DE102023103759B3

DE102023103759B3 - Erweiterbare Multilevelkonverter-Schaltungstopologie mit geschalteten Kondensatoren

Info

Publication number: DE102023103759B3
Application number: DE102023103759.5A
Authority: DE
Inventors: Stefan Götz; Farzad Iraji; Nima Tashakor
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2023-02-16
Filing date: 2023-02-16
Publication date: 2024-01-11
Anticipated expiration: 2043-02-17

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Anordnung einer generalisierten Submodul-Schaltungstopologie (100) mit geschalteten Zwischenkreiskondensatoren (121, 122) zur Umsetzung von Gleichstrom in Wechselstrom, wobei die Anordnung hinsichtlich vorgegebener Ausgangsspannungsstufen konfiguriert werden kann. Die Submodul-Schaltungstopologie (100) weist eine wiederholbare Spannungsstufeneinheit (119) mit einem jeweiligen Zwischenkreiskondensator (122) auf, welcher an seinem oberen Anschlusspunkt durch zwei entgegengesetzt angeordnete Halbleiterschalter (105, 106) zu einer Submodul-High-Side und an seinem unteren Anschlusspunkt durch zwei entgegengesetzt angeordnete Halbleiterschalter (107, 108) zu einer Submodul-Low-Side verbunden ist. Ferner wird ein mit der Schaltungstopologie (100) ausgestalteter modularer Multilevelkonverter beansprucht. Ein solcher mit der erfindungsgemäßen Schaltungstopologie (100) ausgestalteter Multilevelkonverter besitzt vorteilhaft eine inhärente Fähigkeit zum Ausgleich von Kondensatorspannungen in seinen Submodulen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen modularen Multilevelkonverter, bei dem ein jeweiliges Submodul mindestens einen über zwei Halbbrücken schaltbaren Kondensator umfasst. Es wird eine generalisierte Schaltung eingeführt, welche auf eine vorgegebene Zahl an Spannungsstufen erweiterbar ist.
Leistungswandler haben sich im täglichen Leben in einer Reihe von Anwendungen als sehr nützlich erwiesen. So wandeln sie einen durch Photovoltaik erzeugten Gleichstrom in Wechselstrom um, genauso wie sie eine Gleichspannung von Batterien für eine unabhängige (Wechsel-)Stromversorgung bspw. von Computeranlagen konvertieren. Umgekehrt können sie als Gleichrichter ausgestaltet die Batterien aus dem Niederspannungsnetz aufladen. Von besonderem Interesse sind sie auch bei aus mitgeführten Batteriepacks versorgten Traktionsmaschinen von elektrischen oder teilelektrischen Fahrzeugen, Schiffen oder Lokomotiven. So war der Einsatzzweck eines Leistungswandlers mit variabler Frequenz die Geschwindigkeitssteuerung eines Induktionsmotors.
Eine traditionell dreiphasige Versorgung solcher Traktionsmaschinen mit Drehstrom stellt jedoch nicht notwendigerweise eine bestmögliche Systemlösung dar. So bieten Multiphasenmaschinen, d. h. elektrische Maschinen mit mehr als drei Phasen, potentiell Vorteile, wie bspw. eine über die erweiterte Phasenanzahl bessere Leistungsaufteilung, eine niedrigere Drehmomentwelligkeit, oder eine bessere Fehlertoleranz. Unabhängig von der erweiterten Phasenanzahl kommt jedoch dem Gleichstrom/Wechselstrom-Wandler eine entscheidende Bedeutung durch seine vielfältigen Möglichkeiten zu einer geeigneten Parametersteuerung elektrischer Maschinen zu.
Gleichstrom/Wechselstrom-Wandler werden bspw. mit konventionellen H-Brücken-Invertern, kaskadierten H-Brücken-Invertern, Z-Source-Invertern, Multilevelkonvertern oder modularen Multilevelkonvertern gebildet. Auf Grund der Vorteile gegenüber konventionellen Drei-Stufen-Pulswellenmodulationskonvertern, wie bspw. Oberschwingungsanteile, Schalter mit niedrige Nennleistungen, Hochvolt-Eignung, und reduzierter dv/dt-Belastung der Schalter, haben Multilevelkonverter in den letzten Jahren viel Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Bei höheren Spannungsstufen würden jedoch herkömmliche Topologien durch ein exponentielles Anwachsen benötigter elektronischer Bauteile wie Schalter, Gate-Treiber und Kondensatoren beträchtlich komplexer und kostenintensiver werden, wie sich auch die Anzahl von Absicherungs- und Kontroll-Schaltkreisen vermehrt, bspw. beschrieben in M. Vijeh, M. Rezanejad, E. Samadaei and K. Bertilsson, „A General Review of Multilevel Inverters Based on Main Submodules: Structural Point of View," in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 34, no. 10, pp. 9479-9502, Oct. 2019, doi: 10.1109/TPEL.2018.2890649. Neue Topologien mit einer vergleichsweise geringeren Zahl an Schaltern sind daher nötig.
Von Bedeutung ist, dass ein Ungleichgewicht an Kondensatorspannungen die Zuverlässigkeit von Multilevelkonvertern kompromittiert. Bei der Erweiterung von Multilevelkonvertern stellt daher in den Submodulen die Aufrechterhaltung ausgeglichener Kondensatorspannungen im Bereich ihrer Nominalwerte eine große Herausforderung dar. Modulare Multilevelkonverter müssen die Kondensatorspannung innerhalb eines zulässigen Bereichs aktiv ausgleichen können, bspw. durch zusätzlich angeordnete parallele Verbindungen, Softwaregesteuerte Verschaltungen zum Spannungsausgleich, oder durch Kombination von Multilevelkonvertern mit den Fähigkeiten geschalteter Kondensatoren oder geschalteter Induktoren, was insbesondere einen überwachungsfreien Betrieb ermöglicht. Einen möglichen Ausweg bieten daher Schaltungen mit sich selbst ausgleichenden Kondensatorspannungen, realisiert bspw. in C. Gao and J. Lv, „A New Parallel-Connected Diode-Clamped Modular Multilevel Converter With Voltage Self-Balancing," in IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 32, no. 3, pp. 1616-1625, June 2017, doi: 10.1109/TPWRD.2017.2670662. Hierin wird eine parallel-verbundene-Dreipunkt-Wechselrichter-Topologie beschrieben, wobei jeder Strang zwei parallel-verbundene Gruppen von Submodulen aufweist. Bei einer solchen Schaltungstopologie gleichen sich die Kondensatorspannungen der Submodule zwar automatisch aus, so dass überwachende Regler obsolet sind, jedoch kommt es hierbei zu einem beträchtlichen Zuwachs an Bauelementen.
Alternativ wird in N. Tashakor, M. Kilictas, E. Bagheri and S. Goetz, „Modular Multilevel Converter With Sensorless Diode-Clamped Balancing Through Level-Adjusted Phase-Shifted Modulation," in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 36, no. 7, pp. 7725-7735, July 2021, doi: 10.1 109/TPEL.2020.3041599 eine Dreipunkt-Wechselrichter-Topologie mit einem einzelnen Submodul-Strang vorgeschlagen, welche wohl als einfachste Dreipunkt-Wechselrichter-Topologie mit sich selbst ausgleichenden Kondensatorspannungen betrachtet werden kann. Allerdings könnte eine solche Topologie mit Effizienzeinbußen in besonders unausgeglichenen Systemen behaftet sein.
Ein anderes wichtiges Feld in der Leistungselektronikentwicklung der letzten Jahre sind Schaltkreise mit geschalteten Kondensatoren. Ähnlich zu kaskadierten Konvertern und Multilevelkonvertern, ändern solche Konverter mit geschalteten Kondensatoren die Spannungen durch umordnen der seriellen/parallelen Kondensatorverschaltung. Mittels Schaltungstopologien, welche aus Bestandteilen solcher geschalteten Kondensatoren und Multilevelkonvertern zusammengesetzt sind, lassen sich ohne Modifikation sowohl Gleichstrom wie Wechselstrom erzeugen, teilweise sogar mit Stromwegen über dieselben Transistoren. Einerseits wird bislang eine solche Instrumentalisierung geschalteter Kondensatoren auf einer modularen Multilevelfunktionalität zwischen den einzelnen Submodulen aufgesetzt. Andererseits findet dies eben nicht innerhalb der einzelnen Submodule statt, weshalb ebenfalls eine große Zahl an Bauelementen benötigt wird, wie bspw. Transistoren, Kondensatoren, und manchmal sogar Dioden.
Voranstehend erwähnte neueste Entwicklungen bei Multilevelkonvertern haben zwar deren faszinierende Möglichkeiten aufgezeigt, wie beispielsweise eine Bereitstellung einer großen Zahl an Ausgangsspannungen oder eine integrierte Spannungsverstärkung. Dennoch weisen die meisten vorhandenen Schaltungstopologien nur eine begrenzte Zahl an Ausgangsspannungsstufen mit begrenztem Verstärkungsverhältnis auf. Außerdem ist bei Multilevelkonvertern ein Ausgleich von Kondensatorspannungen von entscheidender Bedeutung und sollte in Schaltungstopologie oder Steuerung berücksichtigt sein.
Die Druckschrift F. IRAJI, N. TASHAKOR, S. GOETZ, „A Generalized Switched-Capacitor Modular Multilevel Inverter Topology for Multiphase Electrical Machines with Capacitor-Voltage Self-Balancing Capability, In: arXiv preprint, arXiv: 2204.06867, beschreibt eine Schaltungstopologie für einen mehrphasigen Multilevelkonverter, welche mittels Niedervoltkondensatoren einen Wechselstrom mit einer maximalen Ausgangsspannung weit höher als eine durch eine Gleichstromquelle bereitgestellte Eingangsspannung erzeugt. Kondensatorspannungen in Submodulen können sich automatisch ausgleichen.
Die Druckschrift REZA BARZEGARKHOO et.al., „Switched-Capacitor Multilevel Inverters: A Comprehensive Review." In: IEEE Transactions on Power Electronics; Year: 2022, Volume: 37, Issue: 9, Journal Article, Publisher: IEEE, stellt bekannte „switched capacitor“-Multilevelmodule systematisch aufbereitet zusammen.
In der Druckschrift TAPAS ROY et.al., „A Step-Up Multilevel Inverter Topology Using Novel Switched Capacitor Converters With Reduced Components." In: IEEE Transactions on Industrial Electronics, Year: 2021, Volume: 68, Issue: 1, Journal Article, Publisher: IEEE wird eine Grundstufe für einen „switched capacitor“-Konverter vorgeschlagen, von der dann eine generalisierte Struktur abgeleitet wird. Die generalisierte Struktur weist im Vergleich zu bisherigen Konvertern eine reduzierte Zahl elektronischer Bauteile, wie bspw. Schalter, Treiber, Dioden, oder Kondensatoren auf.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Anordnung einer Schaltungstopologie für einen mehrphasigen Multilevelkonverter zur Verfügung zu stellen, welches auf einfache Weise an eine vorgegebene Zahl von Spannungsstufen angepasst werden kann und welches in der Lage ist, einen Wechselstrom zu erzeugen, dessen maximale Ausgangsspannung sich wesentlich von einer durch eine Gleichstromquelle bereitgestellte Eingangsspannung unterscheidet. Dies soll mittels kostengünstiger Niedervoltkondensatoren erreicht werden. Weiterhin sollen Kondensatorspannungen in Submodulen sich automatisch ausgleichen können. Ferner soll ein mit der Schaltungstopologie ausgestalteter modularer Multilevelkonverter bereitgestellt werden.
Zur Lösung der voranstehend genannten Aufgabe wird ein Verfahren zur Anordnung einer Schaltung gemäß einer Submodul-Schaltungstopologie für einen modularen Multilevelkonverter vorgeschlagen, wobei der modulare Multilevelkonverter eine Steuerung und mindestens ein Submodul aufweist und wobei in dem mindestens einen Submodul eine Gleichspannungsquelle, eine Diode, eine Mehrzahl an Halbleiterschaltern und eine Anzahl an Zwischenkreiskondensatoren gemäß der Submodul-Schaltungstopologie angeordnet werden. Die Submodul-Schaltungstopologie weist zwischen einer High-Side und einer Low-Side zwei Halbbrücken mit Mittenabgriff zur Bildung eines Ausgangsanschlusses für eine jeweilige Stromphase, mindestens eine wiederholbare Spannungsstufeneinheit, die Gleichspannungsquelle und, an dem positiven Pol der Gleichspannungsquelle, die Diode in Durchflussrichtung zur High-Side auf. Die wahlweise wiederholbare Spannungsstufeneinheit weist einen jeweiligen Zwischenkreiskondensator, welcher an seinem oberen Anschlusspunkt durch zwei entgegengesetzt angeordnete Halbleiterschalter zur High-Side und an seinem unteren Anschlusspunkt durch zwei entgegengesetzt angeordnete Halbleiterschalter zur Low-Side verbunden wird, auf. Bei einer jeweilig weiteren Spannungsstufeneinheit wird der obere Anschlusspunkt ihres Zwischenkreiskondensators mit dem unteren Anschlusspunkt des Zwischenkreiskondensators der jeweilig vorherigen Spannungsstufeneinheit verbunden. Die Submodul-Schaltungstopologie wird entsprechend einer vorgegebenen Zahl an Spannungsstufen durch die wahlweise wiederholbare Spannungsstufeneinheit um jeweilig zwei Spannungsstufen erweitert.
Die wahlweise wiederholbare Spannungsstufeneinheit ist über drei Anschlüsse in der Schaltungstopologie fortgesetzt integrierbar: Ein erster Anschluss zur High-Side des Submoduls wird durch das obere Ende zweier entgegengesetzt angeordneter Halbleiterschalter gebildet. Ein zweiter Anschluss zum unteren Ende des Zwischenkreiskondensators der benachbarten Spannungsstufeneinheit wird durch das untere Ende der zur High-Side gewandten zwei entgegengesetzt angeordneten Halbleiterschalter gebildet. Ein dritter Anschluss wird durch das untere Ende zweier entgegengesetzt angeordneter Halbleiterschalter zur Low-Side des Submoduls gebildet.
Die erfindungsgemäße Schaltungstopologie stellt damit in ihrer Grundform mit der einfach angeordneten Spannungsstufeneinheit drei Spannungsstufen bereit. Durch die wahlweise jeweilig wiederholbare Spannungsstufeneinheit mit insgesamt vier Halbleiterschaltern und einem durch die vier Halbleiterschalter geschalteten Zwischenkreiskondensator werden diese jeweilig um zwei Spannungsstufen erweitert.
Die erfindungsgemäße Schaltungstopologie umfasst pro Submodul bei einer Anzahl N_L von Spannungsstufen als Bauelemente eine Anzahl Ns von Halbleiterschaltern, $N_{S} = 2 N_{L} + 2,$
und eine Anzahl Nc von Zwischenkreiskondensatoren, $N_{C} = \frac{N_{L} - 1}{2} .$
Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Schaltungstopologie gleichen sich alle im Submodul jeweilig angeordneten Zwischenkreiskondensatoren vorteilhaft auf einem Spannungsniveau der Gleichstromquelle selbst aus. Dadurch wird weiter vorteilhaft eine ansonsten notwendige (und aus dem Stand der Technik bekannte) Anordnung von Spannungssensoren oder aufwendiger Steuerungstechnik vermieden.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das mindestens eine Submodul an seinen Ausgangsanschlüssen mit einer Phase einer Last verbunden. Durch Steuerung der Halbleiterschalter mittels einer Pulsdauermodulation wird ein Wechselstrom erzeugt.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Anzahl an Submodulen gemäß einer vorgegebenen Zahl an Phasen der Last gewählt. Die Submodule werden anstatt mit ihrer jeweiligen Gleichspannungsquelle parallel mit einer Gesamtgleichspannungsquelle verschaltet.
In einer noch weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Anzahl an Submodulen gemäß einer vorgegebenen Zahl an Phasen der Last gewählt. Die Gleichspannungsquelle des jeweiligen Submoduls wird durch einen jeweiligen Kondensator gebildet, wobei die jeweiligen Kondensatoren in Reihe mit einer Gesamtgleichspannungsquelle verschaltet werden.
In einer fortgesetzt weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden in der wiederholbaren Spannungsstufeneinheit entweder die zwei entgegengesetzt angeordneten Halbleiterschalter zur High-Side oder die zwei entgegengesetzt angeordneten Halbleiterschalter zur Low-Side durch einen vollständig steuerbaren Schalter ersetzt.
Ferner wird ein modularer Multilevelkonverter beansprucht, wobei der modulare Multilevelkonverter eine Steuerung und mindestens ein Submodul aufweist. In dem mindestens einen Submodul sind eine Gleichspannungsquelle, eine Diode, eine Mehrzahl an Halbleiterschaltern und eine Anzahl an Zwischenkreiskondensatoren gemäß der Submodul-Schaltungstopologie angeordnet. Die Submodul-Schaltungstopologie weist zwischen einer High-Side und einer Low-Side zwei Halbbrücken mit Mittenabgriff zur Bildung eines Ausgangsanschlusses für eine jeweilige Stromphase, mindestens zweimal eine wiederholbare Spannungsstufeneinheit, die Gleichspannungsquelle und an dem positiven Pol der Gleichspannungsquelle die Diode in Durchflussrichtung zur High-Side auf. Die jeweilig wiederholbare Spannungsstufeneinheit weist einen jeweiligen Zwischenkreiskondensator, welcher an seinem oberen Anschlusspunkt durch zwei entgegengesetzt angeordnete Halbleiterschalter zur High-Side und an seinem unteren Anschlusspunkt durch zwei entgegengesetzt angeordnete Halbleiterschalter zur Low-Side verbunden ist, auf. Bei einer jeweilig weiteren Spannungsstufeneinheit ist der obere Anschlusspunkt ihres Zwischenkreiskondensators mit dem unteren Anschlusspunkt des Zwischenkreiskondensators der jeweilig vorherigen Spannungsstufeneinheit verbunden. Die Submodul-Schaltungstopologie ist entsprechend einer vorgegebenen Zahl an Spannungsstufen wahlweise durch die wiederholbare Spannungsstufeneinheit um jeweilig zwei Spannungsstufen erweitert.
In einer Ausgestaltung des modularen Multilevelkonverters ist das mindestens eine Submodul an seinen Ausgangsanschlüssen mit einer Phase einer Last verbunden. Die Steuerung ist dazu konfiguriert, mittels einer Pulsdauermodulation einen Wechselstrom zu erzeugen.
In einer weiteren Ausgestaltung des modularen Multilevelkonverters ist eine Anzahl an Submodulen gemäß einer vorgegebenen Zahl an Phasen der Last gewählt. Die Submodule sind anstatt mit ihrer jeweiligen Gleichspannungsquelle parallel mit einer Gesamtgleichspannungsquelle verschaltet.
In einer noch weiteren Ausgestaltung des modularen Multilevelkonverters ist eine Anzahl an Submodulen gemäß einer vorgegebenen Zahl an Phasen der Last gewählt, wobei die Gleichspannungsquelle des jeweiligen Submoduls durch einen jeweiligen Kondensator gebildet ist. Die jeweiligen Kondensatoren sind in Reihe mit einer Gesamtgleichspannungsquelle verschaltet.
In einer fortgesetzt weiteren Ausgestaltung des modularen Multilevelkonverters sind in der wiederholbaren Spannungsstufeneinheit entweder die zwei entgegengesetzt angeordneten Halbleiterschalter zur High-Side oder die zwei entgegengesetzt angeordneten Halbleiterschalter zur Low-Side durch einen vollständig steuerbaren Schalter ersetzt.
Bei dem erfindungsgemäßen modularen Multilevelkonverter können vorteilhaft Niederspannungskondensatoren oder ersatzweise Niederspannungsenergiespeicherzellen verwendet werden, um im Hochspannungsbereich mit Gleichstrominput umzugehen und Wechselstromoutput bereitzustellen, wodurch Gesamtkosten und Bauraum sehr gering gehalten werden.
Ferner wird ein System beansprucht, welches eine Gleichstromquelle, eine Last mit mindestens einer Phase, und einen erfindungsgemäßen modularen Multilevelkonverter umfasst, wobei der modulare Multilevelkonverter dazu konfiguriert ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren auszuführen. Das System ist bspw. Teil eines Traktionssystems eines Fahrzeuges, wobei die Last ein Elektromotor ist. Der erfindungsgemäße modulare Multilevelkonverter erlaubt vorteilhaft bspw. bei einem Batteriepack mit 100 V Klemmenspannung als Gesamtgleichspannungsquelle eine Ausgangswechselspannung mit einer Amplitude zwischen 4.2 V (Drei-Spannungsstufen-Sechs-Phasen-System) und 400 V (Neun-Spannungsstufen-Einzelphasen-System).
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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 ein generalisiertes Schaltungsschema in einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Submodul-Schaltungstopologie.
2 zeigt Strompfade bei einem Schaltungsschema mit fünf Spannungsstufen in der Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltungstopologie.
3 zeigt ein Steuerungsschema für zwei Halbbrücken am Ausgangsanschluss der erfindungsgemäßen Schaltungstopologie.
4 zeigt schematisch eine parallele Verschaltung von Submodulen in einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Multilevelkonverters.
5 zeigt schematisch eine serielle Verschaltung von Submodulen in einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Multilevelkonverters.

In 1 wird eine generalisierte Submodul-Schaltungstopologie 100 mit fünf Spannungsstufen bzw. Spannungsleveln für ein i-tes Submodul in einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Submodul-Schaltungstopologie 100 gezeigt. Die gezeigte erfindungsgemäße Submodul-Schaltungstopologie 100 umfasst 12 Leistungshalbleiterschalter bzw. Halbleiterschalter 101, 102, 103, 104, 105, 106, 107, 108, 109, 110, 111, 112 und zwei Zwischenkreiskondensatoren 121, 122. An dem positiven Pol der Gleichspannungsquelle 130 mit Spannung V_i ist eine Diode 140 in Durchflussrichtung zu einer High-Side des Submoduls angeordnet. Zwischen der High-Side und einer Low-Side der Submodul-Schaltungstopologie 100 verläuft eine erste Spannungsstufeneinheit mit, von der High-Side ausgehend, zwei entgegengesetzt angeordneten Halbleiterschaltern 101, 102, einem ersten Zwischenkreiskondensator 121 und zwei entgegengesetzt angeordneten Halbleiterschaltern 103, 104. An diese erste Spannungsstufeneinheit ist beispielhaft eine jeweilige wiederholbare Spannungsstufeneinheit 119 mit zwei entgegengesetzt angeordneten Halbleiterschaltern 105, 106, einem jeweiligen Zwischenkreiskondensator 122, und zwei entgegengesetzt angeordneten Halbleiterschaltern 107, 108 angeschlossen, wobei der jeweilige Zwischenkreiskondensator 122 an seinem oberen Anschlusspunkt mit einem unteren Anschlusspunkt des Zwischenkreiskondensators121 der ersten Spannungsstufeneinheit verbunden ist. Die jeweilig wiederholbare Spannungsstufeneinheit 119 erweitert die Submodul-Schaltungstopologie 100 jeweilig um zwei Spannungsstufen. Ein Ausgangsanschluss 150, bspw. für eine jeweilige Stromphase einer Last, wird durch Mittenangriff an einer ersten Halbbrücke 109, 110 und einer zweiten Halbbrücke 111, 112 bereitgestellt. Es ist zu beachten, dass bei der ersten und der zweiten Halbbrücke entweder die oberen Halbleiterschalter 109, 111 oder die unteren Halbleiterschalter 110, 112jeweilig eine interne antiparallele Diode aufweisen, während eine solche interne antiparallele Diode bei den restlichen Halbleiterschaltern 101, 102, 103, 104, 105, 106, 107, 108 der Submodul-Schaltungstopologie optional ist. Die Gleichspannungsquelle 130 bzw. Gleichstromquelle kann als Batterie, Kondensator, Solarzelle oder Solarmodul, Gleichspannungs- bzw. Gleichstromausgang eines elektrischen Wandlers (bspw. Leistungselektronik), Gleichrichterausgang oder Ähnliches realisiert sein.
In 2 werden acht verschiedene Strompfade 210, 220. 230. 240. 250. 260. 270. 280 bei dem erfindungsgemäßen Submodul-Schaltungsschema 200 mit fünf Spannungsstufen in der Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltungstopologie gezeigt. Anhand der Fünf-Level-Schaltungstopologie 200 werden im Schaltungsschema 210 ein erster Nullspannungsstufenpfad, im Schaltungsschema 220 ein zweiter Nullspannungsstufenpfad, im Schaltungsschema 230 ein erster Positivspannungsstufenpfad, im Schaltungsschema 240 ein zweiter Positivspannungsstufenpfad, im Schaltungsschema 250 ein Positivdoppelspannungsstufenpfad, im Schaltungsschema 260 ein erster Negativspannungsstufenpfad, im Schaltungsschema 270 ein zweiter Negativspannungsstufenpfad und im Schaltungsschema 280 ein Negativdoppelspannungsstufenpfad dargestellt. Damit werden acht verschiedene Strompfade aufgezeigt, woraus fünf Spannungsstufen -2V_i, -V_i, 0, +V_i, +2V_i resultieren. Dies wird über zwölf (Leistungs-)Halbleiterschalter S₁ 101, S₂ 102, S₃ 103, S₄ 104, S₅ 105, S₆ 106, S₇ 107, S₈ 108, S₉ 109, S₁₀ 110, S₁₁ 111, S₁₂ 112, und zwei Zwischenkreiskondensatoren C₁ 121 und C₂ 122 erreicht. Je nach einem jeweiligen Schaltungszustand des Submoduls ist eine von fünf Spannungsstufen am Ausgangsanschluss 150 darstellbar, was im Folgenden weiter beschrieben wird.
Zunächst gibt es mit Schaltungsschemata 210 und 220 zwei Nullspannungsstufenpfade, welche keinen Spannungsbeitrag zu einem durch den Ausgangsanschluss 150 fließenden Laststrom liefern, wobei entweder beim ersten Nullspannungsstufenpfad die Halbleiterschalter S₉ 109 und S₁₁ 111 und beim zweiten Nullspannungsstufenpfad die Halbleiterschalter S₁₀ 110 und S₁₂ 112 geschlossen sind. Während dabei die beiden Zwischenkreiskondensatoren C₁ 121 und C₂ 121 nicht in Verbindung zur Last stehen, ist es möglich, dass diese durch die Gleichspannungsquelle 130 mit der Spannung V_i aufgeladen werden, und zwar einerseits der erste Zwischenkreiskondensator C₁ 121 bei geschlossenen Halbleiterschaltern S₁ 101 und S₃ 103, und andererseits der zweite Zwischenkreiskondensator C₂ 122 bei geschlossenen Halbleiterschaltern S₅ 105 und S₇ 107, wobei alle weiteren Halbleiterschalter der Spannungsstufeneinheiten geöffnet (Schaltzustand „OFF”) sind bzw. aufgrund ihrer intrinsischen Diode bei geeigneter Stromrichtung durchleiten.
Der erste Positivspannungsstufenpfad wird im Schaltungsschema 230 durch geschlossene Halbleiterschalter S₁ 101, S₃ 103, S₁₀ 110 und S₁₁ 111 gebildet. Der zweite Positivspannungsstufenpfad wird im Schaltungsschema 240 durch geschlossene Halbleiterschalter S₃ 105, S₇ 107, S₁₀ 110 und S₁₁ 111 gebildet.
Jeweilig wird am Ausgangsanschluss 150 eine Spannung +V_i bereitgestellt. Durch die jeweilig geschlossenen Halbleiterschalter wird der jeweilige Zwischenkreiskondensator C₁ 121 oder C₂ 122 bis zur Spannung V_i der Gleichspannungsquelle 130 aufgeladen, bspw. in abwechselnder Reihenfolge, so dass V_C1 = V_C2 = V_i ist.
Ein doppelter Spannungsstufenwert 2V_i = V_C1 + V_C2 wird im Schaltungsschema 250 durch den Positivdoppelspannungsstufenpfad mit den beiden Zwischenkreiskondensatoren C₁ 121 und C₂ 122 erreicht, welche in den Schaltzuständen zuvor voll auf die Spannung der Gleichspannungsquelle 130 mit V_C1 = V_C2 = V_i aufgeladen wurden. Der Positivdoppelspannungsstufenpfad wird mittels sechs in Stromrichtung durchlässige Halbleiterschalter S₁ 101, S₂ 102, S₇ 107, S₈ 108, S₁₀ 110 und S₁₁ 111 gebildet.
Beim Schaltungsschema 260 mit dem ersten Negativspannungsstufenpfad sind die Halbleiterschalter S₁ 101, S₃ 103 geschlossen (Schaltzustand „ON“), während beim Schaltungsschema 270 mit dem zweiten Negativspannungsstufenpfad die Halbleiterschalter S₅ 105, S₇ 107 geschlossen sind, wodurch der jeweilige Zwischenkreiskondensator C₁ 121 bzw. C₂ 122 durch die Gleichspannungsquelle 130 aufgeladen wird und über die Schaltzyklen hinweg V_C1 = V_C2 = V_i resultiert. Beide Schaltungsschemata 260, 270 weisen geschlossene Halbleiterschalter S₉ 109 und S₁₂ 112 auf, so dass sich letztlich eine Ausgangsspannung -V_i ergibt.
Zum Negativdoppelspannungsstufenpfad kommt es bei durchleitenden Halbleiterschaltern S₁ 101, S₂ 102, S₇ 107, S₃ 108, S₉ 109 und S₁₂ 112 im Schaltungsschema 280 mit einer Spannung von -(V_C1 + V_C2) = -2V_i am Ausgangsanschluss 150. Da im Schaltzyklus zur Erzeugung der Wechselspannung ein Schaltzustand mit zwei negativen Spannungsstufen auf einen Schaltzustand mit einer negativen Spannungsstufe folgt (welcher auf einen Schaltzustand ohne Stromabgabe folgte), wurden beide Zwischenkreiskondensatoren C₁ 121 und C₂ 122 zuvor immer wieder auf den Spannungswert der Gleichspannungsquelle 130 aufgeladen, weshalb V_C2 = V_C1 gilt.
Die zu einer jeweiligen Ausgangsspannung führenden Submodulzustände in Abhängigkeit von einer jeweiligen Halbleiterschalterstellung sind in Tabelle 1 dargestellt. Man beachte, dass auch sich im Schaltzustand „OFF“ befindliche Halbleiterschalter je nach anliegendem Potential an Source/Drain aufgrund ihrer intrinsischen Diode durchleitend sind.
Tab. 1
In 3 wird ein Steuerungsschema 300 für zwei Halbbrücken am Ausgangsanschluss 150 in einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltungstopologie mittels einer Pulsdauermodulation gezeigt. Zur Erzeugung einer sinusförmigen Wellenform in der Ausgangsspannung jedes Submoduls wird die Pulsdauermodulation herangezogen, während durch Änderung einer jeweiligen Referenzspannung 310 für ein jeweiliges Submodul Spannungsreferenzen für Multiphasenspannungen bereitgestellt werden. Umgesetzt wird dies mittels des Steuerungsschemas 300, wobei die Referenzspannung 310 der i-ten Phase $V_{i}^{*}$
und ein Trägersignal 320 zur Generierung eines Gatesignals 301 für Halbleiterschalter S₉, eines Gatesignals 302 für Halbleiterschalter S₁₀, eines Gatesignals 503 für Halbleiterschalter S₁₁, und eines Gatesignals 504 für Halbleiterschalter S₁₂ dient. Eine ganze Reihe von Steuerungsverfahren zur Lastregelung sind denkbar, um die Referenzspannung 310 zu generieren. Als einfaches Beispiel kann eine sinusförmige Wellenform dienen: $V_{i}^{*} = sin (2 π f t + \frac{2 π i}{N}) .$
In 4 wird schematisch eine parallele Verschaltung 400 von Submodulen in einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Multilevelkonverters gezeigt. Anstatt mit ihrer jeweiligen Gleichspannungsquelle sind die Submodule 401, 402, 403, 404 parallel mit einer Gesamtgleichspannungsquelle 411 verschaltet. Die Submodule 401, 402, 403, 404 erzeugen jeweils eine Phase eines Multiphasenstromes für eine Multiphasenlast 430.
In 5 wird schematisch eine serielle Verschaltung 500 von Submodulen 501, 502, 503 in einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Multilevelkonverters gezeigt. Jeweilige Submodule 501, 502, 503 erzeugen jeweils eine Phase 551, 552, 553 eines Multiphasenstromes für eine Multiphasenlast. Die Gleichspannungsquelle (Bezugszeichen 130 in 1) des jeweiligen Submoduls 501, 502, 503 ist durch einen jeweiligen Kondensator 531, 532, 533 gebildet, wobei die jeweiligen Kondensatoren 531, 532, 533 in Reihe mit einer Gesamtgleichspannungsquelle 530 verschaltet sind. Dadurch wird eine Eingangsspannung eines jeden Submoduls 501, 502, 503 gegenüber einer Klemmenspannung V_DC der Gesamtgleichspannungsquelle 530 um einen Teiler 1/N, wobei N die Zahl der Submodule 501, 502, 503 (hier N=3) ist, herabgesetzt.
Bezugszeichenliste

100: Generalisierte Schaltungstopologie für i-tes Submodul
101: Erster Halbleiterschalter S₁
102: Zweiter Halbleiterschalter S₂
103: Dritter Halbleiterschalter S₃
104: Vierter Halbleiterschalter S₄
105: Fünfter Halbleiterschalter S₅
106: Sechster Halbleiterschalter S₆
107: Siebter Halbleiterschalter S₇
108: Achter Halbleiterschalter S₈
109: Neunter Halbleiterschalter S₉
110: Zehnter Halbleiterschalter S₁₀
111: Zehnter Halbleiterschalter S₁₁
112: Zehnter Halbleiterschalter S₁₂
119: Repetitiver Anteil
121: Erster Zwischenkreiskondensator C₁
122: Zweiter Zwischenkreiskondensator C₂
130: Gleichspannungsversorgung
140: Diode
150: Zur Wechselspannungslast
200: Fünf-Level-Schaltungstopologie
210: Erstes Schaltungsschema
220: Zweites Schaltungsschema
230: Drittes Schaltungsschema
240: Viertes Schaltungsschema
250: Fünftes Schaltungsschema
260: Sechstes Schaltungsschema
270: Siebtes Schaltungsschema
280: Achtes Schaltungsschema
300: Steuerungsschema zur Pulsdauermodulation
301: Zu Gate S₉
302: Zu Gate S₁₀
303: Zu Gate S₁₁
304: Zu Gate S₁₂
310: Referenzspannung der i-ten Phase V_i*
320: Trägersignal
400: Schaltungsschema mit paralleler Verschaltung
411: Gleichstromquelle
401: Erstes Submodul
402: Zweites Submodul
403: Drittes Submodul
404: Viertes Submodul
430: Multiphasenlast
500: Schaltungsschema für Multiphasen-Wechselstrom
501: Erstes Submodul
502: Zweites Submodul
503: Drittes Submodul
531: Erster Kondensator
532: Zweiter Kondensator
533: Dritter Kondensator
551: Erste Wechselstromphase
552: Zweite Wechselstromphase
553: Dritte Wechselstromphase
530: Gleichspannungsquelle

Claims

Verfahren zur Anordnung einer Schaltung gemäß einer Submodul-Schaltungstopologie (100, 200) für einen modularen Multilevelkonverter, wobei der modulare Multilevelkonverter eine Steuerung und mindestens ein Submodul aufweist, wobei in dem mindestens einen Submodul (401, 402, 403, 404, 501, 502, 503) eine Gleichspannungsquelle (130), eine Diode (140), eine Mehrzahl an Halbleiterschaltern (101, 102, 103, 104, 105, 106, 107, 108, 109. 110, 111, 112) und eine Anzahl an Zwischenkreiskondensatoren (121, 122) gemäß der Submodul-Schaltungstopologie (100, 200) angeordnet werden, wobei die Submodul-Schaltungstopologie (100, 200) zwischen einer High-Side und einer Low-Side zwei Halbbrücken mit Mittenabgriff zur Bildung eines Ausgangsanschlusses (150) für eine jeweilige Stromphase, mindestens eine wahlweise wiederholbare Spannungsstufeneinheit (119), die Gleichspannungsquelle (130) und, an dem positiven Pol der Gleichspannungsquelle (130), die Diode (140) in Durchflussrichtung zur High-Side aufweist, wobei die wahlweise wiederholbare Spannungsstufeneinheit (119) einen jeweiligen Zwischenkreiskondensator (122), welcher an seinem oberen Anschlusspunkt durch zwei entgegengesetzt angeordnete Halbleiterschalter (105, 106) zur High-Side und an seinem unteren Anschlusspunkt durch zwei entgegengesetzt angeordnete Halbleiterschalter (107, 108) zur Low-Side verbunden wird, aufweist, wobei bei einer jeweilig weiteren Spannungsstufeneinheit (119) der obere Anschlusspunkt ihres Zwischenkreiskondensators (122) mit dem unteren Anschlusspunkt des Zwischenkreiskondensators (121) der jeweilig vorherigen Spannungsstufeneinheit verbunden wird, wobei die Submodul-Schaltungstopologie (100, 200) entsprechend einer vorgegebenen Zahl an Spannungsstufen durch die wahlweise wiederholbare Spannungsstufeneinheit (119) um jeweilig zwei Spannungsstufen erweitert wird, und wobei je nach am Ausgangsanschluss (150) bereitgestellter Ausgangsspannung durch die jeweilig entgegengesetzt angeordneten Halbleiterschalter (101, 102, 103, 104, 105, 106, 107, 108) sowohl ein Ladestrom wie auch ein Entladestrom für die jeweiligen Zwischenkreiskondensatoren (121, 122) geführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das mindestens eine Submodul (401, 402, 403, 404) 501, 502, 503) an seinen Ausgangsanschlüssen (150) mit einer Phase (551, 552, 553) einer Last (430) verbunden wird, und wobei durch Steuerung der Halbleiterschalter (109, 110, 111, 112) mittels einer Pulsdauermodulation (300) ein Wechselstrom erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Anzahl an Submodulen (401, 402, 403, 404) gemäß einer vorgegebenen Zahl an Phasen der Last (430) gewählt wird und die Submodule (401, 402, 403, 404) anstatt mit ihrer jeweiligen Gleichspannungsquelle (130) parallel mit einer Gesamtgleichspannungsquelle (411) verschaltet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Anzahl an Submodulen (501, 502, 503) gemäß einer vorgegebenen Zahl an Phasen (551, 552, 553) der Last gewählt wird, wobei die Gleichspannungsquelle (130) des jeweiligen Submoduls (501, 502, 503) durch einen jeweiligen Kondensator (531, 532, 533) gebildet wird, und wobei die jeweiligen Kondensatoren (531, 532, 533) in Reihe mit einer Gesamtgleichspannungsquelle (530) verschaltet werden.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei in der wiederholbaren Spannungsstufeneinheit (119) entweder die zwei entgegengesetzt angeordneten Halbleiterschalter zur High-Side (105, 106) oder die zwei entgegengesetzt angeordneten Halbleiterschalter (107, 108) zur Low-Side durch einen vollständig steuerbaren Schalter ersetzt werden.
Modularer Multilevelkonverter, wobei der modulare Multilevelkonverter eine Steuerung und mindestens ein Submodul (401, 402, 403, 404, 501, 502, 503) aufweist, wobei in dem mindestens einen Submodul (401, 402, 403, 404, 501, 502, 503) eine Gleichspannungsquelle (130), eine Diode (140), eine Mehrzahl an Halbleiterschaltern (101, 102, 103, 104, 105, 106, 107, 108, 109. 110, 111, 112) und eine Anzahl an Zwischenkreiskondensatoren (121, 122) gemäß der Submodul-Schaltungstopologie (100, 200) angeordnet sind, wobei die Submodul-Schaltungstopologie (100, 200) zwischen einer High-Side und einer Low-Side zwei Halbbrücken mit Mittenabgriff zur Bildung eines Ausgangsanschlusses (150) für eine jeweilige Stromphase, mindestens eine wahlweise wiederholbare Spannungsstufeneinheit (119), die Gleichspannungsquelle (130) und an dem positiven Pol der Gleichspannungsquelle (130) die Diode (140) in Durchflussrichtung zur High-Side aufweist, wobei die wahlweise wiederholbare Spannungsstufeneinheit (119) einen jeweiligen Zwischenkreiskondensator (122), welcher an seinem oberen Anschlusspunkt durch zwei entgegengesetzt angeordnete Halbleiterschalter (105, 106) zur High-Side und an seinem unteren Anschlusspunkt durch zwei entgegengesetzt angeordnete Halbleiterschalter (107, 108) zur Low-Side verbunden ist, aufweist, wobei bei einer jeweilig weiteren Spannungsstufeneinheit (119) der obere Anschlusspunkt ihres Zwischenkreiskondensators (122) mit dem unteren Anschlusspunkt des Zwischenkreiskondensators (121) der jeweilig vorherigen Spannungsstufeneinheit verbunden ist, wobei die Submodul-Schaltungstopologie (100, 200) entsprechend einer vorgegebenen Zahl an Spannungsstufen durch die wahlweise wiederholbare Spannungsstufeneinheit (119) um jeweilig zwei Spannungsstufen erweitert ist, und wobei die Steuerung dazu konfiguriert ist, je nach am Ausgangsanschluss (150) bereitzustellender Ausgangsspannung durch die jeweilig entgegengesetzt angeordneten Halbleiterschalter (101, 102, 103, 104, 105, 106, 107, 108) sowohl einen Ladestrom wie auch einen Entladestrom für die jeweiligen Zwischenkreiskondensatoren (121, 122) zu führen.
Modularer Multilevelkonverter nach Anspruch 6, wobei das mindestens eine Submodul (401, 402, 403, 404, 501, 502, 503) an seinen Ausgangsanschlüssen (150) mit einer Phase (551, 552, 553) einer Last (430) verbunden ist, und wobei die Steuerung der Halbleiterschalter (109, 110, 111, 112) dazu konfiguriert ist, mittels einer Pulsdauermodulation (300) einen Wechselstrom zu erzeugen.
Modularer Multilevelkonverter nach Anspruch 6 oder 7, wobei eine Anzahl an Submodulen (401, 402, 403, 404) gemäß einer vorgegebenen Zahl an Phasen der Last (430) gewählt ist und die Submodule (401, 402, 403, 404) anstatt mit ihrer jeweiligen Gleichspannungsquelle (130) parallel mit einer Gesamtgleichspannungsquelle (411) verschaltet sind.
Modularer Multilevelkonverter nach Anspruch 6 oder 7, wobei eine Anzahl an Submodulen (501, 502, 503) gemäß einer vorgegebenen Zahl an Phasen (551, 552, 553) der Last gewählt ist, wobei die Gleichspannungsquelle des jeweiligen Submoduls (501, 502, 503) durch einen jeweiligen Kondensator (531, 532, 533) gebildet ist, und wobei die jeweiligen Kondensatoren (531, 532, 533) in Reihe mit einer Gesamtgleichspannungsquelle (530) verschaltet sind.
Modularer Multilevelkonverter nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei in der wiederholbaren Spannungsstufeneinheit (119) entweder die zwei entgegengesetzt angeordneten Halbleiterschalter zur High-Side (105, 106) oder die zwei entgegengesetzt angeordneten Halbleiterschalter (107, 108) zur Low-Side durch einen vollständig steuerbaren Schalter ersetzt sind.
System, welches eine Gesamtgleichspannungsquelle (411, 530), eine Last (430) mit mindestens einer Phase (551, 552, 553), und einen modularen Multilevelkonverter nach einem der Ansprüche 6 bis 10 umfasst, wobei der modulare Multilevelkonverter dazu konfiguriert ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 auszuführen.