CN107925366A - 嵌套式变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有多个嵌套到彼此中的模块、具有至少两个嵌套层级的电变换器系统，其中设置有第一嵌套层级的至少一个嵌入用模块，该模块具有至少两个电接头和一个能量串，其中该能量串具有至少下一个更深的第二嵌套层级的至少两个彼此嵌套的被嵌入模块，使得这些模块嵌入到彼此中，其中这些模块分别具有多个开关元件，用于在一个嵌套层级的至少两个模块之间的多个连接状态之间进行动态切换。本发明还涉及一种用于制备本发明的电变换器系统的方法。

Description

嵌套式变换器
本发明涉及一种带有嵌套在彼此中的独立模块的电变换器系统。
交流电机，例如在电动车辆中所使用的，通常需要将由电池提供的直流电压转换成交流电压的变换器。在此类车辆中的常规变换器使用所谓的桥接电路，输出端子交替地与直流电压源的正极和负极相连。在每种连接状态下，变换器选择停留时间而使得以时间平均值产生所需的交流电压。然而，如此生成的交流电压具有较低的品质且失真。另外，由于开关过程，出现了较高的能量损耗。在电磁兼容性方面也出现了其他的缺点，因为由于开关产生的高频的切换斜坡(Schaltflanken)电磁放射了较大的能量。此外，这些电路还需要昂贵的构造元件，因为这些电路必须分别针对峰值电压进行设计。
所述的问题可以用模块式的多电平变换器来应对。模块式多电平变换器尤其从“A.Lesnicar，R.Marquardt(2003)，An innovative modular multilevel convertertopology suitable for a wide power range(适用于广泛功率范围的创新性模块式多电平变换器拓扑)，IEEE Power Tech Conference Proc.，3:6ff.”、“M.Glinka，R.Marquardt(2005)，A new AC/AC multilevel converter family(新型AC/AC多电平变换器家族)，IEEE Transactions on Industrial Electronics，52:662-669”和“S.M.Goetz，A.V.Peterchev，Th.Weyh(2015)，Modular multilevel converter with series andparallel module connectivity:topology and control(具有串联和并联模块连接性的模块式多电平变换器：拓扑和控制)，IEEE Transactions on Power Electronics，30(1):203-215”中已知。同样从DE10 2011 108 920A1和DE 10 2010 052 934A1已知电变换器系统。
模块式多电平变换器允许以小步幅来产生用于耗电器(如交流电机)的输出电压。在模块式多电平变换器中，将分别具有一个储能器和多个开关元件的独立模块与相邻的模块电连接，其中在工作中，电连接可以动态地自由地变化，使得通过储能器的动态变化的串联和并联连接来产生输出电压。这些独立模块形成了彼此牢固接线的小电压源，这些小电压源在其电压方面变化并且可以与其他的小电压源电连接。对于这些独立模块，已经开发了多种开关元件和储能器的安排。储能器和开关元件的一种相应的安排被称为微观拓扑。
然而，迄今为止的模块式多电平变换器只能将相邻的模块彼此动态相连。然而，当保留独立构造元件的设计电压仅需要为总输出电压的一部分这一重要优点时，模块的电能储存器的任意的并联和串联连接是不可行的。由此在此类电路的工作中以及损耗行为方面产生了缺点。在大多数变换器技术中彼此串联的模块的宏观拓扑的链状结构还迫使变换器臂(也就是独立模块的串)的负载电流流过所有模块，由此不必要地提高了系统的欧姆损耗。
在不牺牲大部分构造元件的可能的减小的耐电压强度的情况下，以下情况在任何现有技术中都是不可能的：尤其在并联连接时排除模块，使得即使不相邻的模块也可以将其电能储存器彼此电并联连接而无需使被排除的模块同时被包括在其中。
还有其他功能(例如非直接相邻的模块的能量平衡)无法实现或只有在较高的额外连接耗费的情况下才能实现。另外，需要大量的常规使用的半导体元件，因为每个独立模块都必须提供全部连接状态。具有大量独立模块的大型变换器的控制也造成了问题，因为所有模块一般都必须由一个中央控制器来操控。
在下文中，术语“电能储存器”应理解为还包括电能量源和能量消耗器，它们与电能储存器的区别仅仅在于，它们优选能够实现能量接收或能量输出的一定工作范围。在此所指的电能储存器也并非一定是理想的且因而是无损耗的，使得可汲取的能量可能小于先前送入的能量。
电流变换器一般是指可以在多个输入端之间传输电能并同时提供用于改变电流和/或电压参数的可能性的电路。电流变换器尤其包括直流电压变换器、逆变器和整流器。
本发明实现的目的尤其在于，实现不直接相邻的模块的并联电路。
这个目的通过具有权利要求1所述特征的电变换器来实现。其他的构型可以自从属权利要求和说明书中得知。
相似的子电路的串联链一般使用M2C(模块式多电平变换器)、M2SPC(模块式多电平串联-并联变换器)以及开关式电容器变换器作为基础结构，该串联链可以用其他元件来补充，例如串联连接的电路、与该基础结构并联的电路或连接该基础结构的不同节点的电路元件。该电路的至少重复一次的部分(在下文中不限制一般性地称为“模块”或“独立模块”)在此无须是结构上完全相同地重复的，然而具有功能上的相似性。当两个模块能够形成至少两个相同类型的所谓的连接功能或连接状态时，这两个模块一般存在这样的相似性。
根据本发明，从任意已知的独立模块或模块的微观拓扑出发，将在独立模块的这个微观拓扑之内的储能器用另一个独立模块替换。由此能够实现已知独立模块的多层级连接。换言之，将独立模块嵌入到独立模块中或嵌套到彼此中。已知的模块拓扑在此既可以作为嵌入用模块还可以作为被嵌入模块来使用。由此独立模块或模块不再仅仅包含具有固定行为的储能器，而是还包含能够自己动态地改变其特性的被嵌入模块。由此产生了在独立模块的储能器的连接中显著更高的灵活性，而并不明显提高连接耗费。于是存在一种多维变换器系统，通过该系统可以将不直接相邻的独立模块彼此并联连接。
本发明的电变换器系统具有多个嵌套到彼此中的模块、具有任意数量的嵌套层级。该多个模块中的模块具有至少两个接头和一个能量串。该能量串具有至少一个储能器和/或至少两个模块，这些模块属于下一个较深的嵌套层级。为了能够实现嵌套，该多个模块中的至少一个模块必须包括被嵌入到该至少一个模块中的至少两个模块，替代能量串中的储能器。
一个嵌套层级的至少两个模块彼此连接。为此，这些模块具有多个开关元件，这些开关元件在一个嵌套层级的至少两个模块之间的多个连接状态之间进行动态切换。在此意义下的连接状态是例如关于相应的独立模块或模块的储能器的并联连接、串联连接、旁通连接和被动连接。
作为嵌入用模块可以使用模块式变换器(例如模块式多电平变换器，如M2C或M2SPC以及开关式电容器变换器)的所有已知的模块连接，即所谓的微观拓扑或模块拓扑。对于嵌入用模块，将这些电能储存器中的至少一个用自身包含至少两个模块(例如模块的串(变换器臂、模块串)、相位模块或多个彼此嵌套的相位模块)的宏观拓扑来替代。用于嵌入用变换器(嵌套式变换器)的优选模块类型是M2C的二象限模块(以下简称为M2C-2q)、M2C的四象限模块(通常也称为斩波模块，以下简称为M2C-4q)、防短路M2C模块(以下简称为4q-KGM2C)、M2SPC的四象限模块(以下简称为M2SPC-4q)、M2SPC的二象限模块(以下简称M2SPC-2q)、马尔克斯变换器模块(以下简称为MaM)，以及各种开关式电容器模块。
在本发明变换器的另一种实施方式中，将较深嵌套层级的被嵌入模块用恰好一个电接头与较高嵌套层级的模块(也就是说嵌入用模块)的正电流导轨和/或负电流导轨电连接。
整个系统的开关速度可以通过被嵌入模块的开关元件来提供。由此较高嵌套层级的模块的开关元件可以具有与较深嵌套层级的模块的开关元件相比更慢的开关速度。
在模块中出现的最高电压基本上为被直接嵌入的和经由多个层级更深地嵌入的模块的所有电能储存器的电压总和。因此，在一个实施方式中，在较深嵌套层级中的被嵌入模块的开关元件可以具有与较高嵌套层级中的模块的开关元件相比更低的耐电压强度。
如所提及的，迄今为止已知的来自模块式多电平技术的模块拓扑可以用作嵌入用模块和/或被嵌入模块。在此可以出现不同的变体。于是，在本发明的变换器的实施方式中，嵌入用模块还有以及被嵌入模块可以分别具有相同的拓扑，其中在最深嵌套层级中的模块一般是所谓的单元模块，该单元模块在其能量串中不具有另外的被嵌入模块串，而是仅具有至少一个储能器。
替代地，在本发明变换器的其他实施方式中，嵌入用模块还具有与被嵌入模块的拓扑不同的拓扑，其中此处在最深嵌套层级中的模块一般也是所谓的单元模块，该单元模块不具有另外的被嵌入模块串，而是仅具有至少一个储能器。
作为另外的替代方案，在本发明变换器的另外的实施方式中，一个嵌套层级的模块串的模块也可以分别具有不同的拓扑，其中此处在最深嵌套层级中的模块一般也是所谓的单元模块，该单元模块不具有另外的被嵌入模块串，而是仅具有至少一个储能器。
根据本发明还建议了一种用于制备电变换器系统的方法，其中使用具有至少两个嵌套层级的电路，其中第一嵌套层级的至少一个嵌入用模块被用于形成至少一个能量串，其中至少下一个更深的第二嵌套层级的至少两个被嵌入模块彼此相连，使得这些模块嵌入到彼此中，其中在这些模块中使用至少两个接头和多个开关元件，以便能够在一个嵌套层级的至少两个模块之间的多个连接状态之间动态切换。
在本发明方法的一种实施方式中，在较高嵌套层级中使用的开关元件与在较深嵌套层级中使用的开关元件相比具有更慢的开关速度。
在本发明方法的另一种实施方式中，在较深嵌套层级中使用的开关元件与在较高嵌套层级中使用的开关元件相比具有更低的耐电压强度。
在本发明方法的另一种实施方式中，在较高嵌套层级中使用不可换向的开关元件。
在本发明方法的一种实施方式中，使用至少一个如下的模块，其中该至少一个能量串具有至少一个储能器。
在本发明方法的另一种实施方式中，使用至少一个如下的模块，其中该至少一个能量串仅仅具有至少一个储能器。
本发明的其他优点和构型从说明书和附图得出。
不言而喻，在不脱离本发明的范围的情况下，以上提到的这些特征以及仍将在下文说明的特征不仅能够以分别给出的组合来使用，而且还能够以其他的组合来使用或者单独使用。
借助于实施例在附图中示例性展示本发明并且参照附图示意性且详细地描述本发明。
图1a示出来自现有技术的变换器电路。
图1b示出来自现有技术的示例性模块串。
图1c和图1d展示不同的模块式多电平变换器变体的模块拓扑。
图1e示出两个模块的示例性连接。
图1f示出将多个模块连接成一个模块串并且用四个电接头连接多个模块串。
图1g示出用五个电接头连接多个模块串。
图1h示出在六个电接头之间的矩阵连接。
图2a和2b示出用于具有串联和并联的连接变体的模块式多电平变换器的示例性宏观拓扑。
图2c示出示例性的电接头类型。
图2d示出三个应用于在具有串联和并联的连接变体的模块式多电平变换器中的示例性微观拓扑。
图2e示出M2SPC模块到转换器臂的示例性连接。
图3示出来自现有技术的典型的开关式电容器变换器电路。
图4示出本发明电变换器系统的模块的实施方式。
图5示出本发明电变换器系统的模块的另一种实施方式。
图6示出本发明变换器系统的另一种实施方式，其具有两个彼此嵌套的嵌入用模块。
图7a和7b示出本发明变换器系统的另外的实施方式，其中一个模块具有多于一个模块串。
图8a和8b示出本发明变换器系统的另外的实施方式，其具有嵌入用模块和被嵌入模块。
图9a和9b示出本发明变换器系统的又一另外的实施方式，其具有嵌入用模块和被嵌入模块。
本发明的电变换器系统使用电能储存器(例如像电感器、电容器和蓄电池)或能量源的电连接的动态变换来用于产生可变输出电压和/或用于在所提及的电能储存器或能量源之间传输能量。因此，本发明的变换器系统还涉及所谓的M2C电路、M2SPC电路和开关式电容器电路。
M2C电路和M2SPC电路是模块式多电平变换器电路，其中M2SPC电路能够实现电能储存器的串联和并联的连接变体。所提及的电路是模块式设计的，也就是说，它们由多个彼此连接的模块组成，其中这些模块通常包括电能储存器和至少一个电子开关元件。通过适当地启动独立的模块的开关元件，能够将储能器与其他的模块、一般是相邻的模块电串联和/或电并联地连接和/或与其他模块电断开。依据模块的实施方式，这种电连接可以对于相应的储能器单独地进行。
图1a示出来自现有技术的变换器电路，其基本原理是基于相似模块101的连接，其中尤其M2C、M2SPC以及这两种基础技术的转换和扩展通过使用替代性模块连接、即所谓的微观拓扑(这些微观拓扑要么单一种类地要么彼此组合地构成模块式变换器)来进行。在图1a中示出的电路具有多个接头102、103、104，另外的电路部件或模块可以接合在这些接头处。至少两个模块101的前后相继的连接被称为模块串105或转换器臂。独立模块101或模块串105通过电连接107彼此相连。多个模块串105称为相位模块106。
图1b以放大视图示出具有多个模块101和两个接头102、103的模块串120。一个模块串由至少两个通过电连接107彼此连接的独立模块101组成。在此没有设定上限，而上限通常由电路的要求得出。
图1c和1d示出所谓的微观拓扑。微观拓扑是指独立模块的内部电路。所示的微观拓扑形成了不同的M2C变体。在M2C电路中可以将电能储存器142、144、146与相邻模块的对应电能储存器串联连接或者从电路中取出。图1c最上部的电路具有开关元件153、154、155、156，这些开关元件分别包括晶体管和二极管，并且该电路由此能够实现所谓的四象限电路，其中在接头147、148处可以在两种极性之间进行切换。中部和下部的电路示出所谓的二象限电路，其中通过开关相应的开关元件157、158或159、160能够在相应的接头149或151处总是施加仅一种极性。另外，微观拓扑具有例如缓冲元件141、143、145。
图1d示出M2C电路的另一个微观拓扑，其具有两个电能储存器172和多个开关元件183、184、185、186、187以及接头177、178。
图1e示出两个微观拓扑的连接。相应的模块分别具有电容器192、193并且分别具有四个缓冲元件194。用虚线框出的连接部分在此称为半桥191。另外，所示的微观拓扑具有二极管195、197和晶体管或开关元件196、198。
图1f和1g分别示出宏观拓扑。宏观拓扑是指多个模块或模块串200彼此之间的连接。模块或模块串200通过电连接210彼此相连。在图1f中示出的宏观拓扑具有四个电接头a、b、A、B，这些接头可以例如但不仅限于构成两个接头对a、b和A、B，其中每对(a、b)、(A、B)可以构成直流和/或交流接头，例如用于至少一个耗电器、至少一个电网或至少一个电机。
在图1g中示出的宏观拓扑具有电接头a、b、c、A、B，这些接头例如可以被指派给接头对A、B和三相接头a、b、c。另外还可以构成多于五个电接头。
图1h示出在六个电接头a、b、c、A、B、C之间的矩阵连接，其中这些接头中的两个分别通过至少一个模块串200相连。模块或模块串200通过电连接210彼此相连。在所谓的稀疏矩阵变换器中，省去了在相应接头之间的这些连接中的一些连接。
图2a和2b示出了用于M2SPC模块的示例性宏观拓扑，其中图2b是图2a的拓扑的扩展。M2SPC模块能够实现相邻模块的相应储能器的串联连接和并联连接。宏观拓扑具有模块201、220，其中多个模块201、220的前后相继的相互连接构成模块串207、208，这些模块串可以组合成相位模块209。分别在两个模块串207、208之间相应地形成接头203、221、222、223、224。当模块101或模块串105或200之间的电连接107或210被扩展到两个电连接时，例如像在图2b中在M2SPC模块201之间的电连接227、228，在此同样可以使用在图1a和1f至1h中示出的宏观拓扑。另外，图2b的宏观拓扑具有接头225和226。
图2c仅仅示出能够以何种类型来构成电接头204、205、206。接头204在此还能够以实施方式205或206存在。
图2d示出现有技术的三个示例性M2SPC微观拓扑。这些拓扑分别具有储能器302、304、306以及开关元件313至328。每个模块分别在每一侧上具有两个接头307、308、309、310以及分别一个示例性的缓冲元件301、303、305。所示的拓扑形成了现有技术并且可以在本发明的变换器系统中使用。
图2e示出多个模块示例性连接成模块串。模块串尤其具有接头340、341，这些接头可以与相邻的模块相连。模块具有储能器330、例如电容器，以及开关元件331至338，这些开关元件能够实现M2SPC模块的四象限电路(M2SPC-4q)。
图3展示来自现有技术的典型的开关式电容器变换器。这些电路一般由于重复相似的子电路350、355、360、365而同样具有一定的模块性。所示的子电路或模块350、355、360、365分别具有至少一个储能器351并且分别具有至少两个开关元件352。
在上述图中示出的现有技术的微观拓扑可以用于本发明的电变换器系统。同样可以提出将如在相同申请人的在同一天提交的标题为“Einzelmodul,elektrischesUmrichtersystem und Batteriesystem(独立模块、电变换器系统和电池系统)”的专利申请中的微观拓扑用于本发明的电变换器系统。
在图4中示出本发明变换器系统的本发明的嵌入用模块400的实施方式。迄今为止一维的模块宏观拓扑被扩展出至少一个层级作为至少一个额外的嵌套层级。该至少一个额外的嵌套层级通过导入嵌入用模块400(所谓的嵌套用模块)来构成，这些模块与迄今已知的模块在以下程度上相同：这些模块借助于多个开关元件408、409、410、411、412、413、414、415同样可以采取模块状态并且至少两个内部的功率导轨416、417在不同的替代方案中能够与外部的接头或模块端子418、419相连，并且由此在一个嵌套层级的至少两个模块之间能够进行动态切换。然而，这些模块与来自现有技术的相应最类似的已知模块不同，因为它们包含由至少两个模块406(所谓的被嵌入模块，也称为被嵌套模块)组成的至少一个模块串401(变换器臂)，而非包含至少一个电能储存器自身。每个模块400、406在此可以是包括至少一个电能储存器的常规模块或者是包括模块串401或变换器臂而非至少一个电能储存器的嵌入用模块400。在若干或所有嵌入用模块400中的层级的数量可以对应于技术要求而任意地增加。
通过模块串401，向模块400中嵌入另外的模块406。模块400在此形成了最高的第一嵌套层级，而模块串401的模块406构成了下一个较深的嵌套层级。模块串401具有多个模块406，这些模块经由至少两个电连接407彼此相连。被嵌入模块406可以进而具有嵌入用模块400的拓扑，用另外的模块406的另一个模块串401嵌入，从而构成另一个更深的嵌套层级。模块串401或具有储能器而非模块串401的支路构成模块400的能量串。
为了能够将不直接相邻的模块400并联连接，在这些模块406之间需要至少两个电连接407，然而，其中还可以存在多于两个电连接407。开关元件408至415成对地形成为半桥402至405，其中这些半桥是可选的。还有，开关元件408至415中的二极管也是可选的。如果例如在二象限电路的意义上应在接头418、419处仅进行一次极性转换，则简单的电开关器(不一定是半导体开关元件)对于开关元件408至415而言就足够了。
每个开关元件408至415的最大必需耐电压强度是基于所选的开关元件408至415的结构而在上限受到限制，并且可以对应地在变换器的接头418、419处远低于该电压。当被嵌入模块406的所有模块连接状态都被允许时，最高电压和由此在所示的实施方式中使用的用于对应的嵌入用模块400的半导体的必需耐电压强度为被直接嵌入的模块406和经由多个层级被深层嵌入的模块406的所有电能储存器的电压的总和。虽然在嵌入用模块400中的开关元件的必需耐电压强度一般必须高于在从属的被嵌入模块406中的必需耐电压强度，并且该必需耐电压强度随着在嵌套层级中朝最高级的嵌入用模块400向上越来越高而提高，但本发明的变换器系统提供了各种优点，使得即使在此情况下也造成了对嵌入用模块400中的半导体较低的要求并且因此在整个系统中较低的半导体成本。
申请人称为嵌套式变换器的嵌入用变换器提供了如下优点，即嵌入用模块400或位于较高嵌套层级的模块的开关元件408至415能够损耗较低地以所谓的零电压切换或零电流切换方式来工作。另外，嵌入用模块400的开关元件408至415具有非常慢的开关速度，远低于在较深的嵌套层级中的被嵌入模块406的开关速度，而不影响整个系统的速度。在特定条件下，嵌入用模块400或位于较高嵌套层级的模块的开关元件是不可换向的。这例如涉及不能中断电流的晶闸管。
所有三种可能性都通过对模块400、406、尤其相应的被嵌入模块406的适合的操控来实现。嵌入用模块400的开关元件408至415可以具有比被嵌入模块406的开关元件更低的开关速度并且由此显著降低成本，因为整个系统功能的开关速度可以通过被嵌入模块406的开关元件来提供。与必需耐电压强度从最深的嵌套层级向上或向外升高一样，必需开关速度下降，而在结果上不损失整个系统的动态特性。此类系统的控制器对应地用被嵌入模块406及其开关元件来进行所有必需的快速的开关过程。相反，嵌入用模块400的开关元件408至415允许该控制器实施仅极少的开关过程。在较高的嵌套层级上可以相应地采用慢速的开关元件408至415，例如像绝缘栅双极晶体管(IGBT)、门极关断晶闸管(GTO)或甚至机械的开关元件如中继器。在IGBT、GTO等等(一般由于其pn结)的向前方向上的电压降低(向前电压降)在此是不重要的，因为对于上层或外层的嵌入用模块400自身在不利的连接状态下仅有很少的半导体处于串联电流路径中。
只要被嵌入模块406的荷电状态足够高，较高嵌套层级的嵌入用模块400就可以使用不可换向的开关元件。被嵌入模块406可以与嵌入用模块400的电流一起换向，使得不可换向的开关元件达到阻断状态。然后嵌入用模块400可以采取新的连接状态。
当在嵌入用模块400改变连接状态并且由此必须将其电流换向的时间点电流方向被定向为使得对应的被嵌入模块406充电时，由被嵌入模块406构成的总电压就必须由控制器提高，直到电流被换向并且因此消失(erlischt)。一般该控制器通过将被嵌入模块406从旁通或并联状态转换到串联状态来实现这一点。
当电流方向被定向为将对应的被嵌入模块406放电时，由嵌入用模块400构成的总电压必须被减小，直到实现换向并且电流因此消失。一般该控制器通过将被嵌入模块406从串联状态转换到旁通或并联状态来实现这一点。
结果是，此类的调整可以使用不可换向的开关元件，例如像晶闸管或三端双向可控硅元件。必需的换向因此通过被嵌入模块406的使得电流消失的一种反电压来实现。作为单向的、也就是仅在一个方向上导通的开关元件，晶闸管可以用反向并联的晶闸管或二极管来补充。反向并联的晶闸管提供了如下优点，即，对应的开关元件构型为在两个方向上可控。在嵌入用模块400中采用不可换向的开关元件时，在适当时可能有利的是，在很小的反向恢复效应下使用对应的开关元件。由此明显减少了在完成换向且电流消失之前必须等待的时间。
图5示出本发明变换器系统的本发明的嵌入用模块500的另一种实施方式。在此，相同的参考号指代相同的部分，然而相对于图4增大了100。另外，本发明的变换器系统具有四个额外的接头520、521、522、523。由此，这种实施方式形成了本发明的变换器系统的一般性的嵌入用模块500，从这种模块通过去除独立的元件可以推导出其他的、在适当时要在下文示出的实施方式。
图6示出本发明的变换器系统的具有两个连接的嵌入用模块600a、600b的实施方式，这些模块具有来自图5的模块500的拓扑。模块600a的接头619在此与模块600b的接头619相连。模块600a的接头622在此与模块600b的接头623相连。
图7a示出本发明的变换器系统的嵌入用模块700a的另一种实施方式，具有四个模块串701、702、703、704，这些模块串分别由至少两个被嵌入模块728组成。在两个模块串701、703和702、704之间加入了电接头717或718，这些电接头分别在相应一侧上构成嵌入用模块700a的另一个接头725或726。其余的拓扑与来自图5的模块500的拓扑相同，具有八个开关元件709至716以及在电流导轨处的接头719至722，其中由这些开关元件与接头723、724分别构成半桥对705至708。构造元件的数量并不限于所示的数量。例如，还可以提出，将多于所示的八个开关元件709至716集成到电路中。在被嵌入模块728之间还可以存在多于两个电连接727。
图7b示出另一个本发明的嵌入用模块700b，该模块与模块700a基本上相同，然而，其中电接头717和718在模块700b的两侧上分别在两个模块串701、703或702、704之间分别构成接头725a、725b或726a、726b。
图8a示出本发明的变换器系统的另一种实施方式，其中三个嵌入用模块801、831、841彼此连接，其中每个嵌入用模块801、831、841分别具有一个模块串820，该模块串用至少一个接头、在此用接头813、814分别与模块801、831、841的正和/或负电流导轨811、812相连。模块串820在所示的实施方式中分别具有三个相同类型的被嵌入模块810。嵌入用模块801、831、841从其拓扑看是具有八个开关元件802至809的M2SPC-4q模块。被嵌入模块810与嵌入用模块801是不同的并且具有分别带有四个开关元件和一个能量串821的M2SPC-2q模块拓扑。
图8b示出本发明的变换器系统的另一种实施方式，其中模块串830具有三个彼此不同的被嵌入模块815、816、817。嵌入用模块851、861、871分别是如在图8a中描述的M2SPC-4q模块。嵌入用模块851、861、871的相应的模块串830是分别相同的。至少一个被嵌入模块815、817被实施为，使其用恰好一个电接头818、819与嵌入用模块851、861、871的正电流导轨811和/或负电流导轨812电连接。被嵌入模块815、816、817分别具有至少一个能量串822。
图9a示出本发明的变换器系统的另一种实施方式，其中嵌入用模块901和931的相应的模块串920是相同的，然而模块941的模块串921是与之不同的。模块901、931中的模块串920具有三个相同类型的模块915，这些模块分别以相同类型的方式彼此相连并且分别具有一个能量串917。模块941的模块串921具有三个相同类型的模块923，这些模块分别具有一个能量串927。同样，模块915、923也是彼此不同的。嵌入用模块901、931、941是M2SPC-4q模块，被嵌入模块915、923是M2SPC-2q模块。
图9b示出本发明变换器系统的另一种实施方式，具有两个彼此嵌套的嵌入用模块951、961。嵌入用模块951、961具有M2SPC-4q拓扑并且分别具有一个模块串955或956，该模块串具有相应的模块952、953、954或957、958、959。模块952、953、957、958与954、959彼此不同，然而基本上具有M2SPC-2q拓扑。被嵌入模块952、957分别用两个接头918连接到电流导轨911。被嵌入模块954、959仅用一个接头919连接到另一个电流导轨912。被嵌入模块952、953、954、957、958、959分别具有一个能量串。
在图8a、8b、9a、9b中示出的实施方式采用二象限模块(例如M2C-2q或M2SPC-2q)作为被嵌入模块且采用四象限模块(例如M2C-4q或M2SPC-4q)作为嵌入用模块。整个变换器由此是具有四象限能力的，然而相对于仅使用四象限模块，几乎省去了一半的所需的半导体。在没有损失重要功能情况下的这种省去是可行的，因为在四象限模块中嵌入四象限模块另外地允许在多个层级上的仅仅一次极性反转，然而类似于(-1)的整数幂的多次反转是冗余的并且其结果可以用独立的极性反转可能性来实现。优选地，提供这种极性反转可能性以便省去在嵌入系统的最高层级上的半导体，并且在那里用四象限模块实现这种极性反转可能性，因为这些模块以更少的数量存在。在不受理论限制的情况下，极性转变的可能性还可以在较深嵌套层级的模块中以及在单元模块中实现。
除了具有小的嵌套深度的不规则嵌入系统(例如具有仅一个或两个嵌套层级)之外，还存在用规则的嵌套结构来实现本发明的嵌套式变换器的可能性。具有重复性q的规则结构例如将q个模块的一个集合嵌入到上级的嵌入用模块中。这q个被嵌入模块可以自身为各自具有q个被嵌入模块的嵌入用模块，或者可以是自身包含储能器且不包含其他被嵌入模块的单元模块。作为特殊情况，还可以将单元模块与嵌入用模块混合。这种规则的嵌套式变换器的级数r(代表从最外部的层级直到具有单元模块的最内部的层级的最大层级数量)可以根据对输出功率、损耗功率、故障安全性等等的物理要求和技术要求来选择。对于q＝2，产生了如下结构，其中每个单元模块与每个另外的单元模块可以在由嵌入用模块拓扑或被嵌入模块拓扑提供的连接状态(例如在M2SPC中的并联状态)中电连接地接通。对于q＝2，变换器由此提供了几乎可能最高的灵活性并且变换器的每对两个单元模块可以，在不考虑它们在变换器电路中彼此距离多远以及其间存在多少其他模块的情况下，直接彼此连接。例如M2SPC仅能够将独立模块彼此并联连接，而规则的嵌套式变换器还可以将每个任意长度的串联连接的模块链(例如两个或更多个模块)彼此并联连接。
对于更高的q，连接可能性略微受到限制并且不再能够将每个单元模块与每个另外的单元模块直接连接。
在图4至9b中提出的模块和模块串用于实施本发明的方法并且可以单独地或组合地进行使用。

Claims (16)

1.一种具有多个嵌套到彼此中的模块(400，406，500，506，600a，600b，606，700a，700b，728，801，810，815，816，817，831，841，851，861，871，901，915，923，931，941，951，952，953，954，957，958，959，961)、具有至少两个嵌套层级的电变换器系统，其中设置有第一嵌套层级的至少一个嵌入用模块(400，500，600a，600b，700a，700b，801，831，841，851，861，871，901，931，941，951，961)，该嵌入用模块具有至少两个电接头(418，419，518，519，520，521，522，523，618，619，620，621，622，623，719，720，721，722，723，724，725，725a，725b，726，726a，726b)和一个能量串(401，501，601，701，702，703，704，820，830，920，921，955，956)，其中该能量串(401，501，601，701，702，703，704，820，830，920，921，955，956)具有至少下一个更深的第二嵌套层级的至少两个彼此嵌套的被嵌入模块(406，506，606，728，810，815，816，817，915，923，952，953，954，957，958，959)，使得这些模块(400，406，500，506，600a，600b，606，700a，700b，728，801，810，815，816，817，831，841，851，861，871，901，915，923，931，941，951，952，953，954，957，958，959，961)
嵌入彼此中，其中这些模块(400，406，500，506，600a，600b，606，700a，700b，728，801，810，815，816，817，831，841，851，861，871，901，915，923，931，941，951，952，953，954，957，958，959，961)分别具有多个开关元件(408-415，508-515，608-615，709-716，802-809，902-909)，用于在一个嵌套层级的至少两个模块(400，406，500，506，600a，600b，606，700a，700b，728，801，810，815，816，817，831，841，851，861，871，901，915，923，931，941，951，952，953，954，957，958，959，961)之间的多个连接状态之间进行动态切换。
2.根据权利要求1所述的电变换器系统，其中较高嵌套层级的开关元件(408-415，508-515，608-615，709-716，802-809，902-909)具有与较深嵌套层级的开关元件(408-415，508-515，608-615，709-716，802-809，902-909)相比更慢的开关速度。
3.根据权利要求1至2之一所述的电变换器系统，其中较深嵌套层级的开关元件(408-415，508-515，608-615，709-716，802-809，902-909)具有与较高嵌套层级的开关元件(408-415，508-515，608-615，709-716，802-809，902-909)相比更低的耐电压强度。
4.根据权利要求1至3之一所述的电变换器系统，其中较高嵌套层级的开关元件(408-415，508-515，608-615，709-716，802-809，902-909)是不可换向的开关元件。
5.根据权利要求1至4之一所述的电变换器系统，其中较深嵌套层级的模块(400，406，500，506，600a，600b，606，700a，700b，728，801，831，841，851，861，871，901，931，941，951，961)的拓扑与较高嵌套层级的模块(400，406，500，506，600a，600b，606，700a，700b，728，801，831，841，851，861，871，901，931，941，951，961)的拓扑是不同的。
6.根据权利要求1至5之一所述的电变换器系统，其中一个嵌套层级的模块(400，406，500，506，600a，600b，606，700a，700b，728，801，831，841，851，861，871，901，931，941，951，961)的相应拓扑是彼此不同的。
7.根据权利要求1至5之一所述的电变换器系统，其中每个嵌套层级的模块(400，406，500，506，600a，600b，606，700a，700b，728，801，831，841，851，861，871，901，931，941，951，961)的相应拓扑分别是相同类型的。
8.根据以上权利要求之一所述的电变换器系统，其中较深嵌套层级的模块(400，406，500，506，600a，600b，606，700a，700b，728，801，831，841，851，861，871，901，931，941，951，961)通过恰好一个电接头(813，814，818，819，913，914，918，919)与较高嵌套层级的模块(400，406，500，506，600a，600b，606，700a，700b，728，801，831，841，851，861，871，901，931，941，951，961)的正电流导轨(416，516，616，811，911)和/或负电流导轨(417，517，617，812，912)电连接。
9.根据以上权利要求之一所述的电变换器系统，其中至少一个模块(400，406，500，506，600a，600b，606，700a，700b，728，801，810，815，816，817，831，841，851，861，871，901，915，923，931，941，951，952，953，954，957，958，959，961)的至少一个能量串(401，501，601，701，702，703，704，820，830，920，921，955，956)具有至少一个储能器。
10.根据权利要求9所述的电变换器系统，其中至少一个模块(400，406，500，506，600a，600b，606，700a，700b，728，801，810，815，816，817，831，841，851，861，871，901，915，923，931，941，951，952，953，954，957，958，959，961)的至少一个能量串(401，501，601，701，702，703，704，820，830，920，921，955，956)仅仅具有至少一个储能器。
11.一种用于制备根据权利要求1至10之一所述的电变换器系统的方法，其中使用具有至少两个嵌套层级的电路，其中第一嵌套层级的至少一个嵌入用模块被用于形成至少一个能量串，其中至少下一个更深的第二嵌套层级的至少两个被嵌入模块彼此相连，使得这些模块嵌入到彼此中，其中在这些模块中使用至少两个接头和多个开关元件，以便能够在一个嵌套层级的至少两个模块之间的多个连接状态之间动态切换。
12.根据权利要求11所述的方法，其中在较高嵌套层级中使用的开关元件与在较深嵌套层级中使用的开关元件相比具有更慢的开关速度。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其中在较深嵌套层级中使用的开关元件与在较高嵌套层级中使用的开关元件相比具有更低的耐电压强度。
14.根据权利要求11至13之一所述的方法，其中在较高嵌套层级中使用不可换向的开关元件。
15.根据权利要求11至14之一所述的方法，其中使用至少一个如下的模块：在该模块中该至少一个能量串具有至少一个储能器。
16.根据权利要求11至15之一所述的方法，其中使用至少一个如下的模块：在该模块中该至少一个能量串仅仅具有至少一个储能器。
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