專利名稱：開關(guān)單元及利用其切換多個電壓水平的變換器電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及變換器電路領(lǐng)域.本發(fā)明基于根據(jù)獨(dú)立權(quán)利要求的前序部分所述的開關(guān)單元以及用于切換多個電壓水平的變換器電路.背景技術(shù)如今，變換器電路被應(yīng)用于廣泛的功率電子應(yīng)用中。在此對這種變換器電路的要求一方面是在以常見方式連接在變換器電路上的交流電壓網(wǎng)的相處產(chǎn)生盡可能少的諧波，另一方面是利用盡可能少量的電子元件傳輸盡可能大的功率。在DE 692 05 413 T2中說明了一種用于切換多個開關(guān)電壓水平的適當(dāng)?shù)淖儞Q器電路，其中說明了具有開關(guān)組的開關(guān)單元，其中所述開關(guān)組具有第一和第二可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)和電容器.第一和第二可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)分別由具有以絕緣方 式布置的控制電極的雙極晶體管(IGBT-絕緣柵雙極晶體管(Insulated Gate Bipolartransistor)和與該雙極晶體管反并聯(lián)連接的二極管構(gòu)成。根據(jù)DE 692 05 413 T2所述的用于切換多個開關(guān)電壓水平的變換器電路的開關(guān)單元的問題在于，在工作期間在開關(guān)單元中所存儲的電能很高.因?yàn)殡娔鼙淮鎯υ陂_關(guān)單元的電容器中，所以電容器和功率半導(dǎo)體開關(guān)必須針對該電能、即針對耐壓強(qiáng)度(阻斷電壓)和/或電容來設(shè)計(jì)，但這決定了具有大結(jié)構(gòu)尺寸的電容器，所述電容器相應(yīng)地比 較昂貴.此外由于在結(jié)構(gòu)尺寸方面大的電容器，開關(guān)單元并從而還有 變換器電路需要大量空間，使得無法實(shí)現(xiàn)如對于很多應(yīng)用、例如對于牽引應(yīng)用所要求的空間節(jié)省的結(jié)構(gòu)，另外需要昂貴的且復(fù)雜的功率半導(dǎo)體開關(guān)，所述功率半導(dǎo)體開關(guān)具有高耐壓強(qiáng)度，此外使用在結(jié)構(gòu)尺 寸方面大的電容器造成高的安裝和維護(hù)耗費(fèi)。另外根據(jù)DE 692 05 413 T2所述的用于切換多個開關(guān)電壓水平的變換器電路由于僅僅使用具有以絕緣方式布置的控制電極的雙極晶體管作為可控功率半導(dǎo)體開關(guān)而對高電壓、特別是對過電壓敏感，并且此外具有很大的功功率損耗。發(fā)明內(nèi)容因此本發(fā)明的任務(wù)在于，說明一種開關(guān)單元，所述開關(guān)元件可以 以在其工作期間存儲盡可能少的電能并且節(jié)省空間的方式來實(shí)現(xiàn).此 外，本發(fā)明的任務(wù)是，說明一種用于切換多個電壓水平的變換器電路, 所述變換器電路同樣可以以在其工作期間存儲盡可能少的電能并節(jié)省 空間的方式來實(shí)現(xiàn)，在最大程度上對高電壓和故障狀態(tài)不敏感，并且 具有少的有功功率損耗.這些任務(wù)通過權(quán)利要求1和權(quán)利要求6的特征得以解決.在從屬權(quán) 利要求中說明本發(fā)明的有利改進(jìn)方案.本發(fā)明的開關(guān)單元包括開關(guān)組，其中開關(guān)組具有第一和第二可控 雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)和電容器.根據(jù)本發(fā)明，開關(guān)組還具有第三、第四、第五和第六可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)，其中第一可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)反串聯(lián)地與第二可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)連接，笫三可控雙 向功率半導(dǎo)體開關(guān)反串聯(lián)地與笫四可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)連接.此外電容器與第一可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)和第二可控雙向功率半導(dǎo)體 開關(guān)的連接點(diǎn)以及與第三可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)和第四可控雙向功 率半導(dǎo)體開關(guān)的連接點(diǎn)連接.此外笫五可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)與第一可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)和笫二可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)的連接點(diǎn) 以及與笫四可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)連接，其中第六可控雙向功率半 導(dǎo)體開關(guān)與第三可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)和笫四可控雙向功率半導(dǎo)體 開關(guān)的連接點(diǎn)以及與第二可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)連接，此外設(shè)有第 一電容性蓄能器和與該第一電容性蓄能器串聯(lián)連接的第二電容性蓄能 器，其中笫一可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)與第三可控雙向功率半導(dǎo)體開 關(guān)在笫一電容性蓄能器和笫二電容性蓄能器的連接點(diǎn)處相互連接.通 過可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)、電容器、兩個電容性蓄能器及其前述的 相互和彼此的連接，可以有利地使開關(guān)單元的所存儲的電能保持少， 其中各個可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)的耐壓強(qiáng)度或阻斷電壓有利地必須 只對應(yīng)于電容器的施加在該電容器上的最大電壓，并且因此各個可控 雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)在其阻斷電壓方面必須只依照該電壓來設(shè)計(jì)，由于開關(guān)單元的所存儲的電能總共少，所以該開關(guān)單元可以保持得小， 因?yàn)殚_關(guān)單元的電容器必須僅針對要存儲的所述小電能、即針對其耐 壓強(qiáng)度和/或其電容來設(shè)計(jì).由于電容器的由此產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)尺寸小，開 關(guān)單元需要很小的空間.此外由于小的結(jié)構(gòu)尺寸還可以保持安裝和維護(hù)耗費(fèi)小.用于切換多個電壓水平的本發(fā)明變換器電路(Umrichterschaltung)包括本發(fā)明開關(guān)單元并且還包括相開關(guān)單元， 其中相開關(guān)單元具有第一、第二、第三、第四、第五和第六可控雙向 功率半導(dǎo)體開關(guān)，且相開關(guān)單元的第一可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)串聯(lián)地與相開關(guān)單元的笫二可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)連接，相開關(guān)單元的 第三可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)串聯(lián)地與相開關(guān)單元的第四可控雙向功 率半導(dǎo)體開關(guān)連接，相開關(guān)單元的第五可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)與相 開關(guān)單元的第一可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)和第二可控雙向功率半導(dǎo)體 開關(guān)的連接點(diǎn)連接.此外相開關(guān)單元的第六可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān) 與相開關(guān)單元的第三可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)和第四可控雙向功率半 導(dǎo)體開關(guān)的連接點(diǎn)連接。此外，相開關(guān)單元的第一可控雙向功率半導(dǎo) 體開關(guān)與開關(guān)單元的第一電容性蓄能器連接，其中相開關(guān)單元的第二 可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)與開關(guān)單元的第六可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān) 和笫二可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)的連接點(diǎn)連接，另外相開關(guān)單元的第 四可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)與開關(guān)單元的第二電容性蓄能器連接，其中相開關(guān)單元的第三可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)與開關(guān)單元的第五可控 雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)和第四可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)的連接點(diǎn)連接.通過相開關(guān)單元的可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)和本發(fā)明的開關(guān)單元，可 以有利地使由此實(shí)現(xiàn)的變換器電路的所存儲的電能保持得少.由于變 換器電路的所存儲的電能總共少，所以該變換器電路可以保持得小， 并由此需要很小的空間.由此變換器電路特別適用于很多應(yīng)用，例如 牽引應(yīng)用.另外，該變換器電路通過開關(guān)單元和相開關(guān)單元利用與通 常的變換器電路相比較少數(shù)量的元件也足以達(dá)到開關(guān)電壓水平.此外 該變換器電路通過開關(guān)單元和相開關(guān)單元是非常耐壓的，并因此對高 電壓和故陣狀態(tài)不敏感，且具有總共較小的有功功率損耗.本發(fā)明的這些和其它任務(wù)、優(yōu)點(diǎn)和特征可結(jié)合附圖從本發(fā)明的優(yōu) 選實(shí)施形式的詳細(xì)說明得到.


圖l示出本發(fā)明開關(guān)單元的第一實(shí)施形式； 圖2示出本發(fā)明開關(guān)單元的第二實(shí)施形式；圖3示出本發(fā)明變換器電路的第一實(shí)施形式； 圖4示出本發(fā)明變換器電路的第二實(shí)施形式；和 圖5示出本發(fā)明變換器電路的第三實(shí)施形式.在困中所使用的附圖標(biāo)記及其含義在附困標(biāo)記表中集中列出.在 困中相同的部分原則上標(biāo)有相同的附圖標(biāo)記.所述實(shí)施形式僅用于舉 例地說明發(fā)明主題，并不具有限制作用.具體實(shí)施方式
在困l中示出了本發(fā)明開關(guān)單元的第一實(shí)施形式.其中開關(guān)單元具 有開關(guān)組l，其中開關(guān)組1具有第一和第二可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)2、 3和電容器25.根據(jù)本發(fā)明，開關(guān)組l還具有笫三、第四、第五和笫六 可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)4、 5、 6、 7，其中第一可控雙向功率半導(dǎo)體 開關(guān)2反串聯(lián)地與第二可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)3連接，第三可控雙向 功率半導(dǎo)體開關(guān)4反串聯(lián)地與第四可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)5連接.此 外開關(guān)組的電容器25與笫一可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)2和笫二可控雙 向功率半導(dǎo)體開關(guān)3的連接點(diǎn)以及與第三可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)4和 笫四可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)5的連接點(diǎn)連接，此外笫五可控雙向功率 半導(dǎo)體開關(guān)6與第一可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)2和第二可控雙向功率半 導(dǎo)體開關(guān)3的連接點(diǎn)以及與第四可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)5連接，其中 第六可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)7與第三可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)4和第 四可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)5的連接點(diǎn)以及與第二可控雙向功率半導(dǎo) 體開關(guān)3連接。此外設(shè)有第一電容性蓄能器和與該第一電容性蓄能器串 聯(lián)連接的笫二電容性蓄能器8、 9，其中第一可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)2 與第三可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)4在第一電容性蓄能器8和第二電容性 蓄能器9的連接點(diǎn)處相互連接.通過可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)2、 3、 4、 5、 6、 7、電容器25、兩個電容性蓄能器8、 9及其前述的相互和彼此的 連接，可以有利地使開關(guān)單元的所存儲的電能保持得少，其中各個可 控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)2、 3、 4、 5、 6、 7的耐壓強(qiáng)度或阻斷電壓必須 只對應(yīng)于電容器25的施加在該電容器25上的最大電壓，并且因此各個 可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)2、 3、 4、 5、 6、 7在阻斷電壓方面必須只依 照該電壓來設(shè)計(jì).由于開關(guān)單元的所存儲的電能總共少，所以該開關(guān) 單元可以保持得小，因?yàn)殚_關(guān)單元的電容器25必須只針對要存儲的所述小電能、即針對其耐壓強(qiáng)度和/或其電容來設(shè)計(jì).由于電容器25的由 此產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)尺寸較小，開關(guān)單元需要^^小的空間。此外由于小的結(jié) 構(gòu)尺寸還可以保持安裝和維護(hù)耗費(fèi)小.在圖2中示出本發(fā)明開關(guān)單元的第二實(shí)施形式，其中設(shè)有n個其它開關(guān)組l.l.....l.n，所述開關(guān)組分別具有第一、第二、第三和第四可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)20、 21、 22、 23和電容器24，其中n》1.在n個其它開關(guān)組l.l.....l.n中的每一個的情況下，電容器24與笫一可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)20以及與第二可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)21連接，其 中笫三可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)22與電容器24和第一可控雙向功率半 導(dǎo)體開關(guān)20的連接點(diǎn)以及與笫二可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)21連接.此 外第四可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)23與電容器24和第二可控雙向功率半 導(dǎo)體開關(guān)21的連接點(diǎn)以及與第一可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)20連接.因?yàn)楦鶕?jù)圖2， n個其它開關(guān)組l,l..... l.n中的每一個都是四極，所以n個其它開關(guān)組l.l.....l.n中的每一個都以鏈接的方式與分別相鄰的其它開關(guān)組l.l.....l.n連接，其中開關(guān)組l與第一其它開關(guān)組l.l連接，為了將開關(guān)組l與第一其它開關(guān)組l.l連接，開關(guān)組l的第六可控雙向功 率半導(dǎo)體開關(guān)7和第二可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)3的連接點(diǎn)與第一其它 開關(guān)組1.1的電容器24和第一可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)20的連接點(diǎn)連 接。此外開關(guān)組1的笫五可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)6和笫四可控雙向功 率半導(dǎo)體開關(guān)5的連接點(diǎn)與笫一其它開關(guān)組1.1的電容器24和笫二可控 雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)21的連接點(diǎn)連接.通過n個其它開關(guān)組l.l、 ... 、 l.n， 除了本發(fā)明開關(guān)單元的已經(jīng)提及的優(yōu)點(diǎn)外，還可以根據(jù)對其它開關(guān)組1.1..... l.n的數(shù)量n的選擇，在無需大的電路耗費(fèi)的情況下并且以少量組件實(shí)現(xiàn)附加的、即多個開關(guān)電壓水平.開關(guān)組l的第一、笫二、第三、第四、第五和第六可控雙向功率半 導(dǎo)體開關(guān)2、 3、 4、 5、 6、 7優(yōu)選地分別具有至少兩個可控雙向開關(guān)元 件，其中所述可控雙向開關(guān)元件串聯(lián)連接，因此可以有利地提高在相 應(yīng)的可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)2、 3、 4、 5、 6、 7上的要切換的電壓，此外其它開關(guān)組l.l.....l.n中的每一個的第一、第二、第三和第四可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)20、 21、 22、 23也可以分別具有至少兩個可控 雙向開關(guān)元件，其中于是所述可控雙向開關(guān)元件串聯(lián)連接.于是同樣 可以有利地提高在相應(yīng)的可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)20、 21、 22、 23上的要切換的電壓.因此關(guān)于圖1和困2的實(shí)施形式，對于開關(guān)羊元l的每 個可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)2、 3、 4、 5、 6、 7、 20、 21、 22、 23可設(shè) 想任意數(shù)量的可控雙向開關(guān)元件.在困3中示出了具有根據(jù)圖l的本發(fā)明開關(guān)單元l的本發(fā)明變換器 電路的第一實(shí)施形式.此外在根據(jù)困3的變換器電路中設(shè)有相開關(guān)單元 10，其中相開關(guān)單元10具有第一、第二、笫三、笫四、第五和第六可 控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)ll、 12、 13、 14、 15、 16，且相開關(guān)單元10的 第一可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)11串聯(lián)地與相開關(guān)單元10的第二可控雙 向功率半導(dǎo)體開關(guān)12連接，相開關(guān)單元10的笫三可控雙向功率半導(dǎo)體 開關(guān)13串聯(lián)地與相開關(guān)單元10的第四可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)14連 接，相開關(guān)單元10的第五可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)15與相開關(guān)單元10 的笫一可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)11和笫二可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)12 的連接點(diǎn)連接.此外相開關(guān)單元10的笫六可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)16 與相開關(guān)單元10的第三可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)13和第四可控雙向功 率半導(dǎo)體開關(guān)H的連接點(diǎn)連接.另外根據(jù)圖3的相開關(guān)單元10的笫一可 控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)11與開關(guān)單元1的第一電容性蓄能器8連接，其 中相開關(guān)單元10的第二可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)12與開關(guān)單元1的第 六可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)7和笫二可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)3的連接 點(diǎn)連接.另外相開關(guān)單元10的笫四可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)14與開關(guān) 單元1的第二電容性蓄能器9連接，其中相開關(guān)單元10的第三可控雙向 功率半導(dǎo)體開關(guān)13與開關(guān)單元1的第五可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)6和第 四可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)5的連接點(diǎn)連接.通過根據(jù)困3的前述變換 器電路，利用很少的組件數(shù)量有利地能實(shí)現(xiàn)多達(dá)五個開關(guān)電壓水平.在根據(jù)圖3的本發(fā)明變換器電路的前述第一實(shí)施形式的未示出的 替代變型方案中，設(shè)有根據(jù)圖2的本發(fā)明開關(guān)單元1.在這種情況下還 設(shè)有相開關(guān)單元IO，其中該相開關(guān)單元10具有第一、第二、第三、第 四、笫五和笫六可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)ll、 12、 13、 14、 15、 16，且相開關(guān)單元io的笫一可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)n串聯(lián)地與相開關(guān)單元10的第二可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)12連接，相開關(guān)單元10的第三可 控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)13串聯(lián)地與相開關(guān)單元10的笫四可控雙向功率 半導(dǎo)體開關(guān)14連接，相開關(guān)單元10的笫五可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)15 與相開關(guān)單元10的笫一和笫二可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)11、 12的連接點(diǎn)連接。此外相開關(guān)單元10的笫六可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)16與相開 關(guān)單元10的笫三和笫四可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)13、 14的連接點(diǎn)連接， 其中相開關(guān)單元10的第一可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)11與開關(guān)單元1的 第一電容性蓄能器8連接，且相開關(guān)單元10的笫二可控雙向功率半導(dǎo)體 開關(guān)12與笫n個其它開關(guān)組l.n的笫四可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)23和笫 一可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)20的連接點(diǎn)連接.另外相開關(guān)單元10的笫 四可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)14與開關(guān)單元1的第二電容性蓄能器9連 接，其中相開關(guān)單元10的第三可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)13與第n個其它 開關(guān)組l.n的笫三可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)22和第二可控雙向功率半導(dǎo) 體開關(guān)21的連接點(diǎn)連接。因此通過前述變換器電路，多個開關(guān)電壓水平是可能的，多個開關(guān)電壓水平特別是取決于其它開關(guān)組l.l.....l.n的數(shù)量n.通過相開關(guān)單元lO的可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)ll、 12、 13、 14、 15、 16和本發(fā)明開關(guān)單元1的可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)2、 3、 4、 5、 6、 7、 20、 21、 22、 23,可以有利地使由此實(shí)現(xiàn)的變換器電路的所存儲的 電能保持得少.由于變換器電路的所存儲的電能總共少，所以該變換 器電路可以保持得小，由此需要很小的空間.由此變換器電路特別適 用于4艮多應(yīng)用、例如牽引應(yīng)用.此外該變換器電路通過開關(guān)單元l和相 開關(guān)單元10利用與通常的變換器電路相比較少數(shù)量的元件足以實(shí)現(xiàn)開 關(guān)電壓水平.此外該變換器電路通過開關(guān)單元1和相開關(guān)單元10是非常 耐壓的，并因此對高電壓和故障狀態(tài)不敏感，且具有總共小的有功功 率損耗.優(yōu)選地，相開關(guān)單元10的第五和第六可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)15、 16相互連接，并因此形成特別是如圖3示范性示出的相R用的相端子.在對根據(jù)圖3的變換器電路的進(jìn)一步改進(jìn)中，但也可以結(jié)合變換器 電路的前述未示出的替代變型方案，在圖4中示出了本發(fā)明變換器電路 的笫二實(shí)施形式.其中相開關(guān)單元10具有第七和第八可控雙向功率半 導(dǎo)體開關(guān)17、 18和電容器19，其中相開關(guān)單元10的電容器19與相開關(guān) 單元10的第五和第六可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)15、 16連接.另外根據(jù) 圖4的相開關(guān)單元10的笫七可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)17與相開關(guān)單元 10的電容器19和相開關(guān)單元10的第五可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)15的連 接點(diǎn)連接，且相開關(guān)單元10的第八可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)18與相開關(guān)單元10的電容器19和相開關(guān)單元10的第六可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān) 16的連接點(diǎn)連接，其中相開關(guān)單元10的第七和第八可控雙向功率半導(dǎo) 體開關(guān)17、 18相互連接.通過根據(jù)圖4的前述變換器電路，利用很少的 組件數(shù)量有利地能實(shí)現(xiàn)多達(dá)十一個開關(guān)電壓水平.根據(jù)圖1和圖2的開關(guān)單元1的相應(yīng)的可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)2、 3、 4、 5、 6、 7、 20、 21、 22、 23和根據(jù)圖3、困4和困5的相開關(guān)單 元10的相應(yīng)的可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)15、 16、 17、 18優(yōu)選地由具有 以絕緣方式布置的控制電極的雙極晶體管(IGBT-絕緣柵雙極晶體管) 和與之反并聯(lián)連接的二極管構(gòu)成.另外根據(jù)圖3、圖4和圖5的相開關(guān) 單元10的相應(yīng)的可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)11、 12、 13、 14優(yōu)選地由具 有換流控制電極的集成晶閘管(IGCT)和與之反并聯(lián)連接的二極管構(gòu) 成，以便尤其能夠切換升高的電壓.但作為替代方案也可以設(shè)想，相 開關(guān)單元10的相應(yīng)的可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)11、 12、 13、 14同樣由 具有以絕緣方式布置的控制電極的雙極晶體管(IGBT-絕緣柵雙極晶體 管)和與之反并聯(lián)連接的二極管構(gòu)成.通常，相開關(guān)單元10的笫一、 笫二、笫三和笫四可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)11、 12、 13、 14優(yōu)選地分 別具有至少兩個可控雙向開關(guān)元件，其中所述可控雙向開關(guān)元件串聯(lián) 連接.因此可以有利地提高在相開關(guān)單元10的相應(yīng)的可控雙向功率半 導(dǎo)體開關(guān)ll、 12、 13、 H上的要切換的電壓.如前所述，相應(yīng)的開關(guān) 元件由具有以絕緣方式布置的控制電極的雙極晶體管(IGBT-絕緣柵雙 極晶體管)和與之反并聯(lián)連接的二極管構(gòu)成，或者由具有換流控制電 極的集成晶閘管(IGCT)和與之反并聯(lián)連接的二極管構(gòu)成.在對根據(jù)困4的變換器電路的進(jìn)一步改進(jìn)中，在圖5中示出了本 發(fā)明變換器電路的第三實(shí)施形式，根據(jù)困5的變換器電路有利地適用 于連接在多個相R、 S、 T上，其中僅僅示例性地示出僅用于連接在三 個相R、 S、 T上的根據(jù)困5的變換器電路，但通?？梢赃B接任意多個 相.為此通常為每個相R、 S、 T都設(shè)有相開關(guān)單元IO，如在困5中示 例性示出的.此外每個相開關(guān)單元10的第一可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān) ll與開關(guān)單元l的第一電容性蓄能器8連接，其中每個相開關(guān)單元IO 的笫二可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)12與開關(guān)單元1的笫六可控雙向功率 半導(dǎo)體開關(guān)7和笫二可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)3的連接點(diǎn)連接.另外 每個相開關(guān)單元10的第四可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)14與開關(guān)單元1的第二電容性蓄能器9連接，其中每個相開關(guān)單元10的第三可控雙向 功率半導(dǎo)體開關(guān)13與開關(guān)單元1的第五可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)6和 第四可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)5的連接點(diǎn)連接.在對上述詳細(xì)說明的未示出的變換器電路的進(jìn)一步改進(jìn)中，可以 設(shè)想，為了連接在多個、即通常任意多個相R、 S、 T上，首先再次為 每個相R、 S、 T設(shè)有相開關(guān)單元IO.與根據(jù)困5的變換器電路的實(shí)施 形式不同，于是每個相開關(guān)單元10的第一可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)n 與開關(guān)單元1的第一電容性蓄能器8連接，其中每個相開關(guān)單元10的 第二可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)12與第n個其它開關(guān)單元l.n的第四可 控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)23和笫一可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)20的連接 點(diǎn)連接.另外每個相開關(guān)單元10的第四可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)14 與開關(guān)單元1的第二電容性蓄能器9連接，其中每個相開關(guān)單元10的 第三可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)13與笫n個其它開關(guān)單元l.n的第三可 控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)22和笫二可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)21的連接 點(diǎn)連接.附圖標(biāo)記列表1開關(guān)組n個其它開關(guān)組2開關(guān)組的笫一可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)3開關(guān)組的第二可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)4開關(guān)組的第三可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)5開關(guān)組的笫四可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)6開關(guān)組的第五可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)7開關(guān)組的第六可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)8笫一電容性蓄能器9第二電容性蓄能器10相開關(guān)單元11相開關(guān)單元的第一可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)12相開關(guān)單元的第二可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)13相開關(guān)單元的第三可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)14相開關(guān)單元的第四可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)15相開關(guān)單元的第五可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)16相開關(guān)單元的第六可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)17相開關(guān)單元的第七可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)18相開關(guān)單元的第八可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)19相開關(guān)單元的電容器20n個其它開關(guān)組的第一可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)21n個其它開關(guān)組的笫二可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)22n個其它開關(guān)組的笫三可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)23n個其它開關(guān)組的笫四可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)24n個其它開關(guān)組的電容器25開關(guān)組的電容器
權(quán)利要求
1.具有開關(guān)組(1)的開關(guān)單元，其中所述開關(guān)組(1)具有第一和第二可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)(2、3)和電容器(25)，其特征在于，所述開關(guān)組(1)具有第三、第四、第五和第六可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)(4、5、6、7)，且第一可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)(2)反串聯(lián)地與第二可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)(3)連接，第三可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)(4)反串聯(lián)地與第四可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)(5)連接，所述電容器(25)與第一可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)(2)和第二可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)(3)的連接點(diǎn)以及與第三可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)(4)和第四可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)(5)的連接點(diǎn)連接，第五可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)(6)與第一可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)(2)和第二可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)(3)的連接點(diǎn)以及與第四可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)(5)連接，第六可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)(7)與第三可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)(4)和第四可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)(5)的連接點(diǎn)以及與第二可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)(3)連接，設(shè)有第一電容性蓄能器和與所述第一電容性蓄能器串聯(lián)連接的第二電容性蓄能器(8、9)，和第一可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)(2)與第三可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)(4)在第一電容性蓄能器(8)和第二電容性蓄能器(9)的連接點(diǎn)處相互連接。
2. 如權(quán)利要求1所述的開關(guān)單元，其特征在于，設(shè)有n個其它開關(guān)組(l.l.....l.n),所述n個其它開關(guān)組分別具有第一、笫二、第三和第四可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)(20、 21、 22、 23)和電容器(24),其中11>1,并且在n個其它開關(guān)組(1.1.....l.n)中的每一個的情況下，電容器(24)與笫一可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)(20)且與第二可 控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)(21)連接，第三可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)(22 ) 與電容器(24)和第一可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)(20)的連接點(diǎn)以及 與第二可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)(21)連接，第四可控雙向功率半導(dǎo) 體開關(guān)(23)與電容器(24)和第二可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)(21) 的連接點(diǎn)以及與第一可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)(20)連接，n個其它開關(guān)組(l.l、…、l.n)中的每一個以鏈接的方式與分別相鄰的其它開關(guān)組(1.1..... l.n)連接，和開關(guān)組(1)與第一其它開關(guān)組(1.1)連接.
3. 如權(quán)利要求2所迷的開關(guān)單元，其特征在于，開關(guān)組(l)的第 六可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)(7)和第二可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)(3) 的連接點(diǎn)與第一其它開關(guān)組(1.1)的電容器(24)和第一可控雙向功 率半導(dǎo)體開關(guān)(20)的連接點(diǎn)連接，和開關(guān)組(1)的第五可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)(6)和第四可控雙 向功率半導(dǎo)體開關(guān)(5)的連接點(diǎn)與第一其它開關(guān)組(1.1)的電容器(24) 和笫二可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)(21)的連接點(diǎn)連接.
4. 如權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的開關(guān)單元，其特征在于，開 關(guān)組(1)的第一、笫二、第三、第四、第五和第六可控雙向功率半導(dǎo) 體開關(guān)(2、 3、 4、 5、 6、 7)分別具有至少兩個可控雙向開關(guān)元件， 其中所述可控雙向開關(guān)元件串聯(lián)連接.
5. 如權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所迷的開關(guān)單元，其特征在于，n個其它開關(guān)組(l.l.....l.n)中的每一個的笫一、第二、第三和笫四可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)(20、 21、 22、 23)分別具有至少兩個可控 雙向開關(guān)元件，其中所述可控雙向開關(guān)元件串聯(lián)連接.
6. 用于切換多個電壓水平的變換器電路，其特征在于，設(shè)有根據(jù)權(quán) 利要求l的開關(guān)單元(1)和相開關(guān)單元(10)，其中所述相開關(guān)單元(IO)具有第一、第二、第三、第四、第五和第六可控雙向功率半導(dǎo) 體開關(guān)(11、 12、 13、 14、 15、 16),且所述相開關(guān)單元(10)的第 一可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)(11)串聯(lián)地與所述相開關(guān)單元(10)的 第二可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)(12)連接，所述相開關(guān)單元(10)的 第三可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)(13)串聯(lián)地與所述相開關(guān)單元(10) 的第四可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)(14)連接，所迷相開關(guān)單元(10) 的笫五可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)(15)與所述相開關(guān)單元(10)的第 一可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)(11 )和第二可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)(12 ) 的連接點(diǎn)連接，所述相開關(guān)單元(10)的第六可控雙向功率半導(dǎo)體開 關(guān)(16)與所述相開關(guān)單元(10)的第三可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)(13 ) 和第四可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)(14)的連接點(diǎn)連接，所述相開關(guān)單元(10)的第一可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)(11)與 所述開關(guān)單元U)的第一電容性蓄能器(8)連接，所述相開關(guān)單元(10)的第二可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)(12)與 所述開關(guān)單元(1)的第六可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)(7)和第二可控 雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)(3)的連接點(diǎn)連接，所述相開關(guān)單元(10)的第四可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)(14)與 所述開關(guān)單元(1)的第二電容性蓄能器(9)連接，和所述相開關(guān)單元(10)的第三可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)(13)與 所述開關(guān)單元(1)的第五可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)(6)和第四可控 雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)(5)的連接點(diǎn)連接，
7. 用于切換多個電壓水平的變換器電路，其特征在于，設(shè)有根據(jù)權(quán) 利要求2的開關(guān)單元(1)和相開關(guān)單元(10),其中所述相開關(guān)單元(IO)具有第一、第二、第三、第四、第五和第六可控雙向功率半導(dǎo) 體開關(guān)(11、 12、 13、 14、 15、 16),且所述相開關(guān)單元(10)的笫 一可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)(11)串聯(lián)地與所述相開關(guān)單元(10)的 第二可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)(12)連接，所述相開關(guān)單元(10)的 第三可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)(13)串聯(lián)地與所述相開關(guān)單元(10) 的笫四可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)(14)連接，所述相開關(guān)單元(10) 的笫五可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)(15)與所述相開關(guān)單元(10)的第 一和第二可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)(11、 12)的連接點(diǎn)連接，所述相 開關(guān)單元(10)的笫六可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)(16)與所述相開關(guān) 單元(10)的第三和第四可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)(13、 14)的連接 點(diǎn)連接，所述相開關(guān)單元(10)的笫一可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)(11)與 所述開關(guān)單元(1)的第一電容性蓄能器(8)連接，所述相開關(guān)單元(10)的第二可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)(12)與 笫n個其它開關(guān)單元(l.n)的笫四可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)(23)和 第一可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)(20)的連接點(diǎn)連接，所述相開關(guān)單元(10)的笫四可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)(14)與 所述開關(guān)單元(1)的第二電容性蓄能器(9)連接，和所迷相開關(guān)單元(10)的笫三可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)(13)與 第n個其它開關(guān)單元(l.n)的第三可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)(22)和 第二可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)(21)的連接點(diǎn)連接.
8. 如權(quán)利要求6或7所述的變換器電路，其特征在于，所述相開關(guān)單元(10)的第五和第六可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)(15、 16)相互 連接.
9. 如權(quán)利要求6或7所述的變換器電路，其特征在于，所述相開 關(guān)單元(10)具有第七和第八可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)(17、 18)和 電容器(19)，所述相開關(guān)單元(10)的電容器(19)與所述相開關(guān)單元(10) 的第五和第六可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)(15、 16)連接，所述相開關(guān)單元(10)的第七可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)(17)與 所述相開關(guān)單元(10)的電容器(19)和所述相開關(guān)單元(10)的笫 五可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)(15)的連接點(diǎn)連接，且所述相開關(guān)單元 (10)的第八可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)(18)與所述相開關(guān)單元(10) 的電容器(19)和所述相開關(guān)單元(10)的第六可控雙向功率半導(dǎo)體 開關(guān)(16)的連接點(diǎn)連接，和所述相開關(guān)單元(10)的第七和第八可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)(17、 18)相互連接.
10. 如權(quán)利要求6所述的變換器電路，其特征在于，為每一相(R、 S、 T)都設(shè)有相開關(guān)單元(10)，每個相開關(guān)單元(10)的第一可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)(11)與 所述開關(guān)單元(1)的第一電容性蓄能器(8)連接，和每個相開關(guān)單元(10)的第二可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)(12)與 所述開關(guān)單元(1)的第六可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)(7)和笫二可控 雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)(3)的連接點(diǎn)連接，每個相開關(guān)單元(10)的第四可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)(14)與 所述開關(guān)單元(1)的第二電容性蓄能器(9)連接，和每個相開關(guān)單元(10)的第三可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)(13)與 所述開關(guān)單元(1)的第五可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)(6)和第四可控 雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)(5)的連接點(diǎn)連接.
11. 如權(quán)利要求7所述的變換器電路，其特征在于，為每一相(R、 S、 T)都設(shè)有相開關(guān)單元(10)，每個相開關(guān)單元(10)的笫一可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)(11)與 所述開關(guān)單元O)的第一電容性蓄能器(8)連接，和每個相開關(guān)單元(10)的笫二可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)(12)與第n個其它開關(guān)單元(l.n)的第四可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)(23)和 第一可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)(20)的連接點(diǎn)連接，每個相開關(guān)單元(10)的第四可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)(14)與 所述開關(guān)單元(1)的第二電容性蓄能器(9)連接，和每個相開關(guān)單元(10)的第三可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)(13)與 笫n個其它開關(guān)單元(l.n)的笫三可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)(22)和 第二可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)(21)的連接點(diǎn)連接。
12.如權(quán)利要求6至U中任一項(xiàng)所述的變換器電路，其特征在于， 所述相開關(guān)單元(10)的第一、第二、笫三和第四可控雙向功率半導(dǎo) 體開關(guān)(11、 12、 13、 14)分別具有至少兩個可控雙向開關(guān)元件，其 中所述可控雙向開關(guān)元件串聯(lián)連接.
全文摘要
本發(fā)明涉及開關(guān)單元和利用其切換多個電壓水平的變換器電路，開關(guān)單元有包括第一、第二、第三、第四、第五和第六可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)的開關(guān)組，第一與第二可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)反串聯(lián)，第三與第四可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)反串聯(lián)，電容器與第一和第二可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)的連接點(diǎn)及與第三和第四可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)的連接點(diǎn)連接，第五與第四可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)連接且與第一和第二可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)的連接點(diǎn)連接，第六與第二可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)連接且與第三和第四可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)的連接點(diǎn)連接。設(shè)有第一和與之串聯(lián)的第二電容性蓄能器，第一與第三可控雙向功率半導(dǎo)體開關(guān)在第一和第二電容性蓄能器的連接點(diǎn)處相互連接。
文檔編號H02M1/00GK101277055SQ20081008847
公開日2008年10月1日 申請日期2008年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月30日
發(fā)明者P·巴博薩, P·斯泰默, T·喬德休里 申請人:Abb研究有限公司