DE102016106359A1

DE102016106359A1 - Modul für einen Multilevelkonverter

Info

Publication number: DE102016106359A1
Application number: DE102016106359.2A
Authority: DE
Inventors: Stefan Götz; Johannes Höß
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2016-04-07
Filing date: 2016-04-07
Publication date: 2017-10-12
Also published as: WO2017174102A1; US20190157985A1; CN109075721B; WO2017174102A8; CN109075721A; US10630201B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Modul, das als Komponente eines Multilevelkonverters ausgebildet ist und mehrere Basiseinheiten (46, 48) sowie elektrische Energiequellen aufweist, wobei jede Basiseinheit (46, 48) mindestens eine Halbbrücke aufweist, wobei die mindestens eine Halbbrücke mindestens einen hochseitigen Schalter (46a, 48a) und mindestens einen tiefseitigen Schalter (46b, 48b) umfasst, wobei für zwei Basiseinheiten (46, 48), die innerhalb des Moduls unmittelbar nebeneinander benachbart angeordnet sind, vorgesehen ist, dass bei einer ersten Basiseinheit (46, 48) der zwei Basiseinheiten (46, 48) der mindestens eine hochseitige Schalter (46a, 48a) mit einem positiven Pol einer ersten Energiequelle und der mindestens eine tiefseitige Schalter (46b, 48b) mit einem negativen Pol einer zweiten Energiequelle verbunden ist, wobei bei einer zweiten Basiseinheit (46, 48) der zwei Basiseinheiten (46, 48) der mindestens eine hochseitige Schalter (46a, 48a) mit einem positiven Pol der zweiten Energiequelle und der mindestens eine tiefseitige Schalter (46b, 48b) mit einem negativen Pol der ersten Energiequelle verbunden ist, wobei Strom zwischen zwei Polen über mindestens einen Strompfad (53) zu transportieren ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Modul, das als Komponente eines Multilevelkonverters ausgebildet ist, einen Multilevelkonverter und ein Verfahren zum Betreiben eines Multilevelkonverters.
Ein Multilevelkonverter ist eine elektrische Einrichtung, die mehrere gleichartig aufgebaute Module umfasst, wobei jedem Modul eine eigene Spannungsquelle zugeordnet ist. Bei einem Betrieb des Multilevelkonverters werden mehrere Module miteinander kombiniert, wobei aus Spannungsquellen kombinierter Module eine jeweils erforderliche resultierende Spannung zu erzeugen ist.
In der Druckschrift US 2013 0033 912 A1 wird ein Fünf-Level-Umrichter mit einem Kondensator-Set aus zwei Kondensatoren und zwei Dioden, einem Schalter und einer Vollbrücken-Schaltung beschrieben. Somit kann hier eine Wechselspannung mit genau fünf Spannungslagen erzeugt werden.
In der Druckschrift US 2015 0009 734 A1 wird ein Verfahren zur Steuerung einer Multilevel-Halbbrücke beschrieben. Die Multilevel-Halbbrücke besteht dabei aus zwei symmetrisch zu einem Mittelabgriff angeordneten Zweigen mit beliebig vielen Schaltern. Diese Schalter sind jeweils über einen Kondensator mit dem korrespondierenden Schalter des anderen Zweigs verbunden.
In der Druckschrift US 2015 0280 474 A1 wird ein Verfahren zum Aufladen eines Energiespeichers aus einer dreiphasigen Wechselstromquelle beschrieben. Dabei ist jede Phase der Wechselstromquelle mit einem Niedrigsetzsteller, einer Diode und einem Konverter verbunden.
In der Druckschrift US 2015 0372 611 A1 wird ein modularer Hochfrequenzumrichter mit mehreren Submodulen beschrieben, welche jeweils eine Halb- und eine Vollbrücke enthalten, wobei diese über einen Gleichspannungszwischenkreis verbunden sind. Durch eine Spannungsmessung an der in jedem Gleichspannungszwischenkreis vorhandenen Kapazität können die einzelnen Submodule so gezielt zu- oder abgeschaltet werden.
In der Druckschrift WO 2015/131931 A1 wird ein Multilevel-Umrichter mit mehreren aus Halbbrücken bestehenden Submodulen beschrieben, welche entweder als Halbbrücke oder als Vollbrücke verschaltet sind.
Vor diesem Hintergrund war es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Multilevelkonverter, der mehrere Module umfasst, und ein Verfahren zu dessen Betrieb bereitzustellen, wobei Magnetfelder, die beim Ein- und Ausschalten einzelner Module induziert werden, reduziert werden sollen.
Diese Aufgabe wird mit dem Modul gemäß Patentanspruch 1, dem Multilevelkonverter gemäß Patentanspruch 7, und dem Verfahren gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 11 gelöst. Ausgestaltungen des Moduls, des Multilevelkonverters und des Verfahrens ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen und der Beschreibung.
Das erfindungsgemäße Modul ist als Komponente eines Multilevelkonverters ausgebildet und weist mehrere Basiseinheiten sowie elektrische Energiequellen auf, wobei jede Basiseinheit mindestens eine Halbbrücke aufweist. Die mindestens eine Halbbrücke umfasst mindestens einen hochseitigen (highside) Schalter und mindestens einen tiefseitigen (lowside) Schalter. Dabei ist für zwei Basiseinheiten, die innerhalb des Moduls unmittelbar nebeneinander benachbart angeordnet sind, vorgesehen, dass bei einer ersten Basiseinheit der mindestens eine hochseitige Schalter mit einem positiven Pol einer ersten Energiequelle und der mindestens eine tiefseitige Schalter mit einem negativen Pol einer zweiten Energiequelle verbunden ist, wobei bei einer zweiten Basiseinheit der mindestens eine hochseitige Schalter mit einem positiven Pol der zweiten Energiequelle und der mindestens eine tiefseitige Schalter mit einem negativen Pol der ersten Energiequelle verbunden ist. Bei einem Betreib des Moduls ist Strom zwischen zwei Polen über mindestens einen Strompfad zu transportieren.
In der Regel ist der mindestens eine Strompfad zwischen mindestens zwei unmittelbar benachbarten Schaltern zu schalten.
In Ausgestaltung ist der mindestens eine Strompfad zum Transportieren von Strom direkt zwischen dem mindestens einen hochseitigen Schalter und dem mindestens einen tiefseitigen Schalter der mindestens einen Halbbrücke zu schalten, wobei über den mindestens einen Strompfad Strom von dem positiven Pol der ersten bzw. zweiten Energiequelle über den mindestens einen hochseitigen Schalter und den mindestens einen tiefseitigen Schalter zu dem negativen Pol der zweiten bzw. ersten Energiequelle zu transportieren ist.
Alternativ oder ergänzend ist der mindestens eine Strompfad zum Transportieren von Strom direkt zwischen einem Schalter der ersten Basiseinheit und einem Schalter der zweiten Basiseinheit zu schalten, die unmittelbar benachbart nebeneinander angeordnet sind. Somit wird der mindestens eine Strompfad direkt zwischen zwei hochseitigen, unmittelbar benachbarten Schaltern zweier unmittelbar benachbarter Basiseinheiten und/oder direkt zwischen zwei tiefseitigen, unmittelbar benachbarten Schaltern zweier unmittelbar benachbarter Basiseinheiten geschaltet. Falls der mindestens eine Strompfad zwei unmittelbar benachbarte hochseitige Schalter der beiden Basiseinheiten verbindet, wird der Strom von dem positiven Pol der ersten Energiequelle über die beiden hochseitigen Schalter zu dem positiven Pol der zweiten Energiequelle transportiert. Falls der mindestens eine Strompfad zwei unmittelbar benachbarte tiefseitige Schalter der beiden Basiseinheiten verbindet, wird der Strom von dem negativen Pol der ersten Energiequelle über die beiden tiefseitigen Schalter zu dem negativen Pol der zweiten Energiequelle transportiert.
Mindestens ein Schalter der mindestens einen Halbbrücke ist als Halbleiterschalter, bspw. als Transistor, als Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) und/oder als Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT), ausgebildet.
Jede Basiseinheit umfasst eine positive Stromschiene und eine negative Stromschiene, wobei der mindestens eine hochseitige Schalter der mindestens einen Halbbrücke mit der positiven Stromschiene und der mindestens eine tiefseitige Schalter der mindestens einen Halbbrücke mit der negativen Stromschiene verbunden ist. Für die zwei Basiseinheiten, die innerhalb des Moduls unmittelbar benachbart angeordnet sind, ist vorgesehen, dass bei der ersten Basiseinheit die positive Stromschiene mit dem positiven Pol der ersten Energiequelle und die negative Stromschiene mit dem negativen Pol der zweiten Energiequelle verbunden ist. Außerdem ist bei der zweiten Basiseinheit die positive Stromschiene mit dem positiven Pol der zweiten Energiequelle und die negative Stromschiene mit dem negativen Pol der ersten Energiequelle verbunden.
Mindestens eine elektrische Energiequelle des Moduls ist als Spannungsquelle, in der Regel als Gleichspannungsquelle, bspw. als Batterie bzw. Akkumulator und/oder Kondensator ausgebildet.
Außerdem sind die Basiseinheiten auf einer Platine angeordnet. Somit sind die Basiseinheiten auf der Platine nebeneinander angeordnet. In der Regel umfasst jede Basiseinheit ein Gehäuse, das die Schalter umschließt. Schalter aus zwei unmittelbar benachbarten Basiseinheiten, die unmittelbar nebeneinander angeordnet sind, sind lediglich durch die Gehäuse der beiden Basiseinheiten voneinander getrennt.
Der erfindungsgemäße Multilevelkonverter weist mehrere Module auf, wobei jedes Modul mehrere Basiseinheiten sowie elektrische Energiequellen aufweist, wobei jede Basiseinheit mindestens eine Halbbrücke aufweist, wobei die mindestens eine Halbbrücke mindestens einen hochseitigen (highside) Schalter und mindestens einen tiefseitigen (lowside) Schalter umfasst. Für zwei Basiseinheiten, die innerhalb des Moduls unmittelbar nebeneinander benachbart angeordnet sind, ist vorgesehen, dass bei einer ersten Basiseinheit der mindestens eine hochseitige Schalter mit einem positiven Pol einer ersten Energiequelle und der mindestens eine tiefseitige Schalter mit einem negativen Pol einer zweiten Energiequelle verbunden ist, wobei bei einer zweiten Basiseinheit der mindestens eine hochseitige Schalter mit einem positiven Pol der zweiten Energiequelle und der mindestens eine tiefseitige Schalter mit einem negativen Pol der ersten Energiequelle verbunden ist. Dabei ist Strom zwischen zwei Polen über mindestens einen Strompfad zu transportieren.
Bei dem Multilevelkonverter sind sämtliche Module gleich bzw. gleichartig und/oder ähnlich ausgebildet.
Beim Betrieb des Multilevelkonverters ist mindestens ein Modul aktiv. Falls mehrere Module gleichzeitig aktiv sind, sind diese Module zueinander in Reihe oder parallel zueinander zu schalten.
Der Multilevelkonverter ist als Energiequelle für eine elektrische Maschine ausgebildet.
Weiterhin ist vorgesehen, dass der Multilevelkonverter in einem elektrischen Energienetzwerk eines Kraftfahrzeugs angeordnet ist. Mit dem Multilevelkonverter ist bspw. eine elektrische Maschine mit elektrischer Energie zu versorgen, die als Motor und/oder als Generator zu betreiben sowie zum Antreiben des Kraftfahrzeugs ausgebildet ist.
Der erfindungsgemäße Multilevelkonverter weist mindestens eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Moduls auf.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist zum Betreiben eines Multilevelkonverters, der als Komponenten mehrere Module aufweist, vorgesehen. Dabei weist jedes Modul mehrere Basiseinheiten sowie elektrische Energiequellen auf, wobei jede Basiseinheit mindestens eine Halbbrücke aufweist, wobei die mindestens eine Halbbrücke mindestens einen hochseitigen (highside) Schalter und mindestens einen tiefseitigen (lowside) Schalter umfasst. Für zwei Basiseinheiten, die innerhalb des Moduls unmittelbar nebeneinander benachbart angeordnet sind, wird vorgesehen, dass bei einer ersten Basiseinheit der zwei Basiseinheiten der mindestens eine hochseitige Schalter mit einem positiven Pol einer ersten Energiequelle und der mindestens eine tiefseitige Schalter mit einem negativen Pol einer zweiten Energiequelle verbunden wird, und wobei bei einer zweiten Basiseinheit der zwei Basiseinheiten der mindestens eine hochseitige Schalter mit einem positiven Pol der zweiten Energiequelle und der mindestens eine tiefseitige Schalter mit einem negativen Pol der ersten Energiequelle verbunden wird. Strom wird zwischen zwei Polen über mindestens einen Strompfad transportiert.
In Ausgestaltung wird der mindestens eine Strompfad zum Transportieren von Strom direkt zwischen dem mindestens einen hochseitigen Schalter und dem mindestens einen tiefseitigen Schalter der mindestens einen Halbbrücke geschaltet, wobei über den mindestens einen Strompfad Strom von dem positiven Pol der ersten bzw. zweiten Energiequelle über den mindestens einen hochseitigen Schalter und den mindestens einen tiefseitigen Schalter zu dem negativen Pol der zweiten bzw. ersten Energiequelle transportiert wird.
In ergänzender oder alternativer Ausgestaltung wird der mindestens eine Strompfad zum Transportieren von Strom direkt zwischen einem Schalter der ersten Basiseinheit und einem Schalter der zweiten Basiseinheit geschaltet, die unmittelbar benachbart nebeneinander angeordnet sind. Somit wird der mindestens eine Strompfad direkt zwischen zwei hochseitigen, unmittelbar benachbarten Schaltern zweier unmittelbar benachbarter Basiseinheiten und/oder direkt zwischen zwei tiefseitigen, unmittelbar benachbarten Schaltern zweier unmittelbar benachbarter Basiseinheiten geschaltet. Falls der mindestens eine Strompfad zwei unmittelbar benachbarte hochseitige Schalter der beiden Basiseinheiten verbindet, wird der Strom von dem positiven Pol der ersten Energiequelle über die beiden hochseitigen Schalter zu dem positiven Pol der zweiten Energiequelle transportiert. Falls der mindestens eine Strompfad zwei unmittelbar benachbarte tiefseitige Schalter der beiden Basiseinheiten verbindet, wird der Strom von dem negativen Pol der ersten Energiequelle über die beiden tiefseitigen Schalter zu dem negativen Pol der zweiten Energiequelle transportiert.
Außerdem wird von jedem Modul eine Ausgangsspannung bereitgestellt, wobei mindestens zwei Module zueinander in Reihe und/oder zueinander parallel geschaltet werden, wobei aus den Ausgangsspannungen der miteinander kombinierten bzw. zueinander parallel und/oder in Reihe geschalteten Module für den Multilevelkonverter eine kombinierte und/oder resultierende Ausgangsspannung bereitgestellt wird.
In der Regel wird Strom durch mindestens einen ersten Strompfad transportiert, wobei bei einer Kommutierung bzw. Umschaltung eines jeweiligen Moduls der mindestens eine erste Strompfad deaktiviert bzw. ausgeschaltet und mindestens ein zweiter Strompfad aktiviert bzw. eingeschaltet wird, wobei der Strom nach der Kommutierung durch den mindestens einen zweiten Strompfad transportiert wird.
Der Multilevelkonverter bzw. Multilevelumrichter ist u. a. zur Erzeugung einer Wechselspannung aus mehreren Gleichspannungen ausgebildet und umfasst in Ausgestaltung mehrere seriell geschaltete Module, wobei jedes Modul wiederum vier MOSFET-Halbbrücken und zwei Spannungsquellen umfasst. Jede MOSSFET-Halbbrücke weist eine High- und eine Low-Seite aus jeweils vier hoch- bzw. tiefseitigen Schaltern, bspw. Transistoren auf, wobei weiterhin jeweils zwei MOSFET-Halbbrücken miteinander verbunden sind. Durch Umschalten der Strompfade zwischen den verbundenen MOSFET-Halbbrücken wird eine benötigte Wechselspannung erzeugt.
In Ausgestaltung ist vorgesehen, dass sich die verschiedenen Strompfade, die zwischen unmittelbar benachbarten Schaltern in einer Basiseinheit oder zwischen zwei Basiseinheiten bzw. basiseinheitsübergreifend geschaltet sind, überlappen und zudem kurz sind. Somit bauen sich bei einer Umschaltung nur geringe Induktivitäten auf, wodurch Überspannungen vermieden und Schalter, bspw. Transistoren, vor Beschädigungen geschützt werden. Weiterhin werden durch die vorgesehene Topologie einer Schaltung des Multilevenkonverters die verschiedenen Schalter, bspw. Transistoren, einer Seite, d. h. die hochseitigen Schalter oder tiefseitigen Schalter einer Halbbrücke gleichmäßig belastet, da für die Transistoren gleich oder ähnlich lange Strompfade vorliegen.
Bei der vorgesehenen Topologie des Multilevelkonverters bzw. Multilevelumrichters sind die Low- bzw. High-Seiten zweier verbundener Halbbrücken miteinander vertauscht. Außerdem sind die beiden Halbbrücken miteinander verflochten. Durch diese Topologie überlappen sich die verschiedenen Strompfade zumindest teilweise und sind deutlich verkürzt, wodurch beim Schalten entstehende Induktivitäten reduziert werden. Weiterhin ist auch die Länge des Strompfads für jeden Schalter gleich, sodass alle als Schalter ausgebildeten Bauteile gleich belastet werden.
Üblicherweise umfasst der erfindungsgemäße Multilevelkonverter mehrere Module, wobei jedes dieser Module wiederum mehrere Basiseinheiten sowie mehrere Energiequellen, üblicherweise Spannungsquellen, die als Batterien oder Kondensatoren ausgebildet sind, aufweist. Beim Betrieb des Multilevelkonverters ist mindestens eines der Module zu aktivieren. Falls mehrere Module aktiviert werden, werden diese zueinander parallel und/oder in Reihe geschaltet, wodurch mit dem Multilevelkonverter je nach Bedarf unterschiedliche Spannungen mit unterschiedlichen maximalen Werten und/oder Amplituden bereitstellbar sind.
Jede Basiseinheit umfasst mehrere Halbbrücken, wobei jeweils ein hochseitiger Schalter und ein tiefseitiger Schalter innerhalb einer Basiseinheit zueinander unmittelbar benachbart angeordnet sind. Falls das Modul bspw. zwei Spannungsquellen aufweist, ist vorgesehen, dass hochseitige Schalter einer ersten Basiseinheit mit dem positiven Pol der ersten Spannungsquelle verbunden sind, wohingegen die tiefseitigen Schalter mit dem negativen Pol der zweiten Spannungsquelle verbunden sind. Außerdem sind die hochseitigen Schalter der zweiten Basiseinheit mit dem positiven Pol der zweiten Spannungsquelle und die tiefseitigen Schalter mit dem negativen Pol der ersten Spannungsquelle verbunden. Dabei sind diese beiden Basiseinheiten ebenfalls unmittelbar benachbart nebeneinander angeordnet.
Aufgrund eines derartigen Layouts der Basiseinheiten ergeben sich zwischen zwei Schaltern vergleichsweise kurze Strompfade. Bei einem Schalten zwischen zwei Betriebszuständen bzw. bei einer Kommutierung der Basiseinheit werden jedoch nur Ströme entlang kurzer Strompfade aufgebaut sowie wieder abgebaut, wobei jedoch nur vergleichsweise geringe Magnetfelder induziert werden, die einen Betrieb der Bauteile nur geringfügig beeinträchtigen. Durch die Basiseinheiten der bspw. seriell geschalteten Module des Multilevelkonverters bzw. Multilevelumrichters ist ein schnelles Schalten der Strompfade möglich. Falls mehrere Module und/oder Basiseinheiten hintereinander geschaltet werden, ist weiterhin möglich, aus einer Gleichspannung von Spannungsquellen der Module eine Wechselspannung bereitzustellen.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen schematisch und ausführlich beschrieben.
1 zeigt in schematischer Darstellung Details eines Multilevelkonverters.
2 zeigt in schematischer Darstellung erste Details eines Beispiels eines aus dem Stand der Technik bekannten Multilevelkonverters.
3 zeigt in schematischer Darstellung zweite Details des Beispiels des aus dem Stand der Technik bekannten Multilevelkonverters.
4 zeigt in schematischer Darstellung dritte Details des Beispiels des aus dem Stand der Technik bekannten Multilevelkonverters.
5 zeigt in schematischer Darstellung eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Moduls einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Multilevelkonverters.
6 zeigt in schematischer Darstellung eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Moduls einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Multilevelkonverters.
7 zeigt in schematischer Darstellung eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Moduls einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Multilevelkonverters.
8 zeigt in schematischer Darstellung die dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Moduls in unterschiedlichen Betriebszuständen.
9 zeigt in schematischer Darstellung die zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Moduls in ersten unterschiedlichen Betriebszuständen.
10 zeigt in schematischer Darstellung die zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Moduls in zweiten unterschiedlichen Betriebszuständen.
Die Figuren werden zusammenhängend und übergreifend beschrieben. Gleichen Komponenten sind dieselben Bezugsziffern zugeordnet.
1a zeigt in schematischer Darstellung ein Beispiel für eine Halbbrücke 2, wie sie beispielsweise auch Teil eines erfindungsgemäßen Multilevelkonverters ist, wie er anhand einer der 5 bis 10 nachfolgend vorgestellt wird. Es ist jedoch auch möglich, dass eine derartige Halbbrücke 2 auch als Teil eines aus dem Stand der Technik bekannten Multilevelkonverters aus einer der 2 bis 4 ausgebildet ist.
Diese Halbbrücke 2 umfasst zwei als Halbleiterschalter, hier IGBTs, ausgebildete Schalter 4a, 4b mit je einer Freilaufdiode 6a, 6b und einem Messwiderstand 8.
Ein Beispiel für einen Inverter 10 für einen elektrischen Motor 12 mit drei Phasen U, V, W ist in 1b schematisch dargestellt. Dieser Inverter 10 umfasst eine Spannungsquelle U_DC und drei Halbbrücken 14a, 14b, 14c, die auch als B6-Brücke bezeichnet werden können.
Ein Multilevelkonverter bzw. Multilevelumrichter ist sowohl gemäß dem Stand der Technik aber auch erfindungsgemäß dazu ausgebildet, bspw. für einen elektrischen Antrieb eines Kraftfahrzeugs, aus einer Gleichspannung eine bspw. dreiphasige Wechselspannung zu erzeugen. Der Multilevelkonverter umfasst mehrere gleichartige oder zumindest funktionell ähnlichartige Module und ist dazu ausgebildet, eine an einem Eingang anliegende Spannung, bspw. eine Gleichspannung oder Wechselspannung, in mindestens eine Spannung, d. h. eine oder mehrere Spannungen, beispielsweise mindestens eine Wechselspannung, am Ausgang umzuformen.
Die Module schalten dabei u. a. einen Strompfad zwischen mehreren alternativen Strompfaden, wobei der Strom in den Modulen, in die die Energiespeicher, bspw. Kondensatoren oder Batteriezellen, eingebettet sind, entweder in Laderichtung oder in Entladerichtung fließt und an einem Energiespeicher vorbeigeleitet oder aufgeteilt wird, wobei mehrere Energiespeicher beispielsweise unterschiedlicher Module elektrisch parallel und/oder in Reihe verschaltet werden.
In einer Leistungselektronik werden entsprechende Schaltungen, d. h. sowohl traditionelle Inverter als auch Multilevelkonverter, in der Regel in Halbbrücken aus zwei unabhängigen Schaltern als Basiseinheit unterteilt und in der Regel auch zusammen auf einer elektronischen Baugruppe angeordnet. Es ist möglich, dass derartige Halbbrücken auch bereits in einem Bauteil integriert sind, wodurch eine Trennung der Halbbrücke nicht möglich ist.
2a zeigt in schematischer Darstellung ein Modul 16 eines Multilevelkonverter mit hier vier Basiseinheiten B1, B2, B3, B4 und einer Spannungsquelle 18 U1, mit der den Basiseinheiten B1 und B2 eine Spannung mit den Potentialen U1+ und U1– bereitgestellt wird. Den beiden Basiseinheiten B3 und B4 wird von einer zweiten, hier nicht gezeigten Spannungsquelle U2 eine Spannung mit den Potentialen U2+ und U2– bereitgestellt. Hierbei ist vorgesehen, dass die Basiseinheit B1 und B3 miteinander verbunden sind. Jede Basiseinheit B1, B2, B3, B4 umfasst hier vier Halbbrücken mit jeweils vier hochseitigen Schaltern 19a, 19c sowie vier tiefseitigen bzw. niedrigseitigen Schaltern 19b, 19d.
Jede Halbbrücke ist in der Lage, als Stromweiche zu agieren. Hierbei ist möglich, einen Strompfad zwischen einem Ausgang und einem hochseitigen Anschluss (High-Side-Anschluss), zwischen einem Ausgang und einem tiefseitigen bzw. niedrigseitigen Anschluss (Low-Side-Anschluss) oder zwischen allen Anschlüssen bereitzustellen, wobei im letzten Fall gewollt ein Kurzschluss herbeizuführen ist.
Insgesamt weist das hier vorgestellte Modul 16 als Schalter zweiunddreißig MOSFETs auf, wobei jede Basiseinheit B1, B2, B3, B4 eine MOSFET-Halbbrücke mit je vier hochseitigen Schaltern 19a, 19c und je vier tiefseitigen Schaltern 19b, 19d umfasst, wobei die jeweils vier hochseitigen Schalter und die jeweils vier tiefseitigen Schalter 19a, 19c zueinander parallel geschaltet sind. Beim Betrieb des Moduls 16 werden jeweils vier hochseitige Schalter bzw. vier tiefseitige Schalter einer Halbbrücke gleichzeitig an- und ausgeschaltet, wodurch eine Stromtragfähigkeit erhöht und ein Ohmscher Verlust gering gehalten werden kann. Weiterhin sind jeweils zwei als Halbbrücken ausgebildete Basiseinheiten B1 und B2 an der ersten Spannungsquelle 18 U1 und die beiden weiteren Basiseinheiten B3 und B4 an der zweiten Spannungsquelle U2 angeschlossen. Außerdem ist vorgesehen, dass die erste und die dritte Basiseinheit B1 und B3 sowie die zweite und die vierte Basiseinheit B2 und B4 miteinander verbunden sind, wodurch die erste und die dritte Basiseinheit B1 und B3 parallel zu der zweiten Basiseinheit B2 und B4 geschaltet sind. Beim Betrieb verhalten sich die erste und die dritte Basiseinheit B1 und B3 symmetrisch zu der zweiten und vierten Basiseinheit B2 und B4.
Im Detail zeigt 2a die Schaltung und 2b eine typische geometrische Anordnung der Schalter 19a, 19b, 19c, 19d auf einer Leiterplatte. Zur besseren Übersichtlichkeit sind in 2b nur die Basiseinheiten B1 und B3 abgebildet. Die Basiseinheiten B2 und B4 verhalten sich identisch.
Zwischen den Schaltern 19a, 19b, 19c, 19d der beiden benachbarten Basiseinheiten B1 und B2 sind vier Strompfade möglich, die in 2b durch Doppelpfeile angedeutet sind. Ein Stromfluss von einem positiven ersten Pol U1+ zu einem negativen ersten Pol U1– bzw. von einem positiven zweiten Pol U2+ zu einem negativen zweiten Pol U2– würde einen Kurzschluss bedeuten, und muss deshalb unbedingt vermieden werden.
Ein erstes Problem im Stand der Technik besteht darin, dass derartige Schaltungen sehr hohe Umschaltinduktiväten aufweisen. Wird Strom über eine oder, in der Regel, mehrere Halbbrücken bei einer sog. Kommutierung zwischen zwei Strompfaden umgeschaltet, muss sich ebenso ein Magnetfeld eines ersten Strompfads abbauen, wohingegen sich ein Magnetfeld eines zweiten Strompfads aufbaut. Da diese Magnetfelder Energie speichern, muss entsprechend die Energie von dem Magnetfeld des alten, ersten Strompfads zuerst in Strom umgesetzt werden, um das Magnetfeld abzubauen. Gleichzeitig muss der Strom des neuen, zweiten Strompfads ein entsprechendes Magnetfeld aufbauen.
Lediglich an Orten, an denen sich die Magnetfelder eines alten und eines neuen Strompfads überlappen und eine ähnliche Größenordnung aufweisen, ist eine geringe und schnelle Umladung der Energie möglich. Diese Umladung der Energie benötigt einerseits Zeit, die weit länger als eine Dauer eines Umschaltvorgangs ist und mehrere 10 ns bis zu einigen μs andauern kann. Andererseits werden diese Ströme durchaus auch über anscheinend bereits geöffnete Schalter 19a, 19b, 19c, 19d getrieben, wodurch eine Spannung aufgrund einer niedrigen Kapazität ansteigt und ggf. Bauteile beschädigen oder zerstören kann.
Zur Abhilfe werden im Stand der Technik in der Regel die Schaltzeiten enorm verlängert, damit nicht Schalter 19a, 19b, 19c, 19d geöffnet sind, während sich noch ein Magnetfeld abbauen muss. Zusätzlich werden oft sogenannte Entlastungsschaltungen, die auch als Snubber, Schutzbeschaltungen oder Entlastungsnetze bezeichnet werden, eingesetzt, die die Ströme ableiten.
Beide Methoden aus dem Stand der Technik erzeugen jedoch hohe Verluste, weil die in dieser Zeit fließenden Ströme in der Regel in Wärme überführt werden.
In den 3a, 3b, 3c und 3d sind vier unterschiedliche Kommutierungen bzw. Schaltungen der beiden Basiseinheiten B1, B2 des Moduls 16 des Multilevelkonverters dargestellt. Hierbei sind in 3a Strompfade zwischen den tief- bzw. niedrigseitigen Schaltern 19b der ersten Basiseinheit B1 und den hochseitigen Schaltern 19c der zweiten Basiseinheit B2 geschaltet. In 3b sind Strompfade zwischen den hochseitigen Schaltern 19a der ersten Basiseinheit B1 und den tiefseitigen Schaltern 19d der zweiten Basiseinheit B2 geschaltet. In 3c sind Strompfade zwischen den hochseitigen Schaltern 19a, 19c zwischen den beiden Basiseinheiten B1 und B2 geschaltet. Außerdem sind in 3d zwischen den tiefseitigen Schaltern 19b, 19d der beiden Basiseinheiten B1, B2 Strompfade geschaltet. Übergänge zwischen den Kommutierungen der Strompfade sind zwischen den 3a, 3b, 3c, 3d durch Doppelpfeile angedeutet. Wobei bei jeder Kommuntierung und/oder Umschaltung der Strompfade eine Induktivität entsteht.
Die Magnetfelder der einzelnen Strompfade weisen in der hier vorgestellten Layout-Anordnung auf der Platine nur sehr geringe Überlappungen auf. Diese sich nicht oder nur geringfügig überlappenden Magnetfelder spielen beim Wechsel zwischen zwei Strompfaden eine Rolle. Dabei sind die induzierten Magnetfelder äquivalent zu einer Größe von Flächen, die von Leiterbahnen aufgespannt werden, durch die die Strompfade verlaufen.
Dabei gilt für die bei der Kommutierung (K) zweier Strompfade S_a, S_b auftretende Induktivität L unter Berücksichtigung der magnetischen Feldkonstante μ₀:
In der Regel werden einzelne Halbleiterbauelemente und somit Schalter 19a, 19b, 19c, 19d nicht gleich stark mit Strom belastet. Das bedeutet, dass sich der Strom nicht gleichmäßig auf die Schalter 19a, 19b, 19c, 19d aufteilt.
Diese ungleichmäßige Belastung durch den Strom kann statisch sein. Sofern es sich nicht um hohe Frequenzanteile im Strom handelt, ist ein unterschiedlich hoher Widerstand der einzelnen Strompfade dafür verantwortlich. Das Magnetfeld spielt hierbei keine Rolle.
Falls die Belastung durch den Strom jedoch auch dynamisch ist und nur bei starken Stromschwankungen und insbesondere Umschaltvorgängen auftritt, werden entlang der Strompfade aufgrund der Ströme, die durch die einzelnen Schalter 19a, 19b, 19c, 19d, hier Halbleiterschalter fließen, unterschiedlich starke Magnetfelder induziert, was auch zueinander parallele Strompfade durch die einzelnen Schalter 19a, 19b, 19c, 19d betrifft, auf die sich der Strom jedoch gleichmäßig aufteilen sollte. Während die Induktivitäten bei großen Halbleiterschaltern, die aus einer Vielzahl von Einzelhalbleitern bestehen, aufeinander abgestimmt sind, interagieren auf platinenintegrierten Leistungsschaltungen wegen der kleinen Abstände die Strompfade magnetisch mit den Strompfaden benachbarter Halbbrücken.
Beim Umschalten zwischen Strompfaden wird Energie induktiv gespeichert, die sich in Form von Spannungen ungeordnet abbaut.
Hierbei gilt für den Magnetfluss ☐: ϕ = LI = ∫BdA
Dabei ist L die Induktivität, I ein fließender Strom, B das Magnetfeld und A die vom Magnetfeld durchströmte Fläche.
Für eine induzierte Spannung U_ind gilt: U_ind = dϕ / dt = L dI / dt = d / dt∫BdA
4 deutet eine Kommutierung zwischen den in 3b gezeigten Strompfaden und den in 3a gezeigten Strompfaden an. Eine Änderung eines Stroms führt bei Induktivitäten zu Überspannungen. Entscheidend hierbei ist eine hier in 4 gezeigte, große Fläche 21, die die geänderten Strompfade im Umschaltzeitpunkt umrandet bzw. umspannt und in der Magnetfelder induziert werden, was beim Schaltvorgang zu hohen Überspannungen führt, da induktive Energie unkontrolliert abgebaut wird. Die Flächen von Magnetfelder, die von Strömen durch die hier als MOSFETs ausgebildeten Schalter 19a, 19b, 19c, 19d induziert werden, sind unterschiedlich groß. Dies führt zu unterschiedlichen Induktivitäten und damit Belastungen beim Umschalten. Die Folge ist eine Verkürzung der Lebensdauer stärker belasteter Transistoren der Schalter 19a, 19b, 19c, 19d. In 4 sind vor dem Umschalten die hochseitigen Schalter 19a der ersten Basiseinheit B1 und die tief- bzw. niedrigseitigen Schalter 19d der dritten Basiseinheit B3 über Strompfade verbunden, wie in 3b gezeigt. Nach dem Umschalten sind die tiefseitigen Schalter 19b der ersten Basiseinheit B1 und die hochseitigen Schalter 19c der dritten Basiseinheit B3 über Strompfade miteinander verbunden, wie in 3a gezeigt. Transistoren mit der geringsten Induktivität beim Umschalten sind in 4 jene, die den hochseitigen Schaltern 19a der ersten Basiseinheit B1 zugeordnet sind und deren Strompfade sich berühren. Von diesen Transistoren wird bei der Umschaltung zuerst Strom geleitet, wobei die Transistoren in dieser kurzen Übergangsphase den gesamten Strom tragen müssen, bevor sich dieser langsam auf alle weiteren Transistoren aller Schalter 19a, 19b, 19c, 19d verteilt.
Weiterhin ist vorgesehen, dass ein Strompfad niemals von dem positiven Pol U1+ zu dem negativen Pol U1– der ersten Spannungsquelle sowie von dem positiven Pol U2+ zu dem negativen Pol U2– der zweiten Spannungsquelle U2 führt. Diese Eigenschaft wird in Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Moduls genutzt, wodurch in einem Schaltzeitpunkt aufgespannte Induktionsflächen zu verringern sind.
Die in 4 dargestellten Strompfade der als MOSFETs ausgebildeten Schalter 19a, 19b, 19c, 19d sind unterschiedlich lang, wodurch sich Induktivitäten einzelner Strompfade voneinander unterscheiden. Daraus ergibt sich, dass die Schalter 19a, 19b, 19c, 19d sowohl statisch als auch dynamisch ungleichmäßig belastet werden, weshalb einige der Schalter 19a, 19b, 19c, 19d höhere Ströme als andere tragen müssen und demnach entsprechend schneller altern. Dabei ist vorgesehen, dass Strompfade zwischen Schaltern 19a, 19b, 19c, 19d, die weit voneinander beabstandet sind, länger als Strompfade jener Schalter 19a, 19b, 19c, 19d sind, die zueinander geringere Abstände aufweisen. Daraus ergibt sich jedoch, dass eine Induktivität beim Umschalten mit der Länge eines jeweiligen Strompfads steigt.
Zur Umsetzung eines erfindungsgemäßen Multilevelkonverters ausgehend von dem in den 3 und 4 gezeigten Stand der Technik wird einerseits eine Feldamplitude eines Magnetfelds jedes einzelnen Strompfads gesenkt und andererseits eine Überlappung der Magnetfelder maximiert.
Zum Bereitstellen des erfindungsgemäßen Multilevelkonverters werden Strompfade bzw. Ströme möglichst weit verteilt, wobei Stromdichten sinken. Alternativ oder ergänzend werden erste Strompfade, durch die Ströme in eine ersten Richtung fließen, in einer Nähe von zweiten Strompfaden angeordnet, durch die gleichzeitig Ströme in entgegengesetzter Richtung fließen, wodurch Magnetfelder benachbarter, entgegengesetzt fließender Ströme kompensiert werden, wodurch Feldamplituden der entsprechenden Magnetfelder reduziert werden.
Die Überlappung der Magnetfelder wird bei zeitversetzt fließenden Strömen, die folglich nicht gleichzeitig fließen, da der Strom eines Strompfads auf einen zweiten Strompfad umgelenkt wird, erreicht, wenn ineinander umzuschaltende Strompfade, durch die Ströme mit gleicher Richtung fließen, nahe beieinander liegen, wobei der Strom gegenüber seinem ursprünglichen, ersten Strompfad bzw. Flussbett zu dem zweiten Strompfad nur minimal verschoben wird. In Ausgestaltung teilen die beiden Strompfade sogar Abschnitte, wodurch der Strom auf diesen Abschnitten seinen Lauf auch während der Umschaltung nicht ändern muss.
Die bei der Kommutierung auftretende Induktivität zweier Strompfade ist dabei aus einer Koppelinduktivität von gleichzeitig von Strom durchflossenen Leitern, beispielsweise in einem Transformator, abzuleiten und kann für eine Schaltung ermittelt werden. Weiterhin ist bei einer Realisierung eines erfindungsgemäßen Multilevelkonverters ausgehend vom Stand der Technik eine Belastung der Schalter zu reduzieren.
5a zeigt ein Beispiel eines Moduls 30 eines Multilevelkonverters mit einer ersten Basiseinheit 32 mit einem hochseitigen Schalter 32a, der über eine positive Stromschiene 32c an einem Pluspol bzw. positiven Pol U1+ einer ersten Spannungsquelle U1 angeschlossen ist, und einem tiefseitigen Schalter 32b, der über eine negative Stromschiene 32d an einem Minuspol bzw. negativen Pol U1– der ersten Spannungsquelle U1 angeschlossen ist. Das Modul 30 umfasst eine zweite Basiseinheit 34 mit hochseitigen Schaltern 34a, die über eine positive Stromschiene 34c an einem Pluspol bzw. positiven Pol U2+ der zweiten Spannungsquelle U2 angeschlossen sind, und zwei tiefseitigen Schaltern 34b, die über eine negative Stromschiene 34d an einem Minuspol bzw. negativen Pol U2– der zweiten Spannungsquelle U2 angeschlossen sind. Eine dritte Basiseinheit 36 umfasst zwei hochseitige Schalter 36a, die über eine positive Stromschiene 36c an dem positiven Pol U1+ der ersten Spannungsquelle U1 angeschlossen sind, und tiefseitige Schalter 36b, die über eine negative Stromschiene 36d an dem negativen Pol U1– der ersten Spannungsquelle U1 angeschlossen sind. Eine dritte Basiseinheit 38 umfasst zwei hochseitige Schalter 38a, die über eine positive Stromschiene 38c an dem positiven Pol U2+ der zweiten Spannungsquelle U2 angeschlossen sind, und zwei tiefseitige Schalter 38b, die über eine negative Stromschiene 38d an einem negativen Pol U2– der zweiten Spannungsquelle U2 angeschlossen sind. Eine vierte Basiseinheit 40 des Moduls 30 umfasst einen hochseitigen Schalter 40a, der über eine positive Stromschiene 40c an dem positiven Pol U1+ der ersten Spannungsquelle U1 angeschlossen ist, und einen tiefseitigen Schalter 40b, der über eine negative Stromschiene 40d an dem negativen Pol U1– der ersten Spannungsquelle U1 angeschlossen ist.
Bei einem Betrieb des Moduls 30 fließt Strom entlang eines ersten Strompfads 31 von dem ersten hochseitigen Schalter 32a der ersten Basiseinheit 32 zu einem ersten tiefseitigen Schalter 34b (links) der zweiten Basiseinheit 34, entlang eines zweiten Strompfads 31 von einem zweiten tiefseitigen Schalter 34b (rechts) der zweiten Basiseinheit 34 zu einem ersten hochseitigen Schalter 36a (links) der dritten Basiseinheit 36. Außerdem fließt Strom entlang eines dritten Strompfads 31 von einem zweiten hochseitigen Schalter 36a (rechts) der dritten Basiseinheit 36 zu einem ersten tiefseitigen Schalter 38b (links) der zweiten Basiseinheit 38. Entlang eines vierten Strompfads 31 fließt Strom von einem zweiten tiefseitigen Schalter 38b (rechts) der dritten Basiseinheit 38 zu einem hochseitigen Schalter 40a der dritten Basiseinheit 40.
Ausgehend von dem in 5a gezeigten Modul 30 ist die in 5b gezeigte erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Moduls 42 für die erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Multilevelkonverters bereitzustellen, wobei hierzu an den negativen Stromschienen 32d, 34d, 36d, 38d, 40d Anschlüsse des negativen Pols U1– der ersten Spannungsquelle U1 mit Anschlüssen des negativen Pols U2– der zweiten Spannungsquelle U2 vertauscht werden.
Bei diesem Modul 42 des Multilevelkonverters ist der hochseitige Schalter 32a der ersten Basiseinheit 32 an dem positiven Pol U1+ der ersten Spannungsquelle U1 und der entsprechenden positiven Stromschiene 32c angeschlossen. Dagegen ist der tiefseitige Schalter 32b über die negative Stromschiene 32d an dem negativen Pol U2– der zweiten Spannungsquelle U2 angeschlossen. Bei der zweiten Basiseinheit 34 sind die hochseitigen Schalter 34a an dem positiven Pol U2+ der zweiten Spannungsquelle U2 und der entsprechenden positiven Stromschiene 34c angeschlossen, wohingegen die zwei tiefseitigen Schalter 34b an dem negativen Pol U1– der ersten Spannungsquelle U1 und der entsprechenden negativen Stromschiene 34d angeschlossen sind. In 5b sind bei der dritten Basiseinheit 36 die hochseitigen Schalter 36a an dem positiven Pol U1+ der ersten Spannungsquelle U1 und der entsprechenden positiven Stromschiene 36c angeschlossen. Die tiefseitigen Schalter 36b sind jedoch an dem negativen Pol U2– der zweiten Spannungsquelle U2 und der entsprechenden negativen Stromschiene 36d angeschlossen. Die zwei hochseitigen Schalter 38a der dritten Basiseinheit 38 sind an dem positiven Pol U2+ der zweiten Spannungsquelle U2 und der entsprechenden positiven Stromschiene 38c angeschlossen. Die beiden tiefseitigen Schalter 38b sind an dem negativen Pol U1– der ersten Spannungsquelle U1 und der entsprechenden negativen Stromschiene 38d angeschlossen. Der hochseitige Schalter 40a der vierten Basiseinheit 40 ist an dem positiven Pol U1+ der ersten Spannungsquelle U1 und der entsprechenden positiven Stromschiene 40c angeschlossen. Allerdings ist hier der tiefseitige Schalter 40b an dem negativen Pol U2– der zweiten Spannungsquelle U2 und der entsprechenden negativen Stromschiene 40d angeschlossen. In jeder Basiseinheit 32, 34, 36, 38, 40 bilden jeweils ein hochseitiger Schalter 32a, 34a, 38a, 40a und ein tiefseitiger Schalter 32b, 34b, 36b, 38b, 40b, die unmittelbar benachbart sind, jeweils eine Halbbrücke.
Bei einem Betrieb des Moduls 40 fließt Strom nunmehr entlang von verkürzten Strompfaden 33 innerhalb einer jeweiligen Basiseinheit 32, 36, 40, nämlich zwischen dem positiven Pol U1+ und dem negativen Pol U2– entlang eines ersten Strompfads 33 von dem hochseitigen Schalter 32a zu dem tiefseitigen Schalter 32b der ersten Basiseinheit 32. In der dritten Basiseinheit 36 erstreckt sich ausgehend von dem ersten hochseitigen Schalter 36a (links) ein zweiter Strompfad 33 zu dem ersten tiefseitigen Schalter 36b (links). Ein dritter Strompfad 33 verläuft ebenfalls innerhalb der dritten Basiseinheit 36 von dem zweiten hochseitigen Schalter 36a (rechts) zu dem zweiten tiefseitigen Schalter 36b (rechts). Dabei verbinden diese beiden Strompfade den positiven Pol U1+ mit dem negativen Pol U2–. Außerdem führt ein vierter Strompfads 33 in der fünften Basiseinheit 40 von dem hochseitigen Schalter 40a zu dem tiefseitigen Schalter 40b und verbindet ebenfalls den positiven Pol U1+ mit dem negativen Pol U2–.
Somit werden die langen, diagonalen Strompfade 31 (5a) durch kurze, direkte Strompfade 33 (5b) ersetzt.
6a zeigt in schematischer Darstellung ein Beispiel eines Moduls 44 eines Multilevelkonverters mit einer ersten Basiseinheit 46 mit hier vier hochseitigen Schaltern 46a, die über eine positive Stromschiene 46c an einem positiven Pol U1+ einer ersten Spannungsquelle U1 angeschlossen sind, und vier tiefseitigen Schaltern 46b, die über eine negative Stromschiene 46d an einem negativen Pol U1+ der ersten Spannungsquelle U1 angeschlossen sind. Das Modul 44 umfasst außerdem eine zweite Basiseinheit 48 mit vier hochseitigen Schaltern 48a, die über eine positive Stromschiene 48c an einem positiven Pol U2+ der zweiten Spannungsquelle U2 angeschlossen sind, und vier tiefseitige Schaltern 48b, die über eine negative Stromschiene 48d an einem negativen Pol U2– der zweiten Spannungsquelle U2 angeschlossen sind.
Bei einem Betrieb des Moduls 44 fließt Strom über Strompfade 50 von den hochseitigen Schaltern 46a der ersten Basiseinheit 46 zu den tiefseitigen Schalter 48b der zweiten Basiseinheit 48.
Ausgehend von dem in 6a gezeigten Modul 44 ist die in 6b gezeigte zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Moduls 52 für die zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Multilevelkonverters bereitzustellen, wobei hierzu Anschlüsse des negativen Pols U1– der ersten Spannungsquelle U1 mit Anschlüssen des negativen Pols U2– der zweiten Spannungsquelle U2 vertauscht werden.
Bei diesem Modul 52 des Multilevelkonverters sind die hochseitigen Schalter 46a der ersten Basiseinheit 46 an dem positiven Pol U1+ der ersten Spannungsquelle U1 über die positive Stromschiene 46c angeschlossen. Dagegen sind die tiefseitigen Schalter 46b an dem negativen Pol U2– der zweiten Spannungsquelle U2 über die negative Stromschiene 46d angeschlossen. Bei der zweiten Basiseinheit 48 sind die hochseitigen Schalter 48a an dem positiven Pol U2+ der zweiten Spannungsquelle U2 über die positive Stromschiene 48c angeschlossen, wohingegen die tiefseitigen Schalter 48b an dem negativen Pol U1– der ersten Spannungsquelle U1 über die negative Stromschiene 48d angeschlossen sind.
Außerdem bilden jeweils ein hochseitiger Schalter 46a, 48a und ein tiefseitiger Schalter 46b, 48b, die innerhalb einer Basiseinheit 46, 48 unmittelbar benachbart sind, eine Halbbrücke. Die Schalter 46a, 46b, 48a, 48b sind als Halbleiterschalter bspw. Transistoren oder IGBTs (Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode) ausgebildet.
Bei einem Betrieb des Moduls 52 fließt Strom nur entlang von vier verkürzten Strompfaden 53 innerhalb der ersten Basiseinheit 46 von einem hochseitigen Schalter 46a zu einem unmittelbar benachbarten tiefseitigen Schalter 46b, wobei jeweils ein Strompfad 53 zwischen beiden Schaltern 46a, 46b einer Halbbrücke der jeweiligen Basiseinheit 46 verläuft.
Durch Vertauschen der beiden negativen Pole U1– und U2– an den negativen Stromschienen 46d, 48d werden die langen, diagonalen Strompfade 50 (6a) vom positiven Pol U1+ der ersten Spannungsquelle U1 zum negativen Pol U2– der zweiten Spannungsquelle durch die deutlich kürzeren Strompfade 53 (6b) ersetzt. Bei dem Modul 52 werden lange diagonale Strompfade zwischen dem positiven Pol U1+ und dem negativen Pol U1– bzw. zwischen dem positiven Pol U2+ und dem negativen Pol U2–, und demnach Strompfade zwischen den beiden Basiseinheiten 46, 48 üblicherweise nicht auftreten, da dies einem Kurzschluss entspräche.
Die zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Moduls 52 aus 6b ist auch in 7a ohne Strompfade 53 gezeigt. Darauf basierend ist eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Moduls 54 für eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Multilevelkonverters bereitzustellen. Hierbei wird die erste Basiseinheit 46 in drei erste Basiseinheiten 46.1, 46.2, 46.3 aufgeteilt, wobei die hochseitigen Schalter 46a der drei ersten Basiseinheiten 46.1, 46.2, 46.3 über die positiven Stromschiene 46c mit dem positiven Pol U1+ der ersten Spannungsquelle U1 verbunden sind. Die tiefseitigen Schalter 46b der drei ersten Basiseinheiten 46.1, 46.2, 46.3 sind über die negativen Stromschienen 46d mit dem negativen Pol U2– der zweiten Spannungsquelle 42 verbunden. Die zweite Basiseinheit 48 wird in zwei zweite Basiseinheiten 48.1, 48.2 aufgeteilt. Dabei sind die hochseitigen Schalter 48a der zwei zweiten Basiseinheiten 48.1, 48.2 über die positiven Stromschienen 48c mit dem positiven Pol U2+ der zweiten Spannungsquelle und die tiefseitigen Schalter 48b der zwei zweiten Basiseinheiten 48.1, 48.2 über die negativen Stromschienen 48d mit dem negativen Pol U2– der zweiten Spannungsquelle verbunden.
Auf einer Platine des Moduls 54 sind die erste erste Basiseinheit 46.1, die erste zweite Basiseinheit 48.1, die zweite erste Basiseinheit 46.2, die zweite zweite Basiseinheit 48.2 und die dritte erste Basiseinheit 46.3 jeweils nebeneinander angeordnet. Diese Ausführungsform des Moduls 54 für den Multilevelkonverter entspricht vom Aufbau her und funktionell auch dem in 5b gezeigten Beispiel des Moduls 42 für die erste Ausführungsform des Multilevelkonverters, wobei Basiseinheit 32 Basiseinheit 46.1, Basiseinheit 34 Basiseinheit 48.1, Basiseinheit 36 Basiseinheit 46.2, Basiseinheit 38 Basiseinheit 48.2 und Basiseinheit 40 Basiseinheit 46.3 entspricht.
Somit wurden die ursprünglichen Basiseinheiten 46, 48 jeweils in einzelne Basiseinheiten 46.1, 46.2, 46.3, 48.1, 48.2 aufgeteilt, wodurch Strompfade zwischen den Schaltern 46a, 46b, 48a, 48b verkürzt und Magnetfelder, die bei Kommutierungen durch sich ändernde Ströme entstehen, reduziert werden. Die Aufteilung der ursprünglichen Basiseinheiten 46, 48 in jeweils einzelne Basiseinheiten 46.1, 46.2, 46.3, 48.1, 48.2 ist auch als Verflechtung der Schalter 46a, 46b, 48a, 48b der Halbbrücken ineinander zu bezeichnen.
Somit ist jeweils neben einem hochseitigen Schalter 46a einer ersten Basiseinheit 46.1, 46.2, 46.3, der an dem positiven Pol U1+ der ersten Spannungsquelle U1 angeschlossen ist, ein unmittelbar benachbarter hochseitiger Schalter 48a einer zweiten Basiseinheit 48.1, 48.2, der an dem positiven Pol U2+ der zweiten Spannungsquelle U2 angeschlossen ist, angeordnet. Außerdem ist jeweils neben einem tiefseitigen Schalter 46b einer ersten Basiseinheit 46.1, 46.2, 46.3, der an dem negativen Pol U2– der zweiten Spannungsquelle U2 angeschlossen ist, ein unmittelbar benachbarter tiefseitiger Schalter 48b einer zweiten Basiseinheit 48.1, 48.2, der an dem negativen Pol U1– der ersten Spannungsquelle U1 angeschlossen ist, angeordnet.
Die dritte Ausführungsform des Moduls 54 ist ebenfalls jeweils in einer der 8a, 8b, 8c, 8d in unterschiedlichen Kommutierungen bzw. Betriebszuständen schematisch dargestellt. Bei einer ersten Kommutierung (8a) verlaufen jeweils nur zwischen hochseitigen Schaltern 48a und tiefseitigen Schaltern 48b, die in den zweiten Basiseinheiten 48.1, 48.2 unmittelbar benachbart sind und eine Halbbrücke bilden, Strompfade 56. Bei einer zweiten Kommutierung (8b) verlaufen jeweils nur zwischen hochseitigen Schaltern 46a und tiefseitigen Schaltern 46b, die in den ersten Basiseinheiten 46.1, 46.2, 46.3 unmittelbar benachbart sind und jeweils eine Halbbrücke bilden, Strompfade 58. Bei einer dritten Kommutierung (8c) verlaufen Strompfade 60 zwischen einem hochseitigen Schalter 46a einer ersten Basiseinheit 46.1, 46.2, 46.3 und dem dazu unmittelbar benachbarten hochseitigen Schalter 48a einer unmittelbar benachbarten zweiten Basiseinheit 48.1, 48.2. Bei einer vierten Kommutierung (8d) verlaufen Strompfade 62 zwischen einem tiefseitigen Schalter 46b einer ersten Basiseinheit 46.1, 46.2, 46.3 und dem dazu unmittelbar benachbarten tiefseitigen Schalter 48b einer unmittelbar benachbarten zweiten Basiseinheit 48.1, 48.2.
Somit erstrecken sich bei allen dargestellten Kommutierungen Strompfade 56, 58, 60, 62 zwischen zwei unmittelbar benachbarten Schaltern 46a, 46b, 48a, 48b einer jeweiligen Halbbrücke. Bei den beiden ersten Kommutierungen aus den 8a und 8b verlaufen die Strompfade 56, 58 jeweils innerhalb einer Basiseinheit 46.1, 46.2, 46.3, 48.1, 48.2 zwischen einem hochseitigen und einem tiefseitigen Schalter 46a, 46b, 48a, 48b. Bei der dritten und vierten Kommutierung aus den 8c und 8d verlaufen die Strompfade 60, 62 zwischen zwei unmittelbar benachbarten Basiseinheiten 46.1, 46.2, 46.3, 48.1, 48.2 entweder zwischen unmittelbar benachbarten hochseitigen Schaltern 46a, 48a oder zwischen zwei unmittelbar benachbarten tiefseitigen Schaltern 46b, 48b. Wie durch die Doppelpfeile zwischen den 8a, 8b, 8c, 8d angedeutet, ist es möglich, zwischen jeweils zwei Kommutierungen beliebig zu schalten. Bei einem Schalten zwischen zwei Kommutierungen erfahren sämtliche Schalter 46a, 46b, 48a, 48b dieselbe Induktivität.
Das bereits anhand von 6b vorgestellte Modul 52 ist weiterhin auch in 9 schematisch dargestellt. Außerdem wird nochmals auf 2b verwiesen, in der Strompfade zwischen einzelnen Schaltern 19a, 19b, 19c, 19d durch Doppelpfeile angedeutet sind. Dagegen sind bei dem in 9 dargestellten Modul 52 der zweiten Ausführungsform des Multilevelkonverters negative Stromschienen und somit Verbindungen zu den beiden negativen Polen U1– und U2– zwischen den beiden Basiseinheiten 46, 48 vertauscht. Hierdurch sind die in 9 durch Doppelpfeile angedeuteten verkürzten Strompfade bereitzustellen. Dabei sinkt mit Verkürzung der Strompfade auch ein Wert von Magnetfeldern, die beim Umschalten induziert werden.
In 10 ist das Beispiel des Moduls 42 für die erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Multilevelkonverters aus 5b nochmals dargestellt. Dabei zeigt 10, dass zwischen jeweils einem hochseitigen Schalter 32a, 34a, 36a, 38a, 40a und dem unmittelbar benachbarten tiefseitigen Schalter 32b, 34b, 36b, 38b, 40b, die jeweils eine Halbbrücke einer Basiseinheit 32, 34, 36, 38, 40 bilden, ein Strompfad 33 direkt verläuft. Aufgrund der Verflechtung und/oder Vertauschung der negativen Pole U1–, U2– ergeben sich beim Umschalten nur geringe aufgespannte Flächen 60 mit geringer Induktivität. Insgesamt verläuft bei allen möglichen Schaltvarianten bzw. Kommutierungen ein Strompfad 33 zwischen zwei unmittelbar benachbarten Schaltern 32a, 32b, 34a, 34b, 36a, 36b, 38a, 38b, 40a, 40b einer Halbbrücke, d. h. zwischen jeweils einem hochseitigen Schalter 32a, 34a, 36a, 38a, 40a und einen tiefseitigen Schalter 32b, 34b, 36b, 38b, 40b. Hierdurch wird eine zeitliche Änderung der Flächen 60 der Strompfade 33 minimiert. Außerdem sind sämtliche Strompfade 33 für sämtliche miteinander verbundene Schalter 32a, 32b, 34a, 34b, 36a, 36b, 38a, 38b, 40a, 40b, die als MOSFETs ausgebildet sind, gleich lang, wodurch sämtliche Schalter 32a, 32b, 34a, 34b, 36a, 36b, 38a, 38b, 40a, 40b beim Umschalten induktiv gleich belastet werden. Weiterhin sind sämtliche Strompfade 33 gleich lang und weisen im Unterschied zum Stand der Technik nicht unterschiedliche Längen auf, weshalb sämtliche Schalter 32a, 32b, 34a, 34b, 36a, 36b, 38a, 38b, 40a, 40b beim Schalten gleichartig belastet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 20130033912 A1 [0003]
US 20150009734 A1 [0004]
US 20150280474 A1 [0005]
US 20150372611 A1 [0006]
WO 2015/131931 A1 [0007]

Claims

Modul, das als Komponente eines Multilevelkonverters ausgebildet ist und mehrere Basiseinheiten (32, 34, 36, 38, 40, 46, 46.1, 46.2, 46.3, 48, 48.1, 48.2) sowie elektrische Energiequellen aufweist, wobei jede Basiseinheit (32, 34, 36, 38, 40, 46, 46.1, 46.2, 46.3, 48, 48.1, 48.2) mindestens eine Halbbrücke aufweist, wobei die mindestens eine Halbbrücke mindestens einen hochseitigen Schalter (32a, 34a, 36a, 38a, 40a, 46a, 48a) und mindestens einen tiefseitigen Schalter (32b, 34b, 36b, 38b, 40b, 46b, 48b) umfasst, wobei für zwei Basiseinheiten (32, 34, 36, 38, 40, 46, 46.1, 46.2, 46.3, 48, 48.1, 48.2), die innerhalb des Moduls unmittelbar nebeneinander benachbart angeordnet sind, vorgesehen ist, dass bei einer ersten Basiseinheit (32, 34, 36, 38, 40, 46, 46.1, 46.2, 46.3, 48, 48.1, 48.2) der zwei Basiseinheiten (32, 34, 36, 38, 40, 46, 46.1, 46.2, 46.3, 48, 48.1, 48.2) der mindestens eine hochseitige Schalter (32a, 34a, 36a, 38a, 40a, 46a, 48a) mit einem positiven Pol einer ersten Energiequelle und der mindestens eine tiefseitige Schalter (32b, 34b, 36b, 38b, 40b, 46b, 48b) mit einem negativen Pol einer zweiten Energiequelle verbunden ist, wobei bei einer zweiten Basiseinheit (32, 34, 36, 38, 40, 46, 46.1, 46.2, 46.3, 48, 48.1, 48.2) der zwei Basiseinheiten (32, 34, 36, 38, 40, 46, 46.1, 46.2, 46.3, 48, 48.1, 48.2) der mindestens eine hochseitige Schalter (32a, 34a, 36a, 38a, 40a, 46a, 48a) mit einem positiven Pol der zweiten Energiequelle und der mindestens eine tiefseitige Schalter (32b, 34b, 36b, 38b, 40b, 46b, 48b) mit einem negativen Pol der ersten Energiequelle verbunden ist, wobei Strom zwischen zwei Polen über mindestens einen Strompfad (33, 53, 56, 58, 60, 62) zu transportieren ist.
Modul nach Anspruch 1, bei dem der mindestens eine Strompfad (33, 53, 56, 58, 60, 62) zwischen mindestens zwei unmittelbar benachbarten Schaltern (32a, 32b, 34a, 34b, 36a, 36b, 38a, 38b, 40a, 40b, 46a, 46b, 48a, 48b) zu schalten ist.
Modul nach Anspruch 1 oder 2, bei dem mindestens ein Schalter (32a, 32b, 34a, 34b, 36a, 36b, 38a, 38b, 40a, 40b, 46a, 46b, 48a, 48b) der mindestens einen Halbbrücke als Halbleiterschalter ausgebildet ist.
Modul nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem jede Basiseinheit (32, 34, 36, 38, 40, 46, 46.1, 46.2, 46.3, 48, 48.1, 48.2) eine positive Stromschiene (32c, 34c, 36c, 38c, 40c, 46c, 48c) und eine negative Stromschiene (32d, 34d, 36d, 38d, 40d, 46d, 48d) umfasst, wobei der mindestens eine hochseitige Schalter (32a, 34a, 36a, 38a, 40a, 46a, 48a) der mindestens einen Halbbrücken mit der positiven Stromschiene (32c, 34c, 36c, 38c, 40c, 46c, 48c) und der mindestens eine tiefseitige Schalter (32b, 34b, 36b, 38b, 40b, 46b, 48b) der mindestens einen Halbbrücken mit der negativen Stromschiene (32d, 34d, 36d, 38d, 40d, 46d, 48d) verbunden ist.
Modul nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem mindestens eine elektrische Energiequelle als Spannungsquelle ausgebildet ist.
Modul nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem die Basiseinheiten (32, 34, 36, 38, 40, 46, 46.1, 46.2, 46.3, 48, 48.1, 48.2) auf einer Platine angeordnet sind.
Multilevelkonverter, der mehrere Module (42, 52, 54) aufweist, wobei jedes Modul (42, 52, 54) mehrere Basiseinheiten (32, 34, 36, 38, 40, 46, 46.1, 46.2, 46.3, 48, 48.1, 48.2) sowie elektrische Energiequellen aufweist, wobei jede Basiseinheit (32, 34, 36, 38, 40, 46, 46.1, 46.2, 46.3, 48, 48.1, 48.2) mindestens eine Halbbrücke aufweist, wobei die mindestens eine Halbbrücke mindestens einen hochseitigen Schalter (32a, 34a, 36a, 38a, 40a, 46a, 48a) und mindestens einen tiefseitigen Schalter (32b, 34b, 36b, 38b, 40b, 46b, 48b) umfasst, wobei für zwei Basiseinheiten (32, 34, 36, 38, 40, 46, 46.1, 46.2, 46.3, 48, 48.1, 48.2), die innerhalb des Moduls (42, 52, 54) unmittelbar nebeneinander benachbart angeordnet sind, vorgesehen ist, dass bei einer ersten Basiseinheit (32, 34, 36, 38, 40, 46, 46.1, 46.2, 46.3, 48, 48.1, 48.2) der zwei Basiseinheiten (32, 34, 36, 38, 40, 46, 46.1, 46.2, 46.3, 48, 48.1, 48.2) der mindestens eine hochseitige Schalter (32a, 34a, 36a, 38a, 40a, 46a, 48a) mit einem positiven Pol einer ersten Energiequelle und der mindestens eine tiefseitige Schalter (32a, 34a, 36a, 38a, 40a, 46a, 48a) mit einem negativen Pol einer zweiten Energiequelle verbunden ist, wobei bei einer zweiten Basiseinheit (32, 34, 36, 38, 40, 46, 46.1, 46.2, 46.3, 48, 48.1, 48.2) der zwei Basiseinheiten (32, 34, 36, 38, 40, 46, 46.1, 46.2, 46.3, 48, 48.1, 48.2) der mindestens eine hochseitige Schalter (32a, 34a, 36a, 38a, 40a, 46a, 48a) mit einem positiven Pol der zweiten Energiequelle und der mindestens eine tiefseitige Schalter (32a, 34a, 36a, 38a, 40a, 46a, 48a) mit einem negativen Pol der ersten Energiequelle verbunden ist, wobei Strom zwischen zwei Polen über mindestens einen Strompfad (33, 53, 56, 58, 60, 62) zu transportieren ist.
Multilevelkonverter nach Anspruch 7, bei dem sämtliche Module (42, 52, 54) gleich ausgebildet sind.
Multilevelkonverter nach einem der Ansprüche 7 oder 8, der als Energiequelle für eine elektrische Maschine ausgebildet ist.
Multilevelkonverter nach einem der Ansprüche 7 bis 9, der in einem elektrischen Energienetzwerk eines Kraftfahrzeugs angeordnet ist.
Verfahren zum Betreiben eines Multilevelkonverters, der als Komponenten mehrere Module (42, 52, 54) aufweist, wobei jedes Modul (42, 52, 54) mehrere Basiseinheiten (32, 34, 36, 38, 40, 46, 46.1, 46.2, 46.3, 48, 48.1, 48.2) sowie elektrische Energiequellen aufweist, wobei jede Basiseinheit (32, 34, 36, 38, 40, 46, 46.1, 46.2, 46.3, 48, 48.1, 48.2) mindestens eine Halbbrücke aufweist, wobei die mindestens eine Halbbrücke mindestens einen hochseitigen Schalter (32a, 34a, 36a, 38a, 40a, 46a, 48a) und mindestens einen tiefseitigen Schalter (32a, 34a, 36a, 38a, 40a, 46a, 48a) umfasst, wobei für zwei Basiseinheiten (32, 34, 36, 38, 40, 46, 46.1, 46.2, 46.3, 48, 48.1, 48.2), die innerhalb des Moduls (42, 52, 54) unmittelbar nebeneinander benachbart angeordnet sind, vorgesehen wird, dass bei einer ersten Basiseinheit (32, 34, 36, 38, 40, 46, 46.1, 46.2, 46.3, 48, 48.1, 48.2) der zwei Basiseinheiten (32, 34, 36, 38, 40, 46, 46.1, 46.2, 46.3, 48, 48.1, 48.2) der mindestens eine hochseitige Schalter (32a, 34a, 36a, 38a, 40a, 46a, 48a) mit einem positiven Pol einer ersten Energiequelle und der mindestens eine tiefseitige Schalter (32a, 34a, 36a, 38a, 40a, 46a, 48a) mit einem negativen Pol einer zweiten Energiequelle verbunden wird, und wobei bei einer zweiten Basiseinheit (32, 34, 36, 38, 40, 46, 46.1, 46.2, 46.3, 48, 48.1, 48.2) der zwei Basiseinheiten (32, 34, 36, 38, 40, 46, 46.1, 46.2, 46.3, 48, 48.1, 48.2) der mindestens eine hochseitige Schalter (32a, 34a, 36a, 38a, 40a, 46a, 48a) mit einem positiven Pol der zweiten Energiequelle und der mindestens eine tiefseitige Schalter (32a, 34a, 36a, 38a, 40a, 46a, 48a) mit einem negativen Pol der ersten Energiequelle verbunden wird, wobei Strom zwischen zwei Polen über mindestens einen Strompfad (32a, 34a, 36a, 38a, 40a, 46a, 48a) transportiert wird.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem der mindestens eine Strompfad (32a, 34a, 36a, 38a, 40a, 46a, 48a) zum Transportieren von Strom direkt zwischen dem mindestens einen hochseitigen Schalter (32a, 34a, 36a, 38a, 40a, 46a, 48a) und dem mindestens einen tiefseitigen Schalter (32a, 34a, 36a, 38a, 40a, 46a, 48a) der mindestens einen Halbbrücke geschaltet wird.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, bei dem der mindestens eine Strompfad (32a, 34a, 36a, 38a, 40a, 46a, 48a) zum Transportieren von Strom direkt zwischen einem Schalter (32a, 32b, 34a, 34b, 36a, 36b, 38a, 38b, 40a, 40b, 46a, 46b, 48a, 48b) der ersten Basiseinheit (32, 34, 36, 38, 40, 46, 46.1, 46.2, 46.3, 48, 48.1, 48.2) und einem Schalter (32a, 32b, 34a, 34b, 36a, 36b, 38a, 38b, 40a, 40b, 46a, 46b, 48a, 48b) der zweiten Basiseinheit (32, 34, 36, 38, 40, 46, 46.1, 46.2, 46.3, 48, 48.1, 48.2) geschaltet wird, die unmittelbar benachbart nebeneinander angeordnet sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, bei dem von jedem Modul (42, 52, 54) eine Ausgangsspannung bereitgestellt wird, wobei mindestens zwei Module (42, 52, 54) zueinander in Reihe und/oder zueinander parallel geschaltet werden, wobei aus den Ausgangsspannungen der zueinander parallel und/oder in Reihe geschalteten Module (42, 52, 54) für den Multilevelkonverter eine resultierende Ausgangsspannung bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, bei dem Strom durch mindestens einen ersten Strompfad (32a, 34a, 36a, 38a, 40a, 46a, 48a) transportiert wird, wobei bei einer Kommutierung eines jeweiligen Moduls (42, 52, 54) der mindestens eine erste Strompfad (32a, 34a, 36a, 38a, 40a, 46a, 48a) deaktiviert und mindestens ein zweiter Strompfad (32a, 34a, 36a, 38a, 40a, 46a, 48a) aktiviert wird, wobei der Strom nach der Kommutierung durch den mindestens einen zweiten Strompfad (32a, 34a, 36a, 38a, 40a, 46a, 48a) transportiert wird.