[发明专利]开关单元及利用其切换多个电压水平的变换器电路

说明书

技术领域

本发明涉及变换器电路领域。本发明基于根据独立权利要求的前序部分所述的开关单元以及用于切换多个电压水平的变换器电路。

背景技术

如今，变换器电路被应用于广泛的功率电子应用中。在此对这种变换器电路的要求一方面是在以常见方式连接在变换器电路上的交流电压网的相处产生尽可能少的谐波，另一方面是利用尽可能少量的电子元件传输尽可能大的功率。在DE 692 05 413 T2中说明了一种用于切换多个开关电压水平的适当的变换器电路。其中说明了具有开关组的开关单元，其中所述开关组具有第一和第二可控双向功率半导体开关和电容器。第一和第二可控双向功率半导体开关分别由具有以绝缘方式布置的控制电极的双极晶体管(IGBT-绝缘栅双极晶体管(InsulatedGate Bipolartransistor))和与该双极晶体管反并联连接的二极管构成。

根据DE 692 05 413 T2所述的用于切换多个开关电压水平的变换器电路的开关单元的问题在于，在工作期间在开关单元中所存储的电能很高。因为电能被存储在开关单元的电容器中，所以电容器和功率半导体开关必须针对该电能、即针对耐压强度(阻断电压)和/或电容来设计。但这决定了具有大结构尺寸的电容器，所述电容器相应地比较昂贵。此外由于在结构尺寸方面大的电容器，开关单元并从而还有变换器电路需要大量空间，使得无法实现如对于很多应用、例如对于牵引应用所要求的空间节省的结构。另外需要昂贵的且复杂的功率半导体开关，所述功率半导体开关具有高耐压强度。此外使用在结构尺寸方面大的电容器造成高的安装和维护耗费。另外根据DE 692 05 413T2所述的用于切换多个开关电压水平的变换器电路由于仅仅使用具有以绝缘方式布置的控制电极的双极晶体管作为可控功率半导体开关而对高电压、特别是对过电压敏感，并且此外具有很大的功功率损耗。

发明内容

因此本发明的任务在于，说明一种开关单元，所述开关元件可以以在其工作期间存储尽可能少的电能并且节省空间的方式来实现。此外，本发明的任务是，说明一种用于切换多个电压水平的变换器电路，所述变换器电路同样可以以在其工作期间存储尽可能少的电能并节省空间的方式来实现，在最大程度上对高电压和故障状态不敏感，并且具有少的有功功率损耗。

这些任务通过权利要求1和权利要求6的特征得以解决。在从属权利要求中说明本发明的有利改进方案。

本发明的开关单元包括开关组，其中开关组具有第一和第二可控双向功率半导体开关和电容器。根据本发明，开关组还具有第三、第四、第五和第六可控双向功率半导体开关，其中第一可控双向功率半导体开关反串联地与第二可控双向功率半导体开关连接，第三可控双向功率半导体开关反串联地与第四可控双向功率半导体开关连接。此外电容器与第一可控双向功率半导体开关和第二可控双向功率半导体开关的连接点以及与第三可控双向功率半导体开关和第四可控双向功率半导体开关的连接点连接。此外第五可控双向功率半导体开关与第一可控双向功率半导体开关和第二可控双向功率半导体开关的连接点以及与第四可控双向功率半导体开关连接，其中第六可控双向功率半导体开关与第三可控双向功率半导体开关和第四可控双向功率半导体开关的连接点以及与第二可控双向功率半导体开关连接。此外设有第一电容性蓄能器和与该第一电容性蓄能器串联连接的第二电容性蓄能器，其中第一可控双向功率半导体开关与第三可控双向功率半导体开关在第一电容性蓄能器和第二电容性蓄能器的连接点处相互连接。通过可控双向功率半导体开关、电容器、两个电容性蓄能器及其前述的相互和彼此的连接，可以有利地使开关单元的所存储的电能保持少，其中各个可控双向功率半导体开关的耐压强度或阻断电压有利地必须只对应于电容器的施加在该电容器上的最大电压，并且因此各个可控双向功率半导体开关在其阻断电压方面必须只依照该电压来设计。由于开关单元的所存储的电能总共少，所以该开关单元可以保持得小，因为开关单元的电容器必须仅针对要存储的所述小电能、即针对其耐压强度和/或其电容来设计。由于电容器的由此产生的结构尺寸小，开关单元需要很小的空间。此外由于小的结构尺寸还可以保持安装和维护耗费小。