EP3741037A1 - Modul eines modularen multilevelstromrichters - Google Patents

Modul eines modularen multilevelstromrichters

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EP3741037A1
EP3741037A1 EP18713810.2A EP18713810A EP3741037A1 EP 3741037 A1 EP3741037 A1 EP 3741037A1 EP 18713810 A EP18713810 A EP 18713810A EP 3741037 A1 EP3741037 A1 EP 3741037A1
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EP
European Patent Office
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module
coolant
valve
power semiconductor
semiconductor device
Prior art date
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Ceased
Application number
EP18713810.2A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Michael Vieth
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Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
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Filing date
Publication date
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Publication of EP3741037A1 publication Critical patent/EP3741037A1/de
Ceased legal-status Critical Current

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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of AC power input into DC power output; Conversion of DC power input into AC power output
    • H02M7/42—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
    • H02M7/49—Combination of the output voltage waveforms of a plurality of converters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/32—Means for protecting converters other than automatic disconnection
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
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    • H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
    • H02M7/4835—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels comprising two or more cells, each including a switchable capacitor, the capacitors having a nominal charge voltage which corresponds to a given fraction of the input voltage, and the capacitors being selectively connected in series to determine the instantaneous output voltage
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
    • H05K7/14—Mounting supporting structure in casing or on frame or rack
    • H05K7/1422—Printed circuit boards receptacles, e.g. stacked structures, electronic circuit modules or box like frames
    • H05K7/1427—Housings
    • H05K7/1432—Housings specially adapted for power drive units or power converters
    • H05K7/14339—Housings specially adapted for power drive units or power converters specially adapted for high voltage operation
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
    • H05K7/20—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating
    • H05K7/2089—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating for power electronics, e.g. for inverters for controlling motor
    • H05K7/20927—Liquid coolant without phase change

Definitions

  • the invention relates to a module of a modular
  • Multilevel converter and a method for cooling the module.
  • a modular multilevel power converter is one
  • a multilevel converter can convert AC to DC or DC to AC.
  • Multilevelstromrichter has a plurality of similar modules, which are electrically connected in series.
  • the electrical series connection of the modules can achieve high output voltages.
  • a multilevel converter is easily adaptable to different voltages and a desired output voltage can be generated relatively accurately.
  • a multilevel converter can advantageously be used in the high voltage range, for example as a converter in a high-voltage direct current
  • the modules of the multilevel converter contain
  • Cooling circuit to be cooled In the case of an electrical defect of a module (for example in the case of an electrical defect of a power semiconductor component of the module)
  • the module can also be mechanically damaged, whereby the coolant of the cooling circuit can leak from the module.
  • the invention has for its object to provide a module of a modular Multilevelstromrichters and a method for
  • cooling device liquid cooling device for the first and the second power semiconductor component, wherein the cooling device has a coolant inlet and a
  • a first valve for blocking the coolant inlet.
  • the first valve may be disposed at the coolant inlet. It is particularly advantageous that when a (in particular electrical) fault occurs in the module by means of the first valve, the coolant inlet can be blocked. As a result, no additional coolant in the module
  • Closing the first valve prevents coolant from escaping from the possibly mechanically damaged module after the error has occurred can. As a result, a shutdown of the converter can be avoided because of coolant outlet, the availability of the converter is improved.
  • the module can be a second valve to lock the
  • the second valve may be disposed at the coolant outlet. It is advantageous that when the electrical fault occurs in the module by means of the second valve, the coolant outlet can be blocked. As a result, no coolant (for example, from a connected to the coolant outlet
  • Coolant line flow back into the module via the coolant outlet. Closing the second valve prevents coolant from escaping from the possibly mechanically damaged module after the error has occurred.
  • the module can be designed such that the first and the second power semiconductor component in one
  • Half-bridge circuit are arranged.
  • Such a module is also referred to as a half-bridge module or as a half-bridge submodule. By means of such a module can at
  • the module may also be designed such that the module has a third power semiconductor component and a fourth
  • Power semiconductor device has, and the four
  • Power semiconductor components are arranged in a full bridge circuit.
  • a full bridge module is also referred to as a full bridge module or as a full bridge submodule.
  • Power semiconductor components either the voltage of the arranged in the module electrical energy storage, the negative voltage of the energy storage or no voltage (ie a zero voltage) are output.
  • the module may be configured such that the first valve and / or the second valve each have an electrical
  • the module can also be designed such that the module is assigned a bypass switch (bypass switch), which bridges the module electrically when an electrical fault occurs in the module.
  • the bypass switch is electrically connected to the module.
  • Bridging switch closed, thereby electrically bridging the module. This allows the power converter by means of the remaining intact modules of ongoing work and does not need to be shut down in the event of an electrical fault in a single module.
  • the module can also be designed so that the first valve and / or the second valve so with the
  • Bypass switch is coupled, that when closing the lock-up switch also the first valve and / or the second valve closes (locks).
  • Cooling circuit of the power converter to be disconnected.
  • the modules can be electrically connected in series (electrical series connection) and the cooling devices of the individual modules can also be connected in series with regard to the coolant flow (coolant-related series connection).
  • Disclosed is still a method for cooling a
  • Cooling device of the module to be cooled the
  • the coolant is supplied to the module through the coolant inlet
  • the process can proceed in such a way that
  • Coolant outlet arranged second valve of the
  • Coolant outlet is blocked (by the second valve is closed).
  • the procedure can also be such that
  • the module is associated with a bypass switch that electrically bridges the module in the event of an electrical fault in the module, and (wherein the first valve and / or the second valve are so coupled to the lock-up switch) that when closing the lock-up switch and the first valve and / or the second valve are closed.
  • the module described and the method described have the same or similar advantages.
  • Figure 1 shows an embodiment of a power converter having a plurality of modules
  • Figure 2 shows an embodiment of a module
  • FIG. 3 shows another embodiment of a module
  • Figure 4 shows an embodiment of a high voltage DC transmission system
  • FIG. 5 shows an exemplary sequence of a method
  • Figure 1 shows an embodiment of a power converter 1 (high-voltage power converter 1) in the form of a modular
  • Multilevel converter 1 (modular multilevel converter, MMC). This multilevel converter 1 has a first AC voltage connection 5, a second one
  • the first AC voltage terminal 5 is electrically connected to a first phase module branch 11 and a second phase module branch 13.
  • the first phase module branch 11 is electrically connected to a first phase module branch 11 and a second phase module branch 13.
  • Phase module branch 11 and the second phase module branch 13 form a first phase module 15 of the power converter 1.
  • Phase module branch 11 is connected to a first
  • the first DC voltage terminal 16 electrically connected.
  • the first DC voltage terminal 16 is a positive one
  • the second DC voltage terminal 17 is a negative DC voltage terminal.
  • the second AC voltage terminal 7 is electrically connected to one end of a third phase module branch 18 and to one end of a fourth phase module branch 21.
  • the third phase module branch 18 and the fourth phase module branch 21 form a second phase module 24.
  • AC terminal 9 is connected to one end of a fifth phase module branch 27 and to one end of a sixth
  • Phase module branch 29 electrically connected.
  • Phase module branch 27 and the sixth phase module branch 29 form a third phase module 31.
  • the second AC terminal 7 opposite end of the third phase module branch 18 and the third
  • Phasenmodulzweigs 27 are electrically connected to the first DC voltage terminal 16.
  • the first phase module branch 11, the third phase module branch 18 and the fifth phase module branch 27 form a positive-side
  • Power converter part 32; the second phase module branch 13, the fourth phase module branch 21 and the sixth phase module branch 29 form a negative-side converter element 33.
  • Each phase module branch has a plurality of two-pole modules (1_1, 1_2, 1_3, 1_4 ... l_n; 2_1 ... 2_n; etc.), which are electrically connected in series (by means of their two electrical module connections). Such modules are also referred to as submodules.
  • each phase module branch has n modules. The number the modules electrically connected in series by means of their electrical module connections can be very different, at least two modules are connected in series, but it is also possible for example to have 3, 50, 100 or more modules
  • n 36: the first phase module branch 11 thus has 36 modules 1_1, 1_2, 1_3,... 1_36. The others
  • Phase module branches 13, 18, 21, 27 and 29 are of similar construction.
  • Power converter 1 optical messages or optical signals via an optical communication link (for example, via an optical fiber) to the individual modules 1_1 to 6_n transmitted.
  • the control device sends to the individual modules in each case a desired value for the amount of the output voltage that is to provide the respective module.
  • Phase modules 15, 24, 31 are arranged, each phase module 15, 24, 31 an AC voltage terminal 5, 7, 9 and at least one DC voltage terminal 16, 17
  • the power converter 1 has a cooling device 50.
  • the cooling device 50 has a coolant reservoir 52, a pump 54 (coolant pump 54) and a heat exchanger 56 (heat exchanger 56).
  • the coolant tank 52, the pump 54 and the heat exchanger 56 are connected by coolant lines 60 with the individual modules 1_1 ... l_n, 3_1 ... 3_n, etc. of the power converter 1.
  • Heat exchanger 56 connected via a Hin-coolant line 60a to the module 1 1; the module 1 1 is over a Coolant line 60b connected to the module 1_2; and the module 1_2 is connected to the module 1_3 via a coolant line 60c.
  • the module 1_3 is connected to the next module 1_4 (not shown) via a coolant line 60, and so on.
  • the last module 1_n of the phase module branch 11 is connected to the coolant container 52 via a return coolant line 60d
  • the coolant tank 52 is above a
  • Coolant line 60 connected to the pump 54; the pump 54 is connected to the heat exchanger 56 via a coolant line 60.
  • the coolant lines 60 are shown in the figures by means of two parallel lines in the manner of a tube.
  • the electrical lines of the power converter are each by means of a single line
  • coolant 70 In the coolant tank 52 is a supply of coolant 70.
  • the coolant 70 may from the
  • Coolant tank 52 by means of the pump 54 through the
  • Heat exchanger 56 through the modules 1_1 ... l_n of the first phase module branch 11 and then back to
  • Coolant tank 52 are pumped.
  • Cooling device 50 a cooling circuit 72nd
  • Coolant 70 for example, purified water can be used. Such a coolant has a very low electrical conductivity. Therefore, such a coolant can be used for example in a high voltage power converter or in a power converter of a high voltage DC transmission system (for example, at voltages between 100 kV and 500 kV).
  • a further cooling device 80 For cooling the power semiconductor components of the modules of the second phase module branch 13, the fourth phase module branch 21 and the sixth phase module branch 29, there is a further cooling device 80.
  • This further cooling device 80 has an identical structure to the cooling device 50 of the first, third and fifth phase module branches 11, 18 and 27.
  • Converter 1 by means of a single cooling device (i.e., by means of a single coolant reservoir 52, a single pump 54, and a single heat exchanger 56).
  • a single cooling device i.e., by means of a single coolant reservoir 52, a single pump 54, and a single heat exchanger 56.
  • the coolant tank 52 contains a supply of
  • Coolant 70 The coolant tank 52 is optional: the coolant can also in sufficient quantity in the
  • Heat exchanger 56 may be present.
  • Figure 2 shows an example of the structure of a bipolar
  • the module is designed as a half-bridge module 201.
  • the module 201 has a first power semiconductor component 202 in the form of an electronic switching element 202 that can be switched on and off with a first antiparallel-connected diode 204 (first freewheeling diode 204).
  • the module 201 has a second power semiconductor component 206 in the form of an electronic switching element 206 which can be switched on and off with a second antiparallel-connected diode 208 (second freewheeling diode 208) and an electrical energy store 210 in the form of an electrical capacitor 210.
  • Power semiconductor device 206 are each configured as an IGBT (insulated-gate bipolar transistor).
  • the first Power semiconductor device 202 is electrically coupled in series with second power semiconductor device 206. At the connection point between the two
  • a first (galvanic) module port 212 is arranged.
  • a second (galvanic) module connection 215 is arranged.
  • the second module connection 215 is furthermore connected to a first connection of the energy store 210; a second terminal of the energy storage 210 is electrically connected to the
  • connection of the first power semiconductor device 202 which is opposite to the connection point.
  • the energy storage 210 is therefore electrically parallel
  • Triggering the first power semiconductor component 202 and the second power semiconductor component 206 can be achieved that between the first module terminal 212 and the second module terminal 215, either the voltage of the
  • Energy storage 210 is output or no voltage is output (i.e., a zero voltage is output).
  • Phase module branches can be as desired
  • Control of the first power semiconductor component 202 and the second power semiconductor component 206 takes place in the exemplary embodiment by means of the (above-mentioned) transmitted from the control device of the power converter to the module message or signal.
  • the first power semiconductor device 202 is provided with a first power semiconductor device heat sink 220; the second power semiconductor device 206 is provided with a second power semiconductor device heat sink 222 Provided.
  • the first freewheeling diode 204 is provided with a first diode heatsink 226; the second freewheeling diode 208 is equipped with a second diode heatsink 228.
  • the heatsinks 220, 222, 226 and 228 are in close thermal contact with the respective device and are capable of dissipating the waste heat generated in the device
  • the heatsinks 220, 222, 226 and 228 are each in close thermal contact (thermal coupling) with the
  • Freewheeling diode 204 and the second freewheeling diode 208 thermally coupled to the coolant 70.
  • the heat sinks are shown only schematically in the figures.
  • the heat sinks may be coolant-flowed (liquid-flowed) heat sinks (i.e.
  • Heatsinks have coolant flowed through channels).
  • the heat sinks may each consist of solid metal, for example copper or aluminum.
  • the heat sinks 220, 222, 226 and 228 are part of a
  • Cooling device 229 of the module In addition to the heat sinks, the cooling device 229 also has module-internal coolant channels 230 for transporting the coolant to the heat sinks and away from the heat sinks. Furthermore, the cooling device 229 has a coolant inlet 231 (coolant inlet 231) and a coolant outlet 232 (coolant outlet 232). The
  • Coolant inlet 231 serves to supply (supply) of
  • Coolant to the module 201 the coolant outlet 232 is used for discharging (discharge) of the coolant from the module.
  • the coolant inlet 231 is for supplying the coolant 70 to the heat sinks of the module 201
  • the coolant outlet 232 is for discharging (draining) the
  • the coolant inlet 231 and the coolant outlet 232 are configured, for example, in each case as a detachable coolant connection which can be connected to the corresponding coolant line 60a or 60b (see FIG. 1 for module 1_1).
  • a first valve 234 is arranged at the coolant inlet 231; at the coolant outlet 232, a second valve 235 is arranged.
  • the first valve 234 allows in its open state, the inflow of the coolant to the module or in the module and interrupts in his
  • the first valve 234 thus serves to block the coolant inlet 231.
  • the second valve 235 allows in its open state, the outflow of the coolant from the module and
  • the second valve 234 thus serves to block the coolant outlet 232.
  • in-flowing coolant 70 is shown; In the upper part of FIG. 2, by means of an arrow 238, the (when the second valve 235 is open) flows out of the module 201
  • Coolant 70 shown. By means of the coolant flowing through the module 201 70, the first
  • Power semiconductor device 206, the first free-wheeling diode 204 and the second free-wheeling diode 208 are cooled.
  • Coolant 70 takes the waste heat of the first electronic power semiconductor device 202, the second
  • the coolant 70 transports the absorbed waste heat to the heat exchanger 56.
  • the heat exchanger 56 releases the waste heat of the coolant to the ambient air (preferably, the heat exchanger 56 releases the waste heat to the ambient air outside the converter building).
  • Module 201 is assigned a bypass switch 245.
  • the bypass switch 245 is for electrical
  • the bypass switch 245 connects in its closed state, the first
  • Power semiconductor device 202 and / or the second
  • Power semiconductor device 206) is the
  • Valve 234 closed. As a result, the coolant inlet is blocked and no further coolant can flow into the module.
  • the second valve 235 arranged at the coolant outlet 232 is also closed. This will be the Coolant outlet blocked and no coolant from the connected to the coolant outlet 232
  • Bypass switch 245 may be coupled such that when closing the bypass switch 245 and the first
  • Valve 234 and / or the second valve 235 are closed. By means of the bypass switch then the module is electrically bridged; by means of the closed first
  • Valve 234 and / or the closed second valve 235 the module 201 is separated from the cooling circuit.
  • the coupling between the bypass switch 245 and the first valve 234 and / or the second valve 235 is indicated schematically in FIG. 2 as a dot-dash line 248.
  • This coupling may, for example, be realized electrically, for example, when closing the bypass switch 245, the first valve 234 and / or the second valve 235 electrically so controlled that the first valve 234 and / or the second valve 235 are also closed.
  • FIG. 3 shows a further exemplary embodiment of a module
  • This module 301 can be, for example, the module 1_2 (or also one of the other modules shown in FIG. 1).
  • first power semiconductor device 202 second
  • Power semiconductor device 206, first freewheeling diode 204, second freewheeling diode 208 and energy storage 210, the module 301 shown in Figure 3 has a third
  • Power semiconductor device 306 are each configured as an IGBT. In contrast to the circuit of FIG. 2, the second module connection 315 is not connected to the second one
  • the module 301 of FIG. 3 is a so-called full-bridge module 301.
  • This full-bridge module 301 is characterized in that, with appropriate control of the four
  • the power converter 1 can either only half-bridge modules 201, only full-bridge modules 301 or half-bridge modules 201 and full bridge modules 301 have. Via the first module connection 212 and the second module connection 215, 315 flow large electrical currents of the power converter.
  • the third electronic module is additionally provided in addition to the first electronic power semiconductor component 202, the second electronic power semiconductor component 206, the first free-wheeling diode 204 and the second free-wheeling diode 208.
  • Power semiconductor device 302 the fourth electronic power semiconductor device 306, the third freewheeling diode 304 and the fourth freewheeling diode 308 by means of
  • Coolant 70 of the coolant circuit 72 cooled.
  • module 301 also has the
  • Coolant inlet 231 provided with the first valve 234, the coolant outlet 232 is connected to the second valve 235th
  • the first valve 234 is thus associated with the coolant inlet 231; the second valve 235 is the
  • Coolant outlet 232 assigned. The function and
  • the operation of the first valve 234 and the second valve 235 is similar to the module 201 shown in FIG.
  • FIG. 4 schematically shows an exemplary embodiment of a high-voltage direct-current transmission system 401.
  • This high-voltage DC transmission system 401 has two power converters 1, as shown in FIG. These two power converters 1 are electrically connected to one another on the DC voltage side via a high-voltage direct current connection 405. The two are positive
  • DC terminals 16 of the power converters 1 are electrically connected to each other by a first high-voltage DC line 405a; the two negative
  • DC voltage connections 17 of the two power converters 1 are electrically connected to each other by means of a second high voltage direct current line 405b.
  • the high voltage direct current connection 405 then has a corresponding length.
  • FIG. 5 once again shows the method for cooling a module of the modular multilevel converter 1 by means of a flowchart.
  • the module is supplied with the coolant through the coolant inlet.
  • the coolant outlet Through the coolant outlet, the coolant is discharged from the module (led away).
  • the coolant inlet Upon the occurrence of an electrical fault in the module, the coolant inlet is blocked (by closing the first valve 234) by means of a first valve 234 disposed on the coolant inlet 231.
  • Step 510
  • Coolant outlet 232 arranged second valve 235 of the coolant outlet locked (by the second valve 235 is closed).
  • the method steps 508 and / or 510 may optionally be configured such that the module is assigned the bypass switch 245, which bridges the module electrically when an electrical fault occurs in the module, and the first valve and / or the second valve with the
  • a module of a modular multilevel converter and a method for cooling the module have been described. This module and method has a number of advantages:
  • the module can be reliably disconnected from the cooling circuit of the converter. This can be done simply and reliably by virtue of the coolant inlet (and thus the coolant supply) and / or the coolant outlet (and thus the coolant outlet)
  • Coolant return are separated by a valve.
  • the module-internal cooling device can be inexpensive

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Abstract

Modul eines modularen Multilevelstromrichters Die Erfindung betrifft ein Modul (201) eines modularen Multilevelstromrichters (1) mit einem ersten Leistungshalbleiterbauelement (202), einem zweiten Leistungshalbleiterbauelement (206) und einer Kühleinrichtung (229) für das erste und das zweite Leistungshalbleiterbauelement (202, 206), wobei die Kühleinrichtung (229) einen Kühlmitteleinlass (231) und einen Kühlmittelauslass (232) für ein Kühlmittel (70) aufweist. Weiterhin weist das Modul ein erstes Ventil (234) zum Sperren des Kühlmitteleinlasses (231) auf.

Description

Modul eines modularen Multilevelstromrichters
Die Erfindung betrifft ein Modul eines modularen
Multilevelstromrichters und ein Verfahren zum Kühlen des Moduls .
Ein modularer Multilevelstromrichter ist eine
leistungselektronische Schaltung zum Umwandeln von
elektrischer Energie. Mit einem Multilevelstromrichter kann beispielsweise Wechselstrom in Gleichstrom oder Gleichstrom in Wechselstrom umgewandelt werden. Ein
Multilevelstromrichter weist eine Vielzahl von gleichartigen Modulen auf, welche elektrisch in Reihe geschaltet sind.
Durch die elektrische Reihenschaltung der Module lassen sich hohe Ausgangsspannungen erreichen. Ein Multilevelstromrichter ist einfach an unterschiedliche Spannungen anpassbar und eine gewünschte Ausgangsspannung kann relativ genau erzeugt werden. Ein Multilevelstromrichter kann vorteilhafterweise im Hochspannungsbereich eingesetzt werden, beispielsweise als Stromrichter bei einer Hochspannungs-Gleichstrom
übertragungsanlage oder als
Blindleistungskompensationsanlage .
Die Module des Multilevelstromrichters enthalten
Leistungshalbleiterbauelemente, die gekühlt werden müssen. Dazu wird oftmals eine Flüssigkeitskühlung verwendet, bei der eine Mehrzahl von Modulen mittels eines gemeinsamen
Kühlkreislaufs gekühlt werden. Bei einem elektrischen Defekt eines Moduls (beispielsweise bei einem elektrischen Defekt eines Leistungshalbleiterbauelements des Moduls) kann
aufgrund der großen in dem Stromrichter auftretenden
Energiemengen eine heftige Energieumwandlung auftreten, insbesondere eine Explosion. Dadurch kann das Modul auch mechanisch beschädigt werden, wodurch das Kühlmittel des Kühlkreislaufs aus dem Modul auslaufen kann. In einem
derartigen Fall muss in der Regel der Stromrichter
abgeschaltet werden, was zu teuren Ausfällen des Stromrichters führt. Es wäre denkbar, die kühlmittelleitenden Komponenten innerhalb der Module sehr hochwertig und
mechanisch so stabil zu realisieren, dass auch bei einer extremen Beanspruchung wie einer Explosion kein Kühlmittel aus den Modulen austreten kann. Derartig hochwertige und stabile Komponenten wären aber sehr aufwändig und daher sehr teuer .
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Modul eines modularen Multilevelstromrichters und ein Verfahren zum
Kühlen des Moduls anzugeben, die kostengünstig realisiert werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Modul und durch ein Verfahren nach den unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausführungsformen des Moduls und des Verfahrens sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Offenbart wird ein Modul eines modularen
Multilevelstromrichters mit
- einem ersten Leistungshalbleiterbauelement und einem zweiten Leistungshalbleiterbauelement (und einem elektrischen Energiespeicher) ,
- einer Kühleinrichtung (Flüssigkeitskühleinrichtung) für das erste und das zweite Leistungshalbleiterbauelement, wobei die Kühleinrichtung einen Kühlmitteleinlass und einen
Kühlmittelauslass für ein (flüssiges) Kühlmittel aufweist, und
- einem ersten Ventil zum Sperren des Kühlmitteleinlasses.
Das erste Ventil kann am Kühlmitteleinlass angeordnet sein. Dabei ist besonders vorteilhaft, dass bei Auftreten eines (insbesondere elektrischen) Fehlers in dem Modul mittels des ersten Ventils der Kühlmitteleinlass gesperrt werden kann. Dadurch kann kein weiteres Kühlmittel in das Modul
hineinfließen. Durch das Schließen des ersten Ventils wird verhindert, dass nach Auftreten des Fehlers Kühlmittel aus dem möglicherweise mechanisch beschädigten Modul auslaufen kann. Dadurch kann eine Abschaltung des Stromrichters wegen Kühlmittelauslauf vermieden werden, die Verfügbarkeit des Stromrichters wird verbessert.
Das Modul kann ein zweites Ventil zum Sperren des
Kühlmittelauslasses aufweisen. Das zweite Ventil kann am Kühlmittelauslass angeordnet sein. Dabei ist vorteilhaft, dass bei Auftreten des elektrischen Fehlers in dem Modul mittels des zweiten Ventils der Kühlmittelauslass gesperrt werden kann. Dadurch kann kein Kühlmittel (beispielsweise aus einer mit dem Kühlmittelauslass verbundenen
Kühlmittelleitung) über den Kühlmittelauslass in das Modul zurückfließen. Durch das Schließen des zweiten Ventils wird verhindert, dass nach Auftreten des Fehlers Kühlmittel aus dem möglicherweise mechanisch beschädigten Modul auslaufen kann .
Das Modul kann so ausgestaltet sein, dass das erste und das zweite Leistungshalbleiterbauelement in einer
Halbbrückenschaltung angeordnet sind. Ein solches Modul wird auch als Halbbrücken-Modul oder als Halbbrücken-Submodul bezeichnet. Mittels eines solchen Moduls kann bei
entsprechender Ansteuerung der Leistungshalbleiterbauelemente entweder die Spannung eines in dem Modul angeordneten
elektrischen Energiespeichers oder keine Spannung (d.h. eine Nullspannung) ausgegeben werden.
Das Modul kann auch so ausgestaltet sein, dass das Modul ein drittes Leistungshalbleiterbauelement und ein viertes
Leistungshalbleiterbauelement aufweist, und die vier
Leistungshalbleiterbauelemente in einer Vollbrückenschaltung angeordnet sind. Ein solches Modul wird auch als Vollbrücken- Modul oder als Vollbrücken-Submodul bezeichnet. Mittels eines solchen Moduls kann bei entsprechender Ansteuerung der
Leistungshalbleiterbauelemente entweder die Spannung des in dem Modul angeordneten elektrischen Energiespeichers, die negative Spannung des Energiespeichers oder keine Spannung (d.h. eine Nullspannung) ausgegeben werden.
Das Modul kann so ausgestaltet sein, dass das erste Ventil und/oder das zweite Ventil jeweils ein elektrisch
angetriebenes Ventil oder ein mechanisch angetriebenes Ventil ist .
Das Modul kann auch so ausgestaltet sein, dass dem Modul ein Überbrückungsschalter (Bypassschalter) zugeordnet ist, der bei Auftreten eines elektrischen Fehlers in dem Modul das Modul elektrisch überbrückt. Der Überbrückungsschalter ist elektrisch mit dem Modul verbunden. Bei Auftreten eines elektrischen Fehlers in dem Modul (zum Beispiel bei einem Defekt des ersten Leistungshalbleiterbauelements und/oder des zweiten Leistungshalbleiterbauelements) wird der
Überbrückungsschalter geschlossen und dadurch das Modul elektrisch überbrückt. Dadurch kann der Stromrichter mittels der verbleibenden intakten Module Weiterarbeiten und braucht bei Auftreten eines elektrischen Fehlers in einem einzelnen Modul nicht abgeschaltet zu werden.
Das Modul kann auch so ausgestaltet sein, dass das erste Ventil und/oder das zweite Ventil so mit dem
Überbrückungsschalter gekoppelt ist, dass bei einem Schließen des Überbrückungsschalters auch das erste Ventil und/oder das zweite Ventil schließt (sperrt) . Dadurch kann bei einem auftretenden Fehler des Moduls das Modul nicht nur mittels des Überbrückungsschalters elektrisch überbrückt und damit elektrisch außer Betrieb genommen werden, sondern es kann mittels des oder der Ventile gleichzeitig das Modul vom
Kühlkreislauf des Stromrichters getrennt werden.
Offenbart wird auch ein modularer Multilevelstromrichter mit einer Mehrzahl von Modulen nach einem der vorstehend
beschriebenen Varianten. Dabei können die Module elektrisch in Reihe geschaltet sein (elektrische Reihenschaltung) und die Kühleinrichtungen der einzelnen Module können bezüglich des Kühlmittelflusses ebenfalls in Reihe geschaltet sein (kühlmittelbezogene Reihenschaltung) .
Offenbart wird weiterhin ein Verfahren zum Kühlen eines
Moduls eines modularen Multilevelstromrichters , bei dem
- ein erstes Leistungshalbleiterbauelement und ein zweites Leistungshalbleiterbauelement des Moduls mittels einer
Kühleinrichtung des Moduls gekühlt werden, wobei die
Kühleinrichtung einen Kühlmitteleinlass und einen
Kühlmittelauslass für ein (flüssiges) Kühlmittel aufweist,
- dem Modul durch den Kühlmitteleinlass das Kühlmittel zugeführt wird,
- mittels des Kühlmittels das erste
Leistungshalbleiterbauelement und das zweite
Leistungshalbleiterbauelement gekühlt werden,
- durch den Kühlmittelauslass das Kühlmittel aus dem Modul abgeführt wird, und
- bei Auftreten eines (insbesondere elektrischen) Fehlers in dem Modul mittels eines an dem Kühlmitteleinlass angeordneten ersten Ventils der Kühlmitteleinlass gesperrt wird (indem das erste Ventil geschlossen wird) .
Das Verfahren kann so ablaufen, dass
- bei Auftreten des Fehlers mittels eines an dem
Kühlmittelauslass angeordneten zweiten Ventils der
Kühlmittelauslass gesperrt wird (indem das zweite Ventil geschlossen wird) .
Das Verfahren kann auch so ablaufen, dass
- dem Modul ein Überbrückungsschalter zugeordnet ist, der bei Auftreten eines elektrischen Fehlers in dem Modul das Modul elektrisch überbrückt, und (wobei das erste Ventil und/oder das zweite Ventil so mit dem Überbrückungsschalter gekoppelt sind, dass) bei einem Schließen des Überbrückungsschalters auch das erste Ventil und/oder das zweite Ventil geschlossen werden . Das beschriebene Modul und das beschriebene Verfahren weisen gleiche bzw. gleichartige Vorteile auf.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungs beispielen näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen verweisen dabei auf gleiche oder gleich wirkende Elemente. Dazu ist in
Figur 1 ein Ausführungsbeispiel eines Stromrichters, der eine Vielzahl von Modulen aufweist, in
Figur 2 ein Ausführungsbeispiel eines Moduls, in
Figur 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Moduls, in
Figur 4 ein Ausführungsbeispiel einer Hochspannungs- Gleichstrom-Übertragungsanlage, und in
Figur 5 ein beispielhafter Ablauf eines Verfahrens
zum Kühlen des Moduls dargestellt .
Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Stromrichters 1 (Hochspannungs-Stromrichter 1) in Form eines modularen
Multilevelstromrichters 1 (modular multilevel Converter, MMC) dargestellt. Dieser Multilevelstromrichter 1 weist einen ersten Wechselspannungsanschluss 5, einen zweiten
Wechselspannungsanschluss 7 und einen dritten Wechsel
spannungsanschluss 9 auf. Der erste Wechselspannungsanschluss 5 ist elektrisch mit einem ersten Phasenmodulzweig 11 und einem zweiten Phasenmodulzweig 13 verbunden. Der erste
Phasenmodulzweig 11 und der zweite Phasenmodulzweig 13 bilden ein erstes Phasenmodul 15 des Stromrichters 1. Das dem ersten Wechselspannungsanschluss 5 abgewandte Ende des ersten
Phasenmodulzweigs 11 ist mit einem ersten
Gleichspannungsanschluss 16 elektrisch verbunden; das dem ersten Wechselspannungsanschluss 5 abgewandte Ende des zweiten Phasenmodulzweigs 13 ist mit einem zweiten
Gleichspannungsanschluss 17 elektrisch verbunden. Der erste Gleichspannungsanschluss 16 ist ein positiver
Gleichspannungsanschluss; der zweite Gleichspannungsanschluss 17 ist ein negativer Gleichspannungsanschluss.
Der zweite Wechselspannungsanschluss 7 ist mit einem Ende eines dritten Phasenmodulzweigs 18 und mit einem Ende eines vierten Phasenmodulzweigs 21 elektrisch verbunden. Der dritte Phasenmodulzweig 18 und der vierte Phasenmodulzweig 21 bilden ein zweites Phasenmodul 24. Der dritte
Wechselspannungsanschluss 9 ist mit einem Ende eines fünften Phasenmodulzweigs 27 und mit einem Ende eines sechsten
Phasenmodulzweigs 29 elektrisch verbunden. Der fünfte
Phasenmodulzweig 27 und der sechste Phasenmodulzweig 29 bilden ein drittes Phasenmodul 31.
Das dem zweiten Wechselspannungsanschluss 7 abgewandte Ende des dritten Phasenmodulzweigs 18 und das dem dritten
Wechselspannungsanschluss 9 abgewandte Ende des fünften
Phasenmodulzweigs 27 sind mit dem ersten Gleichspannungs anschluss 16 elektrisch verbunden. Das dem zweiten
Wechselspannungsanschluss 7 abgewandte Ende des vierten
Phasenmodulzweigs 21 und das dem dritten
Wechselspannungsanschluss 9 abgewandte Ende des sechsten Phasenmodulzweigs 29 sind mit dem zweiten
Gleichspannungsanschluss 17 elektrisch verbunden. Der erste Phasenmodulzweig 11, der dritte Phasenmodulzweig 18 und der fünfte Phasenmodulzweig 27 bilden ein positivseitiges
Stromrichterteil 32; der zweite Phasenmodulzweig 13, der vierte Phasenmodulzweig 21 und der sechste Phasenmodulzweig 29 bilden ein negativseitiges Stromrichterteil 33.
Jeder Phasenmodulzweig weist eine Mehrzahl von zweipoligen Modulen (1_1, 1_2, 1_3, 1_4 ... l_n; 2_1 ... 2_n; usw.) auf, welche (mittels ihrer zwei elektrischen Modulanschlüsse) elektrisch in Reihe geschaltet sind. Solche Module werden auch als Submodule bezeichnet. Im Ausführungsbeispiel der Figur 1 weist jeder Phasenmodulzweig n Module auf. Die Anzahl der mittels ihrer elektrischen Modulanschlüsse elektrisch in Reihe geschalteten Module kann sehr verschieden sein, mindestens sind zwei Module in Reihe geschaltet, es können aber auch beispielsweise 3, 50, 100 oder mehr Module
elektrisch in Reihe geschaltet sein. Im Ausführungsbeispiel ist n = 36: der erste Phasenmodulzweig 11 weist also 36 Module 1_1, 1_2, 1_3, ... 1_36 auf. Die anderen
Phasenmodulzweige 13, 18, 21, 27 und 29 sind gleichartig aufgebaut .
Von einer (nicht dargestellten) Steuereinrichtung des
Stromrichters 1 werden optische Nachrichten bzw. optische Signale über eine optische Kommunikationsverbindung (zum Beispiel über einen Lichtwellenleiter) zu den einzelnen Modulen 1_1 bis 6_n übertragen. Beispielsweise sendet die Steuereinrichtung an die einzelnen Module jeweils einen Sollwert zur Höhe der Ausgangsspannung, die das jeweilige Modul bereitstellen soll.
In den Modulen 1_1, 1_2, 1_3 usw. sind jeweils
Leistungshalbleiterbauelemente angeordnet. Die
Leistungshalbleiterbauelemente sind also in mehreren
Phasenmodulen 15, 24, 31 angeordnet, wobei jedes Phasenmodul 15, 24, 31 einen Wechselspannungsanschluss 5, 7, 9 und mindestens einen Gleichspannungsanschluss 16, 17
(insbesondere zwei Gleichspannungsanschlüsse 16, 17) aufweist .
Der Stromrichter 1 weist eine Kühlvorrichtung 50 auf. Die Kühlvorrichtung 50 weist einen Kühlmittelbehälter 52, eine Pumpe 54 (Kühlmittel-Pumpe 54) und einen Wärmeübertrager 56 (Wärmetauscher 56) auf. Der Kühlmittelbehälter 52, die Pumpe 54 und der Wärmeübertrager 56 sind durch Kühlmittelleitungen 60 mit den einzelnen Modulen 1_1 ... l_n, 3_1 ... 3_n, usw. des Stromrichters 1 verbunden. So ist beispielsweise der
Wärmeübertrager 56 über eine Hin-Kühlmittelleitung 60a mit dem Modul 1 1 verbunden; das Modul 1 1 ist über eine Kühlmittelleitung 60b mit dem Modul 1_2 verbunden; und das Modul 1_2 ist über eine Kühlmittelleitung 60c mit dem Modul 1_3 verbunden. In gleicher Art und Weise ist das Modul 1_3 mit dem nächstfolgenden Modul 1_4 (nicht dargestellt) über eine Kühlmittelleitung 60 verbunden und so weiter. Das letzte Modul l_n des Phasenmodulzweigs 11 ist über eine Rück- Kühlmittelleitung 60d mit dem Kühlmittelbehälter 52
verbunden. Der Kühlmittelbehälter 52 ist über eine
Kühlmittelleitung 60 mit der Pumpe 54 verbunden; die Pumpe 54 ist über eine Kühlmittelleitung 60 mit dem Wärmeübertrager 56 verbunden. Die Kühlmittelleitungen 60 sind in den Figuren mittels zweier paralleler Linien in der Art eines Rohres dargestellt. Die elektrischen Leitungen des Stromrichters sind dagegen jeweils mittels einer einzelnen Linie
dargestellt .
In dem Kühlmittelbehälter 52 befindet sich ein Vorrat an Kühlmittel 70. Das Kühlmittel 70 kann aus dem
Kühlmittelbehälter 52 mittels der Pumpe 54 durch den
Wärmeübertrager 56, durch die Module 1_1 ... l_n des ersten Phasenmodulzweigs 11 und danach wieder zurück zum
Kühlmittelbehälter 52 gepumpt werden. Somit weist die
Kühlvorrichtung 50 einen Kühlkreislauf 72
(Kühlmittelkreislauf 72) auf. An den Kühlkreislauf 72 sind auch die Module 3_1 ... 3_n des dritten Phasenmodulzweigs 18 und die Module 5_1 ... 5_n des fünften Phasenmodulzweigs 27 angeschlossen. Mittels des Kühlmittelkreislaufs 72 können also in den Modulen angeordnete
Leistungshalbleiterbauelemente gleichzeitig gekühlt werden. Als Kühlmittel 70 kann beispielsweise gereinigtes Wasser verwendet werden. Ein solches Kühlmittel weist eine sehr geringe elektrische Leitfähigkeit auf. Daher kann ein solches Kühlmittel beispielsweise bei einem Hochspannungs- Stromrichter bzw. bei einem Stromrichter einer Hochspannungs- Gleichstrom-Übertragungsanlage (zum Beispiel bei Spannungen zwischen 100 kV und 500 kV) eingesetzt werden. Zur Kühlung der Leistungshalbleiterbauelemente der Module des zweiten Phasenmodulzweigs 13, des vierten Phasenmodulzweigs 21 und des sechsten Phasenmodulzweigs 29 existiert eine weitere Kühlvorrichtung 80. Diese weitere Kühlvorrichtung 80 ist identisch aufgebaut zu der Kühlvorrichtung 50 des ersten, dritten und fünften Phasenmodulzweigs 11, 18 und 27.
Selbstverständlich können auch sämtliche Module des
Stromrichters 1 mittels einer einzigen Kühlvorrichtung (d. h. mittels eines einzigen Kühlmittelbehälters 52, einer einzigen Pumpe 54 und eines einzigen Wärmeübertragers 56) gekühlt werden. Alternativ ist es auch möglich, mehr als zwei
Kühlvorrichtungen zur Kühlung der Module des Stromrichters 1 einzusetzen .
Der Kühlmittelbehälter 52 enthält einen Vorrat des
Kühlmittels 70. Der Kühlmittelbehälter 52 ist optional: das Kühlmittel kann auch in ausreichender Menge in den
Kühlmittelleitungen 60, in der Pumpe 54 und im
Wärmeübertrager 56 vorhanden sein.
Figur 2 zeigt beispielhaft den Aufbau eines zweipoligen
Moduls 201. Dabei kann es sich beispielsweise um das Modul 1_1 des ersten Phasenmodulzweigs 11 (oder auch um eines der anderen in Figur 1 dargestellten Module) handeln. Das Modul ist als ein Halbbrückenmodul 201 ausgestaltet. Das Modul 201 weist ein erstes Leistungshalbleiterbauelement 202 in Form eines ein- und abschaltbaren elektronischen Schaltelements 202 mit einer ersten antiparallel geschalteten Diode 204 (erste Freilaufdiode 204) auf. Weiterhin weist das Modul 201 ein zweites Leistungshalbleiterbauelement 206 in Form eines ein- und abschaltbaren elektronischen Schaltelements 206 mit einer zweiten antiparallel geschalteten Diode 208 (zweite Freilaufdiode 208) und einen elektrischen Energiespeicher 210 in Form eines elektrischen Kondensators 210 auf. Das erste Leistungshalbleiterbauelement 202 und das zweite
Leistungshalbleiterbauelement 206 sind jeweils als ein IGBT (insulated-gate bipolar transistor) ausgestaltet. Das erste Leistungshalbleiterbauelement 202 ist elektrisch in Reihe geschaltet mit dem zweiten Leistungshalbleiterbauelement 206. Am Verbindungspunkt zwischen den beiden
Leistungshalbleiterbauelemente 202 und 206 ist ein erster (galvanischer) Modulanschluss 212 angeordnet. An dem
Anschluss des zweiten Leistungshalbleiterbauelements 206, welcher dem Verbindungspunkt gegenüberliegt, ist ein zweiter (galvanischer) Modulanschluss 215 angeordnet. Der zweite Modulanschluss 215 ist weiterhin mit einem ersten Anschluss des Energiespeichers 210 verbunden; ein zweiter Anschluss des Energiespeichers 210 ist elektrisch verbunden mit dem
Anschluss des ersten Leistungshalbleiterbauelements 202, der dem Verbindungspunkt gegenüberliegt.
Der Energiespeicher 210 ist also elektrisch parallel
geschaltet zu der Reihenschaltung aus dem ersten
Leistungshalbleiterbauelement 202 und dem zweiten
Leistungshalbleiterbauelement 206. Durch entsprechende
Ansteuerung des ersten Leistungshalbleiterbauelements 202 und des zweiten Leistungshalbleiterbauelements 206 kann erreicht werden, dass zwischen dem ersten Modulanschluss 212 und dem zweiten Modulanschluss 215 entweder die Spannung des
Energiespeichers 210 ausgegeben wird oder keine Spannung ausgegeben wird (d.h. eine Nullspannung ausgegeben wird). Durch Zusammenwirken der Module der einzelnen
Phasenmodulzweige kann so die jeweils gewünschte
Ausgangsspannung des Stromrichters erzeugt werden. Die
Ansteuerung des ersten Leistungshalbleiterbauelements 202 und des zweiten Leistungshalbleiterbauelements 206 erfolgt im Ausführungsbeispiel mittels der (oben erwähnten) von der Steuereinrichtung des Stromrichters zu dem Modul übertragenen Nachricht bzw. Signal.
Das erste Leistungshalbleiterbauelement 202 ist mit einem ersten Leistungshalbleiterbauelement-Kühlkörper 220 versehen; das zweite Leistungshalbleiterbauelement 206 ist mit einem zweiten Leistungshalbleiterbauelement-Kühlkörper 222 versehen. Die erste Freilaufdiode 204 ist mit einem ersten Dioden-Kühlkörper 226 versehen; die zweite Freilaufdiode 208 ist mit einem zweiten Dioden-Kühlkörper 228 ausgestattet.
Die Kühlkörper 220, 222, 226 und 228 stehen in einem engen thermischen Kontakt mit dem jeweiligen Bauelement und sind in der Lage, die in dem Bauelement entstehende Abwärme
aufzunehmen und an das flüssige Kühlmittel 70 weiterzuleiten. Daher stehen die Kühlkörper 220, 222, 226 und 228 jeweils in engem thermischen Kontakt (thermische Kopplung) mit dem
Kühlmittel 70. So sind das erste
Leistungshalbleiterbauelement 202, das zweite
Leistungshalbleiterbauelement 206 und auch die erste
Freilaufdiode 204 und die zweite Freilaufdiode 208 thermisch mit dem Kühlmittel 70 gekoppelt.
Die Kühlkörper sind in den Figuren lediglich schematisch dargestellt. Die Kühlkörper können kühlmitteldurchströmte (flüssigkeitsdurchströmte) Kühlkörper sein (d.h. die
Kühlkörper weisen kühlmitteldurchströmte Kanäle auf) . Die Kühlkörper können jeweils aus massivem Metall bestehen, beispielsweise aus Kupfer oder Aluminium.
Die Kühlkörper 220, 222, 226 und 228 sind Teil einer
Kühleinrichtung 229 des Moduls. Die Kühleinrichtung 229 weist neben den Kühlkörpern auch modulinterne Kühlmittelkanäle 230 zum Transport des Kühlmittels zu den Kühlkörpern und von den Kühlkörpern weg auf. Weiterhin weist die Kühleinrichtung 229 einen Kühlmitteleinlass 231 (Kühlmittelzulauf 231) und einen Kühlmittelauslass 232 (Kühlmittelablauf 232) auf. Der
Kühlmitteleinlass 231 dient dem Zuführen (Zuleiten) des
Kühlmittels zu dem Modul 201, der Kühlmittelauslass 232 dient dem Abführen (Ableiten) des Kühlmittels aus dem Modul.
Genauer gesagt, dient der Kühlmitteleinlass 231 dem Zuführen des Kühlmittels 70 zu den Kühlkörpern des Moduls 201, der Kühlmittelauslass 232 dient dem Abführen (Ableiten) des
Kühlmittels von den Kühlkörpern des Moduls. Der Kühlmitteleinlass 231 und der Kühlmittelauslass 232 sind beispielsweise jeweils als ein lösbarer Kühlmittelanschluss ausgestaltet, der mit der entsprechenden Kühlmittelleitung 60a bzw. oder 60b (vgl. Figur 1 bei Modul 1_1) verbindbar ist .
An dem Kühlmitteleinlass 231 ist ein erstes Ventil 234 angeordnet; an dem Kühlmittelauslass 232 ist ein zweites Ventil 235 angeordnet. Das erste Ventil 234 ermöglicht in seinem geöffneten Zustand den Zufluss des Kühlmittels zu dem Modul bzw. in das Modul und unterbricht in seinem
geschlossenen Zustand den Zufluss des Kühlmittels. Das erste Ventil 234 dient also zum Sperren des Kühlmitteleinlasses 231. Das zweite Ventil 235 ermöglicht in seinem geöffneten Zustand den Abfluss des Kühlmittels aus dem Modul und
unterbricht in seinem geschlossenen Zustand den Abfluss des Kühlmittels. Das zweite Ventil 234 dient also zum Sperren des Kühlmittelauslasses 232.
Im unteren Teil der Figur 2 ist mittels eines Pfeils 236 das (bei geöffnetem ersten Ventil 234) in das Modul 201
hineinströmende Kühlmittel 70 dargestellt; im oberen Teil der Figur 2 ist mittels eines Pfeils 238 das (bei geöffnetem zweiten Ventil 235) aus dem Modul 201 herausströmende
Kühlmittel 70 dargestellt. Mittels des durch das Modul 201 strömenden Kühlmittels 70 können das erste
Leistungshalbleiterbauelement 202, das zweite
Leistungshalbleiterbauelement 206, die erste Freilaufdiode 204 und die zweite Freilaufdiode 208 gekühlt werden.
Alternativ ist es natürlich auch möglich, dass mittels des Kühlmittels 70 nur einzelne Bauelemente des Moduls gekühlt werden, beispielsweise nur das erste
Leistungshalbleiterbauelement 202 und das zweite
Leistungshalbleiterbauelement 206. In diesem Fall können für die Kühlung der anderen Bauteile andere Kühlmöglichkeiten vorhanden sein, beispielsweise ein eigener Kühlmittel- Kreislauf . Das Kühlmittel 70 nimmt die Abwärme des ersten elektronischen Leistungshalbleiterbauelements 202, des zweiten
elektronischen Leistungshalbleiterbauelements 206, der ersten Freilaufdiode 204 und der zweiten Freilaufdiode 208 auf. Das Kühlmittel 70 transportiert die aufgenommene Abwärme zu dem Wärmeübertrager 56. Der Wärmeübertrager 56 gibt die Abwärme des Kühlmittels an die Umgebungsluft ab (vorzugsweise gibt der Wärmeübertrager 56 die Abwärme an die Umgebungsluft außerhalb des Stromrichtergebäudes ab) .
Dem Modul 201 ist ein Überbrückungsschalter 245 zugeordnet. Der Überbrückungsschalter 245 dient zum elektrischen
Überbrücken des Moduls 201. Der Überbrückungsschalter 245 verbindet in seinem geschlossenen Zustand den ersten
elektrischen Modulanschluss 212 mit dem zweiten elektrischen Modulanschluss 215 und überbrückt dann das Modul 201
elektrisch .
Bei Auftreten eines elektrischen Fehlers in dem Modul (zum Beispiel bei einem Defekt des ersten
Leistungshalbleiterbauelements 202 und/oder des zweiten
Leistungshalbleiterbauelements 206) wird der
Überbrückungsschalter 245 geschlossen und dadurch das Modul 201 elektrisch überbrückt. Dadurch kann der Stromrichter 1 mittels der restlichen intakten Module des jeweiligen
Phasenmodulzweigs Weiterarbeiten und braucht bei Auftreten eines elektrischen Fehlers in einem einzelnen Modul nicht abgeschaltet zu werden.
Bei Auftreten eines elektrischen Fehlers in dem Modul 201 wird das an dem Kühlmitteleinlass 231 angeordnete erste
Ventil 234 geschlossen. Dadurch wird der Kühlmitteleinlass gesperrt und es kann kein weiteres Kühlmittel in das Modul hineinströmen. Optional wird bei Auftreten des elektrischen Fehlers auch das an dem Kühlmittelauslass 232 angeordnete zweite Ventil 235 geschlossen. Dadurch wird der Kühlmittelauslass gesperrt und es kann kein Kühlmittel aus der mit dem Kühlmittelauslass 232 verbundenen
Kühlmittelleitung 60b in das Modul 201 zurückfließen. Durch das Schließen des ersten Ventils 234 und/oder des zweiten Ventils 235 wird verhindert, dass bei Auftreten des
elektrischen Fehlers Kühlmittel aus dem Modul 201 auslaufen kann. Solche elektrischen Fehler in dem Modul sind nämlich aufgrund der in dem Energiespeicher 210 gespeicherten großen Energiemenge oftmals mit einer heftigen Reaktion bzw.
Explosion in dem Modul verbunden, wodurch das Modul auch mechanisch beschädigt werden und daraufhin das Kühlmittel 70 auslaufen kann. Wenn in dem Stromrichter 1 eine größere Menge Kühlmittel ausläuft, dann muss der Stromrichter 1
abgeschaltet werden. Durch das Schließen des ersten Ventils 234 und/oder des zweiten Ventils 235 wird vorteilhafterweise erreicht, dass selbst bei mechanischer Beschädigung des
Moduls maximal eine kleine Restmenge von in dem Modul
enthaltenen Kühlmittel auslaufen kann. Ein Auslaufen des Großteils des Kühlmittels des Kühlkreislaufs oder sogar des gesamten Kühlmittels des Kühlkreislaufs wird jedoch
verhindert. Ein Abschalten des gesamten Stromrichters wird dadurch vermieden.
Optional kann vorteilhafterweise das erste Ventil 234
und/oder das zweite Ventil 235 so mit dem
Überbrückungsschalter 245 gekoppelt sein, dass bei einem Schließen des Überbrückungsschalters 245 auch das erste
Ventil 234 und/oder das zweite Ventil 235 geschlossen werden. Mittels des Überbrückungsschalters wird dann das Modul elektrisch überbrückt; mittels des geschlossenen ersten
Ventils 234 und/oder des geschlossenen zweiten Ventils 235 wird das Modul 201 von dem Kühlkreislauf abgetrennt. Die Kopplung zwischen dem Überbrückungsschalter 245 und dem ersten Ventil 234 und/oder zweiten Ventil 235 ist in Figur 2 schematisch als eine Strich-Punkt-Linie 248 angedeutet. Diese Kopplung kann beispielsweise elektrisch realisiert sein, zum Beispiel wird bei einem Schließen des Überbrückungsschalters 245 das erste Ventil 234 und/oder das zweite Ventil 235 elektrisch so angesteuert, dass das erste Ventil 234 und/oder das zweite Ventil 235 auch geschlossen werden.
In Figur 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Moduls
301 des modularen Multilevelstromrichters 1 dargestellt. Bei diesem Modul 301 kann es sich beispielsweise um das Modul 1_2 (oder auch um eines der anderen in Figur 1 dargestellten Module) handeln. Neben den bereits aus Figur 2 bekannten ersten Leistungshalbleiterbauelement 202, zweiten
Leistungshalbleiterbauelement 206, erster Freilaufdiode 204, zweiter Freilaufdiode 208 und Energiespeicher 210 weist das in Figur 3 dargestellte Modul 301 ein drittes
Leistungshalbleiterbauelement 302 mit einer antiparallel geschalteten dritten Freilaufiode 304 sowie ein viertes Leistungshalbleiterbauelement 306 mit einer vierten
antiparallel geschalteten Freilaufdiode 308 auf. Das dritte Leistungshalbleiterbauelement 302 und das vierte
Leistungshalbleiterbauelement 306 sind jeweils als ein IGBT ausgestaltet. Im Unterschied zur Schaltung der Figur 2 ist der zweite Modulanschluss 315 nicht mit dem zweiten
elektronischen Leistungshalbleiterbauelement 206 elektrisch verbunden, sondern mit einem Mittelpunkt einer elektrischen Reihenschaltung aus dem dritten Leistungshalbleiterbauelement
302 und dem vierten Leistungshalbleiterbauelement 306.
Das Modul 301 der Figur 3 ist ein sogenanntes Vollbrücken- Modul 301. Dieses Vollbrücken-Modul 301 zeichnet sich dadurch aus, dass bei entsprechender Ansteuerung der vier
elektronischen Leistungshalbleiterbauelemente zwischen dem ersten (galvanischen) Modulanschluss 212 und dem zweiten (galvanischen) Modulanschluss 315 wahlweise entweder die positive Spannung des Energiespeichers 210, die negative Spannung des Energiespeichers 210 oder eine Spannung des Wertes Null (Nullspannung) ausgegeben werden kann. Somit kann also mittels des Vollbrückenmoduls 301 die Polarität der Ausgangsspannung umgekehrt werden. Der Stromrichter 1 kann entweder nur Halbbrücken-Module 201, nur Vollbrücken-Module 301 oder auch Halbbrücken-Module 201 und Vollbrücken-Module 301 aufweisen. Über den ersten Modulanschluss 212 und den zweiten Modulanschluss 215, 315 fließen große elektrische Ströme des Stromrichters.
Bei dem Ausführungsbeispiel des Moduls 301 werden neben dem ersten elektronischen Leistungshalbleiterbauelement 202, dem zweiten elektronischen Leistungshalbleiterbauelement 206, der ersten Freilaufdiode 204 und der zweiten Freilaufdiode 208 zusätzlich auch das dritte elektronische
Leistungshalbleiterbauelement 302, das vierte elektronische Leistungshalbleiterbauelement 306, die dritte Freilaufdiode 304 sowie die vierte Freilaufdiode 308 mittels des
Kühlmittels 70 des Kühlmittelkreislaufs 72 gekühlt.
Wie beim Modul 201 ist auch bei dem Modul 301 der
Kühlmitteleinlass 231 mit dem ersten Ventil 234 versehen, der Kühlmittelauslass 232 ist mit dem zweiten Ventil 235
versehen. Das erste Ventil 234 ist also dem Kühlmitteleinlass 231 zugeordnet; das zweite Ventil 235 ist dem
Kühlmittelauslass 232 zugeordnet. Die Funktion und
Wirkungsweise des ersten Ventils 234 und des zweites Ventil 235 ist gleichartig wie bei dem in Figur 2 dargestellten Modul 201.
In Figur 4 ist schematisch ein Ausführungsbeispiel einer Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsanlage 401 dargestellt. Diese Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsanlage 401 weist zwei Stromrichter 1 auf, wie sie in Figur 1 dargestellt sind. Diese beiden Stromrichter 1 sind gleichspannungsseitig über eine Hochspannungs-Gleichstrom-Verbindung 405 elektrisch miteinander verbunden. Dabei sind die beiden positiven
Gleichspannungsanschlüsse 16 der Stromrichter 1 mittels einer ersten Hochspannungs-Gleichstrom-Leitung 405a elektrisch miteinander verbunden; die beiden negativen
Gleichspannungsanschlüsse 17 der beiden Stromrichter 1 sind mittels einer zweiten Hochspannungs-Gleichstrom-Leitung 405b elektrisch miteinander verbunden. Mittels einer derartigen Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsanlage 401 kann
elektrische Energie über weite Entfernungen übertragen werden; die Hochspannungs-Gleichstrom-Verbindung 405 weist dann eine entsprechende Länge auf.
In Figur 5 ist das Verfahren zum Kühlen eines Moduls des modularen Multilevelstromrichters 1 noch einmal mittels eines Ablaufdiagramms dargestellt.
Verfahrensschritt 502:
Dem Modul wird durch den Kühlmitteleinlass das Kühlmittel zugeführt .
Verfahrensschritt 504:
Mittels des Kühlmittels werden das erste
Leistungshalbleiterbauelement und/oder das zweite
Leistungshalbleiterbauelement gekühlt .
Verfahrensschritt 506:
Durch den Kühlmittelauslass wird das Kühlmittel aus dem Modul abgeführt (weggeleitet) .
Verfahrensschritt 508:
Bei Auftreten eines elektrischen Fehlers in dem Modul wird mittels eines an dem Kühlmitteleinlass 231 angeordneten ersten Ventils 234 der Kühlmitteleinlass gesperrt (indem das erste Ventil 234 geschlossen wird) .
Verfahrensschritt 510:
Bei Auftreten des Fehlers wird mittels eines an dem
Kühlmittelauslass 232 angeordneten zweiten Ventils 235 der Kühlmittelauslass gesperrt (indem das zweite Ventil 235 geschlossen wird) . Die Verfahrensschritte 508 und/oder 510 können optional so ausgestaltet sein, dass dem Modul der Überbrückungsschalter 245 zugeordnet ist, der bei Auftreten eines elektrischen Fehlers in dem Modul das Modul elektrisch überbrückt, und das erste Ventil und/oder das zweite Ventil so mit dem
Überbrückungsschalter gekoppelt sind, dass bei einem
Schließen des Überbrückungsschalters auch das erste Ventil und/oder das zweite Ventil geschlossen werden.
Es wurden ein Modul eines modularen Multilevelstromrichters und ein Verfahren zum Kühlen des Moduls beschrieben. Dieses Modul und dieses Verfahren weisen eine Reihe von Vorteilen auf :
- Bei Auftreten eines Fehlers in einem Modul kann das Modul zuverlässig von dem Kühlkreislauf des Stromrichters getrennt werden. Dies kann einfach und zuverlässig dadurch erfolgen, dass der Kühlmitteleinlass (und damit der Kühlmittelvorlauf) und/oder der Kühlmittelauslass (und damit der
Kühlmittelrücklauf) durch je ein Ventil abgetrennt werden.
- Die modulinterne Kühleinrichtung kann kostengünstig
aufgebaut werden, da nach einem fehlerbedingten Ausfall das Modul sicher vom Kühlkreislauf des Stromrichters abgetrennt ist. Es tritt maximal etwas Restkühlmittel aus dem Modul aus.
- Es können kostengünstige Kühlmittelkanäle im Modul
realisiert werden, die bei einem Ausfall des Moduls ohne die Ventile zu einer Kühlmittel-Leckage führen würden.
- Eine Abschaltung des Stromrichters wegen Kühlmittelauslauf wird vermieden, dadurch wird die Verfügbarkeit des
Stromrichters verbessert.

Claims

Patentansprüche
1. Modul (201) eines modularen Multilevelstromrichters (1) mit
- einem ersten Leistungshalbleiterbauelement (202) und einem zweiten Leistungshalbleiterbauelement (206),
- einer Kühleinrichtung (229) für das erste und das zweite Leistungshalbleiterbauelement (202, 206), wobei die
Kühleinrichtung (229) einen Kühlmitteleinlass (231) und einen Kühlmittelauslass (232) für ein Kühlmittel (70) aufweist, und
- einem ersten Ventil (234) zum Sperren des
Kühlmitteleinlasses (231).
2. Modul nach Anspruch 1,
g e k e n n z e i c h n e t d u r c h
- ein zweites Ventil (235) zum Sperren des
Kühlmittelauslasses (232).
3. Modul nach Anspruch 1 oder 2,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
- das erste Leistungshalbleiterbauelement (202) und das zweite Leistungshalbleiterbauelement (206) in einer
Halbbrückenschaltung angeordnet sind.
4. Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
- das Modul (301) ein drittes Leistungshalbleiterbauelement (302) und ein viertes Leistungshalbleiterbauelement (306) aufweist, und die vier Leistungshalbleiterbauelemente (202, 206, 302, 306) in einer Vollbrückenschaltung angeordnet sind.
5. Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
- das erste Ventil (234) und/oder das zweite Ventil (235) jeweils ein elektrisch angetriebenes Ventil oder ein
mechanisch angetriebenes Ventil ist.
6. Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
- dem Modul (201) ein Überbrückungsschalter (245) zugeordnet ist, der bei Auftreten eines elektrischen Fehlers in dem Modul das Modul (201) elektrisch überbrückt.
7. Modul nach Anspruch 6,
g e k e n n z e i c h n e t d u r c h
- das erste Ventil (234) und/oder das zweite Ventil (235) so mit dem Überbrückungsschalter (245) gekoppelt ist, dass bei einem Schließen des Überbrückungsschalters (245) auch das erste Ventil (234) und/oder das zweite Ventil (235) schließt.
8. Modularer Multilevelstromrichter (1) mit einer Mehrzahl von Modulen (201) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
9. Verfahren zum Kühlen eines Moduls (201) eines modularen Multilevelstromrichters (1), bei dem
- ein erstes Leistungshalbleiterbauelement (202) und ein zweites Leistungshalbleiterbauelement (206) des Moduls mittels einer Kühleinrichtung (229) des Moduls gekühlt werden, wobei die Kühleinrichtung (229) einen
Kühlmitteleinlass (231) und einen Kühlmittelauslass (232) für ein Kühlmittel (70) aufweist,
- dem Modul (201) durch den Kühlmitteleinlass (231) das
Kühlmittel (70) zugeführt wird,
- mittels des Kühlmittels (70) das erste
Leistungshalbleiterbauelement (202) und das zweite
Leistungshalbleiterbauelement (206) gekühlt werden,
- durch den Kühlmittelauslass (232) das Kühlmittel (70) aus dem Modul (201) abgeführt wird, und
- bei Auftreten eines Fehlers in dem Modul (201) mittels eines an dem Kühlmitteleinlass (231) angeordneten ersten Ventils (234) der Kühlmitteleinlass (231) gesperrt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
- bei Auftreten des Fehlers mittels eines an dem
Kühlmittelauslass (232) angeordneten zweiten Ventils (235) der Kühlmittelauslass (232) gesperrt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
- dem Modul (201) ein Überbrückungsschalter (245) zugeordnet ist, der bei Auftreten eines elektrischen Fehlers in dem Modul (201) das Modul elektrisch überbrückt, und bei einem Schließen des Überbrückungsschalters (245) auch das erste Ventil (234) und/oder das zweite Ventil (235) geschlossen werden .
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