CN109075721B - 用于多电平转换器的模块 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种模块，所述模块被构造为多电平转换器的组件并且具有多个基本单元(46，48)以及电能量源，其中，每个基本单元(46，48)具有至少一个半桥，其中，所述至少一个半桥包括至少一个高侧开关(46a，48a)和至少一个低侧开关(46b，48b)，其中，对于在所述模块内直接并排相邻地布置的两个基本单元(46，48)来设置，使得在两个基本单元(46，48)的第一基本单元(46，48)中，所述至少一个高侧开关(46a，48a)与第一能量源的正极连接并且所述至少一个低侧开关(46b，48b)与第二能量源的负极连接，其中在两个基本单元(46，48)的第二基本单元(46，48)中，所述至少一个高侧开关(46a，48a)与第二能量源的正极连接并且所述至少一个低侧开关(46b，48b)与第一能量源的负极连接，其中两个极之间的电流通过至少一个电流路径(53)输送。

Description

用于多电平转换器的模块
本发明涉及一种模块、其被构造为多电平转换器的组件、一种多电平转换器和一种用于运行多电平转换器的方法。
多电平转换器是一种电设备，其包括多个相同类型地构造的模块，其中为每个模块分配其自身的电压源。在多电平转换器的运行时，多个模块彼此组合，其中，由电压源组合而成的模块能够产生分别所需的所得的电压。
文献US 2013 0033 912 A1中描述了一种五电平变换器，其具有由两个电容器和两个二极管、开关和全桥电路构成的电容器组。因此，在此可以产生具有恰好五个电压水平的交流电压。
文献US 2015 0009 734 A1中描述了一种用于控制多电平半桥的方法。多电平半桥在此由两个相对于中心抽头对称布置的具有任意数量开关的分支组成。这些开关分别通过电容器与另一个分支的相应开关连接。
文献US 2015 0280 474A1中描述了一种用于由三个相位交流电源对能量存储器进行充电的方法。交流电源的每个相位与低侧致动器、二极管和转换器连接。
文献US 2015 0372 611 A1描述了一种具有多个子模块的模块化高频逆变器，每个子模块包含半桥和全桥，其中它们通过直流电压中间电路连接。通过在每个直流电压中间电路中存在的电容的电压测量，可以有目的地接通或断开各个子模块。
文献WO 2015/131931 A1中描述了一种具有多个由半桥构成的子模块的多电平变换器，其或者连接为半桥或者为全桥。
在此背景下，本发明的目的是提供一种包括多个模块的多电平转换器及对其进行运行的方法，其中，应当减少在接通和断开各个模块时引起的磁场。
该目的通过根据权利要求1所述的模块、根据独立权利要求7所述的多电平转换器以及根据独立权利要求11所述的方法实现。自从属权利要求和说明书中得出该模块、该多电平转换器和该方法的多个构型。
根据本发明的模块被构造为多电平转换器的组件并且具有多个基本单元和电能量源，其中每个基本单元具有至少一个半桥。至少一个半桥包括至少一个高侧(highside)开关和至少一个低侧(lowside)开关。在此，设置两个基本单元，其在模块内直接并排相邻地布置，在第一基本单元中，至少一个高侧开关与第一能量源的正极连接，并且至少一个低侧开关与第二能量源的负极连接，其中，在第二基本单元中，至少一个高侧开关与第二能量源的正极连接，并且至少一个低侧开关与第一能量源的负极连接。在模块运行中，需要通过至少一个电流路径在两个极之间输送电流。
通常，至少一个电流路径能够连接在至少两个直接相邻的开关之间。
在一种设计方案中，用于输送电流的至少一个电流路径直接连接在至少一个半桥的至少一个高侧开关和至少一个低侧开关之间，其中，电流通过至少一个电流路径从第一或第二能量源的正极通过至少一个高侧开关和至少一个低侧开关被输送至第二或第一能量源的负极。
替代性地或另外地，用于输送电流的至少一个电流路径直接连接在第一基本单元的开关和第二基本单元的开关之间，这些开关直接相邻并排地布置。因此，至少一个电流路径直接连接在两个直接相邻的基本单元的两个高侧的、直接相邻的开关之间和/或直接连接在两个直接相邻的基本单元的两个低侧的、直接相邻的开关之间。如果至少一个电流路径连接两个基本单元的两个直接相邻的高侧开关，则电流从第一能量源的正极通过两个高侧开关输送至第二能量源的正极。如果至少一个电流路径连接两个基本单元的两个直接相邻的低侧开关，则电流从第一能量源的负极通过两个低侧开关输送至第二能量源的负极。
所述至少一个半桥中的至少一个开关被构造为半导体开关、例如晶体管、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)和/或被构造为具有绝缘栅-电极的双极晶体管(IGBT)。
每个基本单元包括正汇流排和负汇流排，其中至少一个半桥的至少一个高侧开关与正汇流排连接，并且至少一个半桥的至少一个低侧开关与负汇流排连接。对于在模块内直接相邻布置的两个基本单元，在第一基本单元中，正汇流排与第一电源的正极连接，并且负汇流排与第二电源的负极连接。此外，在第二基本单元中，正汇流排与第二电源的正极连接，并且负汇流排与第一电源的负极连接。
模块的至少一个电能量源被构造为电压源，通常作为直流电压源、例如作为电池或蓄电池和/或电容器。
此外，基本单元布置在电路板上。因此，基本单元并排布置在电路板上。通常，每个基本单元包括封闭开关的壳体。由直接并排布置的两个直接相邻的基本单元构成的开关仅通过两个基本单元的壳体彼此分开。
根据本发明的多电平转换器具有多个模块，其中每个模块具有多个基本单元和电能量源，其中每个基本单元具有至少一个半桥，其中，所述至少一个半桥包括至少一个高侧(highside)开关和至少一个低侧(lowside)开关。设置两个基本单元，它们在模块内直接并排相邻地布置，在第一基本单元中，至少一个高侧开关与第一能量源的正极连接，并且至少一个低侧开关与第二能量源的负极连接，其中，在第二基本单元中，至少一个高侧开关与第二能量源的正极连接，并且至少一个低侧开关与第一能量源的负极连接。在此，电流通过至少一个电流路径在两极之间输送。
在多电平转换器中，所有模块都相同或同类和/或类似地构造。
在多电平转换器运行时，至少一个模块是激活的。如果多个模块同时是激活的，则这些模块应彼此串联或并联。
多电平转换器构造为电机的能量源。
此外规定，多电平转换器布置在机动车的电能量网络中。用多电平转换器例如向电机供应电能，该电机作为马达和/或发电机运行并且构造用于驱动机动车。
根据本发明的多电平转换器具有根据本发明的模块的至少一个实施方式。
根据本发明的方法设置用于运行多电平转换器，该多电平转换器具有多个模块作为组件。在此，每个模块具有多个基本单元和电能量源，其中每个基本单元具有至少一个半桥，其中，所述至少一个半桥包括至少一个高侧(highside)开关和至少一个低侧(lowside)开关。设置两个基本单元，它们在模块内直接并排相邻布置，在所述两个基本单元的第一基本单元中，所述至少一个高侧开关与第一能量源的正极连接，并且所述至少一个低侧开关与第二能量源的负极连接，并且其中，在所述两个基本单元的第二基本单元中，所述至少一个高侧开关与第二能量源的正极连接，并且至少一个低侧开关与第一能量源的负极连接。电流通过至少一个电流路径在两极之间输送。
在一个设计方案中，用于输送电流的至少一个电流路径直接连接在至少一个半桥的至少一个高侧开关和至少一个低侧开关之间，其中，电流通过至少一个电流路径从第一或第二能量源的正极通过至少一个高侧开关和至少一个低侧开关被输送至第二或第一能量源的负极。
在替代性的或额外的设计方案中，用于输送电流的至少一个电流路径直接连接在第一基本单元的开关和第二基本单元的开关之间，这些开关直接相邻并排地布置。因此，至少一个电流路径直接连接在两个直接相邻的基本单元的两个高侧直接相邻的开关之间和/或直接连接在两个直接相邻的基本单元的两个低侧直接相邻的开关之间。如果至少一个电流路径连接两个基本单元的两个直接相邻的高侧开关，则电流从第一能量源的正极通过两个高侧开关输送至第二能量源的正极。如果至少一个电流路径连接两个基本单元的两个直接相邻的低侧开关，则电流从第一能量源的负极通过两个低侧开关输送至第二能量源的负极。
此外，由每个模块提供输出电压，其中至少两个模块彼此串联和/或彼此并联连接，其中来自用于多电平转换器的彼此组合或彼此并联和/或串联连接的模块的输出电压提供组合的和/或所产生的输出电压。
通常，电流通过至少第一电流路径输送，其中在相应模块的换向或切换时，至少一个第一电流路径被去激活或断开，并且至少一个第二电流路径被激活或接通，其中换向之后的电流通过至少一个第二电流路径输送。
多电平转换器或多电平变换器尤其设计用于从多个直流电压产生一个交流电压，并且在一个配置中包括多个串联连接的模块，其中每个模块又包括四个MOSFET半桥和两个电压源。每个MOSSFET半桥包括具有四个高侧或低侧开关、例如晶体管的高侧和低侧，其中此外两个MOSFET半桥相应地彼此连接。通过切换连接的MOSFET半桥之间的电流路径，产生所需的交流电压。
在一个设计方案中，连接在基本单元中的直接相邻的开关之间或两个基本单元之间或跨越基本单元的不同电流路径重叠并且也是短的。因此，在切换时仅建立小的电感，从而避免过电压并且保护开关、例如晶体管免受损坏。此外，通过多电平转换器的电路的设置的拓扑，一侧的不同开关、例如晶体管，也就是半桥的高侧开关或低侧开关被均匀加载荷载，因为针对晶体管存在相同或类似长度的电流路径。
在多电平转换器或多电平变换器的设置的拓扑中，两个连接的半桥的低侧或高侧彼此交换。此外，两个半桥彼此交错。由于这种拓扑，不同的电流路径至少部分地重叠并且明显缩短，由此减少了在切换时产生的电感。此外，针对每个开关的电流路径长度也是相同的，因此构造为开关的所有构件都被相同地加载荷载。
通常，根据本发明的多电平转换器包括多个模块，其中这些模块中的每一个又具有多个基本单元和多个能量源、通常是电压源，其被构造为电池或电容器。当运行多电平转换器时，必须激活模块中的至少一个模块。如果激活多个模块，则这些模块彼此并联和/或串联，从而可以根据需要利用多电平转换器提供具有不同最大值和/或幅度的不同电压。
每个基本单元包括多个半桥，其中基本单元内的高侧开关和低侧开关分别彼此直接相邻地布置。如果模块具有例如两个电压源，则规定第一基本单元的高侧开关与第一电压源的正极连接，而低侧开关与第二电压源的负极连接。此外，第二基本单元的高侧开关与第二电压源的正极连接，并且低侧开关与第一电压源的负极连接。在此，这两个基本单元同样直接相邻并排地布置。
由于基本单元的这种布局，在两个开关之间产生相对短的电流路径。然而，在两个运行状态之间的切换或基本单元的换向中，仅构建沿短电流路径的电流并再次减小，但仅感应相对小的磁场，所述磁场仅轻微地影响构件的运行。通过例如多电平转换器或多电平变换器的模块串联的基本单元，可以快速切换电流路径。如果多个模块和/或基本单元串联，则还可以从模块的电压源的直流电压中提供交流电压。
本发明的其他优点和设计从说明书和附图得出。
显然，前面提及的且还将在下文中说明的特征不仅能够按照相应给出的组合来使用，也可以按照其他组合或单独地使用，而不脱离本发明的范围。
本发明借助于在附图中的多个实施方式示意性地示出并且参照附图进行示意性及详细说明。
图1示出了多电平转换器的细节的示意图。
图2示出了现有技术中已知的多电平转换器的示例的第一细节的示意图。
图3示出了现有技术中已知的多电平转换器的示例的第二细节的示意图。
图4示出了现有技术中已知的多电平转换器的示例的第三细节的示意图。
图5以示意图示出了根据本发明的多电平转换器的第一实施方式的根据本发明的模块的第一实施方式。
图6以示意图示出了根据本发明的多电平转换器的第二实施方式的根据本发明的模块的第二实施方式。
图7以示意图示出了根据本发明的多电平转换器的第三实施方式的根据本发明的模块的第三实施方式。
图8以示意图示出了在不同运行状态下根据本发明的模块的第三实施方式。
图9以示意图示出了在第一不同运行状态下根据本发明的模块的第二实施方式。
图10以示意图示出了在第二不同运行状态下根据本发明的模块的第二实施方式。
相关联地并且综合性地描述这些附图。为相同的组件分配有相同的附图标记。
图1a以示意图示出了半桥2的示例，例如，它也是根据本发明的多电平转换器的一部分，如下面将借助图5至10中的一个描述的那样。然而，这种半桥2也可以形成为现有技术中从图2至4中的一个中已知的多电平转换器的一部分。
该半桥2包括构造为半导体开关的两个开关4a、4b(在此为IGBT，每个开关具有一个空载二极管6a、6b)和一个测量电阻器8。
在图1b中示意性地示出了用于针对具有三个相位U、V、W的电动机12的逆变器10的示例。该逆变器10包括电压源U直流和三个也可以称为B6桥的半桥14a、14b、14c。
根据现有技术或根据本发明的多电平转换器或多电平变换器被设计用于例如机动车的电驱动，从而由直流电压产生例如三相位的交流电压。多电平转换器包括多个同类型的或至少功能相似的模块，并且被构造为将在输入端上施加的电压、例如直流电压或交流电压变换成至少一个电压、即在输出端上的一个或多个电压、例如至少一个交流电压。
在此，模块在多个替代性的电流路径之间尤其切换电流路径，其中电流在模块中——能量存储器、例如电容器或电池单元嵌入所述模块中-——沿充电方向或沿放电方向流动，并且在能量存储器处被旁路或分开，其中例如不同模块的多个能量存储器电并联和/或串联连接。
在功率电子装置中，相应的电路、即传统的逆变器和多电平转换器通常分为包括两个独立开关的半桥作为基本单元，并且通常也一起布置在电子组件上。这种半桥可能也已经集成在部件中，从而不可能分离半桥。
图2a以示意图示出了在这里具有四个基本单元B1、B2、B3、B4和电压源18U1的多电平转换器的模块16，基本单元B1和B2利用所述电压源被提供有具有电势U1+和U1-的电压。向两个基本单元B3和B4由第二电压源U2(此处未示出)提供具有电势U2+和U2-的电压。在此规定，基本单元B1和B3彼此连接。在此，每个基本单元B1、B2、B3、B4包括四个半桥，每个半桥具有四个高侧开关19a、19c和四个低侧或低侧开关19b、19d。
每个半桥都可以充当电流分路。在此可以在输出和高侧连接之间、输出和低侧或低侧连接之间或所有连接之间提供电流路径，其中在后一种情况下有意导致短路。
总的来说，提供的模块16在这里作为开关呈现三十二个MOSFET，其中每个基本单元B1、B2、B3、B4包括分别具有四个高侧开关19a、19c和四个低侧开关19b、19d的MOSFET半桥，其中四个高侧开关和四个低侧开关19a、19c彼此并联。在模块16的运行期间，半桥的四个高侧开关和四个低侧开关同时接通和断开，由此增加了载流能力并且可以保持低的欧姆损耗。此外，构造为半桥的两个基本单元B1和B2相应连接在第一电压源18U1上，并且另外两个基本单元B3和B4连接在第二电压源U2上。此外规定，第一和第三基本单元B1和B3以及第二和第四基本单元B2和B4彼此连接，由此第一和第三基本单元B1和B3与第二和第四基本单元B2和B4并联。在运行中，第一和第三基本单元B1和B3与第二和第四基本单元B2和B4对称。
详细地，图2a示出了电路，图2b示出了电路板上的开关19a、19b、19c、19d的典型几何布置。为了更清楚起见，在图2b中仅示出了基本单元B1和B3。基本单元B2和B4表现相同。
在两个相邻的基本单元B1和B2的开关19a、19b、19c、19d之间有四个电流路径，其在图2b中用双箭头表示。从正的第一极U1+到负的第一极U1-或从正的第二极U2+到负的第二极U2-的电流流动将意味着短路，并且必须因此不惜一切代价避免。
现有技术中的第一个问题在于这种电路具有非常高的切换电感。如果通过一个或者通常多个在两个电流路径之间的所谓换向中切换的半桥，则同样必须减小第一电流路径的磁场，而第二电流路径的磁场形成。由于这些磁场存储能量，因此相应地必须首先将来自旧的第一电流路径的磁场的能量转换成电能以便减小磁场。同时，新的第二电流路径的电流必须形成相应的磁场。
仅在旧的电流路径和新的电流路径的磁场重叠且具有相似的量级的地方才能实现低且快速的能量转换。一方面，这种能量转换需要的时间远远长于切换过程的持续时间，并且可以持续几个10ns直到几μs。另一方面，这些电流当然也由明显已经断开的开关19a、19b、19c、19d运行，由此电压由于低电容而增加并且可能损坏或破坏构件。
为了弥补，在现有技术中通常极大地延长切换时间，使得开关19a、19b、19c、19d不断开，同时仍然必须减小磁场。另外，通常使用所谓的放电电路来传导电流，其也被称为缓冲器，抑制器电路或放电电网。
然而，现有技术的两种方法都产生高损耗，因为此时流动的电流通常转换成热。
图3a、3b、3c和3d中示出了多电平转换器的模块16的两个基本单元B1、B2的四个不同的换向或电路。在此，在图3a中，电流路径连接在第一基本单元B1的低侧或低侧开关19b与第二基本单元B2的高侧开关19c之间。在图3b中，电流路径连接在第一基本单元B1的高侧开关19a和第二基本单元B2的低侧开关19d之间。在图3c中，电流路径连接在两个基本单元B1和B2之间的高侧开关19a、19c之间。此外，在图3d中，电流路径连接在两个基本单元B1、B2的低侧开关19b、19d之间。通过双箭头在图3a、3b、3c、3d之间指示电流路径的换向之间的过渡。其中，在每次换向和/或切换电流路径时，产生电感。
各个电流路径的磁场在电路板上呈现的布局布置中仅具有非常小的重叠。这些不重叠或仅略微重叠的磁场在两个电流路径之间的转换中起作用。在此，感应的磁场对应于由电流路径通过印制导体跨越的面积的大小。
在此，考虑到磁场常数μ0，针对两个电流路径Sa、Sb的换向(K)中出现的电感L适用：
Figure GDA0002432577810000111
通常，各个半导体元件以及由此开关19a、19b、19c、19d是不相同地被加载电流负荷。这意味着电流不会均匀分配到开关19a、19b、19c、19d上。
电流上的这种不均匀的荷载可以是静态的。除非是电流中存在高频分量，否则各个电流路径的不同高电阻是对此负责的。在此，磁场无关紧要。
然而，如果电流荷载也是动态的并且仅在强烈的电流波动和特别是切换过程的情况下发生，则基于流过各个开关19a、19b、19c、19d(这里是半导体开关)的电流，沿着电流路径感应出不同强度的磁场，这也涉及通过各个开关19a、19b、19c、19d的彼此并联的电流路径，然而，电流应该均匀地分配到所述电流路径上。虽然由大量单个半导体组成的大型半导体开关中的电感彼此匹配，但由于与相邻半桥的电流路径的距离小，电流路径在电路集成电源电路上磁性地彼此作用。
当在电流路径之间切换时，能量被感应地存储，其以电压的形式无序地减小。
在这里，对于磁通适用以下方面：
φ＝LI＝∫BdA
在此，L是电感，I是流动电流，B是磁场，A是由磁场流过的区域。
对于感应电压Uind适用以下方面：
Figure GDA0002432577810000121
图4表示图3b中所示的电流路径与图3a中所示的电流路径之间的换向。对于电感，电流的变化导致过电压。在此，决定性的是图4中所示的大的区域21，其围绕在切换时间或在磁场中跨越和感应的改变的电流路径，这导致切换过程中的高的过电压，因为感应能量不受控制地减小。在此，通过构造为MOSFET的开关19a、19b、19c、19d的电流感应的磁场的区域不一样大。这在切换时导致不同的电感并且由此导致不同的荷载。由此是缩短了开关19a、19b、19c、19d的更强烈地被加载荷载的晶体管的使用寿命。在图4中，在切换之前，第一基本单元B1的高侧开关19a和第三基本单元B3的低侧或低侧开关19d通过电流路径连接，如图3b中所示。在切换之后，第一基本单元B1的低侧开关19b和第三基本单元B3的高侧开关19c通过电流路径彼此连接，如图3a中所示。切换中具有最小电感的晶体管是图4中的那些晶体管，它们与第一基本单元B1的高侧开关19a相关联并且与其电流路径接触。在这些晶体管中，其中在这个短的过渡阶段中的晶体管必须在其缓慢分配到所有开关19a、19b、19c、19d的所有其他晶体管之前荷载所有电流。
此外规定，电流路径不会被设置为从第一电压源的正极U1+引至负极U1-以及从第二电压源U2的正极U2+引至负极U2-。该特性用于根据本发明的模块的设计方案中，由此在切换时间点跨越的感应区域被减少。
在图4中所示的构造为MOSFET的开关19a、19b、19c、19d的电流路径具有不同的长度，因此单个电流路径的电感彼此不同。由此得出，开关19a、19b、19c、19d静态地和动态地被不均匀地加载荷载，这就是为什么开关19a、19b、19c、19d中的一些必须承载比其他开关更高的电流并因此相应地更快老化的原因。在此规定，彼此间隔大的开关19a、19b、19c、19d之间的电流路径比具有彼此间隔小的那些开关19a、19b、19c、19d的电流路径长。然而，由此得到，随着相应的电流路径的长度进行切换时，电感增加。
为了实现根据本发明的多电平转换器，从图3和4中所示的现有技术出发，一方面降低每个单个的电流路径的磁场的场幅度，另一方面使磁场的重叠最大化。
为了提供根据本发明的多电平转换器，电流路径或电流尽可能宽地分布，其中，电流密度减小。替代性地或附加地，电流沿第一方向流动的第一电流路径布置在第二电流路径附近，同时电流沿相反方向流动的第二电流路径由此补偿相邻的相反流动的电流的磁场，从而减小相应磁场的场幅度。
磁场的重叠是通过时移流动电流实现的，因此流动电流不会同时流动，因为电流路径的电流被偏转到第二电流路径上，当电流在相同方向上流动的彼此待转换的电流路径彼此接近时，其中电流仅仅最小程度地相对于其原始的第一电流路径或通道移动到第二电流路径上。在一个设计方案中，两个电流路径甚至共享区段，由此即使在切换期间这些部分上的电流也不必改变其路线。
在换向期间发生的两个电流路径的电感在此将从导体的耦合电感导出，该耦合电感同时流过电流，例如在变压器中，并且可以针对电路获知。此外，在从现有技术出发实现根据本发明的多电平转换器时，应减小开关上的荷载。
图5a示出了多电平转换器的模块30的示例，该多电平转换器具有带有高侧开关32a和低侧开关32b的第一基本单元32，该高侧开关通过正汇流排32c连接在第一电压源U1的正极或正极U1+上并且低侧开关通过负汇流排32d连接在第一电压源U1的负极或负极U1-上。模块30包括具有高侧开关34a和两个低侧开关34b的第二基本单元34，该高侧开关通过正汇流排34c连接在第二电压源U2的正极或正极U2+上并且第二低侧开关通过负汇流排34d连接在第二电压源U2的负极或负极U2-上。第三基本单元36包括两个高侧开关36a和低侧开关36b，两个高侧开关通过正汇流排36c连接在第一电压源U1的正极U1+上，低侧开关通过负汇流排36d连接在第一电压源U1的负极U1-上。第三基本单元38包括两个高侧开关38a和两个低侧开关38b，两个高侧开关通过正汇流排38c连接在第二电压源U2的正极U2+上，两个低侧开关通过负汇流排38d连接在第二电压源U2的负极U2-上。模块30的第四基本单元40包括高侧开关40a和低侧开关40b，高侧开关通过正汇流排40c连接在第一电压源U1的正极U1+上，低侧开关通过负汇流排40d连接在第一电压源U1的负极U1上。
在模块30的运行中，电流沿第一电流路径31从第一基本单元32的第一高侧开关32a流至第二基本单元34的第一低侧开关34b(左侧)，沿第二电流路径31从第二基本单元34的第二低侧开关34b(右侧)流至第三基本单元36的第一高侧开关36a(左侧)。此外，电流沿第三电流路径31从第三基本单元36的第二高侧开关36a(右侧)流至第二基本单元38的第一低侧开关38b(左侧)。沿着第四电流路径31，电流从第三基本单元38的第二低侧开关38b(右侧)流至第三基本单元40的高侧开关40a。
从图5a中所示的模块30出发，提供根据本发明的用于图5b中所示的根据本发明的多电平转换器的第一实施方式的模块42的第一实施方式，其中对此在负汇流排32d、34d、36d、38d、40d上第一电压源U1的负极U1-的端子与第二电压源U2的负极U2-的端子交换。
在多电平转换器的模块42中，第一基本单元32的高侧开关32a连接在第一电压源U1的正极U1+和相应的正汇流排32c上。相反，低侧开关32b通过负汇流排32d连接在到第二电压源U2的负极U2-上。在第二基本单元34中，高侧开关34a连接在第二电压源U2的正极U2+和相应的正汇流排34c上，而两个低侧开关34b连接在第一电压源U1的负极U1-和相应的负汇流排34d上。在图5b中，在第三基本单元36中，高侧开关36a连接在第一电压源U1的正极U1+和相应的正汇流排36c上。然而，低侧开关36b连接在第二电压源U2的负极U2-和相应的负汇流排36d上。第三基本单元38的两个高侧开关38a连接在第二电压源U2的正极U2+和相应的正汇流排38c上。两个低侧开关38b连接在第一电压源U1的负极U1-和相应的负汇流排38d上。第四基本单元40的高侧开关40a连接在第一电压源U1的正极U1+和相应的正汇流排40c上。然而，这里低侧开关40b连接在第二电压源U2的负极U2-和相应的负汇流排40d上。在每个基本单元32、34、36、38、40中，相应地高侧开关32a、34a、38a、40a和直接相邻的低侧开关32b、34b、36b、38b、40b各自形成半桥。
在模块40的运行中，电流现在沿着相应的基本单元32、36、40内的缩短的电流路径33流动，也就是在正极U1+和负极U2-之间沿着从第一基本单元32的高侧开关32a到低侧开关的第一电流路径33流动。在第三基本单元36中，第二电流路径33从第一高侧开关36a(左侧)延伸到第一低侧开关36b(左侧)。第三电流路径33同样在第三基本单元36内从第二高侧开关36a(右侧)延伸到第二低侧开关36b(右侧)。在此两个电流路径将正极U1+与负极U2-连接。此外，第五基本单元40中的第四电流路径33从高侧开关40a通向低侧开关40b，并且同样将正极U1+与负极U2-连接。
因此，长的对角线电流路径31(图5a)被短的直接的电流路径33(图5b)代替。
图6a以示意图示出了多电平转换器的模块44的示例，该多电平转换器具有在此带有四个高侧开关46a和四个低侧开关46b的第一基本单元46，该高侧开关通过正汇流排46c连接在第一电压源U1的正极U1+上并且低侧开关通过负汇流排46d连接在第一电压源U1的负极U1+上。模块44此外包括具有四个高侧开关48a和四个低侧开关48b的第二基本单元48，该高侧开关通过正汇流排48c连接在第二电压源U2的正极U2+上并且低侧开关通过负汇流排48d连接在第二电压源U2的负极U2-上。
在模块44的运行中，电流通过电流路径50从第一基本单元46的高侧开关46a流到第二基本单元48的低侧开关48b。
从图6a中所示的模块44出发，图6b中所示的根据本发明的模块52的第二实施方式将被提供用于根据本发明的多电平转换器的第二实施方式，其中第一电压源U1的负极U1-的端子与第二电压源U2的负极U2-的端子交换。
在多电平转换器的该模块52中，第一基本单元46的高侧开关46a通过正汇流排46c连接在第一电压源U1的正极U1+上。然而，低侧开关46b通过负汇流排46d连接在第二电压源U2的负极U2-上。在第二基本单元48中，高侧开关48a通过正汇流排48c连接在第二电压源U2的负极U2+上，而低侧开关48b通过负汇流排48d连接在第一电压源U1的负极U1-上。
此外，每个高侧开关46a、48a和低侧开关46b、48b——它们在基本单元46、48内直接相邻——都形成半桥。开关46a、46b、48a、48b构造为半导体开关或晶体管或IGBT(例如具有绝缘的栅极的双极晶体管)。
在模块52的运行中，电流仅沿着第一基本单元46内的四个缩短的电流路径53从高侧开关46a流到直接相邻的低侧开关46b，其中相应的电流路径53在相应的基本单元46的半桥的两个开关46a、46b之间延伸。
通过在负汇流排46d、48d上交换两个负极U1-和U2-，从第一电压源U1的正极U1+到第二电压源的负极U2-的长的对角线电流路径50(图6a)被明显更短的电流路径53(图6b)代替。在模块52中，在正极U1+和负极U1-之间或者在正极U2+和负极U2-之间的长的对角电流路径、并且因此两个基本单元46、48之间的电流路径通常不出现，因为这对应于短路。
图6b中的根据本发明的模块52的第二实施方式也在图7a中示出，并且没有电流路径53。基于此，提供根据本发明的用于根据本发明的多电平转换器的第三实施方式的模块54的第三实施方式。在此，第一基本单元46被分成三个第一基本单元46.1、46.2、46.3，其中三个第一基本单元46.1、46.2、46.3的高侧开关46a通过正汇流排46c与第一电压源U1的正极U1+连接。三个第一基本单元46.1、46.2、46.3的低侧开关46b通过负汇流排46d与第二电压源42的负极U2-连接。第二基本单元48被分成两个第二基本单元48.1、48.2。在此，两个第二基本单元48.1、48.2的高侧开关48a通过正极汇流排48c与第二电压源的正极U2+连接且两个第二基本单元48.1、48.2的低侧开关48b通过负汇流排48d-与第二电压源的负极U2-连接。
在模块54的电路板上，第一个第一基本单元46.1、第一个第二基本单元48.1、第二个第一基本单元46.2、第二个第二基本单元48.2和第三个第一基本单元46.3分别并排布置。用于多电平转换器的模块54的该实施方式在结构上和功能上也对应于用于多电平转换器的第一实施方式的模块42的图5b中所示的示例，其中基本单元32对应于基本单元46.1，基本单元34对应于基本单元48.1，基本单元36对应于基本单元46.2，基本单元38对应于基本单元48.2，且基本单元40对应于基本单元46.3。
因此，原始的基本单元46、48各自被分成单个的基本单元46.1、46.2、46.3、48.1、48.2，由此缩短了开关46a、46b、48a、48b之间的电流路径，并减少了通过改变电流在换向时产生的磁场。将原始的基本单元46、48分成单个的基本单元46.1、46.2、46.3、48.1、48.2也可以是指称为半桥的开关46a、46b、48a、48b彼此交错。
因此，除了第一基本单元46.1、46.2、46.3的高侧开关46a，其连接在第一电压源U1的正极U1+上，布置第二基本单元48.1、48.2的连接在第二电压源U2的正极U2+上的直接相邻的高侧开关48a。此外，相应地除了第一基本单元46.1、46.2、46.3的低侧开关46b，其连接在第二电压源U2的负极U2-上，布置第二基本单元48.1、48.2的连接在第一电压源U1的负极U1-上的直接相邻的低侧开关48b。
模块54的第三实施方式也分别以不同的换向或运行状态示意性地示出在图8a、8b、8c、8d之一中。在第一换向(图8a)中，电流路径56分别仅在高侧开关48a和低侧开关48b之间延伸，它们在第二基本单元48.1、48.2中直接相邻并形成半桥。在第二换向(图8b)中，电流路径58分别仅在高侧开关46a和低侧开关46b之间延伸，它们在第一基本单元46.1、46.2、46.3中直接相邻并且形成半桥。在第三换向(图8c)中，电流路径60在第一基本单元46.1、46.2、46.3的高侧开关46a和直接相邻的第二基本单元48.1、48.2的与其直接相邻的高侧开关48a之间延伸。在第四换向(图8d)中，电流路径62在第一基本单元46.1、46.2、46.3的低侧开关46b和直接相邻的第二基本单元48.1、48.2的与其直接相邻的低侧开关48b之间延伸。
因此，在所有示出的换向中，电流路径56、58、60、62在相应的半桥的两个直接相邻的开关46a、46b、48a、48b之间延伸。在图8a和8b的前两个换向中，电流路径56、58各自在基本单元46.1、46.2、46.3、48.1、48.2内在高侧开关和低侧开关46a、46b、48a、48b之间延伸。在图8c和8d的第三和第四换向中，电流路径60、62在两个直接相邻的基本单元46.1、46.2、46.3、48.1、48.2之间或者在直接相邻的高侧开关46a、48a之间或者在两个直接相邻的低侧开关46b、48b之间延伸。如通过图8a、8b、8c、8d之间的双箭头所示，可以分别在任何两个换向之间切换。当在两个换向之间切换时，所有开关46a、46b、48a、48b都经历相同的电感。
已经参考图6b呈现的模块52也此外在图9中示意性地示出。此外，再次参考图2b，其中在各个开关19a、19b、19c、19d之间的电流路径由双箭头表示。相反，在图9所示的多电平转换器的第二实施方式的模块52中，负汇流排以及因此与两个基本单元46、48之间的两个负极U1和U2的连接交换。由此，将提供在图9中通过双箭头表示的缩短的电流路径。在此随着电流路径的缩短，在切换时感应的磁场值也减小。
图10中再次示出了用于图5b的根据本发明的多电平转换器的第一实施方式的模块42的示例。在此图10示出了电流路径33相应地在高侧开关32a、34a、36a、38a、40a和直接相邻的低侧开关32b、34b、36b、38b、40b之间直接地延伸，它们分别形成基本单元32、34、36、38、40的半桥。由于负极U1-、U2-的交错和/或交换导致仅在切换时具有低电感的小跨越的区域60。总的来说，在所有可能的切换变型或换向中，在半桥的两个直接相邻的开关32a、32b、34a、34b、36a、36b、38a、38b、40a、40b之间的电流路径33在高侧开关32a、34a、36a、38a、40a和低侧开关32b、34b、36b、38b、40b之间延伸。由此，电流路径33的区域60的时间上的变化被最小化。此外，用于构造为MOSFET的所有彼此连接的开关32a、32b、34a、34b、36a、36b、38a、38b、40a、40b的所有电流路径33具有相同的长度，由此所有开关32a、32b、34a、34b、36a、36b、38a、38b、40a、40b在切换时被相同地以感应的方式加载荷载。此外，所有电流路径33具有相同的长度，并且与现有技术不同，不具有不同的长度，这是所有开关32a、32b、34a、34b、36a、36b、38a、38b、40a、40b在切换时被以相同方式加载荷载的原因。

Claims (15)

1.一种构造为多电平转换器的组件的模块，所述模块具有多个基本单元(32，34，36，38，40，46，46.1，46.2，46.3，48，48.1，48.2)以及电能量源，其中，每个基本单元(32，34，36，38，40，46，46.1，46.2，46.3，48，48.1，48.2)具有至少一个半桥，其中，所述至少一个半桥包括至少一个高侧开关(32a，34a，36a，38a，40a，46a，48a)和至少一个低侧开关(32b，34b，36b，38b，40b，46b，48b)，其中，对于在所述模块内直接并排相邻地布置的两个基本单元(32，34，36，38，40，46，46.1，46.2，46.3，48，48.1，48.2)来设置，使得在两个基本单元(32，34，36，38，40，46，46.1，46.2，46.3，48，48.1，48.2)的第一基本单元(32，34，36，38，40，46，46.1，46.2，46.3，48，48.1，48.2)中，所述至少一个高侧开关(32a，34a，36a，38a，40a，46a，48a)与第一能量源的正极连接并且所述至少一个低侧开关(32b，34b，36b，38b，40b，46b，48b)与第二能量源的负极连接，其中在两个基本单元(32，34，36，38，40，46，46.1，46.2，46.3，48，48.1，48.2)的第二基本单元(32，34，36，38，40，46，46.1，46.2，46.3，48，48.1，48.2)中，所述至少一个高侧开关(32a，34a，36a，38a，40a，46a，48a)与第二能量源的正极连接并且所述至少一个低侧开关(32b，34b，36b，38，40b，46b，48b)与第一能量源的负极连接，其中两个极之间的电流通过以下电流路径中的至少一个电流路径(33，53，56，58，60，62)被输送：从所述第一能量源的正极到所述第二能量源的负极的电流路径，从所述第二能量源的正极到所述第一能量源的负极的电流路径，所述第一能量源的正极与所述第二能量源的正极之间的电流路径，以及所述第一能量源的负极与所述第二能量源的负极之间的电流路径。
2.根据权利要求1所述的模块，其中至少两个直接相邻的开关(32a，32b，34a，34，36a，36b，38a，38b，40a，40b，46a，46b，48a，48b)之间的所述至少一个电流路径(33，53，56，58，60，62)能够被切换。
3.根据权利要求1或2所述的模块，其中所述至少一个半桥的至少一个开关(32a，32b，34a，34b，36a，36b，38a，38b，40a，40b，46a，46b，48a，48b)被构造为可控半导体开关。
4.根据权利要求1或2所述的模块，其中每个基本单元(32，34，36，38，40，46，46.1，46.2，46.3，48，48.1，48.2)包括正汇流排(32c，34c，36c，38c，40c，46c，48c)和负汇流排(32d，34d，36d，38d，40d，46d，48d)，其中至少一个半桥的至少一个高侧开关(32a，34a，36a，38a，40a，46a，48a)与正汇流排(32c，34c，36c，38c，40c，46c，48c)连接并且至少一个半桥的至少一个低侧开关(32b，34b，36b，38b，40b，46b，48b)与负汇流排(32d，34d，36d，38d，40d，46d，48d)连接。
5.根据权利要求1或2所述的模块，其中至少一个电能量源被构造为电压源。
6.根据权利要求1或2所述的模块，其中，所述基本单元(32，34，36，38，40，46，46.1，46.2，46.3，48，48.1，48.2)布置在电路板上。
7.多电平转换器，所述多电平转换器具有多个模块(42，52，54)，其中，每个模块(42，52，54)具有多个基本单元(32，34，36，38，40，46，46.1，46.2，46.3，48，48.1，48.2)以及电能量源，其中，每个基本单元(32，34，36，38，40，46，46.1，46.2，46.3，48，48.1，48.2)具有至少一个半桥，其中，所述至少一个半桥包括至少一个高侧开关(32a，34a，36a，38a，40a，46a，48a)和至少一个低侧开关(32b，34b，36b，38b，40b，46b，48b)，其中，对于在所述模块(42，52，54)内直接并排相邻地布置的两个基本单元(32，34，36，38，40，46，46.1，46.2，46.3，48，48.1，48.2)来设置，使得在两个基本单元(32，34，36，38，40，46，46.1，46.2，46.3，48，48.1，48.2)的第一基本单元(32，34，36，38，40，46，46.1，46.2，46.3，48，48.1，48.2)中，所述至少一个高侧开关(32a，34a，36a，38a，40a，46a，48a)与第一能量源的正极连接并且所述至少一个低侧开关(32a，34a，36a，38a，40a，46a，48a)与第二能量源的负极连接，其中在两个基本单元(32，34，36，38，40，46，46.1，46.2，46.3，48，48.1，48.2)的第二基本单元(32，34，36，38，40，46，46.1，46.2，46.3，48，48.1，48.2)中，所述至少一个高侧开关(32a，34a，36a，38a，40a，46a，48a)与第二能量源的正极连接并且所述至少一个低侧开关(32a，34a，36a，38a，40a，46a，48a)与第一能量源的负极连接，其中两个极之间的电流通过以下电流路径中的至少一个电流路径(33，53，56，58，60，62)被输送：从所述第一能量源的正极到所述第二能量源的负极的电流路径，从所述第二能量源的正极到所述第一能量源的负极的电流路径，所述第一能量源的正极与所述第二能量源的正极之间的电流路径，以及所述第一能量源的负极与所述第二能量源的负极之间的电流路径。
8.根据权利要求7所述的多电平转换器，其中所有模块(42，52，54)相同地构造。
9.根据权利要求7或8所述的多电平转换器，其被构造为用于电机的能量源。
10.根据权利要求7或8所述的多电平转换器，其布置在机动车的电能网中。
11.一种用于运行多电平转换器的方法，所述多电平转换器作为组件具有多个模块(42，52，54)，其中，每个模块(42，52，54)具有多个基本单元(32，34，36，38，40，46，46.1，46.2，46.3，48，48.1，48.2)以及电能量源，其中，每个基本单元(32，34，36，38，40，46，46.1，46.2，46.3，48，48.1，48.2)具有至少一个半桥，其中，所述至少一个半桥包括至少一个高侧开关(32a，34a，36a，38a，40a，46a，48a)和至少一个低侧开关(32a，34a，36a，38a，40a，46a，48a)，其中，对于在所述模块(42，52，54)内直接并排相邻地布置的两个基本单元(32，34，36，38，40，46，46.1，46.2，46.3，48，48.1，48.2)来设置，使得在两个基本单元(32，34，36，38，40，46，46.1，46.2，46.3，48，48.1，48.2)的第一基本单元(32，34，36，38，40，46，46.1，46.2，46.3，48，48.1，48.2)中，所述至少一个高侧开关(32a，34a，36a，38a，40a，46a，48a)与第一能量源的正极连接并且所述至少一个低侧开关(32a，34a，36a，38a，40a，46a，48a)与第二能量源的负极连接，其中在两个基本单元(32，34，36，38，40，46，46.1，46.2，46.3，48，48.1，48.2)的第二基本单元(32，34，36，38，40，46，46.1，46.2，46.3，48，48.1，48.2)中，所述至少一个高侧开关(32a，34a，36a，38a，40a，46a，48a)与第二能量源的正极连接并且所述至少一个低侧开关(32a，34a，36a，38a，40a，46a，48a)与第一能量源的负极连接，其中两个极之间的电流通过以下电流路径中的至少一个电流路径(32a，34a，36a，38a，40a，46a，48a)被输送：从所述第一能量源的正极到所述第二能量源的负极的电流路径，从所述第二能量源的正极到所述第一能量源的负极的电流路径，所述第一能量源的正极与所述第二能量源的正极之间的电流路径，以及所述第一能量源的负极与所述第二能量源的负极之间的电流路径。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述至少一个电流路径(32a，34a，36a，38a，40a，46a，48a)为了输送电流而直接在所述至少一个半桥的所述至少一个高侧开关(32a，34a，36a，38a，40a，46a，48a)和所述至少一个低侧开关(32a，34a，36a，38a，40a，46a，48a)之间进行切换。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其中，所述至少一个电流路径(32a，34a，36a，38a，40a，46a，48a)为了输送电流而直接在第一基本单元(32，34，36，38，40，46，46.1，46.2，46.3，48，48.1，48.2)的开关(32a，32b，34a，34b，36a，36b，38a，38b，40a，40b，46a，46b，48a，48b)和第二基本单元(32，34，36，38，40，46，46.1，46.2，46.3，48，48.1，48.2)的开关(32a，32b，34a，34b，36a，36b，38a，38b，40a，40b，46a，46b，48a，48b)之间进行切换，所述开关直接相邻并排地布置。
14.根据权利要求11或12所述的方法，其中，由每个模块(42，52，54)提供输出电压，其中至少两个模块(42，52，54)彼此串联和/或彼此并联，其中从用于多电平转换器的彼此并联和/或串联的模块(42，52，54)的输出电压中提供所得的输出电压。
15.根据权利要求11或12所述的方法，其中，电流通过至少一个第一电流路径(32a，34a，36a，38a，40a，46a，48a)输送，其中，在相应的模块(42，52，54)的换向的情况下，所述至少一个第一电流路径(32a，34a，36a，38a，40a，46a，48a)被去激活，并且至少一个第二电流路径(32a，34a，36a，38a，40a，46a，48a)被激活，其中所述电流在换向之后通过所述至少一个第二电流路径(32a，34a，36a，38a，40a，46a，48a)输送。
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