элементов SU2.5, SV2.5, SW2.5 в четной ступени и общей точкой соединения вывода отрицательного электрода источника DCC2 напряжения постоянного тока в четной ступени и третьих полупроводниковых элементов SU2.3, SV2.3, SW2.3. Плавающий конденсатор FC1 включен между вторыми выводами всех шестых полупроводниковых элементов SU1.6, SV1.6, SW1.6 в нечетной ступени и общей точкой соединения вывода положительного электрода источника DCC1 напряжения постоянного тока в нечетной ступени и вторых полупроводниковых элементов SU1.2, SV1.2, SW1.2.
[0131] Схема выбора напряжения сконфигурирована из полупроводниковых элементов SU14, SU15, SV14, SV15, SW14 и SW15.
[0132] Путем управления каждым из напряжений источников DCC1 и DCC2 постоянного тока, так, чтобы они были равны 2Е, и управления напряжениями плавающих конденсаторов FC1 и FC2 так, чтобы они были равны Е, на выход, через клеммы U, V и W, могут быть поданы напряжения пяти уровней: 2Е, Е, 0, -Е и -2Е.
[0133] Один из примеров модифицированной конфигурации, проиллюстрированный на фиг. 23, содержит схему, в которой два или более полупроводниковых элементов соединены последовательно друг с другом в целях устойчивости к высоким напряжениям. Также, она содержит схему, в которой два или более полупроводниковых элементов соединены параллельно друг другу в целях устойчивости к сильным токам.
[0134] На фиг. 24 проиллюстрировано функционирование каждого из полупроводниковых элементов в случае, когда через выходную клемму U на выход подают напряжение, равное 2Е, через выходную клемму V на выход подают напряжение, равное 0, а через выходную клемму W на выход подают напряжение, равное -2Е. На фиг. 24 окружностями выделены полупроводниковые элементы во включенном состоянии.
[0135] В данном случае, поскольку плавающий конденсатор FC1 соединен с шестым полупроводниковыми элементами SU1.6, SV1.6 и SW1.6, а плавающий конденсатор FC2 соединен с пятыми полупроводниковыми элементами SU2.5, SV2.5 и SW2.5, на выход может быть подана комбинация напряжений 2Е, 0 и -2Е, через выходные клеммы U, V и W, соответственно, без короткого замыкания какого-либо из плавающих конденсаторов FC1 и FC2, и при этом управление, необходимое для подачи на выход напряжений 2Е, 0 и -2Е, является более простым.
[0136] При этом, в отличие от схемной конфигурации существующего уровня техники, показанной на фиг. 29(a) и 29(b), в случае варианта №12 осуществления настоящего изобретения не имеется полупроводниковых элементов, через которые протекали бы токи всех трех фаз, фазы U, фазы V и фазы W. Соответственно, не требуется радиатор охлаждения с высокой охлаждающей способностью.
[0137] В варианте №12 осуществления настоящего изобретения была рассмотрена схема с трехфазным выходом, однако в схемах, где количество выходных фаз увеличено до четырех и более, фазовые напряжения соответствующих фаз также могут быть поданы на выход по отдельности без короткого замыкания какого-либо из плавающих конденсаторов FC1 и FC2. Данная схема, по сравнению со схемами существующего уровня техники, проиллюстрированными на фиг. 29(a) и фиг. 29(b), обладает также преимуществом в отношении выдерживаемого напряжения полупроводникового элемента, и тем преимуществом, что отсутствует полупроводниковый элемент, через который протекали бы токи всех трех фаз.
[0138] Вариант №13 осуществления настоящего изобретения
Далее, на примере фиг. 25 будет рассмотрен многоуровневый силовой преобразователь, соответствующий варианту №13 осуществления настоящего изобретения. Конфигурация многоуровневого силового преобразователя в варианте №13 осуществления настоящего изобретения - это конфигурация, в которой для случая варианта №4 осуществления настоящего изобретения N=4 и М=3. При этом в качестве схемы выбора используют применяют конфигурации, показанные на фиг. 3(a) и фиг. 3(d).
[0139] Базовая схема содержит второй и третий полупроводниковые элементы SU2.2, SU2.3, SV2.2, SV2.3, SW2.2 и SW2.3, SU4.2, SU4.3, SV4.2, SV4.3, SW4.2 и SW4.3, которые последовательно соединены, друг за другом, с выводами положительного электрода источников DCC2 и DCC4 напряжения постоянного тока в четных ступенях из четырех последовательно соединенных источников DCC1-DCC4 напряжения постоянного тока; а также третий и второй полупроводниковые элементы SU1.3, SU1.2, SV1.3, SV1.2, SW1.3, SW1.2, SU3.3, SU3.2, SV3.3, SV3.2, SW3.3 и SW3.2, которые последовательно соединены, друг за другом, с выводами отрицательного электрода источников DCC1 и DCC3 напряжения постоянного тока в нечетных ступенях из четырех последовательно соединенных источников DCC1-DCC4 напряжения постоянного тока.
[0140] Плавающие конденсаторы FC1-FC4 подключены параллельно второму и третьему полупроводниковым элементам SU2.2, SU2.3, SV2.2, SV2.3, SW2.2, SW2.3, SU4.2, SU4.3, SV4.2, SV4.3, SW4.2, SW4.3, SU1.3, SU1.2, SV1.3, SV1.2, SW1.3, SW1.2, SU3.3, SU3.2, SV3.3, SV3.2, SW3.3 и SW3.2 в нечетных ступенях и четных ступенях.
[0141] Схемы выбора напряжения сконфигурированы из полупроводниковых элементов SU19-SU28, SV19-SV28 и SW19-SW28.
[0142] Путем управления каждым из напряжений источников DCC1, DCC2, DCC3 и DCC4 постоянного тока, так, чтобы они были равны 2Е, и управления напряжениями плавающих конденсаторов FC1, FC2, FC3 и FC4 так, чтобы они были равны Е, на выход могут быть поданы напряжения девяти уровней: 4Е, 3Е, 2Е, Е, 0, -Е, -2Е, -3Е и -4Е.
[0143] В таблице 2 приведены напряжения между клеммой U и клеммой 0 для состояний «включено» и «выключено» каждого из полупроводниковых элементов в фазе U.
[0144]
[0145] В варианте №13 осуществления настоящего изобретения, аналогично вариантам №№6-12 осуществления настоящего изобретения возможна подача на выход произвольных напряжений (4Е, 3Е, 2Е, Е, 0, -Е, -2Е, -3Е и -4Е) через клеммы U, V и W, соответственно, без короткого замыкания какого-либо из плавающих конденсаторов FC1-FC4, и при этом управление, необходимое для подачи на выход напряжений 4Е, 3Е, 2Е, Е, 0, -Е, -2Е, -3Е и -4Е является более простым.
[0146] При этом, в отличие от схемной конфигурации существующего уровня техники, показанной на фиг. 29(a) и 29(b), в случае варианта №13 осуществления настоящего изобретения не имеется полупроводниковых элементов, через которые протекали бы токи всех трех фаз, фазы U, фазы V и фазы W. Соответственно, не требуется радиатор охлаждения с высокой охлаждающей способностью.
[0147] В варианте №13 осуществления настоящего изобретения была рассмотрена схема с трехфазным выходом, однако в схемах, где количество выходных фаз увеличено до четырех и более, фазовые напряжения соответствующих фаз также могут быть поданы на выход по отдельности без короткого замыкания какого-либо из плавающих конденсаторов FC1-FC4. Данная схема, по сравнению со схемами существующего уровня техники, проиллюстрированными на фиг. 29(a) и фиг. 29(b), обладает также преимуществом в отношении выдерживаемого напряжения полупроводникового элемента, и тем преимуществом, что отсутствует полупроводниковый элемент, через который протекали бы токи всех трех фаз.
[0148] Вариант №14 осуществления настоящего изобретения.
Далее, на примере фиг. 26 будет рассмотрен многоуровневый силовой преобразователь, соответствующий варианту №14 осуществления настоящего изобретения. Конфигурация многоуровневого силового преобразователя в варианте №14 осуществления настоящего изобретения - это конфигурация, в которой для случая варианта №3 осуществления настоящего изобретения N=4 и М=3. В качестве схемы выбора напряжения применяют конфигурацию, показанную на фиг. 3(a).
[0149] Базовая схема содержит четвертые полупроводниковые элементы SU2.4-SU4.4, первые выводы которых соединены с выводами отрицательных электродов источников DCC2 и DCC4 постоянного тока в четной ступени из четырех последовательно соединенных источников DCC1-DCC4, и которые являются общими для трех фаз; полупроводниковые элементы SU2.1-SU2.3, SV2.1-SV2.3 и SW2.1-SW2.3, SU4.1-SU4.3, SV4.1-SV4.3 и SW4.1-SW4.3, с первого по третий, в трех фазах, которые включены последовательно, один за другим, между выводами положительных электродов источников DCC2 и DCC4 напряжения постоянного тока в четных ступенях и вторыми выводами четвертых полупроводниковых элементов S2.4-SU4.4; пятые полупроводниковые элементы SU2.5, SV2.5 и SW2.5, SU4.5, SV4.5 и SW4.5, первые выводы которых соединены с общими точками соединения первого и второго полупроводниковых элементов SU2.1, SU2.2, SV2.1, SV2.2, SW2.1, SW2.2, SU4.1, SU4.2, SV4.1, SV4.2, SW4.1 и SW4.2 в четных ступенях; первые полупроводниковые элементы SU1.1 и SU3.1, первые выводы которых соединены с выводами положительных электродов источников DCC1 и DCC3 напряжения постоянного тока в нечетных ступенях, и которые являются общими для трех фаз; полупроводниковые элементы SU1.2-SU1.4, SV1.2-SV1.4, SW1.2-SW1.4, SU3.2-SU3.4, SV3.2-SV34 и SW3.2-SW3.4, со второго по четвертый, в трех фазах, которые включены последовательно, один за другим, между вторыми выводами первых полупроводниковых элементов SU1.1, SU3.1 в нечетных ступенях и выводами отрицательных электродов источников DCC1 и DCC3 напряжения постоянного тока в нечетных ступенях; и шестые полупроводниковые элементы SU1.6, SV1.6, SW1.6, SU3.6, SV3.6 и SW3.6, в трех фазах, первые выводы которых соединены с общими точками соединения третьего и четвертого полупроводниковых элементов SU1.3, SU1.4, SV1.3, SV14, SW1.3, SU3.3, SU3.4, SV3.3, SV3.4, SW3.3 и SW3.4 в нечетных ступенях.
[0150] Плавающие конденсаторы FC2 и FC4 установлены между всеми пятыми полупроводниковыми элементами SU2.5, SV2.5, SW2.5, SU4.5, SV4.5, SW4.5 в четных ступенях и общими точками соединения третьего и четвертого полупроводниковых элементов SU2.3, SV2.3, SW2.3, SU2.4, SU4.3, SV4.3, SW4.3, SU4.4. Плавающие конденсаторы FC1 и FC3 установлены между общими точками соединения первого и второго полупроводниковых элементов SU1.1, SU1.2, SV1.2, SW1.2, SU3.1, SU3.2, SV3.2, SW3.2 в четных ступенях и всеми шестыми полупроводниковыми элементами SU1.6, SV1.6, SW1.6, SU3.6, SV3.6, SW3.6.
[0151] Схема выбора напряжения сконфигурирована из полупроводниковых элементов SU1-SU12, SV1-SV12 и SW1-SW12.
[0152] Путем управления каждым из напряжений источников DCC1, DCC2, DCC3 и DCC4 постоянного тока, так, чтобы они были равны 2Е, и управления напряжениями плавающих конденсаторов FC1, FC2, FC3 и FC4 так, чтобы они были равны Е, на выход могут быть поданы напряжения девяти уровней: 4Е, 3Е, 2Е, Е, О, -Е, -2Е, -3Е и -4Е.
[0153] В варианте №14 осуществления настоящего изобретения, аналогично варианту №13 осуществления настоящего изобретения возможна подача на выход напряжений (4Е, 3Е, 2Е, Е, 0, -Е, -2Е, -3Е и -4Е) через клеммы U, V и W, соответственно, без короткого замыкания какого-либо из плавающих конденсаторов FC1-FC4, и при этом управление, необходимое для подачи на выход напряжений 4Е, 3Е, 2Е, Е, 0, -Е, -2Е, -3Е и -4Е является более простым.
[0154] Схема, проиллюстрированная на фиг. 26, представляет собой конфигурацию, в которой дублирована схема, предложенная в варианте №7 осуществления настоящего изобретения и проиллюстрированная на фиг. 13.
[0155] Полупроводниковые элементы SU1 и SU2, SU3 и SU4, SU5 и SU6, SU7 и SU8, SV1 и SV2, SV3 и SV4, SV5 и SV6, SV7 и SV8, SW1 и SW2, SW3 и SW4, SW5 и SW6, и SW7 и SW8, показанные на фиг.26, соответствуют соответственно полупроводниковым элементам SU1 и SU2, SU3 и SU4, SV1 и SV2, SV3 и SV4, SW1 и SW2, и SW3 и SW4, проиллюстрированным на фиг. 13.
[0156] Соответственно, аналогично варианту №7 осуществления настоящего изобретения, максимальное значение напряжения, приложенного к схеме из последовательно соединенных полупроводниковых элементов, например полупроводниковых элементов SU1 и SU2 в установившемся состоянии равно 2Е, на каждом из них.
[0157] В варианте №14 осуществления настоящего изобретения была рассмотрена схема с трехфазным выходом, однако в схемах, где количество выходных фаз увеличено до четырех и более, фазовые напряжения соответствующих фаз также могут быть поданы на выход по отдельности без короткого замыкания какого-либо из плавающих конденсаторов FC1-FC4. Данная схема, по сравнению со схемами существующего уровня техники, проиллюстрированными на фиг. 29(a) и фиг. 29(b), обладает также преимуществом в отношении выдерживаемого напряжения полупроводникового элемента, и тем преимуществом, что отсутствует полупроводниковый элемент, через который протекали бы токи всех трех фаз.