DE102019112823A1

DE102019112823A1 - Verfahren zur Bereitstellung eines Präzisionsmultilevelkonverters

Info

Publication number: DE102019112823A1
Application number: DE102019112823.4A
Authority: DE
Inventors: Stefan Götz
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2019-05-16
Filing date: 2019-05-16
Publication date: 2020-11-19

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bereitstellung eines Präzisionsmultilevelkonverters, welcher dazu konfiguriert wird, eine Gesamtausgangsspannung in einem Hochvoltsystem auszugeben, wobei der Präzisionsmultilevelkonverter durch einen modularen Multilevelkonverter mit serieller und paralleler Konnektivität realisiert wird, wobei der modulare Multilevelkonverter von einer Mehrzahl an Modulen gebildet wird, wobei ein jeweiliges Modul zwei Eingänge und zwei Ausgänge, mindestens vier Leistungstransistoren und mindestens einen Energiespeicher aufweist, wobei die Module in mindestens einem zweiadrigen Strang angeordnet werden, wobei bei mindestens einem Modul des mindestens einen Strangs die Leistungstransistoren einen Strom entweder sperren oder durchleiten und damit ein Digital-Modul gebildet wird, wobei bei mindestens einem weiteren Modul des mindestens einen Strangs die Leistungstransistoren resistiv betrieben werden und dadurch ein Analog-Modul gebildet wird, wobei das mindestens eine pro Strang angeordnete Digital-Modul eine quantisierte Spannungsstufe bildet und das mindestens eine pro Strang angeordnete Analog-Modul eine verbleibende Differenzspannung zu einer Referenzspannung nachbildet. Ferner wird das Präzisionsmultilevelkonverter und ein Hochvoltsystem beansprucht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bereitstellung eines Präzisionsmultilevelkonverters, welches digitale und analoge Module in Strängen kombiniert. Ferner wird der durch das Verfahren bereitgestellte Präzisionsmultilevelkonverter beansprucht.
Ein Wechselstrommotor, wie bspw. als Traktionsmotor in einem Elektrofahrzeug verwendet, benötigt mindestens einen Umrichter, der die Gleichspannung einer Gleichspannungsquelle, bspw. einer Batterie, in eine Wechselspannung umwandelt. Konventionelle Umrichter verwenden sogenannte Brückenschaltungen, d. h. Schaltungen, die die Ausgangsklemmen abwechselnd mit dem positiven und negativen Pol (seltener auch einer Null-Stellung) der Gleichspannungsquelle verbinden und dabei die Verweildauer in jedem Zustand so wählen, dass im zeitlichen Mittel eine gewünschte Wechselspannung entsteht (sogenannte Pulsweitenmodulation oder auch andere Schaltmodulationsmethoden). Nachteilig ist dabei eine sehr schlechte Spannungsqualität und Verzerrung. Auch EMV-Probleme, d. h. elektromagnetische Störungen durch Einstrahlungen in elektrische Bauelemente, und Energieverluste treten zu Tage.
Weiter problematisch ist, dass ein gewünschtes kontinuierliches Spannungs- oder Stromprofil durch eine quantisierte Nachbildung mit Spannungsstufen nie erreicht wird. Stattdessen wird lediglich ein im zeitlichen Mittel ähnlicher Verlauf erzeugt. Eine unvermeidliche Abweichung wird meist als eine Verzerrung bezeichnet und oft im Frequenzbereich ermittelt (als Verzerrungsspektrum), da viele Modulationsarten, also Formen zur Quantisierung eines kontinuierlichen Verlaufes, sogar regelmäßige Schaltmuster verwenden und deshalb harmonische Anteile im Verzerrungsspektrum zeigen.
Für diverse leistungselektronische Anwendungen ist jedoch eine derartige Verzerrung durch geschaltete Leistungselektroniken nicht akzeptabel. So werden bspw. elektrische Maschinen bzw. Motoren für Antriebe und andere Anwendungen auf Prüfständen meist zwingend mit einer Leistungselektronik, die einen Inverter bildet, auf Prüfständen getestet. Bei unerwartetem oder auch nur anderweitig nicht zufriedenstellendem Verhalten kann jedoch bei einer Testung der elektrischen Maschine mit dem Inverter nicht die Quelle des Verhaltens identifiziert werden, wenn die verwendete Leistungselektronik Verzerrungen und insbesondere Schaltharmonische aufweist. Zwar tragen Verzerrungen in Strom oder Spannung meist nicht zu einer Wirkleistung bei, sie erzeugen aber Blindströme, welche neben den erwartbaren Ohm'schen Verlusten in der Maschine zusätzliche Hochfrequenzeffekte in der Wicklung, im Eisen und in Permanentmagneten hervorrufen können. Aufgrund der Nichtlinearität diverser Effekte, kann die Verzerrung zu deutlich anderem Verhalten führen, die Verluste überproportional erhöhen oder Bauteile (bspw. Magnete), die dem jeweiligen Maschinendesign nach eine geringe thermische Belastung erfahren sollten, über Gebühr erhitzen. Zur Identifikation von Leistungsverlusten in elektrischen Maschinen werden daher ideale, verzerrungsfreie Inverter benötigt, welche mit dem jetzigen Stand der Technik nicht zur Verfügung stehen.
Ferner sollte ein Testinverter erlauben, auch beliebig andere Inverter zu emulieren und bspw. deren Verzerrungen (meist bereits bei 5-15 kHz beginnend) nachzubilden, um das unterschiedliche Verhalten der Maschine in Kombination mit mehreren unterschiedlichen Inverter-Kandidaten zu testen. Weitere Anwendungsgebiete für verzerrungsfreie Inverter sind Lautsprechertreiberschaltungen sowie Leistungsquellen für Materialprüfungs- und Gerätetestsysteme sowie einige wissenschaftliche Quellen.
Der Stand der Technik stellt eine Vielzahl von Universal- oder Idealinverter bereit, bspw. Multilevelkonverter mit einer hohen Zahl an Spannungsniveaus und hohen Schaltgeschwindigkeiten, mehrphasigen Invertern und schnellschaltenden Invertern mit nachgeschalteten Tiefpassfiltern. Einerseits erzeugen entsprechende Schaltungen weiterhin Verzerrungen, auch wenn diese verringert sind, andererseits führen Filter zu erhöhten Verlusten und/oder Phasenverschiebungen in Ausgangsstrom und/oder - spannung.
Ein solcher Multilevelkonverter ist der von R. Marquardt bspw. in der Druckschrift US 2018/0109202 offenbarte modulare Multilevelkonverter, auch als MMC oder M2C abgekürzt bezeichnet. Die dort implementierte sogenannte Marquardt-Makrotopologie verwendet einer jeweiligen Wechselstromphase zugewiesene Stränge, welche mindestens zwei Module aufweisen und streng genommen nur eine Spannungspolarität darstellen müssen. Allerdings weist auch ein solcher modularer Multilevelkonverter deutliche Verzerrungen, also Abweichungen vom gewünschten Referenzsignal (bspw. eines Spannungs- oder Stromverlaufs), welches zumeist als eine Referenzspannung vorliegt, auf.
Typische Schaltungen der Leistungselektronik verwenden Halbleiter nahezu ausschließlich als Schalter und vermeiden den verlustbehafteten resistiven bzw. linearen Betrieb. Sie erzeugen lediglich quantisierte Ausgangsspannungen (in stromgesteuerten Schaltungen, typischerweise mit Thyristoren, bspw. in Bahnantrieben entsprechend des Stromes). Zwischenlevel werden im zeitlichen Mittel durch schnelles Umschalten (Schaltmodulation, switch-mode power supplies als englisches Schlagwort) zwischen benachbarten Leveln erzeugt.
Darauf aufbauend, können im voranstehend erwähnten modularen Multilevelkonverter, wie in der Druckschrift EP 2 928 055 A1 beschrieben, durch einzelne linear betriebene Module Abweichungen zwischen den quantisierten Stufen und der Referenzspannung reduziert werden. Jedoch sind die dort implementierten Module auf eine serielle Verschaltung beschränkt.
Letztere Beschränkung überwindet ein MMSPC, abgekürzt für modularer Multilevelkonverter mit serieller und paralleler Modulkonnektivität, der bspw. beschrieben ist in „Goetz, S.M.; Peterchev, A.V.; Weyh, T., „Modular Multilevel Converter With Series and Parallel Module Connectivity: Topology and Control," Power Electronics, IEEE Transactions on, vol.30, no.1, pp.203,215, 2015. doi: 10.1109/TPEL.2014.2310225.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Bereitstellung eines Präzisionsmultilevelkonverters zur Verfügung zu stellen, bei dem Verzerrungen zur Referenzspannung vermieden sind. Es soll mit hoher Präzision sowohl eine gewünschte Wechselspannung wie auch eine Gleichspannung erzeugt werden können, welche sich mit hoher Leistung in einem weiten Frequenzbereich erstrecken sollen. Ferner soll ein durch das Verfahren bereitgestellter Präzisionsmultilevelkonverter vorgestellt werden.
Zur Lösung der voranstehend genannten Aufgabe wird ein Verfahren zur Bereitstellung eines Präzisionsmultilevelkonverters vorgeschlagen, wobei der Präzisionsmultilevelkonverter dazu konfiguriert wird, eine Gesamtausgangsspannung in einem Hochvoltsystem auszugeben. Der Präzisionsmultilevelkonverter wird durch einen modularen Multilevelkonverter mit serieller und paralleler Konnektivität realisiert, wobei der modulare Multilevelkonverter von einer Mehrzahl an Modulen gebildet wird. Ein jeweiliges Modul weist zwei Eingänge und zwei Ausgänge, mindestens vier Leistungstransistoren und mindestens einen Energiespeicher auf. Durch die mindestens vier Leistungstransistoren wird der mindestens eine Energiespeicher eines jeweiligen Moduls entweder seriell-plus oder seriell-minus oder parallel oder überhaupt nicht elektrisch mit mindestens einem Energiespeicher eines unmittelbar benachbarten Moduls verschaltet. Die Module werden in mindestens einem zweiadrigen Strang angeordnet, wobei die jeweiligen Stränge an ihrem ersten zweiadrigen Ende einen jeweiligen gemeinsamen Anschluss bilden. Diese jeweiligen gemeinsamen Anschlüsse können entweder zu einem gemeinsamen Neutralpunkt oder einem doppelten Neutralpunkt verschaltet werden. An ihrem jeweiligen zweiten Ende der jeweiligen Stränge bilden diese einen jeweiligen Pol der Gesamtausgangsspannung. Bei mindestens einem Modul des mindestens einen Strangs, bei dem die Leistungstransistoren einen Strom entweder sperren oder durchleiten, wird damit ein Digital-Modul gebildet. Bei mindestens einem weiteren Modul des mindestens einen Strangs, bei dem die Leistungstransistoren resistiv betrieben werden, wird dadurch ein Analog-Modul gebildet. Das mindestens eine pro Strang angeordnete digitale Modul bildet eine quantisierte Spannungsstufe und das mindestens eine pro Strang angeordnete analoge Modul bildet eine verbleibende Differenz zu einer Referenzspannung nach.
Ein modularer Multilevelkonverter mit serieller und paralleler Konnektivität, abgekürzt mit MMSPC und bspw. beschrieben in der Druckschrift DE 10 2015 112 512 A1 , unterscheidet sich z. B. von einem konventionellen modularen Multilevelkonverter dadurch, dass ein zusätzlicher Parallel-Zustand existiert. Ein MMSPC kann in einem Strang eine nahezu beliebige elektrische seriell-parallele Schaltungskonfiguration von modulintegrierten Energiespeichern erzeugen und diese dynamisch ändern. Der mindestens eine Energiespeicher des jeweiligen Moduls ist dabei seriell-plus verschaltet, wenn er sich im jeweiligen Modul in Reihe mit einer Durchleitung des Stroms befindet und eine Ausgangsspannung des jeweiligen Moduls gegenüber einer Eingangsspannung erhöht. Er ist seriell-minus verschaltet, wenn er sich im jeweiligen Modul in Reihe mit der Durchleitung des Stroms befindet und die Ausgangsspannung des jeweiligen Moduls gegenüber der Eingangsspannung erniedrigt. Der mindestens eine Energiespeicher des jeweiligen Moduls ist parallel verschaltet, wenn er sich im jeweiligen Modul parallel zur Durchleitung des Stroms befindet. Schließlich steht zumeist auch ein Umgehungszustand, auch als ein Bypass bezeichnet, zur Verfügung, um den mindestens einen Energiespeicher eines Moduls zu umgehen. Je nach Ausführungsform erlaubt dieser Umgehungszustand auch eine Polaritätsumkehrung zwischen den beiden Eingängen und den beiden Ausgängen.
Während das mindestens eine Digital-Modul in dem jeweiligen Strang als eine Digital-Ausgangsspannung quasi einen Sockel erzeugt - bspw. die einer durch die Referenzspannung geforderten Strangspannung nächste quantisierte, also mit einer Gesamtheit der in einem jeweiligen Strang angeordneten Digital-Module erzeugbare Spannungsstufe - muss das Analog-Modul lediglich die (positive oder negative) Differenz zwischen der quantisierten Digital-Ausgangsspannung und der gewünschten Referenzspannung erzeugen. Hierdurch sind vorteilhaft deutlich niedrigere Verluste als mit einem konventionellen Verstärker möglich. Das mindestens eine Analog-Modul stellt damit eine Art Korrekturstufe zu der durch das mindestens eine Digital-Modul gebildeten quantisierten Spannungsstufe dar, welche nur grob der Referenzspannung nahekommt. Die Lösung baut daher auf das Konzept des Multilevelkonverters bzw. eines Multilevelinverters auf, um eine Verzerrung zu verringern, und ergänzt es um eine Korrekturstufe, um diese verringerten Verzerrungen zu eliminieren.
Verfügt der durch das erfindungsgemäße Verfahren bereitgestellte Präzisionsmultilevelkonverter bspw. in einem jeweiligen Strang über N Digital-Module und M Analog-Module, wobei N und M jeweils ganze positive Zahlen bezeichnen, so können dynamisch 2N+1 Spannungsstufen als Digital-Ausgangsspannung realisiert werden. Die M Analog-Module bilden als linear steuer- und regelbare Korrekturstufe die jeweilig verbleibende Differenzspannung zur Referenzspannung. Generell kann eine Anzahl an Modulen pro Strang auch variieren. Auch ist denkbar, unterschiedliche Module zu kombinieren oder einen jeweiligen Leistungstransistor einerseits digital oder andererseits im linearen Bereich zu betreiben.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird durch den jeweiligen Pol eines Strangs eine Phase einer Wechselspannung gebildet.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird durch parallele Verschaltung einzelner Module in einem Strang eine einstellbare Gleichspannung ausgegeben. Die Einstellung einer Spannungshöhe der Gleichspannung erfolgt durch die Referenzspannung. Aufgrund der Möglichkeit zur Parallelverschaltung des mindestens einen Energiespeichers des jeweiligen Moduls kann diese Ausführungsform sogar Gleichspannung und/oder Gleichstrom ausgeben.
In einer noch weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als jeweiliger Energiespeicher ein Kondensator gewählt.
In einer fortgesetzt weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der jeweilige Kondensator des jeweiligen Digital-Moduls des mindestens einen Strangs entweder durch eine Parallelschaltung mit geladenen Kondensatoren benachbarter Module des mindestens einen Strangs oder durch eine Serienschaltung aller Kondensatoren der Module des mindestens einen Strangs nachgeladen.
Der parallele Modus, bspw. auch zwischen Digital-Modul und Analog-Modulen, erlaubt Ladungstransport von Modul zu Modul. Insbesondere kann auf diese Weise Ladung von den Digital-Modulen zu dem Analog-Modul oder den Analog-Modulen transportiert werden, da die Analog-Module aufgrund deren größeren Verlusten (aufgrund von Widerstandsbetrieb von Halbleitern, die entsprechend Spannungsdifferenzen erzeugen, um die gewünschte Ausgangsspannung oder -strom zu erreichen) auch deutlich schneller entladen werden und zusätzliche Energie benötigen.
Der Energiespeicher des mindestens einen Analog-Moduls entlädt sich aufgrund der hohen Verluste im Widerstandsbetrieb deutlich schneller als der Energiespeicher eines Digital-Moduls und muss entsprechend mit Energie versorgt werden. Der Kondensator des mindestens einen Analog-Moduls kann ebenso wie das jeweilige Digital-Modul über den Laststrom durch den jeweiligen Strang als auch durch regelmäßige Parallelverschaltung mit geladenen Nachbarmodulen nachgeladen werden. Für einen hohen Ladedurchsatz erfolgt die Parallelladung vorzugsweise mit vollständig durchgeschalteten Leistungstransistoren auf der Parallelseite. Die Nachladung aus dem Laststrom durch den Strang erfolgt in Serienschaltung.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden von mindestens einem Modul des modularen Multilevelkonverters acht Leistungstransistoren umfasst.
In einer noch weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird mindestens ein Leistungstransistor in mindestens einem Digital-Modul durch einen MOSFET gebildet.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird mindestens ein Leistungstransistor in mindestens einem Analog-Modul durch einen Bipolar-Transistor oder einen Feld-Effekt-Transistor gebildet. Beide Transistor-Typen weisen einen weiten Widerstandsbetrieb auf. Aus ihrem jeweiligen Einsatz in Verstärker-Schaltungen werden sie auch als Verstärker-Bipolar-Transistor oder Verstärker-Feld-Effekt-Transistor bezeichnet.
Die Leistungstransistoren werden bspw. in Komplementärstufen betrieben, vorzugsweise aufgebaut aus einem High-Side-n-Kanal-Transistor oder einem High-Side-npn-Transistor und einem Low-Side-p-Kanal-Transistor oder einem Low-Side-pnp-Transistor, bei der beide Transistoren überwiegend beide im Widerstandsmodus betrieben werden und die Spannung des die beiden Transistoren verbindenden elektrischen Knotens überwiegend im Bereich zwischen 1/5 und 4/5 zwischen der unteren und der oberen Versorgungsspannung der Brücke liegt. Solche Treiber können bspw. ebenso Operationsverstärker (die nach einer eingangsseitigen Differenzstufe oft selbst eine komplementäre Ausgangsstufe verwenden) umfassen.
Dies ist im Gegensatz zu einer bei binär schaltenden Gate-Treibern üblichen Halbbrückenausgangsstufe, entweder bestehend aus zwei in Serie geschalteten n-Kanal-Transistoren oder npn-Transistoren (angesteuert durch komplementäre binäre Steuerspannungen oder Steuerströme) oder bestehend aus einem Low-Side-n-Kanal- oder Low-Side-npn-Transistor und einem High-Side-p-Kanal- oder High-Side-pnp-Transistor, wobei sowohl Low- als auch High-Side-Transistoren um lediglich die Schwellenspannung (oder das Doppelte dieser) verschobenen Steuerspannung angesteuert werden, wodurch abwechselnd nur einer der beiden Transistoren (mit maximaler Leitfähigkeit) leitend geschaltet ist, während der andere sperrt.
In einer noch weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in einer jeweiligen Topologie ein jeweiliges Modul als ein Zweiquadrantenmodul oder als ein Vierquadrantenmodul ausgeführt. Diese Ausführungsform wird in 2 weiter erläutert.
Die aus der gemeinsamen Anordnung von mindestens einem Digital-Modul und mindestens einem Analog-Modul entstehenden Stränge können in diversen Makrotopologien des MMSPC kombiniert werden. So wird in einer noch weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Mehrzahl von Strängen in einer sogenannten Marquardt-Makrotopologie als Halbbrücken oder in einer sogenannten Matrix-Makrotopologie angeordnet. In der Marquardt-Makrotopologie, bspw. beschrieben in der Druckschrift US 2018/0109202 , kann bspw. Gleichspannung der Energiespeicher in eine Zwei-, Drei- oder Mehrphasenspannung bzw. in einen Zwei-, Drei- oder Mehrphasenstrom umgewandelt werden. Ein weiteres Beispiel ist der MMSPC, bei dem für jede zu erzeugende Ausgangsphase zwei in Serie verbundene Stränge erzeugt werden, die wiederum an den Enden verbunden werden, an welchen vorzugsweise Gleichspannung zur Erzeugung angelegt wird. Alternativ können die Stränge ebenfalls in der Matrix-Makrotopologie angeordnet werden, um einphasige oder mehrphasige Wechselspannung einer ersten Art von Eigenschaften, bspw. Amplitude, Frequenzbestandteil, Phase, etc., in eine einphasige oder mehrphasige Wechselspannung einer zweiten Art von veränderten Eigenschaften umzuwandeln. Aus dem Stand der Technik ist bspw. eine Matrix-Topologie bekannt, bei der von jedem von mindestens zwei Eingängen zu jedem der mindestens zwei Ausgänge ein jeweiliger Strang positioniert wird, wobei an den Ein- und Ausgängen beliebige Gleich- und Wechselspannungen anliegen oder erzeugt werden können.
In einer noch weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine durch die Referenzspannung vorgegebene Spannungshöhe der Gesamtausgangsspannung des Präzisionsmultilevelkonverters durch Zerlegung der vorgegebenen Spannungshöhe in eine durch das pro Strang angeordnete mindestens eine Digital-Modul gebildete nächstgelegene quantisierte Spannungsstufe und eine durch das mindestens eine Analog-Modul gebildete verbleibende Differenzspannung aufgeteilt, wobei es vorkommt, dass die nächstgelegene quantisierte Spannungsstufe betragsmäßig größer ist als die durch die Referenzspannung vorgegebene, in einem jeweiligen Strang zu realisierende Spannungshöhe. In einem solchen Fall wird in dem jeweiligen Analog-Modul des jeweiligen Stranges mit seriell-minus eine negative Konnektivität geschaltet. Der erfindungsgemäß verwendete MMSPC weist vorteilhaft diese seriell-minus Verschaltungsmöglichkeit auf.
Die Erzeugung der Gesamtausgangsspannung erfolgt durch Zerlegung der Referenzspannung, bspw. aus einer Regelung, in quantisierte Stufen für das mindestens eine Digital-Modul und in ein kontinuierliches Signal für das mindestens eine Analog-Modul. Je mehr Digital-Module angeordnet sind, desto höher ist eine Zahl an Zwischenstufen, welche vorzugsweise größer als zehn beträgt, aber auch mit größer als 50 denkbar ist. Diese Aufteilung erfolgt vorteilhaft durch die Erzeugung eines Sockelbetrages durch Runden auf eine benachbarte Quantisierungsstufe (nächsthöhere, nächstniedrigere oder absolut am nächsten liegende) und eine anschließende Erzeugung des Restes, der durch das mindestens eine Analog-Modul, bspw. in gleichen Teilen gebildet wird.
Ferner wird ein Präzisionsmultilevelkonverter beansprucht, welchen das erfindungsgemäße Verfahren bereitstellt. Damit ist ein nahezu verzerrungsfreier Leistungsinverter offenbart, der mittels gängiger Leistungstransistoren in einem, zwei, drei oder mehr Ausgängen oder Phasen nahezu ideale Spannungs- und/oder Stromverläufe mit hoher Leistung über einen breiten Frequenzbereich (bspw. von 0 Hz bis 5 kHz) erzeugen kann. Insbesondere kann der erfindungsgemäße Präzisionsmultilevelkonverter sogar eine Erzeugung hoher Spektralanteile (bspw. bis 50 kHz, vorzugsweise bis über 100 kHz) erlauben, um bspw. Verzerrungen unterschiedlicher Schaltinverter nachbilden zu können.
Schließlich wird ein Hochvoltsystem beansprucht, welches ein Energiereservoir, eine Steuereinheit und einen erfindungsgemäßen Präzisionsmultilevelkonverter umfasst, wobei mindestens ein Energiespeicher des Präzisionsmultilevelkonverters aus dem Energiereservoir nachlädt, wobei die Steuereinheit dazu konfiguriert ist, eine Referenzspannung bereitzustellen, welche entweder ein Gleichspannungssignal oder ein Wechselspannungssignal umfasst, wobei die Steuereinheit zusätzlich konfiguriert ist, ein jeweiliges Digital-Modul und ein jeweiliges Analog-Modul bestimmungsgemäß zu betreiben, und wobei das Hochvoltsystem dazu konfiguriert ist, eine Gesamtausgangsspannung gemäß einer Vorgabe durch die Referenzspannung auszugeben.
Das erfindungsgemäße Hochvoltsystem ist insbesondere zur Erzeugung von Drehstrom mit mehreren Phasen in festen Phasenbeziehungen geeignet, um verzerrungsarme Wechselspannung für elektrische Maschinen und Netze bereitzustellen. Zudem wird vorteilhaft ein hoher Ausnutzungsgrad erreicht, d. h. das Hochvoltsystem erzeugt eine bei gegebener Eingangsspannung und vergleichsweise kostengünstigen Bauteilen maximal mögliche Ausgangsspannungsamplitude.
Während im Stand der Technik für dieses Aufgabengebiet im quantisierten Bereich zumeist Raumzeigermodulation (englisch Space-Vector-Modulation) eingesetzt wird, kann mit dem erfindungsgemäßen Präzisionsmultilevelkonverter ein Äquivalent einer analogdigitalen Raumzeigermodulation erzeugt werden. Ähnlich wie bei der konventionellen Raumzeigermodulation zu Multilevelkonvertern werden entsprechend einer augenblicklichen Vektorspitze nächstgelegene Zustände eines gewünschten Vektors ermittelt. Anstatt aber wie in konventioneller Schaltmodulation zwischen mehreren Nachbarn (meist drei) mit zeitlicher Verweildauer in jedem Nachbarn umzuschalten, so dass in einem zeitlichen Mittel ein gewünschter Vektor entsteht, wird nur ein nächstgelegener Zustand gewählt, als quantisierte Spannungsstufe ausgegeben und die Differenzspannung durch das mindestens eine Analog-Modul erzeugt, wodurch Schaltverzerrungen verhindert werden.
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 Figuren werden zusammenhängend und übergreifend beschrieben, gleichen Komponenten sind dieselben Bezugszeichen zugeordnet.

1 zeigt einen Strang von Modulen in einer Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Präzisionsmultilevelkonverters.
2 zeigt Module aus dem Stand der Technik als Beispiele für Modulimplementierungen in einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Präzisionsmultilevelkonverters.
3 zeigt eine Zerlegung eines Referenzsignals durch Module einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Präzisionsmultilevelkonverters.
4 zeigt ein Schaltbild zur Zerlegung des Referenzsignals.

In 1 wird ein Strang 100 von Modulen 110, 120 in einer Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Präzisionsmultilevelkonverters gezeigt. Der zweiadrige Strang 100 ist an seinem ersten Ende 101 zu einem Strangeingangsanschluss verschaltet, der im erfindungsgemäßen Präzisionsmultilevelkonverter bspw. mit weiteren Strängen zu einem gemeinsamen Neutralpunkt verbunden sein kann. An einem zweiten Ende 102 ist der zweiadrige Strang 100 zusammengeschlossen, um eine Gesamtausgangsspannung 102 bereitzustellen. Sowohl ein Digital-Modul 110 wie auch ein Analog-Modul 120 verfügt über einen ersten Eingang 103, einen zweiten Eingang 104, einen ersten Ausgang 105 und einen zweiten Ausgang 106. In dem Digital-Modul 110 wird ein jeweiliger Leistungstransistor nur zwischen einem Zustand „an“ und einem Zustand „aus“ umgeschaltet und ist damit entweder leitend oder nichtleitend. In dem Analog-Modul 120 wird ein jeweiliger Leistungstransistor im dazwischen liegenden Linearbetrieb (mit einer Gate-Spannung zwischen einer Schwellenspannung und einer voll durchgeschalteten Steuerspannung) moduliert. Eine Mehrzahl N an Digital-Modulen 110 ermöglicht 2N+1 Spannungsstufen, während das mindestens eine Analog-Modul 120 eine Differenzspannung zu einer Referenzspannung aufbringt.

In 2 werden zwei Module 210, 220 aus dem Stand der Technik als Beispiele für Modulimplementierungen in einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Präzisionsmultilevelkonverter gezeigt. Ein Vierquadrantenmodul 210, bspw. beschrieben in „Goetz, S.M.; Peterchev, A.V.; Weyh, T., „Modular Multilevel Converter With Series and Parallel Module Connectivity: Topology and Control," Power Electronics, IEEE Transactions on, vol.30, no.1, pp.203,215, 2015. doi: 10.1109/TPEL.2014.2310225, umfasst insgesamt acht Leistungstransistoren „T1“ 211, „T2“ 212, „T3“ 213, „T4“ 214, „T5“ 215, „T6“ 216, „T7“ 217, „T8“ 218 und einen Kondensator 219 als Energiespeicher, der mit einem Spannungspotential 201 in den in Tabelle 1 aufgeführten Schaltzuständen verschaltet werden kann. Tabelle 1: Schaltzustände bei einem Vierquadrantenmodul mit acht Leistungstransistoren als Schalter

Schaltzustand	Aktivierte Schalter
seriell-plus links	T2 & T4
seriell-plus rechts	T5 & T6
seriell-minus links	T1 & T3
seriell-minus rechts	T6 & T8
parallel links	T1 & T4
parallel rechts	T6 & T7
Bypass links	T2 & T4
Bypass rechts	T6 & T8
Zero links	keiner
Zero rechts	keiner

Das Vierquadrantenmodul 210 kann sowohl als Digital-Modul mit entweder durchleitend oder nicht durchleitend geschalteten Leistungstransistoren, als auch als Analog-Modul mit zumindest zum Teil nicht mehr als Schalter, sondern als steuerbare Widerstände verwendeten Leistungstransistoren 211, 212, 213, 214, 215, 216, 217, 218 betrieben werden. Bei einer Verwendung als Analog-Modul können an den beiden Ausgängen 105 und 106 bzw. an den beiden Eingängen 103 und 104 kontinuierliche Spannungen mit beiden Polaritäten und in beiden Stromrichtungen erzeugt werden, wobei bei seriellen Zuständen zumindest Brücken einer Seite sich in einem komplementären Verstärkerbetrieb befinden, während die andere Seite entweder binär geschaltet sein kann (entweder High-Side-Transistoren 215, 217 angeschaltet und Low-Side-Transistoren 216, 218 ausgeschaltet oder umgekehrt) oder ebenfalls in einem Zwischenzustand angesteuert wird. Bei parallelen Zuständen, seien sie bspw. zweiseitig oder auch nur einseitig ausgeführt, erfolgt eine Ansteuerung wie beim Digital-Modul, d. h. zwei Brücken einer Seite werden zueinander invers angesteuert, so dass ein Ausgang zeitweise mit dem positiven und ein Ausgang mit dem negativen Anschluss des Kondensators 219 verbunden ist. Die andere Seite kann im seriellen Widerstandsmodus betrieben werden. Der Bypass-Zustand verhält sich wie beim Digital-Modul.
Ein Zweiquadrantenmodul 220, bspw. beschrieben in der Druckschrift DE 10 2016 112 250.5 , umfasst insgesamt vier Leistungstransistoren „T1“ 221, „T2“ 222, „T3“ 223, „T4“ 224, und einen Kondensator 229 als Energiespeicher, der mit einem Spannungspotential 202 in den in Tabelle 2 aufgeführten Schaltzuständen verschaltet werden kann. Bei dieser Ausführungsform ist nur eine Polarität möglich. Tabelle 2: Schaltzustände bei einem Zweiquadrantenmodul mit vier Leistungstransistoren als Schalter

Schaltzustand Aktivierte Schalter

seriell links T2

seriell rechts T3

parallel links T1

parallel rechts T4

Bypass links keiner

Bypass rechts T4

Zero keiner
Auch das Zweiquadrantenmodul 220 kann sowohl als Digital-Modul mit entweder durchleitend oder nicht durchleitend geschalteten Leistungstransistoren, als auch als Analog-Modul mit zumindest zum Teil nicht mehr als Schalter, sondern als steuerbare Widerstände verwendeten Leistungstransistoren 221, 222, 223, 224 betrieben werden. Bei einer Verwendung als Analog-Modul sind die Zustände ähnlich zu denen wie beim Analog-Vierquadrantenmodul, außer dass nur die Hälfte der Leistungstransistoren zur Verfügung stehen und deshalb nur Spannungen in einer Polaritätsrichtung über das Zweiquadrantenmodul 220 hinweg erzeugt werden können.
In 3 wird eine Zerlegung 300 eines Referenzsignals 310 durch Module einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Präzisionsmultilevelkonverters gezeigt. Eine Zeitachse 302 verläuft jeweils nach rechts und eine Spannungsachse 304 nach oben. Zu einem gegebenen Zeitpunkt wird die durch die Referenzspannung 312 vorgegebene Spannungshöhe der Gesamtausgangsspannung des Präzisionsmultilevelkonverters durch die pro Strang angeordneten Digital-Module als die zu dem gegebenen Zeitpunkt nächstgelegene quantisierte Spannungsstufe 322 als Ausgangssignal der Digital-Module 320 gebildet. Dabei ist auch eine zusätzliche Implementierung von Schaltmodulation denkbar. Das mindestens eine Analog-Modul bildet als Korrektur, welche vorzugsweise nur eine Spannungsstufe umfasst, eine verbleibende Differenzspannung 332 als Ausgangssignal 330.
In 4 wird ein Schaltbild 400 zur Zerlegung des Referenzsignals 402 und zu einer Bildung eines Multilevelkonvertersteuerungssignals 404 gezeigt. Das Referenzeingangssignal 310 wird einem Quantisierer 410 zugeleitet, welcher die quantisierten Spannungsstufen ausgibt, die zur Ansteuerung der Digital-Module herangezogen werden und zur Digital-Modul-Ausgangsspannung 320 führen. Die Differenzspannung 330 zwischen Referenzeingangssignal 310 und dem quantisierten Sockelsignal 406 erhält die Korrekturstufe 412, welche das kontinuierliche Steuersignal an das mindestens eine Analog-Modul zum Bilden des Analog-Modul-Signals 330 liefert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2018/0109202 [0007, 0028]
EP 2928055 A1 [0009]
DE 102015112512 A1 [0013]
DE 102016112250 [0041]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

„Goetz, S.M.; Peterchev, A.V.; Weyh, T., „Modular Multilevel Converter With Series and Parallel Module Connectivity: Topology and Control,“ Power Electronics, IEEE Transactions on, vol.30, no.1, pp.203,215, 2015. doi: 10.1109/TPEL.2014.2310225 [0010, 0039]

Claims

Verfahren zur Bereitstellung eines Präzisionsmultilevelkonverters (100), welcher dazu konfiguriert wird, eine Gesamtausgangsspannung (102) in einem Hochvoltsystem auszugeben, wobei der Präzisionsmultilevelkonverter (100) durch einen modularen Multilevelkonverter (100) mit serieller und paralleler Konnektivität realisiert wird, wobei der modulare Multilevelkonverter (100) von einer Mehrzahl an Modulen (110, 120, 210, 220) gebildet wird, wobei ein jeweiliges Modul (110, 120, 210, 220) zwei Eingänge (103, 104) und zwei Ausgänge (105, 106), mindestens vier Leistungstransistoren (211, 212, 213, 214, 215, 216, 217, 218, 221, 222, 223, 224) und mindestens einen Energiespeicher (219, 229) aufweist, wobei durch die mindestens vier Leistungstransistoren (211, 212, 213, 214, 215, 216, 217, 218, 221, 222, 223, 224) der mindestens eine Energiespeicher (219, 229) eines jeweiligen Moduls (110, 120, 210, 220) entweder seriell-plus oder seriell-minus oder parallel oder überhaupt nicht elektrisch mit dem mindestens einen Energiespeicher eines unmittelbar benachbarten Moduls (110, 120, 210, 220) verschaltet wird, wobei die Module (110, 120, 210, 220) in mindestens einem zweiadrigen Strang angeordnet werden, bei dem die jeweiligen Stränge an ihrem ersten zweiadrigen Ende (101) einen gemeinsamen Anschluss bilden und an ihrem jeweiligen zweiten Ende (102) einen jeweiligen Pol der Gesamtausgangsspannung (102) bilden, wobei bei mindestens einem Modul (110, 210, 220) des mindestens einen Strangs die Leistungstransistoren (211, 212, 213, 214, 215, 216, 217, 218, 221, 222, 223, 224) einen Strom entweder sperren oder durchleiten und damit ein Digital-Modul (110) gebildet wird, wobei bei mindestens einem weiteren Modul (120, 210, 220) des mindestens einen Strangs die Leistungstransistoren (211, 212, 213, 214, 215, 216, 217, 218, 221, 222, 223, 224) resistiv betrieben werden und dadurch ein Analog-Modul (120) gebildet wird, wobei das mindestens eine pro Strang angeordnete Digital-Modul (110) eine quantisierte Spannungsstufe (322) bildet und das mindestens eine pro Strang angeordnete Analog-Modul (120) eine verbleibende Differenzspannung (332) zu einer Referenzspannung (312) nachbildet.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem durch den jeweiligen Pol eines Strangs eine Phase einer Wechselspannung gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem durch parallele Verschaltung einzelner Module in einem Strang eine einstellbare Gleichspannung ausgegeben wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem als jeweiliger Energiespeicher ein Kondensator (219, 229) gewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem der jeweilige Kondensator (219, 229) des jeweiligen Digital-Moduls (110) des mindestens einen Strangs entweder durch eine Parallelschaltung mit geladenen Kondensatoren benachbarter Module des mindestens einen Strangs oder durch eine Serienschaltung aller Kondensatoren (219, 229) der Module (110, 120) des mindestens einen Strangs nachgeladen wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem von mindestens einem Modul des modularen Multilevelkonverters (100) acht Leistungstransistoren (211, 212, 213, 214, 215, 216, 217, 218) umfasst werden.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem mindestens ein Leistungstransistor (211, 212, 213, 214, 215, 216, 217, 218, 221, 222, 223, 224) in mindestens einem Digital-Modul durch einen MOSFET gebildet wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem mindestens ein Leistungstransistor (211, 212, 213, 214, 215, 216, 217, 218, 221, 222, 223, 224) in mindestens einem Analog-Modul durch einen Bipolar-Transistor oder einen Feld-Effekt-Transistor gebildet wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem in einer jeweiligen Topologie ein jeweiliges Modul als ein Zweiquadrantenmodul (220) oder als ein Vierquadrantenmodul (210) ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem eine Mehrzahl von Strängen in einer sogenannten Marquardt-Makrotopologie als Halbbrücken oder in einer sogenannten Matrix-Makrotopologie angeordnet wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem eine durch die Referenzspannung (312) vorgegebene Spannungshöhe der Gesamtausgangsspannung (102) des Präzisionsmultilevelkonverters (100) durch Zerlegung der vorgegebenen Spannungshöhe in die durch das pro Strang angeordnete mindestens eine Digital-Modul (110) gebildete nächstgelegene quantisierte Spannungsstufe (322) und die durch das mindestens eine Analog-Modul (120) gebildete verbleibende Differenzspannung (332) aufgeteilt wird, wobei die nächstgelegene quantisierte Spannungsstufe (322) betragsmäßig größer ist als die durch die Referenzspannung (312) vorgegebene, in einem jeweiligen Strang zu realisierende Spannungshöhe, und in dem mindestens einen Analog-Modul (120) des jeweiligen Stranges mit seriell-minus eine negative Konnektivität geschaltet wird.
Präzisionsmultilevelkonverter (100), welcher durch ein Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche bereitgestellt ist.
Hochvoltsystem, welches ein Energiereservoir, eine Steuereinheit und einen Präzisionsmultilevelkonverter (100) nach Anspruch 12 umfasst, wobei mindestens ein Energiespeicher (219, 229) des Präzisionsmultilevelkonverters (100) aus dem Energiereservoir nachlädt, wobei die Steuereinheit dazu konfiguriert ist, eine Referenzspannung (312) bereitzustellen, welche entweder ein Gleichspannungssignal oder ein Wechselspannungssignal umfasst, wobei die Steuereinheit zusätzlich konfiguriert ist, ein jeweiliges Digital-Modul (110) und ein jeweiliges Analog-Modul (120) bestimmungsgemäß anzusteuern, und wobei das Hochvoltsystem dazu konfiguriert ist, eine Gesamtausgangsspannung (102) gemäß einer Vorgabe durch die Referenzspannung (312) auszugeben.