DE102019120615B3

DE102019120615B3 - Verfahren und Schaltung zur Bereitstellung erweiterter Schaltzustände für modularen Multilevelkonverter mit Halbrücken

Info

Publication number: DE102019120615B3
Application number: DE102019120615.4A
Authority: DE
Inventors: Stefan Götz
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2019-07-31
Filing date: 2019-07-31
Publication date: 2020-08-06
Anticipated expiration: 2039-08-01

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bereitstellung erweiterter Schaltzustände bei einem modularen Multilevelkonverter mit Halbbrücken, bei dem der modulare Multilevelkonverter mindestens einen Strang mit einem ersten äußeren Modul, einem zweiten äußeren Modul und mindestens einem inneren Modul umfasst, bei dem jedes Modul eine erste Seite und eine zweite Seite aufweist, welche jeweils einen ersten Modulanschluss und einen zweiten Modulanschluss umfassen, bei dem jede Seite eine äußere und eine innere Halbbrücke mit jeweils einem unteren und einem oberen unidirektionalen Halbleiterschalter und einer jeweilig zugeordneten Freilaufdiode aufweist, wobei die jeweilig äußeren Halbbrücken durch eine äußere obere Stromschiene, die jeweilig inneren Halbbrücken durch eine innere obere Stromschiene und alle Halbbrücke durch eine untere Stromschiene miteinander verbunden werden, bei dem zwischen der inneren oberen Stromschiene und der unteren Stromschiene ein erster Energiespeicher und zwischen der äußeren oberen Stromschiene und der inneren oberen Stromschiene ein Verbindungsschalter angeordnet wird, wobei durch ein so gebildetes Modul mindestens eine serielle und eine parallele Verschaltung des ersten Energiespeichers des jeweiligen Moduls mit jeweiligen ersten Energiespeichern benachbarter Module ermöglicht wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bereitstellung erweiterter Schaltzustände mit einem effizienten Überspringen eines jeweiligen Energiespeichers in einem modularen Multilevelkonverter, wobei der modulare Multilevelkonverter als Basistopologie mehrere Halbbrücken aufweist. Ferner wird eine Schaltung zu diesen effizienten Schaltzuständen beansprucht.
Ein modulares Multilevelkonvertersystem, bspw. ein MMSPC 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, erzeugt Spannungsdifferenzen zwischen zwei Anschlussterminals, bspw. eines Energienetzes oder eines Traktionssystems eines Elektroautos, durch eine Konfiguration einer elektrischen Verschaltung von Energiespeichern in Modulen und durch eine Schaltmodulation zwischen Schaltzuständen zur Bildung beliebiger Zwischenzustände. Wird bspw. zwischen zwei Anschlussterminals durch die Module eine leicht geringere Spannung erzeugt als die Terminals aufweisen, fließt Strom und somit Ladung in die Energiespeicher der Module. Werden etwas mehr Module in Serie geschaltet, fließt Strom aus den Speichern dieser Module in die Anschlussterminals. Durch eine gezielte Regelung lassen sich Ströme und Spannungen sehr fein steuern. In einem solchen Prozess verhalten sich die Energiespeicher wie Eimer, die zeitweise von außen gefüllt oder entleert werden. Eine Steuerung kann dabei durch eine als Scheduling bezeichnete geeignete Auswahl der Schaltzustände jedes einzelnen Moduls entscheiden, welches Modul bei einem in einen Multilevelkonverter fließenden Strom geleert, gefüllt oder nicht beeinflusst wird.
Die Druckschrift WO 2017/016601 A1 offenbart hierzu einen modularen Multilevelkonverter, der einen bidirektionalen Schalter aufweist, durch den Strom in beiden Richtungen fließen kann. Die Teilmodule des beschriebenen modularen Multilevelkonverters sind auch in der Lage, höhere Spitzenströme zu führen.
Ein wesentliches Ziel bei einem Betrieb von modularen Multilevelkonvertern ist es, alle Energiespeicher ähnlich geladen zu halten oder zumindest zu vermeiden, dass einzelne Module über- oder unterladen werden. Daraus ergibt sich ein erster Ladungsausgleichmechanismus: ein jeweiliger Energieinhalt der Energiespeicher kann kontrolliert und beeinflusst werden, indem gezielt Module ladend in einen Stromfluss geschaltet (Eimer in den Wasserfluss gehalten werden) oder entladend in den Stromfluss geschaltet werden (Eimer mit in den bereits fließenden Wasserstrahl gegossen werden). Durch Messung oder Schätzung eines Ladezustandes oder der Spannung jedes Energiespeichers kann entsprechend durch die Steuerung ausgleichend eingegriffen werden.
Ferner kann auf diese Weise Ladung und Energie von einem Modul zu einem anderen Modul transferiert werden, indem bspw. ein Modul positiv in Serie und ein anderes Modul negativ in Serie geschaltet wird, oder, im Falle von Wechselstrom, eines der Module bevorzugt bei einer positiven Halbwelle (in Serienschaltung) eingesetzt wird, das Modul sich aber bei einer negativen Halbwelle vorzugsweise bspw. in einem Bypass-Betrieb befindet. Das andere Modul wird dann genau entgegengesetzt behandelt.
Bei modularen Multilevelkonvertern mit der Möglichkeit der Parallelschaltung von Modulen, bspw. beschrieben in der US-amerikanischen Druckschrift US 9,496,799 B2 , kann außerdem ein zweiter Prozess des Ladungs- und Energietransfers genutzt werden, indem zwei oder mehr Module mit gering unterschiedlich geladenen Energiespeichern zeitweise parallel verbunden werden. Die Ausgleichsströme vom volleren zum leereren Energiespeicher gleichen entsprechend die Ladung, Spannung und/oder Energie aus.
Allerdings kann Energie zwischen Modulen, und damit zwischen deren jeweiligen Energiespeichern, nur sehr begrenzt oder mit hohen Verlusten ausgetauscht werden, obwohl schon in einem Normalbetrieb eine zeitweise unterschiedlich starke Belastung der Module vorliegen kann, insbesondere wenn unterschiedliche Abgriffe für jeweils unterschiedliche Traktionsmaschinen eingesetzt werden. Dies betrifft bspw. in einer Mehrmaschinenkonfiguration den üblichen Fall, dass die einzelnen Traktionsmaschinen in unterschiedlichen Arbeitspunkten betrieben werden, aber auch dass aufgrund der Wechselspannung eine Last je Modul mit einer Frequenz der Wechselspannung bzw. deren Harmonischen (insbesondere der doppelten Frequenz der Wechselspannung) fluktuieren kann. Diese Fluktuationen sind aufgrund des zeitlichen Versatzes der unterschiedlichen Phasen nicht zeitlich synchron und könnten sich zu nahezu konstanter Last kompensieren, wenn denn ein substantieller und effizienter Leistungsaustausch zwischen Modulen unterschiedlicher Abgriffe oder Stränge möglich wäre.
Die US-amerikanische Druckschrift US 2019/0052187 A1 offenbart ein Verfahren zum Steuern eines mehrstufigen modularen Umrichters, dessen Module mit Doppel-Submodulen gebildet werden. Ein jeweilig in einem Submodul angeordneter Energiespeicher kann zwar über zwei Strompfade umgangen werden, eine Parallelschaltung oder ein Energieaustausch von Energiespeichern über ein jeweiliges Doppel-Submodul hinaus ist aber nicht möglich.
Die WO 2016/ 012 247 A1 betrifft kaskadierte Stromrichter mit Vierpolmodulen und verwirklicht das Prinzip, dass sich beliebige Module eines Stranges unter Umgehung von Energiespeichern in dazwischen liegenden Modulen parallel schalten lassen.
Die DE 10 2015 106 196 B3 schlägt im Zusammenhang mit Zweipolmodulen vor, im Bypass-Modus zwei parallele Pfade freizugeben und hierfür den Modulenergiespeicher über einen in Reihe liegenden Schalter vom Modul trennen zu können.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, welches in einem modularen Multilevelkonverter erweiterte Schaltzustände zu einem effizienten Überspringen oder Bypass eines jeweiligen Energiespeichers ermöglicht. Es soll dabei auch möglich sein, den jeweiligen Energiespeicher in mehreren benachbarten Modulen zu überspringen. Ferner soll eine Schaltung mit diesen effizienten Schaltzuständen vorgestellt werden.
Zur Lösung der voranstehend genannten Aufgabe wird ein Verfahren zur Bereitstellung erweiterter Schaltzustände bei einem modularen Multilevelkonverter mit Halbbrücken vorgeschlagen, bei dem der modulare Multilevelkonverter mindestens einen Strang mit einem ersten äußeren Modul, einem zweiten äußeren Modul und mindestens einem inneren Modul umfasst. Jedes Modul weist eine erste Seite und eine zweite Seite auf, welche jeweils einen ersten Modulanschluss und einen zweiten Modulanschluss umfassen. Jede Seite weist eine äußere und eine innere Halbbrücke mit jeweils einem unteren und einem oberen unidirektionalen Halbleiterschalter und einer jeweilig zugeordneten Freilaufdiode auf, wobei die jeweilige Freilaufdiode in Durchflussrichtung von einem Source-/Emitter-Anschluss zu einem Drain-/Kollektor-Anschluss des jeweiligen unidirektionalen Halbleiterschalters angeordnet wird. Der jeweilig untere Halbleiterschalter wird mit seinem Drain-/Kollektor-Anschluss und der jeweilig obere Halbleiterschalter mit seinem Source-/Emitter-Anschluss mit dem jeweiligen Modulanschluss der jeweiligen Seite verbunden, wobei auf jeder Seite der jeweilig erste Modulanschluss mit der jeweilig äußeren Halbbrücke und der jeweilig zweite Modulanschluss mit der jeweilig inneren Halbbrücke verbunden werden. Die Source-/Emitter-Anschlüsse der jeweiligen unteren Halbleiterschalter werden durch eine untere Stromschiene, die Drain-/Kollektor-Anschlüsse der jeweilig äußeren Halbbrücken durch eine äußere obere Stromschiene und die Drain-/Kollektor-Anschlüsse der jeweilig inneren Halbbrücken werden durch eine innere obere Stromschiene verbunden. Mit der inneren oberen Stromschiene wird ein positiver Pol eines ersten Energiespeichers und mit der unteren Stromschiene ein negativer Pol des ersten Energiespeichers verbunden. Zwischen der äußeren oberen Stromschiene und der inneren oberen Stromschiene wird ein Verbindungsschalter angeordnet. Durch ein so gebildetes Modul wird mindestens eine serielle und eine parallele Verschaltung des ersten Energiespeichers des jeweiligen Moduls mit jeweiligen ersten Energiespeichern benachbarter Module ermöglicht. Ein jeweiliges Modul wird von einer Steuerungseinheit als eine jeweilige erste Schalteinheit gesteuert. Schließlich wird durch mindestens einen Schaltzustand mindestens einer durch ein inneres Modul gebildeten ersten Schalteinheit der Strom über die jeweilige äußere obere Stromschiene und die jeweilige untere Stromschiene gemeinsam unter einer Umgehung des jeweiligen ersten Energiespeichers der mindestens einen ersten Schalteinheit geleitet.
Durch den erfindungsgemäß angeordneten Verbindungschalter werden, je nach geöffneter oder geschlossener Schalterstellung, zwei unterschiedliche Sätze an mit den Halbbrücken realisierbaren Schaltzuständen ermöglicht, bzw. kann mit dem Verbindungschalter zwischen diesen beiden Sätzen, ähnlich zu einer Registerumschaltung, hin und her geschaltet werden.
Im Folgenden wird ohne Einschränkung auf diesen Fall ein erfindungsgemäßes Zertrennen bzw. Aufteilen einer denkbaren gemeinsamen oberen Stromschiene in die äußere obere Stromschiene und innere obere Stromschiene mit dazwischen angeordnetem Verbindungschalter betrachtet. Alle für diesen Fall im Folgenden ausgeführten Offenbarungen gelten analog für den gleichfalls beanspruchten Fall eine Zertrennens bzw. Aufteilens der unteren Stromschiene in eine äußere untere Stromschiene und eine innere untere Stromschiene mit ebenfalls dazwischen angeordnetem Verbindungschalter, wobei hier der positive Pol des Energiespeichers mit der nun allen Halbbrücken gemeinsamen oberen Stromschiene und der negativen Pol des Energiespeichers mit der inneren unteren Stromschiene verbunden wird.
Der jeweilige Energiespeicher wird als eine Gleichspannungsquelle oder ein Gleichspannungsspeicher mindestens aus folgender Liste gewählt: Batterie, Batteriepack, Primärzelle, Sekundärzelle, Kondensatoren jeglicher Bauart. Generell sind alle eine Gleichspannung bereitstellenden Energiequellen oder Gleichspannungsspeicher denkbar.
Die Schaltzustände eines bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gebildeten Moduls können mindestens ein seriell-positives Verschalten, d. h. Verschalten ungleichnamiger Pole, ein seriell-negatives Verschalten, d. h. Verschalten gleichnamiger Pole, ein paralleles Verschalten des jeweiligen Energiespeichers des Moduls mit einem jeweiligen Energiespeicher eines benachbarten Moduls oder ein Umgehen bzw. Bypass des jeweiligen Energiespeichers des Moduls umfassen. Das bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gebildete Modul weist vorteilhaft eine Modultopologie auf, welche gegenüber dem Stand der Technik erweiterte Schaltzustände ermöglicht. So ist nun eine Umgehung bzw. Bypass des Energiespeichers des jeweiligen inneren Moduls auf zwei Stromschienen möglich, wodurch Durchleitungsverluste im Vergleich mit einer Leitung durch eine einzige Stromschiene reduziert werden. Damit wird zusätzlich ein neuer Bypass-Schaltzustand, hier auch als „Bypassboost“ bezeichnet, ermöglicht, bei dem der Verbindungsschalter geöffnet ist, und bspw. bei geöffneten inneren oberen Halbleiterschaltern alle unteren Halbleiterschalter sowie äußeren oberen Halbleiterschalter des jeweiligen inneren Moduls geschlossen sind und somit ein Strom zusätzlich zur unteren Stromschiene auch über die äußere obere Stromschiene geleitet werden kann. Mit diesem Bypass-Schaltzustand ist es nun auch vorteilhaft möglich, den jeweiligen Energiespeicher mehrerer benachbarter Module zu überspringen, was insbesondere bei stark ungleich geladenen Modulen wichtig ist, um ein Zusammenschalten stark ungleich geladener Module und die damit verbundenen hohen kurzen Ausgleichsströme und die dadurch bedingten Energieverluste zu vermeiden. Des Weiteren ist für das jeweilige innere Modul ein neuer Parallel-Überspring-Schaltzustand ermöglicht, bei dem zwischen einem linken Nachbarmodul und einem rechten Nachbarmodul, falls ein solches Nachbarmodul sich nicht ebenfalls in diesem Parallel-Überspring-Schaltzustand befindet, eine parallele Verschaltung der jeweiligen Energiespeicher gebildet wird, jedoch der Energiespeicher des jeweiligen inneren Moduls dabei übersprungen wird. Sowohl der durch das erfindungsgemäße Verfahren ermöglichte Bypass-Schaltzustand als auch der Parallel-Überspring-Schaltzustand ist daher geeignet, einen substantiellen und effizienten Leistungsaustausch zwischen Energiespeichern unterschiedlicher Module eines Strangs oder sogar unterschiedlicher Stränge zu ermöglichen. Damit wird vorteilhaft für die jeweiligen Energiespeicher auch eine über einen Zeitverlauf ausgeglichene nahezu konstante Last dargestellt.
Eine dynamische Umkonfigurierung der Verschaltung der jeweiligen Energiespeicher der Module ermöglicht vorteilhaft eine Vereinigung mindestens dreier Funktionen, nämlich erstens einen Ladungsaustausch zwischen den Energiespeichern, um bspw. ein konventionelles Batteriemanagement durchzuführen, zweitens ein defektes Modulteil zu überbücken, ohne eine Gesamtfunktion des Multilevelkonverters zu verlieren, und drittens eine Erzeugung beliebiger Ausgangsspannungen und zeitlicher Strom-/Spannungsverläufe direkt durch den modularen Multilevelkonverter ohne den Bedarf eines zusätzlichen leistungselektronischen Umrichters.
Durch die dynamische Rekonfiguration der Verschaltung der Energiespeicher kann direkt eine Wechselspannung und/oder Multiphasenspannung für einen oder mehrere Verbraucher erzeugt werden. Vorteilhaft kann ein Modulationsindex bei allen Amplituden maximal gehalten werden. Ferner sinken bei niedrigen Spannungen sogar die Verluste, weil durch die Parallelschaltung von Energiespeichern ein effektiver Innenwiderstand sinkt. Da Stufen zwischen den Spannungen zweier Konfigurationen sehr gering gehalten werden können, wird eine fast verzerrungsfreie Ausgangsspannung erzeugt. Darüber hinaus kann per Schaltmodulation zwischen solchen Spannungen moduliert werden, um weiter zu glätten.
Es ist denkbar, dass ein in einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens angeordneter jeweiliger Halbleiterschalter ein Niederspannungsschalter ist, d. h., dass eine maximale Spannung, für die der Schalter ausgelegt sein muss, bspw. bei den für den jeweiligen Schalter relevanten Schalteinheiten, deutlich unter einer von dem Multilevelkonverter bereitgestellten Gesamtspannung liegt.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Verbindungsschalter als ein mechanischer Schalter oder ein bidirektionaler Halbleiterschalter gewählt. Der mechanische Schalter kann bspw. durch ein Relais oder ein Schütz gebildet sein und wird vorteilhaft eingesetzt, wenn eine Schaltrate sehr niedrig ist oder eine sehr langsame Schaltgeschwindigkeit gewünscht wird. Alternativ kann ein bidirektionaler Halbleiterschalter eingesetzt werden, der bspw. als ein Transistor, der in beiden Stromflussrichtungen schaltbar ist, oder aus zwei unidirektionalen Halbleiterschaltern mit jeweiliger Freilaufdiode gebildet werden kann. Bei solchen Verbindungsschaltern hängen die Schaltzustände des inneren Moduls nicht von Spannungsverhältnissen der oberen Stromschienen ab.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Verbindungsschalter als ein unidirektionaler Halbleiterschalter mit Freilaufdiode gewählt, wobei die Freilaufdiode in „Rückwärtsrichtung“ zum bei geschlossenem unidirektionalem Halbleiterschalter entstehenden Stromfluss geschaltet wird. Im Gegensatz zum Stand der Technik, bspw. bei der genannten Druckschrift US 9,496,799 B2 , welche zwingend bidirektionale Transistoren benötigt, um nicht direkt benachbarte Energiespeicher bzw. Module parallel zu schalten, sind bei dem gemäß dieser weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gebildeten Modul nunmehr auch unidirektionale Halbleiterschalter ausreichend, und zwar explizit nicht ersatzweise eingesetzt als gegenpolig angeordnete Serienschaltung für einen bidirektionalen Transistor. Durch die Anordnung des unidirektionalen Halbleiterschalters mit Freilaufdiode wird jedoch eine Spannungsbedingung zwischen den beiden oberen Stromschienen erzwungen, da je nach Richtung der Freilaufdiode eine der beiden Spannungen der jeweiligen oberen Stromschienen niedriger sein darf als die andere, eine höhere Spannung sich aber durch die Freilaufdiode in die andere Stromschiene entladen würde. Bei dieser weiteren Ausführungsform mit einem unidirektionalen Halbleiterschalter wird der erfindungsgemäß mit einem verringerten Leistungsverlust einhergehende Bypass-Schaltzustand daher je nach Spannungspotential des ggfs. zu überspringenden Energiespeichers und einer jeweiligen Ausrichtung des unidirektionalen Halbleiterschalters eingesetzt.
In einer weiter fortgesetzten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der unidirektionale Halbleiterschalter mit Freilaufdiode mit seinem Source-/Emitter-Anschluss mit der äußeren oberen Stromschiene und mit seinem Drain-/Kollektor-Anschluss mit der inneren oberen Stromschiene verbunden und entsprechend die zugeordnete Freilaufdiode von der äußeren oberen Stromschiene hin zu der inneren oberen Stromschiene in Durchlassrichtung angeordnet. In einem Normalbetrieb mit geschlossenem Verbindungsschalter sind die äußere obere und die innere obere Stromschiene auf gleichem Potential. Bei offenem Verbindungschalter steht der Bypass-Schaltzustand stets zur Verfügung, der Parallel-Überspring-Schaltzustand nur dann, wenn ein Spannungspotential des ggfs. zu überspringenden Energiespeichers höher ist als die Spannungspotentiale der nächstgelegenen nicht übersprungenen parallel geschalteten Energiespeicher. Dies ist bspw. bei einem den ggfs. zu überspringenden Energiespeicher aufladenden Strom der Fall.
In einer noch weiter fortgesetzten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der unidirektionale Halbleiterschalter mit Freilaufdiode mit seinem Source-/Emitter-Anschluss mit der inneren oberen Stromschiene und mit seinem Drain-/Kollektor-Anschluss mit der äußeren oberen Stromschiene verbunden und entsprechend die zugeordnete Freilaufdiode von der inneren oberen Stromschiene hin zu der äußeren oberen Stromschiene in Durchlassrichtung angeordnet, so kann der Bypass-Schaltzustand nicht mehr eingesetzt werden, jedoch der Parallel-Überspring-Schaltzustand, wenn ein Spannungspotential des ggfs. zu überspringenden Energiespeichers niedriger ist als die Spannungspotentiale der nächstgelegenen nicht übersprungenen parallel geschalteten Energiespeicher. Dies ist bspw. bei einem den ggfs. zu überspringenden Energiespeicher entladenden Strom der Fall.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als jeweiliger Halbleiterschalter mit Freilaufdiode ein Feldeffekttransistor gewählt, wobei der Feldeffekttransistor intrinsisch eine Bodydiode aufweist, welche die Funktion der Freilaufdiode einnimmt. Der Feldeffekttransistor kann bspw. ein MOSFET sein.
In einer noch weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zusätzlich zwischen der äußeren oberen Stromschiene und der unteren Stromschiene ein zweiter Energiespeicher angeordnet. Ohne diesen zusätzlich angeordneten zweiten Energiespeicher sind Zwischenschaltkreise denkbar, die ohne Beaufschlagung des ersten Energiespeichers „frei laufen“, d. h. frei verschaltbar sind. Alternativ hierzu sind jedoch mit Anordnung eines zweiten Energiespeichers im jeweiligen Modul zwei Zwischenkreise denkbar, wobei ein erster Zwischenkreis durch die inneren Halbbrücken und dem ersten Energiespeicher gebildet wird und der zweite Zwischenkreis durch die äußeren Halbbrücken und den zweiten Energiespeicher gebildet wird. Dabei können der erste Energiespeicher und der zweite Energiespeicher bspw. als Kondensator oder als Batteriezelle oder als Kombination von beidem gebildet werden und auch ein unterschiedliches Spannungsspeichervermögen aufweisen. Der jeweilige Verbindungsschalter kann diese beiden Energiespeicher des jeweiligen Moduls zeitweise parallel schalten oder voneinander trennen.
In einer fortgesetzt noch weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem der zusätzliche zweite Energiespeicher angeordnet wurde, wird der Verbindungschalter durch einen Doppelgleichrichter ersetzt. Der Doppelgleichrichter wird dabei dadurch gebildet, indem mit der äußeren oberen Stromschiene eine Induktivität und daran der Source-/Emitter-Anschluss eines ersten unidirektionalen Halbleiterschalters verbunden wird, und weiter dessen Drain-/Kollektor-Anschluss mit der inneren oberen Stromschiene verbunden wird, sowie zwischen der Induktivität und dem ersten unidirektionalen Halbleiterschalter ein Drain-/Kollektor-Anschluss eines zweiten unidirektionalen Halbleiterschalters angeschlossen wird, dessen Source-/Emitter-Anschluss mit der unteren Stromschiene verbunden wird. Statt einer binären Zusammenschaltung oder Abtrennung ist damit vorteilhaft eine gezielte Strom- und/oder Spannungsregelung, d. h. ein gezielter Leistungsaustausch, zwischen dem ersten Energiespeicher und dem zweiten Energiespeicher des jeweiligen Moduls möglich. Beispielsweise kann hier der eine Energiespeicher parallel mit mindestens einem rechtseitigen Modul, der andere Energiespeicher parallel mit mindestens einem linksseitigen Modul geschaltet werden, wenn diese bspw. untereinander ähnliche Spannungsverhältnisse vorweisen. Der sich in dieser Anordnung bildende Doppelgleichrichter kann zum gesteuerten Leistungsaustausch sogar entgegen einer Spannungsrichtung genutzt werden. Über diese Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung des Doppelgleichrichters hinaus, die auch als unidirektionale Buck-Boost-Anordnung bezeichnet wird und benötigt, dass eine Spannung des ersten Energiespeichers höher ist als eine Spannung des zweiten Energiespeichers, sind für den Leistungsaustausch von Energiespeichern in Zwischenkreisen auch andere Topologien denkbar, beispielsweise eine bidirektionale Buck-Boost-Topologie mit vier Schaltern. Unabhängig davon kann eine solche integrale Gleichrichter-Stufe in Strom-, Spannungs- oder Strom-Spannungs-Regelung betrieben werden.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird durch ein jeweiliges Modul ohne die beiden Halbbrücken auf seiner linken Seite, aber zusammen mit den beiden Halbbrücken auf der linken Seite eines an die rechte Seite des jeweiligen Moduls angrenzenden Moduls eine jeweilige zweite Schalteinheit gebildet. Dies ist möglich, da in dem mindesten einen Strang an Modulen eine jeweilige Modulgrenze zur Bildung einer jeweiligen Schalteinheit verschoben werden kann. Eine sogenannte Stromkommutierung, d. h. das Umleiten des Strompfades, muss insbesondere zwischen den Halbbrücken durchgeführt werden. Da ein Zwischenzustand bspw. zwischen einem seriellen Schaltzustand und einem parallelen Schaltzustand des jeweiligen Moduls zu Kurzschlüssen führen kann, ist hier meist eine hohe Synchronizität der Umschaltung der einzelnen Schalter einer jeweilig gebildeten Schalteinheit notwendig. Aus diesem Grund kann es vorteilhaft sein, die Modulgrenzen gemäß dieser weiteren Ausführungsform zu der erfindungsgemäßen zweiten Schalteinheit umzuändern. Eine Synchronizitätsanforderung an eine Umsetzung eines jeweiligen Schaltzustands ist hierbei vorteilhaft verringert bzw. ein jeweiliger Zeitrahmen kann leichter eingehalten werden, da der jeweilig von der zweiten Schalteinheit zu verschaltende (mindestens eine) Energiespeicher an einer Seite - hier der rechten Seite der zweiten Schalteinheit - liegt und die zu einer von der zweiten Schalteinheit gehörenden Halbleiterschalter bspw. eine Kommutierungsanordnung bilden, die unmittelbar benachbart sind. Dadurch liegen die bspw. zu einer Kommutierungsgruppe gehörenden Halbleiterschalter, die zwangsweise gleichzeitig oder zumindest innerhalb eines sehr engen Zeitrahmens angesteuert werden müssen, nicht mehr durch den jeweiligen (mindestens einen) Energiespeicher getrennt, weshalb auch weiter vorteilhaft nicht mehr unterschiedliche Schalteinheiten, d. h. bei der ersten Schalteinheit ein Modul mit mittigem (mindestens einen) Energiespeicher, zueinander synchronisiert werden müssen. Stattdessen liegen alle Halbleiterschalter, die zeitgleich für eine für eine Kommutierung eines Strompfades angesteuert werden müssen, in derselben (zweiten) Schalteinheit. Der Zeitrahmen zur Ansteuerung dieser jeweiligen zweiten Schalteinheit erweitert sich dabei von einem Nanosekundenbereich in einen Mikrosekundenbereich oder sogar darüber hinaus. In gleicher Weise ist es denkbar, analog zu der zweiten Schalteinheit mit dem jeweiligen (mindestens einen) Energiespeicher auf der linken Seite eine dritte Schalteinheit mit dem jeweiligen Energiespeicher auf der rechten Seite zu bilden.
Ferner wird eine Schaltung zur Bereitstellung erweiterter Schaltzustände bei einem modularen Multilevelkonverter mit Halbbrücken beansprucht, wobei der modulare Multilevelkonverter mindestens einen Strang mit einem ersten äußeren Modul, einem zweiten äußeren Modul und mindestens einem inneren Modul umfasst. Jedes Modul weist eine erste Seite und eine zweite Seite auf, welche jeweils einen ersten Modulanschluss und einen zweiten Modulanschluss umfassen. Jede Seite weist eine äußere und eine innere Halbbrücke mit jeweils einem unteren und einem oberen unidirektionalen Halbleiterschalter und einer jeweilig zugeordneten Freilaufdiode auf, wobei die jeweilige Freilaufdiode in Durchflussrichtung von einem Source-/Emitter-Anschluss zu einem Drain-/Kollektor-Anschluss des jeweiligen unidirektionalen Halbleiterschalters angeordnet ist und der jeweilig untere Halbleiterschalter mit seinem Drain-/Kollektor-Anschluss und der jeweilig obere Halbleiterschalter mit seinem Source-/Emitter-Anschluss mit einem jeweiligen ersten oder zweiten Modulanschluss der jeweiligen Seite verbunden ist, wobei auf jeder Seite der jeweilig erste Modulanschluss mit der jeweilig äußeren Halbbrücke und der jeweilig zweite Modulanschluss mit der jeweilig inneren Halbbrücke verbunden ist. Die Source-/Emitter-Anschlüsse der jeweiligen unteren Halbleiterschalter sind durch eine untere Stromschiene verbunden. Die Drain-/Kollektor-Anschlüsse der jeweilig äußeren oberen Halbleiterschalter sind durch eine äußere obere Stromschiene verbunden und die Drain-/Kollektor-Anschlüsse der jeweilig inneren oberen Halbleiterschalter sind durch eine innere obere Stromschiene verbunden. Mit der inneren oberen Stromschiene ist ein positiver Pol eines ersten Energiespeichers und mit der unteren Stromschiene ist ein negativer Pol des ersten Energiespeichers verbunden, wobei zwischen der äußeren oberen Stromschiene und der inneren oberen Stromschiene ein Verbindungsschalter angeordnet ist. Durch ein so gebildetes Modul sind mindestens eine serielle und eine parallele Verschaltung des ersten Energiespeichers des jeweiligen Moduls mit jeweiligen ersten Energiespeichern benachbarter Module ermöglicht. Die Schaltung umfasst weiter eine Steuerungseinheit, welche dazu konfiguriert ist, mindestens die jeweiligen ersten Schalteinheiten zu steuern. Schließlich ist mindestens ein Schaltzustand mindestens einer durch ein inneres Modul gebildeten ersten Schalteinheit dazu konfiguriert, den Strom über die jeweilige äußere obere Stromschiene und die jeweilige untere Stromschiene gemeinsam unter einer Umgehung des jeweiligen Energiespeichers der mindestens einen ersten Schalteinheit zu leiten.
In einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltung weist die Schaltung zusätzlich einen zweiten Energiespeicher auf, der zwischen der äußeren oberen Stromschiene und der unteren Stromschiene angeordnet ist.
In einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltung ist der Verbindungschalter durch einen Doppelgleichrichter ersetzt, wobei der Doppelgleichrichter gebildet ist, indem mit der äußeren oberen Stromschiene eine Induktivität und daran der Source-/Emitter-Anschluss eines ersten unidirektionalen Halbleiterschalters verbunden ist, und weiter dessen Drain-/Kollektor-Anschluss mit der inneren oberen Stromschiene verbunden ist, sowie zwischen der Induktivität und dem ersten unidirektionalen Halbleiterschalter ein Drain-/Kollektor-Anschluss eines zweiten unidirektionalen Halbleiterschalters angeschlossen ist, dessen Source-/Emitter-Anschluss mit der unteren Stromschiene verbunden ist.
In einer noch weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltung ist durch ein jeweiliges Modul ohne die beiden Halbbrücken auf seiner linken Seite, aber zusammen mit den beiden Halbbrücken auf der linken Seite eines an die rechte Seite des jeweiligen Moduls angrenzenden Moduls eine jeweilige zweite Schalteinheit gebildet.
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 eine Modulschaltung als eine erste Schalteinheit zu einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
2 zeigt eine Modulschaltung mit einem unidirektionalen Halbleiterschalter als Verbindungsschalter zu einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
3 zeigt einen Bypass-Schaltzustand zu einer weiter fortgesetzten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
4 zeigt einen Parallel-Überspring-Schaltzustand zu einer noch weiter fortgesetzten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
5 zeigt eine Modulschaltung mit einem bidirektionalen Halbleiterschalter als Verbindungsschalter zu einer noch weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
6 zeigt eine Modulschaltung mit einem umgekehrt angeordneten unidirektionalen Halbleiterschalter als Verbindungsschalter zu einer fortgesetzt weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
7 zeigt eine Modulschaltung mit einer zweiten Schalteinheit zu einer fortgesetzt noch weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
8 zeigt eine explizite Modulschaltung als zweite Schalteinheit zu der fortgesetzt noch weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
9 zeigt eine Modulschaltung mit einem zusätzlichen zweiten Energiespeicher zu einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
10 zeigt eine Modulschaltung mit einem Doppelgleichrichter zu einer noch weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
11 zeigt eine Modulschaltung mit einem Doppelgleichrichter in bidirektionaler Buck-Boost-Topologie zu einer fortgesetzt noch weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.

In 1 wird eine Modulschaltung 100 für ein i-tes Modul zu einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Auf beiden Seiten befindet sich eine äußere und eine innere Halbbrücke mit jeweils zwei unidirektionalen Halbleiterschaltern $Q_{α}^{(i)}, Q_{β}^{(i)}, Q_{γ}^{(i)}, Q_{δ}^{(i)}, Q_{ε}^{(i)}, Q_{ς}^{(i)}, Q_{η}^{(i)}, Q_{θ}^{(i)},$
samt jeweiliger Freilaufdiode 111, 112, 113, 114, 115, 116, 117, 118, hier als Feldeffekttransistor mit intrinsischer Bodydiode dargestellt. Zwei Modulanschlüsse 101, 102 stellen eine Verbindung zu einem linken Nachbarmodul und zwei Modulanschlüsse 103, 104 stellen eine Verbindung zu einem rechten Nachbarmodul her. Zwischen einem Drain-Anschluss des oberen unidirektionalen Halbleiterschalters $Q_{α}^{(i)}$
111 der äußeren Halbbrücke der linken Seite und dem Drain-Anschluss des oberen unidirektionalen Halbleiterschalters $Q_{η}^{(i)}$
117 der äußeren Halbbrücke der rechten Seite verläuft eine äußere obere Stromschiene 105. Zwischen einem Drain-Anschluss des oberen unidirektionalen Halbleiterschalters $Q_{γ}^{(i)}$
113 der inneren Halbbrücke der linken Seite und dem Drain-Anschluss des oberen unidirektionalen Halbleiterschalters $Q_{ε}^{(i)}$
115 der inneren Halbbrücke der rechten Seite verläuft eine innere obere Stromschiene 106. Zwischen allen Source-Anschlüssen der unteren unidirektionalen Halbleiterschalter $Q_{β}^{(i)} 112, Q_{σ}^{(i)} 114, Q_{ς}^{(i)} 116, Q_{θ}^{(i)} 118$
der Halbbrücken verläuft eine untere Stromschiene 107. Zwischen beiden oberen Stromschienen 105, 106 ist ein Schalter $Q_{l}^{(i)}$
110, der ein mechanischer Schalter oder ein Halbleiterschalter sein kann, als ein Verbindungsschalter angeordnet. Schließlich ist zwischen der inneren oberen Stromschiene 106 und der unteren Stromschiene 107 ein Energiespeicher 109, hier dargestellt als gepolter Elektrolytkondensator 109 der Kapazität $C_{m}^{(i)}$
mit einem Spannungspotential $V_{m}^{(i)}$
108, angeordnet. In einem modularen Multilevelkonverter mit mindestens einem Strang aus N Modulen bildet ein erstes Modul ein erstes äußeres Modul und ein N-tes Modul ein zweites äußeres Modul, und das i-te Modul mit 1 <i<N ein inneres Modul als eine erste Schalteinheit. In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden nun durch einen mit der Modulschaltung 100 realisierbaren neuen Bypass-Schaltzustand und einen neuen Parallel-Überspring-Schaltzustand vorteilhaft die äußere obere und die untere Stromschiene 105, 107 als ein jeweiliger Strompfad mit gegenüber dem Stand der Technik reduzierten Durchleitungsverlusten genutzt.
In 2 wird eine Modulschaltung 200 mit einem unidirektionalen Halbleiterschalter 210 als Verbindungsschalter 210 zu einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. In einem Normalbetrieb mit geschlossenem Verbindungsschalter 210 sind die äußere obere Stromschiene 105 und die innere obere Stromschiene 106 auf gleichem Potential. Bei offenem Verbindungschalter 210 steht der Bypass-Schaltzustand stets zur Verfügung, der Parallel-Überspring-Schaltzustand nur dann, wenn ein Spannungspotential 108 des ggfs. zu überspringenden Energiespeichers 109 höher ist als die Spannungspotentiale der nächstgelegenen nicht übersprungenen parallel geschalteten Energiespeicher.
In 3 wird eine Modulschaltung mit einem Bypass-Schaltzustand 300, 399 zu einer weiter fortgesetzten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Hierzu ist die Modulschaltung 200 aus 2 als ein mittleres Modul dargestellt, das mit einem links-benachbarten Modul mit Modulanschlüssen 301, 302, Halbleiterschaltern 311, 312, 313, 314, 315, 316, 317, 318, Verbindungsschalter 310 und Energiespeicher 319, und mit einem rechts-benachbarten Modul mit Modulanschlüssen 303, 304, Halbleiterschaltern 321, 322, 323, 324, 325, 326, 327, 328, Verbindungsschalter 320 und Energiespeicher 329 verbunden ist. Eine jeweilige Schalterstellung der Halbleiterschalter 111, 112, 113, 114, 115, 116, 117, 118, 210, 310, 315, 316, 317, 318, 320, 321, 322, 323, 324 ist durch ein kleines Symbol eines offenen oder geschlossenen Schalters angedeutet, wobei ein „v“ als logisches Und-Zeichen ausdrückt, dass beide Schalterstellungen erlaubt sind. Die Schalterstellungen der äußersten Halbleiterschalter 311, 312, 313, 314, 325, 326, 327, 328 sind nicht angegeben, weil diese zusammen mit den weiter nach außen folgenden Modulen beliebige Verbindungen eingehen können, die den Zustand der dargestellten Module untereinander nicht beeinflussen. Mit den gezeigten Schalterstellungen wird im mittleren Modul ein zusätzlicher Bypassboost-Strompfad, in der Figur durch eine obere und untere gestrichelte Linie 306 dargestellt, zu einem Bypass-Schaltzustand bspw. Bypassboost um den Energiespeicher 109 herum erzeugt. Das mittlere Modul erhöht die Spannung des Stranges nicht, leitet aber jeglichen Strom des Stranges mit weniger Verlusten als ein bisher bekannter Bypass-Modus, der nur die untere (oder äußere obere) Stromschiene alleine nutzt. Der Bypassboost benötigt keinen bidirektionalen Verbindungsschalter, weil das elektrische Potential der äußeren oberen Stromschiene etwa dem der unteren Stromschiene entspricht und die Spannung damit automatisch niedriger oder gleich der Spannung des Energiespeichers 109 ist. Daher ist die Freilaufdiode am Verbindungsschalter 210 nicht leitend. Zur Verdeutlichung ist der Bypassboost auch in einem zur Schaltungsanordnung 300 äquivalenten Ersatzschaltbild 399 gezeigt, bei dem zusätzlich zu der sich zwischen der unteren Stromschiene zwischen den Modulanschlüssen 302 und 304 befindlichen Verbindung der Energiespeicher 210 von einem äußeren oberen Bypass-Strompfad um den Verbindungsschalter 210 herum umgangen wird.
In 4 wird eine Modulschaltung mit einem Parallel-Überspring-Schaltzustand 400, 499 zu einer noch weiter fortgesetzten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Hierbei wird, wie durch einen gestrichelten Parallel-Überspring-Strompfad 406 dargestellt, der Energiespeicher 319 des links-benachbarten Moduls und der Energiespeicher 329 des rechts-benachbarten Moduls parallel geschaltet und der Energiespeicher 109 des mittleren Moduls übersprungen. Dabei ist es denkbar, auch mehrere Module zu überspringen, genauso wie es denkbar ist, auch weitere außen benachbarte Module mit in die parallele Verschaltung der Energiespeicher 319 und 329 miteinzubeziehen. Würde dies nun mit einem bidirektionalen Schalter 110 aus 1 getan werden, so wären die Potentialverhältnisse in den jeweiligen Stromschienen egal. Bei der hier dargestellten unidirektionalen Variante des Verbindungsschalters 210 wird der mittlere Energiespeicher 109 jedoch nur dann übersprungen, wenn die Spannungspotentiale der außen liegenden Energiespeicher 319 und 329 niedriger liegen als das Spannungspotential des mittleren Energiespeichers 109. Zur Verdeutlichung ist der Parallel-Überspring-Schaltzustand auch in einem zur Schaltungsanordnung 400 äquivalenten Ersatzschaltbild 499 gezeigt, bei dem der Energiespeicher 210 durch die sich zwischen den Modulanschlüssen 302 und 304 befindlichen unteren Verbindung und die sich zwischen den Modulanschlüssen 301 und 303 befindlichen oberen Verbindung umgangen wird.
In 5 wird eine Modulschaltung 500 mit einem bidirektionalen Halbleiterschalter als Verbindungsschalter zu einer noch weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Der Verbindungsschalter 110 aus 1 ist bei dieser Ausführungsform durch zwei antiseriell angeordnete unidirektionale Halbleiterschalter 510, 520 mit jeweiliger Freilaufdiode realisiert.
In 6 wird eine Modulschaltung 600 mit einem umgekehrt angeordneten unidirektionalen Halbleiterschalter 610 als Verbindungsschalter zu einer fortgesetzt weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Der unidirektionale Halbleiterschalter 610 mit Freilaufdiode ist mit seinem Source-Anschluss mit der inneren oberen Stromschiene 106 und mit seinem Drain-Anschluss mit der äußeren oberen Stromschiene 105 verbunden.
Entsprechend ist die zugeordnete Freilaufdiode von der inneren oberen Stromschiene 106 hin zu der äußeren oberen Stromschiene 105 in Durchlassrichtung angeordnet. Bei dieser Anordnung kann der Bypass-Schaltzustand nicht mehr eingesetzt werden, jedoch der Parallel-Überspring-Schaltzustand, wenn ein Spannungspotential 108 des zu überspringenden Energiespeichers 109 niedriger ist als die Spannungspotentiale der nächstgelegenen nicht übersprungenen miteinander parallel geschalteten Energiespeicher.
In 7 wird eine Modulschaltung 700 mit einer zweiten Schalteinheit 706 zu einer fortgesetzt noch weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. In einem Strang von Modulen kann eine Modulgrenze eines einzelnen Moduls, also quasi wo der Schnitt zwischen zwei Modulen zur Bildung einer Schalteinheit gesetzt wird, relativ frei gewählt werden. Eine sogenannte Stromkommutierung, d. h. ein Umleiten des Strompfades, muss insbesondere zwischen den Halbbrücken durchgeführt werden. Da Zwischenzustände, bspw. zwischen einem seriellen und einem darauf unmittelbar folgenden parallelen Schaltzustand zu Kurzschlüssen führen können, ist hier meist eine hohe Synchronität der Umschaltung der einzelnen Halbleiterschalter einer Kommutierungseinheit bzw. Schalteinheit notwendig. Aus diesem Grund kann es vorteilhaft sein, die Modulgrenzen nicht wie bei der ersten Schalteinheit 705 zu wählen, bei der der Energiespeicher 109 von den jeweiligen Halbbrücken der linken und rechten Seite umgeben ist, sondern die Modulgrenzen wie bei der zweiten Schalteinheit 706 zu wählen, bei der der Energiespeicher 319 direkt an einer der Modulgrenzen, hier auf der linken Seite, angeordnet ist.
In 8 wird eine explizite Modulschaltung 800 als zweite Schalteinheit (Bezugszeichen 706 aus 7) zu der fortgesetzt noch weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Durch die gewählten Modulgrenzen entstehen drei Modulanschlüsse 801, 802, 803 auf der linken Seite und drei Modulanschlüsse 804, 805, 806 auf der rechten Seite. Der Energiespeicher 319 als Modulspeicher mit Spannungspotential 808 ist hier auf der linken Seite angeordnet. Alternativ hierzu ist es denkbar, die Modulgrenzen so zu legen, dass sich bspw. mit dem Energiespeicher 109 ein Modulspeicher mit Spannungspotential 108 auf der rechten Seite ergibt.
In 9 wird eine Modulschaltung mit einem zusätzlichen zweiten Energiespeicher 909 zu einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Hierbei ist in einem durch die äußeren Halbbrücken gebildeten Zwischenkreis ein zweiter Energiespeicher 909 angeordnet, der gegebenenfalls mit dem ersten Energiespeicher 109 Strom- bzw. Spannungsaustausch betreiben kann. Der Verbindungsschalter 110 kann beide Energiespeicher 109, 909 zeitweise miteinander parallel schalten oder wieder voneinander trennen.
In 10 wird eine Modulschaltung 1000 mit einem Doppelgleichrichter zu einer noch weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Hierzu wird ein erster unidirektionaler Halbleiterschalter 1010 mit einer Induktivität 1030 seriell zwischen der inneren oberen Stromschiene 106 und der äußeren oberen Stromschiene 105 angeordnet. Zusammen mit einem zweiten unidirektionaler Halbleiterschalter 1020 wird somit ein Doppelgleichrichter in sogenannter unidirektionaler Buck-Boost-Anordnung gebildet, der einen Leistungsaustausch zwischen den beiden Energiespeichern 109 und 909 regeln kann. Allerdings ist hierzu notwendig, dass ein Spannungspotential des Energiespeichers 909 niedriger liegt als das Spannungspotential des Energiespeichers 109.
In 11 wird eine Modulschaltung 1100 mit einem Doppelgleichrichter in bidirektionaler Buck-Boost-Topologie zu einer fortgesetzt noch weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Die zwei hierzu zusätzlich angeordneten unidirektionalen Halbleiterschalter 1110, 1120 ermöglichen die Regelung des Leistungsaustauschs zwischen den beiden Energiespeichern 109, 909 ungeachtet von deren jeweiligen Spannu ngsverhältn issen.

Claims

Verfahren zur Bereitstellung erweiterter Schaltzustände (306, 406) bei einem modularen Multilevelkonverter mit Halbbrücken, bei dem der modulare Multilevelkonverter mindestens einen Strang mit einem ersten äußeren Modul (100, 200, 500, 600, 900, 1000, 1100), einem zweiten äußeren Modul (100, 200, 500, 600, 900, 1000, 1100) und mindestens einem inneren Modul (100, 200, 500, 600, 900, 1000, 1100) umfasst, bei dem jedes Modul (100, 200, 500, 600, 900, 1000, 1100) eine erste Seite und eine zweite Seite aufweist, welche jeweils einen ersten Modulanschluss (101, 103) und einen zweiten Modulanschluss (102, 104) umfassen, bei dem jede Seite eine äußere und eine innere Halbbrücke mit jeweils einem unteren und einem oberen unidirektionalen Halbleiterschalter (111, 112, 113, 114, 115, 116, 117, 118) und einer jeweilig zugeordneten Freilaufdiode aufweist, wobei die jeweilige Freilaufdiode in Durchflussrichtung von einem Source-/Emitter-Anschluss zu einem Drain-/Kollektor-Anschluss des jeweiligen unidirektionalen Halbleiterschalters (111, 112, 113, 114, 115, 116, 117, 118) angeordnet wird und der jeweilig untere Halbleiterschalter (112, 114, 116, 118) mit seinem Drain-/Kollektor-Anschluss und der jeweilig obere Halbleiterschalter (111, 113, 115, 117) mit seinem Source-/Emitter-Anschluss mit einem jeweiligen Modulanschluss (101, 102, 103, 104) der jeweiligen Seite verbunden werden, wobei auf jeder Seite der jeweilig erste Modulanschluss (101, 103) mit der jeweilig äußeren Halbbrücke und der jeweilig zweite Modulanschluss (102, 104) mit der jeweilig inneren Halbbrücke verbunden wird, bei dem die Source-/Emitter-Anschlüsse der jeweiligen unteren Halbleiterschalter (112, 114, 116, 118) durch eine untere Stromschiene (107) verbunden werden, bei dem die Drain-/Kollektor-Anschlüsse der jeweilig äußeren oberen Halbleiterschalter (111, 117) durch eine äußere obere Stromschiene (105) verbunden werden und die Drain-/Kollektor-Anschlüsse der jeweilig inneren oberen Halbleiterschalter (113, 115) durch eine innere obere Stromschiene (106) verbunden werden, bei dem mit der inneren oberen Stromschiene (106) ein positiver Pol eines ersten Energiespeichers (109) und mit der unteren Stromschiene (107) ein negativer Pol des ersten Energiespeichers (109) verbunden wird, wobei zwischen der äußeren oberen Stromschiene (105) und der inneren oberen Stromschiene (106) ein Verbindungsschalter (110, 210) angeordnet wird, wobei durch ein so gebildetes Modul (100, 200, 500, 600, 900, 1000, 1100) mindestens eine serielle und eine parallele Verschaltung des ersten Energiespeichers (109) des jeweiligen Moduls (100, 200, 500, 600, 900, 1000, 1100) mit jeweiligen ersten Energiespeichern (319, 329) benachbarter Module ermöglicht wird, wobei ein jeweiliges Modul (100, 200, 500, 600, 900, 1000, 1100) von einer Steuerungseinheit als eine jeweilige erste Schalteinheit (705) gesteuert wird, und wobei durch mindestens einen Schaltzustand mindestens einer durch ein inneres Modul (100, 200, 500, 600, 900, 1000, 1100) gebildeten ersten Schalteinheit (705) der Strom über die jeweilige äußere obere Stromschiene (105) und die jeweilige untere Stromschiene (107) gemeinsam unter einer Umgehung des jeweiligen ersten Energiespeichers (109) der mindestens einen ersten Schalteinheit (100, 200, 500, 600, 900, 1000, 1100) geleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Verbindungsschalter als ein mechanischer Schalter (110, 710) oder ein bidirektionaler Halbleiterschalter (510, 520) gewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Verbindungsschalter als ein unidirektionaler Halbleiterschalter (210, 310, 320, 610) mit Freilaufdiode gewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem der unidirektionale Halbleiterschalter (210, 310, 320) mit Freilaufdiode mit seinem Source-/Emitter-Anschluss mit der äußeren oberen Stromschiene (105) und mit seinem Drain-/Kollektor-Anschluss mit der inneren oberen Stromschiene (106) verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem der unidirektionale Halbleiterschalter (610) mit Freilaufdiode mit seinem Source-/Emitter-Anschluss mit der inneren oberen Stromschiene (105) und mit seinem Drain-/Kollektor-Anschluss mit der äußeren oberen Stromschiene (106) verbunden wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem als jeweiliger Halbleiterschalter (111, 112, 113, 114, 115, 116, 117, 118, 210, 310, 311, 312, 313, 314, 315, 316, 317, 318, 320, 321, 322, 323, 324, 325, 326, 327, 328, 510, 520, 610, 1010, 1020, 1110, 1120) mit Freilaufdiode ein Feldeffekttransistor (111, 112, 113, 114, 115, 116, 117, 118, 210, 310, 311, 312, 313, 314, 315, 316, 317, 318, 320, 321, 322, 323, 324, 325, 326, 327, 328, 510, 520, 610, 1010, 1020, 1110, 1120) gewählt wird, wobei der Feldeffekttransistor (111, 112, 113, 114, 115, 116, 117, 118, 210, 310, 311, 312, 313, 314, 315, 316, 317, 318, 320, 321, 322, 323, 324, 325, 326, 327, 328, 510, 520, 610, 1010, 1020, 1110, 1120) intrinsisch eine Bodydiode aufweist, welche die Funktion der Freilaufdiode einnimmt.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem zusätzlich zwischen der äußeren oberen Stromschiene (105) und der unteren Stromschiene (107) ein zweiter Energiespeicher (909) angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem der Verbindungschalter (110, 210, 310, 320, 510, 520, 610, 710) durch einen Doppelgleichrichter ersetzt wird, wobei der Doppelgleichrichter gebildet wird, indem mit der äußeren oberen Stromschiene (105) eine Induktivität (1030) und daran der Source-/Emitter-Anschluss eines ersten unidirektionalen Halbleiterschalters (1010) verbunden wird, und weiter dessen Drain-/Kollektor-Anschluss mit der inneren oberen Stromschiene (106) verbunden wird, sowie zwischen der Induktivität (1030) und dem ersten unidirektionalen Halbleiterschalter (1010) ein Drain-/Kollektor-Anschluss eines zweiten unidirektionalen Halbleiterschalters (1020) angeschlossen wird, dessen Source-/Emitter-Anschluss mit der unteren Stromschiene (107) verbunden wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem durch ein jeweiliges Modul ohne die beiden Halbbrücken (311, 312, 313, 314) auf seiner linken Seite, aber zusammen mit den beiden Halbbrücken (111, 112, 113, 114) auf der linken Seite eines an die rechte Seite des jeweiligen Moduls angrenzenden Moduls (705) eine jeweilige zweite Schalteinheit (706, 800) gebildet wird.
Schaltung (100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1100) zur Bereitstellung erweiterter Schaltzustände (306, 406) bei einem modularen Multilevelkonverter mit Halbbrücken, wobei der modulare Multilevelkonverter mindestens einen Strang mit einem ersten äußeren Modul (100, 200, 500, 600, 900, 1000, 1100), einem zweiten äußeren Modul (100, 200, 500, 600, 900, 1000, 1100) und mindestens einem inneren Modul (100, 200, 500, 600, 900, 1000, 1100) umfasst, wobei jedes Modul (100, 200, 500, 600, 900, 1000, 1100) eine erste Seite und eine zweite Seite aufweist, welche jeweils einen ersten Modulanschluss (101, 103) und einen zweiten Modulanschluss (102, 104) umfassen, bei dem jede Seite eine äußere und eine innere Halbbrücke mit jeweils einem unteren und einem oberen unidirektionalen Halbleiterschalter (111, 112, 113, 114, 115, 116, 117, 118) und einer jeweilig zugeordneten Freilaufdiode aufweist, wobei die jeweilige Freilaufdiode in Durchflussrichtung von einem Source-/Emitter-Anschluss zu einem Drain-/Kollektor-Anschluss des jeweiligen unidirektionalen Halbleiterschalters (111, 112, 113, 114, 115, 116, 117, 118) angeordnet ist und der jeweilig untere Halbleiterschalter (112, 114, 116, 118) mit seinem Drain-/Kollektor-Anschluss und der jeweilig obere Halbleiterschalter (111, 113, 115, 117) mit seinem Source-/Emitter-Anschluss mit einem jeweiligen Modulanschluss (101, 102, 103, 104) der jeweiligen Seite verbunden ist, wobei auf jeder Seite der jeweilig erste Modulanschluss (101, 103) mit der jeweilig äußeren Halbbrücke und der jeweilig zweite Modulanschluss (102, 104) mit der jeweilig inneren Halbbrücke verbunden ist, bei dem die Source-/Emitter-Anschlüsse der jeweiligen unteren Halbleiterschalter (112, 114, 116, 118) durch eine untere Stromschiene (107) verbunden sind, bei dem die Drain-/Kollektor-Anschlüsse der jeweilig äußeren oberen Halbleiterschalter (111, 117) durch eine äußere obere Stromschiene (105) verbunden sind und die Drain-/Kollektor-Anschlüsse der jeweilig inneren oberen Halbleiterschalter (113, 115) durch eine innere obere Stromschiene (106) verbunden sind, bei dem mit der inneren oberen Stromschiene (106) ein positiver Pol eines ersten Energiespeichers (109) und mit der unteren Stromschiene (107) ein negativer Pol des ersten Energiespeichers (109) verbunden sind, wobei zwischen der äußeren oberen Stromschiene (105, 106) und der inneren oberen Stromschiene (106) ein Verbindungsschalter (110, 210) angeordnet ist, wobei durch ein so gebildetes Modul (100, 200, 500, 600) mindestens eine serielle und eine parallele Verschaltung des ersten Energiespeichers (109) des jeweiligen Moduls (100, 200, 500, 600) mit jeweiligen ersten Energiespeichern (319, 329) benachbarter Module ermöglicht sind, wobei die Schaltung weiter eine Steuerungseinheit umfasst, welche dazu konfiguriert ist, mindestens die jeweiligen ersten Schalteinheiten (705) zu steuern, und wobei mindestens ein Schaltzustand (306, 406) mindestens einer durch ein inneres Modul (100, 200, 500, 600, 900, 1000, 1100) gebildeten ersten Schalteinheit (705) dazu konfiguriert ist, den Strom über die jeweilige äußere obere Stromschiene und die jeweilige untere Stromschiene gemeinsam unter einer Umgehung des jeweiligen Energiespeichers der mindestens einen ersten Schalteinheit zu leiten.
Schaltung (900, 1000, 1100) nach Anspruch 10, bei der die Schaltung zusätzlich einen zweiten Energiespeicher (909) aufweist, der zwischen der äußeren oberen Stromschiene (105) und der unteren Stromschiene (107) angeordnet ist.
Schaltung (1000, 1100) nach einem der Ansprüche 10 oder 11, bei dem der Verbindungschalter (110, 210, 310, 320, 510, 520, 610, 710) durch einen Doppelgleichrichter ersetzt ist, wobei der Doppelgleichrichter gebildet ist, indem mit der äußeren oberen Stromschiene (105) eine Induktivität (1030) und daran der Source-/Emitter-Anschluss eines ersten unidirektionalen Halbleiterschalters (1010) verbunden ist, und weiter dessen Drain-/Kollektor-Anschluss mit der inneren oberen Stromschiene (106) verbunden ist, sowie zwischen der Induktivität (1030) und dem ersten unidirektionalen Halbleiterschalter (1010) ein Drain-/Kollektor-Anschluss eines zweiten unidirektionalen Halbleiterschalters (1020) angeschlossen ist, dessen Source-/Emitter-Anschluss mit der unteren Stromschiene (107) verbunden ist.
Schaltung (800) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei durch ein jeweiliges Modul ohne die beiden Halbbrücken (311, 312, 313, 314) auf seiner linken Seite, aber zusammen mit den beiden Halbbrücken (111, 112, 113, 114) auf der linken Seite eines an die rechte Seite des jeweiligen Moduls angrenzenden Moduls (705) eine jeweilige zweite Schalteinheit (706, 800) gebildet ist.