CN107466443A - 低损耗模块化多电平转换器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及包括串联连接的多个可控制双极子模块的转换器。上述子模块中的至少一些各自包括第一和第二子模块连接、第一、第二、第三和第四可控制开关、和双极存储器，双极存储器包括第一和第二双极连接、能量存储件和可控制开关器件，其中可控制开关器件具有第一可选开关状态和第二可选开关状态，在第一可选开关状态中，不管第一和第二双极存储器连接之间施加的电压如何，双极存储器不输出能量，在第二可选开关状态中，双极存储器的存储件能够吸收或释放能量。子模块作为整体具有可选的传导状态，在可选的传导状态中，双极存储器的可控制开关器件呈现上述的第一开关状态，并且第一至第四开关被切换使得电流在两个并联支路上流经子模块。

Description

低损耗模块化多电平转换器
技术领域
本发明涉及用于转换电能的转换器的领域。具体地，本发明涉及包括串联连接的多个可控制双极子模块的转换器、相关联的子模块和用于控制这种转换器的方法。
背景技术
即使对于大功率电平而言，通过合适的电力电子转换器来实现电能的低损耗转换的重要性日益增加。重要的应用领域包括高压直流传输(HVDC)和具有电子速度/扭矩控制的大规模驱动。在电路方面，由于高度合适的可转换功率半导体开关的发展，最广泛地投入使用的是在(英文)文献中被称为电压电源转换器的V转换器。
在DE 1010 3031A1中公开了特别有益的变型，并定名为模块化多电平转换器。图1示出了从DE 10 2009 057 288 A1获得的现有技术的模块化多电平转换器1的结构。该转换器1具有在桥接电路中彼此连接的功率半导体阀2或支路。每个功率半导体阀2在交流电压连接L1、L2、L3和直流电压连接31、32、33或41、42、43之间延伸。直流电压连接31、32、33可经由正极连接5连接到直流电压网络(未示出)的正极，并经由负极连接6连接到直流电压网络(未示出)的负极。
交流电压连接L1、L2、L3在不同情况下连接到变压器的次级线圈，变压器的初级线圈连接到交流电压网络(也未示出)。对于交流电压网络的每个相位，提供了交流电压连接L1、L2、L3。在指定的现有技术中，转换器1是高压直流传输系统的一部分，并且用于连接交流电压网络，以便在高压直流传输系统和交流电压网络之间传输高的电功率电平。这样的转换器1还可以是所谓FACTS系统的一部分，FACTS系统用于网络稳定化或用于确保期望的电压质量、或可以在驱动技术中使用。单独的子模块7中的开关可以通过控制器件60进行控制。为了清楚起见，控制单元60和单独的子模块之间的控制线未在图1中示出。
从图1中还可以看出，多电平转换器1由子模块7以严格地模块化的方式构成，子模块7基本上具有连通外部的两个电源接头或接口。这样的子模块7的内部电路的不同的变型在现有技术中是已知的。最简单的电路变型是由上述专利文献DE 1010 3031 A1已知的所谓的半电桥子模块，并在图2中示出。这样的半电桥子模块对于给定功率和类半导体消耗具有最小的功率损耗。大功率范围中的功率损耗的最小化在经济和技术方面具有重大意义。
如图3至图5所示的不同的开关状态中，全电桥子模块也可以在模块化多电平转换器中使用以代替半电桥模块。在图3至图5中可以看出，全电桥子模块包括四个半导体开关10、30、10a和30a，每个半导体开关具有并联连接到半导体开关的反向续流二极管。开关10和30形成第一半电桥，且开关10a和30a形成第二半电桥。每个全电桥子模块分别具有第一端子X1和第二端子X2。术语“端子”旨在表示纯粹的功能性意义，并不意味着子模块实际上必然包括可移除的连接或夹具。这意味着即使多个模块永久地连接，本公开中的独立模块的输入和/或输出也可称为“端子”。全电桥子模块还包括作为能量存储器件的电容器。
图3示出了第二端子X2和第一端子X1之间的电压UX为零(UX＝0)且正端子电流iX>0(技术上的电流方向)流动的情况。
图4示出了已通过正电源电压UX>0激活的相同的子模块的开关状态，除了半导体的小的正向电压之外，正电源电压UX等于电容器的正电压。
图5(类似于图3)示出了端子(UX＝0)之间的电压可忽略的状态，但是该状态通过半导体开关的可替代的开关状态实现。在图3的开关状态和在图5的开关状态两者中，电流ix可以在电容器9不吸收(即，不接收)或传递能量的情况下流经子模块。用于该状态的有利的控制方法能够使得根据图3和图5的开关状态被交替激活，以便将产生的传输功率损耗分散至所有四个半导体开关10、10a、30、30a。这必定可以降低平均半导体温度，但是未实现整体子模块的功率损耗的显著降低。每个开关状态中的子模块的传传输压由全部端子电流ix流经的两个半导体的传传输压的总和给定。
因此，显而易见的是，在待安装的半导体开关的数量以及功率损耗两个方面上，图3至图5的全电桥子模块均不如图2的半电桥子模块好。然而，这些缺点被具有全电桥子模块的模块化多电平转换器的以下优点抵消：
a)转换器的直流端子处的直流电流可以以电子方式断开(例如，在直流短路的情况下)。
b)在直流端子处的直流电压能够与交流电压无关地在振幅相等的正最大值和负最大值之间连续地调节。
c)由于功率极化固有地较低，子模块中的电容器的电容大小可以明显更小。
作为半电桥子模块和全电桥子模块之间的一种折中解决方案，DE 10 2009 057288中提出了图6中示出的子模块。图6的子模块还提供了上文(a)中提到的直流电流可以以电子方式断开的优点，并且与具有全电桥子模块的转换器相比，该子模块允许功率损耗的减少达到25％。然而，无法实现上文(b)和(c)中所列的优点。关于负直流电压的最大值存在另一限制：与全电桥子模块的直流电压相比，负直流电压的最大值只能够达到全电桥子模块的直流电压最大值的一半。
以下来自瑞典研究所KTH的博士论文中详细说明了通过两个附加的半导体开关对由DE 10 2009 057 288 A1已知且图6中所示的子模块进行的扩展：K.Ilves，“用于网格应用的模块化多电平转换器的建模和设计”，博士论文，KTH皇家理工学院，斯德哥尔摩，瑞典，TRITA-EE 2014:045，ISSN 1653-5146，urn:nbn；se:kth:diva-153762。
在上述论文中被称为“半-全电桥子模块”的版本基本上能够满足标准(b)。但对于负直流电压的可达到的最大值仍存在限制，该最大值仍然仅达到根据DE 10 2009 057288A1和图6的值。此外，关于标准(c)存在缺点：因为存在于同一子模块中的两个存储电容器直接并联的开关状态仅在非常有限的范围内被允许。在高压下，如本领域的技术人员已知的，电容器的直接并联将导致类似短路的直流补偿电流和内在的能量损耗。
DE 10 2013 205 562公开了设计成以n相电流和n相电压的形式传递和/或吸收电能的能量存储器件，其中n≥1。能量存储器件包括n个能量供应支路，每个能量供应支路具有串联连接的多个能量存储模块。每个能量存储模块包括具有耦合模块连接器的能量存储单元耦合模块，以及具有耦合元件的耦合器件，上述耦合元件设计成经由耦合模块连接器选择性地将能量存储单元模块切换到相应的能量供应支路或绕开相应的电源支路。每个能量存储单元耦合模块依次具有包括多个串联的能量存储单元分支模块的耦合模块链，能量存储单元分支模块包括具有串联电路的能量存储单元支路和与能量存储单元支路并联连接的旁路支路耦合元件，上述串联电路包括能量存储单元支路耦合元件和至少一个能量存储单元。
发明内容
本发明的目的在于提供如下一种转换器，与具有全电桥子模块的多电平转换器一样，本发明提供的转换器提供了三个给定标准(a)、(b)和(c)中的所有功能，而且还同时允许功率损耗的降低。
此目的通过根据权利要求1的转换器、根据权利要求24的相关的子模块和根据权利要求26的相关的控制方法来实现。有益的进一步发展在从属权利要求中详细说明。
根据本发明的作为多电平转换器已知的转换器包括串联连接的多个可控制双极子模块，其中在每种情况下，所述子模块中的至少一些包括以下结构：
第一和第二子模块端子，
第一、第二、第三和第四可控制开关，以及
第一双极存储器(也被称为“双端子器件”)，其包括第一和第二双极端子、能量存储件和可控制开关器件，其中可控制开关器件
●具有第一可激活开关状态，在第一可激活开关状态中，无论第一双极存储器端子和第二双极存储器端子之间施加的电压如何，第一双极存储器不传递能量，以及
●具有第二可激活开关状态，在第二可激活开关状态中，第一双极存储器的存储件能够吸收或传递能量。
“第一”双极存储器可以是子模块的唯一的双极存储器。然而，还存在优选实施方式，如在下文中更详细描述的，其包括至少两个这样的双极存储器。为了命名的一致性，单个现有的双极存储器也被称为“第一双极存储器”。
优选地，根据本发明的子模块仅包括所述两个端子。在优选实施方式中，不旨在使不同的子模块的能量存储件并联连接(这将需要四个子模块端子)。
子模块作为整体具有可激活的传输状态，在可激活的传输状态中，
-双极存储器的可控制开关器件呈现第一所述开关状态，以及
-第一至第四开关以电流能够在两个并联支路上流经子模块的方式连接。
能够交替激活的传输状态在功能上取代图3和图5的开关状态。在两种情况下，全部的电流流经两个开关，更确切地说，经过一个开关并经过与开关并联的续流二极管。然而，二极管的正向电压与可控制半导体开关的正向电压通常没有显著的差别。类似的情况适用于半导体自身为反向传导半导体的变型。这意味着两个导电方向上的损耗总是处于相似的高电平处。为此，为了更简单的描述，术语“开关”应理解成表示反向传导开关或见微知着(pars pro toto)，包括不导电的反向传导开关和并联连接的反向续流二极管的单元之一。
另一方面，在本发明的转换器中，子模块作为整体可以呈现所述可激活传输状态，在子模块中，开关以电流能够在两个并联支路上流经子模块的方式连接，其中具体地，两个支路中的每个包括两个开关。在具有欧姆正向特性的半导体中(诸如在场效应晶体管的情况下)，这使得功率损耗的特别显著地降低。在此开关状态中的子模块的功率损耗与图3和图5的开关状态中的每个相比降低了50％。对于由正向特性的特殊的非线性所决定的典型的IGBT晶体管的正向特性，在某种程度上其呈现较少的优点，但是不管怎样仍获得了非常大的效益。
重要的是要注意，所描述的传输开关状态不可能通过图3至图5的传统的全电桥子模块实现，因为电容器将被短路。除此之外，本发明提供了具有能量存储和可控制开关器件的双极存储器，可控制开关器件具有所述第一可激活开关状态，在第一可激活开关状态中，不管第一双极存储器端子和第二双极存储器端子之间的电压如何，双极不传递能量，使得所述可激活传输状态能够通过两个并联电流支路获得。双极存储器的第一开关状态不需要排除双极存储器吸收能量(即，充电)的可能性。因此，双极存储器的存储件不需要与子模块的剩余部分完全地去耦合。对于本发明的目的，在第一开关状态下防止双极存储器的放电电流就足够了。
然而，重要的是要注意，本领域的技术人员在初看之下不会期待运行中由于该措施导致的净功率损耗的任何降低，因为所描述的功率损耗的降低仅涉及开关状态中的一个，也就是电流流过子模块且子模块的端子之间不存在电压(UX＝0)(忽略在开关处的小的电压降)的开关状态。在存储器模块的能量存储件吸收或传递能量的所有开关状态中，双极存储器的开关器件的开关引入未在图3至图5的简单全电桥子模块的情况下出现的额外的损耗。因此，本领域的技术人员在初看之下不会期待这将产生的显著的净性能节约，并还将由于附加的开关器件的成本和增加的控制复杂性而失去兴趣。事实上，为了降低功率损耗的目的，如以上专利DE 10 2009 057 288 A1和K.Ilves的以上提到的论文描写的，现有技术的发展实际上采取了不同的方向。
同样重要的是要注意，如果全电桥电路不用作(如在本发明中)模块化多电平转换器的子模块，则全电桥电路通常地以以下两个目的使用和操作：
I.为了有功功率的传输。在这种情况下，直流侧输入源或启用能量消耗的负载与电容器并联连接，并且是必须的
II.为了(仅)无功功率的补偿。在这种情况下，与电容器并联的直流侧输入源不是必须的，不过也不可能进行有功功率的传输。
因此，在传统的全电桥电路的应用中，根据本发明的双极存储器的使用对于功率损耗的降低是没有帮助的，且因此，就发明人所知的双极存储器的使用也未正确地在现有技术中加以考虑。因为在提到的第一情况I中，由于有功功率的传输，输出侧的(即，交流侧)电流和电压的基本振荡为基本上同相。因此，具有高振幅输出电流的时间段与高输出电压振幅的时间段一致。后者必须通过高时间比例的UX＝+UC(或UX＝-UC，在负半波中)的开关状态和相对小的比例的UX＝0的开关状态的来实施，其中UC为存储电容器的电压。因此，在本发明的上下文中，仅在UX＝0的开关状态中降低传传输压是不适当的。此外，如上文已经提到的，直流侧输入源在这些开关状态中将被短路。
在第二情况II中，输出侧(交流侧)的电流和电压的基本振荡相对于彼此以大约90°进行相移。这里，对于全电桥的已知应用案例为无功功率补偿系统(在(英文)文献中称为STATCOM)，该无功功率补偿系统根本不能够传输任何有功功率分量。此外，具有高输出电流振幅的时间段与具有高输出电压振幅的时间段一致，不过至少电流和电压的绝对峰值不再同时出现，这至少在一定程度上减轻了问题。此外，根据本发明，使用双极存储器也是不适当的。
然而，与现有技术的这些技术中的偏见相反，惊讶地发现在特定的边界条件下(诸如，特定地为模块化多电平转换器中的子模块建立的边界条件)，功率损耗却可以在整体上降低相当可观的程度。这仅在综合分析和更深入的理解应用于模块化多电平转换器的特定地边界条件后被揭示，并且边界条件在模块化多电平转换器中的应用将结合优选示例性实施方式的描述进行更详细地描述。结果表明，当根据本发明的子模块在多电平转换器结构中使用时，不仅满足了以上所有三个标准(a)、(b)、(c)，还可以使功率损耗保持显著地低于根据图3至图5的具有传统的全电桥的结构，并且甚至低于使用来自DE 10 2009 057 288的子模块(图6)，并且根据双极存储器的设计，这还是以潜在地较低的制造成本实现的。
在有益的进一步发展中，设计成控制子模块的开关和第一双极存储器的开关器件的转换器包括控制单元，其中控制单元配置成将选择的子模块选择性地切换到传输状态。
优选地，子模块具有以下四种可激活能量传递状态或能量吸收状态中的一个多个，在这些状态中的每种情况下，第一双极存储器的可控制开关器件呈现所述第二开关状态，以及
1.第二子模块端子和第一子模块端子之间的电压为正，并且第一双极存储器的存储件被充电，或
2.第二子模块端子和第一子模块端子之间的电压为正，并且第一双极存储器的存储件放电，或
3.第二子模块端子和第一子模块端子之间的电压为负，并且第一双极存储器的存储件放电，或
4.第二子模块端子和第一子模块端子之间的电压为负，并且第一双极存储器的存储件被充电。
在优选实施方式中，第一开关和第二开关串联连接，并且第三开关和第四开关串联连接。因此，第一开关和第二开关形成第一半电桥，第三开关和第四开关形成第二半电桥。然后，第一半电桥和第二半电桥与第一双极存储器是并联连接的。
优选地，第一开关和第二开关之间的电势点连接到第一子模块端子，并且第三开关和第四开关之间的电势点连接到第二子模块端子。优选地，第一开关和第二开关相对于它们的正方向以相同的方向定向，并且第三开关和第四开关相对于它们的正方向以相同的方向定向。优选地，第一开关和第二开关相对于它们的正方向与第三开关和第四开关相反地定向。
在有益的进一步发展中，所述子模块中的至少一些还包括以下结构：
第五、第六、第七和第八可控制开关，其中第五可控制开关与第四可控制开关直接地并联连接，并且第五可控制开关能够可选地省略，以及
第二双极存储器，其包括第一双极端子和第二双极端子、能量存储件和可控制开关器件，其中可控制开关器件具有
·第一可激活开关状态，在第一可激活开关状态中，不管它的第一双极存储器端子和它的第二双极存储器端子之间施加的电压如何，第二双极存储器不传递能量，以及
·第二可激活开关状态，在第二可激活开关状态中，第二双极存储器的存储件能够吸收或传递能量，
其中，子模块作为整体具有可激活的传输状态，在可激活的传输状态中，
-第一和第二双极存储器的可控制开关器件呈现所述第一开关状态，以及
-第一开关至第八开关以电流能够在两个并联支路上流经子模块的方式连接。
同仅具有一个双极存储器的简单变型相比，具有至少两个双极存储器和至少8个或7个(如果省略第五开关)可控制开关的这种子模块通常允许20％至25％的进一步损耗降低，并且除了较低的负最大电压之外，显示出在功能的不存在显著的技术上的限制。
在本文中，优选地，第五开关和第六开关串联连接，第七开关和第八开关串联连接，并且第五开关和第六开关的串联连接、第七开关和第八开关的串联连接以及第二双极存储器是并联连接的。如果省略了第五开关，则在本公开中，第四开关代替第五开关。
在有益的进一步发展中，第一开关和第二开关之间的电势点连接到第一子模块端子，第三开关和第四开关之间的电势点连接到第二双极存储器的第一端子，第五开关和第六开关之间的电势点连接到第一双极存储器的第二端子，并且第七开关和第八开关之间的电势点连接到第二子模块端子。
优选地，第五开关和第六开关相对于它们的正方向以相同的方向定向，并且优选地，第七开关和第八开关相对于它们的正方向以相同的方向定向。此外，优选地，第五开关和第六开关相对于它们的正方向与第七开关和第八开关相反地定向。
在有益的实施方式中，第一开关至第四开关中的一个或多个由功率半导体(具体由IGBT或晶闸管，特别是由GTO晶闸管)形成。优选地，第一开关至第四开关中的一个或多个由反向传导功率半导体形成。此外，第一开关至第四开关中的一个或多个可以具有反向并联连接的续流二极管。下文中将基于示例性实施方式更详细地示出该部分。
为了有利于发展，控制单元配置成在电流沿着与一开关相反的方向流动的状态中也将该开关切换至导通状态。特别是在场效应晶体管(FET)的情况下，这允许正向电压的进一步降低。在有益的进一步发展中，转换器包括具有串联连接的子模块的多个支路或阀，其中每个支路具有至少3个所述子模块(优选地至少6个所述子模块)。然而，在许多实际应用中，模块化多电平转换器的一个支路包括多于50个、多于100个乃至数百个这样的子模块。
为了有益于发展，双极存储器的存储件包括至少一个电容器(特别是单极电容器)。优选地，存储件包括至少两个电容器，两个电容器串联连接或者能够串联连接。具体地，至少两个电容器可并联连接以进行充电，并且可串联连接以进行放电。在有益的进一步发展中，双极存储器的开关器件包括至少一个半导体开关，该半导体开关百分比功率损耗小于第一开关至第四开关的百分比功率损耗。这可能因为(尤其是在模块化多电平转换器应用中)在双极存储器的开关器件的开关中流动的电流基本上小于流经单独的子模块的电流(例如，在传输状态中)。这开创了对于双极存储器的开关器件使用特定的低损耗半导体开关(具体地，碳化硅开关或氮化镓开关)的可能性。
附图说明
图1示出了模块化多电平转换器结构的示意性结构；
图2示出了具有半电桥电路的子模块；
图3至图5示出了处于不同的开关状态中的全电桥子模块；
图6示出了现有技术的设计成降低功率损耗的子模块；
图7至图10示出了根据本发明一实施方式的处于不同的开关状态中的子模块；
图11至图12示出了根据本发明另一实施方式的处于不同的开关状态中的子模块；
图13至图17示出了双极存储器的实施方式；
图18示出了模块化多电平转换器的支路电压的典型调制指数；
图19示出了与图18的调制指数相关的支路电流的时间进展；
图20示出了根据图7至图12之一的两个子模块的相互连接的示意图，所述两个子模块相互连接以形成扩展子模块；以及
图21示出了扩展子模块的具体配置。
具体实施方式
为加深对本发明原理的理解，下面将参照附图中所示的优选实施方式，并且将使用特定语言来描述该优选实施方式。然而，将理解的是，特定语言的使用并不旨在限制本发明的范围，而是考虑了本发明所涉领域的技术人员在现在或在将来正常想到的、对所示装置进行的那些改变和进一步修改以及对上述装置所示出的本发明原理的进一步应用。
图7示出了根据本发明实施方式的转换器的子模块20的示例性实施方式。根据本发明的子模块可以以与图1所示的方式相同的方式在模块化多电平转换器拓扑中使用，因此能够代替子模块7。子模块20包括第一子模块端子X1和第二子模块端子X2、第一开关10至第四开关30a，在示例性实施方式示出的上述可控制开关由功率半导体形成。在示出的实施方式中，第一可控制开关10至第四可控制开关30a不是反向导通的。相反，第一可控制开关10至第四可控制开关30a中的每个与续流二极管在相反方向上并联连接。最后，子模块20包括具有第一双极端子Yl和第二双极端子Y2的双极存储器50。
图13至图17示出了这种双极存储器50的不同的配置，并在下文中对此进行描述。然而，双极存储器的所有这些实施方式的共同之处在于：它们包括在下文示出的示例性实施方式中由一个或多个电容器形成的能量存储件和可控制开关器件，并且该可控制开关器件具有：
●第一可激活开关状态，在该状态中，不管第一双极存储器端子和第二双极存储器端子之间施加的电压如何，双极存储器不传递能量，以及
●第二可控制开关状态，在该状态中，双极存储器的存储件能够吸收或传递能量。
由此实现的整体结果是：子模块作为整体可以呈现图7示出的可激活传输状态，其中电流以更宽的线示出。在此传输状态中，双极存储器50的可控制开关单元呈现所述第一开关状态，使得双极存储器不传递能量。在所示模块20的开关状态中，除低正向电压外(即，当电流流过时，半导体开关10a与30a之间的电压降，或与半导体10和30并联连接的二极管之间的电压降)，子模块20的端子X1和X2之间的电压UX整体上为零(UX＝0)。从图7还可以看出，第一开关10至第四开关30a以电流ix在两个并联支路中流经子模块20的方式连接，即在第一支路上流经第一开关10的续流二极管和第三开关10a，并且在第二支路上流经第四开关30a的续流二极管和第二开关30。
对于给定的电流ix，这意味着流经每个开关或每个二极管的电流仅为图3或图5的开关状态中的电流的一半。如果进一步假设半导体具有欧姆正向特性(例如，如场效应晶体管的情况)，则这还意味着各开关上的电压仅下降了一半，使得与图3或图5的情况相比，对于相同的总电流ix，子模块的总的功率损耗减少一半。对于IGBT晶体管的典型的正向特性，实现的优点不那么多，但是优点仍然显著。
图7示出了UX(除正向电压之外)等于零(UX＝0)但电流iX大于零(iX>0)的情况下的正向条件。此开关状态在以下描述中用Z＝5表示。
图8还示出了UX(除正向电压之外)也为零(UX＝0)但正向电流iX为负(iX<0)的传输状态，因此电流方向为相反的。此开关状态在下文中用Z＝6表示。
图9示出了处于另一开关状态的图7的子模块20，在该开关状态中，双极存储器的可控制开关器件和第一开关10至第四开关30a以第二子模块端子X2和第一子模块端子X1之间的电压为正并且正电流ic流入双极存储器50的方式连接，使得双极存储器的存储件被充电。此开关状态在下文中以Z＝1表示。
图10示出了处于第二子模块端子X2和第一子模块端子X1之间的电压同样为正、但是模块电流iX和存储器模块50的充电电流ic均为负的开关状态中的图7的子模块20，因此，双极存储器50的存储件放电。此状态在下文中被称作Z＝2。
最后，图7的子模块20具有未明确示出的额外的两个开关状态，即状态Z＝3和状态Z＝4，其中，在状态Z＝3中，第二子模块端子X2和第一子模块端子X1之间的电压为负(UX<0)，并且双极存储器50的存储件放电(ic<0)，在状态Z＝4中，第二子模块端子X2和第一子模块端子X1之间的电压为负(UX<0)，并且双极存储器50的存储件被充电(ic>0)。
图11示出了处于开关状态Z＝5中的子模块20的另一变型，其中子模块20与图7至图9的子模块相同，除了此处使用的是反向传导功率半导体，而不是普通半导体开关和并联连接的反向二极管。图12示出了处于状态Z＝1中的图11的子模块20。
图13至图17示出了双极存储器50的不同的实施方式的示例。在本文中，图13至图15为仅包括作为能量存储件的一个存储电容器9的实施方式。在图13至图15中示出的开关形成了上文所述的同样通过控制器件60(参见图1)激活的开关器件。
图14是尤为低成本的设计。如已经说明的，在图14中示出的半导体开关15和16还可以用反向传导半导体开关代替。如果可控制半导体开关15断开，则双极存储器50处于它的第一状态；如果可控制半导体开关15接通，则双极存储器50处于它的第二状态。
只要可控制半导体17总是保持断开，则图13具有以上提到的相同的功能。然而，在断开可控制半导体开关15之后，可控制半导体17还可以接通。这允许了半导体10、30、10a、30a的切换能量损耗的显著的降低，因为它们现在能够在零电压条件(“零电压切换”)下进行切换。
理论上，这能够使这些半导体的接通能量和断开能量均被免除，实际上，接通能量和断开能量至少极大地降低。因为本发明提供了在仅负载有电流的低有效均方根值的双极存储器50中的定制技术中使用半导体的可能性，所以“零电压切换”对于转换器的整体功率损耗也是有利的。用于双极存储器50的适当的技术为例如具有非常低的切换能量损耗的基于碳化硅或氮化镓的场效应晶体管。
图15示出了双极存储器50，其例如配备有多个碳化硅的场效应晶体管15.1至15.4的串联电路。可选地，还提供了二极管16.1至16.4，其在反向传导半导体的情况下不是绝对必要的。此外，提供了可选的欧姆电阻器25，其能够以已知的方式改善串联电路的静态电压分布。
这样的双极存储器50的设计具有其他优点：
-具有低电压的半导体开关的串联连接通常具有比具有相应地更高额定电压的半导体小得多的切换能量损耗。
-半导体开关的串联连接可设计成即使在一个半导体发生故障的情况下，它仍然是起作用的。这是众所周知的，并且在例如用于高压直流传输的转换器中的晶闸管的串联连接中使用。在本文中，在不必使所有的半导体开关10、30、10a、30a都在串联电路中实施的情况下，获得了能够安全地防止存储电容器9的突然放电的优点。存储电容器的突然的类短路放电是如众所周知非常不希望发生的，并且是危险的，因为半导体和它们的触点导致破坏以及冲击和电弧效应。
图16示出了双极存储器50的另一可能的实施方式，其包括了两个存储电容器9.1和9.2。如果可控制半导体开关26被断开，则双极存储器50处于第一状态，并且如果可控制半导体开关26被接通，则双极存储器50处于第二状态。在此情况下，如果双极50传递能量，则在这里存储电容器9.1和9.2是串联连接的。如果双极50吸收能量，则存储电容器9.1和9.2并联连接。在一些应用中，如果双极50能够以相对低的电压吸收尽可能最高能量的量，这是有利的。
图17示出了双极存储器50的另一实施方式，其使相关子模块的所谓的多电平电压或多点电压UX成为可能。电力电子设备的许多类型的连接是已知的，其可以产生具有多于三个电压电平的多点电压。然而，在转换器的主支路中，它们仍然需要多个直接地或间接地串联连接的半导体开关。然而，在另一方面，双极存储器50中仅使用这样的串联连接是足够的且更为有利的，因为电流的有效值是低很多。其结果，转换器所产生的总功率损耗也是较低的。
参考图18和图19，下面将说明的是，对于模块化多电平转换器中的子模块20的具体使用，应用了边界条件，其导致本发明关于节省功率损耗的量化优点受到很大影响。图18示出了对于图1的模块化多电平转换器1的六个支路或六个阀2之一的调制指数a(t)的时间进展。调制指数a与支路电压成比例。术语“调制指数”是电力电子学领域的标准术语，并且定义如下：
-调制指数a＝1意味着支路2中的每个子模块20呈现开关状态UX＝+UC，使得支路电压达到正最大值。
-调制指数a＝0意味着支路2中的每个子模块20呈现开关状态UX＝0，使得得到的支路电压变为零。
-这两个极限之间的值由以下事实设定，即，以上两个开关状态都以合适的相对频率在时间序列中交替地切换。
-对于负支路电压，必须设定已作必要的修正的负调制指数(a<0)，其中用类比的方法使用UX＝-UC的开关状态代替UX＝+UC，并且U＝0仍作为第二开关状态使用。
图19示出了模块化多电平转换器的相同的支路中的支路电流i(t)的时间进展。
图18和图19示出了处于其标称操作中的模块化多电平转换器的典型的实际运行情况。其特征在于，所设定的直流电压的标称值aDC被选择为低于由半电桥子模块构成的模块化多电平转换器中的直流电压的标称值。除此之外，这具有支路电流具有较小比例的交流电的优点。
通常不需要在额定运行中的支路电压的高负值。在所示的典型示例中，最大可能负支路电压的利用率仅为约20％，使得负调制指数(a<0)和支路电压的范围内的UX＝0的接通状态的平均持续时间为80％以上。但是，这恰好对应于子模块的传输状态，在该传输状态中，如上所述，获得了相当大的功率损耗的降低。然而，此范围是最高电流出现的位置(参见图19)，使得本发明的优点是非常显著的。
因为在模块化多电平转换器中，有功功率不在子模块(与电容器并联)的直流侧输入或反馈，而是在转换器的较高电平直流总线(参考图1的标号5和6)处输入或反馈，所以直流分量叠加在子模块的端子电流和端子电压上(另外参见“电力电子学电路”，SpringerVieweg-Verlag，第三版本，ISBN 978-3-6 42-30103-2，第8.5.9章，748页)。
通常，目的在于将直流分量均匀地分布在模块化多电平转换器的六个支路上，并且均匀地分布在支路内的子模块20上。然后，在转换器的有功功率在三相系统的三个相位上对称分布的情况下(如图1所示)，调制指数和电压的直流分量等于转换器的直流电压的一半，并且电流的直流分量等于转换器的直流电流的三分之一(Id/3，参见图19)。这是在标称运行中追求的目标，并且还能够在实践中实现。
由于子模块的存储电容器的补偿电荷平衡的原因，并且由于能量守恒定律(要求交流侧有功功率等于小的转换器功率损耗的直流功率模)，所以图18和图19示出的特征事实上为主要传输有功功率的模块化多电平转换器的运行的典型情况。这适用于电流和电压同相(图19中的)的理想情况以及具有附加比例(例如)的无功功率的情况，但是在具有附加比例(例如)的无功功率的情况下，条件不会显著地改变，这也在图19中示出。
通过转化能量流动的方向(反馈而不是输入有功功率)，直流分量(Id/3)的正负号和交流电流(Iw/2)的正负号均被反转。对于子模块的正向或传输功率损耗，这是无关紧要的，从而保留了所描述的益处。
转换器的标称运行期间可实现的平均正向功率损耗的降低取决于使用的半导体开关的实际正向特性。因为两个电流方向中的纯欧姆正向特性(特别是对于场效应晶体管是可行的)，这导致正向功率损耗通常降低约30％(与使用图3、图4和图5中的全电桥子模块的模块化多电平转换器相比)。由于模块化多电平转换器拓扑中出现的特定边界条件而产生的结果是令人惊讶的。
除描述的正向功率损耗的降低之外，本发明还能够降低切换功率损耗。这将使用下文给出的表1至表6进行说明，表1至表6中的每个表包括以下变量：
-指定的状态Z，其表示子模块端子电压UX、子模块端子电流(标号ix)的正负号和在双极存储器50的端子处的电流(标号iC)的正负号的特定组合。电源电压Ux归一化成包括在双极存储器中的电容器的电压Uc，并且因此以Ux/Uc表示。
在双极存储器50的端子处的电流的正负号定义为：
-正号(符号ic＝+1)表示能量消耗，以及
-负号(符号ic＝-1)表示双极50的能量输出。
反向传导半导体开关10、10a、30、30a(参见图11和图12)中的电流i10、i10a、i30和i30a以这样的方式限定：正号表示可以由控制端子或栅极主动控制的电流方向。因此，电流的负号意味着半导体开关的反向并联的二极管结构是导通的。在这种情况下，电流无法通过栅极控制。然而，如已经提到的，接通信号可以存在于控制端子处。当其降低正向电压(如通常用于场效应晶体管的情况)，或如果电流测量的正负号不能够通过测量可靠地被检测到时，这是有用的。
半导体开关的电流i10、i10a、i30、i30a与转换器的外部流动支路电流|ia|(该支路电流|ia|在所考虑的期间中流动)的振幅有关。由于子模块的串联连接，此电流还作为连接电流iX流入支路或阀。在表1中，各状态具有以下含义
Z＝1：具有正端子电压UX、正端子电流iX和双极存储器50的能量吸收的状态
Z＝2：如同Z＝1，但是具有负端子电流iX和(因此)双极存储器50的能量传递
Z＝3：具有正端子电压UX、正端子电流iX和双极存储器的能量传递的状态
Z＝4：如同Z＝3，但是具有负端子电流iX和(因此)双极存储器50的能量吸收
表1
在所有状态Z＝1至Z＝4中，双极存储器50的可控制开关器件切换至在表中由列“S”中的字母B表示的第二可激活开关状态，并且在第二可激活开关状态中，双极存储器的存储件能够吸收或传递能量。
在表2中，还列出了以下状态：
Z＝5：具有UX＝0和正端子电流ix的状态，以及
Z＝6：具有UX＝0和负端子电流ix的状态
表2
在状态Z＝5和Z＝6的两者中，双极存储器50必须切换至第一可激活开关状态，在第一可激活开关状态中，不管第一双极存储器端子和第二双极存储器端子之间施加的电压如何，双极存储器不传递能量。此开关状态由表中的字母A标记。
从控制技术的角度来看，为了在实践中产生端子电压UX的正平均值，仅交替地激活UX＝+UC的开关状态和UX＝0的开关状态。类比地，为产生负平均值，仅交替地激活UX＝-UC的开关状态和UX＝0的开关状态。
表3示出了用于产生正平均值的切换顺序。在这里，支路电流的符号假定为正。其结果，对于每个切换操作，基本上只有最多一半的支路电流必须通过半导体切换。对于得到的切换功率损耗和可以安全切换的半导体电流的极限值，该事实是有利的。此外，根据表3，显而易见的是，具有负电流方向的半导体的电流不会变为零，使得在这些状态中根本不出现切换能量损耗，特别是没有由于必须消散的存储电荷而导致的恢复损耗。半导体开关30和10a必须主动地接通和断开，但是如上所述，只有电流的一半通过半导体切换。
表3
表4示出了与表3的相同的切换顺序，不过是端子电流iX的负电流方向。在这里，开关30和10a不需要切换，它们可以总是保持断开。然而，如已经说明的，如表3所示，尽管为负电流方向，它们还能够继续被激活。然而，从开关状态A到开关状态B的切换期间，某种程度的切换能量损耗随之在双极存储器50中出现，并且反过来在全电流振幅下也是如此。
表4
然而，双极存储器50中的半导体可以通过第一至第四半导体10、10a、30、30a特别地和不同地设计。具体地，由于电流的低有效值，双极存储器50中的半导体可优化成快速、低损耗切换和较小的半导体面积。双极存储器50中的半导体还可以由具有高带隙的半导体材料制成(例如，在本发明的给定边界条件下是非常有利的碳化硅或氮化镓)。
为了完整性，表5和表6示出了在电源电压UX的负平均值的情况下，与表3和表4的类似的操作。
表5
表6
关于在半导体开关10、10a、30、30a上的端子电流ix的分布，应注意的是，根据表3至表6的在不同状态中的电流分布毫无疑问地仅可以逐渐地变化，即，不是突然地改变。然而，好的电路设计将仅包括小的寄生电感。为了限制切换过量电压，经过半导体开关10和30并经由双极存储器50返回的回路和经过半导体开关10a、30a并经由双极存储器50返回的回路仅包括平均小于100nH的小寄生电感。
然而，为了半导体开关中的期望的电流分布的迅速调整，在本发明中，由半导体开关10、10a、30、30a的串联连接形成的电路中的寄生电感的总和是关键因素。因此，在这里，通过电路的合适的空间设计来最小化电感是必要的，并且在技术上也是可实现的。在大功率范围中，为了获得大致的定向，可假设以下近似值：
R＝正向电阻(在场效应晶体管中)，约1mΩ
L＝寄生电感的总和，约200nH
这产生时间常数：
T＝L/4R＝200nH/4mΩ＝50μs，
其为功率分布在电源电压UX的每个切换之后达到最终值所需的时间。因此，本发明非常适合于在模块化多电平转换器中的子模块的较低的切换频率下进行应用。
图20示出了由两个上述类型的子模块20形成的扩展子模块70，两个子模块20如图20所示进行相互连接。如在图20中可以看出，在图20中的右侧的子模块20的第二输出X2连接到左侧的子模块20的第一双极存储器端子Y1。左侧的子模块20的第一子模块端子X1也连接到右侧的子模块20的第二双极端子Y2。因此，形成了同样根据本发明设计的子模块70，子模块70包括(与上文相同)第一子模块端子X1和第二子模块端子X2、可控制开关和至少一个双极存储器(但具体地，包括两个双极存储器)。在此公开中，此扩展子模块70还被称为“双子模块”，因为它可以由同样根据本发明设计的两个更简单的子模块20的相互连接构成。“双子模块”70的子模块20之间的连接在图20中以字母V和W标记。连接点V和W的连接的设计可以自由地选择，并且(对于已知的半导体开关的电路支路)不需要具有非常低的电感。这能够使所述相互连接以有利的设计实现。
图21示出了这样的双子模块70的具体设计。图21中的包括第一至第四可控制开关10R、30R、10aR、30aR和第一双极存储器50R的双子模块70的右半边相当于图11的子模块，其中在所选择的表示中，在图21中，第一端子X1位于右侧，并且在图11中，第一端子X1位于左侧。图21的包括第五至第八开关10L、30L、10aL和30aL以及第二双极存储器50L的双子模块70的左半边也相当于图11的子模块20，并且如图20所示，两个子模块相互连接：相当于图21的连接点W的、右侧的子模块的第二子模块端子X2连接到第二双极存储器50L的第一双极端子Y1，并且相当于连接点V的、左侧的子模块的第一子模块端子X1连接到第一双极存储器50R的第二双极端子Y2。明显的是，第四开关30aR和第五开关10L直接地并联连接。因此，还可以省略两个开关30aR、10L之一，使得扩展子模块70还能够仅以七个开关实现。
第一双极存储器50R和第二双极存储器50L可以是与参照图13至图17的先前描述的相同的类型。具体地，双极存储器50R、50L均具有开关器件(未示出)，开关器件具有所述第一可激活开关状态(状态A)和第二可激活开关状态B，在第一可激活开关状态A中，不管第一双极存储器端子Yl和第二双极存储器端子Y2之间施加的电压如何，相应的双极存储器50R、50L均不传递能量，在第二可激活开关状态B中，双极存储器50R、50L的存储件能够吸收或传递能量。
应强调的是，虽然模块70被称为“双子模块”，并且事实上模块70由根据本发明的两个子模块构成，模块70反过来形成了根据本发明的子模块，该子模块整体上仅具有一个第一子模块端子X1(在图21中的右侧)和一个第二子模块端子X2(在图21中的左侧)。
然而，根据本发明，此子模块21能够由两个简单的子模块构成的事实代表主要的优点，因为它能够由两个根据本发明的子模块直接地并且没有任何修改地配置成双子模块。同样重要的是，在没有上文讨论的与文件DE 10 2009 057 288 A1或K.Ilves的博士论文有关的缺点和限制的情况下，可以实现额外的损耗降低。具体地，与先前讨论的“半-全电桥子模块”的存储电容器的并联相关的问题(其将相当大的限制能量存储器件的自由部署)不会出现，因为能够防止诸如将出现在电容器的并联连接中的短路类型的均衡电流。
只有从DE 10 2009 057 288 A1已知的负电压的最大值的限制仍具有限制性，但是这在模块化多电平转换器的主要应用领域中是可容忍的。
在图21的双子模块中，不管电流iX的方向如何，两个双极存储器50R、50L中的每个能够被供电，即，切换至第二可激活开关状态B或相应的双极存储器50R、50L均不传递能量的第一可激活状态(A)。具体地，这防止了双极存储器50R、50L两者以不受控制的方式通过短路类型的均衡电流彼此间进行能量交换的情况(由此大部分能量内在地转变成热量)。
下表示出了图21的双子模块70的开关状态Z。状态的数量由第一数字和第二数字组成，其中，第一数字表示左侧的子模块的状态，第二数字表示右侧的子模块的状态。单独的数字1至6的含义继续采用如表1和表2总结的含义。具体的电流分布可根据半导体的正向特性轻微地变化。具体地，状态15、26和51、62中的电流分布可以以1/2和1/4的因子轻微地变化，但不具有任何重大的实际重要性。
在模块化多电平转换器中采用的图21的双子模块70通常能够进一步降低20％至25％的损耗，同时除了较低的负最大电压以外在功能上不具有技术上的显著的限制。
在说明书、权利要求书和附图中公开的本发明的特征对于单独地以及以任何期望的组合实现本发明可能是必不可少的。

Claims (25)

1.转换器(1)，包括串联连接的多个可控制双极子模块(20)，其中所述子模块(20)中的至少一些各自包括：
第一子模块端子和第二子模块端子(X1、X2)，
第一可控制开关、第二可控制开关、第三可控制开关和第四可控制开关(10、30、10a、30a)，以及
第一双极存储器(50)，包括第一双极端子和第二双极端子(Y1、Y2)，能量存储件(9、9.1、9.2)和可控制开关器件，其中所述可控制开关器件具有
-第一可激活开关状态，在所述第一可激活开关状态中，不管所述双极存储器(50)的所述第一双极端子和所述第二双极端子(Y1、Y2)之间施加的电压如何，所述第一双极存储器(50)不传递能量，以及
-第二可激活开关状态，在所述第二可激活开关状态中，所述第一双极存储器的所述能量存储件(9、9.1、9.2)能够吸收或传递能量，
其中，所述子模块(20)作为整体具有可激活传输状态，在所述可激活传输状态中，
所述第一双极存储器(50)的所述可控制开关器件呈现所述第一开关状态，以及
所述第一至所述第四开关(10、30、10a、30a)以电流在两个并联支路上流经所述子模块的方式连接，其中所述转换器(1)还包括控制单元(60)，所述控制单元(60)配置成控制所述子模块(20)的所述开关(10、30、10a、30a)和所述第一双极存储器(50)的所述开关器件，所述控制单元(60)配置成将选择的子模块(20)有选择地切换为所述可激活传输状态。
2.根据权利要求1所述的转换器(1)，其中，所述子模块(20)还具有以下四种可激活能量传递或能量吸收状态中的一个或多个，在每个可激活能量传递或能量吸收状态中，所述第一双极存储器(50)的所述可控制开关器件呈现所述第二开关状态，以及
所述第二子模块端子和所述第一子模块端子(X2、X1)之间的电压为正，所述第一双极存储器(50)的所述存储件(9、9.1、9.2)被充电，或
所述第二子模块端子和所述第一子模块端子(X2、X1)之间的电压为正，所述第一双极存储器(50)的所述存储件(9、9.1、9.2)被放电，或
所述第二子模块端子和所述第一子模块端子(X2、X1)之间的电压为负，所述第一双极存储器(50)的所述存储件(9、9.1、9.2)被放电，或
所述第二子模块端子和所述第一子模块端子(X2、X1)之间的电压为负，所述第一双极存储器(50)的所述存储件(9、9.1、9.2)被充电。
3.根据前述权利要求中的任一项所述的转换器(1)，其中，所述第一和第二开关(10、30)串联连接，所述第三和第四开关(10a、30a)串联连接，并且所述第一和第二开关(10、30)的串联连接、所述第三和第四开关(10a、30a)的串联连接，以及所述第一双极存储器(50)是并联连接的。
4.根据权利要求3所述的转换器，其中，所述第一和所述第二开关(10、30)之间的电势点连接到所述第一子模块端子(X1)，并且所述第三和第四开关(10a、30a)之间的电势点连接到所述第二子模块端子(X2)。
5.根据权利要求3或4所述的转换器(1)，其中，所述第一和第二开关(10、30)相对于所述第一和第二开关(10、30)的正方向以相同的方向定向，并且所述第三和第四开关(10a、30a)相对于所述第三和第四开关(10a、30a)的正方向以相同的方向定向。
6.根据权利要求5所述的转换器(1)，其中，相对于所述第一和第二开关(10、30)的正方向，所述第一和第二开关(10、30)在沿着回路的方向上与所述第三和第四开关(10a、30a)以相反的方向定向。
7.根据权利要求1至3、5或6中的任一项所述的转换器(1)，其中所述子模块中的至少一些还包括：
第五、第六、第七和第八可控制开关(10L、30L、10aL、30aL)，其中所述第五可控制开关与所述第四开关直接地并联连接，并且所述第五可控制开关能够可选地省略，以及
第二双极存储器(50L)，包括第一和第二双极端子(Y1、Y2)、能量存储件(9、9.1、9.2)和可控制开关器件，其中所述可控制开关器件具有
-第一可激活开关状态，在所述第一可激活开关状态中，不管所述第二双极存储器(50L)的所述第一和第二端子(Y1、Y2)之间施加的电压如何，所述第二双极存储器(50L)不传递能量，以及
-第二可激活开关状态，在所述第二可激活开关状态中，所述第二双极存储器(50L)的所述存储件(9、9.1、9.2)能够吸收或传递能量，
其中，所述子模块(20)作为整体具有可激活传输状态，在所述可激活传输状态中，
所述第一和第二双极存储器(50R、50L)的所述可控制开关器件呈现所述第一可激活开关状态，以及
所述第一至第八开关(10、30，10a和30a)以电流在两个并联支路上流经所述子模块的方式连接。
8.根据权利要求7所述的转换器(1)，其中，所述第五和第六开关(10L、30L)串联连接，所述第七和第八开关(10aL、30aL)串联连接，并且所述第五和所述第六开关(10L、30L)的串联连接、所述第七和第八开关(10aL、30aL)的串联连接，以及所述第二双极存储器(50L)是并联连接的。
9.根据权利要求7或8所述的转换器(1)，其中，所述第一和所述第二开关(10R、30R)之间的电势点连接到所述第一子模块端子(X1)，所述第三和第四开关(10aR、30aR)之间的电势点(W)连接到所述第二双极存储器(50L)的所述第一双极端子(Y1)，
所述第五和所述第六开关(10L、30L)之间的电势点(V)连接到所述第一双极存储器(50R)的所述第二双极端子(Y2)，并且所述第七和第八开关(10aL、30aL)之间的电势点连接到所述第二子模块端子(X2)。
10.根据权利要求7至9中的任一项所述的转换器(1)，其中，所述第五和第六开关(10L、30L)相对于所述第五和第六开关(10L、30L)的正方向以相同的方向定向，并且所述第七和第八开关(10aL、30aL)相对于所述第七和第八开关(10aL、30aL)的正方向以相同的方向定向。
11.根据权利要求10所述的转换器(1)，其中，相对于所述第五和第六开关(10L、30L)的正方向，所述第五和第六开关(10L、30L)在闭环电路中与所述第七和第八开关(10aL、30aL)以相反的方向定向。
12.根据前述权利要求中的任一项所述的转换器(1)，其中，所述第一至所述第四开关或所述第一至所述第八开关(10、30、10a、30a)中的一个或多个由功率半导体形成，具体地，由IGBT或晶闸管形成，具体地，由GTO晶闸管形成。
13.根据前述权利要求中的任一项所述的转换器(1)，其中，所述第一至所述第四开关或所述第一至所述第八开关(10、30、10a、30a)中的一个或多个由反向传导功率半导体形成。
14.根据前述权利要求中的任一项所述的转换器(1)，其中，所述第一至所述第四开关或所述第一至所述第八开关(10、30、10a、30a)中的一个或多个具有并联连接的反向续流二极管。
15.根据前述权利要求中的任一项所述的转换器(1)，其中，所述控制单元(60)配置成在电流沿着与一开关的方向相反的方向流动的开关状态中也将所述一开关切换成导通。
16.根据前述权利要求中的任一项所述的转换器(1)，其中，所述转换器具有包括串联连接的子模块(20)的多个支路，每个支路具有至少3个所述子模块，优选地包括至少6个所述子模块。
17.根据前述权利要求中的任一项所述的转换器(1)，其中，所述第一双极存储器和/或第二双极存储器(50)的所述存储件(9、9.1、9.2)包括至少一个电容器，具体地，包括单极电容器。
18.根据权利要求17所述的转换器(1)，其中，所述第一双极存储器和/或第二双极存储器(50)包括至少两个电容器(9.1、9.2)，所述两个电容器(9.1、9.2)串联连接或者能够串联连接。
19.根据权利要求18所述的转换器(1)，其中，所述至少两个电容器(9.1、9.2)能够并联连接以进行充电，并且能够串联连接以进行放电。
20.根据前述权利要求中的任一项所述的转换器(1)，其中，所述第一双极存储器和/或第二双极存储器(50)的所述开关器件包括至少一个半导体开关(15.1、15.2、15.3、15.4)，所述至少一个半导体开关(15.1、15.2、15.3、15.4)的百分比功率损耗小于所述第一至第四开关(10、30、10a、30a)的百分比功率损耗。
21.根据前述权利要求中的任一项所述的转换器(1)，其中，所述第一双极存储器和/或第二双极存储器(50)的所述开关器件包括至少一个碳化硅开关或至少一个氮化镓开关(15.1、15.2、15.3、15.4)。
22.根据前述权利要求中的任一项所述的转换器(1)，其中，所述第一双极存储器和/或第二双极存储器(50)的所述开关器件包括串联连接的多个半导体开关(15.1、15.2、15.3、15.4)。
23.一种模块(20)，所述模块(20)适于用作根据前述权利要求中的任一项所述的转换器(1)的子模块，其中所述模块(20)包括：
第一和第二子模块端子(X1、X2)，
第一、第二、第三和第四可控制开关(10、30、10a、30a)，以及
第一双极存储器(50)，包括第一和第二双极端子(Y1、Y2)、能量存储件(9、9.1、9.2)和可控制开关器件，其中所述可控制开关器件具有
-第一可激活开关状态，在所述第一可激活开关状态中，不管所述第一和所述第二双极存储器端子(Y1、Y2)之间施加的电压如何，所述第一双极存储器(50)不传递能量，以及
-第二可激活开关状态，在所述第二可激活开关状态中，所述双极存储器(50)的所述存储件(9、9.1、9.2)能够吸收或传递能量，
其中，所述模块(20)作为整体具有可激活传输状态，在所述可激活传输状态中，
所述第一双极存储器(50)的所述可控制开关器件呈现所述第一开关状态，以及
所述第一至第四开关(10、30、10a和30a)以电流在两个并联支路上流经所述子模块(20)的方式连接。
24.根据权利要求23所述的模块(20)，还包括：
第五、第六、第七和第八可控制开关(10L、30L、10aL、30aL)，其中所述第五可控制开关与所述第四开关直接地并联连接，并且所述第五可控制开关能够可选地省略，以及
第二双极存储器(50L)，包括第一和第二双极端子(Y1、Y2)、能量存储件(9、9.1、9.2)和可控制开关器件，其中所述可控制开关器件
具有第一可激活开关状态，在所述第一可激活开关状态中，不管所述第二双极存储器(50L)的所述第一和第二双极端子(Y1、Y2)之间施加的电压如何，所述第二双极存储器(50L)不传递能量，以及
具有第二可激活开关状态，在所述第二可激活开关状态中，所述第二双极存储器(50L)的所述能量存储件(9、9.1、9.2)能够吸收或传递能量，
其中，所述子模块(20)作为整体具有可激活传输状态，在所述可激活传输状态中，
所述第一和第二双极存储器(50R、50L)的所述可控制开关器件呈现所述第一开关状态，以及
所述第一至第八开关(10、30，10a和30a)以电流在两个并联支路上流经所述子模块的方式连接。
25.用于控制转换器(1)的方法，所述转换器(1)包括串联连接的多个可控制子模块(20)，其中所述子模块(20)中的至少一些各自包括：
第一和第二子模块端子(X1、X2)，
第一、第二、第三和第四可控制开关(10、30、10a、30a)，以及
双极存储器(50)，包括第一和第二双极端子(Y1、Y2)、能量存储件(9、9.1、9.2)和可控制开关器件，其中所述可控制开关器件
具有第一可激活开关状态，在所述第一可激活开关状态中，不管所述双极存储器(50)的所述第一和所述第二端子(Y1、Y2)之间施加的电压如何，所述第一双极存储器(50)不传递能量，以及
具有第二可激活开关状态，在所述第二可激活开关状态中，所述双极存储器(50)的所述存储件(9、9.1、9.2)能够吸收或传递能量，
其中，至少一个子模块(20)的所述双极存储器(50)的所述开关(10、30、10a、30a)和所述开关器件至少暂时地切换至可激活传导状态，其中，
所述双极存储器(50)的所述可控制开关器件呈现所述第一开关状态，以及
所述第一至第四开关(10、30、10a和30a)以电流在两个并联支路上流经所述子模块的方式连接。
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