Многоуровневый преобразователь напряжения - RU2523332C1

Чертежи

Показать все 15 чертежа(ей)

Описание

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области преобразователя напряжения источника питания и, более конкретно, к многоуровневому преобразователю напряжения источника питания (VSC).

Уровень техники

В настоящее время широко используется многоуровневый преобразователь напряжения источника питания, который позволяет эквивалентно уменьшать частоту переключения и улучшать качество выходной формы колебаний.

На фиг.1 иллюстрируется топология в соответствии с обычным многоуровневым преобразователем напряжения, в котором ячейка 1 переключающаяся устройства включает в себя первый накопитель 100 энергии и второй накопитель 101 энергии, подключенные последовательно с силовыми полупроводниковыми приборами, предназначенными для переключения, например, пяти уровней напряжения. Первый, второй, третий и четвертый силовые полупроводниковые приборы ПО, 111, 112, 113 соединены последовательно, пятый и шестой силовые полупроводниковые приборы 114, 115 соединены последовательно. Первый и четвертый силовые полупроводниковые приборы 110, 114, соответственно, соединены с первым и вторым накопителями 100, 101 энергии, и точка A соединения между первым и вторым накопителями 100, 101 энергии, точка B соединения между пятым и шестым силовыми полупроводниковыми приборами 114, 115, и точка C соединения между вторым и третьим силовыми полупроводниковыми приборами 111 112 соединены друг с другом. Ячейка переключающего устройства дополнительно включает в себя седьмой, восьмой, девятый и десятый силовые полупроводниковые приборы 116, 117, 118, 119, которые включены последовательно, одиннадцатый и двенадцатый силовые полупроводниковые приборы 120, 121, включенные последовательно. Седьмой и десятый силовые полупроводниковые приборы 116, 119, соответственно, соединены с первым и вторым накопителями 100, 101 энергии, и точка A соединения между первым и вторым накопителями 100, 101 энергии, точка D соединения между одиннадцатым и двенадцатым силовыми полупроводниковыми приборами 120, 121 соединены друг с другом. Точка соединения между восьмым и девятым силовыми полупроводниковыми приборами 117, 118 установлена так, что на выходное выводы выводится многоуровневое напряжение, например, пятиуровневое напряжение, как показано с правой стороны на фиг.1. Каждый из первого, второго, третьего, четвертого, седьмого, восьмого, девятого и десятого силовых полупроводниковых приборов 110, 111, 112, 113, 116, 117, 118, 119 представляет собой управляемый однонаправленный силовой полупроводниковый переключатель с включенным антипараллельно неуправляемым однонаправленным передающим ток полупроводниковым прибором, таким как IGCT или IGBT и т.д., и каждый из пятого, шестого, одиннадцатого и двенадцатого силовых полупроводниковых приборов представляет собой неуправляемый, с однонаправленной передачей тока силовой полупроводниковый прибор, такой, как мощный диод.

На фиг.2 иллюстрируется топология в соответствии с другим обычным многоуровневым преобразователем напряжения. Как показано на фиг.2, в ячейке 2 переключающего устройства используются каскадные H-мосты. Первый H-мост ячейки 2 переключающего устройства включает в себя первый накопитель 200 энергии, первый и второй силовые полупроводниковые приборы 210, 211, соединенные последовательно, третий и четвертый силовые полупроводниковые приборы 212, 213, соединенные последовательно. И первый накопитель 200 энергии, первый силовой полупроводниковый прибор 210 и третий силовой полупроводниковый прибор 212 соединены друг с другом в точке A соединения, при этом первый накопитель 200 энергии, второй силовой полупроводниковый прибор 211 и четвертый силовой полупроводниковый прибор 213 соединены друг с другом в точке В соединения. Второй мост ячейки 2 переключающего устройства имеет топологию аналогичную первому H-мосту, который включает в себя второй накопитель 201 энергии, пятый, шестой, седьмой и восьмой силовые полупроводниковые приборы 214, 215, 216, 217. Точка соединения между первым и вторым силовыми полупроводниковыми приборами 210, 211, и точка соединения между пятым и шестым силовыми полупроводниковыми приборами 214, 215 соединены друг с другом. Напряжение выводят между точкой соединения, между третьим и четвертым силовыми полупроводниковыми приборами, и точкой соединения между седьмым и восьмым силовыми полупроводниковыми приборами. Форма колебаний выходного напряжения показана с правой стороны на фиг.2. Каждый из первого, второго, третьего, четвертого, пятого, шестого, седьмого, восьмого силовых полупроводниковых приборов представляет собой управляемый однонаправленный силовой полупроводниковый переключатель с включенным антипараллельно неуправляемым, с однонаправленной передачей тока полупроводниковым прибором.

На фиг.3 иллюстрируется топология в соответствии с другим обычным многоуровневым преобразователем напряжения. Как показано на фиг.3, ячейка 3 переключающего устройства колеса включает в себя первый накопитель 300 энергии и второй накопитель энергии 301, соединенные последовательно с силовыми полупроводниковыми приборами для переключения, например, пяти уровней напряжения. Первый, второй, третий и четвертый силовые полупроводниковые приборы 410, 411, 412, 413 соединены последовательно, пятый и шестой силовые полупроводниковые приборы 414, 415 соединены последовательно. Первый и четвертый силовые полупроводниковые приборы 410, 413, соответственно, соединены с первым и вторым накопителями 400, 401 энергии, и точка A соединения между первым и вторым накопителями 400, 401 энергии, точка B соединения между пятым и шестым силовыми полупроводниковыми приборами 414, 415 соединены друг с другом. Ячейка переключающего устройства дополнительно включает в себя третий накопитель 402 энергии, седьмой и восьмой силовые полупроводниковые приборы 416, 417, соединенные последовательно, и девятый, и десятый силовые полупроводниковые приборы 418, 419, соединенные последовательно. Один конец третьего накопителя 402 энергии, седьмой и девятый силовые полупроводниковые приборы 416, 418 соединены друг с другом, и другой конец третьего накопителя 402 энергии, восьмой и десятый силовые полупроводниковые приборы 417, 419 соединены друг с другом. Кроме того, точка соединения между вторым и третьим силовыми полупроводниковыми приборами 411, 412 соединена с точкой соединения между девятым и десятым силовыми полупроводниковыми приборами 418, 419. Напряжение выводят в точке соединения между седьмым и восьмым силовыми полупроводниковыми приборами 416, 417. Каждый из первого, второго, третьего, четвертого, седьмого, восьмого, девятого и десятого силовых полупроводниковых приборов представляют собой управляемый однонаправленный силовой полупроводниковый переключатель с включенным антипараллельно, неуправляемым, с однонаправленной передачей тока полупроводниковым прибором, и каждый из пятого, и шестого силовых полупроводниковых приборов представляет собой неуправляемый, с однонаправленной передачей тока силовой полупроводниковый прибор. Форма его выходных колебаний показана с правой стороны на фиг.3.

Исходя из анализа многоуровневого преобразователя напряжения, в соответствии с каждой из фиг.1, 2 и 3, такая обычная топология имеет, по меньшей мере, недостатки, состоящие в следующем: для нее требуется относительно большое количество силовых полупроводниковых приборов, что увеличивает стоимость многоуровневого преобразователя напряжения и снижает надежность. Кроме того, периодически повторяющееся пиковое напряжение в закрытом состоянии каждого из силовых полупроводниковых приборов, в соответствии с фиг.1-3, описано, как V_DRM=(1,8~2,2) Vdc.

Другой обычный многоуровневый преобразователь напряжения раскрыт в патенте US 7, 639, 515. Переключающее устройство имеет первый накопитель энергии и второй накопитель энергии, соединенные последовательно, первый, второй, третий и четвертый силовые полупроводниковые переключатели, соединенные последовательно. Первый и четвертый силовые полупроводниковые приборы, соответственно, соединены с первым накопителем энергии и вторым накопителем энергии. Третий накопитель энергии соединен с точкой соединения между первым и вторым силовыми полупроводниковыми приборами, и точкой соединения между третьим и четвертым полупроводниковыми приборами. Кроме того, он включает в себя элемент переключения, соединенный непосредственно с точкой соединения между вторым и третьим силовым полупроводниковым прибором и непосредственно с точкой соединения между первым накопителем энергии и вторым накопителем энергии. Оценка магнитуды на его выходе необходима в выражении соотношения с Vdc в следующем виде: Vout=2xVdc/l,414/1,1. В US 7, 639, 515 имеются, по меньшей мере, следующие недостатки:

1. Из-за более низкого соотношения между Vout и Vdc для него требуется более высокий класс напряжения силовых полупроводниковых приборов, конденсатора энергии, и всех компонентов преобразователя, относящихся к соединению DC. Более высокий класс напряжения силового полупроводника, конденсатора энергии и всех соответствующих компонентов приводит к более высокой стоимости преобразователя напряжения.

2. Для него требуется относительно большое количество силовых полупроводниковых приборов, что также увеличивает стоимость многоуровневого преобразователя напряжения и снижает надежность.

Раскрытие изобретения

Поэтому, цель изобретения состоит в том, чтобы предусмотреть преобразователь напряжения источника питания и систему преобразователя источника напряжения, в которую он интегрирован.

В соответствии с вариантом осуществления изобретения, преобразователь напряжения источника питания содержит: многоуровневый преобразователь напряжения источника питания, выполненный с возможностью вывода множества уровней первого напряжения на один из двух первых выходных выводов через множество первых электропроводных дорожек; первый накопитель энергии; и первый переключающий элемент, выполненный с возможностью непосредственного соединения с первым выходным выводом, и выполненный с возможностью включения первого накопителя энергии в цепь с первой электропроводной дорожкой или отключения от нее, для комбинирования уровня напряжения первого накопителя энергии с уровнем первого напряжения, в качестве второго напряжения, выводимого на втором выходном выводе. Используя представленную выше топологию, класс напряжения каждого из силовых полупроводниковых приборов может поддерживаться ниже, чем количество силовых полупроводниковых приборов, оставшихся без изменения. Кроме того, V_DRM является пониженным по сравнению с обычной топологией. Это приводит к уменьшению стоимости и повышению надежности.

В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения, система преобразования источника напряжения содержит: преобразователь источника напряжения, в соответствии с каждым из предыдущих пунктов, который выполнен с возможностью вывода множества уровней второго напряжения на одном из двух выходных выводах по множеству первых электропроводных дорожек; четвертый накопитель энергии; и второй элемент переключения, выполненный с возможностью непосредственного соединения со вторым выходным выводом, и выполненный с возможностью подключения четвертого накопителя энергии к первой электропроводной дорожке и отключения от нее таким образом, чтобы комбинировать уровень напряжения четвертого накопителя энергии с уровнем второго напряжения, в качестве третьего напряжения, выводимого на третьем выходном выводе. Благодаря использованию топологии, такой, как описано выше, можно поддерживать более низкий класс напряжения каждого из силовых полупроводниковых приборов, при этом количество силовых полупроводниковых приборов не изменяется относительно количества выходного уровня напряжения. Кроме того, поскольку добавление дополнительного элемента переключения (такого, как второй элемент переключения, и четвертого накопителя энергии) следующий каскад не зависит от топологии преобразователя в предыдущем каскаде, при этом количество уровней выходного напряжения может быть повышено, благодаря внедрению большего количества элементов переключения в следующем каскаде без соответствующей модификации предыдущего каскада. Это позволяет уменьшить стоимость и повысить надежность.

Краткое описание чертежей

Предмет изобретения поясняется более подробно в следующем тексте, со ссылкой на предпочтительные примерные варианты выполнения, которые иллюстрируются на чертежах, на которых:

на фиг.1 показана топология в соответствии с обычным многоуровневым преобразователем напряжения;

на фиг.2 показана топология в соответствии с другим обычным многоуровневым преобразователем напряжения;

на фиг.3 показана топология в соответствии с другим обычным многоуровневым преобразователем напряжения;

на фиг.4 показана топология в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения;

на фиг.5 показана альтернативная топология для варианта осуществления по фиг.4;

на фиг.5A-5H поясняются состояния переключения топологии по варианту осуществления на фиг.5;

на фиг.6 показана топология в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения;

на фиг.7 показана топология зарядки для варианта осуществления настоящего изобретение в соответствии с фиг.4; и

на фиг.8 показана топология в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения.

Опорные символы, используемые на чертежах, и их значения представлены в обобщенной форме в списке номеров ссылочных позиций. В принципе, идентичные части обозначены теми же номерами ссылочных позиций, что и на чертежах.

Подробное описание изобретения

На фиг.4 иллюстрируется топология, в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Как показано на фиг.4, преобразователь 4 напряжения источника питания содержит многоуровневый преобразователь 40 напряжения источника питания, первый накопитель 41 энергии и первый элемент 42 переключения. Многоуровневый преобразователь 40 напряжения источника питания может выводить множество уровней первого напряжения. Первое напряжение предназначено для вывода на одном из двух первых выходных выводах A и B через множество первых электропроводных дорожек P1. В соответствии с каждым состоянием переключения многоуровневого преобразователя напряжения источника питания, одну из первых электропроводных дорожек P1 выбирают при включении некоторых из силовых полупроводниковых приборов, используемых в нем, как будет подробно описано ниже. Первый накопитель 41 энергии, такой как мощный конденсатор, может содержать электроэнергию. Первый элемент 42 переключения непосредственно соединен с первыми выходными выводами A и B, и он может подключать первый накопитель 41 энергии к первой электропроводной дорожке P1, и отключать его от нее для комбинирования уровня напряжения первого накопителя энергии с уровнем первого напряжения, в качестве второго напряжения, выводимого на втором выходном выводе C. Например, если уровень напряжения первого накопителя энергии составляет V_dc, и уровень напряжения первого напряжения составляет V_dc, 0, или -V_dc; тогда второе выходное напряжение представляет собой 2V_dc,V_dc, 0 или -V_dc, или -2V_dc, которые представляют собой пятиуровневый выход.

Преобразователь 40 многоуровневого источника напряжения содержит второй накопитель 400 энергии, третий накопитель 401 энергии. Второй накопитель 400 энергии и третий накопитель 401 энергии последовательно соединены в точке D соединения. Они могут представлять собой мощный конденсатор и могут содержать напряжения с одним или разными уровнями. Например, уровень напряжения на любом из накопителей энергии может составлять V_dc. Многоуровневый преобразователь 40 напряжения источника питания также включает в себя первый, второй, третий и четвертый силовые полупроводниковые приборы 402, 403, 404, 405, которые включены последовательно. Первый силовой полупроводниковый прибор 402 соединен со вторым накопителем 400 энергии в точке, противоположной точке D соединения, и четвертый силовой полупроводниковый прибор 405 соединен с третьим накопителем 401 энергии в точке, противоположной точки D соединения. Точка D соединения между вторым и третьим накопителями 400, 401 энергии соединена с точкой E соединения между вторым и третьим силовыми полупроводниковыми приборами 403, 404. Многоуровневый преобразователь 40 источника напряжения также содержит пятый силовой полупроводниковый прибор 406 и шестой силовой полупроводниковый прибор 407. Пятый силовой полупроводниковый прибор 406 включен между точкой F соединения между первым и вторым силовыми полупроводниковыми приборами 402, 403, и одним из первых выходных выводов A, и последовательно с первым силовым полупроводниковым прибором, и шестой силовой полупроводниковый прибор 407 включен между точкой G соединения, между третьим и четвертым силовыми полупроводниковыми приборами 404, 405, и любым из первого выходного вывода B, и последовательно с четвертым силовым полупроводниковым прибором.

Каждый из первого, второго, третьего, четвертого, пятого и шестого силовых полупроводниковых приборов представляет собой управляемый однонаправленный силовой полупроводниковый переключатель с антипараллельным, неуправляемым, с однонаправленной передачей тока полупроводниковым прибором, таким как IGCT или IGBT и т.д.

На основе состояния переключения каждого из силовых полупроводниковых приборов, первая электропроводная дорожка P1 может проходить через:

1. точку соединения между вторым накопителем 400 энергии и первым силовым полупроводниковым прибором 402, включающим первый мощный полупроводниковый прибор 402, включающий пятый силовой полупроводниковый прибор 406, и первым выходным выводом A; первый уровень напряжения на первом выходном выводе А представляет собой уровень напряжения второго накопителя 400 энергии, например, V_dc;

2. точку соединения между вторым накопителем 400 энергии и первым силовым полупроводниковым прибором 402, находящимся в свободном режиме первым силовым полупроводниковым прибором 402, находящимся в свободном режиме пятым силовым полупроводниковым прибором 406, и первым выходным выводом A; первый уровень напряжения на первом выходном выводе A представляет собой уровень напряжения второго накопителя 400 энергии, например, V_dc;

3. точку D соединения между вторым и третьим накопителями 400, 401 энергии, находящимся в свободном режиме вторым силовым полупроводниковым прибором 403, включающим пятым силовым полупроводниковым прибором 406, и первым выходным выводом A; первый уровень напряжения на первом выходном выводе A представляет собой уровень напряжения в точке D соединения (NP), например, 0;

4. точка D соединения между вторым и третьим накопителями 400, 401 энергии, находящимся в свободном режиме третьим силовым полупроводниковым прибором 404, включающим шестым силовым полупроводниковым прибором 407, и первым выходным выводом B; первый уровень напряжения на первом выходном выводе B представляет уровень напряжения в точке D соединения (NP), например, 0;

5. точка соединения между третьим накопителем 401 энергии и четвертым силовым полупроводниковым прибором 405, включающим четвертый силовой полупроводниковый прибор 405, включающим шестым силовым полупроводниковым прибором 407 и первым выходным выводом B; первый уровень напряжения на первом выходном выводе B представляет собой уровень напряжения второго накопителя 400 энергии, например, -V_dc; или

6. точка соединения между третьим накопителем 401 энергии и четвертым силовым полупроводниковым прибором 405, находящимся в свободном режиме четвертым силовым полупроводниковым прибором 405, находящимся в свободном режиме шестым силовым полупроводниковым прибором 407, и первым выходным выводом B; первый уровень напряжения на первом выходном выводе B представляет собой уровень напряжения второго накопителя 400 энергии, например, -V_dc.

Используя такую конфигурацию и состояния переключения, многоуровневый преобразователь 40 источника напряжения может выводить трехуровневое напряжение, независимо от конфигурации и состояний переключения преобразователя, каскадно-расположенного с ним. Кроме того, количество силовых полупроводниковых приборов является меньшим. Кроме того, периодически повторяющееся пиковое напряжение отключения для каждого из силовых полупроводниковых приборов уменьшается.

На фиг.5 иллюстрируется альтернативная топология для варианта осуществления по фиг.4. Разница между ними состоит в том, что второй и третий силовые полупроводниковые приборы 403, 404 заменены неуправляемыми однонаправленными в направлении переноса тока силовыми полупроводниковыми приборами, такими как мощный диод. Второй силовой полупроводниковый прибор 403 антипоследовательно соединен с первым силовым полупроводниковым прибором 402 в, и третий силовой полупроводниковый прибор 404 антипоследовательно соединен с четвертым силовым полупроводниковым прибором 405.

В результате таких замен, стоимость преобразователя источника напряжения уменьшается без потери действительных состояний.

Как показано на фиг.4 и 5, первый элемент 42 переключения содержит седьмой и восьмой полупроводниковые приборы 420, 421, соединенные последовательно в точке C соединения. Кроме того, седьмой силовой полупроводниковый прибор 420 антипоследовательно соединен с пятым силовым полупроводниковым прибором 406 в точке A соединения, и восьмой силовой полупроводниковый прибор 421 антипоследовательно соединен с шестым силовым полупроводниковым прибором 407 в точке B соединения. Поэтому первый накопитель 41 энергии соединен с первым элементом переключения параллельно между двумя первыми выходными выводами A и B. Любой из седьмого и восьмого представляет собой управляемый однонаправленный силовой полупроводниковый переключатель с антипараллельно соединенным неуправляемым, с однонаправленной передачей тока полупроводниковым прибором.

Используя конфигурацию элемента переключения, первая электропроводная дорожка может быть дополнительно проведена через:

1. первый накопитель 41 энергии, восьмой включающий силовой полупроводниковый прибор 421 и второй выходной вывод C;

2. седьмой включающий силовой полупроводниковый прибор 420 и второй выходной вывод C;

3. восьмой включающий силовой полупроводниковый прибор 421 и второйвыходной вывод C; или

4. первый накопитель 41 энергии, седьмой включающий силовой полупроводниковый прибор 420 и второй выходной вывод C.

5. второй выходной вывод C предназначен для вывода второго напряжения, которое рассматривается, как выход преобразователя источника напряжения.

На фиг.5A-5H иллюстрируются первые электропроводные дорожки в каждом из действительных состояний, в соответствии с вариантами осуществления по фиг.5. Стрелка на каждом из чертежей обозначает электропроводную дорожку P1. Для удобства считывания первый, четвертый, пятый, шестой, седьмой и восьмой силовые полупроводниковые приборы обозначены, как V1, V2, V3, V4, V5 и V6, второй и третий силовые полупроводниковые приборы обозначены, как Dl, D2. Выходное напряжение представляет собой выход на втором выходном выводе c, и с целью описания, уровень напряжения каждого из первого, второго и третьего накопителей 41, 400, 401 энергии составляет V_dc с полярностью напряжения, обозначенной на чертежах. Строка "напряжение" представляет напряжение на каждом из силовых полупроводниковых приборов в каждом из состояний переключения.

Состояние переключения каждого из силовых полупроводниковых приборов в соответствии с фиг.5A описано в таблице I.

В состоянии переключения в таблице I первая электропроводная дорожка P1 является двунаправленной. Как показано на фиг.5A, первая электропроводная дорожка P1 продолжается через точку соединения между вторым накопителем энергии и первым силовым полупроводниковым прибором V1, включающим/работающим в свободном режиме первым силовым полупроводниковым прибором V1, включающим/работающим в свободном режиме пятым силовым полупроводниковым прибором V3, и первым выходным выводом A; первый уровень напряжения на первом выходном выводе A представляет собой V_dc. Кроме того, из первого выходного вывода A, первый путь P1 соединения ведет через первый накопитель 41 энергии, включающий/работающий в свободном режиме восьмой силовой полупроводниковый прибор V6 и второй выходной вывод C. Что касается точки NP, напряжение, выводимое во втором выходном выводе C, составляет 2V_dc.

Состояние переключения каждого из силовых полупроводниковых приборов, в соответствии с фиг.5B, подробно описано в таблице II.

В состоянии переключения по таблице II первая электропроводная дорожка P1 является однонаправленной. Как показано на фиг.5B, первая электропроводная дорожка P1 продолжается через точку соединения между вторым накопителем энергии и первым силовым полупроводниковым прибором V1, включающим первым силовым полупроводниковым прибором V1, включающим пятым силовым полупроводниковым прибором V3, и первым выходным выводом A; первый уровень напряжения на первом выходном выводе A составляет Vdc. Кроме того, из первого выходного вывод A, первая электропроводная дорожка P1 ведет через включающий седьмой силовой полупроводниковый прибор V5 и второй выходной вывод C. Что касается точки NP, напряжение, выводимое на втором выходном выводе С, составляет Vdc.

Состояние переключения каждого из силовых полупроводниковых приборов на фиг.5C описано так, как в таблице III.

В состоянии переключения по таблице III, первая электропроводная дорожка P1 является однонаправленной. Как показано на фиг.5B, первая электропроводная дорожка P1 продолжается через точку D соединения между вторым и третьим накопителями энергии, работающим в свободном режиме вторым силовым полупроводниковым прибором, включающим пятым силовым полупроводниковым прибором V3 и первым выходным выводом A; первый уровень напряжения на первом выходном выводе A равен 0. Кроме того, из первого выходного вывода A первая электропроводная дорожка P1 ведет через первый накопитель 41 энергии, включающий восьмой силовой полупроводниковый прибор V6 и второй выходной вывод C. Что касается точки NP, напряжение, выводимое на втором выходном вывод C, равно V_dc.

Состояние переключения каждого из силовых полупроводниковых приборов, в соответствии с фиг.5D, описано в таблице IV.

В соответствии с состоянием переключения по таблице IV, первая электропроводная дорожка P1 является однонаправленной. Как показано на фиг.5D, первая электропроводная дорожка P1 продолжается через точку D соединения между вторым и третьим накопителями энергии, работающий в свободном режиме второй силовой полупроводниковый прибор D1, включающий пятый силовой полупроводниковый прибор V3, и первый выходной вывод A. Кроме того, из первого выходного вывода A, первая электропроводная дорожка P1 ведет через включающий седьмой силовой полупроводниковый прибор V5 и второй выходной вывод C. Что касается точки NP, напряжение, выводимое на второй выходной вывод C, равно 0.

Состояние переключения каждого из силовых полупроводниковых приборов, в соответствии с фиг.5E, описано в таблице V.

В соответствии с состоянием переключения по таблице V, первая электропроводная дорожка P1 является однонаправленной. Как показано на фиг.5E, первая электропроводная дорожка P1 продолжается через точку соединения D между вторым и третьим накопителями энергии, работающий в свободном режиме третий силовой полупроводниковый прибор D2, включающий шестой силовой полупроводниковый прибор V4 и первый выходной вывод B; первый уровень напряжения на первом выходном выводе B представляет собой уровень напряжения в точке соединения D (NP), например, 0. Кроме того, от первого выходного вывода B, первая электропроводная дорожка P1 продолжается через работающий в свободном режиме восьмой силовой полупроводниковый прибор V6 и второй выходной вывод C. Что касается точки NP, напряжение, выводимое на второй выходной вывод С, равно 0.

Состояние переключения каждого из силовых полупроводниковых приборов, в соответствии с фиг.5F, описано в таблице VI.

В соответствии с состоянием переключения по таблице VI, первая электропроводная дорожка P1 является однонаправленной. Как показано на фиг.5F, первая электропроводная дорожка P1 продолжается через точку D соединения между вторым и третьим накопителями энергии, работающий в свободном режиме, третий силовой полупроводниковый прибор D2, включающий шестой силовой полупроводниковый прибор V4 и первый выходной вывод B; первый уровень напряжения на первом выходном выводе B представляет собой уровень напряжения в точке соединения D (NP), например, 0. Кроме того, от первого выходного вывода B первая электропроводная дорожка P1 ведет через первый накопитель 41 энергии, включающий седьмой силовой полупроводниковый прибор V5 и второй выходной вывод C. Что касается точки NP, напряжение, выводимое на второй выходной вывод C, представляет собой -V_dc.

Состояние переключения каждого из силовых полупроводниковых приборов в соответствии с фиг.5G, описано в таблице VII.

В соответствии с состоянием переключения по таблице VII, первая электропроводная дорожка P1 является двунаправленной. Как показано на фиг.5G, первая электропроводная дорожка P1 продолжается через точку соединения между третьим накопителем 401 энергии и четвертым силовым полупроводниковым прибором V2, включающий/работающий в свободном режиме четвертый силовой полупроводниковый прибор V2, включающий/работающий в свободном режиме шестой силовой полупроводниковый прибор V4 и первый выходной вывод B; первый уровень напряжения на первом выходном выводе В представляет собой уровень напряжения в точке соединения D (NP), например, 0. Кроме того, от первого выходного вывода B первая электропроводная дорожка P1 продолжается через работающий в свободном режиме/включающий восьмой силовой полупроводниковый прибор V6 и второй выходной вывод C. Что касается точки NP, напряжение, выводимое на второй выходной вывод C, представляет собой -V_dc.

Состояние переключения каждого из силовых полупроводниковых приборов в соответствии с фиг.5H, описано в таблице VIII.

В соответствии с состоянием переключения по таблице VIII, первая электропроводная дорожка P1 является двунаправленной. Как показано на фиг.5Н, первая электропроводная дорожка P1 проходит через точку соединения между третьим накопителем 401 энергии и четвертым силовым полупроводниковым прибором V2, включающий/работающий в свободном режиме четвертый силовой полупроводниковый прибор V2, включающий/работающий в свободном режиме шестой силовой полупроводниковый прибор V4, первый накопитель энергии, включающий седьмой силовой полупроводниковый прибор и второй выходной вывод B; первый уровень напряжения на первом выходном выводе B представляет собой уровень напряжения в точке соединения D (NP), например, -V_dc. Кроме того, от первого выходного вывода B, первая электропроводная дорожка P1 продолжается через работающий в свободном режиме/включающий седьмой силовой полупроводниковый прибор V5 и второй выходной вывод C. Что касается точки NP, напряжение, выводимое на второй выходной вывод C, составляет -2V_dc.

Имея описанную выше топологию, класс напряжения каждого из силовых полупроводниковых приборов можно поддерживать на более низком уровне при неизменном количестве силовых полупроводниковых приборов. Кроме того, V_DRM будет меньше по сравнению с обычной топологией. Это приводит к уменьшению стоимости и увеличению гарантийного срока службы.

По сравнению с топологией по фиг.5, топология в соответствии с фиг.4 выполнена с возможностью некоторых избыточных состояний переключения, как описано ниже:

a. первая электропроводная дорожка P1 проходит через точку D соединения между вторым и третьим накопителями энергии, включающий второй силовой полупроводниковый прибор, работающий в свободном режиме пятый силовой полупроводниковый прибор V3, и первый выходной вывод A; первый уровень напряжения на первом выходном выводе A равен 0. Кроме того, с первого выходного вывода A первая электропроводная дорожка P1 продолжается через первый накопитель 41 энергии, работающий в свободном режиме восьмой силовой полупроводниковый прибор V6 и второй выходной вывод C. Что касается точки NP, напряжение, выводимое на второй выходной вывод C, равно V_dc;

b. первая электропроводная дорожка P1 проходит через точку D соединения между вторым и третьим накопителями энергии, включающий второй силовой полупроводниковый прибор D1, работающий в свободном режиме пятый силовой полупроводниковый прибор V3 и первый выходной вывод A. Кроме того, с первого выходного вывода A, первая электропроводная дорожка P1 ведет через работающий в свободном режиме седьмой силовой полупроводниковый прибор V5 и второй выходной вывод C. Что касается точки NP, напряжение, выводимое на второй выходной вывод C, равно 0;

c. первая электропроводная дорожка P1 проходит через точку соединения D между вторым и третьим накопителями энергии, включающий третий силовой полупроводниковый прибор D2, работающий в свободном режиме шестой силовой полупроводниковый прибор V4, и первый выходной вывод B; первый уровень напряжения на первом выходном выводе В представляет собой уровень напряжения в точке соединения D (NP), например, 0. Кроме того, от первого выходного вывода B, первая электропроводная дорожка P1 ведет через включающий восьмой силовой полупроводниковый прибор V6 и второй выходной вывод C. Что касается точки NP, напряжение, выводимое на второй выходной вывод C, равно 0; или

d. первая электропроводная дорожка P1 проходит через точку соединения D между вторым и третьим накопителями энергии, включающий третий силовой полупроводниковый прибор D2, работающий в свободном режиме шестой силовой полупроводниковый прибор V4, и первый выходной вывод B; первый уровень напряжения на первом выходном выводе B представляет собой уровень напряжения в точке соединения D (NP), например, 0. Кроме того, от первого выходного вывода B первая электропроводная дорожка P1 ведет через первый накопитель 41 энергии, работающий в свободном режиме седьмой силовой полупроводниковый прибор V5 и второй выходной вывод C. Что касается точки NP, напряжение, выводимое на второй выходной вывод C, представляет собой -V_dc.

e.

Эти избыточные состояния переключения помогают повысить надежность преобразователя напряжения источника питания.

На фиг.6 иллюстрируется топология в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения. Эта топология отличается от показанного на фиг.4 элемента переключения и первого накопителя энергии. В частности, как показано на фиг.6, элемент 42 переключения содержит седьмой и восьмой силовые полупроводниковые приборы 422, 423, соединенные последовательно в первой точке соединения, девятый и десятый силовые полупроводниковые приборы 424, 425, соединенные последовательно во второй точке B соединения, и одиннадцатый, и двенадцатый силовые полупроводниковые приборы 420, 421, соединенные антипоследовательно в третьей точке соединения. И одиннадцатый силовой полупроводниковый прибор 420, соединенный с обеими из первой точки соединения и одним из первых выходных выводов A, и двенадцатый силовой полупроводниковый прибор 421 соединены с обеими из второй точки соединения и другим из первых выходных выводов B. Кроме того, первый накопитель 41 энергии, седьмой и восьмой силовые полупроводниковые приборы 422, 423, и девятый и десятый силовые полупроводниковые приборы 424, 425 расположены так, что они соединены параллельно. Каждый из седьмого, восьмого, девятого и одиннадцатого силовых полупроводниковых приборов управляемым однонаправленным силовым полупроводниковым переключателем с включенным антипараллельно неуправляемым однонаправленным передающим ток силовым полупроводниковым прибором, таким как IGCT или IGBT и т.д. Каждый из десятого и двенадцатого силовых полупроводниковых приборов представляет собой управляемый двунаправленный силовой полупроводниковый переключатель.

Состояния переключения топологии, в соответствии с фиг.6, показаны в Таблице IX. Для удобства чтения первый, четвертый, пятый, шестой, седьмой, восьмой, девятый, десятый, одиннадцатый и двенадцатый силовые полупроводниковые приборы обозначены, как V1, V6, V2, V7, V3, V4, V8, V9, V5, V10, второй и третий силовые полупроводниковые приборы обозначены, как D1, D2. Выходное напряжение представляет собой выход на втором выходном выводе C, и с целью описания, уровень напряжения каждого из первого, второго и третьего накопителей 41, 400, 401 энергии составляет V_dc, при этом полярность напряжения обозначена на чертежах. В строке "напряжение" показано напряжение на каждом из силовых полупроводниковых приборов в каждом из состояний переключения.

В состоянии S1 переключения первая электропроводная дорожка P1 является двунаправленной. Как показано на фиг.6, первая электропроводная дорожка P1 продолжается через точку соединения между вторым накопителем энергии и первым силовым полупроводниковым прибором V1, включающий/работающий в свободном режиме первый силовой полупроводниковый прибор V1, включающий/работающий в свободном режиме пятый силовой полупроводниковый прибор V2 и первый выходной вывод A. Уровень напряжения на первом выходном выводе A составляет V_dc. Кроме того, от первого выходного вывода A, первая электропроводная дорожка P1 продолжается через включающий/работающий в свободном режиме восьмой силовой полупроводниковый прибор V4, первый накопитель энергии, включающий/работающий в свободном режиме девятый и двенадцатый силовые полупроводниковые приборы V8, V10, и второй выходной вывод. Что касается точки NP, напряжение, выводимое на второй выходной вывод C, составляет 2V_dc.

В состоянии S2 переключения первая электропроводная дорожка P1 является двунаправленной. Как показано на фиг.6, первая электропроводная дорожка P1 продолжается через точку соединения между вторым накопителем энергии и первым силовым полупроводниковым прибором V1, включающий/работающий в свободном режиме первый силовой полупроводниковый прибор V1, включающий/работающий в свободном режиме пятый силовой полупроводниковый прибор V2 и первый выходной вывод A. Уровень напряжения на первом выходном выводе A представляет собой уровень V_dc. Кроме того, от первого выходного вывода A первая электропроводная дорожка P1 продолжается через включающий/работающий в свободном режиме одиннадцатый полупроводниковый прибор V5 и второй выходной вывод C. Что касается точки NP, напряжение, выводимое на второй выходной вывод C, составляет V_dc.

В состоянии S3 переключения первая электропроводная дорожка P1 является однонаправленной. Как показано на фиг.6, первая электропроводная дорожка P1 продолжается через точку D соединения между вторым и третьим накопителями энергии, работающий в свободном режиме второй силовой полупроводниковый прибор D1, включающий пятый силовой полупроводниковый прибор V2 и первый выходной вывод A; первый уровень напряжения на первом выходном выводе A равен 0. Кроме того, от первого выходного вывода A первая электропроводная дорожка P1 продолжается через включающий седьмой силовой полупроводниковый прибор V4, первый накопитель энергии, включающий/работающий в свободном режиме десятый и двенадцатый силовые полупроводниковые приборы V8, V10, и второй выходной вывод. Что касается точки NP, напряжение, выводимое на второй выходной вывод C, составляет V_dc.

В состоянии S4 переключения первая электропроводная дорожка P1 является однонаправленной. Как показано на фиг.6, первая электропроводная дорожка P1 продолжается через точку соединения D между вторым и третьим накопителями энергии, работающий в свободном режиме второй силовой полупроводниковый прибор D1, включающий пятый силовой полупроводниковый прибор V2, и первый выходной вывод A; первый уровень напряжения на первом выходном выводе A равен 0. Кроме того, от первого выходного вывода A, первая электропроводная дорожка P1 продолжается через включающий/работающий в свободном режиме одиннадцатый полупроводниковый прибор V5 и второй выходной вывод C, и второй выходной вывод. Что касается точки NP, напряжение, выводимое на второй выходной вывод C, равно 0.

В состоянии S5 переключения первая электропроводная дорожка P1 является двунаправленной. Как показано на фиг.6, первая электропроводная дорожка P1 продолжается через точку соединения между вторым накопителем энергии и первым силовым полупроводниковым прибором V1, включающий/работающий в свободном режиме первый силовой полупроводниковый прибор V1, включающий/работающий в свободном режиме пятый силовой полупроводниковый прибор V2 и первый выходной вывод A. Уровень напряжения на первом выходном выводе A составляет V_dc. Кроме того, от первого выходного вывода A, первая электропроводная дорожка P1 продолжается через включающий/работающий в свободном режиме седьмой силовой полупроводниковый прибор V3, первый накопитель энергии, включающий/работающий в свободном режиме десятый и двенадцатый силовые полупроводниковые приборы V9, V10, и второй выходной вывод C. Что касается точки NP, напряжение, выводимое на второй выходной вывод C, равно 0.

В состоянии S6 переключения первая электропроводная дорожка P1 является двунаправленной. Как показано на фиг.6, первая электропроводная дорожка P1 продолжается через точку соединения между третьим накопителем энергии и четвертым силовым полупроводниковым прибором V6, включающий/работающий в свободном режиме четвертый силовой полупроводниковый прибор V6, включающий/работающий в свободном режиме шестой силовой полупроводниковый прибор V7, первый накопитель энергии, включающий седьмой силовой полупроводниковый прибор и второй выходной вывод B; первый уровень напряжения на первом выходном выводе B представляет собой уровень напряжения в точке соединения D (NP), например, -V_dc. Кроме того, от первого выходного вывода B, включающий/работающий в свободном режиме седьмые, одиннадцатые, десятые силовые полупроводниковые приборы V3, V9, V5, и второй выходной вывод C. Что касается точки NP, напряжение, выводимое на второй выходной вывод C, равно 0.

В состоянии S7 первая электропроводная дорожка P1 является однонаправленной. Как показано на фиг.6, первая электропроводная дорожка P1 продолжается через точку соединения D между вторым и третьим накопителями энергии, работающий в свободном режиме третий силовой полупроводниковый прибор D2, включающий шестой силовой полупроводниковый прибор V7, и первый выходной вывод B; первый уровень напряжения на первом выходном выводе B представляет собой уровень напряжения в точке соединения D (NP), например, 0. Кроме того, от первого выходного вывода B, первая электропроводная дорожка P1 продолжается через включающий/работающий в свободном режиме двенадцатый полупроводниковый прибор V10 и второй выходной вывод C. Что касается точки NP, напряжение, выводимое на второй выходной вывод C, равно 0.

В состоянии S8 переключения первая электропроводная дорожка P1 является однонаправленной. Как показано на фиг.6, первая электропроводная дорожка P1 продолжается через точку D соединения между вторым и третьим накопителями энергии, работающий в свободном режиме третий силовой полупроводниковый прибор D2, включающий шестой силовой полупроводниковый прибор V7 и первый выходной вывод B; первый уровень напряжения на первом выходном выводе В представляет собой уровень напряжения в точке соединения D (NP), например, 0. Кроме того, от первого выходного вывода B, первая электропроводная дорожка P1 продолжается через включающий/работающий в свободном режиме девятый силовой полупроводниковый прибор V8, первый накопитель энергии, включающий/работающий в свободном режиме восьмой и одиннадцатый силовые полупроводниковые приборы V4, V5, и второй выходной вывод C. Что касается точки NP, напряжение, выводимое на второй выходной вывод C, представляет собой -V_dc.

В состоянии S9 переключения первая электропроводная дорожка P1 является двунаправленной. Как показано на фиг.6, первая электропроводная дорожка P1 продолжается через точку соединения между третьим накопителем энергии и четвертым силовым полупроводниковым прибором V6, включающий/работающий в свободном режиме четвертый силовой полупроводниковый прибор V6, включающий/работающий в свободном режиме шестой силовой полупроводниковый прибор V7, первый накопитель энергии, включающий седьмой силовой полупроводниковый прибор и второй выходной вывод B; первый уровень напряжения на первом выходном выводе B представляет собой уровень напряжения в точке D соединения (NP), например -V_dc. Кроме того, от первого выходного вывода B, первая электропроводная дорожка P1 продолжается через включающий/работающий в свободном режиме двенадцатый полупроводниковый прибор V10 и второй выходной вывод C. Что касается точки NP, напряжение, выводимое на второй выходной вывод C, представляет собой -V_dc.

В состоянии S10 переключения первая электропроводная дорожка P1 является двунаправленной. Как показано на фиг.6, первая электропроводная дорожка P1 продолжается через точку соединения между третьим накопителем энергии и четвертым силовым полупроводниковым прибором V6, включающий/работающий в свободном режиме четвертый силовой полупроводниковый прибор V6, включающий/работающий в свободном режиме шестой силовой полупроводниковый прибор V7, первый накопитель энергии, включающий седьмой силовой полупроводниковый прибор и второй выходной вывод B; первый уровень напряжения на первом выходном выводе B представляет собой уровень напряжения в точке D соединения (NP), например, -V_dc. Кроме того, от первого выходного вывода B, первая электропроводная дорожка P1 продолжается через включающий/работающий в свободном режиме девятый силовой полупроводниковый прибор V8, первый накопитель энергии, включающий/работающий в свободном режиме восьмые и одиннадцатые силовые полупроводниковые приборы V4, V5, и второй выходной вывод C. Что касается точки NP, напряжение, выводимое на второй выходной вывод C, представляет собой -2V_dc.

Используя топологию по фиг.6 и ее состояния переключения, класс напряжения каждого из силовых полупроводниковых приборов можно поддерживать на низком уровне. Это позволяет уменьшить стоимость и повысить надежность. Кроме того, благодаря протеканию двунаправленного тока в/из первого накопителя энергии во время работы, напряжение первого накопителя энергии можно поддерживать самостоятельно сбалансированным.

На фиг.7 иллюстрируется топология заряда для варианта осуществления настоящего изобретения в соответствии с фиг.4. Для специалиста в данной области техники будет понятно, что топологию заряда также можно использовать для варианта осуществления в соответствии с фиг.5. Как показано на фиг.7, заряжающий трансформатор 44 соединен между точкой D соединения между вторым и третьим накопителями 400, 401 энергии и вторым выходным выводом C. Путь заряда может вести через свободно работающий восьмой силовой полупроводниковый прибор 421, первый накопитель 41 энергии, свободно работающий пятый силовой полупроводниковый прибор 406, свободно работающий первый силовой полупроводниковый прибор 402 и второй накопитель 400 энергии; или третий накопитель 401 энергии, свободно работающий четвертый силовой полупроводниковый прибор 405, свободно работающий шестой силовой полупроводниковый прибор 407, первый накопитель 41 энергии, и свободно работающий седьмой силовой полупроводниковый прибор 420.

На фиг.8 иллюстрируется топология в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения. Как показано на фиг.8, преобразователь напряжения источника питания, в соответствии с каждым из предыдущих вариантов осуществления, включая в себя, но без ограничений фиг.4-6, может генерировать множество уровней второго напряжения на одном из двух вторых выходных выводов во множестве первых электропроводных дорожек P1. В четвертом накопителе 45 энергии содержится электрическая энергия, например он представляет собой конденсатор электроэнергии с уровнем напряжения С. Второй элемент 46 переключения непосредственно соединен со вторым выходным выводом, и может переключать четвертый накопитель 45 энергии с подключением его к первой электропроводной дорожке P1, или отключением ее так, что комбинируется уровень напряжения четвертого накопителя 45 энергии с уровнем второго напряжения, как третье выходное напряжение, на третьем выходном выводе. Дополнительный накопитель энергии и дополнительный элемент переключения могут быть интегрированы непосредственно с выходным выводом предыдущего каскада для вывода таких уровней напряжения, как 3V_dc, 4V_dc, …и n+1V_dc. Имея описанную выше топологию, класс напряжения каждого из силовых полупроводниковых приборов можно поддерживать более низким при неизменном количестве включенных силовых полупроводниковых приборов относительно количества выходных уровней напряжения. Кроме того, поскольку добавление дополнительного элемента переключения в следующем каскаде не зависит от топологии преобразователя предыдущего каскада, количество уровней выходного напряжения может быть увеличено при установке большего количества элементов переключения для следующего каскада, без соответствующей модификации предыдущего каскада. Это позволяет уменьшить стоимость и повысить гарантийный срок службы.

Хотя настоящее изобретение было описано на основе некоторых предпочтительных вариантов осуществления, для специалиста в данной области техники будет понятно, что эти варианты осуществления никоим образом не ограничивают объем настоящего изобретения. Без выхода за пределы сущности и концепции настоящего изобретения, любые варианты и модификации вариантов осуществления должны находиться в пределах представления лиц с обычным уровнем знаний и навыками в данной области техники и, поэтому, попадают в пределы объема настоящего изобретения, который определен приложенной формулой изобретения.

Реферат

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в преобразователе напряжения источника питания. Технический результат - повышение надежности. Преобразователь напряжения источника питания содержит: многоуровневый преобразователь напряжения источника питания, выполненный с возможностью вывода множества уровней первого напряжения на одном из двух первых выходных выводов через множество первых электропроводных дорожек; первый накопитель энергии и первый элемент переключения, выполненный с возможностью непосредственного соединения с первым выходным выводом и выполненный также с возможностью подключения первого накопителя энергии к первой электропроводной дорожке или отключения его от нее таким образом, чтобы комбинировать уровень напряжения первого накопителя энергии с уровнем первого напряжения, в качестве второго напряжения, выводимого на второй выходной вывод. Имея представленную выше топологию, класс напряжения каждого из силовых полупроводниковых приборов может поддерживаться на более низком уровне без изменения количества силовых полупроводниковых приборов. Кроме того, Vниже по сравнению с обычной топологией. Это позволяет уменьшить стоимость и повысить надежность. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 16 ил., 9 табл.

Формула