DE102013216213A1 - Dreiphasiger Mehrpunkt-Stromrichter - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen dreiphasigen Mehrpunkt-Stromrichter mit einem Gleichspannungszwischenkreis, aufweisend wenigstens drei Kondensatoren, die elektrisch in Reihe geschaltet sind, gekennzeichnet durch einen ersten und zweiten Gleichspannungswandler, wobei
– der erste Gleichspannungswandler zur Angleichung der Spannung eines ersten und zweiten der Kondensatoren mit einer ersten Anschlussseite parallel zum ersten Kondensator und mit einer zweiten Anschlussseite parallel zum zweiten Kondensator geschaltet ist und
– der zweite Gleichspannungswandler zur Angleichung der Spannung eines dritten der Kondensatoren mit dem ersten und zweiten Kondensator oder mit einem vierten Kondensator mit einer ersten Anschlussseite parallel zum ersten Kondensator und mit einer zweiten Anschlussseite parallel zum dritten Kondensator geschaltet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen dreiphasigen Mehrpunkt-Stromrichter mit wenigstens drei Kondensatoren im Zwischenkreis.
  • Zur Generierung einer Wechselgröße, insbesondere einer dreiphasigen Wechselgröße, aus einer Gleichspannung wird ein Stromrichter, der bei dieser Wandlung auch als Wechselrichter bezeichnet wird, benötigt. Ein Wechselrichter, der auch als DC/AC-Stromrichter bezeichnet wird, wandelt Gleichstrom in Wechselstrom um, indem er zwischen verschiedenen Gleichspannungsstufen umschaltet. Die daraus resultierende Wechselspannung ist nicht sinusförmig, sondern besteht aus einer Reihe von hochfrequenten rechteckigen Impulsen, die so angelegt sind, dass sie – bei absichtlicher oder geräteimmanenter Ausfilterung von Anteilen mit einer deutlich höheren Frequenz als der gewünschten Sinusfrequenz – einer Sinuswelle möglichst nahe kommen. Der Aufbau aus hochfrequenten rechteckigen Impulsen impliziert einen Gehalt an Oberschwingungen, d.h. Strömen und Spannungen höherer Frequenz, deren Auswirkungen von einer zusätzlichen Belastung der Isolierung und der Lager von Motoren bis hin zu Störungen anderer Geräte reichen. Zwar können Oberschwingungsfilter eingesetzt werden, um problematische Oberschwingungen herauszufiltern und die Ausgangsschwingung zu filtern. Diese Oberschwingungsfilter verursachen aber zusätzliche Kosten und Verluste.
  • Der einfachste Wechselrichter ist der Zweipunkt-Stromrichter, auch als Zwei-Stufen-Stromrichter bezeichnet, da dieser mit zwei Spannungsstufen arbeitet. Der Dreipunkt-NPC-Stromrichter (Neutral Point Clamped) stellt eine Erweiterung des Zweipunkt-Stromrichters dar. Dieser Dreipunkt-Stromrichter weist als zusätzliche Spannungsstufe die Nullpunkt-Spannung auf. Da der Dreipunkt-Stromrichter geringere Oberschwingungen erzeugt, vereinfacht sich der Filteraufwand. Der Dreipunkt-Stromrichter wird dann verwendet, wenn der Wert der Amplitude der Gleichspannung den Wert der Sperrspannung eines verwendeten abschaltbaren Halbleiterschalters übersteigt.
  • Mittlerweile gibt es Stromrichter, die mit fünf Spannungsstufen arbeiten, allerdings zeichnen sich diese Schaltungen durch eine deutlich höhere Komplexität aus. In der Veröffentlichung mit dem Titel "Recent Advances in Multilevel Converter/Inverter Topologies and Applications" von Fang Z. Peng et al., veröffentlicht im Konferenzband der International Power Electronics Conference, IEEE 2010, Seiten 492–501, werden mehrere Mehrpunkt-Topologien miteinander verglichen. Insbesondere ist ein Fünfpunkt-Stromrichter in der Topologie mit Klemmdioden bzw. mit Klemmkondensatoren dargestellt. Neben diesen Klemmdioden und Klemmkondensatoren sind außerdem Steuer- und Ladeschaltkreise erforderlich. Bei Wechselrichtern für Mittelspannungsantriebe beispielsweise im unteren Leistungsbereich sind einfache Lösungen gefordert.
  • In der nicht vorveröffentlichten deutschen Anmeldung mit dem Anmeldeaktenzeichen 102012214666.0 wird ein dreiphasiger Mehrpunkt-Stromrichter angegeben, der drei dreiphasige Stromrichter gleicher Topologie miteinander und mit einem Spannungszwischenkreis mit wenigstens drei elektrisch in Reihe geschalteten Kondensatoren verschaltet. Dabei wird jeweils ein dreiphasiger Stromrichter gleichspannungsseitig elektrisch parallel zu einem oberen bzw. zu einem unteren Kondensator der drei Kondensatoren des Spannungszwischenkreises geschaltet. Der dritte dreiphasige Stromrichter verbindet die wechselspannungsseitigen Anschlüsse dieser beiden dreiphasigen Stromrichter miteinander, wobei die wechselspannungsseitigen Anschlüsse dieses dritten dreiphasigen Stromrichters jeweils einen Ausgangs-Anschluss des erfindungsgemäßen dreiphasigen Mehrpunkt-Stromrichters bilden. Bei der Verschaltung der beiden dreiphasigen Stromrichter wechselspannungsseitig mittels des dritten dreiphasigen Stromrichters werden korrespondierende wechselspannungsseitige Anschlüsse der beiden dreiphasigen Stromrichter mittels einer Halbbrücke des dritten dreiphasigen Stromrichters verknüpft.
  • Der Betrieb dieses dreiphasigen Mehrpunkt-Stromrichters erfordert eine Symmetrierung der Spannungen der drei in Reihe geschalteten Kondensatoren. Die Symmetrierung kann über eine entsprechende Ansteuerung der einzelnen verschalteten Stromrichter erfolgen. Dafür ist eine spezielle Modulation der Spannungen, d.h. eine spezielle Abfolge der Schaltvorgänge erforderlich. Bei dieser erfolgen mehr Schalthandlungen, als normalerweise – ohne Symmetrierung – erforderlich wären, was zu erhöhten Schaltverlusten führt. Weiterhin ist nachteiligerweise auch die Qualität der erzeugten Ausgangsspannung dadurch vermindert, d.h. die erzeugte Ausgangsspannung weist mehr Verzerrungen auf als nötig wäre.
  • Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen dreiphasigen Mehrpunkt-Stromrichter anzugeben, mit dem die genannten Nachteile bei der Symmetrierung der Kondensatorspannungen überwunden werden.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
  • Der erfindungsgemäße dreiphasige Mehrpunkt-Stromrichter weist einen Gleichspannungszwischenkreis mit wenigstens drei Kondensatoren auf, die elektrisch in Reihe geschaltet sind. Weiterhin umfasst der dreiphasige Mehrpunkt-Stromrichter einen ersten und zweiten Gleichspannungswandler. Der erste Gleichspannungswandler ist zur Angleichung der Spannung eines ersten und zweiten der Kondensatoren mit einer ersten Anschlussseite parallel zum ersten Kondensator und mit einer zweiten Anschlussseite parallel zum zweiten Kondensator geschaltet. Der zweite Gleichspannungswandler ist zur Angleichung der Spannung eines dritten der Kondensatoren mit dem ersten und zweiten Kondensator oder mit einem vierten Kondensator mit einer ersten Anschlussseite parallel zum ersten Kondensator und mit einer zweiten Anschlussseite parallel zum dritten Kondensator geschaltet.
  • Die Gleichspannungswandler steuern also direkt einen Energiefluss zwischen den vorhandenen Kondensatoren und beeinflussen somit direkt deren Kondensatorspannungen. Vorteilhaft erlaubt der dreiphasige Mehrpunkt-Stromrichter dadurch eine Symmetrierung der Spannungen der Kondensatoren über die angeschlossenen Gleichspannungswandler. Da die im Mehrpunkt-Stromrichter vorhandenen Stromrichter hierzu nicht eingesetzt werden, findet die Symmetrierung ohne Nachteile im Schaltverhalten des Mehrpunkt-Stromrichters statt. Auch sind weitere, separate Gleichspannungsquellen nicht erforderlich. Die Gleichspannungswandler werden vorteilhaft nur aus den angeschlossenen Kondensatoren gespeist.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen des dreiphasigen Mehrpunkt-Stromrichters sind im Folgenden angegeben:
    • – Die Gleichspannungswandler können Hoch-Tiefsetzsteller sein. Diese erlauben vorteilhaft einen Energiefluss in beide Richtungen.
    • – Die Gleichspannungswandler können Inverswandler sein. Bei diesen haben Ein- und Ausgangsspannung umgekehrte Polarität. Diese Art von Gleichspannungswandler erlaubt es, dass in einer besonders bevorzugten Aufbauvariante der erste und zweite Kondensator einen gemeinsamen Anschluss aufweisen und der erste Gleichspannungswandler folgende Elemente umfasst:
    • – eine Induktivität, die auf einer ersten Seite mit dem gemeinsamen Anschluss von erstem und zweitem Kondensator verbunden ist,
    • – einen ersten Halbleiterschalter, der zwischen die zweite Seite der Induktivität und den vom gemeinsamen Anschluss von erstem und zweitem Kondensator abgewandten Anschluss des ersten Kondensators geschaltet ist,
    • – einen zweiten Halbleiterschalter, der zwischen die zweite Seite der Induktivität und den vom gemeinsamen Anschluss von erstem und zweitem Kondensator abgewandten Anschluss des zweiten Kondensators geschaltet ist.
  • Dadurch ist der erste Gleichspannungswandler besonders einfach aufgebaut und nutzt die vorhandenen Kondensatoren mit in seinem Aufbau. Der Aufbau erfordert daher für den ersten Gleichspannungswandler lediglich eine Induktivität und zwei Halbleiterschalter als Bauelemente.
    • – Die Halbleiterschalter sind bevorzugt IGBTs.
    • – Der dreiphasiger Mehrpunkt-Stromrichter kann wenigstens drei dreiphasige Stromrichter umfassen, wobei ein dreiphasiger Stromrichter gleichspannungsseitig elektrisch parallel zu einem ersten Kondensator und ein weiterer dreiphasiger Stromrichter gleichspannungsseitig elektrisch parallel zu einem dritten Kondensator geschaltet ist, wobei diese beiden dreiphasigen Stromrichter wechselspannungsseitig jeweils mittels einer Halbbrücke des dritten dreiphasigen Stromrichters miteinander verknüpft sind und wobei wechselspannungsseitige Anschlüsse dieser Halbbrücken dieses dritten dreiphasigen Stromrichters jeweils einen Ausgangs-Anschluss des dreiphasigen Mehrpunkt-Stromrichters bilden.
    • – Der dreiphasige Mehrpunkt-Stromrichter kann vier Kondensatoren umfassen, wobei der zweite Gleichspannungswandler mit einer ersten Anschlussseite parallel zu einem dritten der Kondensatoren geschaltet ist und mit einer zweiten Anschlussseite parallel zu einem vierten der Kondensatoren geschaltet ist. Im Allgemeinen kann der Mehrpunkt-Stromrichter eine Mehrzahl von Kondensatoren umfassen und für jeweils zwei dieser Kondensatoren einen Gleichspannungswandler, der zu beiden parallel geschaltet ist.
    • – Der dreiphasige Mehrpunkt-Stromrichter kann Mittel zur Erfassung der Spannung der Kondensatoren umfassen. Diese können beispielsweise für jeden der Gleichspannungswandler an dessen beiden Anschlussseiten vorgesehen sein, was die Modularität des Aufbaus begünstigt. Der einfachste Aufbau ergibt sich, wenn die Mittel zur Erfassung der Spannung einmal für jeden der Kondensatoren vorliegen.
  • Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der mehrere Ausführungsformen eines dreiphasigen Mehrpunkt-Stromrichters nach der Erfindung schematisch veranschaulicht sind.
  • 1 zeigt ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform eines dreiphasigen Mehrpunkt-Stromrichters nach der Erfindung, wobei in
  • 2 eine erste Realisierung dieses erfindungsgemäßen Stromrichters dargestellt ist, die
  • 3 zeigt eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen dreiphasigen Mehrpunkt-Stromrichters, und die
  • 4 zeigt eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen dreiphasigen Mehrpunkt-Stromrichters.
  • 1 veranschaulicht ein Blockschaltbild eines dreiphasigen Mehrpunkt-Stromrichters 2 gemäß der Erfindung. Dieser dreiphasige Mehrpunkt-Stromrichter 2 weist drei dreiphasige Stromrichter 4, 6 und 8 gleicher Topologie auf. Außerdem weist dieser dreiphasige Mehrpunkt-Stromrichter 2 einen Spannungszwischenkreis 10 auf, der drei Kondensatoren C1, C2 und C3 aufweist, die elektrisch in Reihe geschaltet sind. Der dreiphasige Stromrichter 4 ist gleichspannungsseitig elektrisch parallel zum oberen Kondensator C1 des Spannungszwischenkreises 10 geschaltet, wogegen der dreiphasige Stromrichter 6 gleichspannungsseitig elektrisch parallel zum unteren Kondensator C3 des Spannungszwischenkreises 10 geschaltet ist. Da im Spannungszwischenkreis 10 drei Kondensatoren C1, C2 und C3 elektrisch in Reihe geschaltet sind, weist dieser Spannungszwischenkreis 10 vier Spannungsstufen auf. Die anstehende Gleichspannung UDC teilt sich annähernd gleichmäßig auf die drei Kondensatoren C1, C2 und C3 auf, so dass jeweils eine Gleichspannung UC1, UC2 und UC3 an diesen Kondensatoren C1, C2 und C3 ansteht, deren Amplituden jeweils annähernd ein Drittel der am Spannungszwischenkreis 10 anstehenden Gleichspannung UDC entspricht. Der dreiphasige Stromrichter 8 verbindet die wechselspannungsseitigen Ausgänge R1, S1 und T1 des dreiphasigen Stromrichters 4 mit den wechselspannungsseitigen Ausgängen R2, S2 und T2 des dreiphasigen Stromrichters 6. Dabei werden die Ausgänge R1, S1 und T1 des oberen dreiphasigen Stromrichters 4 jeweils mit einem positiven Anschluss 14, 18 und 22 der drei Halbbrücken R, S und T des dreiphasigen Stromrichters 8 und die negativen Anschlüsse 16, 20 und 24 dieser drei Halbbrücken R, S und T des dreiphasigen Stromrichters 8 mit den wechselspannungsseitigen Anschlüssen R2, S2 und T2 des unteren dreiphasigen Stromrichters 6 elektrisch leitend verbunden. Die wechselspannungsseitigen Anschlüsse dieser drei Halbbrücken R, S und T des dreiphasigen Stromrichters 8 bilden die Ausgangs-Anschlüsse RM, SM und TM des dreiphasigen Mehrpunkt-Stromrichters 2.
  • Ebenfalls mit den drei Kondensatoren C1, C2 und C3 des Spannungszwischenkreises 10 verbunden sind ein erster und zweiter Gleichspannungswandler 30, 32. Dabei sind Ausgangsanschlüsse A11, A12 des ersten Gleichspannungswandlers 30 parallel zum ersten Kondensator C1 und Eingangsanschlüsse E11, E12 des ersten Gleichspannungswandlers 30 parallel zum zweiten Kondensator C2 geschaltet. Ausgangsanschlüsse A21, A22 des zweiten Gleichspannungswandlers 32 sind parallel zum dritten Kondensator C3 und Eingangsanschlüsse E21, E22 des zweiten Gleichspannungswandlers 32 parallel zum zweiten Kondensator C2 geschaltet.
  • In 2 ist eine Realisierung des erfindungsgemäßen dreiphasigen Mehrpunkt-Stromrichters 2 nach 1 näher dargestellt. Als dreiphasige Stromrichter 4, 6 und 8 werden 6-pulsige Stromrichter mit abschaltbaren Halbleiterschaltern, insbesondere Insulated-Gate-Bipolar-Transistoren (IGBT), verwendet. Dabei werden für die dreiphasigen Zweipunkt-Stromrichter 4 und 6 jeweils ein IGBT-Sixpack-Modul verwendet, wobei für die Realisierung des dreiphasigen Stromrichters 8 drei IGBT-Halbbrücken-Module verwendet werden.
  • Da die dreiphasigen Stromrichter 4 und 6 nur mit einem Drittel der Zwischenkreisspannung beaufschlagt werden, können abschaltbare Halbleiterschalter mit einer geringeren Sperrspannung verwendet werden im Gegensatz zu den abschaltbaren Halbleiterschaltern des dreiphasigen Stromrichters 8. Wegen dieser Spannungsbelastung werden die dreiphasigen Stromrichter 4 und 6 mit einer höheren Pulsfrequenz betrieben als der dreiphasige Stromrichter 8. Somit kann man die Stromrichter 4 und 6 als "conditioning"-Stromrichter und den Stromrichter 8 als "bulk"-Stromrichter eines Hybrid-Stromrichters bezeichnen.
  • 2 zeigt weiterhin eine konkrete Ausführung für die Gleichstromwandler 30, 32. Diese sind jeweils als IGBT-Halbbrücke 34, 36 ausgeführt. Die erste IGBT-Halbbrücke 34 ist dabei parallel zu den ersten zwei Kondensatoren C1, C2 geschaltet, wobei deren Mittelpunkt mit dem Mittelpunkt der ersten IGBT-Halbbrücke 34 über eine erste Induktivität 38 verbunden ist. Die zweite IGBT-Halbbrücke 36 ist parallel zu dem zweiten und dritten Kondensator C2, C3 geschaltet, wobei deren Mittelpunkt mit dem Mittelpunkt der zweiten IGBT-Halbbrücke 36 über eine zweite Induktivität 40 verbunden ist.
  • Die so gezeigte Schaltung ermöglicht die Symmetrierung der Kondensatorspannungen, d.h. die Angleichung von UC1, UC2 und UC3, für jegliche Leistungsflussrichtung des Mehrpunkt-Stromrichters 2. Bei einem Leistungsfluss zur AC-Seite hin, d.h. zu den Ausgangs-Anschlüssen RM, SM und TM des dreiphasigen Mehrpunkt-Stromrichters 2 hin, ist typischerweise ein Leistungsfluss zum mittleren Kondensator C2 hin nötig, um die Kondensatorspannungen UC1, UC2 und UC3 anzugleichen. Bei einem umgekehrten Leistungsfluss zur DC-Seite hin ist ein Leistungsfluss vom mittleren Kondensator C2 zum ersten und dritten Kondensator C1, C3 notwendig zur Symmetrierung der Kondensatorspannungen UC1, UC2 und UC3. Die IGBT-Halbbrücken 34, 36 erlauben den Betrieb der Gleichspannungswandler 30, 32 in beide Richtungen und unabhängig voneinander, d.h. mit ausreichenden Freiheitsgraden zur Angleichung der Kondensatorspannungen UC1, UC2 und UC3 in jedem Betriebsfall und ohne Eingreifen der Stromrichter 4, 6, 8.
  • Eine Realisierung einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen dreiphasigen Mehrpunkt-Stromrichters 2 ist in 3 näher dargestellt. In 3 sind die Stromrichter 4, 6, 8 für eine bessere Übersicht nicht mehr dargestellt. Im Unterschied zu 2 werden hier nicht mehr IGBT-Halbbrücken 34, 36 verwendet, sondern jeweils eine Serienschaltung aus einem IGBT 50, 56 und einer Diode 52, 54. Die Dioden 52, 54 liegen dabei zusammen mit der jeweiligen Induktivität 38, 40 parallel zum mittleren Kondensator C2. Die Schaltung gemäß 3 erlaubt die Ladung des mittleren Kondensators C2 aus den beiden äußeren Kondensatoren C1, C3, aber nicht umgekehrt. Damit ist diese Schaltung bevorzugt für einen Leistungsfluss des Mehrpunkt-Stromrichters 2 zu den Ausgangs-Anschlüssen RM, SM und TM hin geeignet, bei dem die Spannung des mittleren Kondensators C2 typischerweise nur erhöht werden muss. Auch hier ist eine besondere Steuerung der Stromrichter 4, 6, 8 nicht nötig, um die Angleichung der Kondensatorspannungen UC1, UC2 und UC3 zu erreichen; es müssen lediglich die IGBTs 50, 56 geeignet angesteuert werden. Hierzu ist es zweckmäßig, die Kondensatorspannungen UC1, UC2 und UC3 zu messen.
  • Eine umgekehrte, nicht in den Figuren dargestellte Lösung betrifft einen dreiphasigen Mehrpunkt-Stromrichter 2, bei dem der Leistungsfluss in der Hauptsache von den Ausgangs-Anschlüssen RM, SM und TM zum Spannungszwischenkreis 10 vorliegt. In diesem Fall ist eine Aufladung der äußeren Kondensatoren C1, C3 aus dem mittleren Kondensator C2 typischerweise nötig, um die Kondensatorspannungen UC1, UC2 und UC3 anzugleichen. Dafür können die IGBT-Halbbrücken 34, 36 dahingehend vereinfacht werden, dass der Halbleiterschalter parallel zu den beiden äußeren Kondensatoren C1, C3 durch eine Diode – ausgerichtet analog zur Body-Diode des jeweiligen IGBTs – ersetzt werden.
  • In beiden Fällen ergibt sich ein Aufbau, der die Symmetrierung mit einem Mehraufwand an Bauteilen von 2 IGBTs, 2 Dioden und zwei Induktivitäten sowie einer geeigneten Ansteuerung der IGBTs erlaubt. Die Stromrichter 4, 6, 8 können unbeeinflusst und ohne spezielle Steuerung zur Symmetrierung mit der maximal möglichen Effizienz betrieben werden.
  • 4 stellt eine besonders stark verschlankte Ausführungsform des dreiphasigen Mehrpunkt-Stromrichters 2 dar. Dabei wird eine Serie aus einem IGBT 60, einer Diode 62 und einem weiteren IGBT 64 parallel zum Spannungszwischenkreis 10 geschaltet. Der Mittelpunkt des ersten und zweiten Kondensators C1, C2 wird mit dem Punkt zwischen dem IGBT 60 und der Diode 62 über eine Induktivität 66 verbunden. Der Mittelpunkt des zweiten und dritten Kondensators C2, C3 wird mit dem Punkt zwischen der Diode 62 und dem weiteren IGBT 64 über eine weitere Induktivität 68 verbunden. Hierbei sind also Elemente des ersten und zweiten Gleichspannungswandlers 30, 32 miteinander verschmolzen. Da dieser Aufbau keine getrennte Kontrolle der Ströme durch die beiden Induktivitäten 66, 68 erlaubt, wenn ein Strom in oder aus dem zweiten Kondensator C2 erlaubt wird, verliert dieser Aufbau einen Freiheitsgrad gegenüber den bisher dargestellten Ausführungen. Eine Symmetrierung des ersten und dritten Kondensators C1, C3 gegeneinander ist mit dem gezeigten Aufbau nicht möglich. Bei einer Verwendung von Stromrichtern 4, 6, 8 analog zu 2 ist es jedoch mit geringem Aufwand möglich, durch eine geeignete Ansteuerung der Stromrichter 4, 6, 8 eine Symmetrierung der beiden äußeren Kondensatoren C1, C3 zu erreichen. Somit teilen sich hier die Stromrichter 4, 6, 8 und die Gleichspannungswandler in Form der IGBTs 60, 64, Diode 62 und Induktivitäten 66, 68 die Aufgabe der Symmetrierung, wobei die letzteren zur Erhöhung der Kondensatorspannung UC2 des mittleren Kondensators C2 verantwortlich ist. Die gezeigte Schaltung ist wiederum durch die Diode 62 vor allem geeignet, wenn der Leistungsfluss im Wesentlichen in Richtung der Ausgangs-Anschlüsse RM, SM und TM geht. Für einen Leistungsfluss in anderer Richtung ist es wiederum möglich, die Diode 62 und IGBTs 60, 64 zu vertauschen, d.h. die IGBTs 60, 64 durch Dioden zu ersetzen und umgekehrt. Sind beide Leistungsflussrichtungen möglich, treten IGBTs an die Stelle aller Dioden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102012214666 [0005]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • "Recent Advances in Multilevel Converter/Inverter Topologies and Applications" von Fang Z. Peng et al., veröffentlicht im Konferenzband der International Power Electronics Conference, IEEE 2010, Seiten 492–501 [0004]

Claims (10)

  1. Dreiphasiger Mehrpunkt-Stromrichter (2) mit einem Gleichspannungszwischenkreis (10), aufweisend wenigstens drei Kondensatoren (C1, C2, C3), die elektrisch in Reihe geschaltet sind, gekennzeichnet durch einen ersten und zweiten Gleichspannungswandler (30, 32), wobei – der erste Gleichspannungswandler (30) zur Angleichung der Spannung eines ersten und zweiten der Kondensatoren (C1, C2) mit einer ersten Anschlussseite (A11, A12) parallel zum ersten Kondensator (C1) und mit einer zweiten Anschlussseite (E11, E12) parallel zum zweiten Kondensator (C2) geschaltet ist und – der zweite Gleichspannungswandler (32) zur Angleichung der Spannung eines dritten der Kondensatoren (C3) mit dem ersten und/oder zweiten Kondensator (C1, C2) oder mit einem vierten Kondensator mit einer ersten Anschlussseite (E21, E22) parallel zum ersten oder zweiten Kondensator (C1, C2) und mit einer zweiten Anschlussseite (A21, A22) parallel zum dritten Kondensator (C3) geschaltet ist.
  2. Dreiphasiger Mehrpunkt-Stromrichter (2) gemäß Anspruch 1, wobei die Gleichspannungswandler (30, 32) Hoch-Tiefsetzsteller sind.
  3. Dreiphasiger Mehrpunkt-Stromrichter (2) gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem der erste Gleichspannungswandler (30) folgende Elemente umfasst: – eine Induktivität (38), die auf einer ersten Seite mit einem gemeinsamen Anschluss von erstem und zweitem Kondensator (C1, C2) verbunden ist, – einen ersten Halbleiterschalter (50), der zwischen die zweite Seite der Induktivität (38) und den vom gemeinsamen Anschluss von erstem und zweitem Kondensator (C1, C2) abgewandten Anschluss des ersten Kondensators (C1) geschaltet ist, – einen zweiten Halbleiterschalter oder eine Diode (52), geschaltet zwischen die zweite Seite der Induktivität (38) und einen gemeinsamen Anschluss von zweitem und drittem Kondensator (C2, C3).
  4. Dreiphasiger Mehrpunkt-Stromrichter (2) gemäß Anspruch 3, bei dem der zweite Gleichspannungswandler (32) folgende Elemente umfasst: – eine zweite Induktivität (40), die auf einer ersten Seite mit dem gemeinsamen Anschluss von zweitem und drittem Kondensator (C2, C3) verbunden ist, – einen dritten Halbleiterschalter oder eine zweite Diode (54), geschaltet zwischen die zweite Seite der zweiten Induktivität (40) und den gemeinsamen Anschluss von erstem und zweitem Kondensator (C1, C2), – einen vierten Halbleiterschalter (56), der zwischen die zweite Seite der zweiten Induktivität (40) und den vom gemeinsamen Anschluss von zweitem und drittem Kondensator (C2, C3) abgewandten Anschluss des dritten Kondensators (C3) geschaltet ist.
  5. Dreiphasiger Mehrpunkt-Stromrichter (2) gemäß Anspruch 3, bei dem in die Verbindung von zweitem Halbleiterschalter oder Diode (62) mit dem gemeinsamen Anschluss von zweitem und drittem Kondensator (C2, C3) eine dritte Induktivität (68) geschaltet ist, ein fünfter Halbleiterschalter (64) zwischen den gemeinsamen Anschluss von zweitem Halbleiterschalter oder Diode (62) und dritter Induktivität (68) und den vom gemeinsamen Anschluss von zweitem und drittem Kondensator (C2, C3) abgewandten Anschluss des dritten Kondensators (C3) geschaltet ist.
  6. Dreiphasiger Mehrpunkt-Stromrichter (2) gemäß Anspruch 1, umfassend: – eine Induktivität, die auf einer ersten Seite mit einem gemeinsamen Anschluss von erstem und zweitem Kondensator (C1, C2) verbunden ist, – eine zweite Induktivität, die auf einer ersten Seite mit dem gemeinsamen Anschluss von zweitem und drittem Kondensator (C2, C3) verbunden ist, – eine dritte Diode zwischen der zweiten Seite der Induktivität und den vom gemeinsamen Anschluss von erstem und zweitem Kondensator (C1, C2) abgewandten Anschluss des ersten Kondensators (C1), – eine vierte Diode zwischen der zweiten Seite der zweiten Induktivität und den vom gemeinsamen Anschluss von zweitem und drittem Kondensator (C2, C3) abgewandten Anschluss des dritten Kondensators, – einen zweiten Halbleiterschalter, geschaltet zwischen die zweite Seite der Induktivität und die zweite Seite der zweiten Induktivität.
  7. Dreiphasiger Mehrpunkt-Stromrichter (2) gemäß einem der Ansprüche 3 bis 6, bei dem die Halbleiterschalter IGBTs (50, 56, 60, 64) sind.
  8. Dreiphasiger Mehrpunkt-Stromrichter (2) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche mit wenigstens drei dreiphasigen Stromrichtern (4, 6, 8), wobei ein dreiphasiger Stromrichter (4) gleichspannungsseitig elektrisch parallel zu einem ersten Kondensator (C1) und ein weiterer dreiphasiger Stromrichter (6) gleichspannungsseitig elektrisch parallel zu einem dritten Kondensator (C3) geschaltet ist, wobei diese beiden dreiphasigen Stromrichter (4, 6) wechselspannungsseitig jeweils mittels einer Halbbrücke des dritten dreiphasigen Stromrichters (8) miteinander verknüpft sind und wobei wechselspannungsseitige Anschlüsse dieser Halbbrücken dieses dritten dreiphasigen Stromrichters (8) jeweils einen Ausgangs-Anschluss (RM, SM, TM) des dreiphasigen Mehrpunkt-Stromrichters (2) bilden.
  9. Dreiphasiger Mehrpunkt-Stromrichter (2) gemäß Anspruch 1 oder 2 mit vier Kondensatoren, wobei der zweite Gleichspannungswandler (32) eingangsseitig parallel zu einem dritten der Kondensatoren (C3) geschaltet ist und ausgangsseitig parallel zu einem vierten der Kondensatoren geschaltet ist.
  10. Dreiphasiger Mehrpunkt-Stromrichter (2) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche mit Mitteln zur Erfassung der Spannung der Kondensatoren (C1, C2, C3).
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AT516214A1 (de) * 2014-09-10 2016-03-15 Fronius Int Gmbh DC/DC-Wandler

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10219956B4 (de) * 2001-05-18 2004-07-08 Webasto Vehicle Systems International Gmbh Solarsystem
US20100289338A1 (en) * 2009-05-13 2010-11-18 Solar Semiconductor, Inc. Methods and Apparatuses for Photovoltaic Power Management
EP2312639A1 (de) * 2009-10-15 2011-04-20 Nxp B.V. Photovoltaische Anordnung und Verfahren zum Betrieb einer photovoltaischen Anordnung
DE102012214666A1 (de) 2012-08-17 2014-02-20 Siemens Aktiengesellschaft Dreiphasiger Mehrpunkt-Stromrichter

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10219956B4 (de) * 2001-05-18 2004-07-08 Webasto Vehicle Systems International Gmbh Solarsystem
US20100289338A1 (en) * 2009-05-13 2010-11-18 Solar Semiconductor, Inc. Methods and Apparatuses for Photovoltaic Power Management
EP2312639A1 (de) * 2009-10-15 2011-04-20 Nxp B.V. Photovoltaische Anordnung und Verfahren zum Betrieb einer photovoltaischen Anordnung
DE102012214666A1 (de) 2012-08-17 2014-02-20 Siemens Aktiengesellschaft Dreiphasiger Mehrpunkt-Stromrichter

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
"Recent Advances in Multilevel Converter/Inverter Topologies and Applications" von Fang Z. Peng et al., veröffentlicht im Konferenzband der International Power Electronics Conference, IEEE 2010, Seiten 492-501
Alian Chen ; Lei Hu ; Xiangning HeA novel type of combined multilevel converter topologiesIndustrial Electronics Society, 2004. IECON 2004. 30th Annual Conference of IEEEVolume: 3Digital Object Identifier: 10.1109/IECON.2004.1432157Publication Year: 2004 , Page(s): 2290 - 2294 Vol. 3 *
Ryszard, S. ; Pawel, S. ; Natalia, S.Four Level Diode-Clamped Back-To-Back Converter with active DC link voltage controlCompatibility and Power Electronics (CPE), 2013 8th International Conference onDigital Object Identifier: 10.1109/CPE.2013.6601151Publication Year: 2013 , Page(s): 182 - 187 *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AT516214A1 (de) * 2014-09-10 2016-03-15 Fronius Int Gmbh DC/DC-Wandler
US9641079B2 (en) 2014-09-10 2017-05-02 Fronius International Gmbh Dual buck-boost DC/DC converter
AT516214B1 (de) * 2014-09-10 2020-09-15 Fronius Int Gmbh DC/DC-Wandler

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