CN115699551A - 作为用于模块化的多级转换器的并联的串联全桥的子模块 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于模块化的多级功率转换器(2)的子模块(1)，该子模块具有：‑九个能切断的半导体开关(S1，S2，S3，S4，S5，S6，S7，S8，S9)，‑四个电容器(C1.1，C1.2，C2.1，C2.2)，‑六个网络节点(N1，N2，N3，N4，N5，N6)，‑两个接口(11，12)，其中，部件布置成，使得在驱控能切断的半导体开关时在子模块(1)的接口(11，12)之间产生不同的电压。在此，能够显著地改进功率转换器和子模块(1)在发生故障时的行为。

Description

作为用于模块化的多级转换器的并联的串联全桥的子模块
技术领域
本发明涉及一种用于模块化的多级功率转换器的子模块。本发明还涉及一种模块化的多级功率转换器。本发明还涉及一种用于运行这种子模块的方法和一种用于制造这种子模块的方法。
背景技术
从DE 101 03 031A1中已知一种模块化的多级功率转换器。所述多级功率转换器也称为模块化多级转换器、MMC或M2C。这种类型的功率转换器具有多个子模块，能够借助所述子模块产生阶梯形的输出电压。
模块化的多级功率转换器是一种转换器拓扑结构，所述转换器拓扑结构特别适用于HVDC应用和电驱动器。多相功率转换器的基本结构包括每相两个转换器臂，所述转换器臂分别构成为多个子模块的串联电路。通过利用每个子模块调制离散电压或者调制端子短路，通过模块化结构由每个转换器臂来量化地模拟期望的电压形状。在此，子模块实现调节不同的电压级。
存在不同的子模块变型形式。目前最常见的、已知的子模块类型是半桥和全桥。
在此，子模块包含可切换的半导体开关，即例如IGBT、IGCT、GTO、MOSFET等。与晶闸管相比，所述半导体开关不仅能够接通电流，还能够切断电流。电流的切断仅能够在一个通流方向上进行。在相反的通流方向上，能切断的半导体开关表现为二极管。这种行为已经通过功率转换器结构给出或者借助于与半导体开关的开关元件反并联布置的二极管来实现。因此，能切断的半导体开关使电流在一个通流方向上接通和切断并且在另一通流方向上仅导通。因此，无法切断在该另一通流方向上的电流。
发明内容
本发明所基于的目的是改进模块化的多级功率转换器的子模块。
该目的通过具有权利要求1的特征的子模块来实现。此外，该目的通过具有权利要求2的特征的模块化的多级功率转换器来实现。该目的还通过一种用于运行具有权利要求4的特征的这种子模块的方法以及通过一种用于制造具有权利要求5的特征的这种子模块的方法来实现。
本发明的有利的设计方案在从属权利要求中说明。
本发明尤其基于以下认知：通过半导体开关和电容器的所提出的装置能够改进子模块和模块化的多级功率转换器的故障行为。能够限定半导体开关的八种开关状态，进而在子模块的接口处产生七种不同的输出电压。此外，还能够实现另一开关状态，在该开关状态中，当然根据通流方向通过子模块将不同的电压施加在接口处。因此，特别地，用于子模块和模块化的多级功率转换器的调节和控制的最先提到的六个开关状态是特别有利的。
该电路用作模块化的多级功率转换器中的子模块。在此，借助子模块能够主动开关八个对于常规运行相关的开关状态，所述开关状态在子模块的两个接口之间导致不同的输出电压。第一电容器和第二电容器以及第三电容器和第四电容器在此总是分别并联连接的。为了更好地概览，在下文中，将由第一电容器和第二电容器构成的并联电路的调制过的电压称为UC1，并且将由第三电容器和第四电容器构成的并联电路的调制过的电压称为UC2。能够在子模块的接口之间切换以下电压状态：
-两个电容器并联电路的正串联，对应于UC1和UC2之和，即UC1+UC2，
-各单个正电容器并联，对应于UC1或UC2，
-无电压(端子短路或续流)，
-负电容器并联，对应-UC1或-UC2，和
-两个电容器并联电路的负串联，对应于UC1和UC2的负和，即-(UC1+UC2)。
所述状态都能够独立于电流方向、即双向地切换。
根据本发明的子模块能够在功能上与两个全桥的串联电路相比较。在此，能够在子模块的接口之间切换相同的电压状态。如果在所建议的装置中和在两个全桥的串联电路中相应地设计各个半导体开关，则得到相同的半导体数量。如果假设将相同的电容器能量安装在所建议的装置中和两个全桥的串联电路中，则在根据本发明的装置中发生半导体故障时，放电能量只有一半大。如果在此半导体开关失效，则在并联的电容器中总是只有一个电容器被短路。因此，也只有一半的能量能够安全地受控于子模块或功率转换器中。
如果在全桥的串联电路中分别将两个子模块构成为并联电路，则同样能够实现所述故障行为。然而在此，相对于根据本发明的装置中的九个开关，必须安装至少十六个开关。因此，能够借助显著更少数量的半导体和半导体驱控装置来实现较低的故障能量、即故障情况中的能量的目标。这使子模块进而模块化的多级功率转换器显著地变得不那么复杂、成本更低并且可更简单地控制和/或调节。
子模块的基本结构能够由两个部分模块构成，因为子模块具有镜像对称性。因此特别有利的是：由两个部分模块构成的子模块以特别简单和低成本的方式构成。在此，部分模块包括接口、第一半导体开关、第三半导体开关、第四半导体开关、第五半导体开关、第七半导体开关和第八半导体开关、第一电容器和第三电容器以及第一网络节点、第三网络节点、第四网络节点和第六网络节点。
第三半导体开关、第五半导体开关和第七半导体开关通过由两个部分模块中的各一个半导体开关构成的并联电路形成，使得所述半导体开关能够设计得更小，例如具有一半的载流能力。
在所提议的结构中，第三半导体开关、第五半导体开关和第七半导体开关分别针对子模块1的全部载流能力设计。其余的半导体开关分别仅设计为一半的载流能力。由于第三半导体开关、第五半导体开关和第七半导体开关在经由两个部分模块实现时作为由两个半导体开关构成的并联电路得到，所以部分模块内的半导体开关都仅设计一半的载流能力。借此，部分模块中的所有半导体开关都能够以相同结构构成。
此外，这两个部分模块的半导体开关能够以相同方式驱控。因此，对于由两个部分模块构成的子模块能够将仅一个驱控电路用于六个半导体开关，所述驱控电路的驱控信号并行地分布到两个部分模块上，使得同步驱控所述驱控信号。
将网络节点理解为电子电路中的一个分支，也称为电子网络。因此，至少三个电流路径在网络节点处相遇。
特性和优点能够总结如下。通过对称结构，特别是在使用两个或多个部分模块时的对称结构，对于电流得到经过子模块的两个或多个并联的电流路径，所述电流路径对于本发明是必不可少的。并联的电流路径的数量从并联的部分模块的数量中得出。在此，第一电容器和第二电容器以及第三电容器和第四电容器分别形成经由二极管脱耦的并联电路。由此得到高可用性，因为即使半导体和/或电容器失效，子模块能够继续运行。与在经由不同的开关状态同时提供可比较的电压的情况下增加模块数量以实现可比较的冗余相比，需要显著更少的半导体。同时，通过电容器的并联电路能够将各个电容器的电容设计得更小，尤其是一半大。在损坏的情况下，这降低了始于电容器的破坏潜在性。换言之，如前所述，电容器中的故障能够更容易受控，因为现有的存储的能量显著更低。此外，通过使用更少的半导体，所提出的结构能够本质上更简单且成本更低地制造。此外，通过使用更少的半导体显着降低了失效概率。这导致子模块和由此构成的多级功率转换器的高可用性。
附图说明
下面根据附图中所示的实施例更详细地描述和解释本发明。其示出：
图1示出根据本发明的子模块的结构，
图2示出模块化的多级功率转换器的结构，和
图3示出子模块的开关状态。
具体实施方式
图1示出根据本发明的子模块1的一个实施例。在各个网络节点N1...N6之间分别布置部件。在此，各个部件直接布置在网络节点N1...N6之间并且将相应的两个网络节点或网络节点N1...N6中的一个节点与接口11，12中的一个接口彼此连接。子模块1的接口11，12之间的电压称为USM。在此，第三半导体开关S3、第五半导体开关S5和第七半导体开关S7分别以有利的方式针对子模块1的全部载流能力来设计。其余的半导体开关S1，S2，S4，S6，S8，S9分别设计一半的载流能力。
能够看出：子模块1的结构与通过子模块1的接口11，12形成的轴线镜像对称地延伸。由此可行的是：由两个相同的部分模块7构成子模块1，所述部分模块分别在接口11，12处、在第三网络节点N3处和第六网络节点N6处彼此连接。在此，部分模块包括接口11，12、第一半导体开关、第三半导体开关、第四半导体开关、第五半导体开关、第七半导体开关和第八半导体开关S1，S3，S4，S5，S7，S8、第一电容器和第三电容器C1.1，C2.1和第一网络节点、第三网络节点、第四网络节点和第六网络节点N1，N3，N4，N6。为了由两个结构相同的部分模块7形成子模块1，两个结构相同的部分模块7分别在接口11，12、第三网络节点N3和第六网络节点N6处彼此导电连接。
在这种情况下，第三半导体开关S3、第五半导体开关S5和第七半导体开关S7同样能够设计为子模块1的一半的载流能力。于是，通过由两个部分模块7构成的子模块1的构造，从并联电路中得到全载流能力。由此，子模块7内的所有半导体开关尤其在载流能力方面能够设计成相同的。这增加了相同的部件并且提高了子模块1的维护友好性。由于半导体开关S1...S9中的大量相同部件，子模块的制造尤其是成本低且可靠的。
图2示出模块化的多级功率转换器2的一个实施例，所述实施例由所提出的子模块1构成。为了避免重复，参考图1的描述和那里引入的附图标记。所述子模块1串联布置在其接口11，12中并且形成转换器臂3，为了概览而仅在一个转换器臂3中示出所述接口。串联布置的两个转换器臂3形成转换器相4。转换器臂3的连接点形成相接口L1，L2，L3。转换器相4布置在中间回路接口L+，L-之间。为了更好的可调节或可控性，有利的是：通过电感20补充转换器臂3的串联电路，所述电感串联布置在转换器臂3与相应的中间回路接口L+，L-之间。在各个子模块1处分别施加模块电压USM，所述模块电压从半导体开关S1...S9的开关状态中得出。
本实施例构成为三相模块化多级功率转换器2。
图3示出半导体开关S1...S9的可能的开关状态和子模块1的接口11，12之间的所得出的电压USM。为避免重复，参考图1和图2的描述以及参考那里引入的附图标记。在此，第一半导体开关和第二半导体开关S1，S2、第四半导体开关和第六半导体开关S4，S6、第八半导体开关和第九半导体开关S8，S9分别以相同方式驱控，即接通，这在表格中通过1标识，或切断，这通过0标识。由此清楚的是：为了实现由两个部分模块7构成的子模块1，仅需要一个驱控单元，因为镜像布置的半导体开关总是呈现相同的开关状态。
在从1到8连续编号的优选的开关状态中，与经过子模块1的电流的通流方向无关而得到子模块电压USM。仅状态封锁(BLOCK)(在该状态中所有半导体开关S1...S9都被切断)根据通流方向而提供不同的子模块电压USM，使得所述状态优选不用于控制子模块1。
综上所述，本发明涉及一种用于模块化的多级功率转换器的子模块，该子模块具有：
-九个能切断的半导体开关，
-四个电容器，
-六个网络节点，
-两个接口，
其中，部件布置成，使得在驱控能切断的半导体开关时在子模块的接口之间产生不同的电压。在此，能够显著改进功率转换器和子模块在发生故障情况下的行为。

Claims (5)

1.一种用于模块化的多级功率转换器(2)的子模块(1)，所述子模块具有：
-九个能切断的半导体开关(S1，S2，S3，S4，S5，S6，S7，S8，S9)，
-四个电容器(C1.1，C1.2，C2.1，C2.2)，
-六个网络节点(N1，N2，N3，N4，N5，N6)，
-所述子模块(1)的两个接口(11，12)，
其中，九个能切断的所述半导体开关中的第一半导体开关(S1)布置在所述两个接口中的第一接口(11)与所述六个网络节点中的第一网络节点(N1)之间，从而能够切断从所述第一网络节点(N1)至所述第一接口(11)的电流，
其中，九个能切断的所述半导体开关中的第二半导体开关(S2)布置在所述第一接口(11)与所述六个网络节点(N2)中的第二网络节点(N2)之间，从而能够切断从所述第二网络节点(N2)至所述第一接口(11)的电流，
其中，九个能切断的所述半导体开关中的第三半导体开关(S3)布置在所述第一接口(11)与所述六个网络节点中的第三网络节点(N3)之间，从而能够切断从所述第一接口(11)至所述第三网络节点(N3)的电流，
其中，九个能切断的所述半导体开关中的第四半导体开关(S4)布置在所述第一网络节点(NI)与所述六个网络节点中的第四网络节点(N4)之间，从而能够切断从所述第一网络节点(N1)至所述第四网络节点(N4)的电流，
其中，九个能切断的所述半导体开关中的第五半导体开关(S5)布置所述第三网络节点(N3)与所述六个网络节点中的第六网络节点(N6)之间，从而能够切断从所述第六网络节点(N6)至所述第三网络节点(N3)的电流，
其中，九个能切断的所述半导体开关中的第六半导体开关(S6)布置在所述第二网络节点(N2)与所述六个网络节点中的第五网络节点(N5)之间，从而能够切断从所述第二网络节点(N2)至所述第五网络节点(N5)的电流，
其中，九个能切断的所述半导体开关中的第七半导体开关(S7)布置在所述两个接口中的第二接口(12)与所述第六网络节点(N6)之间，从而能够切断从所述第六网络节点(N6)至所述第二接口(12)的电流，
其中，九个能切断的所述半导体开关中的第八半导体开关(S8)布置在所述第二接口(12)与所述第四网络节点(N4)之间，从而能够切断从所述第二接口(12)至所述第四网络节点(N4)的电流，
其中，九个能切断的所述半导体开关中的第九半导体开关(S9)布置在所述第二接口(12)与所述第五网络节点(N5)之间，从而能够切断从所述第二接口(12)至所述第五网络节点(N5)的电流，
其中，所述四个电容器中的第一电容器(C1.1)布置在所述第一网络节点(NI)与所述第三网络节点(N3)之间，
其中，所述四个电容器中的第二电容器(C1.2)布置在所述第二网络节点(N2)与所述第三网络节点(N3)之间，
其中，所述四个电容器中的第三电容器(C2.1)布置在所述第四网络节点(N4)与所述第六网络节点(N6)之间，
其中，所述四个电容器中的第四电容器(C2.2)布置在所述第五网络节点(N5)与所述第六网络节点(N6)之间。
2.一种模块化的多级功率转换器(2)，具有多个根据权利要求1所述的子模块(1)，其中，至少两个子模块(1)的串联电路形成所述多级功率转换器(2)的转换器臂(3)，其中，两个转换器臂(3)的串联电路形成转换器相(4)，其中，所述两个转换器臂(3)的连接点形成所述多级功率转换器(2)的相接口(L1，L2，L3)。
3.根据权利要求2所述的模块化的多级功率转换器(2)，其中，所述转换器臂(3)的背离所述相接口(L1，L2，L3)的端部形成所述多级功率转换器(1)的中间回路接口(L+，L-)。
4.一种用于运行子模块(1)的方法，其中，借助于能切断的半导体开关(S1，...，S9)的开关操作生成所述子模块(1)的接口(11，12)之间的不同的电压。
5.一种用于从两个部分模块(7)制造根据权利要求1所述的子模块(1)的方法，其中，部分模块(7)包括接口(11，12)、第一半导体开关、第三半导体开关、第四半导体开关、第五半导体开关、第七半导体开关和第八半导体开关(S1，S3，S4，S5，S7，S8)、第一电容器和第三电容器(C1.1，C2.1)以及第一网络节点、第三网络节点、第四网络节点和第六网络节点(N1，N3，N4，N6)，其中，通过将两个结构相同的部分模块(7)分别在所述接口(11，12)、所述第三网络节点(N3)和所述第六网络节点(N6)处彼此连接，形成所述子模块(1)。
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