JP4540714B2

JP4540714B2 - 複数のスイッチング電圧レベルのスイッチングのためのコンバータ回路

Info

Publication number: JP4540714B2
Application number: JP2007541620A
Authority: JP
Inventors: シュタイマー、ペーター; バルボサ、ペーター; メイサーン、リュック
Original assignee: Abb Research Ltd
Current assignee: Abb Research Ltd
Priority date: 2004-11-22
Filing date: 2004-11-22
Publication date: 2010-09-08
Anticipated expiration: 2024-11-22
Also published as: WO2006053448A1; CN100521489C; JP2008521371A; CN101061629A; CA2587421C; US20070235293A1; US7443698B2; CN101065706B; PL1815586T3; EP1815586A1; CA2587421A1; HK1105250A1; CN101065706A; EP1815586B1

Description

本発明は、パワー・エレクトロニクスの分野に係り、特に、独立クレームの前提部分に記載されているような、複数のスイッチング電圧レベルのスイッチングのためのコンバータ回路に係る。

今日、コンバータ回路の多くが、パワー・エレクトロニクスの用途のために使用されている。このケースにおいて、このようなコンバータ回路に対する要求は、一方においては、通常コンバータ回路に接続されている電気的交流電力供給システムの相の中に、高調波を可能な限り発生させないことであり、もう一方においては、可能な限り少ない数の電子的コンポーネントを用いて、可能な限り高い電力レベルを伝送することである。

複数のスイッチング電圧レベルのスイッチングのための、一つの適切なコンバータ回路が、独国特許発明第 DE 692 05 413 T2 号明細書に規定されている。この文献においては、ｎ個の第一スイッチング・グループが各相に対して設けられていて、その第ｎの第一スイッチング・グループは、第一の電力半導体スイッチ及び第二の電力半導体スイッチにより構成され、そして、第一の第一スイッチング・グループから第（ｎ−１）の第一スイッチング・グループまでは、第一の電力半導体スイッチ、及び第二の電力半導体スイッチ、及び第一の電力半導体スイッチ及び第二の電力半導体スイッチに接続されたキャパシタによりそれぞれ構成され、ここで、ｎ≧２である。ｎ個の第一スイッチング・グループのそれぞれは、それぞれ隣接する第一スイッチング・グループに対して並列に接続され、第一の第一スイッチング・グループの中の第一及び第二の電力半導体スイッチは、互いに接続されている。第一の電力半導体スイッチ及び第二の電力半導体スイッチは、絶縁された形態で配置された駆動ダイオードを備えたバイポーラ・トランジスタ（ＩＧＢＴ：絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ）、及びそのバイポーラ・トランジスタに逆並列に接続されたダイオードにより、それぞれ構成されている。

複数のスイッチング電圧レベルのスイッチングのためのコンバータ回路に関する一つの問題は、上記の DE 692 05 413 T2 によれば、運転中に、コンバータ回路の中に貯えられる電気的エネルギーが、非常に大きいことである。電気的エネルギーが、コンバータ回路のｎ個の第一スイッチング・グループの中のキャパシタの中に貯えられるので、キャパシタは、この電気的エネルギーに対してデザインされなければならない。換言すれば、それらの耐電圧および／またはそれらのキャパシタンスがそのようにデザインされなければならない。しかしながら、このことは、物理的に大きいキャパシタをもたらし、それに応じて、値段が高くなる。

更に、キャパシタが大きい物理的なサイズを有しているので、コンバータ回路が、大きなスペースを必要とし、その結果、例えばトラクション（traction）の用途などの、多くの用途のために要求される省スペース・デザインが、不可能になる。更に、大きい物理的なサイズを有するキャパシタの使用は、組立て及びメインテナンス・コストの増大をもたらす。
独国特許発明第 DE 692 05 413 T2 号明細書

本発明の目的は、それ故に、複数のスイッチング電圧レベルのスイッチングのためのコンバータ回路を規定することにあり、このコンバータ回路は、その運転中に貯えられる電気的エネルギーが可能な限り少なく、且つ省スペースのやり方で製造することが可能なものである。

この目的は、請求項１の特徴部分によって実現される。本発明の好ましい展開は、従属クレームの中に規定されている。

本発明に基づく、複数のスイッチング電圧レベルのスイッチングのためのコンバータ回路は、各相に対してｎ個の第一スイッチング・グループを有している。第ｎの第一スイッチング・グループは、第一の駆動可能な双方向性の電力半導体スイッチ及び第二の駆動可能な双方向性の電力半導体スイッチにより構成され、第一の第一スイッチング・グループから第（ｎ−１）の第一スイッチング・グループまでは、第一の駆動可能な双方向性の電力半導体スイッチ、及び第二の駆動可能な双方向性の電力半導体スイッチ、及び第一及び第二の駆動可能な双方向性の電力半導体スイッチに接続されたキャパシタによりそれぞれ構成されている。

複数の第一スイッチング・グループが存在するときには、ｎ個の第一スイッチング・グループのそれぞれが、それぞれ隣接する第一スイッチング・グループにリンクされた形態で接続され、第一の第一スイッチング・グループの中の第一及び第二の駆動可能な双方向性の電力半導体スイッチは、互いに接続される。

本発明によれば、ｍ≧１で、且つ、ｐ個の第二スイッチング・グループ及びｐ個の第三スイッチング・グループが設けられ、それらは、第一の駆動可能な双方向性の電力半導体スイッチ、第二の駆動可能な双方向性の電力半導体スイッチ、及びキャパシタをそれぞれ有し、ここで、ｐ≧１である。複数の第二スイッチング・グループがあるとき、第二スイッチング・グループのそれぞれは、それぞれ隣接する第三スイッチング・グループにリンクされた形態で接続される。

更に、第一の第二及び第一の第三スイッチング・グループは、それぞれの第二の駆動可能な双方向性の電力半導体スイッチに対して逆直列に接続された第三の駆動可能な双方向性の電力半導体スイッチをそれぞれ有し、第一の第二スイッチング・グループは、第ｎの第一スイッチング・グループの中の第一の駆動可能な双方向性の電力半導体スイッチに接続され、第一の第三スイッチング・グループは、第ｎの第一スイッチング・グループの中の第二の駆動可能な双方向性の電力半導体スイッチに接続されている。更に、第ｐの第二スイッチング・グループの中のキャパシタは、第ｐの第三スイッチング・グループの中のキャパシタに直列に接続されている。

設けられたｐ個の第二スイッチング・グループ及びｐ個の第三スイッチング・グループ、並びに以上で述べたようなそれらの接続は、次のことを意味している：本発明に基づくコンバータ回路の運転の間、例えば、ｐ個の第二スイッチング・グループは、ポイジティブの半サイクルの中においてのみ相アウトプットＡＣ電圧に関係し、そして、ｐ個の第三スイッチング・グループは、ネガティブの半サイクルの間においてのみ相アウトプットＡＣ電圧に関係する。このことは、好ましくも、コンバータ回路の中に、特に、ｐ個の第二及び第三スイッチング・グループの中のキャパシタの中に、貯えられる電気的エネルギーの量を減少させることを可能にする。

更に、ｎ個の第一スイッチング・グループは、相アウトプットＡＣ電圧のバランスを取るためのみに使用され、それによって、複数の第一スイッチング・グループが存在するとき、ｎ個の第一スイッチング・グループの中のキャパシタは、バランス状態において、電流を実質的に運ぶことがなくなり、それ故にまた、電気的エネルギーを実質的に貯えることがなくなる。このことは、コンバータ回路の中に貯えられる電気的エネルギーの合計量を低く保つことを可能にし、それによって、コンバータ回路の中のキャパシタは、貯えられる少ない量の電気的エネルギーに対してのみ、換言すればそれらの耐電圧および／またはそれらのキャパシタンス対してのみ、デザインされることが必要となる。

キャパシタの小さな物理的サイズの結果、コンバータ回路は、非常に小さいスペースしか必要としない。かくして、好ましくも、例えばトラクションの用途などの、多くの用途のために必要とされる省スペース・デザインが可能になる。更に、キャパシタの小さな物理的サイズはまた、組立て及びメインテナンス・コストを低く抑えることを、好ましくも可能にする。

本発明のこれらの及び更なる目的、利点及び特徴は、図面を参照しながらなされる本発明の好ましい例示的な実施形態の以下の詳細な説明から明らかになる。

図面の中で使用されている参照符号及びそれらの意味は、参照符号のリストの中に、まとめられた状態で挙げられている。これらの図面の中で、原則として、同一の部分には、同一の参照符号が与えられている。ここに記載された実施形態は、本発明の主題の例を示したものであって、本発明を限定するものではない。

図１に、複数のスイッチング電圧レベルのスイッチングのための、本発明に基づくコンバータ回路の一つの実施形態、特に、単相の実施形態を示す。

このケースにおいて、コンバータ回路は、各相Ｒ，Ｙ，Ｂに対して設けられたｎ個の第一スイッチング・グループ 1.1, ..., 1.n を有している。第ｎの第一スイッチング・グループ 1.n は、第一の駆動可能な双方向性の電力半導体スイッチ２及び第二の駆動可能な双方向性の電力半導体スイッチ３により構成されている。第一の第一スイッチング・グループ 1.1 から第（ｎ−１）の第一スイッチング・グループ（1.（n-1））までは、第一の駆動可能な双方向性の電力半導体スイッチ２、及び第二の駆動可能な双方向性の電力半導体スイッチ３、及び第一及び第二の駆動可能な双方向性の電力半導体スイッチ２，３に接続されたキャパシタ４によりそれぞれ構成されている。このケースにおいて、本発明によれば、ｎ≧１であって、且つ、ｎ個の第一スイッチング・グループ 1.1, ..., 1.n のそれぞれは、それぞれ隣接する第一スイッチング・グループ 1.1, ..., 1.n にリンクされた形態で接続されている。図１から分かるように、第一の第一スイッチング・グループ 1.1 の中の、第一及び第二の駆動可能な双方向性の電力半導体スイッチ２，３は、互いに接続されている。第一の第一スイッチング・グループ 1.1 の中の、第一の電力半導体スイッチ及び第二の電力半導体スイッチ２，３の接続ポイントは、図１において特に相Ｒに示されているように、相接続を構成する。

本発明によれば、ｐ個の第二スイッチング・グループ 5.1, ..., 5.p、及びｐ個の第三スイッチング・グループ 6.1, ..., 6.p が、今や設けられ、そのそれぞれは、第一の駆動可能な双方向性の電力半導体スイッチ７，８、第二の駆動可能な双方向性の電力半導体スイッチ９，１０、及びキャパシタ１３，１４を有し、ここで、ｐ≧１である。図１に示されているように、ｐ個の第二スイッチング・グループ 5.1, ..., 5.p のそれぞれ、及びｐ個の第三スイッチング・グループ 6.1, ..., 6.p のそれぞれの両者は、４極（four-pole）ネットワークを表しているので、ｐ個の第二スイッチング・グループ 5.1, ..., 5.p のそれぞれは、４極ネットワーク理論に基づいて、それぞれ隣接する第二スイッチング・グループ 5.1, ..., 5.p にリンクされた形態で接続されている。

更に、ｐ個の第三スイッチング・グループ 6.1, ..., 6.p のそれぞれは、４極ネットワーク理論に基づいて、それぞれ隣接する第三スイッチング・グループ 6.1, ..., 6.p にリンクされた形態で接続されている。更に、第一の第二スイッチング・グループ 5.1、及び第一の第三スイッチング・グループ 6.1 は、第三の駆動可能な双方向性の電力半導体スイッチ１１，１２をそれぞれ有し、それらのスイッチ１１，１２は、それぞれの第二の駆動可能な双方向性の電力半導体スイッチ９，１０，に逆直列に接続されている。第一の第二スイッチング・グループ 5.1 は、第ｎの第一スイッチング・グループ 1.n の中の、第一の駆動可能な双方向性の電力半導体スイッチ２に接続され、第一の第三スイッチング・グループ 6.1 は、第ｎの第一スイッチング・グループ 1.n の中の、第二の駆動可能な双方向性の電力半導体スイッチ３に接続されている。最後に、第ｐの第二スイッチング・グループ 5.p の中のキャパシタ１３は、第ｐの第三スイッチング・グループ 6.p の中のキャパシタ１４に直列に接続されている。

本発明に基づくコンバータ回路の運転の間、例えば、ｐ個の第二スイッチング・グループ 5.1, ..., 5.p は、ポイジティブの半サイクルの間でのみ、相アウトプットＡＣ電圧に関係し、そして、ｐ個の第三のスイッチング・グループ 6.1, ..., 6.p は、ネガティブの半サイクルの間でのみ、相アウトプットＡＣ電圧に関係する。それは、設けられたｐ個の第二スイッチング・グループ 5.1, ..., 5.p 及びｐ個の第三のスイッチング・グループ 6.1, ..., 6.p により、及び、互いへの、互いの間の及び第ｎの第一スイッチング・グループ 1.n への上記の接続によりによるものである。このことは、コンバータ回路の中に、特に、ｐ個の第二及び第三スイッチング・グループ 5.1, ..., 5.p; 6.1, ..., 6.p の中のキャパシタ１３，１４の中に貯えられる電気的エネルギーを、好ましくも、減少させることを可能にする。

更に、ｎ個の第一スイッチング・グループ 1.1, ..., 1.n は、相アウトプットＡＣ電圧のバランスを取るためにのみ使用され、それによって、ｎ個の第一スイッチング・グループ 1.1, 1.n の中のキャパシタ４は、実質的に電流を運ぶことがなくなり、それ故にまた、相アウトプットＡＣ電圧がバランス状態にあるとき、電気的エネルギーが実質的に貯えられることがなくなる。このことは、本発明に基づくコンバータ回路の中に貯えられる電気的エネルギーの合計量を低く抑えることを可能にし、それによって、コンバータ回路の中のキャパシタ４，１３，１４は、少ない量の貯えられる電気的エネルギーに対してのみ、換言すれば、それらの耐電圧および／またはそれらのャパシタンスに対してのみ、デザインされることが必要となる。キャパシタ４，１３，１４の小さな物理的サイズの結果、コンバータ回路は、最小の量のスペースしか必要とせず、かくして、例えばトラクションの用途などのような多くの用途のために要求される省スペース・デザインを好ましくも可能にする。更に、キャパシタ４，１３，１４の小さい物理的サイズはまた、組立て及びメインテナンス・コストを低く抑えることを、好ましくも可能にする。

ここで留意すべきことは、第二及び第三の駆動可能な双方向性の電力半導体スイッチ９，１０，１１，１２の逆直列接続とは、第二及び第三の駆動可能な双方向性の電力半導体スイッチ９，１０，１１，１２が、互いに逆方向の、制御された主なる電流の流れる方向を、それぞれ有していることを意味していると、理解すべきでことである。

図１に示されているように、第ｎの第一スイッチング・ユニット 1.n は、第ｎの第一スイッチング・グループ 1.n の中の第一及び第二の駆動可能な双方向性の電力半導体スイッチ２，３に接続されたキャパシタ４を有し、第一の第二スイッチング・グループ 5.1 は、第ｎの第一スイッチング・グループ 1.n の中のキャパシタ４に接続され、そして、第一の第三スイッチング・グループ 6.1 は、第ｎの第一スイッチング・グループ 1.n の中のキャパシタ４に接続されている。第ｎの第一スイッチング・グループ 1.n の中のキャパシタ４は、特に、所望の相アウトプット電圧がＯＶであるときに、この相アウトプット電圧が安定化されることが可能であり、かくして、問題無く、干渉効果無く、実施可能であることを、好ましくも意味している。第ｎの第一スイッチング・グループ 1.n の中のキャパシタ４は、電圧制限のためおよび／または電圧安定のためのみに使用され、それ故に、電圧源とみなされるべきではない。

図１に示されているように、第一の第二スイッチング・グループ 5.1 の中の、第一及び第二の駆動可能な双方向性の電力半導体スイッチ７，９は、互いに接続され、第一の第二スイッチング・グループ 5.1 の中の第一及び第二の駆動可能な双方向性の電力半導体スイッチ７，９の接続ポイントは、第ｎの第一スイッチング・グループ 1.n の中のキャパシタ４と、第ｎの第一スイッチング・グループ 1.n の中の第一の駆動可能な双方向性の電力半導体スイッチ２との接続ポイントに、接続される。

更に、第一の第三スイッチング・グループ 6.1 の中の、第一及び第三の駆動可能な双方向性の電力半導体スイッチ８，１２は、互いに接続され、第一の第三スイッチング・グループ 6.1 の中の、第一及び第三の駆動可能な双方向性の電力半導体スイッチ８，１２の接続ポイントは、第ｎの第一スイッチング・グループ 1.n の中のキャパシタ４と、第ｎの第一スイッチング・グループ 1.n の中の第二の駆動可能な双方向性の電力半導体スイッチ３との接続ポイントに、接続される。

図１に示されているように、第一の第二スイッチング・グループ 5.1 の場合には、第一及び第三の駆動可能な双方向性の電力半導体スイッチ７，１１は、第一の第二スイッチング・グループ 5.1 の中のキャパシタ１３に接続される。更に、第一の第三スイッチング・グループ 6.1 の場合には、第一及び第二の駆動可能な双方向性の電力半導体スイッチ８，１０は、第一の第三スイッチング・グループ 6.1 の中のキャパシタ１４に接続される。

更に、第二の第二から第ｐまでの第二スイッチング・グループ 5.2, ..., 5.p の場合には、及び、第二の第三から第ｐまでの第三スイッチング・グループ 6.2, ..., 6.p の場合には、第一及び第二の駆動可能な双方向性の電力半導体スイッチ７，９,８，１０は、対応するスイッチング・グループ 5.2, ..., 5.p; 6.2, ..., 6.p の中のキャパシタ１３，１４にそれぞれ接続される。

ｎ個の第一スイッチング・グループ 1.1, ..., 1.n の総数が、ｐ個の第二及び第三スイッチング・グループ 5.1, ..., 5.p; 6.1, ..., 6.p の総数に対応することが可能である。一般的に、（２ｎ＋１）個のスイッチング電圧レベルは、それ故に、好ましくも、本発明に基づくコンバータ回路によって、切り替えられることが可能である。

それに代って、ｎ個の第一スイッチング・グループ 1.1, ..., 1.n の総数が、ｐ個の第二及び第三スイッチング・グループ 5.1, ..., 5.p; 6.1, ..., 6.p の総数よりも小さいこともまた可能である。このことは、僅かな数の第一スイッチング・グループ 1.1, ..., 1.n 、そしてそれ故に、僅かな数の第一及び第二の電力半導体スイッチ２，３及び僅かな数のキャパシタ４が、必要とされることを、好ましくも意味していて、そしてそれ故に、本発明に基づくコンバータ回路のために要求されるスペースが、更に減らされることが可能であることを、全体として、意味している。

更に、ｎ個の第一スイッチング・グループ 1.1, ..., 1.n の総数が、ｐ個の第二及び第三スイッチング・グループ 5.1, ..., 5.p; 6.1, .., 6.p の総数よりも大きいこともまた可能である。

一般的に、本発明に基づくコンバータ回路の場合には、ｎ個の第一スイッチング・グループ 1.1, ..., 1.n 及びｐ個の第二及び第三スイッチング・グループ 5.1, ..., 5.p; 6.1, ..., 6.p の中の、それぞれの第一、第二及び第三の駆動可能な双方向性の電力半導体スイッチ２，３，７，８，９，１０，１１，１２は、電流を一方向に運ぶ駆動可能な電力半導体コンポーネント（例えば、絶縁された形態で配置された駆動ダイオードを備えたバイポーラ・トランジスタ）（ＩＧＢＴ - Insulated Gate Bipolar transistor）、及び、それに逆並列に接続され、電流を一方向に運ぶ受動的な駆動できない電力半導体コンポーネント（例えばダイオード）により構成される。

図１に示されているように、それぞれのスイッチング・グループ 1.1, ..., 1.n; 5.1, ..., 5.p; 6.1, ..., 6.p の中の、第一及び第二の駆動可能な双方向性の電力半導体スイッチ２，３，７，８，９，１０は、それらが、逆向きの制御された主なる電流の流れる方向を持つように、接続され、換言すれば、電流が一方向に流される駆動可能な電力半導体コンポーネントがそれぞれ、互いに逆向きの制御された主なる電流の流れる方向を有するように、接続される。

更に、第一の第二スイッチング・グループ 5.1 の場合には、及び第一の第三スイッチング・グループ 6.1 の場合には、先に述べたように、第三の駆動可能な双方向性の電力半導体スイッチ１１，１２は、それぞれの第二の駆動可能な双方向性の電力半導体スイッチ９，１０に逆直列に接続される。換言すれば、例えば図１に示されているように、第二及び第三の駆動可能な双方向性の電力半導体スイッチ９，１０，１１，１２の中の、受動的な駆動できない電力半導体コンポーネント（それらは、ダイオードの形態である）は、それらのアノードで互いに接続され、そして、駆動可能な電力半導体コンポーネント（それらはＩＧＢＴの形態である）は、それらのエミッタにより互いに接続される。

しかしながら、それぞれの第二の駆動可能な双方向性の電力半導体スイッチ９，１０が、第三の駆動可能な双方向性の電力半導体スイッチ１１，１２に対して逆直列に接続されることもまた可能であって、そのとき、第二及び第三の駆動可能な双方向性の電力半導体スイッチ９，１０，１１，１２の中の受動的な駆動できない電力半導体コンポーネント（ダイオードの形態のである）は、それらのカソードで互いに接続され、そして、駆動可能な電力半導体コンポーネント（ＩＧＢＴの形態である）は、それらのコレクタにより互いに接続される。

この電気回路は、図３に示されているように、本発明に基づくコンバータ回路の第三の実施形態の中に、第一の第二スイッチング・グループ 5.1 の中の第二及び第三の駆動可能な双方向性の電力半導体スイッチ９，１１に対して、示されている。この第三の実施形態は、以下のテクストの中に、詳細に記載されている。この電気回路は、図１に示されているように、第一の実施形態の中で、それぞれのスイッチング・グループ 5.1, 6.1 の中の、第二及び第三の駆動可能な双方向性の電力半導体スイッチ９，１０，１１，１２のためのスペースを、入れ替えることと同等であり。ここで、運転の方法については、先に述べた第二及び第三の駆動可能な双方向性の電力半導体スイッチ９，１０，１１，１２の逆直列回路の場合と同一である。

有利な形態として見出されたところによれば、ｎ個の第一スイッチング・グループ 1.1, ..., 1.n の場合には、それぞれ隣接する第一スイッチング・グループ 1.1, ..., 1.n の中の、二つの第一の駆動可能な双方向性の電力半導体スイッチ２は、一つのモジュールに集積される。換言すれば、もし、複数の第一スイッチング・グループ 1.1, ..., 1.n がある場合には、第ｎの第一スイッチング・グループ 1.n の中の、第一の駆動可能な双方向性の電力半導体スイッチ２と、第（ｎ−１）の第一スイッチング・グループ 1.（n-1）の中の、第一の駆動可能な双方向性の電力半導体スイッチ２は、一つのモジュールに集積され、そして、第（ｎ−１）の第一スイッチング・グループ 1.（n-1）の中の、第一の駆動可能な双方向性の電力半導体スイッチ２と、第（ｎ−２）の第一スイッチング・グループ 1.（n-2）の中の、第一の駆動可能な双方向性の電力半導体スイッチ２は、一つのモジュールに集積され、他も同様に集積される。

更に、有利な形態として見出されたところによれば、それぞれ隣接する第一スイッチング・グループ 1.1, 1.n の中の、二つの第二の駆動可能な双方向性の電力半導体スイッチ３が、一つのモジュールに集積される。換言すれば、複数の第一スイッチング・グループ 1.1, ..., 1.n がある場合には、第ｎの第一スイッチング・グループ 1.n の中の第二の駆動可能な双方向性の電力半導体スイッチ３と、第（ｎ−１）の第一スイッチング・グループ 1.（n-1）の中の第二の駆動可能な双方向性の電力半導体スイッチ３は一つのモジュールに集積され、そして、第（ｎ−１）の第一スイッチング・グループ 1.（n-1）の中の第二の駆動可能な双方向性の電力半導体スイッチ３と、第（ｎ−２）の第一スイッチング・グループ 1.（n-2）の中の第二の駆動可能な双方向性の電力半導体スイッチ３は、一つのモジュールに集積され、他も同様に集積される。

以上で説明されたモジュールは、従来の標準的なハーフ・ブリッジ・モジュールであって、従って、シンプルなデザインを有し、信頼性が高く、また、低コストで入手可能である。

複数の第一スイッチング・グループ 1.1, ..., 1.n があるときには、ｎ個の第一スイッチング・グループ 1.1, 1.n のそれぞれの中の、第一の駆動可能な双方向性の電力半導体スイッチ２及び第二の駆動可能な双方向性の電力半導体スイッチ３が、一つのモジュールに集積されることもまた可能である。先に述べたように、このようなモジュールは、通常、標準的なハーフ・ブリッジ・モジュールであり、従って、シンプルなデザインを有し、信頼性が高く、更に、低コストで入手可能である。

更に、有利な形態として見出されたところによれば、もし、ｐ個の第二スイッチング・グループ 5.1, ..., 5.p の中に、複数の第二スイッチング・グループ 5.1, ..., 5.p がある場合には、それぞれ隣接する第二スイッチング・グループ 5.1, ..., 5.p の中の、二つの第一の駆動可能な双方向性の電力半導体スイッチ７は、一つのモジュールに集積され、換言すれば、ｎ個の第一スイッチング・グループ 5.1, ..., 5.p に対して先に詳細に述べたやり方で集積される。

更に、ｐ個の第三スイッチング・グループ 6.1, ..., 6.p の中に、複数の第三スイッチング・グループ 6.1, ..., 6.p がある場合には、それぞれ隣接する第三スイッチング・グループ 6.1, ..., 6.p の中の、二つの第一の駆動可能な双方向性の電力半導体スイッチ８は、一つのモジュールに集積され、換言すれば、ｎ個の第一スイッチング・グループ 1.1, ..., 1.n に対して先に詳細に述べたやり方で集積される。

これに対する代替形態として、次の形態が可能である：ｐ個の第二及び第三スイッチング・グループ 5.1, ..., 5.p; 6.1, ..., 6.p の中に、複数の第二及び第三スイッチング・グループ 5.1, ..., 5.p; 6.1, ..., 6.p があるときには、第一の駆動可能な双方向性の電力半導体スイッチ７，８及び第二の駆動可能な双方向性の電力半導体スイッチ９，１０が、それぞれ、一つのモジュールに集積される。以上で述べたモジュールは、通常標準的なモジュールであり、従って、シンプルなデザインを有し、信頼性が高く、更に、低コストで入手可能である。

更に、第一の第二スイッチング・グループ 5.1 の中の第三の駆動可能な双方向性の電力半導体スイッチ１１、及び第一の第三スイッチング・グループ 6.1 の中の第三の駆動可能な双方向性の電力半導体スイッチ１２は、一つのモジュールに集積されることが可能である。再び、これらは、これまで述べた対応する利点を備えた標準的なモジュールである。

本発明に基づいて実現される必要がある、複数の相を有するコンバータ回路の場合には、相Ｒ，Ｙ，Ｂの第ｐの第二スイッチング・グループ 5.p は、それぞれ互いに並列に接続され、相Ｒ，Ｙ，Ｂの第ｐの第三スイッチング・グループは、互いに並列に接続される。それぞれの接続は、それぞれの第ｐの第二スイッチング・グループ 5.p の中のキャパシタ１３に作られ、また、それぞれの第ｐの第三スイッチング・グループ 6.p の中のキャパシタ１４に作られる。

複数の相を有するコンバータ回路の中で、スペースの節約を好ましくも可能にするために、相Ｒ，Ｙ，Ｂの第ｐの第二スイッチング・グループ 5.p の中のキャパシタ１３は、それぞれ、結合されて一つのキャパシタを構成する。更に、相Ｒ，Ｙ，Ｂの第ｐの第三スイッチング・グループ 6.p の中のキャパシタ１４は、それぞれ、同様に結合されて一つのキャパシタを構成する。

図２に、本発明に基づくコンバータ回路の第二の実施形態を示す。この形態は、以下の点で、図１に示された第一の実施形態と異なっている：電圧制限ネットワーク１５が、第一の第二スイッチング・グループ 5.1 の中の第三の駆動可能な双方向性の電力半導体スイッチ１１に並列に接続され、そして、電圧制限ネットワーク１５が、第一の第三スイッチング・グループ 6.1 の中の第三の駆動可能な双方向性の電力半導体スイッチ１２に、同様に、並列に接続されている。

電圧制限ネットワーク１５は、オプションとして選択されることが可能であり、そして、好ましくも、相アウトプット電圧の安定化のために使用され、特に、ＯＶの所望の相アウトプット電圧のために使用される。電圧制限ネットワーク１５は、それぞれ、キャパシタを有し、または、図２に示されているように、キャパシタを備えた抵抗の直列回路を。

図２に示された第二の実施形態に対する代替の形態として、図３に、本発明に基づくコンバータ回路の第三の実施形態を示す。図３に示された第三の実施形態は、図２に示された第二の実施形態と次の点で異なっている：電圧制限ネットワーク１５は、第一の第二スイッチング・グループ 5.1 の中の、第二の駆動可能な電力半導体スイッチ９と第三の駆動可能な電力半導体スイッチ１１の接続ポイント、及び第一の第三スイッチング・グループ 6.1 の中の、第二の駆動可能な電力半導体スイッチ１０と第三の駆動可能な電力半導体スイッチ１２の接続ポイントに接続されている。

電圧制限ネットワーク１５は、オプションとして選択されることが可能であり、そして、好ましくも、相アウトプット電圧の安定化のために使用され、特に、ＯＶの所望の相アウトプット電圧のために使用される。電圧制限ネットワーク１５は、それぞれ、キャパシタを有し、または、図３に示されているように、抵抗とキャパシタの直列回路を有している。

全体として、複数のスイッチング電圧レベルのスイッチングのための、本発明に基づくコンバータ回路は、それ故に、その運転中に貯えられる電気的エネルギーの量が少ないこと、及び省スペース・デザインにより特徴付けられえるソリューションを表していて、それ故に、複雑でなく、頑丈で、且つ信頼性が高い。

図１は、本発明に基づくコンバータ回路の第一の実施形態を示す。図２は、本発明に基づくコンバータ回路の第二の実施形態を示す。図３は、本発明に基づくコンバータ回路の第三の実施形態を示す。

符号の説明

1.1, ..., 1.n ・・・第一スイッチング・グループ、
２・・・第一スイッチング・グループの中の第一の駆動可能な双方向性の電力半導体スイッチ、
３・・・第一スイッチング・グループの中の第二の駆動可能な双方向性の電力半導体スイッチ、
４・・・第一スイッチング・グループの中のキャパシタ、
5.1, ..., 5.p ・・・第二スイッチング・グループ、
6.1, ..., 6.p ・・・第三スイッチング・グループ、
７・・・第二スイッチング・グループの中の第一の駆動可能な双方向性の電力半導体スイッチ、
８・・・第三スイッチング・グループの中の第一の駆動可能な双方向性の電力半導体スイッチ、
９・・・第二スイッチング・グループの中の第二の駆動可能な双方向性の電力半導体スイッチ、
１０・・・第三スイッチング・グループの中の第二の駆動可能な双方向性の電力半導体スイッチ、
１１・・・第二スイッチング・グループの中の第三の駆動可能な双方向性の電力半導体スイッチ、
１２・・・第三スイッチング・グループの中の第三の駆動可能な双方向性の電力半導体スイッチ、
１３・・・第二スイッチング・グループの中のキャパシタ、
１４・・・第三スイッチング・グループの中のキャパシタ、
１５・・・電圧制限ネットワーク。

Claims

複数のスイッチング電圧レベルのスイッチングのためのコンバータ回路であって、
各相（Ｒ，Ｙ，Ｂ）に対してｎ個の第一スイッチング・グループ（1.1, ..., 1.n）を有していて、
第ｎの第一スイッチング・グループ（1.n）は、第一の駆動可能な双方向性の電力半導体スイッチ（２）及び第二の駆動可能な双方向性の電力半導体スイッチ（３）により構成され、
第一の第一スイッチング・グループ（１，１）から第（ｎ−１）の第一スイッチング・グループ（1.（n-1））までは、第一の駆動可能な双方向性の電力半導体スイッチ（２）、第二の駆動可能な双方向性の電力半導体スイッチ（３）、及び第一及び第二の駆動可能な双方向性の電力半導体スイッチ（２，３）に接続されたキャパシタ（４）によりそれぞれ構成され、
ｎ個の第一スイッチング・グループ（1.1, ..., 1.n）のそれぞれは、それぞれ隣接する第一スイッチング・グループ（1.1, ..., 1.n）にリンクされた形態で接続され、
第一の第一スイッチング・グループ（１，１）の中の、第一及び第二の駆動可能な双方向性の電力半導体スイッチ（２，３）は、互いに接続された、
コンバータ回路において、
ｎ≧１であって、且つ、
ｐ個の第二スイッチング・グループ（5.1, ..., 5.p）及びｐ個の第三スイッチング・グループ（6.1, ..., 6.p）が設けられ、それらは、第一の駆動可能な双方向性の電力半導体スイッチ（７，８）、第二の駆動可能な双方向性の電力半導体スイッチ（９，１０）、及びキャパシタ（１３，１４）をそれぞれ有し、
ｐ≧１であって、且つ、
ｐ個の第二スイッチング・グループ（5.1, ..., 5.p）のそれぞれは、それぞれ隣接する第二スイッチング・グループ（5.1, 5.p）にリンクされた形態で接続され、
ｐ個の第三スイッチング・グループ（6.1, ..., 6.p）のそれぞれは、それぞれ隣接する第三スイッチング・グループ（6.1, ..., 6.p）にリンクされた形態で接続されていること、及び、
第一の第二及び第一の第三スイッチング・グループ（5.1, 6.1）は、第三の駆動可能な双方向性の電力半導体スイッチ（１１，１２）をそれぞれ有し、それらは、それぞれの第二の駆動可能な双方向性の電力半導体スイッチ（９，１０）に逆直列に接続されていて、
第一の第二スイッチング・グループ（5.1）は、第ｎの第一スイッチング・グループ（1.n）の中の第一の駆動可能な双方向性の電力半導体スイッチ（２）に接続され、
第一の第三スイッチング・グループ（6.1）は、第ｎの第一スイッチング・グループ（1.n）の中の第二の駆動可能な双方向性の電力半導体スイッチ（３）に接続されていること、
第ｐの第二スイッチング・グループ（5.p）の中のキャパシタ（１３）は、第ｐの第三スイッチング・グループ（6.p）の中のキャパシタ（１４）に直列に接続されていること、及び、
それぞれの第一、第二及び第三の駆動可能な双方向性の電力半導体スイッチ（２，３，７，８，９，１０，１１，１２）は、電流を一方向に運ぶ駆動可能な電力半導体コンポーネント、及び、それに逆並列に接続され且つ電流を一方向に運ぶ受動的な駆動できない電力半導体コンポーネントにより構成されていること、
を特徴とするコンバータ回路。
下記特徴を有する請求項１に記載のコンバータ回路：
第ｎの第一スイッチング・グループ（1.n）は、キャパシタ（４）を有し、このキャパシタは、第ｎの第一スイッチング・グループ（1.n）の中の第一及び第二の駆動可能な双方向性の電力半導体スイッチ（２，３）に接続されていて、
第一の第二スイッチング・グループ（5.1）は、第ｎの第一スイッチング・グループ（1.n）の中のキャパシタ（４）に接続され、
第一の第三スイッチング・グループ（6.1）は、第ｎの第一スイッチング・グループ（1.n）の中のキャパシタ（４）に接続されている。
下記特徴を有する請求項２に記載のコンバータ回路：
第一の第二スイッチング・グループ（5.1）の中の第一及び第二の駆動可能な双方向性の電力半導体スイッチ（７，９）は、互いに接続されていて、第一の第二スイッチング・グループ（5.1）の中の第一及び第二の駆動可能な双方向性の電力半導体スイッチ（７，９）の接続ポイントは、第ｎの第一スイッチング・グループ（1.n）の中のキャパシタ（４）と、第ｎの第一スイッチング・グループ（1.n）の中の第一の駆動可能な双方向性の電力半導体スイッチ（２）との接続ポイントに接続され、且つ、
第一の第三スイッチング・グループ（6.1）の中の第一及び第三の駆動可能な双方向性の電力半導体スイッチ（８，１２）は、互いに接続されていて、第一の第三スイッチング・グループ（6.1）の中の第一及び第三の駆動可能な双方向性の電力半導体スイッチ（８，１２）の接続ポイントは、第ｎの第一スイッチング・グループ（1.n）の中のキャパシタ（４）と、第ｎの第一スイッチング・グループ（1.n）の中の第二の駆動可能な双方向性の電力半導体スイッチ（３）との接続ポイントに接続されている。
下記特徴を有する請求項１から３のいずれか１項に記載のコンバータ回路：
第一の第二スイッチング・グループ（5.1）の中の、第一及び第三の駆動可能な双方向性の電力半導体スイッチ（７，１１）は、第一の第二スイッチング・グループ（5.1）の中のキャパシタ（１３）に接続され、且つ、
第一の第三スイッチング・グループ（6.1）の中の、第一及び第二の駆動可能な双方向性の電力半導体スイッチ（８，１０）は、第一の第三スイッチング・グループ（6.1）の中のキャパシタ（１４）に接続されている。
下記特徴を有する請求項１から４のいずれか１項に記載のコンバータ回路：
第二の第二から第ｐまでの第二スイッチング・グループ（5.2, ..., 5.p）の中の、及び第二の第三から第ｐまでの第三スイッチング・グループ（6.2, ..., 6.p）の中の、第一及び第二の駆動可能な双方向性の電力半導体スイッチ（７，８，９，１０）は、対応するスイッチング・グループ（5.2, ..., 5.p; 6.2, ..., 6.p）の中のキャパシタ（１３，１４）にそれぞれ接続されている。
下記特徴を有する請求項１から５のいずれか１項に記載のコンバータ回路：
電圧制限ネットワーク（１５）は、第一の第二スイッチング・グループ（5.1）の中の第三の駆動可能な双方向性の電力半導体スイッチ（１１）に並列に接続され、且つ、
電圧制限ネットワーク（１５）は、第一の第三スイッチング・グループ（6.1）の中の第三の駆動可能な双方向性の電力半導体スイッチ（１２）に並列に接続されている。
下記特徴を有する請求項１から５のいずれか１項に記載のコンバータ回路：
電圧制限ネットワーク（１５）は、第一の第二スイッチング・グループ（5.1）の中の第二及び第三の駆動可能な電力半導体スイッチ（９，１１）の接続ポイント、及び、第一の第三スイッチング・グループ（６．１）の中の第二及び第三の駆動可能な電力半導体スイッチ（１０，１２）の接続ポイントに接続されている。
下記特徴を有する請求項６または７に記載のコンバータ回路：
電圧制限ネットワーク（１５）は、キャパシタを有している。
下記特徴を有する請求項６または７に記載のコンバータ回路：
電圧制限ネットワーク（１５）は、抵抗とキャパシタの直列回路を有している。
下記特徴を有する請求項１から９のいずれか１項に記載のコンバータ回路：
ｎ個の第一スイッチング・グループ（1.1, ..., 1.n）の総数は、ｐ個の第二及び第三スイッチング・グループ（5.1, ..., 5.p; 6.1, .., 6.p）の総数に対応している。
下記特徴を有する請求項１から９のいずれか１項に記載のコンバータ回路：
ｎ個の第一スイッチング・グループ（1.1, ..., 1.n）の総数は、ｐ個の第二及び第三スイッチング・グループ（5.1, ..., 5.p; 6.1, .., 6.p）の総数よりも少ない。
下記特徴を有する請求項１から９のいずれか１項に記載のコンバータ回路：
ｎ個の第一スイッチング・グループ（1.1, ..., 1.n）の総数は、ｐ個の第二及び第三スイッチング・グループ（5.1, ..., 5.p; 6.1, ..., 6.p）の総数よりも多い。
下記特徴を有する請求項１から１２のいずれか１項に記載のコンバータ回路：
ｎ個の第一スイッチング・グループ（1.1, ..., 1.n）の中で、それぞれ隣接する第一スイッチング・グループ（1.1, ..., 1.n）の中の二つの第一の駆動可能な双方向性の電力半導体スイッチ（２）は、一つのモジュールに集積され、
それぞれ隣接する第一スイッチング・グループ（1.1, ..., 1.n）の中の二つの第二の駆動可能な双方向性の電力半導体スイッチ（３）は、一つのモジュールに集積されている。
下記特徴を有する請求項１から１２のいずれか１項に記載のコンバータ回路：
ｎ個の第一スイッチング・グループ（1.1, ..., 1.n）の中で、第一の駆動可能な双方向性の電力半導体スイッチ（２）と第二の駆動可能な双方向性の電力半導体スイッチ（３）は、それぞれ一つのモジュールに集積されている。
下記特徴を有する請求項１から１４のいずれか１項に記載のコンバータ回路：
ｐ個の第二スイッチング・グループ（5.1, ..., 5.p）の中で、それぞれ隣接する第二スイッチング・グループ（5.1, 5.p）の中の二つの第一の駆動可能な双方向性の電力半導体スイッチ（７）は、一つのモジュールに集積され、且つ、
ｐ個の第三スイッチング・グループ（6.1, ..., 6.p）の中で、それぞれ隣接する第三スイッチング・グループ（6.1, ..., 6.p）の中の二つの第一の駆動可能な双方向性の電力半導体スイッチ（８）は、一つのモジュールに集積されている。
下記特徴を有する請求項１から１４のいずれか１項に記載のコンバータ回路：
ｐ個の第二及び第三スイッチング・グループ（5.1, ..., 5.p; 6.1, ..., 6.p）の中で、第一の駆動可能な双方向性の電力半導体スイッチ（７，８）と第二の駆動可能な双方向性の電力半導体スイッチ（９，１０）は、それぞれ一つのモジュールに集積されている。
下記特徴を有する請求項１から１６のいずれか１項に記載のコンバータ回路：
第一の第二スイッチング・グループ（5.1）の中の第三の駆動可能な双方向性の電力半導体スイッチ（１１）、及び第一の第三スイッチング・グループ（6.1）の中の第三の駆動可能な双方向性の電力半導体スイッチ（１２）は、一つのモジュールに集積されている。
下記特徴を有する請求項１から１７のいずれか１項に記載のコンバータ回路：
複数の相（Ｒ，Ｙ，Ｂ）があるとき、それらの相（Ｒ，Ｙ，Ｂ）の第ｐの第二スイッチング・グループ（5.p）は、互いに並列に接続され、それらの相（Ｒ，Ｙ，Ｂ）の第ｐの第三スイッチング・グループ（6.p）は、互いに並列に接続されている。
下記特徴を有する請求項１８に記載のコンバータ回路：
前記相（Ｒ，Ｙ，Ｂ）の第ｐの第二スイッチング・グループ（5.p）の中のキャパシタ（１３）は、結合されて一つのキャパシタを構成し、且つ、
前記相（Ｒ，Ｙ，Ｂ）の第ｐの第三スイッチング・グループ（6.p）の中のキャパシタ（１４）は、結合されて一つのキャパシタを構成する。