DE102019120616B3

DE102019120616B3 - Verfahren und System für modularen Multilevelkonverter mit erweiterten Schaltzuständen

Info

Publication number: DE102019120616B3
Application number: DE102019120616.2A
Authority: DE
Inventors: Stefan Götz
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2019-07-31
Filing date: 2019-07-31
Publication date: 2020-11-12
Anticipated expiration: 2039-08-01

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bereitstellung erweiterter Schaltzustände bei einem modularen Multilevelkonverter, bei dem der modulare Multilevelkonverter mindestens einen Strang mit einem ersten äußeren Modul, einem zweiten äußeren Modul und mindestens einem inneren Modul umfasst, bei dem jedes Modul eine erste Seite und eine zweite Seite aufweist, welche jeweils einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss umfassen, bei dem jede Seite eine Reihenschaltung aus drei unidirektionalen Halbleiterschaltern mit einer jeweilig zugeordneten Freilaufdiode aufweist und ein solches Modul eine obere Stromschiene, eine untere Stromschiene und einen Energiespeichers aufweist, wobei durch ein so gebildetes Modul mindestens eine serielle oder eine parallele Verschaltung des Energiespeichers des jeweiligen Moduls mit jeweiligen Energiespeichern benachbarter Module ermöglicht wird, wobei zwischen der oberen Stromschiene und dem positiven Pol des Energiespeichers oder zwischen dem negativen Pol des Energiespeichers und der unteren Stromschiene mindestens ein zusätzlicher Halbleiterschalter als mindestens ein Energiespeicherschalter angeordnet wird. Ferner wird ein System zu diesen effizienten Schaltzuständen beansprucht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bereitstellung erweiterter Schaltzustände mit einem effizienten Überspringen eines jeweiligen Energiespeichers in einem modularen Multilevelkonverter. Ferner wird ein System zu diesen effizienten Schaltzuständen beansprucht.
Ein modulares Multilevelkonvertersystem, bspw. beschrieben 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, erzeugt Spannungsdifferenzen zwischen zwei Anschlussterminals, bspw. eines Energienetzes oder eines Traktionssystems eines Elektroautos, durch eine Konfiguration einer elektrischen Verschaltung von Energiespeichern in Modulen und durch eine Schaltmodulation zwischen Schaltzuständen zur Bildung beliebiger Zwischenzustände. Wird bspw. zwischen zwei Anschlussterminals durch die Module eine leicht geringere Spannung erzeugt als die Terminals aufweisen, fließt Strom und somit Ladung in die Energiespeicher der Module. Werden etwas mehr Module in Serie geschaltet, fließt Strom aus den Speichern dieser Module in die Anschlussterminals. Durch eine gezielte Regelung lassen sich Ströme und Spannungen sehr fein steuern. In einem solchen Prozess verhalten sich die Energiespeicher wie Eimer, die zeitweise von außen gefüllt oder entleert werden. Eine Steuerung kann dabei durch eine als Scheduling bezeichnete geeignete Auswahl der Schaltzustände jedes einzelnen Moduls entscheiden, welches Modul bei einem in einen Multilevelkonverter fließenden Strom geleert, gefüllt oder nicht beeinflusst wird.

Die Druckschrift WO 2017/016601 offenbart hierzu einen modularen Multilevelkonverter, der einen bidirektionalen Schalter aufweist, durch den Strom in beiden Richtungen fließen kann. Die Teilmodule des beschriebenen modularen Multilevelkonverters sind auch in der Lage, höhere Spitzenströme zu führen.
Ein wesentliches Ziel bei einem Betrieb von modularen Multilevelkonvertern ist es, alle Energiespeicher ähnlich geladen zu halten oder zumindest zu vermeiden, dass einzelne Module über- oder unterladen werden. Daraus ergibt sich ein erster Ladungsausgleichmechanismus: ein jeweiliger Energieinhalt der Energiespeicher kann kontrolliert und beeinflusst werden, indem gezielt Module ladend in einen Stromfluss geschaltet (Eimer in den Wasserfluss gehalten werden) oder entladend in den Stromfluss geschaltet werden (Eimer mit in den bereits fließenden Wasserstrahl gegossen werden). Durch Messung oder Schätzung eines Ladezustandes oder der Spannung jedes Energiespeichers kann entsprechend durch die Steuerung ausgleichend eingegriffen werden.
Ferner kann auf diese Weise Ladung und Energie von einem Modul zu einem anderen Modul transferiert werden, indem bspw. ein Modul positiv in Serie und ein anderes Modul negativ in Serie geschaltet wird, oder, im Falle von Wechselstrom, eines der Module bevorzugt bei einer positiven Halbwelle (in Serienschaltung) eingesetzt wird, das Modul sich aber bei einer negativen Halbwelle vorzugsweise bspw. in einem Bypass-Betrieb befindet. Das andere Modul wird dann genau entgegengesetzt behandelt.
Bei modularen Multilevelkonvertern mit der Möglichkeit der Parallelschaltung von Modulen, bspw. beschrieben in der US-amerikanischen Druckschrift US 9 496 799 B2 , kann außerdem ein zweiter Prozess des Ladungs- und Energietransfers genutzt werden, indem zwei oder mehr Module mit gering unterschiedlich geladenen Energiespeichern zeitweise parallel verbunden werden. Die Ausgleichsströme vom volleren zum leereren Energiespeicher gleichen entsprechend die Ladung, Spannung und/oder Energie aus.
Allerdings kann Energie zwischen Modulen, und damit zwischen deren jeweiligen Energiespeichern, nur sehr begrenzt oder mit hohen Verlusten ausgetauscht werden, obwohl schon in einem Normalbetrieb eine zeitweise unterschiedlich starke Belastung der Module vorliegen kann, insbesondere wenn unterschiedliche Abgriffe für jeweils unterschiedliche Traktionsmaschinen eingesetzt werden. Dies betrifft bspw. in einer Mehrmaschinenkonfiguration den üblichen Fall, dass die einzelnen Traktionsmaschinen in unterschiedlichen Arbeitspunkten betrieben werden, aber auch, dass aufgrund der Wechselspannung eine Last je Modul mit einer Frequenz der Wechselspannung bzw. deren Harmonischen (insbesondere der doppelten Frequenz der Wechselspannung) fluktuieren kann. Diese Fluktuationen sind aufgrund des zeitlichen Versatzes der unterschiedlichen Phasen nicht zeitlich synchron und könnten sich zu nahezu konstanter Last kompensieren, wenn denn ein substantieller und effizienter Leistungsaustausch zwischen Modulen unterschiedlicher Abgriffe oder Stränge möglich wäre.
Die US-amerikanische Druckschrift US 2019/0052187 A1 offenbart ein Verfahren zum Steuern eines mehrstufigen modularen Umrichters, dessen Module mit Doppel-Submodulen gebildet werden. Ein jeweilig in einem Submodul angeordneter Energiespeicher kann zwar über zwei Strompfade umgangen werden, eine Parallelschaltung oder ein Energieaustausch von Energiespeichern über ein jeweiliges Doppel-Submodul hinaus ist aber nicht möglich.
Die Druckschrift DE 10 2010 052 934 A1 beschreibt eine neue Multilevelkonvertertopologie mit der Möglichkeit zur dynamischen Seriell- und Parallelschaltung von Einzelmodulen. Jedes Einzelmodul weist mindestens vier interne Schaltelemente, ein Energiespeicherelement und vier Anschlüsse auf und kann durch eine jeweilige Schaltstellung der internen Schaltelemente das Energiespeichelement seriell oder parallel mit den Energiespeicherelementen benachbart verbundener Einzelmodule verschalten.
In der Druckschrift WO 2016/ 012 247 A1 wird ein modulares Energiespeicher-Direktumrichtersystem offenbart, das eine Steuereinrichtung und mindestens einen eine Mehrzahl von hintereinandergeschalteten Modulen umfassenden Brückenzweig umfasst. Jedes Modul umfasst ein Speicherelement für elektrische Energie.
Die Druckschrift US 2016 / 0 268 915 A1 beschreibt ein Untermodul für einen modularen Multilevelkonverter, bei dem im Normalbetrieb ein leitender Zustand beibehalten werden kann, während Gleichstromfehler isoliert werden. Dabei werden Schaltverluste verringert.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, welches in einem modularen Multilevelkonverter erweiterte Schaltzustände zu einem effizienten Überspringen oder Bypass eines jeweiligen Energiespeichers ermöglicht. Es soll dabei auch möglich sein, auf einen bidirektionalen Halbleiterschalter zu verzichten. Ferner soll ein System mit diesen effizienten Schaltzuständen vorgestellt werden.
Zur Lösung der voranstehend genannten Aufgabe wird ein Verfahren zur Bereitstellung erweiterter Schaltzustände bei einem modularen Multilevelkonverter vorgeschlagen, bei dem der modulare Multilevelkonverter mindestens einen Strang mit einem ersten äußeren Modul, einem zweiten äußeren Modul und mindestens einem inneren Modul umfasst. Jedes Modul weist eine erste Seite und eine zweite Seite auf, welche jeweils einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss umfassen. Jede Seite weist eine Reihenschaltung aus drei unidirektionalen Halbleiterschaltern mit einer jeweilig zugeordneten Freilaufdiode auf, wobei die Freilaufdiode in Durchflussrichtung von einem Source-/Emitter-Anschluss zu einem Drain-/Kollektor-Anschluss des unidirektionalen Halbleiterschalters angeordnet wird. Bei der jeweiligen Reihenschaltung auf jeder Seite des Moduls werden der erste Anschluss am Drain-/Kollektor-Anschluss und der zweite Anschluss am Source-/Emitter-Anschluss des jeweiligen mittleren Halbleiterschalters angeordnet. Die jeweiligen Drain-/Kollektor-Anschlüsse des jeweiligen ersten unidirektionalen Halbleiterschalters der jeweiligen Reihenschaltung beider Seiten werden durch eine obere Stromschiene miteinander verbunden und die jeweiligen Source-/Emitter-Anschlüsse des jeweiligen dritten unidirektionalen Halbleiterschalters der jeweiligen Reihenschaltung beider Seiten werden durch eine untere Stromschiene miteinander verbunden. Mit der oberen Stromschiene wird ein positiver Pol eines Energiespeichers und mit der unteren Stromschiene ein negativer Pol des Energiespeichers verbunden. Ein auf diese Weise gebildetes Modul ermöglicht mindestens eine serielle oder eine parallele Verschaltung des Energiespeichers des jeweiligen Moduls mit jeweiligen Energiespeichern benachbarter Module. Zwischen der oberen Stromschiene und dem positiven Pol des Energiespeichers oder zwischen dem negativen Pol des Energiespeichers und der unteren Stromschiene wird mindestens ein zusätzlicher Halbleiterschalter mit Freilaufdiode als mindestens ein Energiespeicherschalter mit Freilaufdiode angeordnet, wodurch der jeweilige Energiespeicher je nach einem Schaltzustand zu einer Durchleitung eines Stromes durch das jeweilige Modul beiträgt. Ein jeweiliges Modul wird von einer Steuerungseinheit als eine jeweilige erste Schalteinheit gesteuert. Schließlich wird durch mindestens einen Schaltzustand mindestens einer durch ein inneres Modul gebildeten ersten Schalteinheit der Strom über die jeweilige obere Stromschiene und die jeweilige untere Stromschiene gemeinsam unter einer Umgehung des jeweiligen Energiespeichers der mindestens einen ersten Schalteinheit geleitet.
Im Folgenden wird ohne Einschränkung auf diesen Fall der Energiespeicherschalter mit Freilaufdiode als zwischen der oberen Stromschiene und dem positiven Pol des Energiespeichers angeordnet betrachtet. Alle für diesen Fall im Folgenden ausgeführten Offenbarungen gelten analog für den gleichfalls beanspruchten Fall der Anordnung des Energiespeicherschalters mit Freilaufdiode zwischen dem negativen Pol des Energiespeichers und der unteren Stromschiene. Siehe hierzu auch die Beschreibung zu 7.
Der jeweilige Energiespeicher wird als eine Gleichspannungsquelle oder ein Gleichspannungsspeicher mindestens aus folgender Liste gewählt: Batterie, Batteriepack, Primärzelle, Sekundärzelle, Kondensatoren jeglicher Bauart.
Generell sind alle eine Gleichspannung bereitstellende Energiequellen oder Gleichspannungsspeicher denkbar.
Die Schaltzustände eines bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gebildeten Moduls können mindestens ein seriell-positives, d. h. Verschaltung ungleichnamiger Pole, ein seriell-negatives, d. h. Verschaltung gleichnamiger Pole, ein paralleles Verschalten des jeweiligen Energiespeichers des Moduls mit einem jeweiligen Energiespeicher eines benachbarten Moduls oder ein Umgehen oder ein Abschalten des jeweiligen Energiespeichers des Moduls umfassen. Das bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gebildete Modul weist vorteilhaft eine Modultopologie auf, welche gegenüber dem Stand der Technik erweiterte Schaltzustände ermöglicht. So ist nun eine Umgehung oder Bypass des Energiespeichers des jeweiligen Moduls auf den zwei Stromschienen möglich, wodurch Durchleitungsverluste im Vergleich mit einer Leitung durch eine einzige Stromschiene reduziert werden. Des Weiteren ist für das jeweilige innere Modul ein neuer Parallel-Überspring-Schaltzustand ermöglicht, bei dem zwischen einem linken Nachbarmodul und einem rechten Nachbarmodul, falls ein solches Nachbarmodul sich nicht ebenfalls in diesem Parallel-Überspring-Schaltzustand befindet, eine parallele Verschaltung der jeweiligen Energiespeicher gebildet wird, jedoch der Energiespeicher des jeweiligen Moduls dabei übersprungen wird. Sowohl der durch das erfindungsgemäße Verfahren ermöglichte Bypass-Schaltzustand als auch der Parallel-Überspring-Schaltzustand sind geeignet, einen substantiellen und effizienten Leistungsaustausch zwischen Energiespeichern unterschiedlicher Module eines Strangs oder sogar unterschiedlicher Stränge zu ermöglichen. Damit wird vorteilhaft für die jeweiligen Energiespeicher auch eine über einen Zeitverlauf ausgeglichene nahezu konstante Last dargestellt
Eine dynamische Umkonfigurierung der Verschaltung der jeweiligen Energiespeicher der Module ermöglicht vorteilhaft eine Vereinigung mindestens dreier Funktionen, nämlich erstens einen Ladungsaustausch zwischen den Energiespeichern, um bspw. ein konventionelles Batteriemanagement durchzuführen, zweitens ein defektes Modulteil zu überbücken, ohne eine Gesamtfunktion des Multilevelkonverters zu verlieren, und drittens eine Erzeugung beliebiger Ausgangsspannungen und zeitlicher Strom-/Spannungsverläufe direkt durch den modularen Multilevelkonverter ohne den Bedarf eines zusätzlichen leistungselektronischen Umrichters.
Durch die dynamische Rekonfiguration der Verschaltung der Energiespeicher kann direkt eine Wechselspannung und/oder Multiphasenspannung für einen oder mehrere Verbraucher erzeugt werden. Vorteilhaft kann ein Modulationsindex bei allen Amplituden maximal gehalten werden. Ferner sinken bei niedrigen Spannungen sogar die Verluste, weil durch die Parallelschaltung von Energiespeichern ein effektiver Innenwiderstand sinkt. Da Stufen zwischen den Spannungen zweier Konfigurationen sehr gering gehalten werden können, wird eine fast verzerrungsfreie Ausgangsspannung erzeugt. Darüber hinaus kann per Schaltmodulation zwischen solchen Spannungen moduliert werden, um weiter zu glätten.
Es ist denkbar, dass ein in einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens angeordneter jeweiliger Halbleiterschalter ein Niederspannungsschalter ist, d. h., dass eine maximale Spannung, für die der Schalter ausgelegt sein muss, bspw. bei den für den jeweiligen Schalter relevanten Schalteinheiten, deutlich unter einer von dem Multilevelkonverter bereitgestellten Gesamtspannung liegt.
Es wird der mindestens eine Energiespeicherschalter als ein unidirektionaler Halbleiterschalter gewählt, wobei dessen Source-/Emitter-Anschluss mit der oberen Stromschiene und dessen Drain-/Kollektor-Anschluss mit dem positiven Pol des Energiespeichers verbunden wird. Im Gegensatz zu der genannten Druckschrift US 9,496,799 B2 , welche zwingend bidirektionale Transistoren benötigt, um nicht direkt benachbarte Energiespeicher bzw. Module parallel zu schalten, sind auch unidirektionale Halbleiterschalter ausreichend, und zwar explizit nicht ersatzweise eingesetzt als gegenpolig angeordnete Serienschaltung für einen bidirektionalen Transistor. Bei einem unidirektionalen Halbleiterschalter kann der mit einem verringerten Leistungsverlust einhergehende Bypass-Schaltzustand und der Parallel-Überspring-Schaltzustand je nach Spannungspotential des ggfs. zu überspringenden Energiespeichers und einer jeweiligen Ausrichtung des unidirektionalen Halbleiterschalters eingesetzt werden. Ist bspw. der unidirektionale Halbleiterschalter mit seinem Source-/Emitter-Anschluss mit der oberen Stromschiene verbunden und mit seinem Drain-/Kollektor-Anschluss mit dem positiven Pol des Energiespeichers verbunden, und entsprechend die zugeordnete Freilaufdiode von der oberen Stromschiene hin zum positiven Pol des Energiespeichers in Durchlassrichtung angeordnet, so steht der Bypass-Schaltzustand stets zur Verfügung, der Parallel-Überspring-Schaltzustand nur dann, wenn ein Spannungspotential des ggfs. zu überspringenden Energiespeichers höher ist als die Spannungspotentiale der nächstgelegenen nicht übersprungenen parallel geschalteten Energiespeicher. Dies ist bspw. bei einem den ggfs. zu überspringenden Energiespeicher aufladenden Strom der Fall. Ist umgekehrt der unidirektionale Halbleiterschalter mit seinem Source-/Emitter-Anschluss mit dem positiven Pol des Energiespeichers verbunden und mit seinem Drain-/Kollektor-Anschluss mit der oberen Stromschiene verbunden, und entsprechend die zugeordnete Freilaufdiode von dem positiven Pol des Energiespeichers hin zur oberen Stromschiene in Durchlassrichtung angeordnet, so kann der Bypass-Schaltzustand nicht mehr eingesetzt werden, jedoch der Parallel-Überspring-Schaltzustand, wenn ein Spannungspotential des ggfs. zu überspringenden Energiespeichers niedriger ist als die Spannungspotentiale der nächstgelegenen nicht übersprungenen parallel geschalteten Energiespeicher. Dies ist bspw. bei einem den ggfs. zu überspringenden Energiespeicher entladenden Strom der Fall.
Erfindungsgemäß wird der mindestens eine Energiespeicherschalter mit Freilaufdiode als ein bidirektionaler Schalter mit Freilaufdiode gewählt. Hierzu kann bspw. ein Bipolartransistor oder ein sogenannter IGBT, abgekürzt für englisch Insulated Gate Bipolar Transistor, eingesetzt werden. Bei dieser Ausführungsform mit dem jeweiligen bidirektionalen Schalter stehen die erfindungsgemäß verlustärmeren Bypass- und Parallel-Überspring-Schaltzustände unabhängig von den Spannungspotentialen der Energiespeicher der jeweiligen Module zur Verfügung.
In einer fortgesetzt anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der bidirektionale Schalter durch zwei an ihrem jeweiligen Source-/Emitter-Anschluss miteinander verbundene unidirektionale Halbleiterschalter mit jeweiliger Freilaufdiode dargestellt. Dabei wird ein erster Drain-/Kollektor-Anschluss mit dem positiven Pol des Energiespeichers und ein zweiter Drain-/Kollektor-Anschluss mit der oberen Stromschiene verbunden. Dies kann bspw. durch zwei gegenpolig in Serie geschaltete Feldeffekttransistoren oder IGBTs dargestellt werden.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als jeweiliger Halbleiterschalter mit Freilaufdiode ein Feldeffekttransistor gewählt, wobei der Feldeffekttransistor intrinsisch eine Bodydiode aufweist, welche die Funktion der Freilaufdiode einnimmt. Der Feldeffekttransistor kann bspw. ein MOSFET sein.
In einer noch weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird von der Reihenschaltung auf der rechten Seite eines jeweiligen Moduls zusammen mit der Reihenschaltung auf der linken Seite eines an die rechte Seite des jeweiligen Moduls angrenzenden Moduls und dem in diesem angrenzenden Modul angeordneten Energiespeicher samt Energiespeicherschalter eine jeweilige zweite Schalteinheit gebildet. Ein jeweiliger erster Anschluss und zweiter Anschluss der jeweiligen zweiten Schalteinheit werden auf jeder Seite durch die jeweilige obere und untere Stromschiene gebildet. Der mittlere Schalter der Reihenschaltung auf der rechten Seite des jeweiligen Moduls ist dabei redundant und kann weggelassen werden. Durch eine solche zweite Schalteinheit ist eine Anzahl möglicher Schaltzustände im Vergleich mit der ersten Schalteinheit reduziert (s. hierzu auch die Tabelle in der Beschreibung zu 5). Außerdem ist bei der zweiten Schalteinheit vorteilhaft eine Synchronitätsanforderung an eine Umsetzung eines jeweiligen Schaltzustands verringert bzw. kann ein Zeitrahmen leichter eingehalten werden, da ein jeweilig von der zweiten Schalteinheit zu verschaltender Energiespeicher an einer Seite - hier der rechten Seite der zweiten Schalteinheit - liegt und die zu einer von der zweiten Schalteinheit gehörenden Halbleiterschalter bspw. eine Kommutierungsanordnung bilden, die unmittelbar benachbart sind. Dadurch liegen die bspw. zu einer Kommutierungsgruppe gehörenden Halbleiterschalter, die zwangsweise gleichzeitig oder zumindest innerhalb eines sehr engen Zeitrahmens angesteuert werden müssen, nicht mehr durch den jeweiligen Energiespeicher getrennt, weshalb auch weiter vorteilhaft nicht mehr unterschiedliche Schalteinheiten, d. h. bei der ersten Schalteinheit ein Modul mit mittigem Energiespeicher, zueinander synchronisiert werden müssen. Stattdessen liegen alle Halbleiterschalter, die zeitgleich für eine für eine Kommutierung eines Strompfades angesteuert werden müssen, in derselben (zweiten) Schalteinheit. Der Zeitrahmen zur Ansteuerung dieser jeweiligen zweiten Schalteinheit erweitert sich dabei von einem Nanosekundenbereich in einen Mikrosekundenbereich oder sogar darüber hinaus. In gleicher Weise ist es denkbar, analog zu der zweiten Schalteinheit mit dem jeweiligen Energiespeicher auf der rechten Seite eine dritte Schalteinheit mit dem jeweiligen Energiespeicher auf der linken Seite zu bilden.
In einer fortgesetzt noch weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zu einer Versorgung einer lokalen Modulsteuerung ein Doppelgleichrichter eingesetzt, bei dem ein erster Eingang des Doppelgleichrichters über eine erste Diode mit der oberen Stromschiene verbunden wird, wobei die erste Diode von der oberen Stromschiene zu diesem ersten Eingang in Durchlassrichtung angeordnet wird, und bei dem ein zweiter Eingang des Doppelgleichrichters über eine zweite Diode mit dem positiven Pol des Energiespeichers verbunden wird, wobei die zweite Diode von dem positiven Pol des Energiespeichers zu diesem zweiten Eingang in Durchlassrichtung angeordnet wird, und bei dem ein unteres Potential des Doppelgleichrichters von dem negativen Pol des Energiespeichers gebildet wird. Der Doppelgleichrichter wird vorteilhaft über eine jeweilige Diode einerseits an die obere Stromschiene und andererseits an den positiven Pol des Energiespeichers angeschlossen, da keiner der beiden Anschlüsse einzeln ein verlässliches Spannungspotential gegenüber der unteren Stromschiene liefern kann. Bei dieser Anordnung übernimmt jeweils derjenige Anschluss die Versorgung des Doppelgleichrichters, der das höhere Spannungspotential besitzt. Hierbei wird vorteilhaft ein Gleichspannungswandler eingesetzt, der einen Eingangsspannungsbereich besitzt, welcher mindestens einen im Betrieb zu erwartenden Spannungsbereich des jeweiligen Energiespeichers umfasst.
Ferner wird ein System zur Bereitstellung erweiterter Schaltzustände bei einem modularen Multilevelkonverter beansprucht, wobei der modulare Multilevelkonverter mindestens einen Strang mit einem ersten äußeren Modul, einem zweiten äußeren Modul und mindestens einem inneren Modul umfasst. Jedes Modul weist eine erste Seite und eine zweite Seite auf, welche jeweils einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss umfassen. Auf jeder Seite ist eine Reihenschaltung aus drei unidirektionalen Halbleiterschaltern mit einer jeweilig zugeordneten Freilaufdiode angeordnet, wobei die Freilaufdiode in Durchflussrichtung von einem Source-/Emitter-Anschluss zu einem Drain-/Kollektor-Anschluss des unidirektionalen Halbleiterschalters angeordnet ist. Bei der Reihenschaltung auf jeder Seite ist der erste Anschluss am Drain-/Kollektor-Anschluss und der zweite Anschluss am Source-/Emitter-Anschluss des jeweiligen mittleren Halbleiterschalters angeordnet. Die jeweiligen Drain-/Kollektor-Anschlüsse des jeweiligen ersten unidirektionalen Schalters der jeweiligen Reihenschaltung beider Seiten sind durch eine obere Stromschiene miteinander verbunden und die jeweiligen Source-/Emitter-Anschlüsse des jeweiligen dritten unidirektionalen Halbleiterschalters der jeweiligen Reihenschaltung beider Seiten sind durch eine untere Stromschiene miteinander verbunden. Mit der oberen Stromschiene ist ein positiver Pol eines Energiespeichers und mit der unteren Stromschiene ein negativer Pol des Energiespeichers verbunden. Das jeweilige Modul ist dazu konfiguriert, seinen jeweiligen Energiespeicher mit jeweiligen Energiespeichern benachbarter Module mindestens seriell oder parallel zu verschalten. Bei dem erfindungsgemäßen System ist zwischen der oberen Stromschiene und dem positiven Pol des Energiespeichers oder zwischen dem negativen Pol des Energiespeichers und der unteren Stromschiene mindestens ein zusätzlicher Halbleiterschalter mit Freilaufdiode als ein Energiespeicherschalter mit Freilaufdiode angeordnet, wobei durch ein jeweiliges Modul eine jeweilige erste Schalteinheit gebildet ist. Das erfindungsgemäße System umfasst weiter eine Steuerungseinheit, welche dazu konfiguriert ist, mindestens die jeweiligen ersten Schalteinheiten zu steuern. Schließlich ist mindestens ein Schaltzustand mindestens einer durch ein inneres Modul gebildeten ersten Schalteinheit dazu konfiguriert, den Strom über die jeweilige obere Stromschiene und die jeweilige untere Stromschiene gemeinsam unter einer Umgehung des jeweiligen Energiespeichers der mindestens einen ersten Schalteinheit zu leiten.
In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems ist von der Reihenschaltung auf der rechten Seite eines jeweiligen Moduls zusammen mit der Reihenschaltung auf der linken Seite eines an die rechte Seite des jeweiligen Moduls angrenzenden Moduls und dem in diesem angrenzenden Modul angeordneten Energiespeicher samt Energiespeicherschalter eine jeweilige zweite Schalteinheit gebildet.
Erfindungsgemäß ist die Steuerungseinheit als lokale Steuerung eines jeweiligen Moduls angeordnet. Zu einer Versorgung der lokalen Steuerung weist das System in dem jeweiligen Modul zusätzlich einen Doppelgleichrichter auf, bei dem ein erster Eingang des Doppelgleichrichters über eine erste Diode mit der oberen Stromschiene verbunden ist, wobei die erste Diode von der oberen Stromschiene zu diesem ersten Eingang in Durchlassrichtung angeordnet ist. Weiter ist ein zweiter Eingang des Doppelgleichrichters über eine zweite Diode mit dem positiven Pol des Energiespeichers verbunden, wobei die zweite Diode von dem positiven Pol des Energiespeichers zu diesem zweiten Eingang in Durchlassrichtung angeordnet ist. Schließlich ist ein unteres Potential des Doppelgleichrichters von dem negativen Pol des Energiespeichers gebildet.
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 eine Modulschaltung als eine erste Schalteinheit zu einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
2 zeigt eine Modulschaltung ohne redundanten Halbleiterschalter zu einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
3 zeigt einen Parallel-Überspring-Schaltzustand zu einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
4 zeigt einen Bypass-Schaltzustand zu einer noch weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
5 zeigt eine zweite Schalteinheit zu einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
6 zeigt eine Modulschaltung als eine erste Schalteinheit mit einem bidirektionalem Halbleiterschalter zu einer fortgesetzt anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
7 zeigt eine Modulschaltung mit einem auf einer Negativseite angeordneten Energiespeicherschalter als eine weitere erste Schalteinheit zu einer noch anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
8 zeigt eine Modulschaltung mit Versorgung einer lokalen Steuerungseinheit zu einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.

In 1 wird eine Modulschaltung 100 für ein i-tes Modul zu einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Auf beiden Seiten befindet sich eine Reihenschaltung mit jeweils drei unidirektionalen Halbleiterschaltern $Q_{α}^{(i)}, Q_{β}^{(i)}, Q_{γ}^{(i)}, Q_{δ}^{(i)}, Q_{ε}^{(i)}, Q_{ς}^{(i)},$
samt jeweiliger Freilaufdiode 111, 112, 113, 114, 115, 116, hier als Feldeffekttransistor mit intrinsischer Bodydiode dargestellt. Zwei Anschlüsse 101, 102 stellen eine Verbindung zu einem linken Nachbarmodul und zwei Anschlüsse 103, 104 stellen eine Verbindung zu einem rechten Nachbarmodul her. Zwischen einem Drain-Anschluss des ersten unidirektionalen Halbleiterschalters $Q_{α}^{(i)}$
111 der linken Seite und dem Drain-Anschluss des ersten unidirektionalen Halbleiterschalters $Q_{δ}^{(i)}$
114 der rechten Seite verläuft eine obere Stromschiene 105. Zwischen einem Source-Anschluss des dritten unidirektionalen Halbleiterschalters $Q_{γ}^{(i)}$
113 der linken Seite und dem Source-Anschluss des dritten unidirektionalen Halbleiterschalters $Q_{ς}^{(i)}$
116 der rechten Seite verläuft eine untere Stromschiene 106. Zwischen beiden Stromschienen 105, 106 ist ein unidirektionaler Halbleiterschalter $Q_{l, Z}^{(i)}$
107 als ein Energiespeicherschalter mit Freilaufdiode und ein Energiespeicher 109, hier dargestellt als gepolter Elektrolytkondensator 109 der Kapazität $C_{m}^{(i)}$
mit einem Spannungspotential $V_{m}^{(i)},$
angeordnet. In einem modularen Multilevelkonverter mit mindesten einem Strang aus N Modulen bildet ein erstes Modul ein erstes äußeres Modul und ein N-tes Modul ein zweites äußeres Modul, und das i-te Modul mit 1<i<N ein inneres Modul als eine erste Schalteinheit. In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden nun durch die mit der Modulschaltung 100 realisierbaren neuen Bypass- und Parallel-Überspring-Schaltzustände mit gegenüber dem Stand der Technik reduzierten Durchleitungsverlusten vorteilhaft beide Stromschienen 105, 106 als ein jeweiliger Strompfad genutzt.
In 2 wird eine Modulschaltung 200 ohne redundanten Halbleiterschalter $Q_{ε}^{(i)}$
115 zu einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Bei einer Anordnung eines inneren Moduls 100 innerhalb des Strangs aus N-Modulen, kann einer der zweiten Halbleiterschalter $Q_{β}^{(i)}$
112 oder $Q_{ε}^{(i)}$
115 ohne Funktionseinschränkung bzw. Einschränkung der Schaltzustände als redundant entfernt werden, weil dieser zu einem jeweiligen äquivalenten Halbleiterschalter $Q_{ε}^{(i - 1)} oder Q_{β}^{(i + 1)}$
parallel liegt. Beispielhaft wurde in der 2 der redundante Halbleiterschalter $Q_{ε}^{(i)}$
115 aus 1 entfernt. Hierdurch wird vorteilhaft eine Modultopologie reduziert bzw. vereinfacht.
In 3 wird ein Parallel-Überspring-Schaltzustand 310, 320 zu einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Hierzu ist die Modulschaltung 100 aus 1 als ein mittleres Modul dargestellt, das mit einem linken, nicht vollständig dargestellten Modul mit Halbleiterschaltern 314, 315, 316, Energiespeicherschalter 307 und Energiespeicher 309, oberer Stromschiene 301 und unterer Stromschiene 302, und mit einem rechten, nicht vollständig dargestellten Modul mit Halbleiterschaltern 311, 312, 313, Energiespeicherschalter 317 und Energiespeicher 319 und oberer Stromschiene 303 und unterer Stromschiene 304 verbunden ist. Der Energiespeicher 109 des mittleren Moduls wird parallel übersprungen, d. h. die Energiespeicher 309 und 319 werden parallel verschaltet, während der Energiespeicher 109 nicht beiträgt. Allerdings wird mit den hier dargestellten unidirektionalen Halbleiterschaltern der Energiespeicher 109 des mittleren Moduls nur dann übersprungen, wenn die Spannungspotentiale der benachbarten Energiespeicher 307 und 317 niedriger liegen als das Spannungspotential des Energiespeichers 107. Die gestrichelt durchgestrichenen Halbleiterschalter 315, 115, 312 sind dabei entweder redundant (das betrifft Halbleiterschalter 315 und Halbleiterschalter 115), oder bei einer voranstehend genannten Situation der Spannungspotentiale obsolet (das betrifft Halbleiterschalter 107 und Halbleiterschalter 312). Eine punktierte Linie 305 stellt dabei ein oberes Spannungspotential, eine gestrichelte Linie 306 ein unteres Spannungspotential dar. Die jeweiligen parallel zu schaltenden nach links und rechts (mittelbar) benachbarten Module können auch durch mehrere übersprungene mittlere Module getrennt sein. Ebenso ist es denkbar, dass zusätzliche Module mit den beiden parallel zu schaltenden Module ebenfalls parallel verschaltet werden, oder auch beliebige Kombination von parallelen und parallel übersprungenen Modulen erzeugt werden. Zur Verdeutlichung ist der Parallel-Überspring-Schaltzustand auch in einem zur Schaltungsanordnung 310 äquivalenten Ersatzschaltbild 320 gezeigt. Die jeweiligen benachbarten Module können an ihren jeweiligen vom dem mittleren Modul abgewandten Anschlüssen wiederum in einem beliebigen Schaltzustand vorliegen.
In 4 wird ein Bypass-Schaltzustand 410, 420 zu einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Erfindungsgemäß wird der Energiespeicher 109 vom Bypass-Strompfad 406 auf zwei Strompfaden umgangen, wobei sich das mittlere Modul im verlustoptimierten Bypass-Schaltzustand befindet. Zur Verdeutlichung ist der Bypass-Schaltzustand auch in einem zur Schaltungsanordnung 410 äquivalenten Ersatzschaltbild 420 gezeigt, bei dem zusätzlich zu der sich zwischen den unteren Stromschienen 302 und 304 befindlichen Verbindung der Energiespeicher 309 von dem oberen Bypass-Strompfad 426 umgangen wird.

In 5 wird eine zweite Schalteinheit 500 mit einer asymmetrischen Modultopologie zu einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Eine Anzahl an Schaltzuständen lässt sich gegenüber der ersten Schalteinheit verringern, wenn bei einem gemeinsam gesteuerten Verbund an Halbleiterschaltern

Q_{α}^{(i)}

111,

Q_{β}^{(i)}

112,

Q_{γ}^{(i)}

113,

Q_{δ}^{(i)}

314,

Q_{ς}^{(i)}

316 und Energiespeicherschalter

Q_{l,2}^{(i)}

107 eines i-ten Moduls der Energiespeicher 109 mit Spannungspotential 108 nicht symmetrisch in der Mitte zwischen zwei Reihenschaltungen dreier Schalter, sondern asymmetrisch an einer linken oder, wie in 5 gezeigt, rechten Seite zu den Halbleiterschaltern 111, 112, 113, 314, 316 angeordnet wird. Damit liegen die zu einer gleichen Kommutierungsanordnung gehörenden Halbleiterschalter 111, 112, 113, 314, 316, welche bspw. bei einer Kommutierung des Strompfades zwangsweise gleichzeitig angesteuert werden müssen, nicht mehr getrennt, sondern in demselben Verbund bzw. nunmehr zweiten Schalteinheit. Dadurch müssen auch, wie bspw. bei der ersten Schalteinheit, zwar in der Regel benachbarte, aber letztlich unterschiedliche Module nicht mehr zueinander synchronisiert werden, damit die jeweiligen Halbleiterschalter innerhalb eines engen Zeitrahmens, der bspw. im Bereich von wenigen Nanosekunden liegt, gleichzeitig schalten. Die zeitliche Genauigkeit der Ansteuerung einer solchen zweiten Schalteinheit liegt eher in einem Mikrosekundenbereich und darüber. Die Schaltzustände der durch die zweite Schalteinheit gebildeten asymmetrischen Modultopologie sind in Tabelle 1 dargestellt. Die Schaltzustände „bypass 3“ und „parallel überspringend“ können dabei durch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens realisiert werden und weisen vorteilhaft eine verlustreduzierte Stromdurchleitung auf. Die Tabelle 1 ist auch auf die symmetrische Modultopologie der ersten Schalteinheit übertragbar, allerdings muss in diesem Fall die linke Seite und die rechte Seite des Moduls getrennt betrachtet werden, da jegliche Kombinationen existieren, so bspw. „linksseitig bypass“ oder „rechtsseitig seriell +“. Tabelle 1: Schaltzustände bei asymmetrischer Modultopologie

Schaltzustand	α	β	γ	δ	ζ	ɩ
„0/passiv“	0	0	0	0	0	0/1
„bypass 1“	0	0	1	0	1	0/1
„bypass 2“	0	1	1	1	1	0/1
„bypass 3“	1	1	1	1	1	0
„seriell +“	0	1	1	1	0	1
„seriell -“	1	1	0	0	1	1
„parallel“	1	0	1	1	1	1
„parallel überspringend“	1	0	1	1	1	0

In 6 wird eine Modulschaltung 600 als eine erste Schalteinheit mit einem bidirektionalem Halbleiterschalter zu einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Um einen Energiespeicher eines inneren Moduls unabhängig von der Situation bei den auf der oberen Stromschiene 105 und der unteren Stromschiene 106 herrschenden Spannungspotentiale anzusteuern, und dabei vorteilhaft jeder Zeit den Bypass-Schaltzustand bzw. Parallel-Überspring-Schaltzustand über beide Stromschienen 105, 106 einsetzen zu können, wird der Energiespeicherschalter als ein bidirektionaler Halbleiterschalter $Q_{l,1}^{(i)}$
610, $Q_{l,2}^{(i)}$
107 realisiert, der beispielhaft in 6 durch zwei gegenpolig in Serie geschaltete Feldeffekttransistoren dargestellt ist. Es ist auch denkbar, den bidirektionalen Halbleiterschalter 107, 610 durch zwei IGBTs darzustellen.
In 7 wird eine Modulschaltung 700 mit einem auf einer Negativseite des Energiespeichers 109 angeordneten Energiespeicherschalter 707 als eine weitere erste Schalteinheit zu einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Die voranstehend angestellten Betrachtungen für die Schaltzustände der ersten Schalteinheit bzw. der zweiten Schalteinheit sind in gleicher Weise auch mit dem auf der Negativseite angeordneten Energiespeicherschalter 707 gegeben.
In 8 wird eine Modulschaltung 800 mit Versorgung einer lokalen Steuerungseinheit 820 zu einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Hierzu wird ein Gleichspannungswandler 822 angeordnet, der über einen ersten Eingang mit einer ersten Diode 824 und über einen zweiten Eingang mit einer zweiten Diode 826 an ein jeweiliges oberes Spannungspotential angeschlossen ist. Sein unteres Spannungspotential wird durch einen Anschluss an die untere Stromschiene 106 gebildet. Die beiden oberen Anschlüsse sind notwendig, da im Allgemeinen weder die obere Stromschiene 105 noch ein positiver Pol des Energiespeichers 109 ein verlässlich größeres Spannungspotential gegenüber der unteren Stromschiene 106 bereitstellen kann, und somit durch die Anordnung der beiden Dioden 824, 826 jeweils derjenige Anschluss, welcher ein höheres Spannungspotential aufweist, die Versorgung der lokalen Steuerungseinheit 820 via dem Gleichspannungswandler 822 übernimmt. Jedoch kann in der Modulschaltung 800 mit nur einem unidirektionalen Halbleiterschalter $Q_{l,2}^{(i)}$
107 sogar eine der beiden Dioden 824 oder 826 eliminiert werden, da der Strompfad über die Freilaufdiode des Halbleiterschalters 107 und der dann übrigen Diode, entweder 826 oder 824, gebildet wird. Dies ist bei Anordnung eines bidirektionalen Halbleiterschalters als Energiespeicherschalter nicht mehr möglich. Schließlich steuert die lokale Steuerungseinheit 820 die Halbleiterschalter 111, 112, 113, 114, 115, 116 über Steuerungsanschlüsse 828.

Claims

Verfahren zur Bereitstellung erweiterter Schaltzustände (305, 306, 406) bei einem modularen Multilevelkonverter, bei dem der modulare Multilevelkonverter mindestens einen Strang mit einem ersten äußeren Modul, einem zweiten äußeren Modul und mindestens einem inneren Modul (100, 200, 600, 700, 800) umfasst, bei dem jedes Modul (100, 200, 600, 700, 800) eine erste Seite und eine zweite Seite aufweist, welche jeweils einen ersten Anschluss (101, 103) und einen zweiten Anschluss (102, 104) umfassen, bei dem jede Seite eine Reihenschaltung aus drei unidirektionalen Halbleiterschaltern mit einer jeweilig zugeordneten Freilaufdiode (111, 112, 113, 114, 115, 116) aufweist, wobei die Freilaufdiode in Durchflussrichtung von einem Source-/Emitter-Anschluss zu einem Drain-/Kollektor-Anschluss des unidirektionalen Halbleiterschalters (111, 112, 113, 114, 115, 116) angeordnet wird, bei dem bei der jeweiligen Reihenschaltung auf jeder Seite der erste Anschluss (101, 103) am Drain-/Kollektor-Anschluss und der zweite Anschluss (102, 104) am Source-/Emitter-Anschluss des jeweiligen mittleren Halbleiterschalters (112, 115) angeordnet werden, bei dem die jeweiligen Drain-/Kollektor-Anschlüsse des jeweiligen ersten unidirektionalen Halbleiterschalters (111, 114) der jeweiligen Reihenschaltung beider Seiten durch eine obere Stromschiene (105) miteinander verbunden werden, bei dem die jeweiligen Source-/Emitter-Anschlüsse des jeweiligen dritten unidirektionalen Halbleiterschalters (113, 116) der jeweiligen Reihenschaltung beider Seiten durch eine untere Stromschiene (106) miteinander verbunden werden, bei dem mit der oberen Stromschiene (105) ein positiver Pol eines Energiespeichers (109) und mit der unteren Stromschiene (106) ein negativer Pol des Energiespeichers (109) verbunden wird, wobei durch ein so gebildetes Modul (100, 200, 600, 700, 800) mindestens eine serielle oder eine parallele Verschaltung des Energiespeichers (109) des jeweiligen Moduls mit jeweiligen Energiespeichern (309, 319) benachbarter Module ermöglicht wird, wobei zwischen der oberen Stromschiene (105) und dem positiven Pol des Energiespeichers (109) oder zwischen dem negativen Pol des Energiespeichers (109) und der unteren Stromschiene (106) mindestens ein zusätzlicher Halbleiterschalter mit Freilaufdiode (107, 610, 707) als mindestens ein Energiespeicherschalter mit Freilaufdiode (107, 610, 707) angeordnet wird, wobei der mindestens eine Energiespeicherschalter mit Freilaufdiode (107, 610) als ein bidirektionaler Schalter mit Freilaufdiode (610) gewählt wird, wodurch der jeweilige Energiespeicher (109) je nach einem Schaltzustand (305, 306, 406) zu einer Durchleitung eines Stromes durch das jeweilige Modul (100, 200, 600, 700, 800) beiträgt, wobei ein jeweiliges Modul (100, 200, 600, 700, 800) von einer Steuerungseinheit (820) als eine jeweilige erste Schalteinheit (100, 200, 600, 700, 800) gesteuert wird, und wobei durch mindestens einen Schaltzustand (305, 306, 406) mindestens einer durch ein inneres Modul (100, 200, 600, 700, 800) gebildeten ersten Schalteinheit (100, 200, 600, 700, 800) der Strom über die jeweilige obere Stromschiene (105) und die jeweilige untere Stromschiene (106) gemeinsam unter einer Umgehung des jeweiligen Energiespeichers (109) der mindestens einen ersten Schalteinheit (100, 200, 600, 700, 800) geleitet wird, wobei mit dem bidirektionale Schalter mit Freilaufdiode (610) die Umgehung des jeweiligen Energiespeichers (109) der mindestens einen ersten Schalteinheit unabhängig von Spannungspotentialen der jeweiligen Energiespeicher (309, 319) benachbarter Module zur Verfügung gestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der bidirektionale Schalter (610) durch zwei an ihrem jeweiligen Source-/Emitter-Anschluss miteinander verbundene unidirektionale Halbleiterschalter mit jeweiliger Freilaufdiode (107, 610) dargestellt wird, wobei ein erster Drain-/Kollektor-Anschluss mit dem positiven Pol des Energiespeichers (109) und ein zweiter Drain-/Kollektor-Anschluss mit der oberen Stromschiene (105) verbunden wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem als jeweiliger Halbleiterschalter mit Freilaufdiode (107, 111, 112, 113, 114, 115, 116, 307, 311, 312, 313, 314, 315, 316, 317, 707) ein Feldeffekttransistor (107, 111, 112, 113, 114, 115, 116, 307, 311, 312, 313, 314, 315, 316, 317, 707) gewählt wird, wobei der Feldeffekttransistor (107, 111, 112, 113, 114, 115, 116, 307, 311, 312, 313, 314, 315, 316, 317, 707) intrinsisch eine Bodydiode aufweist, welche die Funktion der Freilaufdiode einnimmt.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem von der Reihenschaltung (314, 316) auf der rechten Seite eines jeweiligen Moduls zusammen mit der Reihenschaltung (111, 112, 113) auf der linken Seite eines an die rechte Seite des jeweiligen Moduls angrenzenden Moduls (100, 200, 600, 700, 800) und dem in diesem angrenzenden Modul (100, 200, 600, 700, 800) angeordneten Energiespeicher (109) samt Energiespeicherschalter (107) eine jeweilige zweite Schalteinheit (500) gebildet wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem zu einer Versorgung einer lokalen Modulsteuerung (820) ein Doppelgleichrichter (822) eingesetzt wird, bei dem ein erster Eingang des Doppelgleichrichters (822) über eine erste Diode (824) mit der oberen Stromschiene (105) verbunden wird, wobei die erste Diode (824) von der oberen Stromschiene (105) zu diesem ersten Eingang in Durchlassrichtung angeordnet wird, und bei dem ein zweiter Eingang des Doppelgleichrichters (822) über eine zweite Diode (826) mit dem positiven Pol des Energiespeichers (109) verbunden wird, wobei die zweite Diode (826) von dem positiven Pol des Energiespeichers (109) zu diesem zweiten Eingang in Durchlassrichtung angeordnet wird, und bei dem ein unteres Potential des Doppelgleichrichters (822) von dem negativen Pol des Energiespeichers (109) gebildet wird.
System (100, 200, 310, 410, 500, 600, 700, 800) zur Bereitstellung erweiterter Schaltzustände (305, 306, 406) bei einem modularen Multilevelkonverter, wobei der modulare Multilevelkonverter mindestens einen Strang mit einem ersten äußeren Modul, einem zweiten äußeren Modul und mindestens einem inneren Modul (100, 200, 600, 700, 800) umfasst, wobei jedes Modul (100, 200, 600, 700, 800) eine erste Seite und eine zweite Seite aufweist, welche jeweils einen ersten Anschluss (101, 103) und einen zweiten Anschluss (102, 104) umfassen, wobei auf jeder Seite eine Reihenschaltung aus drei unidirektionalen Halbleiterschaltern mit einer jeweilig zugeordneten Freilaufdiode (111, 112, 113, 114, 115, 116) angeordnet ist und die Freilaufdiode in Durchflussrichtung von einem Source-/Emitter-Anschluss zu einem Drain-/Kollektor-Anschluss des unidirektionalen Halbleiterschalters (111, 112, 113, 114, 115, 116) angeordnet ist, wobei bei der jeweiligen Reihenschaltung auf jeder Seite der erste Anschluss (101, 103) am Drain-/Kollektor-Anschluss und der zweite Anschluss (102, 104) am Source-/Emitter-Anschluss des jeweiligen mittleren Halbleiterschalters (112, 115) angeordnet ist, wobei die jeweiligen Drain-/Kollektor-Anschlüsse des jeweiligen ersten unidirektionalen Halbleiterschalters (111, 114) der jeweiligen Reihenschaltung beider Seiten durch eine obere Stromschiene (105) miteinander verbunden sind, wobei die jeweiligen Source-/Emitter-Anschlüsse des jeweiligen dritten unidirektionalen Halbleiterschalters (113, 116) der jeweiligen Reihenschaltung beider Seiten durch eine untere Stromschiene (106) miteinander verbunden sind, wobei mit der oberen Stromschiene (105) ein positiver Pol eines Energiespeichers(109) und mit der unteren Stromschiene (106) ein negativer Pol des Energiespeichers (109) verbunden ist, wodurch das jeweilige Modul (100, 200, 600, 700, 800) dazu konfiguriert ist, seinen jeweiligen Energiespeicher (109) mit jeweiligen Energiespeichern (309, 319) benachbarter Module mindestens seriell oder parallel zu verschalten, wobei zwischen der oberen Stromschiene (105) und dem positiven Pol des Energiespeichers (109) oder zwischen dem negativen Pol des Energiespeichers (109) und der unteren Stromschiene (106) mindestens ein zusätzlicher Halbleiterschalter mit Freilaufdiode (107, 610, 707) mindestens ein Energiespeicherschalter mit Freilaufdiode (107, 610, 707) angeordnet ist, wobei durch ein jeweiliges Modul (100, 200, 600, 700, 800) eine jeweilige erste Schalteinheit (100, 200, 600, 700, 800) gebildet ist, wobei das System (100, 200, 310, 410, 500, 600, 700, 800) weiter eine Steuerungseinheit (820) umfasst, welche dazu konfiguriert ist, mindestens die jeweiligen ersten Schalteinheiten (100, 200, 600, 700, 800) zu steuern, und wobei mindestens ein Schaltzustand (305, 306, 406) mindestens einer durch ein inneres Modul (100, 200, 600, 700, 800) gebildeten ersten Schalteinheit (100, 200, 600, 700, 800) dazu konfiguriert ist, den Strom über die jeweilige obere Stromschiene (105) und die jeweilige untere Stromschiene (106) gemeinsam unter einer Umgehung des jeweiligen Energiespeichers (109) der mindestens einen ersten Schalteinheit (100, 200, 600, 700, 800) zu leiten, bei dem die Steuerungseinheit (820) als lokale Steuerung (820) eines jeweiligen Moduls (800) angeordnet ist, wobei das System (800) zu einer Versorgung der lokalen Steuerung (820) in dem jeweiligen Modul (800) zusätzlich einen Doppelgleichrichter (822) aufweist, bei dem ein erster Eingang des Doppelgleichrichters (822) über eine erste Diode (824) mit der oberen Stromschiene (105) verbunden ist, wobei die erste Diode (824) von der oberen Stromschiene (105) zu diesem ersten Eingang in Durchlassrichtung angeordnet ist, und bei dem ein zweiter Eingang des Doppelgleichrichters (822) über eine zweite Diode (826) mit dem positiven Pol des Energiespeichers (109) verbunden ist, wobei die zweite Diode (826) von dem positiven Pol des Energiespeichers (109) zu diesem zweiten Eingang in Durchlassrichtung angeordnet ist, und bei dem ein unteres Potential des Doppelgleichrichters (822) von dem negativen Pol des Energiespeichers (109) gebildet ist.
System (500) nach Anspruch 6, wobei von der Reihenschaltung (314, 316) auf der rechten Seite eines jeweiligen Moduls zusammen mit der Reihenschaltung (111, 112, 113) auf der linken Seite eines an die rechte Seite des jeweiligen Moduls angrenzenden Moduls (100, 200, 600, 700, 800) und dem in diesem angrenzenden Modul angeordneten Energiespeicher (109) samt Energiespeicherschalter (107) eine jeweilige zweite Schalteinheit (500) gebildet ist.