Многоуровневый силовой преобразователь

Многоуровневый силовой преобразователь

Иллюстрации

Показать все

Реферат

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