DE102019112826B3 - Analog-Digital-Modul für einen modularen Multilevelkonverter - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Analog-Digital-Modul (200) für einen modularen Multilevelkonverter, welches mindestens vier Anschlüsse (101, 102, 103, 104) und mindestens einen Energiespeicher (210) aufweist, welches mindestens eine Analog-Halbbrücke mit zwei linear betriebenen Verstärker-Transistoren (211, 212) und mindestens vier Digital-Halbbrücken mit jeweils zwei binär betriebenen Schalt-Transistoren (201, 202, 203, 204, 205, 206, 207, 208) aufweist, wobei zwei äußere Halbbrücken aus zwei der mindestens vier Digital-Halbbrücken gebildet sind, wobei zwei innere Halbbrücken aus weiteren zwei der mindestens vier Digital-Halbbrücken gebildet sind, wobei zwei der mindestens vier Anschlüsse (101, 104) jeweils einzeln mit der Mitte einer alleinig zugeordneten äußeren Halbbrücke verbunden sind, wobei die weiteren zwei der mindestens vier Anschlüsse (102, 103) jeweils einzeln mit der Mitte einer alleinig zugeordneten inneren Halbbrücke verbunden sind, und wobei die beiden inneren Halbbrücken jeweils mit dem ersten Ende mit der Mitte (213) der mindestens einen Analog-Halbbrücke verbunden sind. Ferner wird der zugehörige modulare Multilevelkonverter beansprucht.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Analog-Digital-Modul, welches Verstärker- und Schalttransistoren kombiniert in einem modularen Multilevelkonverter einsetzt. Ferner wird der zugehörige modulare Multilevelkonverter beansprucht.
  • Ein Wechselstrommotor, wie bspw. als Traktionsmotor in einem Elektrofahrzeug verwendet, benötigt mindestens einen Umrichter, der die Gleichspannung einer Gleichspannungsquelle, bspw. einer Batterie, in eine Wechselspannung umwandelt. Konventionelle Umrichter verwenden sogenannte Brückenschaltungen, d. h. Schaltungen, die die Ausgangsklemmen abwechselnd mit dem positiven und negativen Pol (seltener auch einer Null-Stellung) der Gleichspannungsquelle verbinden und dabei die Verweildauer in jedem Zustand so wählen, dass im zeitlichen Mittel eine gewünschte Wechselspannung entsteht (sogenannte Pulsweitenmodulation oder auch andere Schaltmodulationsmethoden). Nachteilig ist dabei eine sehr schlechte Spannungsqualität und Verzerrung. Auch EMV-Probleme, d. h. elektromagnetische Störungen durch Einstrahlungen in elektrische Bauelemente, und Energieverluste treten zu Tage.
  • Weiter problematisch ist, dass ein gewünschtes kontinuierliches Spannungs- oder Stromprofil durch eine quantisierte Nachbildung mit Spannungsstufen nie erreicht wird. Stattdessen wird lediglich ein im zeitlichen Mittel ähnlicher Verlauf erzeugt. Eine unvermeidliche Abweichung wird meist als eine Verzerrung bezeichnet und oft im Frequenzbereich ermittelt (als Verzerrungsspektrum), da viele Modulationsarten, also Formen zur Quantisierung eines kontinuierlichen Verlaufes, sogar regelmäßige Schaltmuster verwenden und deshalb harmonische Anteile im Verzerrungsspektrum zeigen.
  • Für diverse leistungselektronische Anwendungen ist jedoch eine derartige Verzerrung durch geschaltete Leistungselektroniken nicht akzeptabel. So werden bspw. elektrische Maschinen bzw. Motoren für Antriebe und andere Anwendungen auf Prüfständen meist zwingend mit einer Leistungselektronik, die einen Inverter bildet, auf Prüfständen getestet. Bei unerwartetem oder auch nur anderweitig nicht zufriedenstellendem Verhalten kann jedoch bei einer Testung der elektrischen Maschine mit dem Inverter nicht die Quelle des Verhaltens identifiziert werden, wenn die verwendete Leistungselektronik Verzerrungen und insbesondere Schaltharmonische aufweist. Zwar tragen Verzerrungen in Strom oder Spannung meist nicht zu einer Wirkleistung bei, sie erzeugen aber Blindströme, welche neben den erwartbaren Ohm'schen Verlusten in der Maschine zusätzliche Hochfrequenzeffekte in der Wicklung, im Eisen und in Permanentmagneten hervorrufen können. Aufgrund der Nichtlinearität diverser Effekte, kann die Verzerrung zu deutlich anderem Verhalten führen, die Verluste überproportional erhöhen oder Bauteile (bspw. Magnete), die dem jeweiligen Maschinendesign nach eine geringe thermische Belastung erfahren sollten, über Gebühr erhitzen. Zur Identifikation von Leistungsverlusten in elektrischen Maschinen werden daher ideale, verzerrungsfreie Inverter benötigt, welche mit dem jetzigen Stand der Technik nicht zur Verfügung stehen.
  • Ferner sollte ein Testinverter erlauben, auch beliebig andere Inverter zu emulieren und bspw. deren Verzerrungen (meist bereits bei 5-15 kHz beginnend) nachzubilden, um das unterschiedliche Verhalten der Maschine in Kombination mit mehreren unterschiedlichen Inverter-Kandidaten zu testen. Weitere Anwendungsgebiete für verzerrungsfreie Inverter sind Lautsprechertreiberschaltungen sowie Leistungsquellen für Materialprüfungs- und Gerätetestsysteme sowie einige wissenschaftliche Quellen.
  • Der Stand der Technik stellt eine Vielzahl von Universal- oder Idealinverter bereit, bspw. Multilevelkonverter mit einer hohen Zahl an Spannungsniveaus und hohen Schaltgeschwindigkeiten, mehrphasigen Invertern und schnellschaltenden Invertern mit nachgeschalteten Tiefpassfiltern. Einerseits erzeugen entsprechende Schaltungen weiterhin Verzerrungen, auch wenn diese verringert sind, andererseits führen Filter zu erhöhten Verlusten und/oder Phasenverschiebungen in Ausgangsstrom und/oder - spannung.
  • Ein solcher Multilevelkonverter ist der von R. Marquardt bspw. in der Druckschrift US 2018/0109202 offenbarte modulare Multilevelkonverter, auch als MMC oder M2C abgekürzt bezeichnet. Die dort implementierte sogenannte Marquardt-Makrotopologie verwendet einer jeweiligen Wechselstromphase zugewiesene Stränge, welche mindestens zwei Module aufweisen und streng genommen nur eine Spannungspolarität darstellen müssen. Allerdings weist auch ein solcher modularer Multilevelkonverter deutliche Verzerrungen, also Abweichungen vom gewünschten Referenzsignal (bspw. eines Spannungs- oder Stromverlaufs), welches zumeist als eine Referenzspannung vorliegt, auf.
  • Typische Schaltungen der Leistungselektronik verwenden Halbleiter nahezu ausschließlich als Schalter und vermeiden den verlustbehafteten resistiven bzw. linearen Betrieb. Sie erzeugen lediglich quantisierte Ausgangsspannungen (in stromgesteuerten Schaltungen, typischerweise mit Thyristoren, bspw. in Bahnantrieben entsprechend des Stromes). Zwischenlevel werden im zeitlichen Mittel durch schnelles Umschalten (Schaltmodulation, switch-mode power supplies als englisches Schlagwort) zwischen benachbarten Leveln erzeugt.
  • Darauf aufbauend, können im voranstehend erwähnten modularen Multilevelkonverter, wie in der Druckschrift EP 2 928 055 A1 beschrieben, durch einzelne linear betriebene Module Abweichungen zwischen den quantisierten Stufen und der Referenzspannung reduziert werden. Jedoch beinhaltet ein einfaches Auswechseln von Schalttransistoren gegen linear betriebene Transistoren bei unverändertem Modulaufbau das Problem, dass die linear betriebenen Transistoren auch in einem voll durchgeschalteten Modus betrieben werden müssen und darin lange nicht bzgl. Leitfähigkeit und Stromhöhe vergleichbare Werte erreichen wie optimierte Schalt-Transistoren.
  • Zudem sind die in einem MMC implementierten Module auf eine serielle Verschaltung beschränkt. Diese Beschränkung überwindet jedoch ein MMSPC, abgekürzt für modularer Multilevelkonverter mit serieller und paralleler Modulkonnektivität, der bspw. beschrieben ist in „Goetz, S.M.; Peterchev, A.V.; Weyh, T., „Modular Multilevel Converter With Series and Parallel Module Connectivity: Topology and Control," Power Electronics, IEEE Transactions on, vol.30, no.1, pp.203,215, 2015. doi: 10.1109/TPEL.2014.2310225.
  • Weiterhin ist aus R. C. Beltrame ; M. I. Desconzi ; M. L. da Silva Martins; C. Rech ; H. L. Hey „AC power source based on series-connection between cascaded PWM multilevel inverter and linear power amplifier", Proceedings of the 2011 14th European Conference on Power Electronics and Applications, IEEE, ein kaskadierter Stromrichter bekannt bei dem alle Module abschnittsweise analog betrieben werden.
  • Hidemine Obara ; Tatsuki Ohno ; Atsuo Kawamura schlagen in „Multi-Level Topology Based Linear Amplifier Family for Realization of Noise-Less Inverters", 2018 International Power Electronics Conference (IPEC-Niigata 2018 -ECCE Asia), IEEE, einen kaskadierten Stromrichter vor wo ein Modul ausschließlich als Linearverstärker fungiert und alle weiteren Module schaltend arbeiten.
  • Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen neuen Modultypus zur Verfügung zu stellen, welcher mit anderen Modultypen bisheriger Multilevelkonverter kombinierbar ist, und sowohl von den Vorteilen binärer Schalt-Transistoren als auch von linearen Widerstandstransistoren Gebrauch macht. Ferner soll ein modularer Multilevelkonverter vorgestellt werden, welcher mindestens ein solches Modul aufweist.
  • Zur Lösung der voranstehend genannten Aufgabe wird ein Analog-Digital-Modul für einen modularen Multilevelkonverter vorgeschlagen, welches mindestens vier Anschlüsse, mindestens einen Energiespeicher, mindestens eine Analog-Halbbrücke mit zwei linear betriebenen Verstärker-Transistoren und mindestens vier Digital-Halbbrücken mit jeweils zwei binär betriebenen Schalt-Transistoren aufweist. Zwei äußere Halbbrücken sind aus zwei der mindestens vier Digital-Halbbrücken gebildet und zwei innere Halbbrücken sind aus weiteren zwei der mindestens vier Digital-Halbbrücken gebildet. Zwei der mindestens vier Anschlüsse sind jeweils einzeln mit der Mitte einer alleinig zugeordneten äußeren Halbbrücke verbunden. Weitere zwei der mindestens vier Anschlüsse sind jeweils einzeln mit der Mitte einer alleinig zugeordneten inneren Halbbrücke verbunden. Eine jeweilige Halbbrücke weist dabei jeweils ein erstes Ende und ein zweites Ende auf. Die beiden inneren Halbbrücken sind jeweils mit ihrem ersten Ende mit der Mitte der mindestens einen Analog-Halbbrücke verbunden. Mit ihrem zweiten Ende sind die beiden inneren Halbbrücken jeweils mit einem ersten Ende der mindestens einen Analog-Halbbrücke und des mindestens einen Energiespeichers und mit einem ersten Ende der beiden äußeren Halbbrücken verbunden. Schließlich sind die beiden äußeren Halbbrücken mit ihrem zweiten Ende mit dem zweiten Ende der mindestens einen Analog-Halbbrücke und des mindestens einen Energiespeichers verbunden.
  • Im Vergleich mit Modulen modularer Multilevelkonverter besteht ein wesentlicher Unterschied im erfindungsgemäßen Analog-Digital-Modul jeweils in der direkten Verbindung der mindestens vier Anschlüsse zur Mitte einer jeweiligen Digital-Halbbrücke, wobei die zwei inneren Halbbrücken noch mit ihrem ersten Ende an die Mitte der Analog-Halbbrücke, die eine Komplementärstufe aus Verstärker-Transistoren bildet, angeschlossen ist. Ein weiteres Charakteristikum des erfindungsgemäßen Analog-Digital-Moduls ist, dass der mindestens eine Energiespeicher in der Mitte angeordnet ist, d. h. schaltungstechnisch zwischen den miteinander verbundenen ersten Enden und den miteinander verbundenen zweiten Enden der beiden äußeren Halbbrücken angeordnet ist.
  • Die beiden Verstärkertransistoren in der Analog-Halbbrücke erlauben, eine Spannung der zwei über die jeweilige Mitte der beiden inneren Halbbrücken verbundenen Anschlüsse des Analog-Digital-Moduls zwischen 0 und einer Modulspannung, d. h. einer Spannung des mindestens einen Energiespeichers, kontinuierlich zu variieren. Damit ist vorteilhaft die Spannung dieser zwei Anschlüsse kontinuierlich variabel.
  • In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Analog-Digital-Moduls ist mindestens ein Verstärker-Transistor ein Bipolar-Transistor. Generell sind auch andere linear betreibbare Transistoren denkbar.
  • In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Analog-Digital-Moduls ist der mindestens ein Schalt-Transistor ein Feldeffekt-Transistor. Generell sind auch andere auf binären Gebrauch (an oder aus) optimierte Transistoren denkbar.
  • In einer noch weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Analog-Digital-Moduls ist der Energiespeicher ein Kondensator oder eine Einzelzelle einer Batterie. Generell sind alle Speichermedien, die eine Gleichspannung aufnehmen und wieder abgeben können, denkbar. Ohne Beschränkung zu anderen Ausgestaltungen, kann bspw. das jeweils erste Ende der Halbbrücken einem oberen Spannungspotential zugeordnet sein, das jeweils zweite Ende der Halbbrücken einem unteren Spannungsniveau zugeordnet sein, und dementsprechend der Energiespeicher mit seinem Pluspol mit dem oberen Spannungspotential und mit seinem Minuspol mit dem unteren Spannungspotential verbunden sein.
  • In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Analog-Digital-Moduls ist der Energiespeicher eines Analog-Digital-Moduls durch mindestens ein benachbartes Analog-Digital-Modul nachladbar. In der Figurenbeschreibung zu 5 finden sich hierzu weitere Erläuterungen.
  • In einer noch weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Analog-Digital-Moduls weist das Analog-Digital-Modul serielle und parallele Schaltzustände auf. Während die Schalt-Transistoren zu einer diskreten Zahl an Schaltzuständen führen, ist mittels der Verstärker-Transistoren eine kontinuierliche Variation einer Ausgangsspannung des Analog-Digital-Moduls zu erreichen.
  • In einer fortgesetzt weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Analog-Digital-Moduls umfasst das Analog-Digital-Modul die in folgender Liste aufgeführten Schaltzustände: parallel, seriell-plus, seriell-minus, bypass, semiparallel/analog-plus, semiparallel/analog-minus, analog-plus, analog-minus, unused1, unused2. In der Figurenbeschreibung zu 4 finden sich hierzu weitere Erläuterungen
  • Ferner wird ein modularer Multilevelkonverter beansprucht, der mindestens ein erfindungsgemäßes Analog-Digital-Modul aufweist. In dem modularen Multilevelkonverter können mehrere aus einer Mehrzahl an Modulen aufgebaute Stränge angeordnet sein, die vorteilhaft mindestens ein Digital-Modul mit reinen Schalt-Transistoren mit mindestens einem erfindungsgemäßen Analog-Digital-Modul kombinieren. Während das mindestens eine Digital-Modul in dem jeweiligen Strang als eine Digital-Ausgangsspannung quasi eine Sockelspannung erzeugt - bspw. die einer durch eine Referenzspannung geforderten Strangspannung nächste quantisierte, also mit einer Gesamtheit der in einem jeweiligen Strang angeordneten Digital-Module erzeugbare Spannungsstufe - muss das Analog-Digital-Modul lediglich die (positive oder negative) Differenz zwischen der quantisierten Digital-Ausgangsspannung und der gewünschten Referenzspannung erzeugen. Hierdurch sind vorteilhaft deutlich niedrigere Verluste als mit einem konventionellen Verstärker möglich. Das mindestens eine Analog-Digital-Modul stellt damit eine Art Korrekturstufe zu der durch das mindestens eine Digital-Modul gebildeten quantisierten Spannungsstufe dar, welche nur grob der Referenzspannung nahekommt. Die Lösung baut daher auf das Konzept des Multilevelkonverters bzw. eines Multilevelinverters auf, um eine Verzerrung zu verringern, und ergänzt es um eine Korrekturstufe, um diese verringerten Verzerrungen zu eliminieren.
  • In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen modularen Multilevelkonverters weisen die Module des modularen Multilevelkonverters serielle und parallele Konnektivität auf. Ein modularer Multilevelkonverter mit serieller und paralleler Konnektivität, abgekürzt mit MMSPC und bspw. beschrieben in der Druckschrift DE 10 2015 112 512 A1 , unterscheidet sich z. B. von einem konventionellen modularen Multilevelkonverter dadurch, dass ein zusätzlicher Parallel-Zustand existiert. Ein MMSPC kann in einem Strang eine nahezu beliebige elektrische seriell-parallele Schaltungskonfiguration von modulintegrierten Energiespeichern erzeugen und diese dynamisch ändern. Der mindestens eine Energiespeicher des jeweiligen Moduls ist dabei seriell-plus verschaltet, wenn er sich im jeweiligen Modul in Reihe mit einer Durchleitung des Stroms befindet und eine Ausgangsspannung des jeweiligen Moduls gegenüber einer Eingangsspannung erhöht. Er ist seriell-minus verschaltet, wenn er sich im jeweiligen Modul in Reihe mit der Durchleitung des Stroms befindet und die Ausgangsspannung des jeweiligen Moduls gegenüber der Eingangsspannung erniedrigt. Der mindestens eine Energiespeicher des jeweiligen Moduls ist parallel verschaltet, wenn er sich im jeweiligen Modul parallel zur Durchleitung des Stroms befindet. Schließlich steht zumeist auch ein Umgehungszustand, auch als ein Bypass bezeichnet, zur Verfügung, um den mindestens einen Energiespeicher eines Moduls zu umgehen. Je nach Ausführungsform erlaubt dieser Umgehungszustand auch eine Polaritätsumkehrung zwischen den beiden Eingängen und den beiden Ausgängen. Schließlich kann der erfindungsgemäße modulare Multilevelkonverter aufgrund der Möglichkeit zur Parallelverschaltung des mindestens einen Energiespeichers des jeweiligen Moduls sogar Gleichspannung und/oder Gleichstrom in beliebigen Abstufungen bis zur Maximalhöhe (alle Energiespeicher seriell-plus oder alle Energiespeicher seriell-minus verschaltet) ausgeben.
  • In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen modularen Multilevelkonverters ist der modulare Multilevelkonverter als Präzisionsmultilevelkonverter ausgelegt. Verfügt der Präzisionsmultilevelkonverter bspw. in einem jeweiligen Strang über N Digital-Module und M Analog-Digital-Module, wobei N und M jeweils ganze positive Zahlen bezeichnen, so können dynamisch 2N+1 Spannungsstufen als Digital-Ausgangsspannung realisiert werden. Die M Analog-Digital-Module bilden als linear steuer- und regelbare Korrekturstufe die jeweilig verbleibende Differenzspannung zur Referenzspannung.
  • Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
  • 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 schematisch einen Multilevelkonverterstrang mit einer Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Analog-Digital-Moduls.
    • 2 zeigt einen Schaltungsaufbau einer Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Analog-Digital-Moduls.
    • 3 zeigt einen gespiegelten Schaltungsaufbau einer Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Analog-Digital-Moduls.
    • 4 zeigt Beispielzustände für den Schaltaufbau der Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Analog-Digital-Moduls aus 2.
    • 5 zeigt schematisch ein Nachladen einer Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Analog-Digital-Moduls durch Nachbarmodule.
    • 6 zeigt Modulausgangsspannung und Lade- oder Entladedynamik eines Modulspeichers für den Schaltaufbau der Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Analog-Digital-Moduls aus 2.
  • In 1 wird schematisch ein Multilevelkonverterstrang 100 mit einer Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Analog-Digital-Moduls 120 gezeigt. Das Analog-Digital-Modul 120 ist über einen Anschluss α 101 und einen Anschluss β 102 auf der linken Seite und einen Anschluss γ 103 und einen Anschluss δ 104 auf der rechten Seite mit benachbarten Digital-Modulen 110, welche nur Schalt-Transistoren aufweisen, verbunden.
  • In 2 wird ein Schaltungsaufbau 200 einer Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Analog-Digital-Moduls für einen sogenannten Vierquadrantenbetrieb eines modularen Multilevelkonverters mit serieller und paralleler Konnektivität gezeigt. Der Anschluss α 101 ist mit einer Mitte einer linken äußeren Halbbrücke mit einem oberen Schalt-Transistor T1 201 und einem unteren Schalt-Transistor T2 202 verbunden. Der Anschluss δ 104 ist mit einer Mitte einer rechten äußeren Halbbrücke mit einem oberen Schalt-Transistor T3 203 und einem unteren Schalt-Transistor T4 204 verbunden. Der Anschluss β 102 ist mit einer Mitte einer linken inneren Halbbrücke mit einem oberen Schalt-Transistor T5 205 und einem unteren Schalt-Transistor T6 206 verbunden. Der Anschluss γ 103 ist mit einer Mitte einer rechten inneren Halbbrücke mit einem oberen Schalt-Transistor T7 207 und einem unteren Schalt-Transistor T8 208 verbunden. Die Schalt-Transistoren 201, 202, 203, 204, 205, 206, 207, 208 sind hier ohne Beschränkung anderer Transistorarten als Feldeffekt-Transistor mit Body-Diode dargestellt. Angesteuert werden die Schalt-Transistoren 201, 202, 203, 204, 205, 206, 207, 208 mit jeweils einem Digitalsignal, welches beispielhaft durch Bezugszeichen 222 benannt ist. Ein jeweils oberes Ende der jeweiligen Halbrücke ist einem oberen Spannungspotential zugeordnet, ein jeweils unteres Ende der jeweiligen Halbbrücke ist einem unteren Spannungspotential zugeordnet. Ein Verstärker-Transistor BJT1 211 und ein Verstärker-Transistor BJT2 212 sind in einer Analog-Halbbrücke, ähnlich zu einer Komplementärstufe, zueinander komplementär geschaltet. Dies bedeutet, dass sich eine Leitfähigkeit des einen Verstärker-Transistors, bspw. BJT1 211, erhöht und sich die Leitfähigkeit des anderen Verstärker-Transistors, in dem Beispiel dann BJT2 212, absenkt. Die Verstärker-Transistoren 211, 212 sind hier ohne Beschränkung anderer Transistorarten als Bipolar-Transistoren dargestellt. Angesteuert werden die Verstärker - Transistoren 211, 212 mit jeweils einem Analogsignal, welches beispielhaft durch Bezugszeichen 221 benannt ist. An einem Mittenabgriff 213 dieser Analog-Halbbrücke geht ein Analogspannungslevel VBJT , ebenfalls als Analogsignal 221 dargestellt, den jeweils ersten bzw. oberen Enden der inneren Halbbrücken zu. Zwischen den oberen Enden der äußeren Halbbrücken und der Analog-Halbbrücke einerseits und den unteren Enden aller Halbbrücken andererseits ist ein Energiespeicher als Modulspeicher 210 verschaltet. Dabei kann es sich bspw. um einen Kondensator, der eine Spannung Vmdl bereitstellt, handeln. Für den gezeigten Schaltungsaufbau 200 des Analog-Digital-Moduls gilt Vmdl≥VBJT>0.
  • In 3 wird ein zu dem Schaltungsaufbau 200 aus 2 weitestgehend gespiegelter Schaltungsaufbau 300 einer Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Analog-Digital-Moduls gezeigt. Hier ist der Anschluss β 102 mit der Mitte der linken äußeren Halbbrücke mit dem oberen Schalt-Transistor T1 301 und dem unteren Schalt-Transistor T2 302 verbunden. Der Anschluss γ 103 ist mit der Mitte der rechten äußeren Halbbrücke mit dem oberen Schalt-Transistor T3 303 und dem unteren Schalt-Transistor T4 304 verbunden. Der Anschluss α 101 ist mit der Mitte der linken äußeren Halbbrücke mit dem oberen Schalt-Transistor T5 305 und einem unteren Schalt-Transistor T6 306 verbunden. Der Anschluss δ 104 ist mit einer Mitte einer rechten äußeren Halbbrücke mit einem oberen Schalt-Transistor T7 307 und einem unteren Schalt-Transistor T8 308 verbunden. Ein Verstärker-Transistor BJT1 311 und ein Verstärker-Transistor BJT2 312 bilden die Analog-Halbbrücke. An dem Mittenabgriff 313 dieser Analog-Halbbrücke geht ein Analogspannungslevel VBJT den jeweils zweiten bzw. unteren Enden der inneren Halbbrücken zu. Zwischen den oberen Enden aller Halbbrücken einerseits und den unteren Enden der äußeren Halbbrücken und der Analog-Halbbrücke andererseits ist ein Energiespeicher als Modulspeicher 310 verschaltet.
  • In 4 werden drei Reihen 410, 420, 430 von Beispielzuständen 411, 412 links, 412 rechts, 413, 421 links, 421 rechts, 422 links, 422 rechts, 431 links, 431 rechts für den Schaltaufbau 200 der Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Analog-Digital-Moduls aus 2 gezeigt. Während eine erste Reihe 410 jeweils einen auch mit einem Digital-Modul darstellbaren Schaltzustand wiedergibt, kommen in einer zweiten Reihe 420 auch die Verstärker-Transistoren BJT1 und BJT2 zum Einsatz. Das umkreiste Plus-/Minus-Symbol bedeutet dabei eine durch die Analog-Halbbrücke abgreifbare analoge Spannung VBJT . Die jeweiligen Schaltzustände 411, 412 links, 412 rechts, 413, 421 links, 421 rechts, 422 links, 422 rechts, 431 links, 431 rechts lassen sich durch Aktivierung der jeweilig in Tabelle 1 aufgeführten Schalt-Transistoren realisieren. An jedem einzelnen der vier Anschlüsse [αβγδ] des Analog-Digital-Moduls stellt sich dann mit „0“ bezeichnet keine Spannung ein, mit „1“ bezeichnet volle Spannung ein, und mit „Z“ bezeichnet eine Spannung ein, die sich aus einer passiven Halbbrücke, also nur über Leitung durch eine jeweilige Body-Diode ergibt. Tabelle 1: Schaltzustände bei einem Vierquadrantenmodul mit acht Schalt-Transistoren T1-T8 und zwei Verstärker-Transistoren BJTs, d. h. BJT1 und BJT2.
    Bezugszeichen [αβγδ] Schaltzustand Aktive Schalter
    411 1010 parallel T1, T3, T6, T8
    412 links 1Z00 seriell-plus T1, T4, T8
    412 rechts 001Z seriell-minus T2, T3, T7
    413 0000 bypass T2, T6, T8, T4
    421 links Z110 semiparallel/analog-plus T5, T3, T8, BJTs
    421 rechts 10Z1 semiparallel/analog-minus T1, T6, T7, BJTs
    422 links Z1Z0 analog-plus T5, T8, BJTs
    422 rechts ZOZ1 analog-minus T6, T7, BJTs
    431 links 1ZZ1 unused1 T1, T7
    431 rechts Z11Z unused2 T3, T5
  • Der parallele Schaltzustand 411 verbindet den Modulspeicher 210 an beide Seiten des Moduls 200 parallel. In der Figur sind hierzu als Verbindungslinien der vier Anschlüsse [αβγδ] nur durch aktive Schalter mögliche Strompfade in einem verkleinerten Layout der Schaltung skizziert. Der seriell-plus oder seriell-minus Schaltzustand 412 bringt jeweils die Spannung ±Vmdl in den Strang 100 (aus 1) ein. Falls ein am Strang 100 anliegendes Spannungsnetz Leistung einspeist, so wird ein Gleichspannungsbus mit Strom iload geladen. Falls das Spannungsnetz Leistung entnimmt, wird der Gleichspannungsbus mit Strom iload entladen. Der bypass Schaltzustand 413 umgeht den Modulspeicher 210. Der semiparallel/analog-plus oder semiparallel/analog-minus Schaltzustand 421 bringt eine ±analoge Spannung in den Strang 100 ein, während er den Gleichspannungsbus ausgleicht und damit keine externe Spannungsversorgung braucht. Der analog-plus oder analog-minus Schaltzustand 422 bringt die Spannung ±VBJT in den Strang 100 ein. Falls ein am Strang 100 anliegendes Spannungsnetz Leistung einspeist, findet keine Entladung in den Gleichspannungsbus statt. Falls das Spannungsnetz Leistung entnimmt, wird der Gleichspannungsbus mit Strom iload entladen. Der unused1 oder unused2 Schaltzustand 431 bringt die Spannung ±(Vmdl-VBJT) in den Strang 100 ein. Falls ein am Strang 100 anliegendes Spannungsnetz Leistung einspeist, findet keine Entladung in den Gleichspannungsbus statt. Falls das Spannungsnetz Leistung entnimmt, wird der Gleichspannungsbus mit Strom iload entladen. Ein alternierender Wechsel zwischen dem seriell-plus oder seriell-minus Schaltzustand 412 und dem analog-plus oder analog-minus Schaltzustand 422 kann sehr effizient den Gleichspannungsbus laden. Dabei ist allerdings zu beachten, dass pro Strang 100 zwei erfindungsgemäße Analog-Digital-Module notwendig sind, um eine analoge Referenz weiterzugeben. Schließlich kann ein gelegentliches Springen in den parallelen Schaltzustand 411 einerseits oder den semiparallel/analog-plus oder semiparallel/analog-minus Schaltzustand 421 andererseits einen Spannungsfehler am Gleichspannungsbus bereinigen, wobei dies allerdings eine verlustbehaftete Lademethode darstellt.
  • In 5 wird schematisch ein effizientes Nachladen einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Analog-Digital-Moduls 520, 530 durch Nachbarmodule gezeigt. In einem Strang 504 sind zwei Analog-Digital-Module 520 und 530 angeordnet, wobei ein erstes Analog-Digital-Modul 520 eine Ausgangsspannung Vout 521 und Eingangsspannung -Vout 522 aufweist, sowie ein zweites Analog-Digital-Modul 530 eine Ausgangsspannung Vout 531 und Eingangsspannung -Vout 532 aufweist, und der Strang 504 von einem Ladestrom iload 541 durchflossen wird. Eine bei einem Nachladevorgang vorliegende Gesamtladekurve 501 mit Spannungsverlauf 512 einer Gesamtladespannung 515 über einen Zeitverlauf 505, setzt sich aus einzelnen Ladekurven 502 und 503 der beiden Analog-Digital-Module 520 und 530 und einem durch die Digital-Module des Strangs 504 bereitgestellte Digital-Sockelspannung 511, d. h. ein ganzzahlig Vielfaches einer durch ein jeweiliges Digital-Modul bereitgestellte Digital-Modulspannung, zusammen, beispielhaft gezeigt an jeweiligen Beiträgen 506 und 507. Während einem jeweiligen Zeitabschnitt dT fließt eine Lademenge 508 dQ=-dT*/iload(t) bzw. eine Lademenge 509 dQ=dT*/iload(t) dem jeweiligen Modulspeicher 210 zu bzw. ab. Eine Ladespannung 525 und 535 am jeweiligen Analog-Digital-Modul 520 und 530 kann dabei zwischen maximal Vmdl 523 und - Vmdl 524 alternieren. Zu beachten ist, dass weder Lade- noch Entladerate von Vmdl oder Vout abhängen.
  • In 6 werden Modulausgangsspannung und Lade- oder Entladedynamik eines Modulspeichers für den Schaltaufbau der Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Analog-Digital-Moduls aus 2 gezeigt. Ein von einem Ladestrom iload 641 durchflossenes Analog-Digital-Modul 640 weist in den jeweiligen Schaltzuständen der 4 die in Tabelle 2 angegebenen Modulausgangsspannung Vinsert und Lade- bzw. Entladedynamik (je nach Vorzeichen) eines Modulspeichers CdVmdl/dt auf. Tabelle 2: Modulausgangsspannung Binsert und Lade- bzw. Entladedynamik eines Modulspeichers CdVmdl/dt. zu den Schaltzuständen aus Fig. 4 bzw. Tabelle 1.
    Reihe Bezugszeichen [αβγδ] Vinsert Ladedvnamik: CdVmdl/dt
    610 611 1010 0 -kVloadiload
    610 612 1Z00 Vmdl -iload
    610 613 001Z -Vmdl -iload
    610 614 0000 0 0
    620 621 Z110 VBJT nicht trivial
    620 622 10Z1 -VBJT nicht trivial
    620 623 Z1Z0 VBJT iload>0: -iload; iload<0: 0
    620 624 ZOZ1 -VBJT iload>0: 0; Iload<0: Iload
    630 631 1ZZ1 Vmdl-VBJT iload>0: -Iload; lload<0: 0
    630 632 Z11Z VBJT-Vmdl iload>0: 0; iload<0: iload

Claims (10)

  1. Analog-Digital-Modul (120, 200, 300, 520, 530, 640) für einen modularen Multilevelkonverter, welches mindestens vier Anschlüsse (101, 102, 103, 104) und mindestens einen Energiespeicher (210, 310) aufweist, welches mindestens eine Analog-Halbbrücke mit zwei linear betriebenen Verstärker-Transistoren (211, 212, 311, 312) und mindestens vier Digital-Halbbrücken mit jeweils zwei binär betriebenen Schalt-Transistoren (201, 202, 203, 204, 205, 206, 207, 208, 301, 302, 303, 304, 305, 306, 307, 308) aufweist, wobei zwei äußere Halbbrücken aus zwei der mindestens vier Digital-Halbbrücken gebildet sind, wobei zwei innere Halbbrücken aus weiteren zwei der mindestens vier Digital-Halbbrücken gebildet sind, wobei zwei der mindestens vier Anschlüsse (101, 104) jeweils einzeln mit der Mitte einer alleinig zugeordneten äußeren Halbbrücke verbunden sind, wobei die weiteren zwei der mindestens vier Anschlüsse (102, 103) jeweils einzeln mit der Mitte einer alleinig zugeordneten inneren Halbbrücke verbunden sind, wobei eine jeweilige Halbbrücke jeweils ein erstes Ende und ein zweites Ende aufweist, wobei die beiden inneren Halbbrücken jeweils mit dem ersten Ende mit der Mitte (213) der mindestens einen Analog-Halbbrücke verbunden sind und mit dem zweiten Ende mit einem ersten Ende der mindestens einen Analog-Halbbrücke und des mindestens einen Energiespeichers (210, 310) und mit einem ersten Ende der beiden äußeren Halbbrücken verbunden sind, und die beiden äußeren Halbbrücken mit ihrem zweiten Ende mit dem zweiten Ende der mindestens einen Analog-Halbbrücke und des mindestens einen Energiespeichers (210, 310) verbunden sind.
  2. Analog-Digital-Modul (120, 200, 300, 520, 530, 640) nach Anspruch 1, bei dem mindestens ein Verstärker-Transistor (211, 212, 311, 312) ein Bipolar-Transistor ist.
  3. Analog-Digital-Modul (120, 200, 300, 520, 530, 640) nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem mindestens ein Schalt-Transistor (201, 202, 203, 204, 205, 206, 207, 208, 301, 302, 303, 304, 305, 306, 307, 308) ein Feldeffekt-Transistor ist.
  4. Analog-Digital-Modul (120, 200, 300, 520, 530, 640) nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem der Energiespeicher (210, 310) ein Kondensator oder eine Einzelzelle einer Batterie ist.
  5. Analog-Digital-Modul (120, 200, 300, 520, 530, 640) nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem der Energiespeicher (210, 310) eines Analog-Digital-Moduls (520, 530) durch mindestens ein benachbartes Analog-Digital-Modul (520, 530) nachladbar ist.
  6. Analog-Digital-Modul (120, 200, 300, 520, 530, 640) nach einem der voranstehenden Ansprüche, welches serielle und parallele Schaltzustände (411, 412, 413, 421, 422, 431) aufweist.
  7. Analog-Digital-Modul (120, 200, 300, 520, 530, 640) nach Anspruch 6, welches die in folgender Liste aufgeführten Schaltzustände umfasst: parallel (411, 611), seriell-plus (412, 612), seriell-minus (412, 613), bypass (413, 614), semiparallel/analog-plus (421, 621), semiparallel/analog-minus (421, 622), analog-plus (422, 623), analog-minus (422, 624), unused1 (431, 631), unused2 (431, 632).
  8. Modularer Multilevelkonverter, der mindestens ein Analog-Digital-Modul (120, 200, 300, 520, 530, 640) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 aufweist.
  9. Modularer Multilevelkonverter nach Anspruch 8, dessen Module serielle und parallele Konnektivität aufweisen.
  10. Modularer Multilevelkonverter nach Anspruch 9, der als Präzisionsmultilevelkonverter ausgelegt ist.
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