專利名稱：五級轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及功率半導(dǎo)體轉(zhuǎn)換器，更具體地涉及能直接輸出五個電壓電平的五級轉(zhuǎn)換器。
背景技術(shù)：
圖7示出例如在日本專利申請?zhí)卦S公開No. 2006-271042中公開的五級轉(zhuǎn)換器的一相。在圖7所示的構(gòu)造中，半導(dǎo)體開關(guān)Ql至Q8的串聯(lián)電路連接在直流組合電源BA2 的正端子和負(fù)端子之間，在該組合電源BA2中直流單元電源bll至b22串聯(lián)連接，且半導(dǎo)體 開關(guān)Q4和Q5的連接點(diǎn)用作為交流輸出點(diǎn)U。進(jìn)一步地，由二極管Dl和D4形成的二極管臂 對DAl的外端子連接在半導(dǎo)體開關(guān)Ql和Q2的連接點(diǎn)與Q5和Q6的連接點(diǎn)之間。此中點(diǎn)端 子連接至直流單元電源bll和bl2的連接點(diǎn)。這里所稱的臂對的外端子是用來將這個端子 與中點(diǎn)端子區(qū)分開來的術(shù)語，并且因此有時只簡單地使用“端子”。同樣地，由二極管D2和D5形成的二極管臂對DA2的外端子連接在半導(dǎo)體開關(guān)Q2 和Q3的連接點(diǎn)與Q6和Q7的連接點(diǎn)之間，且其中點(diǎn)端子連接至直流單元電源bl2和b21的 連接點(diǎn)。進(jìn)一步地，由二極管D3和D6形成的二極管臂對DA5的外端子連接在半導(dǎo)體開關(guān) Q3和Q4的連接點(diǎn)與Q7和Q8的連接點(diǎn)之間，且其中點(diǎn)端子連接至直流單元電源b21和b22 的連接點(diǎn)。在這種構(gòu)造中，當(dāng)半導(dǎo)體開關(guān)Ql至Q4被切換到導(dǎo)通而Q5至Q8被切換到截止時， 在交流輸出端子U處輸出+2E電平的電壓，而當(dāng)半導(dǎo)體開關(guān)Q2至Q5被切換到導(dǎo)通而Q6至 Q8被切換到截止時，在交流輸出端子U處輸出IE電平的電壓。類似地，當(dāng)半導(dǎo)體開關(guān)Q3至 Q6被切換到導(dǎo)通而Q1、Q2、Q7和Q8被切換到截止時，在交流輸出端子U處輸出零電平電壓。進(jìn)一步地，當(dāng)半導(dǎo)體開關(guān)Q4至Q7被切換到導(dǎo)通而Ql至Q3和Q8被切換到截止時， 在交流輸出端子U處輸出-IE電平的電壓，而當(dāng)半導(dǎo)體開關(guān)Q5至Q8被切換到導(dǎo)通而Ql至 Q4被切換到截止時，在交流輸出端子U處輸出-2E電平的電壓。如上所述，通過調(diào)節(jié)半導(dǎo)體開關(guān)Ql至Q8的導(dǎo)通_截止，在該交流輸出端子U處能 輸出五種不同電平的電壓(2E、1E、0、-1E、-2E)。然而，在圖7所示的構(gòu)造中，半導(dǎo)體開關(guān)的最大數(shù)目是4個，通過這些半導(dǎo)體開關(guān) 輸出電流(也簡稱為“電流”)從直流組合電源BA2流到交流輸出端子U。結(jié)果造成的問題 是該半導(dǎo)體開關(guān)中的導(dǎo)電損耗增加，從而導(dǎo)致整個轉(zhuǎn)換器的效率降低，并且難以減少該轉(zhuǎn) 換器的尺寸和降低其成本。進(jìn)一步地，即使當(dāng)從該交流輸出端子U輸出的電壓和電流具有正-負(fù)對稱的交流 波形時，由直流單元電源bll和bl2共享的功率在原則上并不相同，因此需要相應(yīng)獨(dú)立的直 流電源。對于b21和b22也是一樣。結(jié)果，能獨(dú)立供應(yīng)功率的總共四個單元電源bll至b22對于直流組合電源BA2是必需的，并且因此對轉(zhuǎn)換器的制造加以嚴(yán)格的限制。直流電源不平衡的這個問題已經(jīng)在例如“具有平衡直流電壓的多級電壓源轉(zhuǎn)換器 系統(tǒng)” (IEEE-PESC95會議記錄，第1144 1150頁)中提出。相應(yīng)地，本發(fā)明所要解決的問題是通過相對于常規(guī)轉(zhuǎn)換器減少電流流過的半導(dǎo)體 開關(guān)的數(shù)目來減少所產(chǎn)生損耗。另一個問題是減少對應(yīng)用施加的限制，以便于確保轉(zhuǎn)換器 用作為甚至具有兩個單元電源的直流輸入電源的可能性。為了解決上述問題，如權(quán)利要求1所述的發(fā)明提供了一種五級轉(zhuǎn)換器，其具有分 為兩組的三個端子，從具有包括零電平在內(nèi)的三個不同的電壓電平的輸入直流電源產(chǎn)生五 個電壓電平，并能隨機(jī)地選擇性輸出該五個電壓電平，該五級轉(zhuǎn)換器包括第一、第二和第三臂對以及交流開關(guān)，該第一、第二和第三臂對通過串聯(lián)組合兩個 由半導(dǎo)體器件組成的臂而構(gòu)成，該交流開關(guān)通過組合半導(dǎo)體器件構(gòu)成，其中該第一臂對連接在直流電源的具有最高電勢的第一直流端子和具有中間電勢的 第二直流端子之間，該第二臂對連接在第二直流端子和具有最低電勢的第三直流端子之 間，該第三臂對連接在第一臂對的中點(diǎn)端子和第二臂對的中點(diǎn)端子之間，其中兩個電容器 串聯(lián)連接的串聯(lián)電容器電路與第三臂對并聯(lián)連接，且交流開關(guān)連接在串聯(lián)電容器電路的中 間連接點(diǎn)和第三臂對的中間端子之間，以使第三臂對的中間端子用作為輸出端子。在根據(jù)權(quán)利要求1所述的本發(fā)明的轉(zhuǎn)換器中，能設(shè)置有耦合電抗器，該耦合電抗 器由連接在串聯(lián)電容器電路的一端和第一臂對的中間端子之間的第一繞組與連接于串聯(lián) 電路電容器的另一端和第二臂對的中間端子之間的第二繞組組成，從而能抑制從直流電源 經(jīng)過第一臂對、串聯(lián)電容器電路和第二臂對流動的浪涌電流分量(如權(quán)利要求2所述的發(fā) 明)。在根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的本發(fā)明的轉(zhuǎn)換器中，能設(shè)置有用于保持構(gòu)成串聯(lián)電 容器電路的兩個電容器的相等電壓的電壓平衡電路(如權(quán)利要求3所述的發(fā)明)。進(jìn)一步地，在根據(jù)權(quán)利要求3所述的本發(fā)明的轉(zhuǎn)換器中，該電壓平衡電路能由第 四臂對和電抗器構(gòu)成，該第四臂對并聯(lián)連接至串聯(lián)電容器電路并通過串聯(lián)組合兩個由半導(dǎo) 體器件組成的臂而構(gòu)成，該電抗器連接在第四臂對的中點(diǎn)端子和串聯(lián)電容器電路的中點(diǎn)端 子之間(如權(quán)利要求4所述的發(fā)明)。在根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的本發(fā)明的轉(zhuǎn) 換器中，交流開關(guān)能夠通過將由半導(dǎo)體器件組成的多個臂反向串聯(lián)連接而構(gòu)成(如權(quán)利要 求5所述的發(fā)明)，或者該交流開關(guān)能夠通過將具有反向閉鎖電壓的多個半導(dǎo)體器件反向 并聯(lián)連接而構(gòu)成(如權(quán)利要求6所述的發(fā)明)。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，電流流過的半導(dǎo)體開關(guān)的數(shù)目最大為三個，該電流從直流電源流過 該半導(dǎo)體開關(guān)作為交流輸出的輸入。因此，損耗被降低，并且最終能增加轉(zhuǎn)換器的效率，并 能降低成本和減小尺寸。進(jìn)一步地，因?yàn)檩斎胫绷麟娫赐ㄟ^組合兩個單元電源構(gòu)成，所以能 夠在與那些普通三電平轉(zhuǎn)換器類似的條件下提供五級轉(zhuǎn)換器。


圖1為示出本發(fā)明一實(shí)施例的電路圖2為示出圖1中所示構(gòu)造的一變化示例的電路圖；圖3為示出圖2中所示構(gòu)造的第一變化示例的電路圖；圖4為示出圖2中所示構(gòu)造的第二變化示例的電路圖；圖5為示出圖2中所示構(gòu)造的第三變化示例的電路圖；圖6為示出圖1至圖5中所示構(gòu)造的操作的波形圖；以及圖7為示出常規(guī)五級轉(zhuǎn)換器的電路圖。
具體實(shí)施例方式圖1為示出本發(fā)明一實(shí)施例的電路圖。在此電路圖中，各自具有2E電壓的直流單元電源bl和b2串聯(lián)連接，由此構(gòu)成直 流組合電源BA1。由半導(dǎo)體開關(guān)Ql、Q2組成的臂對QAl的外端子連接在直流組合電源BAl 的正端子和中間端子之間，而由半導(dǎo)體開關(guān)Q3、Q4組成的臂對QA2的外端子連接在該中間 端子和負(fù)端子之間。由半導(dǎo)體開關(guān)Q5、Q6組成的臂對QA3的外端子連接在臂對QAl和QA2的中點(diǎn)端子 之間，且其中點(diǎn)端子用作交流輸出點(diǎn)U。由電容器Cl、C2組成的串聯(lián)電容器電路CAl與臂 對QA3的外端子并聯(lián)連接，而由半導(dǎo)體開關(guān)Q11、Q12組成的交流開關(guān)SWl連接在電容器Cl 和C2的中間連接點(diǎn)與QA3的中點(diǎn)端子之間。在圖1所示的電路中，當(dāng)半導(dǎo)體開關(guān)Ql、Q5被切換到導(dǎo)通而Q2、Q6和SWl的Q12 被切換到截止時，在交流輸出點(diǎn)U處輸出+2E電壓，且在這種情況下，輸出電流流過兩個半 導(dǎo)體開關(guān)Ql和Q5。進(jìn)一步地，當(dāng)Q4被切換到截止而Q3被切換到導(dǎo)通時，施加到在QAl至 QA3中已經(jīng)被切換到截止的交流開關(guān)SWl的Q12上的電壓被鉗位成電容器Cl的電壓。進(jìn)一 步地，因?yàn)镼l和Q3在此刻都被切換到導(dǎo)通，所以串聯(lián)電容器電路CAl的電壓保持在2E，其 與單元電源bl的電壓相等。于是當(dāng)交流開關(guān)SWl從這個狀態(tài)完全被切換到截止且Q5被切 換到截止時，在交流輸出點(diǎn)U處輸出電容器C2的電壓+VC2，且在這種情況下，輸出電流流過 三個半導(dǎo)體開關(guān)Q3、Q11、Q12。進(jìn)一步地，施加到在QAl至QA3中已經(jīng)被切換到截止的半導(dǎo) 體開關(guān)上的電壓最大被鉗位成2E。于是，當(dāng)Q2、Q5被切換到導(dǎo)通或者Q3、Q6被切換到導(dǎo)通而Q1、Q4和開關(guān)SWl被切 換到截止時，在交流輸出點(diǎn)U處輸出零電壓，且在這種情況下輸出電流流過兩個半導(dǎo)體開 關(guān)Q2、Q5或者Q3、Q6。進(jìn)一步地，通過將Ql切換到導(dǎo)通并將Q2切換到截止，施加到在QAl 至QA3中已經(jīng)被切換到截止的半導(dǎo)體開關(guān)上的電壓最大被鉗位成2E。類似地，施加到已經(jīng) 被切換到截止的交流開關(guān)SWl上的電壓被鉗位成電容器Cl或C2的電壓。當(dāng)半導(dǎo)體開關(guān)Q4、Q6被切換到導(dǎo)通而Q3、Q5和SWl被切換到截止時，在交流輸出 點(diǎn)U處輸出-2E電壓，且在這種情況下，輸出電流流過兩個半導(dǎo)體開關(guān)Q4、Q6。當(dāng)Ql被切 換到截止而Q2被切換到導(dǎo)通時，施加到在QAl至QA3中已經(jīng)被切換到截止的半導(dǎo)體開關(guān)上 的電壓最大被鉗位成2E。類似地，施加到已經(jīng)被切換到截止的交流開關(guān)SWl的Qll上的電 壓被鉗位成電容器C2的電壓VC2。在這種情況下，由于Q2和Q4被切換到截止，因此串聯(lián)電 容器電路CAl的電壓保持在2E，與b2的電壓相似。 當(dāng)從上述的狀態(tài)交流開關(guān)SWl被切換到導(dǎo)通且Q6被切換到截止時，在交流輸出點(diǎn) U處輸出電容器Cl的電壓-VC1。在這種情況下，輸出電流流過三個半導(dǎo)體開關(guān)Q11、Q12、Q4或者Q11、Q12、Q3。施加到在QAl至QA3中已經(jīng)被切換到截止的半導(dǎo)體開關(guān)上的電壓最 大被鉗位成2E。 上述的一系列操作使得在交流輸出點(diǎn)U處輸出下面五個電平的電壓成為可能 +2E、+VC2、0、-VC1、-2E。圖6示出半導(dǎo)體開關(guān)Ql至Q6、Q11至Q12的導(dǎo)通-截止模式以及在這種情況下在 交流輸出點(diǎn)U處的電壓波形。在這里，當(dāng)電容器Cl、C2具有相同的電容并且半導(dǎo)體開關(guān)Ql 和Q4、Q2和Q3、Q5和Q6以及Qll和Q12的操作如圖6所示地在正-負(fù)周期中為對稱時，在 交流輸出點(diǎn)U處的電壓和交流輸出電流兩者將具有正_負(fù)對稱性。結(jié)果，電容器Cl、C2的 電壓VC1、VC2將平均為相同電壓1E，而交流輸出點(diǎn)U的電壓將為+2E、+VC2 = +IE,0,-VCl =-1E、-2E。圖2示出圖1中所示構(gòu)造的一變化示例。這個示例和圖1中所示那個示例之間的 區(qū)別是構(gòu)成交流開關(guān)SWl的半導(dǎo)體開關(guān)Qll和Q12的反向串聯(lián)連接被改為基于反向閉鎖 IGBT的Q21和Q22的反向并聯(lián)連接。這樣的改變沒有導(dǎo)致操作功能上的改變，且這些操作 以和圖1中所示構(gòu)造完全相同的方式執(zhí)行。進(jìn)一步地，在圖2所示構(gòu)造中，當(dāng)輸出電流流過 Sffl時，該電流只流過Q21和Q22中的任一個，然而在圖1所示構(gòu)造中該電流流過Qll和Q12 兩者。結(jié)果，輸出電流在整個五級轉(zhuǎn)換器中流過的半導(dǎo)體開關(guān)(包括反向閉鎖IGBT)的最 大數(shù)目從三個減少為兩個，由此允許進(jìn)一步改善效率。圖3示出圖2中所示構(gòu)造的第一變化示例。這個示例和圖2中所示那個示例之間 的區(qū)別在于耦合電抗器Ll的繞組La、Lb分別連接在串聯(lián)電容器電路CAl和臂對QA1、QA2 之間。圖3中所示電路的操作類似于圖2中所示電路的操作，且其解釋被省略。然而，在圖 2中所示構(gòu)造中，該串聯(lián)電容器電路CAl的連接目標(biāo)通過在如圖6所示的時間點(diǎn)a和b處 Ql至Q4的切換操作被切換到單元電源bl或者b2。在這種情況下，即使在bl和b2處的電 壓之間存在細(xì)微的區(qū)別，由這個電勢差所產(chǎn)生的浪涌電流也在該串聯(lián)電容器電路CAl中產(chǎn) 生。相應(yīng)地，通過插入如圖3所示的耦合電抗器Li，抑制串聯(lián)電容器電路CAl的浪涌電 流。進(jìn)一步地，由于電抗器Ll被配置為由繞組La、Lb組成的耦合電抗器，相對于串聯(lián)電容 器電路CAl的浪涌電流的阻抗被提升，其抑制效應(yīng)增加，并且相對于輸出U的輸出阻抗被降 低。進(jìn)一步地，通過實(shí)施Ql或者Q2的PWM控制，而不是簡單地在bl > b2的電壓條件 下在圖6中的時間點(diǎn)a和b處切換Ql和Q2的導(dǎo)通-截止，完全抑制由bl、b2和CAl處的電 壓差所產(chǎn)生的浪涌電流是可能的。類似地，在b2 > bl的情況下，該浪涌電流能夠通過Q3、 Q4的PWM控制來抑制。圖4示出圖2中所示構(gòu)造的第二變化示例。這個示例和圖2中所示的那個示例之 間的區(qū)別是另外設(shè)置有由Q7、Q8和電抗器L2組成的電壓平衡電路VB1，用于平衡串聯(lián)電容 器電路CAl的電容器Cl、C2的電壓。因而，當(dāng)由于連接至交流輸出點(diǎn)U的交流負(fù)載的特性而在交流輸出電流中存在直 流分量時，能夠破壞電容器C1、C2的電壓平衡。在這種情況下，例如通過以相同的時間間隔 比率交替地導(dǎo)通-截止切換電壓平衡電路VBl的Q7、Q8，能夠保持C1、C2的電壓相同。圖5示出圖2中所示構(gòu)造的第三變化示例。在這種情況下，電壓平衡電路VBl被加入到圖3所示電路中。所獲得構(gòu)造的操作類似于圖 4中所示構(gòu)造的操作，且其解釋在此 被省略 。
權(quán)利要求
1.一種具有分為兩組的三個端子的五級轉(zhuǎn)換器，所述轉(zhuǎn)換器從具有包括零在內(nèi)的三個 不同的電壓電平的輸入直流電源產(chǎn)生五個電壓電平，并能隨機(jī)地選擇性輸出所述五個電壓 電平，所述五級轉(zhuǎn)換器包括第一、第二和第三臂對以及交流開關(guān)，所述第一、第二和第三臂對通過串聯(lián)組合兩個由 半導(dǎo)體器件組成的臂而構(gòu)成，所述交流開關(guān)通過組合半導(dǎo)體器件構(gòu)成，其中所述第一臂對連接在直流電源的具有最高電勢的第一直流端子和具有中間電勢的第 二直流端子之間，所述第二臂對連接在所述第二直流端子和具有最低電勢的第三直流端子 之間，所述第三臂對連接在所述第一臂對的中點(diǎn)端子和所述第二臂對的中點(diǎn)端子之間，其 中兩個電容器串聯(lián)連接的串聯(lián)電容器電路與第三臂對并聯(lián)連接，且交流開關(guān)連接在所述串 聯(lián)電容器電路的中間連接點(diǎn)和所述第三臂對的中間端子之間，以使所述第三臂對的中間端 子用作為輸出端子。
2.如權(quán)利要求1所述的五級轉(zhuǎn)換器，其特征在于，設(shè)置有耦合電抗器，所述耦合電抗器 由連接在所述串聯(lián)電容器電路的一端和所述第一臂對的中間端子之間的第一繞組與連接 在所述串聯(lián)電路電容器的另一端和所述第二臂對的中間端子之間的第二繞組組成，從而抑 制從直流電源經(jīng)由所述第一臂對、所述串聯(lián)電容器電路和所述第二臂對流動的浪涌電流分量。
3.如權(quán)利要求1或2所述的五級轉(zhuǎn)換器，所述轉(zhuǎn)換器進(jìn)一步包括用于保持構(gòu)成所述串 聯(lián)電容器電路的兩個電容器的相等電壓的電壓平衡電路。
4.如權(quán)利要求3所述的五級轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述電壓平衡電路由第四臂對和電 抗器構(gòu)成，所述第四臂對并聯(lián)連接至所述串聯(lián)電容器電路并通過串聯(lián)組合兩個由半導(dǎo)體器 件組成的臂而構(gòu)成，且所述電抗器連接在所述第四臂對的中點(diǎn)端子和所述串聯(lián)電容器電路 的中點(diǎn)端子之間。
5.如權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的五級轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述交流開關(guān)通過將由 半導(dǎo)體器件組成的臂反向串聯(lián)連接而構(gòu)成。
6.如權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的五級轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述交流開關(guān)通過將具 有反向閉鎖電壓的半導(dǎo)體器件反向并聯(lián)連接而構(gòu)成。
全文摘要
本發(fā)明提供一種能通過降低所產(chǎn)生損耗減少尺寸和降低成本的五級轉(zhuǎn)換器。具有分為兩組的三個端子的該轉(zhuǎn)換器從具有包括零在內(nèi)的三個不同的電壓電平的輸入直流電源產(chǎn)生五個電壓電平，并隨機(jī)地選擇性輸出該五個電壓電平，該轉(zhuǎn)換器由第一、第二和第三臂對以及交流開關(guān)構(gòu)成，該第一、第二和第三臂對通過串聯(lián)組合兩個由半導(dǎo)體器件組成的臂而構(gòu)成，該交流開關(guān)通過組合半導(dǎo)體器件構(gòu)成。結(jié)果，通過相對于常規(guī)轉(zhuǎn)換器減少電流流過的元件的數(shù)目來減少所產(chǎn)生損耗，由此能增加器件的效率并降低器件的成本。
文檔編號H02M7/483GK102035420SQ201010276298
公開日2011年4月27日 申請日期2010年9月1日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月25日
發(fā)明者依田和之, 谷津誠 申請人:富士電機(jī)控股株式會社