CN115836470A - 作为模块化多级转换器的混合单元的子模块 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于模块化的多级转换器(2)的子模块(1)，具有：‑十个可关断的半导体开关(S1，S2，S3，S4，S5，S6，S7，S8，S9，S10)‑四个电容器(C1.1，C1.2，C2.1，C2.2)，‑六个网络节点(N1，N2，N3，N4，N5，N6)，‑两个端子(11，12)，其中部件设置成，使得在在驱控可关断的半导体开关时在子模块(1)的端子(11，12)之间产生不同的电压。在此，显著地改进了转换器和子模块(1)在发生故障时的表现。

Description

作为模块化多级转换器的混合单元的子模块
技术领域
本发明涉及一种用于模块化的多级转换器的子模块。本发明还涉及一种模块化的多级转换器。本发明还涉及一种用于运行这种子模块的方法和一种用于制造这种子模块的方法。
背景技术
从DE 101 03 031A1中已知一种模块化的多级转换器。多级转换器也称为模块化多级变换器、MMC或M2C。这种类型的转换器具有多个子模块，能够借助所述子模块产生阶梯形的输出电压。
模块化的多级转换器是一种转换器拓扑结构，该转换器拓扑结构特别适用于高压直流(HVDC)应用和电驱动器。多相转换器的基本结构包括每相两个转换器臂，转换器臂分别实施为多个子模块的串联连接。通过模块化结构，由每个转换器臂通过以下方式来量化地模仿期望的电压形状：即利用每个子模块或者调制离散电压或者调制端子短路。在此，子模块能够实现调节不同的电压级。
存在不同的子模块变型。目前最常见的、已知的子模块类型是半桥和全桥。
在此，子模块包含可切换的半导体开关，即例如绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、集成门极换流晶闸管(IGCT)、门级可关断晶闸管(GTO)、金氧半场效晶体管(MOSFET)等。与晶闸管相比，半导体开关不仅能够接通电流，还能够关断电流。电流的关断仅可在一个电流方向上实现。在相反的电流方向上，可关断的半导体开关表现为二极管。这种行为要么已经通过转换器结构给出，要么借助于与半导体开关的开关元件反并联布置的二极管来实现。因此，可关断的半导体开关能够将电流在一个电流方向上接通和关断并且在另一电流方向上仅导通。因此，不能关断在该另一电流方向上的电流。
发明内容
本发明所基于的目的是改进模块化的多级转换器的子模块。
该目的通过具有权利要求1的特征的子模块来实现。此外，该目的通过具有权利要求2的特征的模块化的多级转换器来实现。该目的还通过一种用于运行具有权利要求4的特征的这种子模块的方法以及通过一种用于制造具有权利要求5的特征的这种子模块的方法来实现。
本发明的有利的设计方案在从属权利要求中说明。
本发明尤其基于以下认知：通过半导体开关和电容器的所提出的布置能够改进子模块和模块化的多级转换器的错误行为。能够限定半导体开关的六种开关状态，进而在子模块的端子处产生五种不同的输出电压。此外，还能够实现另一开关状态，其中，当然根据电流方向通过子模块将不同的电压施加在端子处。因此，特别地，用于子模块和模块化的多级转换器的调节和控制的开头所述的六个开关状态是特别有利的。
该电路用作为模块化的多级转换器中的子模块。在此，利用子模块能够主动开关六个对于常规运行相关的开关状态，这些开关状态在子模块的两个端子之间导致不同的输出电压。第一和第二电容器以及第三和第四电容器在此总是相应地并联连接。为了更好地概览，在下文中，将由第一和第二电容器构成的并联电路的调制过的电压以下称为UC1，并且将由第三和第四电容器构成的并联电路的调制过的电压称为UC2。能够在子模块的端子之间开关以下电压状态：
-两个电容器并联电路的正串联，对应于UC1和UC2之和
-各个单电容器并联电路，对应于UC1或UC2，
-无电压(端子短路或续流)和
-负电容器并联电路，对应-UC1。
所述状态都能够独立于电流方向、即双向地开关。
根据本发明的子模块在功能上能够与半桥和全桥的串联电路类似。在此，能够在子模块的端子之间开关相同的电压状态。如果在提出的布置中和在由半桥和全桥构成的串联电路中相应地设计各个半导体开关，则得到相同的半导体数量。如果假设将相同的电容器能量安装在提出的布置中和由半桥和全桥构成的串联电路中，则在根据本发明的布置中发生半导体故障时放电量只有一半大。如果在此半导体开关失效，则并联连接的电容器中的总是只有一个电容器被短路。因此，只有一半的能量能够在子模块或转换器中被安全掌控。
如果在半桥和全桥的串联连接中分别将两个子模块实施为并联连接，则同样能够实现该错误行为。然而在此，相对于根据本发明的布置中的十个开关，必须安装至少十二个开关。因此，能够利用显著更少数量的半导体开关和半导体驱控器来实现较低故障能量的目标，即故障情况中的能量。这使得子模块进而模块化的多级转换器显著不那么复杂、成本更低并且可更简单地控制和调节。
子模块的基本结构能够由两个部分模块构成，因为子模块具有镜像对称性。因此，特别有利的是：由两个部分模块构成的子模块以特别简单和成本低的方式构成。在此，部分模块包括端子、第一、第三、第四、第六、第八和第九半导体开关、第一和第三电容器以及第一、第三、第四和第六网络节点。
第三和第八半导体开关于是通过由两个部分模块中的各一个半导体开关构成的并联电路形成，于是使得所述半导体开关能够设计得更小，例如具有一半的载流能力。
在提出的结构中，第三半导体开关和第八半导体开关可分别针对子模块1的全部载流能力设计。其余的半导体开关可分别设计为仅一半的载流能力。由于第三半导体开关和第八半导体开关在经由两个部分模块实现时作为由两个半导体开关构成的并联电路得到，所以部分模块内的半导体开关都仅设计为一半的载流能力。因此，部分模块的所有半导体开关都能够以相同结构实施。
此外，这两个部分模块的半导体开关能够被相同地驱控。因此，对于由两个部分模块构成的子模块能够仅将一个驱控电路用于六个半导体开关，所述驱控电路的驱控信号并行地分布到两个部分模块上，使得同步驱控所述部分模块。
能够将网络节点理解为电子电路中的一个分支，也称为电子网络。因此，至少三个电流路径在网络节点处相遇。
特性和优点可总结如下。通过对称的结构，特别是在使用两个或更多部分模块的情况下，对于电流产生两个或更多穿过子模块的并联的电流路径，这对于本发明是重要的。并联的电流路径的数量从并联的部分模块的数量中得出。在此，第一电容器和第二电容器以及第三电容器和第四电容器分别形成经由二极管解耦的并联电路。由此得到高可用性，因为即使半导体和/或电容器失效，子模块能够继续运行。与增加模块数量以在经由不同电压状态提供类似的电压的同时实现类似的冗余相比，需要显著更少的半导体。同时，通过电容器的并联连接能够将各个电容器的电容设计得更小，尤其是一半大。在损坏的情况下，这降低了始于电容器的破坏潜力。换言之，如前所述，电容器中的故障进而更容易处理，因为现有的存储的能量显着更低。此外，通过使用更少的半导体，所提出的结构可显著更简单且成本更低地制造。此外，通过使用更少的半导体显着降低了失效概率。这导致子模块和由其构成的多级转换器的高可用性。
附图说明
下面根据附图中所示的实施例更详细地描述和解释本发明。其示出：
图1示出根据本发明的子模块的结构
图2示出模块化的多级转换器的结构和
图3示出子模块的开关状态。
具体实施方式
图1示出根据本发明的子模块1的一个实施例。在各个网络节点N1...N6之间分别布置部件。在此，各个部件直接布置在网络节点N1...N6之间，并且连接相应的两个网络节点，或者将网络节点N1...N6中的一个与端子11、12相互连接。子模块1的端子11、12之间的电压标记为USM。在此，以有利的方式，第三半导体开关S3和第八半导体开关S8分别针对子模块1的全载流能力来设计。其余的半导体开关S1、S2、S4、S5、S6、S7、S9、S10分别可设计一半的载流能力。
能够看出：子模块1的结构关于通过子模块1的端子11、12形成的轴线镜像对称。由此能够实现：由两个相同的部分模块7构成子模块1，所述部分模块分别在端子11、12处、在第三网络节点N3处和第六网络节点N6处相互连接。在此，一个部分模块包括端子11、12、第一、第三、第四、第六、第八和第九半导体开关S1、S3、S4、S6、S8、S9、第一和第三电容器C1.1、C2.1和第一、第三、第四和第六网络节点N1、N3、N4、N6。为了由两个结构相同的部分模块7形成子模块1，两个结构相同的部分模块7分别在端子11、12处、在第三网络节点N3处和在第六网络节点N6处相互导电连接。
在这种情况下，第三半导体开关S3和第八半导体开关S8同样能够针对子模块1的一半的载流能力来设计。于是，通过子模块1由两个部分模块7构成从并联电路中得到全载流能力。由此，子模块7内的所有半导体开关尤其在载流能力方面能够设计成相同的。这增加了相同部件并且提高子模块1的维护友好性。由于半导体开关S1...S10中的大量相同部件，子模块的制造也特别低成本和可靠。
图2示出模块化的多级转换器2的一个实施例，该实施例由所提出的子模块1构成。为了避免重复，参考图1的描述和那里引入的附图标记。该子模块1串联布置在其端子11、12中，并且形成转换器臂3，其中，为了清楚起见仅在一个转换器臂3中示出端子。串联布置的两个转换器臂3形成转换器相4。转换器臂3的连接点形成相端子L1、L2、L3。转换器相4布置在中间回路端子L+、L-之间。为了更好的调节性或控制性，证实为有利的是：通过电感20补充转换器臂3的串联电路，电感串联布置在转换器臂3和相应的中间回路端子L+、L-之间。在各个子模块1处分别施加模块电压USM，模块电压从半导体开关S1...S10的开关状态中得出。
本实施例构成为三相模块化多级转换器2。
图3示出半导体开关S1...S10的可能的开关状态和子模块1的端子11、12之间的所得出的电压USM。为避免重复，参考图1和2的描述，以及参考那里引入的附图标记。在此，第一和第二半导体开关S1、S2、第四和第五半导体开关S4、S5、第六和第七半导体开关S6、S7、第九和第十半导体开关S9、S10分别以相同方式被驱控，即接通(这在表格中用1表示)，，或关断(这通过0表示)。由此，清楚的是：为了实现由两个部分模块7构成的子模块1只需要一个驱控单元，因为镜像布置的半导体开关总是呈现相同的开关状态。
在从1到6连续编号的优选的开关状态中，与经过子模块1的电流的电流方向无关，产生子模块电压USM。仅其中所有半导体开关S1...S10都关断的状态拦截(BLOCK)根据电流方向而提供不同的子模块电压USM，使得该状态优选不用于控制子模块1。
综上所述，本发明涉及一种用于模块化的多级转换器的子模块，该子模块具有：
-十个可关断的半导体开关
-四个电容器
-六个网络节点
-两个端子，
其中，部件布置成，使得在驱控可关断的半导体开关时，在子模块的端子之间产生不同的电压。在此，转换器和子模块的行为在发生故障情况下得到显着改进。

Claims (5)

1.一种用于模块化的多级转换器(2)的子模块(1)，所述子模块具有：
-十个可关断的半导体开关(S1，S2，S3，S4，S5，S6，S7，S8，S9，S10)，
-四个电容器(C1.1，C1.2，C2.1，C2.2)，
-六个网络节点(N1、N2、N3、N4、N5、N6)，
-所述子模块(1)的两个端子(11，12)，
其中，所述十个可关断的半导体开关中的第一半导体开关(S1)布置在所述两个端子的第一端子(11)与所述六个网络节点中的第一网络节点(N1)之间，从而能够关断从所述第一网络节点(N1)至所述第一端子(11)的电流，
其中，所述十个可关断的半导体开关中的第二半导体开关(S2)布置在所述第一端子(11)与所述六个网络节点(N2)中的第二网络节点(N2)之间，从而能够关断从所述第二网络节点(N2)至所述第一端子(11)的电流，
其中，所述十个可关断的半导体开关中的第三半导体开关(S3)布置在所述第一端子(11)与所述六个网络节点中的第三网络节点(N3)之间，从而能够关断所述第一端子(11)至所述第三网络节点(N3)的电流，
其中，所述十个可关断的半导体开关中的第四半导体开关(S4)布置在所述六个网络节点中的所述第一网络节点(N1)与第四网络节点(N4)之间，从而能够关断从所述第一网络节点(N1)至所述第四网络节点(N4)的电流，
其中，所述十个可关断的半导体开关中的第五半导体开关(S5)布置在所述六个网络节点的所述第二网络节点(N2)与第五网络节点(N5)之间，从而能够关断从所述第二网络节点(N2)至所述第五网络节点(N5)的电流，
其中，所述十个可关断的半导体开关中的第六半导体开关(S6)布置在所述第三网络节点(N3)与所述第四网络节点(N4)之间，从而能够关断从所述第四网络节点(N4)至所述第三网络节点(N3)的电流，
其中，所述十个可关断的半导体开关中的第七半导体开关(S7)布置在所述第三网络节点(N3)与所述第五网络节点(N5)之间，从而能够关断从所述第五网络节点(N5)至所述第三网络节点(N3)的电流，
其中，所述十个可关断的半导体开关中的第八半导体开关(S8)布置在所述两个端子的所述第二端子(12)与所述六个网络节点中的第六网络节点(N6)之间，从而能够关断从所述第二端子(12)至所述第六网络节点(N6)的电流，
其中，所述十个可关断的半导体开关中的第九半导体开关(S9)布置在所述第二端子(12)与所述第四网络节点(N4)之间，从而能够关断从所述第四网络节点(N4)至所述第二端子(12)的电流，
其中，所述十个可关断的半导体开关中的第十半导体开关(S10)布置在所述第二端子(12)与所述第五网络节点(N5)之间，从而能够关断从所述第五网络节点(N5)至所述第二端子(12)的电流，
其中，所述四个电容器中的第一电容器(C1.1)布置在所述第一网络节点(N1)与所述第三网络节点(N3)之间，
其中，所述四个电容器中的第二电容器(C1.2)布置在所述第二网络节点(N2)与所述第三网络节点(N3)之间，
其中所述四个电容器中的第三电容器(C2.1)布置在所述第四网络节点(N4)与所述第六网络节点(N6)之间，
其中所述四个电容器中的第四电容器(C2.2)布置在所述第五网络节点(N5)与所述第六网络节点(N6)之间。
2.一种模块化的多级转换器(2)，具有多个根据权利要求1所述的子模块(1)，其中，至少两个子模块(1)的串联连接形成所述多级转换器(2)的转换器臂(3)，其中，两个所述转换器臂(3)的串联连接形成转换器相(4)，其中，两个所述转换器臂(3)的连接点形成所述多级转换器(2)的相端子(L1，L2，L3)。
3.根据权利要求2所述的模块化的多级转换器(2)，其中，所述转换器臂(3)的背离所述相端子(L1，L2，L3)的端部形成所述多级转换器(1)的中间回路端子(L+，L-)。
4.一种用于运行子模块(1)的方法，其中，借助于对可关断的半导体开关(S1，……，S10)的开关操作在所述子模块(1)的端子(11，12)之间产生不同的电压。
5.一种用于从两个部分模块(7)制造根据权利要求1所述的子模块(1)的方法，其中，一个所述部分模块(7)具有：端子(11，12)、第一半导体开关、第三半导体开关、第四半导体开关、第六半导体开关、第八半导体开关和第九半导体开关(S1，S3，S4，S6，S8，S9)、第一电容器和第三电容器(C1.1，C2.1)以及第一网络节点、第三网络节点、第四网络节点和第六网络节点(N1，N3，N4，N6)，其中，通过使两个结构相同的所述部分模块(7)分别在所述端子(11，12)处、所述第三网络节点(N3)处和所述第六网络节点(N6)处彼此连接，形成所述子模块(1)。
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