DE102019201720A1 - Mehrstufen-Flying-Capacitor-Konvertermodul - Google Patents

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Matthias Tauer
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Mehrstufen-Flying-Capacitor-Konvertermodul, das ein erstes Teilmodul und ein von dem ersten Teilmodul getrenntes zweites Teilmodul umfasst, wobei mindestens eines des ersten und zweiten Teilmoduls über einen Gleichstromkondensator an eine Stromquelle, insbesondere eine Gleichstromquelle, geklemmt ist, und wobei mindestens eines des ersten und zweiten Teilmoduls einen von dem ersten Kondensator verschiedenen Flying Capacitor und mehrere Leistungsschaltern umfasst, wobei jeder der mehreren Leistungsschaltern einen Halbleiterschalter und eine Diode umfasst.

Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Flying-Capacitor-Mehrstufenkonverter, insbesondere einen Mehrstufen-Flying-Capacitor-Konverter, der für Anwendungen mit hoher Leistung und hoher Schaltfrequenz geeignet ist.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Mehrstufen-Wandler/Inverter und -Booster stoßen, insbesondere im technischen Bereich von beispielsweise Solar- oder Windenergieanlagen und elektrischen Fahrzeugladegeräten, auf wachsendes Interesse. Im Vergleich zu einfachen einstufigen Wechselrichtern ermöglichen Mehrstufen-Wechselrichter höhere Leistungen, einen höheren Wirkungsgrad und geringere harmonische Verzerrungen. Es sind drei grundlegende Mehrstufen-Wechselrichter-Architekturen bekannt: Mehrstufen-Klemmung (oder Diodenklemmung), Flying-Capacitor (d.h. bezüglich der Erde schwebend) und kaskadierte H-Brücke mit separaten Gleichstromquellen. Dreistufige Konverter mit Sternpunkt-Klemmung (3L-NPC) werden in Hochleistungsanwendungen im Mittelspannungsbereich häufig eingesetzt. Der Hauptnachteil der 3L-NPC-Topologie ist in der unausgewogenen Verlustverteilung zwischen den Leistungsbauelementen zu sehen. Die 3-Punkt-ANPC-Topologie (3L-ANPC) ist eine effektive Methode zur Lösung dieses Problems, indem Schaltvorrichtungen verwendet werden, die die 3L-NPC-Klemmdioden ersetzen. Dadurch kann die 3L-ANPC die Verlustverteilung der Leistungsbauelemente durch Schalten verschiedener Nullzustände im Rahmen der Kommutierungsstrategie verändern.
  • Flying-Capacitor-Wechselrichter weisen im Prinzip Architekturen auf, die automatisch die Spannungsausgleichseigenschaft für passive Lasten gewährleisten, und damit bieten sie eine attraktive Alternative zu den mehrstufen-geklemmten an. 1 zeigt einen Zweig eines 3-Stufen Flying-Capacitor-Konverters des Stands der Technik, der Dioden (D1, D2, D3, D4), Kondensatoren (C_int, C1) und Schalter in Form von Form von Transistoren (T1, T2, T3, T4) umfasst. Einer der Kondensatoren (C_int) ist an der Stromquelle (DC+, DC-) geklemmt, und der andere (C1) stellt einen Flying Capacitor dar, der in Bezug auf das Erdpotential schwebt. Jeder der 3 Stränge des Konverters gibt eine Stromphase eines resultierenden Wechselstroms aus, den der Konverter erhält. In ähnlicher Weise zeigt 2 ein Beispiel für einen 5-Stufen-Flying-Capacitor-Wandlers des Stands der Technik, der sechs Paare von Transistoren und Dioden und zwei Flying Capacitors umfasst. Hier wird der Einfachheit halber ein Paar aus einem Transistor und einer Diode als Leistungsschalter bezeichnet.
  • Heutige Flying-Capacitor-Mehrstufen-Konverter/Inverter- und -Booster-Topologien leiden jedoch unter anderem daran, dass sie die folgenden Anforderungen nicht ausreichend erfüllen: Geringe induktive Verbindung zu den erforderlichen Kondensatoren, ein geringes induktives Schließen der Kommutierungsschleife und eine hohe erzielbare Leistung aus der Flying-Capacitor-Topologie in einem Leistungsmodul.
  • Es ist Gegenstand dieser Erfindung, ein Mehrstufen-Flying-Capacitor-Konvertermodul bereitzustellen, das die oben genannten Anforderungen erfüllt.
  • Beschreibung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung zielt auf den oben genannten Gegenstand ab, indem sie ein Mehrstufen-Flying-Capacitor-Konvertermodul bereitstellt, das mindestens ein erstes Teilmodul und ein zweites, vom ersten Teilmodul verschiedenes Teilmodul, umfasst. Hier und im Folgenden umfasst der Begriff „Konverter“ DC/AC-Konverter, ohne dass dieser Begriff darauf beschränkt ist. Der Konverter kann z.B. zumindest teilweise in Form eines BUCK-(Abwärts-DC/DC)-Leistungskonverters, eines BOOST-(Aufwärts-DC/DC)-Leistungskonverters oder einer Kombination daraus realisiert werden. Der MehrstufenKonverter kann z.B. ein 3-Stufen- oder 5-Stufen - Konverter sein. Das zweite Teilmodul ist vom ersten Teilmodul getrennt und kann auf einem zweiten Substrat ausgebildet sein, das sich von einem ersten Substrat unterscheidet, auf dem das erste Teilmodul ausgebildet ist.
  • Mindestens eines von dem ersten und dem zweiten Teilmodul wird über einen ersten Kondensator (Gleichstromkondensator) an eine Stromquelle, insbesondere an eine Gleichstromquelle, geklemmt. Das erste Teilmodul umfasst beispielsweise den Gleichstromkondensator. Darüber hinaus umfasst mindestens eines des ersten und zweiten Teilmoduls einen (eigenen, nicht von dem anderen Teilmodul geteilten) Flying Capacitor (der sich von dem Gleichstromkondensator unterscheidet und in Bezug auf die Erde schwebt) und mehrere Leistungsschalter, wobei jeder der mehreren Leistungsschalter einen Halbleiterschalter und eine Diode (seinen eigenen Halbleiterschalter und seine eigene Diode, die nicht mit einem anderen der Leistungsschalter geteilt wird) umfasst oder aus diesen besteht. Der Halbleiterschalter kann ein Transistor sein, zum Beispiel ein MOSFET oder ein Bipolartransistor mit isoliertem Gate. Der Flying Capacitor kann an zwei Leistungsschalter der Mehrzahl von Leistungsschaltern angeschlossen werden. In Kombination miteinander sind das erste und das zweite Teilmodul, die einen Zweig des Konverters bilden, so ausgebildet, dass sie eine einzige Stromphase auf der Grundlage des von der Stromquelle eingegebenen Stroms ausgeben. Die Ausgangsstromphase kann an ein Wechselstromnetz oder eine kapazitive Last geliefert werden.
  • Anders als im Stand der Technik wird ein Zweig der Konverterschaltung auf mindestens zwei Teilmodule verteilt (oder auf mindestens zwei verschiedenen Substraten gebildet). Aufgrund dieser verteilten Topologie können insbesondere reduzierte Kapazitäten des/der externen Gleichstromverbindungskondensators/-kondensatoren, die zu geringeren Kosten und einer höheren Leistung im Vergleich zu den in der Technik bekannten Topologien führen, vorteilhaft erreicht werden.
  • Entsprechend einer Ausführungsform ist das erste Teilmodul so ausgebildet, dass es eine positive Halbwelle einer Stromphase eines Wechselstroms ausgibt, und das zweite Teilmodul ist so ausgebildet, dass es eine negative Halbwelle der Stromphase ausgibt. In diesem Fall ist ein erster Flying Capacitor des ersten Teilmoduls mit einem Knoten zwischen den Leistungsschaltern eines ersten Paares von Leistungsschaltern und einem weiteren Knoten zwischen den Dioden eines ersten Paares von Dioden verbunden, wobei einer der Leistungsschalter des ersten Paares von Leistungsschaltern direkt mit einem Pluspol der Stromquelle verbunden ist, und ein zweiter Flying Capacitor des zweiten Teilmoduls ist mit einem Knoten, der sich zwischen Leistungsschaltern eines zweiten Paares von Leistungsschaltern befindet, und mit einem weiteren Knoten, der sich zwischen Dioden eines zweiten Paares von Dioden befindet, verbunden, wobei einer der Leistungsschalter des zweiten Paares von Leistungsschaltern direkt mit einem Minuspol der Stromquelle verbunden ist. Hier und in der folgenden Beschreibung besteht jedes erwähnte Leistungsschalterpaar aus zwei in Reihe geschalteten Leistungsschaltern, und jedes erwähnte Diodenpaar besteht aus zwei in Reihe geschalteten Dioden. Keine der Dioden des ersten und zweiten Diodenpaares ist Teil eines der Leistungsschalter der jeweiligen Teilmodule. Durch diese Konfiguration kann ein sehr effizienter DC-AC-Konverter bereitgestellt. In diesem Fall umfasst das erste Teilmodul drei in Reihe geschaltete Leistungsschalter und zusätzliche drei in Reihe geschaltete Dioden, einen ersten Flying Capacitor und einen zweiten Flying Capacitor und den ersten Kondensator, wobei der erste Flying Capacitor mit einem Knotenpunkt verbunden ist, der zwischen einem ersten und einem zweiten der drei Leistungsschalter und einer Kathode einer ersten der drei Dioden liegt, und wobei der zweite Flying Capacitor mit einem weiteren Knotenpunkt verbunden ist, der zwischen dem zweiten und einem dritten der drei Leistungsschalter und einer Kathode einer zweiten der drei Dioden liegt. Zusätzlich umfasst das zweite Teilmodul drei in Reihe geschaltete Leistungsschalter und zusätzliche drei in Reihe geschaltete Dioden, einen ersten Flying Capacitor und einen zweiten Flying Capacitor, wobei der erste Flying Capacitor mit einem Knoten verbunden ist, der zwischen einem ersten und einem zweiten der drei Leistungsschalter und einer Kathode einer ersten der drei Dioden angeordnet ist, und wobei der zweite Flying Capacitor mit einem anderen Knoten verbunden ist, der zwischen dem zweiten und einem dritten der drei Leistungsschalter und einer Kathode einer zweiten der drei Dioden angeordnet ist.
  • Nach einer alternativen Ausführungsform ist die Zweigschaltung anders verteilt als bei dem oben beschriebenen Ansatz. In dieser alternativen Ausführungsform umfasst das erste Teilmodul den Gleichstromkondensator und einem zweiten Kondensator, der zwischen die Leistungsschalter eines ersten Paares von Leistungsschaltern verbunden ist, die in dem ersten Teilmodul gebildet werden. Darüber umfasst das zweite Teilmodul den Flying Capacitor, der mit den Leistungsschaltern eines zweiten Paares von Leistungsschaltern verbunden ist, die in dem zweiten Teilmodul ausgebildet sind. Außerdem sind das erste und das zweite Teilmodul elektrisch miteinander verbunden. Das zweite Teilmodul ist nicht an die Stromquelle geklemmt und umfasst einen Ausgang, der so ausgebildet ist, dass er eine Stromphase ausgibt und der zwischen den Leistungsschaltern des zweiten Paars von Leistungsschaltern positioniert ist. Im Falle eines 5-Stufen-Konverters kann diese Ausführungsform ferner ein drittes Teilmodul umfassen, das elektrisch mit dem ersten und dem zweiten Teilmodul verbunden ist, und umfasst einen weiteren Flying Capacitor, der mit Leistungsschaltern eines dritten Paars von Leistungsschalten verbunden ist, die in dem dritten Teilmodul ausgebildet sind.
  • Während des Betriebs des Mehrstufen-Flying-Capacitor-Konvertermoduls gemäß einem der oben beschriebenen Beispiele kann in dem ersten Teilmodul eine erste geschlossene Kommutierungsschleife und in dem zweiten Teilmodul eine zweite, von der ersten geschlossenen Kommutierungsschleife verschiedene, geschlossene Kommutierungsschleife ausgebildet sein.
  • Zusätzlich wird ein Leistungsmodul mit dem Mehrstufen-Flying-Capacitor-Konvertermodul gemäß einer der oben beschriebenen Ausführungsformen bereitgestellt. Das Leistungsmodul kann z.B. für den Einsatz in Solarenergie-, Windkraft- und Wasserkraftwerken geeignet sein.
  • Darüber hinaus wird die Verwendung/der Betrieb einer der oben beschriebenen Ausführungsformen des Mehrstufen-Flying-Capacitor-Konvertermoduls zumindest teilweise als BUCK-Leistungskonverter, BOOST-Leistungskonverter oder eine Kombination davon bereitgestellt. Dementsprechend wird ein Verfahren zur Invertierung, Aufwärts- oder Abwärtswandlung eines von einer Gleichstromquelle gelieferten Gleichstroms bereitgestellt. Das Verfahren umfasst die Schritte der Bereitstellung eines Mehrstufen-Flying-Capacitor-Konvertermoduls gemäß einer der oben beschriebenen Ausführungsformen oder eines oben erwähnten Leistungsmoduls und die Steuerung der Mehrzahl von Leistungsschaltern für
    1. a) die Invertierung des Gleichstroms in einen Wechselstrom mittels mindestens des ersten und zweiten Teilmoduls; oder
    2. b) Erhöhung des Gleichstroms durch mindestens eines des ersten und zweiten Teilmoduls; oder
    3. c) die Erniedrigung des Gleichstroms durch mindestens eines des ersten und zweiten Teilmoduls.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. In der Beschreibung wird auf die begleitenden Figuren verwiesen, die bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung veranschaulichen sollen. Es wird davon ausgegangen, dass solche Ausführungsformen nicht den vollen Umfang der Erfindung darstellen.
    • 1 veranschaulicht einen 3-Stufen-Flying-Capacitor-Konverter des Stands der Technik.
    • 2 zeigt einen 5-Stufen-Flying-Capacitor-Konverter des Stands der Technik.
    • 3 zeigt einen Schaltplan eines Teils eines 3-Stufen-Flying-Capacitor-Konvertermoduls gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 4 zeigt einen Schaltplan eines Teils eines 5-Stufen-Flying-Capacitor-Konvertermoduls gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 5 zeigt einen Schaltplan eines Teils eines 3-Stufen-Flying-Capacitor-Konvertermoduls gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 6 zeigt einen Schaltplan eines Teils eines 5-Stufen-Flying-Capacitor-Konvertermoduls gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • Die vorliegende Erfindung stellt ein Mehrstufen- (z.B. 3-Stufen- oder 5-Stufen-) Flying-Capacitor-Konvertermodul zur Verfügung, das insbesondere für den Betrieb in Solar- oder Windenergieanlagen, elektrischen Fahrzeugladegeräten usw. geeignet ist. In einigen Ausführungsformen ist das offengelegte Mehrstufen-Flying-Capacitor-Konvertermodul geeignet, Wechselstrom (AC) in ein Wechselstromnetz mit einer Netzfrequenz zu liefern, wobei das Modul an eine Gleichstromquelle (DC) geklemmt wird. Die Gleichstromquelle kann als jede Art von Gleichstromquelle ausgeführt werden, die so ausgebildet ist, dass sie Gleichstrom erzeugt oder produziert, der an das Modul geliefert wird.
  • Zum Beispiel kann die Gleichstromquelle als eine photovoltaische Solarzelle oder Anordnung, eine Brennstoffzelle, eine Windturbine, die zur Erzeugung von Gleichstrom (z.B. über eine Gleichrichterschaltung) ausgebildet ist, eine Wasserturbine, die zur Erzeugung von Gleichstrom ausgebildet ist, oder eine andere unipolare Stromquelle ausgebildet sein. Insbesondere kann das Mehrstufen-Flying-Capacitor-Konvertermodul so ausgebildet sein, dass es eine von der Gleichstromquelle erzeugte Gleichstromwellenform in eine Wechselstromwellenform umwandelt, die für die Einspeisung in das Wechselstromnetz und, in einigen Ausführungen, in an das Wechselstromnetz gekoppelte Lasten geeignet ist. Das Wechselstromnetz kann beispielsweise ein Versorgungsnetz sein, das private und gewerbliche Anwender mit Wechselstrom versorgt. Solche Versorgungsstromnetze können eine im Wesentlichen sinusförmige bipolare Spannung bei einer festen Netzfrequenz aufweisen, z.B. f=ω/2π=50 Hz oder 60 Hz).
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung ist das Konvertermodul mindestens in zwei separate Teilmodule unterteilt, die jeweils auf einem separaten Substrat ausgebildet sein können. 3 zeigt einen Zweig eines 3-Stufen-Flying-Capacitor-Konvertermoduls gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 4 zeigt entsprechend einen Zweig eines 5-Stufen-Flying-Capacitor-Konvertermoduls gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Es ist zu beachten, dass sich die folgende Beschreibung zwar auf 3-Stufen- und 5-Stufen-Konverter beschränkt, die vorliegende Erfindung aber auch jegliche Mehrstufen-Konverterkonzepte umfasst.
  • Wie in 3 dargestellt, umfasst das 3-Stufen-Flying-Capacitor-Konvertermodul dieser Ausführungsform zwei Teilmodule (siehe linke und rechte Seite der Figur). Die Dreipunkttopologie dient zur Reduzierung der Schaltverluste und des Aufwandes des Ausgangsfilters. Die in 3 dargestellte Topologie kann z.B. die in 1 dargestellte Topologie ersetzen, die ein Beispiel für den Stand der Technik darstellt. Eines der Teilmodule kann auf einem ersten Substrat und das andere der Teilmodule kann auf einem zweiten Substrat, das sich vom ersten Substrat unterscheidet, ausgebildet werden. Jedes der Teilmodule kann einen Kondensator (Gleichstromkondensator) C_int zum Klemmen an dieselbe Gleichstromquelle (DC+, DC-) umfassen. Der Kondensator C_int kann im Prinzip für beide Teilmodule ganz oder teilweise gleich sein (wenn er gleich ist, wird er nur auf einem der beiden Substrate gebildet). Anders als im Stand der Technik wird die Umwandlung in eine AC-Phase bei einer positiven Halbwelle von einem der Teilmodule (links) und bei einer negativen Halbwelle von dem anderen der Teilmodule (rechts) durchgeführt. Die Verteilung einer konventionellen Schaltung (wie in 1 dargestellt) auf zwei Teilmodule / auf zwei getrennte Substraten ermöglicht insbesondere eine höhere Leistung im Vergleich zum Stand der Technik.
  • Wie in 3 dargestellt, umfasst das linke Teilmodul den Transistor T1 und die Diode D1, die einen ersten Leistungsschalter bilden, und T2 und die Diode D2, die einen zweiten Leistungsschalter bilden. Außerdem können hier und in der folgenden Beschreibung die Transistoren der Leistungsschalter durch beliebige Halbleiterschalter ersetzt werden. Ein Flying Capacitor C1 ist (mit einer Kondensator-Elektrode) mit einem Knotenpunkt zwischen dem ersten und zweiten Leistungsschalter verbunden, und er ist (mit einer weiteren Kondensator-Elektrode) mit einem weiteren Knotenpunkt zwischen den zusätzlichen Dioden D5 und D6 (eigentlich mit einer Anode der Diode D5 und einer Kathode der Diode D6) verbunden.
  • Entsprechend umfasst das rechte Teilmodul den Transistor T3 und die Diode D3, die einen dritten Leistungsschalter bilden, und T4 und die Diode D4, die einen vierten Leistungsschalter bilden (in jedem der Teilmodule sind zwei Leistungsschalter vorhanden). Ein Flying Capacitor C2 ist (mit einer Kondensatorelektrode) mit einem Knoten zwischen dem dritten und vierten Leistungsschalter und (mit einer weiteren Kondensatorelektrode) mit einem weiteren Knoten zwischen zusätzlichen Dioden D7 und D8 verbunden (eigentlich mit einer Anode der Diode D7 und einer Kathode der Diode D8). Hier und im Folgenden können einige oder jeder der Transistoren ein MOSFET-Transistor sein, insbesondere ein Bipolartransistor mit isoliertem Gate. In jedem der in 3 gezeigten Teilmodule ist eine geschlossene Kommutierungsschleife mit einer relativ niedrigen Kommutierungsschleifen-Induktivität ausgebildet.
  • 4 zeigt einen Zweig eines 5-Stufen-Flying-Capacitor-Konvertermoduls. Das 5-Stufen-Design ist zwar komplexer, führt aber im Vergleich zum 3-Stufen-Design zu geringeren Oberschwingungen. Wie in 4 dargestellt, umfasst das 5-Stufen-Flying-Capacitor-Konvertermodul dieser Ausführung ebenfalls zwei Teilmodule (siehe linke und rechte Seite der Figur). Die in 4 gezeigte Topologie kann beispielsweise die in 2 dargestellte Topologie ersetzen, die ein Beispiel für den Stand der Technik darstellt.
  • Eines der Teilmodule kann auf einem ersten Substrat und das andere der Teilmodule kann auf einem zweiten Substrat, das sich vom ersten Substrat unterscheidet, ausgebildet sein. Jedes der Teilmodule kann einen Kondensator zum Anklemmen an dieselbe Gleichstromquelle enthalten. Dieser Kondensator kann im Prinzip für beide Teilmodule ganz oder teilweise gleich sein (wenn er gleich ist, wird er nur auf einem von der ersten und dem zweiten Substrate ausgebildet). Anders als im Stand der Technik wird die Umwandlung in eine AC-Phase bei einer positiven Halbwelle von einem der Teilmodule und bei einer negativen Halbwelle von dem anderen der Teilmodule durchgeführt. Die Verteilung einer konventionellen Schaltung (wie in 2 dargestellt) in zwei Teilmodulen / insbesondere auf zwei getrennte Substraten erlaubt es, eine höhere Leistung im Vergleich zum Stand der Technik zu erzielen.
  • Wie in 4 dargestellt, umfasst das linke Teilmodul drei Leistungsschalter, die jeweils aus einem Transistor und einer Diode bestehen. Ein Flying Capacitor ist mit einem Knoten verbunden, der zwischen den Leistungsschaltern eines ersten Paares der Leistungsschalter liegt, und mit einem weiteren Knoten, der zwischen den Dioden eines ersten Paares zusätzlicher Dioden liegt. Ein weiterer Flying Capacitor ist mit einem Knoten verbunden, der zwischen Leistungsschaltern eines zweiten Paares der Leistungsschalter liegt (das einen der Leistungsschalter mit dem ersten Paar Leistungsschaltern teilt) und mit einem weiteren Knoten, der zwischen Dioden eines zweiten Paares zusätzlicher Dioden liegt (das eine der Dioden mit dem ersten Paar zusätzlicher Dioden teilt).
  • Entsprechend umfasst das rechte Teilmodul drei Leistungsschalter (komplementär zu denen des links in 4 dargestellten Teilmoduls), die jeweils aus einem Transistor und einer Diode bestehen (drei Leistungsschalter sind in jedem der Teilmodule vorhanden). Ein Flying Capacitor ist mit einem Knoten verbunden, der sich zwischen den Leistungsschaltern eines Paares der Leistungsschalter befindet, und mit einem weiteren Knoten, der sich zwischen den Dioden eines Paares von zusätzlichen Dioden befindet, und ein weiterer Flying Capacitor ist mit einem Knoten verbunden, der sich zwischen den Leistungsschaltern eines anderen Paares der Leistungsschalter befindet, und mit einem weiteren Knoten, der sich zwischen den Dioden eines anderen Paares von zusätzlichen Dioden befindet. In jedem der in 4 gezeigten Teilmodule ist eine geschlossene Kommutierungsschleife mit einer relativ niedrigen Kommutierungsschleifen-Induktivität ausgebildet.
  • Es ist zu beachten, dass in den in den 3 und 4 dargestellten Ausführungsformen die positiven Halbwellen-Teilmodule als BUCK (Abwärts-DC/DC)-Leistungskonverter betrieben werden können. Andererseits können die negativen Halbwellen-Teilmodule der in den 3 und 4 dargestellten Ausführungsformen des Mehrstufen-Flying-Capacitor-Konverter als BOOST (Aufwärts-DC/DC)-Leistungskonverter betrieben werden. Externe Kondensatoren können in den in den 3 und 4 dargestellten Konfigurationen hinzugefügt werden, wenn dies gewünscht wird.
  • 5 zeigt einen Schaltplan eines Teils eines 3-Stufen-Flying-Capacitor-Konvertermoduls gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Auch hier ist eine konventionelle Schaltung wie die in 1 gezeigte in zwei Teilmodule (auf zwei getrennten Substraten) verteilt. Eines der Teilmodule umfasst innere Leistungsschalter und das andere der Teilmodule umfasst äußere Leistungsschalter. Ein Teilmodul des Zweigs (auf der linken Seite dargestellt) umfasst einen Kondensator C1, der an die Gleichstromquelle geklemmt ist, und einen Kondensator C2, der zwischen Leistungsschaltern angeschlossen ist, von denen einer aus dem Transistor T1 und der Diode D1 besteht, während der andere aus dem Transistor T2 und der Diode D2 besteht.
  • Ein weiteres Teilmodul des Zweigs (auf der rechten Seite dargestellt) umfasst zwei weitere Leistungsschalter, von denen einer aus dem Transistor T3 und der Diode D3 besteht, während der andere aus dem Transistor T4 und der Diode D4 besteht. Das andere Teilmodul besteht aus einem Flying-Capacitor C3, der mit den Leistungsschaltern verbunden ist. Das andere Teilmodul ist nicht direkt an die Gleichstromquelle geklemmt, sondern elektrisch mit dem Teilmodul verbunden, das den an die Gleichstromquelle geklemmten Kondensator C1 enthält. Auch hier können in jedem der Teilmodule geschlossene Kommutierungsschleifen ausgebildet sein, und die Verteilung einer konventionellen Schaltung auf zwei Teilmodule ermöglicht eine höhere Leistungsverstärkung im Vergleich zum Stand der Technik.
  • Das Konzept der Verteilung einer Schaltung, das mit Bezug auf 5 beschrieben ist, kann auch auf ein 5-Stufen- (oder höheres) Konvertermodul übertragen werden, wie es in 6 dargestellt ist. Das in 6 dargestellte Konvertermodul besteht aus einem zusätzlichen (dritten) Teilmodul. Jedes der Teilmodule umfasst zwei der sechsten Leistungsschalter (jeweils bestehend aus einem Transistor und einer Diode), die in einem 5-Stufen-Design verwendet werden. Das erste Teilmodul (siehe linke Seite von 6) umfasst einen Kondensator, der an eine Gleichstromquelle geklemmt ist, und einen Kondensator, der zwischen den Leistungsschalter eines ersten Paares von Leistungsschaltern verbunden ist. Das zweite Teilmodul der in 6 gezeigten Ausführung umfasst ein Paar Leistungsschalter, einem zwischen die Leistungsschalter geschalteten Kondensator und einem mit den Leistungsschaltern verbundenen Flying Capacitor. Das dritte Teilmodul (siehe mittlere Skizze und rechte Seite von 6) entspricht den zweiten Teilmodulen des in 5 dargestellten 3-Stufen-Designs.
  • Es ist zu beachten, dass in den in den 5 und 6 dargestellten Ausführungsformen die Teilmodule als kombinierte BUCK- und BOOST-Leistungskonverter betrieben werden können.
  • Insbesondere wird ein Mehrstufen-Flying-Capacitor-Konvertermodul bereitgestellt, das einen Schaltkreis enthält, wie in einer der 3 bis 6 dargestellt.
  • Alle oben beschriebenen Ausführungsformen bieten die Vorteile hoher Schaltfrequenzen, hochintegrierter Konfigurationen und reduzierter Kapazitäten der externen Gleichstromverbindungskondensatoren, was im Vergleich zu den bekannten Topologien zu geringeren Kosten und einer höheren Ausgangsleistung führt.
  • Alle zuvor diskutierten Ausführungsformen sind nicht als Einschränkungen gedacht, sondern dienen als Beispiele, die die Merkmale und Vorteile der Erfindung veranschaulichen. Es versteht sich, dass einige odersämtliche der oben beschriebenen Merkmale auch auf unterschiedliche Weise kombiniert werden können.

Claims (10)

  1. Ein Mehrstufen-Flying-Capacitor-Konvertermodul, umfassend ein erstes Teilmodul und ein vom ersten Teilmodul getrenntes zweites Teilmodul; wobei mindestens eines des ersten und zweiten Teilmoduls über einen Gleichstromkondensator an eine Stromquelle, insbesondere eine Gleichstromquelle, geklemmt ist; wobei mindestens eines des ersten und zweiten Teilmoduls einen von dem ersten Kondensator verschiedenen Flying Capacitor und mehrere Leistungsschalter umfasst, wobei jeder der mehreren Leistungsschalter einen Halbleiterschalter und eine Diode umfasst.
  2. Das Mehrstufen-Flying-Capacitor-Konvertermodul nach Anspruch 1, wobei das erste Teilmodul so ausgebildet ist, dass es eine positive Halbwelle einer Stromphase eines Wechselstroms ausgibt, und das zweite Teilmodul so ausgebildet ist, dass es eine negative Halbwelle der Stromphase ausgibt.
  3. Das Mehrstufen-Flying-Capacitor-Konvertermodul nach Anspruch 2, wobei ein erster Flying Capacitor des ersten Teilmoduls mit einem Knoten verbunden ist, der sich zwischen den Leistungsschaltern eines ersten Paares von Leistungsschaltern befindet, und mit einem weiteren Knoten, der sich zwischen Dioden eines ersten Paares von Dioden befindet, wobei einer der Leistungsschalter des ersten Paares von Leistungsschaltern direkt mit einem Pluspol der Stromquelle verbunden ist; und ein zweiter Flying Capacitor des zweiten Teilmoduls mit einem Knoten verbunden ist, der sich zwischen Leistungsschaltern eines zweiten Paares von Leistungsschaltern befindet, und mit einem weiteren Knoten, der sich zwischen Dioden eines zweiten Paares von Dioden befindet, wobei einer der Leistungsschalter des zweiten Paares von Leistungsschaltern direkt mit einem Minuspol der Stromquelle verbunden ist.
  4. Das Mehrstufen-Flying-Capacitor-Konvertermodul nach Anspruch 1, wobei das erste Teilmodul drei in Reihe geschaltete Leistungsschalter und zusätzliche drei in Reihe geschaltete Dioden, einen ersten Flying Capacitor und einen zweiten Flying Capacitor und den ersten Kondensator umfasst, wobei der erste Flying Capacitor mit einem Knoten verbunden ist, der sich zwischen einem ersten und einem zweiten der drei Leistungsschalter und einer Kathode einer ersten der drei Dioden befindet, und wobei der zweite Flying Capacitor mit einem anderen Knoten verbunden ist, der sich zwischen dem zweiten und einem dritten der drei Leistungsschalter und einer Kathode einer zweiten der drei Dioden befindet; und das zweite Teilmodul drei in Reihe geschaltete Leistungsschalter und zusätzliche drei in Reihe geschaltete Dioden, einen ersten Flying Capacitor und einen zweiten Flying Capacitor umfasst, wobei der erste Flying Capacitor mit einem Knoten verbunden ist, der sich zwischen einem ersten und einem zweiten der drei Leistungsschalter und einer Kathode einer ersten der drei Dioden befindet, und wobei der zweite Flying Capacitor mit einem anderen Knoten verbunden ist, der sich zwischen dem zweiten und einem dritten der drei Leistungsschalter und einer Kathode einer zweiten der drei Dioden befindet.
  5. Das Mehrstufen-Flying-Capacitor-Konvertermodul nach Anspruch 1, wobei das erste Teilmodul den ersten Kondensator und einen zweiten Kondensator umfasst, der zwischen Leistungsschalter eines ersten Paares von Leistungsschaltern geschaltet ist, die in dem ersten Teilmodul ausgebildet sind; das zweite Teilmodul den Flying Capacitor umfasst, der mit Leistungsschaltern eines zweiten Paares von Leistungsschaltern verbunden ist, die in dem zweiten Teilmodul ausgebildet sind; das erste und das zweite Teilmodul elektrisch miteinander verbunden sind; und das zweite Teilmodul ferner einen Ausgang umfasst, der so ausgebildet ist, dass er eine Stromphase ausgibt und der zwischen den Leistungsschaltern des zweiten Paares von Leistungsschaltern positioniert ist.
  6. Das Mehrstufen-Flying-Capacitor-Konvertermodul nach Anspruch 5, das ferner ein drittes Teilmodul umfasst, das ein drittes Paar Leistungsschalter und einen weiteren Flying Capacitor umfasst, der mit den Leistungsschaltern des dritten Paars von Leistungsschaltern verbunden ist, und wobei das dritte Teilmodul elektrisch mit dem ersten und dem zweiten Teilmodul verbunden ist.
  7. Das Mehrstufen-Flying-Capacitor-Konvertermodul nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das erste Teilmodul in einem ersten Substrat und das zweite Teilmodul auf einem zweiten, von dem ersten Substrat verschiedenen Substrat ausgebildet ist.
  8. Das Mehrstufen-Flying-Capacitor-Konvertermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei beim Betrieb des Mehrstufen-Flying-Capacitor-Konvertermoduls eine erste geschlossene Kommutierungsschleife in dem ersten Teilmodul und eine zweite geschlossene Kommutierungsschleife, die sich von der ersten geschlossenen Kommutierungsschleife unterscheidet, in dem zweiten Teilmodul ausgebildet wird.
  9. Leistungsmodul mit dem Mehrstufen-Flying-Capacitor-Konvertermodul nach einem der vorstehenden Ansprüche.
  10. Verfahren zum Invertieren, Aufwärts- oder Abwärtswandeln eines Gleichstroms, der von einer Gleichstromquelle geliefert wird, umfassend Bereitstellung eines Mehrstufen-Flying-Capacitor-Konvertermoduls nach einem der Ansprüche 1 bis 8 oder eines Leistungsmoduls nach Anspruch 9; und Steuerung der mehreren Leistungsschaltern für die Invertierung des Gleichstroms in einen Wechselstrom mittels mindestens des ersten und zweiten Teilmoduls; oder Erhöhung des Gleichstroms durch mindestens eines von dem ersten und zweiten Teilmodul; oder Erniedrigung des Gleichstroms durch mindestens eines von dem ersten und zweiten Teilmodul.
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