FR3100403A1 - Modular multilevel converter for low voltage application with optimized capacitor sizing - Google Patents

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Abstract

Convertisseur modulaire multiniveaux pour application basse tension avec dimensionnement optimisé des condensateurs Un MMC (1, 31) avec au moins une branche (30), deux modules externes (2, 3, 2, 33) et un module interne (4, 34), chaque module (1-4, 32-34) comprenant deux unités de commutation (7, 8, 37, 38) comportant chacune une diode (12, 42) et un transistor bipolaire à grille isolée (IGBT) (13, 43), une première, une deuxième et une troisième bornes (9, 10, 11 , 39, 40, 41). Le module interne (4, 34) comprend en outre une capacité (18, 48) connectée entre la première borne (9, 39) du module interne (4, 34) et la seconde borne (10, 40) du module interne (4, 34), Le convertisseur (1, 31) comprend une première capacité externe (19, 49) connectée entre la première borne (9, 39) du premier module externe (2, 32) et la seconde borne (10, 40) de la première module (2, 32) et une seconde capacité externe (20, 50) connectée entre la première borne (9, 39) du second module externe (3, 33) et la seconde borne (10, 40) de la seconde borne externe module (3, 33) de ladite au moins une branche. Figure pour l’abrégé : Fig. 5.Modular multilevel converter for low voltage application with optimized sizing of capacitors One MMC (1, 31) with at least one branch (30), two external modules (2, 3, 2, 33) and one internal module (4, 34), each module (1-4, 32-34) comprising two switching units (7, 8, 37, 38) each comprising a diode (12, 42) and an insulated gate bipolar transistor (IGBT) (13, 43), a first, a second and a third terminal (9, 10, 11, 39, 40, 41). The internal module (4, 34) further comprises a capacitor (18, 48) connected between the first terminal (9, 39) of the internal module (4, 34) and the second terminal (10, 40) of the internal module (4 , 34), The converter (1, 31) comprises a first external capacitor (19, 49) connected between the first terminal (9, 39) of the first external module (2, 32) and the second terminal (10, 40) of the first module (2, 32) and a second external capacitor (20, 50) connected between the first terminal (9, 39) of the second external module (3, 33) and the second terminal (10, 40) of the second terminal external module (3, 33) of said at least one branch. Figure for the abstract: Fig. 5.

Description

Convertisseur modulaire multiniveaux pour application basse tension avec dimensionnement optimisé des condensateursMultilevel modular converter for low voltage application with optimized capacitor sizing

L'invention concerne de manière générale les convertisseurs de source de tension, et plus particulièrement un convertisseur modulaire multiniveaux (MMC) pour une application à basse tension.The invention relates generally to voltage source converters, and more particularly to a modular multilevel converter (MMC) for a low voltage application.

Les convertisseurs multiniveaux ont suscité un vif intérêt dans ce secteur. Ils présentent des avantages différents tels qu’une plus faible distorsion harmonique, une taille de filtre plus petite, des interférences électromagnétiques (EMI) réduites, et une efficacité supérieure. De plus, des dispositifs à semi-conducteurs à basse tension peuvent être utilisés pour synthétiser des niveaux de tension plus élevés.Multilevel converters have aroused great interest in this sector. They have different advantages such as lower harmonic distortion, smaller filter size, reduced electromagnetic interference (EMI), and higher efficiency. Additionally, low voltage semiconductor devices can be used to synthesize higher voltage levels.

Plusieurs topologies peuvent fournir une tension alternative (AC). Les points neutres clampés (NPC pour « neutral point clamped » en anglais), les condensateurs volants (FC pour « flying capacitor » en anglais), le pont en H en cascade et le convertisseur modulaire multiniveaux (MMC) sont les topologies de base des onduleurs à plusieurs niveaux. La topologie NPC et ses variantes sont les plus répandues et les plus utilisées dans les applications industrielles pour les applications à basse tension.Several topologies can provide alternating voltage (AC). Neutral Point Clamped (NPC), Flying Capacitor (FC), Cascading H-Bridge, and Multilevel Modular Converter (MMC) are the basic topologies of multi-level inverters. The NPC topology and its variants are the most common and widely used in industrial applications for low voltage applications.

La topologie MMC, introduite au début des années 2000 pour le convertisseur haute tension à courant continu (HVDC), a fait l’objet d’une attention particulière en raison de ses nombreuses fonctionnalités. Les fonctionnalités les plus pertinentes sont: la modularité, l'évolutivité et la fiabilité.The MMC topology, introduced in the early 2000s for the high voltage to direct current (HVDC) converter, has received significant attention due to its many features. The most relevant features are: modularity, scalability and reliability.

Tout comme un convertisseur à deux niveaux ou un convertisseur à commutation de ligne à six impulsions, un MMC, c’est-à-dire un convertisseur modulaire multiniveaux, est composée de six modules, chacun connectant une borne alternative à une borne continue. Toutefois, là où chaque module du convertisseur à deux niveaux est un commutateur à haute tension composé d’un grand nombre de transistors bipolaires à grille isolée (IGBT), ou de semi-conducteurs équivalents tels que des transistors, des Mosfet SIC, etc., connectés en série, chaque module d’un MMC est une source de tension contrôlable distincte. Les IGBT ou autres semi-conducteurs sont connectés en série afin d'avoir un dispositif équivalent de tension supérieure. Chaque module MMC comprend un certain nombre de sous-modules de conversion indépendants, chacun contenant son propre condensateur de stockage. Dans la forme la plus courante du circuit, la variante en demi-pont, chaque sous-module contient deux IGBT connectés en série aux bornes du condensateur, avec le nœud électrique couplé aux deux IGBT et une des deux bornes du condensateur sortis pour former deux connexions externes. Selon lequel des deux IGBT de chaque sous-module est activé, le condensateur est contourné ou connecté au circuit. Chaque sous-module agit donc comme un convertisseur à deux niveaux indépendant générant une tension nulle ou d’une valeur Usm(où Usm est la tension du condensateur du sous-module). Avec un nombre approprié de sous-modules connectés en série, le module peut synthétiser une forme d'onde de tension échelonnée se rapprochant de très près d'une onde sinusoïdale et contenant de très faibles niveaux de distorsion harmonique.Much like a two-level converter or a six-pulse line-commutated converter, an MMC, i.e., modular multi-level converter, is made up of six modules, each of which connects an AC terminal to a DC terminal. However, where each module of the two-level converter is a high-voltage switch composed of a large number of insulated-gate bipolar transistors (IGBTs), or equivalent semiconductors such as transistors, SIC Mosfets, etc. , connected in series, each module of an MMC is a separate controllable voltage source. IGBTs or other semiconductors are connected in series in order to have a higher voltage equivalent device. Each MMC module comprises a number of independent converter sub-modules, each containing its own storage capacitor. In the most common form of the circuit, the half-bridge variant, each sub-module contains two IGBTs connected in series across the capacitor terminals, with the electrical node coupled to the two IGBTs and one of the two capacitor terminals pulled out to form two external connections. Depending on which of the two IGBTs of each submodule is enabled, the capacitor is bypassed or connected to the circuit. Each sub-module therefore acts as an independent two-level converter generating a voltage of zero or of a value U sm (where Usm is the voltage of the capacitor of the sub-module). With an appropriate number of submodules connected in series, the module can synthesize a stepped voltage waveform that closely approximates a sine wave and contains very low levels of harmonic distortion.

Le MMC diffère des autres types de convertisseur en ce que le courant circule de manière continue dans les six modules du convertisseur tout au long du cycle de fréquence du secteur. Le courant continu se divise de manière égale dans les trois phases et le courant alternatif se divise également dans les modules supérieure et inférieure de chaque phase.The MMC differs from other converter types in that current flows continuously through all six converter modules throughout the mains frequency cycle. The direct current divides equally in the three phases and the alternating current divides equally in the upper and lower modules of each phase.

Un MMC typique pour une application HVDC contient environ 300 sous-modules connectés en série dans chaque vanne et équivaut donc à un convertisseur de niveau 301. Par conséquent, les performances harmoniques sont excellentes et aucun filtre n’est généralement nécessaire.A typical MMC for an HVDC application contains approximately 300 sub-modules connected in series in each valve and is therefore equivalent to a 301 level converter. As a result, harmonic performance is excellent and no filters are usually required.

Un autre avantage du MMC réside dans le fait qu’il n’est pas nécessaire de recourir à une modulation de largeur d’impulsion (PWM), de sorte que les pertes de puissance sont bien inférieures à celles du convertisseur à deux niveaux, à environ 1% par extrémité.Another advantage of the MMC is that there is no need for Pulse Width Modulation (PWM), so the power losses are much lower than the two-level converter, at about 1% per end.

Enfin, étant donné que la connexion en série directe des IGBT n’est pas nécessaire, les commandes de grille IGBT n’ont pas besoin d’être aussi sophistiquées que celles d’un convertisseur à deux niveaux.Finally, since direct series connection of the IGBTs is not required, the IGBT gate drives need not be as sophisticated as those of a two-level converter.

Le MMC présente deux inconvénients principaux. Tout d'abord, le contrôle est beaucoup plus complexe que celui d'un convertisseur à deux niveaux. Équilibrer les tensions de chacun des condensateurs de sous-module est un défi de taille et nécessite une puissance de calcul considérable et des communications à haute vitesse entre l'unité de commande centrale et la vanne. Deuxièmement, les condensateurs de sous-module sont eux-mêmes grands et encombrants. Un MMC est considérablement plus grand qu'un convertisseur à niveau comparable, bien que cela puisse être compensé par le gain de place dû à l'absence de filtres.The MMC has two main drawbacks. First of all, the control is much more complex than that of a two-level converter. Balancing the voltages of each of the submodule capacitors is a tall order and requires considerable computing power and high-speed communications between the central control unit and the valve. Second, the submodule capacitors themselves are large and bulky. An MMC is considerably larger than a comparable-level converter, although this may be offset by the space saving due to the lack of filters.

En raison des principales caractéristiques (modularité, évolutivité et fiabilité) offertes par la topologie MMC, les MMC sont utilisés dans les applications haute et moyenne tension. Pour les basses tensions, les MMC ne sont généralement pas utilisés dans les applications industrielles.Due to the main characteristics (modularity, scalability and reliability) offered by the MMC topology, MMCs are used in high and medium voltage applications. For low voltages, MMCs are generally not used in industrial applications.

La topologie MMC pourrait être arrangée avec un nombre élevé de modules afin de partager la tension en utilisant des composants de qualité inférieure. Ce concept pourrait également être étendu aux applications basse tension, mais compte tenu de la complexité des composants disponibles (principalement des commutateurs à semi-conducteurs), la fiabilité et la puissance cible du convertisseur doivent être prises en compte.²The MMC topology could be arranged with a high number of modules to share the voltage using lower quality components. This concept could also be extended to low voltage applications, but given the complexity of the components available (mainly solid-state switches), the reliability and target power of the converter must be considered.²

Sur la figure 1 est illustré un MMC 100 triphasé, connu dans l'état de la technique, conçu pour être couplé à une alimentation 101. Chaque branche 102 du MMC 100 comporte deux bras 104 (un bras supérieur et un bras inférieur) avec deux modules 106 par bras 104. Chaque module 106 comprend deux unités de commutation 108 couplées en série, et un condensateur 110 couplé en parallèle avec l'ensemble formé par les deux unités de commutation 108 en série. Chaque unité de commutation 108 est formée d'un transistor MOSFET couplé en parallèle avec une diode.In Figure 1 is illustrated a three-phase MMC 100, known in the state of the art, designed to be coupled to a power supply 101. Each branch 102 of the MMC 100 comprises two arms 104 (an upper arm and a lower arm) with two modules 106 per arm 104. Each module 106 comprises two switching units 108 coupled in series, and a capacitor 110 coupled in parallel with the assembly formed by the two switching units 108 in series. Each switching unit 108 is formed by a MOSFET transistor coupled in parallel with a diode.

Les deux bras supérieur et inférieur 104 d'une même branche 102 sont couplés à une borne de sortie 112 de la jambe par l'intermédiaire de deux inductances 114 distinctes, une inductance supérieure 114 couplée entre le bras supérieur 104 et la borne de sortie 112 et une inductance inférieure 114 couplée entre le bras inférieur 104 et la borne de sortie 112.The two upper and lower arms 104 of the same branch 102 are coupled to an output terminal 112 of the leg via two separate inductances 114, an upper inductance 114 coupled between the upper arm 104 and the output terminal 112 and a lower inductor 114 coupled between lower arm 104 and output terminal 112.

Le MMC triphasé 100 illustré à la figure 1 représente l'installation minimale pour pouvoir utiliser une topologie MMC pour une application à basse tension.The three-phase MMC 100 shown in Figure 1 represents the minimum installation to be able to use an MMC topology for a low voltage application.

Les deux bras 104 d'une branche 102 fonctionnent pratiquement parallèlement. Le courant supérieur iuest défini par l’équation 1 suivante :
[Math 1] équation 1The two arms 104 of a branch 102 operate practically parallel. The upper current i u is defined by the following equation 1:
[Math 1] equation 1

Avec Idcle courant issu de l'alimentation 101, Ioutle courant issu de la borne de sortie 112, ω la fréquence du signal alimenté par l'alimentation 101 et ϕ son déphasage.With I dc the current from the power supply 101, I out the current from the output terminal 112, ω the frequency of the signal supplied by the power supply 101 and ϕ its phase shift.

Le courant inférieur il est défini par l'équation 2 :
[Math 2] équation 2The lower current is defined by equation 2:
[Math 2] equation 2

A partir des équations 1 et 2 on peut obtenir les équations 3 et 4 suivantes:
[Math 3] équation 3
[Math 4] équation 4From equations 1 and 2 we can obtain the following equations 3 and 4:
[Math 3] equation 3
[Math 4] equation 4

Comme on peut le voir, le courant supérieur iu(t) et le courant inférieur il(t) ont un terme représentant le courant de sortie iout défini dans l’équation 3, et deux termes de mode commun représentant le courant en circulation défini par l'équation 4.As can be seen, the upper current ia(t) and the lower current iI(t) have a term representing the output current iout defined in equation 3, and two common mode terms representing the circulating current defined by equation 4.

Tel que défini par l'équation 5 suivante, le terme Idcdépend uniquement de la puissance gérée par l'onduleur, qui, dans un onduleur triphasé, correspond à la puissance de sortie totale Pout.
[Math 5] équation 5As defined by the following equation 5, the term I dc depends only on the power handled by the inverter, which, in a three-phase inverter, corresponds to the total output power P out .
[Math 5] equation 5

Le terme I2 ωcos (2ωt + ϕ) dépend de la stratégie de contrôle actuelle utilisée. En règle générale, plus le courant de deuxième harmonique circulant est élevé, plus la valeur requise pour la capacité de chaque module pour la même ondulation de tension est basse. Même la valeur des inductances et des condensateurs influence la circulation du courant des deuxièmes harmoniques.The term I 2 ω cos (2ωt + ϕ) depends on the current control strategy used. Generally, the higher the second harmonic current flowing, the lower the value required for the capacitance of each module for the same voltage ripple. Even the value of inductors and capacitors influences the current flow of second harmonics.

La basse tension a été définie internationalement comme allant jusqu'à 1000 VACet 1500 VDC. En effet, dans les applications industrielles à basse tension, il existe deux principaux bus à courant continu (bus DC) utilisés pour faire fonctionner un onduleur:
- 800 Vnom1000 Vmax
- 1200 Vnom1500 Vmax Low voltage has been defined internationally as up to 1000 V AC and 1500 V DC . Indeed, in low voltage industrial applications, there are two main direct current buses (DC buses) used to operate an inverter:
- 800 V nom 1000 V max
- 1200 V nom 1500 V max

Les semi-conducteurs potenitllement utilisables sont :
- des IGBT de 650 V et 1200 V
- des MOSFET SIC de 650V, 900V, ou 1200V,
- des MOSFET GAN.Potentially usable semiconductors are:
- 650 V and 1200 V IGBTs
- 650V, 900V, or 1200V SIC MOSFETs,
- GAN MOSFETs.

Mais les MOSFETS silicium qui ont une tension de polarisation Vddsupérieure à 200 V ne conviennent pas à cause de la faible capacité de recouvrement de la diode.But the silicon MOSFETS which have a bias voltage V dd higher than 200 V are not suitable because of the low recovery capacity of the diode.

En conséquence, pour les applications à basse tension, le choix optimal consiste à utiliser des composants de 650 V ou 1200 V.As a result, for low voltage applications, the optimal choice is to use 650 V or 1200 V components.

La tension de maintien minimale de chaque commutateur Vswdans le MMC pourrait être évaluée comme suit par l'équation 6 :
[Math 6] équation 6The minimum holding voltage of each switch V sw in the MMC could be evaluated as follows by equation 6:
[Math 6] equation 6

Où N est le nombre de modules 106 par bras 104, Vnomest la tension nominale du bus DC et 1,5 est une marge de sécurité tenant compte de toute augmentation de tension possible pendant le fonctionnement, telle que pics de surtension, tension supérieure à la tension nominale, etc.Where N is the number of 106 modules per 104 arm, V nom is the nominal DC bus voltage, and 1.5 is a safety margin to account for any possible voltage increases during operation, such as overvoltage spikes, over voltage at rated voltage, etc.

Le nombre optimal N de modules 106 par bras 104 à utiliser est défini par l'équation 7 :
[Math 7] équation 7The optimum number N of modules 106 per arm 104 to be used is defined by equation 7:
[Math 7] equation 7

Le nombre N de modules 106 par branche 104 dans un MMC basse tension est calculé avec :
Vnom= 1200 V pour N>1,5
Vnom= 650 V pour N>1,85The number N of modules 106 per branch 104 in a low voltage MMC is calculated with:
V nom = 1200 V for N>1.5
V nom = 650 V for N>1.85

Par conséquent, pour la basse tension, le nombre minimal et optimal N de modules 106 par branche 104 est de deux modules 106.Therefore, for low voltage, the minimum and optimal number N of 106 modules per branch 104 is two 106 modules.

Les solutions actuelles pour les onduleurs ou les redresseurs multiniveaux pour la basse tension dans le secteur industriel sont l'inverseur à point neutre clampé (NPC) ou une solution dérivée avec un agencement similaire (TNPC ou NPC2).Current solutions for inverters or multilevel rectifiers for low voltage in the industrial sector are the clamped neutral point inverter (NPC) or a derived solution with a similar arrangement (TNPC or NPC2).

Une topologie comportant un nombre de niveaux supérieur à trois est possible et s'applique également aux applications à moyenne ou haute tension, mais sa complexité et son coût sont si élevés que son utilisation ne pourrait être justifiée que dans des conditions spécifiques et non pour des applications industrielles à basse tension.A topology with more than three levels is possible and also applies to medium or high voltage applications, but its complexity and cost are so high that its use could only be justified under specific conditions and not for specific conditions. low voltage industrial applications.

La topologie des NPC souffre d'un inconvénient majeur en raison de l'inductance parasite qui peut limiter le fonctionnement lorsqu'un courant élevé ou une variation importante de courant (dI/dt), due à des dispositifs à grande vitesse, sont utilisés notamment lorsque le fonctionnement à quatre quadrants est requis.NPC topology suffers from a major drawback due to parasitic inductance which can limit operation when high current or high current variation (dI/dt), due to high speed devices, are used especially when four-quadrant operation is required.

En raison de la connexion géométrique des différents commutateurs, l'inductance de fuite dans les boucles de commutation limite le courant maximal et la variation temporelle du courant (DI/dt).Due to the geometric connection of the different switches, the leakage inductance in the switching loops limits the maximum current and the time variation of current (DI/dt).

Les principales situations critiques apparaissent lorsque l'onduleur gère un courant de signe opposé à la tension ou lorsqu'il est utilisé en tant que redresseur.The main critical situations appear when the inverter manages a current of opposite sign to the voltage or when it is used as a rectifier.

La connexion géométrique et la minimisation des boucles de commutation obligent à utiliser des modules de puissance spécialement dédiés pour les applications de moyenne puissance, dans lesquelles un segment est intégré dans un seul boîtier, tandis que pour les applications de forte puissance, cette solution est applicable, du fait des dimensions des composants, mais seulement avec des dispositions spécifiques ou en contrôlant activement le chemin de circulation du courant.The geometric connection and the minimization of switching loops make it necessary to use specially dedicated power modules for medium power applications, in which a segment is integrated in a single box, while for high power applications this solution is applicable. , due to the dimensions of the components, but only with specific provisions or by actively controlling the current flow path.

Ce problème a peu d’impact dans les applications utilisant des onduleurs pour énergies renouvelables fonctionnant avec un facteur de puissance assez élevé (cosϕ ~ 1 à 0,9), mais il est particulièrement pertinent dans les applications relatives aux onduleurs ou aux redresseurs.This problem has little impact in applications using renewable energy inverters operating with a fairly high power factor (cosϕ ~ 1 to 0.9), but it is particularly relevant in applications relating to inverters or rectifiers.

Un autre inconvénient du NPC est que les commutateurs ne sont pas tous utilisés de la même manière, car les commutateurs externe et interne ne présentent pas la même dissipation de puissance en raison de la stratégie de modulation. De plus, les transactions entre les sections supérieure et inférieure (passage par zéro de la tension) doivent être soigneusement synchronisées, en particulier lorsque le courant est déphasé par rapport à la tension.Another disadvantage of the NPC is that the switches are not all used in the same way, because the external and internal switches do not have the same power dissipation due to the modulation strategy. In addition, transactions between the upper and lower sections (zero crossing of the voltage) must be carefully synchronized, especially when the current is out of phase with the voltage.

La topologie MMC standard pourrait résoudre les trois problèmes précédents, à savoir l’inductance parasite, le fait que les commutateurs ne sont pas utilisés de la même manière et la synchronisation au passage par zéro.The standard MMC topology could solve the three previous problems, namely parasitic inductance, the fact that the switches are not used in the same way, and the synchronization at the zero crossing.

En effet, chaque module pouvant être réalisé avec deux commutateurs et un condensateur, l’inductance parasite peut être minimisée assez facilement même en utilisant un assemblage de module standard et peu coûteux.Indeed, since each module can be made with two switches and a capacitor, parasitic inductance can be minimized quite easily even using a standard and inexpensive module assembly.

De plus, dans une topologie MMC, les commutateurs sont toujours modulés et pas seulement en demi-onde. La quantité de courant qui circule dépend de la puissance mais également de la stratégie de modulation (contrôle du courant circulant) et des rapports Vdcet Vout. En conséquence, les commutateurs dissipent la même quantité de pertes, ce qui permet un fonctionnement plus uniforme de la température.Also, in an MMC topology, the switches are always modulated and not just half-wave. The quantity of current that circulates depends on the power but also on the modulation strategy (control of the circulating current) and on the V dc and V out ratios. As a result, the switches dissipate the same amount of losses, allowing for more even temperature operation.

De plus, la synchronisation au passage par zéro n'est plus demandée grâce à la modulation continue qui améliore également le THD de la forme d'onde de sortie.Additionally, zero-cross synchronization is no longer required thanks to continuous modulation which also improves the THD of the output waveform.

Malheureusement, l’énorme valeur de la capacité et, à son tour, de l’énergie stockée dans les condensateurs des modules, limite l’utilisation de la topologie classique MMC dans les applications à basse tension.Unfortunately, the enormous amount of capacitance and, in turn, energy stored in module capacitors, limits the use of classic MMC topology in low voltage applications.

Comme il est illustré sur les figures 2 et 3, qui représentent deux schémas électriques de deux branches MMC standard 102 avec deux modules 106 par bras (figure 2 sans point neutre et figure 3 avec point neutre), le nombre de niveaux de tension appliqués à une charge ou à un filtre de sortie pour un convertisseur triphasé est de trois (N + 1) si l'on considère phase à neutre, alors qu'il est de cinq (2N + 1) si l'on considère phase à phase.As shown in Figures 2 and 3, which represent two electrical diagrams of two standard MMC branches 102 with two modules 106 per arm (Figure 2 without neutral point and Figure 3 with neutral point), the number of voltage levels applied to a load or to an output filter for a three-phase converter is three (N+1) if we consider phase to neutral, while it is five (2N+1) if we consider phase to phase.

D'après les schémas présentés aux figures 2 et 3, on peut immédiatement se rendre compte que chaque condensateur 110 dans le circuit fonctionne indépendamment l'un de l'autre et qu'il n'y a pas de compensation d'ondulation dans un système triphasé ni de compensation entre les bras supérieur et inférieur. Du fait de l’indépendance des modules 106, la modulation demandée pour la synthèse de la tension de sortie pourrait être appliquée avec une certaine liberté entre les modules 106.From the diagrams shown in Figures 2 and 3, it can immediately be seen that each capacitor 110 in the circuit operates independently of one another and that there is no ripple compensation in a three-phase system or compensation between the upper and lower arms. Due to the independence of the 106 modules, the modulation required for the output voltage synthesis could be applied with some freedom between the 106 modules.

Cependant, il a été prouvé que l’utilisation d’une «porteuse à décalage de phase», ou « phase sift carrier » en anglais, est recommandée pour un MMC. Cette stratégie de modulation pourrait être de deux types : porteuse déphasée avec N porteuses ou porteuse déphasée avec 2N porteuses, N étant le nombre de modules.However, it has been proven that the use of a "phase shift carrier", or "phase sift carrier" in English, is recommended for an MMC. This modulation strategy could be of two types: phase-shifted carrier with N carriers or phase-shifted carrier with 2N carriers, where N is the number of modules.

Dans une porteuse déphasée à N porteuse, les modules d'un même bras sont pilotés par un PWM généré à partir du même signal à l'aide de porteuses décalées de 2π/N. Les bras supérieurs et inférieurs sont entraînés avec le même PWM.In a phase-shifted N-carrier, the modules of the same arm are driven by a PWM generated from the same signal using carriers shifted by 2π/N. Upper and lower arms are driven with the same PWM.

Dans une porteuse déphasée avec une porteuse 2N, les modules du bras supérieur sont pilotés avec un PWM généré à l'aide de porteuses décalées de 2π/N. Les modules situés dans le bras inférieur sont entraînés par un PWM généré à l’aide de porteuses décalées de 2π/N entre elles mais synchronisées avec un décalage de π/N par rapport au bras supérieur.In a phase shifted carrier with a 2N carrier, the upper arm modules are driven with a PWM generated using 2π/N shifted carriers. The modules located in the lower arm are driven by a PWM generated using carriers offset by 2π/N between them but synchronized with an offset of π/N with respect to the upper arm.

Dans l’état de la technique, certaines solutions matérielles et de contrôle ont été développées pour réduire le dimensionnement des condensateurs. Différentes idées ont déjà été proposées pour réduire ce problème en introduisant des modifications de la topologie, comme indiqué dans l'article de la revue IEEE publiée en octobre 2015 et intitulé « A modified modular multilevel converter with reduced capacitor voltage fluctuation », ou en contrôlant le courant traversant les bras du convertisseur, tels que décrits dans l'article de la revue IEEE publiée en 2018 et intitulé « An enhanced steady-state model and capacitor sizing method for modular multilevel converters for HVDC applications ».In the state of the art, some hardware and control solutions have been developed to reduce the dimensioning of capacitors. Various ideas have already been proposed to reduce this problem by introducing topology modifications, as discussed in the IEEE journal article published in October 2015 titled "A modified modular multilevel converter with reduced capacitor voltage fluctuation", or by controlling the current flowing through the converter arms, as described in the IEEE journal article published in 2018 entitled "An enhanced steady-state model and capacitor sizing method for modular multilevel converters for HVDC applications".

En particulier du point de vue matériel, le schéma électrique représenté à la figure 4 montre la solution équivalente à cinq niveaux proposée dans l'article de la revue IEEE publiée en octobre 2015 et intitulé « A modified modular multilevel converter with reduced capacitor voltage fluctuation ». Dans cette solution illustrée à la figure 4, les deux condensateurs externes de chaque branche, c’est-à-dire le condensateur externe de chaque bras, sont en commun en vue de la somme des trois courants qui, grâce à la caractéristique triphasée, a pour effet d’annuler presque le courant pulsé de chaque branche. Les inducteurs de branche sont décalés et les deux cellules internes sont réduites en une seule.In particular from the hardware point of view, the electrical diagram shown in Figure 4 shows the five-level equivalent solution proposed in the IEEE journal article published in October 2015 and titled "A modified modular multilevel converter with reduced voltage capacitor fluctuation". . In this solution illustrated in figure 4, the two external capacitors of each branch, that is to say the external capacitor of each arm, are in common with a view to the sum of the three currents which, thanks to the three-phase characteristic, has the effect of almost canceling the pulsating current of each branch. The branch inductors are staggered and the two inner cells are reduced into one.

Néanmoins, les réductions de capacité obtenues ne sont pas telles qu’elles présentent des avantages économiques et en termes de taille par rapport aux solutions actuelles. De plus, aucune recherche ou solution n'est proposée dans les applications à basse tension où la quantité de condensateurs est plus élevée en raison d'un rapport I/V plus élevé pour l'unité de puissance.Nevertheless, the capacity reductions obtained are not such that they present economic and size advantages compared to current solutions. Also, no research or solution is offered in low voltage applications where the amount of capacitors is higher due to higher I/V ratio for the power unit.

A cet effet, la présente invention propose une topologie MMC qui peut être utilisée aussi bien pour des applications à moyenne et haute tension que pour des applications à basse tension et qui présente une dimension optimisée.To this end, the present invention proposes an MMC topology which can be used both for medium and high voltage applications and for low voltage applications and which has an optimized size.

Dans un premier objet de l'invention, il est proposé un convertisseur modulaire multiniveaux comprenant au moins une branche destinée à être connectée à une phase, ladite au moins une branche comprenant un premier et un second modules externes et un unique module interne, chaque module externe et chaque module interne comprenant:
- une première et une deuxième unités de commutation comprenant chacune une diode, un transistor semi-conducteur, un premier connecteur électriquement connecté à un premier pôle de la diode et un premier pôle du transistor, et un deuxième connecteur électriquement connecté à un deuxième pôle de la diode et un deuxième pôle du transistor,
- une première borne électriquement connectée au premier connecteur de la première unité de commutation,
- une deuxième borne connectée électriquement au deuxième connecteur de la deuxième unité de commutation, et
- une troisième borne connectée électriquement au deuxième connecteur de la première unité de commutation et au premier connecteur de la deuxième unité de commutation.In a first object of the invention, there is proposed a multilevel modular converter comprising at least one branch intended to be connected to a phase, said at least one branch comprising a first and a second external module and a single internal module, each module external and each internal module comprising:
- a first and a second switching unit each comprising a diode, a semiconductor transistor, a first connector electrically connected to a first pole of the diode and a first pole of the transistor, and a second connector electrically connected to a second pole of the diode and a second pole of the transistor,
- a first terminal electrically connected to the first connector of the first switching unit,
- a second terminal electrically connected to the second connector of the second switching unit, and
- A third terminal electrically connected to the second connector of the first switching unit and to the first connector of the second switching unit.

La troisième borne du premier module externe est couplée électriquement à la première borne du module interne par l'intermédiaire d'un premier inducteur, tandis que la troisième borne du deuxième module externe est couplée électriquement à la seconde borne du module interne par l'intermédiaire d'un second inducteur, et la troisième borne du module interne est configurée pour être connectée à une phase d'une charge ou à une grille à laquelle le convertisseur est conçu pour être connectée.The third terminal of the first external module is electrically coupled to the first terminal of the internal module via a first inductor, while the third terminal of the second external module is electrically coupled to the second terminal of the internal module via of a second inductor, and the third terminal of the internal module is configured to be connected to a phase of a load or to a grid to which the converter is designed to be connected.

Le module interne comprend en outre une capacité comprenant un premier pôle connecté électriquement à la première borne du module interne et un second pôle connecté électriquement à la seconde borne du module interne.The internal module further comprises a capacitor comprising a first pole electrically connected to the first terminal of the internal module and a second pole electrically connected to the second terminal of the internal module.

Le convertisseur comprend une première capacité externe comportant un premier pôle connecté électriquement à la première borne du premier module externe de ladite au moins une branche et un second pôle connecté électriquement à la seconde borne du premier module externe de ladite au moins une branche, et une seconde capacité externe comprenant un premier pôle connecté électriquement à la première borne du second module externe de ladite au moins une branche et un second pôle connecté électriquement à la seconde borne du second module externe de ladite au moins une branche.The converter comprises a first external capacitor comprising a first pole electrically connected to the first terminal of the first external module of said at least one branch and a second pole electrically connected to the second terminal of the first external module of said at least one branch, and a second external capacitor comprising a first pole electrically connected to the first terminal of the second external module of said at least one branch and a second pole electrically connected to the second terminal of the second external module of said at least one branch.

La combinaison des deux modules internes d'une topologie MMC classique en un unique module interne telle que dans la topologie de la présente invention avec une troisième borne connectée à la charge permet de compenser l'ondulation de tension.The combination of the two internal modules of a conventional MMC topology into a single internal module such as in the topology of the present invention with a third terminal connected to the load makes it possible to compensate for the voltage ripple.

Toutes ces caractéristiques du MMC selon l'invention permettent au MMC non seulement d'être utilisé pour une application à basse tension, mais également d'avoir une taille globale réduite avec un nombre réduit de capacités et sans traitement complexe.All these characteristics of the MMC according to the invention allow the MMC not only to be used for a low voltage application, but also to have a reduced overall size with a reduced number of capacitors and without complex processing.

Dans un premier aspect du convertisseur modulaire multiniveaux, la seconde borne du premier module externe peut être connectée électriquement à la première borne du second module externe.In a first aspect of the multilevel modular converter, the second terminal of the first external module can be electrically connected to the first terminal of the second external module.

En connectant la seconde borne du premier module externe à la première borne du second module externe, les première et seconde capacités externes sont couplées ensemble. De cette façon, les deux capacités peuvent partager la tension totale, agir de manière dynamique avec une valeur de capacité double et être communes aux trois branches lorsque le convertisseur est dans une configuration de convertisseur triphasé.By connecting the second terminal of the first external module to the first terminal of the second external module, the first and second external capacitors are coupled together. In this way, the two capacitors can share the total voltage, act dynamically with a double capacitance value and be common to the three legs when the converter is in a three-phase converter configuration.

Dans un deuxième aspect du convertisseur modulaire multiniveaux, la deuxième borne du premier module externe et la première borne du second module externe peuvent être connectées au point de référence dans un système de distribution de tension (masse, neutre, etc.).In a second aspect of the multilevel modular converter, the second terminal of the first external module and the first terminal of the second external module can be connected to the reference point in a voltage distribution system (ground, neutral, etc.).

Pour toute application du convertisseur modulaire multiniveaux, lorsque le neutre doit être fourni à la charge, généralement pour une utilisation dans une alimentation sans interruption (ASI), il n’est pas nécessaire d’ajouter les deux condensateurs classiquement requis pour créer le point milieu étant donné qu’ils sont déjà intégrés à la structure de la présente invention, ces deux condensateurs étant formés par les deux capacités externes.For any application of the multilevel modular converter, where the neutral must be supplied to the load, generally for use in an uninterruptible power supply (UPS), it is not necessary to add the two capacitors conventionally required to create the midpoint given that they are already integrated into the structure of the present invention, these two capacitors being formed by the two external capacitors.

C'est un gros avantage, car une batterie de condensateurs DC est toujours nécessaire pour gérer le flux d'énergie, le déséquilibre de l'alimentation des phases et des ondulations et les condensateurs externes des bras font naturellement partie de cette batterie de condensateurs.This is a big advantage because a DC capacitor bank is always needed to handle the power flow, phase and ripple power imbalance and the external arm capacitors are a natural part of this capacitor bank.

Dans un troisième aspect du convertisseur modulaire multiniveaux, le convertisseur comprend trois branches, chacune configurée pour être connectée à une phase différente, et dans laquelle la première capacité externe est couplée électriquement en parallèle au premier module externe des trois branches, et la seconde capacité externe est couplée électriquement en parallèle au second module externe des trois branches.In a third aspect of the multilevel modular converter, the converter comprises three branches, each configured to be connected to a different phase, and in which the first external capacitor is electrically coupled in parallel to the first external module of the three branches, and the second external capacitor is electrically coupled in parallel to the second external module of the three branches.

Dans un quatrième aspect du convertisseur modulaire multiniveaux, le convertisseur comprend en outre une unité de commande configurée pour piloter les premier et second modules externes avec un motif de modulation calculé par une porteuse déphasée avec N porteuses, N étant une valeur entière, et pour piloter la module interne avec un signal de modulation de largeur d'impulsion (PWM) calculé par une porteuse avec n phase, n étant une valeur entière, et le même signal d'erreur.In a fourth aspect of the multilevel modular converter, the converter further comprises a control unit configured to drive the first and second external modules with a modulation pattern calculated by a phase-shifted carrier with N carriers, N being an integer value, and to drive the internal module with a pulse width modulation (PWM) signal calculated by a carrier with n phase, n being an integer value, and the same error signal.

Dans un cinquième aspect du convertisseur modulaire multiniveaux, le courant de sortie de chaque branche sur la troisième borne du module interne est limité par les valeurs des différents éléments électriques du convertisseur, telles que les capacités.In a fifth aspect of the multilevel modular converter, the output current of each branch on the third terminal of the internal module is limited by the values of the various electrical elements of the converter, such as the capacitors.

Dans un sixième aspect du convertisseur modulaire multiniveaux, l'unité de commande est configurée pour contrôler le courant dans ladite au moins une branche en surveillant le courant dans le premier module externe et dans le deuxième module externe.In a sixth aspect of the multilevel modular converter, the control unit is configured to control the current in said at least one branch by monitoring the current in the first external module and in the second external module.

Une réduction de la composante de courant I2ωentraîne une ondulation plus importante de la capacité du module interne avec la demande d'une valeur de capacité plus élevée, mais permet d'optimiser le courant et la dissipation dans les modules et les commutateurs.A reduction in the I 2ω current component results in a higher ripple of the internal module capacitance with the demand for a higher capacitance value, but allows optimization of current and dissipation in modules and switches.

L'invention sera mieux comprise à la lecture faite ci-après, à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels :The invention will be better understood from the reading made below, by way of indication but not limitation, with reference to the appended drawings in which:

La figure 1, précédemment décrite, est une topologie MMC à trois phases telle que connue dans l'état de la technique. FIG. 1, previously described, is a three-phase MMC topology as known in the state of the art.

La figure 2, précédemment décrite, est un schéma électrique d'une branche d’un MMC standard avec deux modules par bras avec N = 2 et sans point neutre, comme cela est connu dans l'état de la technique. FIG. 2, previously described, is an electric diagram of a branch of a standard MMC with two modules per arm with N=2 and without a neutral point, as is known in the state of the art.

La figure 3, précédemment décrite, est un schéma électrique d'une branche d’un MMC standard à deux modules par bras avec N = 2 et un point neutre, tels qu'ils sont connus dans l'état de la technique. FIG. 3, previously described, is an electric diagram of a branch of a standard MMC with two modules per arm with N=2 and a neutral point, as they are known in the state of the art.

La figure 4, précédemment décrite, est un schéma électrique d'une topologie MMC à 5 niveaux telle que connue dans l'état de la technique. FIG. 4, previously described, is an electrical diagram of a 5-level MMC topology as known in the state of the art.

La figure 5 représente schématiquement un convertisseur modulaire multiniveaux monophasé selon un mode de réalisation de l'invention. FIG. 5 schematically represents a single-phase multilevel modular converter according to an embodiment of the invention.

La figure 6 représente schématiquement un convertisseur modulaire multiniveaux triphasé selon un autre mode de réalisation de l'invention. FIG. 6 schematically represents a three-phase multilevel modular converter according to another embodiment of the invention.

La présente invention sera décrite en relation avec des modes de réalisation particuliers et en référence à certains dessins, mais l'invention n'est pas limitée à cela, mais uniquement par les revendications. Les dessins décrits ne sont que schématiques et ne sont pas limitatifs. Dans les dessins, la taille de certains des éléments peut être exagérée et non dessinée à l’échelle à des fins d’illustration. Lorsque le terme "comprenant" est utilisé dans la présente description et les revendications, il n’exclut pas d’autres éléments ou étapes. Lorsqu'un article indéfini ou défini est utilisé pour désigner un nom singulier, par ex. "un", "le", cela inclut un pluriel de ce nom, sauf indication contraire.The present invention will be described in connection with particular embodiments and with reference to certain drawings, but the invention is not limited thereto, but only by the claims. The drawings described are only schematic and are not limiting. In the drawings, the size of some of the items may be exaggerated and not drawn to scale for illustration purposes. When the term "comprising" is used in this description and the claims, it does not exclude other elements or steps. When an indefinite or definite article is used to denote a singular noun, e.g. "a", "the", this includes a plural of that noun, unless otherwise specified.

Le terme "comprenant", utilisé dans les revendications, ne doit pas être interprété comme étant limité aux moyens énumérés ci-après; il n'exclut pas d'autres éléments ou étapes. Ainsi, la portée de l'expression "un dispositif comprenant les moyens A et B" ne devrait pas être limitée aux dispositifs constitués uniquement des composants A et B. Cela signifie que, par rapport à la présente invention, les seuls composants pertinents du dispositif sont A et B.The term "comprising", used in the claims, should not be interpreted as being limited to the means listed below; it does not exclude other elements or stages. Thus, the scope of the expression "a device comprising means A and B" should not be limited to devices consisting only of components A and B. This means that, with respect to the present invention, the only relevant components of the device are A and B.

En outre, les termes premier, deuxième, troisième et similaires dans la description et les revendications sont utilisés pour distinguer des éléments similaires et pas nécessairement pour décrire un ordre séquentiel ou chronologique. Il faut comprendre que les termes ainsi utilisés sont interchangeables dans des circonstances appropriées et que les modes de réalisation de l'invention décrits ici sont capables de fonctionner dans d'autres séquences que celles décrites ou illustrées ici.Further, the terms first, second, third, and like in the description and claims are used to distinguish like items and not necessarily to describe sequential or chronological order. It should be understood that the terms so used are interchangeable in appropriate circumstances and that the embodiments of the invention described herein are capable of functioning in sequences other than those described or illustrated herein.

La figure 5 représente schématiquement un convertisseur modulaire multiniveaux (MMC) selon un mode de réalisation de l'invention.FIG. 5 schematically represents a multilevel modular converter (MMC) according to one embodiment of the invention.

Le MMC 1 comprend trois modules : un premier module externe 2, un second module externe 3 et un module interne 4.MMC 1 comprises three modules: a first external module 2, a second external module 3 and an internal module 4.

Chaque module externe et interne 2 à 4 comprend une première unité de commutation 7, une seconde unité de commutation 8, une première borne 9, une seconde borne 10 et une troisième borne 11.Each external and internal module 2 to 4 comprises a first switching unit 7, a second switching unit 8, a first terminal 9, a second terminal 10 and a third terminal 11.

Chaque première et seconde unité de commutation 7 et 8 comprend une diode 12, un transistor bipolaire à grille isolée (IGBT) 13, un premier connecteur 14 connecté électriquement à un premier pôle de la diode 12 et à un premier pôle de l'IGBT 13, et un second connecteur 15 connecté électriquement à un deuxième pôle de la diode 12 et à un deuxième pôle de l'IGBT 13.Each first and second switching unit 7 and 8 comprises a diode 12, an insulated gate bipolar transistor (IGBT) 13, a first connector 14 electrically connected to a first pole of the diode 12 and to a first pole of the IGBT 13 , and a second connector 15 electrically connected to a second pole of diode 12 and to a second pole of IGBT 13.

La première borne 9 d'un module 2 à 4 est connectée électriquement au premier connecteur 14 de sa première unité de commutation 7. La deuxième borne 10 d'un module 2 à 4 est connectée électriquement au deuxième connecteur 15 de sa deuxième unité de commutation 8. Et la troisième borne 11 d'un module 2 à 4 est connectée électriquement au deuxième connecteur 15 de sa première unité de commutation 7 et au premier connecteur 14 de sa deuxième unité de commutation 8.The first terminal 9 of a module 2 to 4 is electrically connected to the first connector 14 of its first switching unit 7. The second terminal 10 of a module 2 to 4 is electrically connected to the second connector 15 of its second switching unit 8. And the third terminal 11 of a module 2 to 4 is electrically connected to the second connector 15 of its first switching unit 7 and to the first connector 14 of its second switching unit 8.

La troisième borne 11 du premier module externe 2 est couplée électriquement à la première borne 9 du module intérieur 4 par l'intermédiaire d'un premier inducteur 16.The third terminal 11 of the first external module 2 is electrically coupled to the first terminal 9 of the internal module 4 via a first inductor 16.

La troisième borne 11 du second module externe 3 est couplée électriquement à la deuxième borne 10 du module intérieur 4 par l'intermédiaire d'un deuxième inducteur 17.The third terminal 11 of the second external module 3 is electrically coupled to the second terminal 10 of the internal module 4 via a second inductor 17.

La troisième borne 11 du module interne 4 est configurée pour être connectée à une phase d’une charge ou d’un réseau auquel le MMC 1 est configuré pour être connecté.The third terminal 11 of internal module 4 is configured to be connected to a phase of a load or network to which MMC 1 is configured to be connected.

La deuxième borne 10 du premier module externe 2 est connectée électriquement à la première borne 9 du second module externe 3.The second terminal 10 of the first external module 2 is electrically connected to the first terminal 9 of the second external module 3.

Le module interne 4 comprend un condensateur interne 18, ayant une valeur de capacité interne Cmet comprenant un premier pôle 180 connecté électriquement à la première borne 9 du module interne 4 et un second pôle 185 connecté électriquement à la seconde borne 10 du module interne 4.The internal module 4 comprises an internal capacitor 18, having an internal capacitance value C m and comprising a first pole 180 electrically connected to the first terminal 9 of the internal module 4 and a second pole 185 electrically connected to the second terminal 10 of the internal module 4.

Le MMC 1 comprend également un premier condensateur externe 19 ayant une première valeur de capacité externe Ctopet comprenant un premier pôle 190 connecté électriquement à la première borne 9 du premier module externe 2 et un second pôle 195 connecté électriquement à la seconde borne 10 du premier module externe 2, et un deuxième condensateur externe 20 ayant une deuxième valeur de capacité externe Cbottomet comprenant un premier pôle 200 connecté électriquement à la première borne 9 du second module externe 3 et un deuxième pôle 205 relié électriquement à la deuxième borne 10 du second module externe 3.The MMC 1 also comprises a first external capacitor 19 having a first external capacitance value C top and comprising a first pole 190 electrically connected to the first terminal 9 of the first external module 2 and a second pole 195 electrically connected to the second terminal 10 of the first external module 2, and a second external capacitor 20 having a second external capacitance value C bottom and comprising a first pole 200 electrically connected to the first terminal 9 of the second external module 3 and a second pole 205 electrically connected to the second terminal 10 of the second external module 3.

Le deuxième pôle 195 du premier condensateur externe 19, qui correspond à la deuxième borne 10 du premier module externe 2, et le premier pôle 200 du deuxième condensateur externe 20, qui correspond à la première borne 9 du second module externe 3, sont électriquement ensemble. De cette façon, les deux capacités peuvent partager la tension totale, agir de manière dynamique avec une valeur de capacité double et être communes aux trois branches lorsque le convertisseur est dans une configuration de convertisseur triphasé.The second pole 195 of the first external capacitor 19, which corresponds to the second terminal 10 of the first external module 2, and the first pole 200 of the second external capacitor 20, which corresponds to the first terminal 9 of the second external module 3, are electrically together. . In this way, the two capacitors can share the total voltage, act dynamically with a double capacitance value and be common to the three legs when the converter is in a three-phase converter configuration.

Les lignes en pointillés représentent une configuration avec le point neutre, comme par exemple dans un commutateur d'alimentation sans interruption. Dans cette configuration, le deuxième pôle 195 du premier condensateur externe 19 et le premier pôle 200 du deuxième condensateur externe 20 sont couplés électriquement à la terre. De cette façon, il n’est pas nécessaire d’ajouter les deux condensateurs demandés pour créer le point milieu car ils sont déjà intégrés dans la structure, ces deux condensateurs étant les deux condensateurs externes 19 et 20.The dotted lines represent a configuration with the neutral point, such as in an uninterruptible power supply switch. In this configuration, the second pole 195 of the first external capacitor 19 and the first pole 200 of the second external capacitor 20 are electrically coupled to ground. In this way, it is not necessary to add the two capacitors requested to create the midpoint because they are already integrated in the structure, these two capacitors being the two external capacitors 19 and 20.

Le MMC 1 est couplé à une tension d'entrée VDCpar l'intermédiaire de la première borne 9 du premier module externe 2 et de la seconde borne 10 du second module externe 3.The MMC 1 is coupled to an input voltage V DC via the first terminal 9 of the first external module 2 and the second terminal 10 of the second external module 3.

Le MMC 1 illustré sur la figure 5 comprend en outre une capacité de filtrage 22 couplée entre le point de référence dans un système de distribution de tension (masse, neutre ..) et une borne de sortie du MMC 1 qui correspond à la troisième borne 11 du module interne. 4. Cette capacité de filtrage 22 permet de compenser l'ondulation du courant de starter de sortie afin de filtrer la fréquence de commutation et de ne conserver que le fondamental de la tension de sortie (50 ou 60Hz).The MMC 1 shown in Figure 5 further comprises a filter capacitor 22 coupled between the reference point in a voltage distribution system (ground, neutral, etc.) and an output terminal of the MMC 1 which corresponds to the third terminal 11 of the internal module. 4. This filtering capacitor 22 makes it possible to compensate for the ripple of the output choke current in order to filter the switching frequency and to retain only the fundamental of the output voltage (50 or 60Hz).

La figure 6 illustre schématiquement un MMC 31 triphasée selon un autre mode de réalisation de l'invention.FIG. 6 schematically illustrates a three-phase MMC 31 according to another embodiment of the invention.

Le MMC 31 comprend trois branches 30 comprenant chacune trois modules : un premier module externe 32, un second module externe 33 et un module interne 34.The MMC 31 comprises three branches 30 each comprising three modules: a first external module 32, a second external module 33 and an internal module 34.

Chaque branche 30 du MMC 31 triphasé est composée de ses trois modules 32 à 34 de la même manière que le MMC monophasé 1 illustré sur la figure 5. Ainsi, chaque module externe et interne 32 à 34 comprend une première unité de commutation 37, une seconde unité de commutation 38, une première borne 39, une seconde borne 40 et une troisième borne 41.Each branch 30 of the three-phase MMC 31 is composed of its three modules 32 to 34 in the same way as the single-phase MMC 1 illustrated in FIG. 5. Thus, each external and internal module 32 to 34 comprises a first switching unit 37, a second switching unit 38, a first terminal 39, a second terminal 40 and a third terminal 41.

Chaque première et seconde unité de commutation 37 et 38 d'une branche 30 comprend une diode 42, un transistor bipolaire à grille isolée (IGBT) 43, un premier connecteur 44 connecté électriquement à un premier pôle de la diode 42 et un premier pôle de l'IGBT 43 et un deuxième connecteur 45 connecté électriquement à un deuxième pôle de la diode 42 et à un deuxième pôle de l'IGBT 43.Each first and second switching unit 37 and 38 of a branch 30 comprises a diode 42, an insulated gate bipolar transistor (IGBT) 43, a first connector 44 electrically connected to a first pole of the diode 42 and a first pole of the IGBT 43 and a second connector 45 electrically connected to a second pole of the diode 42 and to a second pole of the IGBT 43.

La première borne 39 d'un module 32 à 34 d'une branche 30 est connectée électriquement au premier connecteur 44 de sa première unité de commutation 37. La seconde borne 40 d'un module 32 à 34 est connectée électriquement au second connecteur 35 de sa seconde unité de commutation 38. Et la troisième borne 41 d'un module 32 à 34 est connectée électriquement au deuxième connecteur 45 de sa première unité de commutation 37 et au premier connecteur 44 de sa deuxième unité de commutation 38.The first terminal 39 of a module 32 to 34 of a branch 30 is electrically connected to the first connector 44 of its first switching unit 37. The second terminal 40 of a module 32 to 34 is electrically connected to the second connector 35 of its second switching unit 38. And the third terminal 41 of a module 32 to 34 is electrically connected to the second connector 45 of its first switching unit 37 and to the first connector 44 of its second switching unit 38.

Pour chaque branche 30, la troisième borne 41 du premier module externe 32 de la branche 30 est couplée électriquement à la première borne 39 du module interne 34 de la même branche 30 par l'intermédiaire d'un premier inducteur 46.For each branch 30, the third terminal 41 of the first external module 32 of the branch 30 is electrically coupled to the first terminal 39 of the internal module 34 of the same branch 30 via a first inductor 46.

Pour chaque branche 30, la troisième borne 41 du deuxième module extérieur 33 de la branche 30 est couplée électriquement à la deuxième borne 40 du module intérieur 34 de la même branche 30 par l'intermédiaire d'un deuxième inducteur 47.For each branch 30, the third terminal 41 of the second external module 33 of the branch 30 is electrically coupled to the second terminal 40 of the internal module 34 of the same branch 30 via a second inductor 47.

Pour chaque branche 30, la troisième borne 41 du module interne 34 de la branche 30 est destinée à être connectée à une phase d'une charge ou d'un réseau auquel le MMC 31 est destiné à être connecté.For each branch 30, the third terminal 41 of the internal module 34 of the branch 30 is intended to be connected to a phase of a load or of a network to which the MMC 31 is intended to be connected.

Pour chaque branche 30, la deuxième borne 40 du premier module extérieur 32 de la branche 30 est connectée électriquement à la première borne 39 du second module externe 33 de la même branche 30.For each branch 30, the second terminal 40 of the first external module 32 of the branch 30 is electrically connected to the first terminal 39 of the second external module 33 of the same branch 30.

Le module interne 34 de chaque branche 30 comprend un condensateur interne 48, ayant une valeur de capacité interne Cmet comprenant un premier pôle 480 connecté électriquement à la première borne 39 du module interne 34 de sa branche 30 et un second pôle 185 relié électriquement à la deuxième borne 40 du module interne 34 de sa branche 30.The internal module 34 of each branch 30 comprises an internal capacitor 48, having an internal capacitance value C m and comprising a first pole 480 electrically connected to the first terminal 39 of the internal module 34 of its branch 30 and a second pole 185 electrically connected to the second terminal 40 of the internal module 34 of its branch 30.

Le MMC 1 comprend également un premier condensateur externe 49 et un second condensateur externe 50. Le premier condensateur externe 49 est couplé en parallèle au premier module externe 32 des trois branches 30, et le second condensateur externe 50 est couplé en parallèle au second module externe 33 des trois branches 30. En d’autres termes, il existe un premier condensateur externe 49 couplé en parallèle à trois premiers modules externes 32 et un second condensateur externe 50 couplé en parallèle à trois seconds modules externes 33.The MMC 1 also includes a first external capacitor 49 and a second external capacitor 50. The first external capacitor 49 is coupled in parallel to the first external module 32 of the three branches 30, and the second external capacitor 50 is coupled in parallel to the second external module 33 of the three branches 30. In other words, there is a first external capacitor 49 coupled in parallel to three first external modules 32 and a second external capacitor 50 coupled in parallel to three second external modules 33.

Le premier condensateur externe 49 a une première valeur de capacité externe Ctopet comprend un premier pôle 490 connecté électriquement à la première borne 39 du premier module externe 32 de chaque branche 30 et un second pôle 495 connecté électriquement à la seconde borne 40 du premier module externe 32 de chaque branche 30. Le deuxième condensateur extérieur 50 a une deuxième valeur de capacité extérieure Cbottomet comprend un premier pôle 500 connecté électriquement à la première borne 39 du second module externe 33 de chaque branche 30 et un deuxième pôle 505 relié électriquement au deuxième terminal 40 du second module externe 33 de chaque branche 30.The first external capacitor 49 has a first external capacitance value C top and comprises a first pole 490 electrically connected to the first terminal 39 of the first external module 32 of each branch 30 and a second pole 495 electrically connected to the second terminal 40 of the first external module 32 of each branch 30. The second external capacitor 50 has a second external capacitance value C bottom and comprises a first pole 500 electrically connected to the first terminal 39 of the second external module 33 of each branch 30 and a second pole 505 connected electrically to the second terminal 40 of the second external module 33 of each branch 30.

Le MMC 31 est couplé à une tension d'entrée VDCpar l'intermédiaire de la première borne 39 du premier module externe 32 de chaque branche 30 et de la seconde borne 40 du second module externe 33 de chaque branche 30.The MMC 31 is coupled to an input voltage V DC via the first terminal 39 of the first external module 32 of each branch 30 and the second terminal 40 of the second external module 33 of each branch 30.

Pour contrôler le MMC 1 monophasé ou l MMC 31 triphasé, une configuration de modulation calculée par une porteuse déphasée avec N porteuse est appliquée. Les modules externes sont pilotés en utilisant un signal de modulation de largeur d'impulsion calculé en utilisant une porteuse en phase nulle. Le module interne est piloté en utilisant un signal PWM calculé par une porteuse à n phase et le même signal d'erreur.To control the single-phase MMC 1 or the three-phase MMC 31, a modulation scheme calculated by a phase shifted carrier with N carrier is applied. The external modules are driven using a pulse-width modulation signal calculated using a zero-phase carrier. The internal module is driven using a PWM signal calculated by an n-phase carrier and the same error signal.

Ensuite, un contrôle approprié du courant est fourni aux branches et/ou à la sortie. Lorsque seul le courant de sortie est contrôlé, le courant de circulation n'est pas mesuré et ne peut pas être contrôlé par la boucle de courant. Par conséquent, il n’est limité que par les valeurs des paramètres de circuit, données par l’équation 8 suivante :
[Math 8] équation 8Then, appropriate current control is provided to the branches and/or output. When only the output current is monitored, the circulating current is not measured and cannot be monitored by the current loop. Therefore, it is limited only by the values of the circuit parameters, given by the following equation 8:
[Math 8] equation 8

De cette manière, la valeur Cm du condensateur interne 18 ou 48 dans le module interne 4 ou 34 est optimisée et minimisée.In this way, the Cm value of the internal capacitor 18 or 48 in the internal module 4 or 34 is optimized and minimized.

Lorsque le courant dans les branches est contrôlé, la valeur du courant dans les branches peut être optimisée. Une réduction du terme I2 ωprovoque une ondulation plus importante sur le condensateur interne 18 ou 48 du module interne 4 ou 34 avec la demande d'une valeur de capacité supérieure, mais permet d'optimiser le courant et la dissipation dans les modules 2 à 4 ou 32 à 34 et les commutateurs 7 et 8 ou 37 et 38.When the current in the branches is controlled, the current value in the branches can be optimized. A reduction of the I 2 ω term causes a greater ripple on the internal capacitor 18 or 48 of the internal module 4 or 34 with the demand for a higher capacitance value, but allows the current and dissipation to be optimized in the modules 2 to 4 or 32 to 34 and switches 7 and 8 or 37 and 38.

L’invention s’applique à tous les types de convertisseurs de puissance pour convertisseurs de moyenne à grande puissance (onduleur ou redresseur) ainsi que pour les applications à basse tension avec des semi-conducteurs de calibres appropriés.The invention applies to all types of power converters for medium to high power converters (inverter or rectifier) as well as for low voltage applications with semiconductors of appropriate sizes.

Le MMC pourrait être réalisé sous forme de solution de circuit imprimé pour des applications à faible puissance, par exemple, ou sous forme de solution câblée pour des applications de moyenne ou grande puissance.The MMC could be realized as a printed circuit solution for low power applications, for example, or as a hardwired solution for medium or high power applications.

Claims (5)

Convertisseur modulaire multiniveaux (1, 31) comprenant au moins une branche (30) destinée à être connectée à une phase, ladite au moins une branche comprenant un premier et un second modules externes (2, 3, 32, 33) et un unique module interne (4, 34), chaque module externe et chaque module interne (1-4, 32-34) comprenant:
- une première et une deuxième unités de commutation (7, 8, 37, 38) comprenant chacune une diode (12, 42), un transistor semi-conducteur (13, 43), un premier connecteur (14, 44) électriquement connecté à un premier pôle de la diode (12, 42) et un premier pôle du transistor (13, 43), et un deuxième connecteur (15, 45) électriquement connecté à un deuxième pôle de la diode (12, 42) et un deuxième pôle du transistor (13, 43),
- une première borne (9, 39) électriquement connectée au premier connecteur (14, 44) de la première unité de commutation (7, 37),
- une deuxième borne (10, 40) connectée électriquement au deuxième connecteur (15, 45) de la deuxième unité de commutation (8, 38), et
- une troisième borne (11, 41) connectée électriquement au deuxième connecteur (15, 45) de la première unité de commutation (7, 37) et au premier connecteur (14, 44) de la deuxième unité de commutation (8, 38),
la troisième borne (11, 41) du premier module externe (2, 32) étant électriquement couplée à la première borne (9, 39) du module interne (4, 34) par l'intermédiaire d'un premier inducteur (16, 46), la troisième borne (11, 41) du deuxième module externe (3, 33) étant couplée électriquement à la seconde borne (10, 40) du module interne (4, 34) par l'intermédiaire d'un second inducteur (17, 47), et la troisième borne (11, 41) du module interne (4, 34) étant configurée pour être connectée à une phase d'une charge ou à une grille à laquelle le convertisseur est configuré pour être connecté,
le module interne (4, 34) comprenant en outre une capacité (18, 48) comportant un premier pôle (180, 480) connecté électriquement à la première borne (9, 39) du module interne (4, 34) et un second pôle (185, 485) connecté électriquement à la seconde borne (10, 40) du module interne (4, 34), et
le convertisseur (1, 31) comprenant une première capacité externe (19, 49) comportant un premier pôle (190, 490) connecté électriquement à la première borne (9, 39) du premier module externe (2, 32) de ladite au moins une branche (30) et un second pôle (195, 495) connecté électriquement à la seconde borne (10, 40) du premier module externe (2, 32) de ladite au moins une branche (30), et une seconde capacité externe (20, 50) comportant un premier pôle (200, 500) connecté électriquement à la première borne (9, 39) du second module externe (3, 33) de ladite au moins une branche (30) et un second pôle (205, 505) connecté électriquement à la seconde borne (10, 40) du second module externe (3, 33) de ladite au moins une branche (30).Multilevel modular converter (1, 31) comprising at least one branch (30) intended to be connected to a phase, said at least one branch comprising a first and a second external modules (2, 3, 32, 33) and a single module (4, 34), each external module and each internal module (1-4, 32-34) comprising:
- a first and a second switching unit (7, 8, 37, 38) each comprising a diode (12, 42), a semiconductor transistor (13, 43), a first connector (14, 44) electrically connected to a first pole of the diode (12, 42) and a first pole of the transistor (13, 43), and a second connector (15, 45) electrically connected to a second pole of the diode (12, 42) and a second pole of the transistor (13, 43),
- a first terminal (9, 39) electrically connected to the first connector (14, 44) of the first switching unit (7, 37),
- a second terminal (10, 40) electrically connected to the second connector (15, 45) of the second switching unit (8, 38), and
- a third terminal (11, 41) electrically connected to the second connector (15, 45) of the first switch unit (7, 37) and to the first connector (14, 44) of the second switch unit (8, 38) ,
the third terminal (11, 41) of the first external module (2, 32) being electrically coupled to the first terminal (9, 39) of the internal module (4, 34) via a first inductor (16, 46 ), the third terminal (11, 41) of the second external module (3, 33) being electrically coupled to the second terminal (10, 40) of the internal module (4, 34) via a second inductor (17 , 47), and the third terminal (11, 41) of the internal module (4, 34) being configured to be connected to a phase of a load or to a grid to which the converter is configured to be connected,
the internal module (4, 34) further comprising a capacitor (18, 48) comprising a first pole (180, 480) electrically connected to the first terminal (9, 39) of the internal module (4, 34) and a second pole (185, 485) electrically connected to the second terminal (10, 40) of the internal module (4, 34), and
the converter (1, 31) comprising a first external capacitor (19, 49) comprising a first pole (190, 490) electrically connected to the first terminal (9, 39) of the first external module (2, 32) of said at least a branch (30) and a second pole (195, 495) electrically connected to the second terminal (10, 40) of the first external module (2, 32) of said at least one branch (30), and a second external capacitor ( 20, 50) comprising a first pole (200, 500) electrically connected to the first terminal (9, 39) of the second external module (3, 33) of said at least one branch (30) and a second pole (205, 505 ) electrically connected to the second terminal (10, 40) of the second external module (3, 33) of said at least one branch (30). Convertisseur modulaire multiniveaux (1, 31) selon la revendication 1, dans lequel la seconde borne (10, 40) du premier module externe (2, 32) est connecté électriquement à la première borne (9, 39) du second module externe (3, 33).Modular multilevel converter (1, 31) according to claim 1, wherein the second terminal (10, 40) of the first external module (2, 32) is electrically connected to the first terminal (9, 39) of the second external module (3 , 33). Convertisseur modulaire multiniveaux (1, 31) selon la revendication 2, dans lequel la deuxième borne (10, 40) du premier module externe (2, 32) et la première borne 9, 39) du second module externe (3, 33) sont connectées à la masse.Multilevel modular converter (1, 31) according to claim 2, wherein the second terminal (10, 40) of the first external module (2, 32) and the first terminal (9, 39) of the second external module (3, 33) are connected to ground. Convertisseur modulaire multiniveaux (1, 31) selon l’une des revendications 1 à 3, comprenant trois branches (30), chacune configurée pour être connectée à une phase différente, et dans laquelle la première capacité externe (49) est couplée électriquement en parallèle au premier module externe (2, 32) des trois branches (30), et la seconde capacité externe (50) est couplée électriquement en parallèle au second module externe (3, 33) des trois branches (30).Multilevel modular converter (1, 31) according to one of Claims 1 to 3, comprising three branches (30), each configured to be connected to a different phase, and in which the first external capacitor (49) is electrically coupled in parallel to the first external module (2, 32) of the three branches (30), and the second external capacitor (50) is electrically coupled in parallel to the second external module (3, 33) of the three branches (30). Convertisseur modulaire multiniveaux (1, 31) selon l’une des revendications 1 à 4, comprenant en outre une unité de commande configurée pour piloter les premier et second modules externes avec un motif de modulation calculé par une porteuse déphasée avec N porteuses, N étant une valeur entière, et pour piloter la module interne avec un signal de modulation de largeur d'impulsion (PWM) calculé par une porteuse avec n phase, n étant une valeur entière, et le même signal d'erreur.Multilevel modular converter (1, 31) according to one of claims 1 to 4, further comprising a control unit configured to drive the first and second external modules with a modulation pattern calculated by a phase-shifted carrier with N carriers, N being an integer value, and to drive the internal module with a pulse width modulation (PWM) signal calculated by a carrier with n phase, where n is an integer value, and the same error signal.
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