WO2013075928A1 - Inverter having unequal voltage stages - Google Patents

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WO2013075928A1
WO2013075928A1 PCT/EP2012/071831 EP2012071831W WO2013075928A1 WO 2013075928 A1 WO2013075928 A1 WO 2013075928A1 EP 2012071831 W EP2012071831 W EP 2012071831W WO 2013075928 A1 WO2013075928 A1 WO 2013075928A1
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submodule
voltage
switching elements
power switching
phase module
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PCT/EP2012/071831
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Jürgen MOSER
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • 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
    • H02M7/501—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 sinusoidal output voltages being obtained by the combination of several pulse-voltages having different amplitude and width

Definitions

  • the invention relates to a power converter having at least a first phase module branch between a first direct voltage terminal and an AC voltage connection and min ⁇ least a second phase module branch between the exchange ⁇ voltage terminal and a second Gleichthesesan- circuit, wherein each phase module branch has a plurality of submodules, each two electronic Leis ⁇ tung switching elements and having an energy store, wherein at two terminals of each submodule a certificate from the energy storage of the submodule Submodulnaps respectively providable.
  • the invention has for its object to provide a converter with improved Umrichlessnessenschaften and a method for driving such a converter.
  • an inverter with at least one first phase module branch is connected between a first DC voltage connection and an AC voltage connection and at least one second phase module branch between the alternating selpressivesan gleich and a second Gleichthesesan- circuit, wherein each phase module branch has a plurality of submodules which each have at least two electronic ⁇ specific power switching elements and an energy storage on ⁇ , each submodule ne each egg at two terminals derived from the energy storage of the submodule submodule voltage can be provided, in which the first phase module branch and the second phase module branch each have first submodule with a first submodule voltage and at least one second submodule with a second submodule voltage, wherein the second submodule voltage is smaller than the first submodule voltage.
  • the converter in addition to the first submodules with the first submodule voltage, one or more additional submodules (second submodules) are additionally available which have a smaller submodule voltage than the first submodules.
  • second submodules By means of this second submodule voltage of the at least one second submodule, the converter can generate a precisely approximated DC voltage in rectifier operation or an exact AC voltage approached in inverter operation (in comparison with a converter having only identical first submodules with an identical first submodule voltage).
  • the output voltage from the respective submodule voltages is additively composed.
  • the voltage range of the converter can be covered in large or coarse steps, while the second submodule or the second submodule has the second (smaller) submodule voltage in a simple and cost-effective manner and the output voltage of the inverter can be generated more accurately.
  • the converter can advantageously be designed such that the second submodule voltage is half or one quarter of the first submodule voltage. This makes it possible to generate the output voltage of the inverter so that the "Voltage levels" in the output voltage only half or a quarter of the voltage level have (in comparison with a converter, which would have only first submodules with the first submodule voltage).
  • the converter may also be configured so that the Leis ⁇ tung switching elements of the second submodule having a greater switching frequency switch as the power switching elements of the first sub-modules.
  • the converter it is possible with the converter to generate an output voltage or output voltages having "voltage stages", each with a shorter duration (length), so that the output voltages can be generated more accurately again in comparison with a converter with only the first submodules.
  • the converter can advantageously be configured such that the power switching elements of the second submodule switch with a switching frequency in the kilohertz range.
  • advantageously output voltages can be generated more accurately than with a converter having only first submodules.
  • the converter can also be designed so that the power switching elements of the first submodules are controlled with block timing.
  • the power switching elements of the first submodule are driven with a drive frequency which corresponds approximately to the Grundfre ⁇ frequency of the AC voltage.
  • this method has been known for a long time and can be implemented inexpensively and precisely.
  • the inverter can also be designed such that the Leis ⁇ tung switching elements of the second sub-module are controlled by Pulsweitenmodu ⁇ lation.
  • control of power switching elements of the second submodule by means of pulse width modulation ⁇ can advantageously be the output voltage of the inverter very accurately generate ie with low harmonic content, so that the cost of a filtering of the Output voltage or the output current is significantly reduced.
  • the inverter can be constructed so here is that the first submodule and / or the second sub-module in each case has an electrical ⁇ specific series connection of two power switching elements ⁇ , said series circuit is connected in parallel to the Energyspei ⁇ cher.
  • Such a constructed submodule is already known as such from the aforementioned publication of Lesnicar and Marquardt.
  • the converter can also be constructed such that the second submodule additionally has a second series electrical circuit of a third and a fourth electronic power switching element, this second series circuit being connected in parallel to the energy store.
  • the second submodule has four power switching elements, which are connected as a full bridge, the energy ⁇ memory forms the bridge branch of the full bridge.
  • DIE ses second sub-module can be reversed, the Pola ⁇ rity of Submodulnaps advantageously.
  • the second submodule voltage can thus be added in addition to the submodule voltages of the first submodules.
  • the second submodule voltage can also be subtractively added to these submodule voltages of the first submodules. This can be the
  • the converter may also be configured so that the performance-shifting elements respectively are IGBTs, which are provided with Freilaufdio ⁇ .
  • IGBTs are available in a large selection and at low cost.
  • the first sub-modules advantageously IGBTs with high blocking voltage and a low tensioning ⁇ maximum switching frequency may have.
  • the second sub-modules can advantageously IGBTs with a ge ⁇ ringeren blocking voltage, but have a higher maximum switching frequency.
  • the invention further provides a method for driving an inverter having at least one first phase module branch between a first DC voltage connection and an AC voltage connection and at least one second phase module branch between the AC voltage connection and a second DC voltage connection, in which each phase module branch has a plurality of submodules, each at least comprise two electronic power scarf Tele ⁇ elements and an energy storage device, wherein two check circuits each submodule a respective provided by the Energyspei ⁇ cher the submodule Submodulnaps be output, and wherein the first phase module branch and the second phase module branch each first sub-modules having a first Submodulpressive and each having at least a second submodule with a second submodule voltage, wherein the second submodule voltage is smaller than the first submodule voltage, wherein in the method the Lei tion switching elements of the first submodules are driven with first drive signals whose fundamental frequency is smaller than the fundamental frequency of second drive signals with which the power switching elements of the second submodule are driven.
  • the method may also be configured so that the base ⁇ frequency of the second control signals is located in the kilohertz range.
  • the method can proceed so that the power scarf Tele ⁇ elements of the first sub-modules are driven by the first drive signals in block cycles.
  • the method may also be configured such that the Leis ⁇ tung switching elements of the second sub-module are driven by the second driving signals into pulse width modulation (at least one).
  • Figure 1 is a schematic representation of an inverter with three phase modules, in
  • Figure 2 shows a first embodiment of a phase module of the inverter, in
  • Figure 3 shows another embodiment of a phase module of the inverter, in
  • Figure 4 is a known as such from the prior art
  • Figure 5 shows another embodiment of a submodule and in
  • Figure 6 shown an embodiment of a phase module with at ⁇ control devices.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a converter 1 in the form of a so-called bridge converter for three-phase alternating current.
  • This converter 1 comprises a first direct voltage terminal 4 of positive polarity so as ⁇ a second direct voltage terminal 8 negative Pola ⁇ rity.
  • the inverter 1 comprises a first AC voltage terminal 12 for a first phase of a Dreipha ⁇ sencicstroms, a second alternating voltage terminal 16 for a second phase of the three-phase alternating current, and a third alternating voltage terminal 20 for a third phase of the three-phase alternating current.
  • the first AC ⁇ terminal 12 is connected to a first phase module 24th
  • This first phase module 24 has a first Phasenmodul- on branch 28, which it extends between the first ⁇ Gleichthesesan- circuit 4 and the first AC terminal 12th
  • the first phase module 24 has a two ⁇ th phase module branch 32, which extends between the first AC voltage terminal 12 and the second DC voltage connection 8.
  • a phase ei ⁇ nes three-phase alternating current or a three-phase AC voltage to be rectified, or it may be a phase of a three-phase alternating current or a three-phase AC voltage generated by alternating direction.
  • the second AC voltage terminal 16 is connected to a second phase module 24 '.
  • the ⁇ ses second phase module 24 ' has a first phase module ⁇ branch 28' and a second phase module branch 32 '.
  • the third AC voltage terminal 20 is connected to a third phase module 24 ". This third
  • Phase module 24 '' has a first phase module branch 28 '' so as ⁇ a second phase module branch 32 '' on.
  • the third phase module 24 "and the third AC voltage terminal 20 an alternating direction or rectification is carried out for the third phase of the three-phase alternating current.
  • the basic structure of such a converter described so far is known as such from the prior art.
  • FIG. 2 shows an example of the first phase module 24, which contains the first phase module branch 28 and the second phase module 24. Senmodulzweig 32, shown in more detail.
  • the first phase module branch 28 has, in addition to an inductance 50, four identically constructed first submodules 55 (phase submodules 55). These first submodules 55 each have two connections, on each of which a first submodule voltage U1 can be provided.
  • the first phase module branch 28 has a second submodule 60 (phase submodule 60).
  • This second submodule 60 has two connections to which a second sub-module ⁇ voltage U2 can be provided.
  • the first submodule voltages U1 may assume the value 0 or the value U1 at the first submodules.
  • the second sub ⁇ module voltage U2 can take the value 0 or the value U2 depending on the control of the second submodule.
  • the second sub-module 60 may also be configured so that the second Submo ⁇ dulpressive U2 can take the value 0, the value (-U2) or the value (+ U2), that is, the polarity of the second Submodulpressive can U2 with appropriate control of the second submodule be reversed.
  • the second submodule voltage U2 has smaller values than the first submodule voltage U1.
  • the first submodules 55 and the second submodule 60 of the first phase module branch 28 are electrically connected in series.
  • first sub-modules 55 and the second sub-module 60 of the second phase module branch 32 are electrically switched ge ⁇ in series.
  • the second phase module 24 'and the third phase module 24 "of the converter 1 (cf., FIG. 1) may have the same structure as the first phase module 24.
  • FIG. 3 shows a further exemplary embodiment of the first phase module 24. This differs from the embodiment shown in Figure 2 only in that the phase module branches contain 28 and 32 instead of a second sub-module 60 are respectively two electrically switched in series ge ⁇ second submodules 60 and 60 '.
  • the phase module branches 28 and 32 may also include 3, 4 or even more second series submodules electrically connected in series.
  • FIG. 4 shows an exemplary embodiment of a submodule using the example of the first submodule 55.
  • the first sub ⁇ module 55 includes a first power switching element 100 and a second power switching element 105, which are electrically connected in series.
  • the first power switching element 100 is provided with an antiparallel-connected first diode 110 (freewheeling diode); the second power switching element 105 is provided with an antiparallel-connected second diode 115 (freewheeling diode).
  • an energy ⁇ memory 120 is connected.
  • the energy store may be configured as a capacitor 120; In the exemplary embodiment, the energy store is designed as a unipolar capacitor 120.
  • a first terminal 130 of the sub ⁇ module is arranged; a second terminal 140 of the submodule 55 is arranged at the negative pole of the energy store (capacitor) 120.
  • Power switching element 105 may be configured, for example, as an IGBT (insulated-gate bipolar transistor). Both the first submodules 55 and the second sub-modules 60 and 60 'may be constructed as shown in Figure 4 Darge ⁇ represents.
  • FIG. 5 shows an alternative exemplary embodiment for the construction of the second submodule 60. This submodule 60 differs from the submodule shown in FIG. 4 in that, in addition to the first power switching element 100 'and the second power switching element 105', a third power switching element 150 is additionally connected in series with a fourth power switching element 155. Both power switching elements 150 and 155 are provided with a freewheel ⁇ diode 160 and 165, respectively.
  • the second terminal 140 'of the submodule 60 is connected to the electrical connection point between the third power switching element 150 and the fourth power switching element 155.
  • the second Submodulpressive U2 can be positive polarity (+ U2) or negative polarity (-U2) communicated with the second Submodulpressive can have the value 0 accept.
  • the power switching elements 100, 105, 150 and / or 155 for example, each be configured as an IGBT.
  • the second submodule 60 ' may have the same structure as the second submodule 60.
  • the power switching elements of the first submodules 55 can advantageously be designed as IGBTs with high reverse voltage, which, however, tolerate only a low switching frequency. These IGBTs advantageously have low forward losses. These can preferably be actuated in block clocking with drive signals of a comparatively low fundamental frequency.
  • the power switching elements of the second submodules 60, 60 ' can advantageously be configured as IGBTs, which only have to have a lower blocking voltage, but but can tolerate a higher switching frequency. These IGBTs advantageously have low switching losses.
  • the drive signals for this power switching elements of the second sub-modules 60, 60 ' may be preferably produced by means of pulse width modulation, wherein the fundamental frequency Ansteu ⁇ ersignale may be comparatively larger than this Grundfre acid sequence of the drive signals for the first sub-modules.
  • FIG. 6 shows the activation of the first submodules 55 and of the second submodules 60, 60 '.
  • the first Submo ⁇ modules 55 are driven by a first drive means 200, which provides first drive signals 205 for the power ⁇ switching elements of the first submodules.
  • the first drive device 200 By means of the first drive device 200, the block timing of the power switching elements of the first submodule 55 known as such is performed.
  • the first control device 200 sends to ⁇ control signals 205 to the power switching elements of the first submodule 55, wherein the fundamental frequency fl of the first drive signals corresponds approximately to the fundamental frequency of the AC voltage of the inverter.
  • the power switching elements of the first ⁇ submodules 55 switch having a first frequency fs Kunststofffre ⁇ . 1
  • a second drive means 210 provides second drive signals 215 for the power switching elements of the second submodules 60 and 60 '.
  • the fundamental frequency f2 of the second drive signals 215 for the second submodules 60 and 60 ' is greater than the fundamental frequency fl of the first drive signals 205 for the first submodules 55.
  • the second drive signals may have frequencies in the kilohertz range.
  • the second drive device 210 controls by means of the second drive signals 215 the power switching elements ⁇ the second submodules 60 and 60 'as such be ⁇ knew pulse width modulation.
  • the power switching elements of the second sub-modules 60 and 60 'with ei ⁇ ner larger switching frequency fs 2 as the power switching elements of the first sub-modules 55.
  • the first drive device 200 and the second drive device 210 can also be designed as a common drive device.
  • the submodule voltages can be designed such that the entire DC voltage or the peak voltage of the AC voltage can already be represented by means of the first submodule voltages U1.
  • the second Submodulpressive U2 can be added (for example, in a structure of the submodule according to Figure 4) ad ⁇ ditiv the first Submodulpressiveen.
  • the second submodule voltages U2 can also be added to the first submodule voltages U1 selectively (for example, in a design of the second submodule according to FIG.
  • the first Submodulspan ⁇ voltages Ul are each 2 kV in the exemplary embodiment.
  • the second phase module branch 32 is formed symmetrically to the first phase module branch 28. With such a phase module, switching stages of the size 0.5 kV can be generated. (If one had only the first submodules with first submodule voltages of 2 kV, one could only
  • a converter has been described with which the output voltage can be built up very accurately in a simple and cost-effective manner. This significantly reduces, for example, the filtering effort required to filter out harmonics and produces high-quality output voltages.

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Abstract

The invention relates to an inverter having at least one first phase module branch (28) between a first direct current connection (4) and an alternating current connection (12), and at least one second phase module branch (32) between the alternating current connection (12) and a second direct current connection (8). Each phase module branch comprises a plurality of submodules (55, 60, 60') which each comprise at least two electronic power circuit elements (100, 105) and an energy store (120). A submodule voltage, which originates from the energy store (120) of the submodule, can be made available at two respective connections of each submodule. The first phase module branch (28) and the second phase module branch (32) each have a first submodule (55) having a first submodule voltage (U1) and at least one second submodule (60, 60') having a second submodule voltage (U2), wherein the second submodule voltage (U2) is lower than the first submodule voltage (U1).

Description

Beschreibung description
UMRICHTER MIT UNGLEICHEN SPANNUNGSSTUFEN INVERTER WITH UNIFORM VOLTAGE LEVELS
Die Erfindung betrifft einen Umrichter mit mindestens einem ersten Phasenmodulzweig zwischen einem ersten Gleichspan- nungsanschluss und einem Wechselspannungsanschluss und min¬ destens einem zweiten Phasenmodulzweig zwischen dem Wechsel¬ spannungsanschluss und einem zweiten Gleichspannungsan- schluss, bei dem jeder Phasenmodulzweig eine Mehrzahl von Submodulen aufweist, die jeweils zwei elektronische Leis¬ tungsschaltelemente und einen Energiespeicher aufweisen, wobei an zwei Anschlüssen jedes Submoduls jeweils eine von dem Energiespeicher des Submoduls stammende Submodulspannung bereitstellbar ist. The invention relates to a power converter having at least a first phase module branch between a first direct voltage terminal and an AC voltage connection and min ¬ least a second phase module branch between the exchange ¬ voltage terminal and a second Gleichspannungsan- circuit, wherein each phase module branch has a plurality of submodules, each two electronic Leis ¬ tung switching elements and having an energy store, wherein at two terminals of each submodule a certificate from the energy storage of the submodule Submodulspannung respectively providable.
Ein derartiger Umrichter ist aus der Druckschrift „An Innovative Modular Multilevel Converter Topology Suitable for a Wi¬ de Power Range" von A. Lesnicar und R. Marquardt, IEEE Bolog¬ na Power Tech Conference, 23. - 26. Juni 2003 bekannt. Ein derartiger Umrichter wird auch als „Modular Multilevel Converter" bezeichnet. Bei diesem bekannten Umrichter werden identische Submodule eingesetzt, welche an ihren Anschlüssen identische Submodulspannungen bereitstellen. Such a drive is known from the publication "An Innovative Modular Multilevel Converter Topology Suitable for a Wi ¬ de Power Range" by A. Lesnicar and R. Marquardt, IEEE Bolog ¬ na Power Tech Conference, 23 - 26 June 2003 announced a. Such converter is also referred to as "Modular Multilevel Converter". In this known inverter identical submodules are used, which provide identical submodule voltages at their terminals.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Umrichter mit verbesserten Umrichteigenschaften und ein Verfahren zum Ansteuern eines solchen Umrichters anzugeben. The invention has for its object to provide a converter with improved Umrichteigenschaften and a method for driving such a converter.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Umrich¬ ter und ein Verfahren nach den unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Umrichters und des Verfah¬ rens sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben. This object is achieved by a Umrich ¬ ter and a method according to the independent claims. Advantageous embodiments of the converter and the procedural ¬ rens are specified in the dependent claims.
Erfindungsgemäß angegeben wird ein Umrichter mit mindestens einem ersten Phasenmodulzweig zwischen einem ersten Gleich- spannungsanschluss und einem Wechselspannungsanschluss und mindestens einem zweiten Phasenmodulzweig zwischen dem Wech- selspannungsanschluss und einem zweiten Gleichspannungsan- schluss, bei dem jeder Phasenmodulzweig eine Mehrzahl von Submodulen aufweist, die jeweils mindestens zwei elektroni¬ sche Leistungsschaltelemente und einen Energiespeicher auf¬ weisen, wobei an zwei Anschlüssen jedes Submoduls jeweils ei ne von dem Energiespeicher des Submoduls stammende Submodul- spannung bereitstellbar ist, bei dem der erste Phasenmodulzweig und der zweite Phasenmodulzweig jeweils erste Submodul mit einer ersten Submodulspannung und jeweils mindestens ein zweites Submodul mit einer zweiten Submodulspannung aufweisen, wobei die zweite Submodulspannung kleiner ist als die erste Submodulspannung. According to the invention, an inverter with at least one first phase module branch is connected between a first DC voltage connection and an AC voltage connection and at least one second phase module branch between the alternating selspannungsanschluss and a second Gleichspannungsan- circuit, wherein each phase module branch has a plurality of submodules which each have at least two electronic ¬ specific power switching elements and an energy storage on ¬, each submodule ne each egg at two terminals derived from the energy storage of the submodule submodule voltage can be provided, in which the first phase module branch and the second phase module branch each have first submodule with a first submodule voltage and at least one second submodule with a second submodule voltage, wherein the second submodule voltage is smaller than the first submodule voltage.
Bei diesem Umrichter ist besonders vorteilhaft, dass neben den ersten Submodulen mit der ersten Submodulspannung zusätz lieh ein oder mehrere zusätzliche Submodule (zweite Submodu- le) vorhanden sind, welche eine kleinere Submodulspannung aufweisen als die ersten Submodule. Mittels dieser zweiten Submodulspannung des mindestens einen zweiten Submoduls kann der Umrichter im Gleichrichtbetrieb eine exakter angenäherte Gleichspannung bzw. im Wechselrichterbetrieb eine exakter an genäherte Wechselspannung erzeugen (im Vergleich mit einem Umrichter, der nur identische erste Submodule mit einer iden tischen ersten Submodulspannung aufweist) . Bei dem Umrichter ist die Ausgangsspannung aus den jeweiligen Submodulspannun- gen additiv zusammengesetzt. Daher lässt sich mit wenigen ersten Submodulen mit der ersten (größeren) Submodulspannung der Spannungsbereich des Umrichters in großen bzw. groben Schritten abdecken, während mit dem einen zweiten Submodul oder mit den mehreren zweiten Submodulen mit der zweiten (kleineren) Submodulspannung auf einfache und kostengünstige Art und Weise die Ausgangsspannung des Umrichters exakter bzw. genauer erzeugt werden kann. In this converter, it is particularly advantageous that, in addition to the first submodules with the first submodule voltage, one or more additional submodules (second submodules) are additionally available which have a smaller submodule voltage than the first submodules. By means of this second submodule voltage of the at least one second submodule, the converter can generate a precisely approximated DC voltage in rectifier operation or an exact AC voltage approached in inverter operation (in comparison with a converter having only identical first submodules with an identical first submodule voltage). For the inverter, the output voltage from the respective submodule voltages is additively composed. Therefore, with only a few first submodules with the first (larger) submodule voltage, the voltage range of the converter can be covered in large or coarse steps, while the second submodule or the second submodule has the second (smaller) submodule voltage in a simple and cost-effective manner and the output voltage of the inverter can be generated more accurately.
Der Umrichter kann vorteilhafterweise so ausgestaltet sein, dass die zweite Submodulspannung die Hälfte oder ein Viertel der ersten Submodulspannung beträgt. Damit ist es möglich, die Ausgangsspannung des Umrichters so zu erzeugen, dass die „Spannungsstufen" in der Ausgangsspannung nur die Hälfte bzw. ein Viertel der Spannungshöhe aufweisen (im Vergleich mit einem Umrichter, der ausschließlich erste Submodule mit der ersten Submodulspannung aufweisen würde) . The converter can advantageously be designed such that the second submodule voltage is half or one quarter of the first submodule voltage. This makes it possible to generate the output voltage of the inverter so that the "Voltage levels" in the output voltage only half or a quarter of the voltage level have (in comparison with a converter, which would have only first submodules with the first submodule voltage).
Der Umrichter kann auch so ausgestaltet sein, dass die Leis¬ tungsschaltelemente des zweiten Submoduls mit einer größeren Schaltfrequenz schalten als die Leistungsschaltelemente der ersten Submodule. Dadurch kann mit dem Umrichter eine Aus- gangsspannung bzw. Ausgangsspannungen mit „Spannungsstufen" mit jeweils kürzerer Zeitdauer (Länge) erzeugt werden, so dass im Vergleich zu einem Umrichter mit lediglich den ersten Submodulen die Ausgangsspannungen nochmals exakter erzeugt werden können. The converter may also be configured so that the Leis ¬ tung switching elements of the second submodule having a greater switching frequency switch as the power switching elements of the first sub-modules. As a result, it is possible with the converter to generate an output voltage or output voltages having "voltage stages", each with a shorter duration (length), so that the output voltages can be generated more accurately again in comparison with a converter with only the first submodules.
Dabei kann der Umrichter mit Vorteil so ausgestaltet sein, dass die Leistungsschaltelemente des zweiten Submoduls mit einer Schaltfrequenz im Kilohertz-Bereich schalten. Damit können vorteilhafterweise Ausgangsspannungen exakter erzeugt werden als mit einem Umrichter, der nur erste Submodule aufweist. In this case, the converter can advantageously be configured such that the power switching elements of the second submodule switch with a switching frequency in the kilohertz range. Thus, advantageously output voltages can be generated more accurately than with a converter having only first submodules.
Der Umrichter kann auch so aufgebaut sein, dass die Leistungsschaltelemente der ersten Submodule mit Blocktaktung an- gesteuert sind. Bei der als solches bekannten Blocktaktung werden die Leistungsschaltelemente der ersten Submodule mit einer Ansteuerfrequenz angesteuert, die in etwa der Grundfre¬ quenz der Wechselspannung entspricht. Dieses Verfahren als solches ist seit langem bekannt und lässt sich kostengünstig und exakt realisieren. The converter can also be designed so that the power switching elements of the first submodules are controlled with block timing. In the block clocking known as such, the power switching elements of the first submodule are driven with a drive frequency which corresponds approximately to the Grundfre ¬ frequency of the AC voltage. As such, this method has been known for a long time and can be implemented inexpensively and precisely.
Der Umrichter kann auch so ausgestaltet sein, dass die Leis¬ tungsschaltelemente des zweiten Submoduls mit Pulsweitenmodu¬ lation angesteuert sind. Mittels der Ansteuerung der Leis- tungsschaltelemente des zweiten Submoduls mittels Pulsweiten¬ modulation lässt sich vorteilhafterweise die Ausgangsspannung des Umrichters sehr exakt, d. h. mit geringem Oberwellenanteil erzeugen, so dass der Aufwand für eine Filterung der Ausgangsspannung bzw. des Ausgangsstroms deutlich reduziert wird . The inverter can also be designed such that the Leis ¬ tung switching elements of the second sub-module are controlled by Pulsweitenmodu ¬ lation. By means of the control of power switching elements of the second submodule by means of pulse width modulation ¬ can advantageously be the output voltage of the inverter very accurately generate ie with low harmonic content, so that the cost of a filtering of the Output voltage or the output current is significantly reduced.
Der Umrichter kann dabei so aufgebaut sein, dass die ersten Submodule und/oder das zweite Submodul jeweils eine elektri¬ sche Reihenschaltung der zwei Leistungsschaltelemente auf¬ weist, wobei die Reihenschaltung parallel zu dem Energiespei¬ cher geschaltet ist. Ein derart aufgebautes Submodul ist als solches bereits aus der eingangs genannten Druckschrift von Lesnicar und Marquardt bekannt. The inverter can be constructed so here is that the first submodule and / or the second sub-module in each case has an electrical ¬ specific series connection of two power switching elements ¬, said series circuit is connected in parallel to the Energiespei ¬ cher. Such a constructed submodule is already known as such from the aforementioned publication of Lesnicar and Marquardt.
Der Umrichter kann auch so aufgebaut sein, dass das zweite Submodul zusätzlich eine zweite elektrische Reihenschaltung aus einem dritten und einem vierten elektronischen Leistungs- schaltelement aufweist, wobei diese zweite Reihenschaltung parallel zu dem Energiespeicher geschaltet ist. Mit anderen Worten weist das zweite Submodul vier Leistungsschaltelemente auf, die als Vollbrücke geschaltet sind, wobei der Energie¬ speicher den Brückenzweig der Vollbrücke bildet. Mittels die- ses zweiten Submoduls lässt sich vorteilhafterweise die Pola¬ rität der Submodulspannung umkehren. Die zweite Submodulspan- nung kann also additiv zu den Submodulspannungen der ersten Submodule hinzugefügt werden. Die zweite Submodulspannung kann aber auch subtraktiv zu diesen Submodulspannungen der ersten Submodule hinzugefügt werden. Damit lässt sich dieThe converter can also be constructed such that the second submodule additionally has a second series electrical circuit of a third and a fourth electronic power switching element, this second series circuit being connected in parallel to the energy store. In other words, the second submodule has four power switching elements, which are connected as a full bridge, the energy ¬ memory forms the bridge branch of the full bridge. By DIE ses second sub-module can be reversed, the Pola ¬ rity of Submodulspannung advantageously. The second submodule voltage can thus be added in addition to the submodule voltages of the first submodules. However, the second submodule voltage can also be subtractively added to these submodule voltages of the first submodules. This can be the
Ausgangsspannung des Umrichters mit einer verbesserten Genauigkeit erzeugen. Generate output voltage of the inverter with improved accuracy.
Der Umrichter kann auch so ausgestaltet sein, dass die Leis- tungsschaltelemente jeweils IGBTs sind, die mit Freilaufdio¬ den versehen sind. Solche IGBTs stehen in großer Auswahl und preisgünstig zur Verfügung. Beispielsweise können die ersten Submodule vorteilhafterweise IGBTs mit einer hohen Sperrspan¬ nung und einer geringen maximalen Schaltfrequenz aufweisen. Die zweiten Submodule können mit Vorteil IGBTs mit einer ge¬ ringeren Sperrspannung, dafür aber mit einer höheren maximalen Schaltfrequenz aufweisen. Erfindungsgemäß wird weiterhin angegeben ein Verfahren zum Ansteuern eines Umrichters mit mindestens einem ersten Pha- senmodulzweig zwischen einem ersten Gleichspannungsanschluss und einem Wechselspannungsanschluss und mindestens einem zweiten Phasenmodulzweig zwischen dem Wechselspannungsanschluss und einem zweiten Gleichspannungsanschluss, bei dem jeder Phasenmodulzweig eine Mehrzahl von Submodulen aufweist, die jeweils mindestens zwei elektronische Leistungsschaltele¬ mente und einen Energiespeicher aufweisen, wobei an zwei An- Schlüssen jedes Submoduls jeweils eine von dem Energiespei¬ cher des Submoduls bereitgestellte Submodulspannung ausgebbar ist, und bei dem der erste Phasenmodulzweig und der zweite Phasenmodulzweig jeweils erste Submodule mit einer ersten Submodulspannung und jeweils mindestens ein zweites Submodul mit einer zweiten Submodulspannung aufweisen, wobei die zweite Submodulspannung kleiner ist als die erste Submodulspannung, wobei bei dem Verfahren die Leistungsschaltelemente der ersten Submodule mit ersten Ansteuersignalen angesteuert werden, deren Grundfrequenz kleiner ist als die Grundfrequenz von zweiten Ansteuersignalen, mit denen die Leistungsschaltelemente des zweiten Submoduls angesteuert werden. The converter may also be configured so that the performance-shifting elements respectively are IGBTs, which are provided with Freilaufdio ¬. Such IGBTs are available in a large selection and at low cost. For example, the first sub-modules advantageously IGBTs with high blocking voltage and a low tensioning ¬ maximum switching frequency may have. The second sub-modules can advantageously IGBTs with a ge ¬ ringeren blocking voltage, but have a higher maximum switching frequency. The invention further provides a method for driving an inverter having at least one first phase module branch between a first DC voltage connection and an AC voltage connection and at least one second phase module branch between the AC voltage connection and a second DC voltage connection, in which each phase module branch has a plurality of submodules, each at least comprise two electronic power scarf Tele ¬ elements and an energy storage device, wherein two check circuits each submodule a respective provided by the Energiespei ¬ cher the submodule Submodulspannung be output, and wherein the first phase module branch and the second phase module branch each first sub-modules having a first Submodulspannung and each having at least a second submodule with a second submodule voltage, wherein the second submodule voltage is smaller than the first submodule voltage, wherein in the method the Lei tion switching elements of the first submodules are driven with first drive signals whose fundamental frequency is smaller than the fundamental frequency of second drive signals with which the power switching elements of the second submodule are driven.
Das Verfahren kann auch so ausgestaltet sein, dass die Grund¬ frequenz der zweiten Ansteuersignale im Kilohertz-Bereich liegt. The method may also be configured so that the base ¬ frequency of the second control signals is located in the kilohertz range.
Das Verfahren kann so ablaufen, dass die Leistungsschaltele¬ mente der ersten Submodule mittels der ersten Ansteuersignale in Blocktaktung angesteuert werden. The method can proceed so that the power scarf Tele ¬ elements of the first sub-modules are driven by the first drive signals in block cycles.
Das Verfahren kann auch so ausgestaltet sein, dass die Leis¬ tungsschaltelemente des (mindestens einen) zweiten Submoduls mittels der zweiten Ansteuersignale in Pulsweitenmodulation angesteuert werden. The method may also be configured such that the Leis ¬ tung switching elements of the second sub-module are driven by the second driving signals into pulse width modulation (at least one).
Mittels dieser Verfahren lassen sich gleichartige Vorteile erzielen, wie sie oben im Zusammenhang mit dem Umrichter dargestellt sind. Insbesondere kann als Ausgangsspannung des Um- richters eine Gleichspannung bzw. eine sinusförmige Wechsel¬ spannung sehr genau angenähert werden, so dass nur ein sehr geringer Aufwand zum Filtern der Ausgangsspannung notwendig ist . By means of these methods, similar advantages can be achieved, as shown above in connection with the converter. In particular, as the output voltage of the Um- Richters a DC voltage or a sinusoidal alternating ¬ voltage are very closely approximated, so that only a very small effort to filter the output voltage is necessary.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei¬ spielen näher erläutert. Dazu ist in The invention will be explained in more detail below with reference to exemplary embodiments. This is in
Figur 1 eine schematische Darstellung eines Umrichters mit drei Phasenmodulen, in Figure 1 is a schematic representation of an inverter with three phase modules, in
Figur 2 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Phasenmoduls des Umrichters, in Figure 2 shows a first embodiment of a phase module of the inverter, in
Figur 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Phasenmoduls des Umrichters, in Figure 3 shows another embodiment of a phase module of the inverter, in
Figur 4 ein als solches aus dem Stand der Technik bekanntes Figure 4 is a known as such from the prior art
Ausführungsbeispiel eines Submoduls, in  Embodiment of a submodule, in
Figur 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Submoduls und in Figure 5 shows another embodiment of a submodule and in
Figur 6 ein Ausführungsbeispiel eines Phasenmoduls mit An¬ steuereinrichtungen dargestellt . Figure 6 shown an embodiment of a phase module with at ¬ control devices.
In Figur 1 ist in einer schematischen Darstellung ein Umrichter 1 in Form eines sogenannten Brückenumrichters für Drei¬ phasenwechselstrom dargestellt. Dieser Umrichter 1 weist einen ersten Gleichspannungsanschluss 4 positiver Polarität so¬ wie einen zweiten Gleichspannungsanschluss 8 negativer Pola¬ rität auf. Weiterhin weist der Umrichter 1 einen ersten Wech- selspannungsanschluss 12 für eine erste Phase eines Dreipha¬ senwechselstroms, einen zweiten Wechselspannungsanschluss 16 für eine zweite Phase des Dreiphasenwechselstroms sowie einen dritten Wechselspannungsanschluss 20 für eine dritte Phase des Dreiphasenwechselstroms auf. Der erste Wechselspannungs¬ anschluss 12 ist mit einem ersten Phasenmodul 24 verbunden. Dieses erste Phasenmodul 24 weist einen ersten Phasenmodul- zweig 28 auf, der sich zwischen dem ersten Gleichspannungsan- schluss 4 und dem ersten Wechselspannungsanschluss 12 er¬ streckt. Weiterhin weist das erste Phasenmodul 24 einen zwei¬ ten Phasenmodulzweig 32 auf, der sich zwischen dem ersten Wechselspannungsanschluss 12 und dem zweiten Gleichspannungs- anschluss 8 erstreckt. Mittels des ersten Phasenmoduls 24 und des ersten Wechselspannungsanschlusses 12 kann eine Phase ei¬ nes Dreiphasenwechselstroms bzw. einer Dreiphasenwechselspan- nung gleichgerichtet werden oder es kann eine Phase eines Dreiphasenwechselstroms bzw. einer Dreiphasenwechselspannung durch Wechselrichtung erzeugt werden. FIG. 1 shows a schematic representation of a converter 1 in the form of a so-called bridge converter for three-phase alternating current. This converter 1 comprises a first direct voltage terminal 4 of positive polarity so as ¬ a second direct voltage terminal 8 negative Pola ¬ rity. Further, the inverter 1 comprises a first AC voltage terminal 12 for a first phase of a Dreipha ¬ senwechselstroms, a second alternating voltage terminal 16 for a second phase of the three-phase alternating current, and a third alternating voltage terminal 20 for a third phase of the three-phase alternating current. The first AC ¬ terminal 12 is connected to a first phase module 24th This first phase module 24 has a first Phasenmodul- on branch 28, which it extends between the first ¬ Gleichspannungsan- circuit 4 and the first AC terminal 12th Furthermore, the first phase module 24 has a two ¬ th phase module branch 32, which extends between the first AC voltage terminal 12 and the second DC voltage connection 8. Using the first phase module 24 and the first alternating voltage terminal 12, a phase ei ¬ nes three-phase alternating current or a three-phase AC voltage to be rectified, or it may be a phase of a three-phase alternating current or a three-phase AC voltage generated by alternating direction.
In gleicher Art und Weise ist der zweite Wechselspannungsanschluss 16 mit einem zweiten Phasenmodul 24' verbunden. Die¬ ses zweite Phasenmodul 24' weist einen ersten Phasenmodul¬ zweig 28' sowie einen zweiten Phasenmodulzweig 32' auf. Das zweite Phasenmodul 24' übernimmt für die zweite Phase des Dreiphasenwechselstroms bzw. der Dreiphasenwechselspannung die Wechselrichtung bzw. die Gleichrichtung. In the same way, the second AC voltage terminal 16 is connected to a second phase module 24 '. The ¬ ses second phase module 24 'has a first phase module ¬ branch 28' and a second phase module branch 32 '. The second phase module 24 'adopts the alternating direction or the rectification for the second phase of the three-phase alternating current or the three-phase alternating voltage.
In gleicher Weise ist der dritte Wechselspannungsanschluss 20 mit einem dritten Phasenmodul 24'' verbunden. Dieses dritteLikewise, the third AC voltage terminal 20 is connected to a third phase module 24 ". This third
Phasenmodul 24'' weist einen ersten Phasenmodulzweig 28'' so¬ wie einen zweiten Phasenmodulzweig 32'' auf. Mittels des dritten Phasenmoduls 24'' und des dritten Wechselspannungsanschlusses 20 wird für die dritte Phase des Dreiphasenwechsel- Stroms eine Wechselrichtung bzw. Gleichrichtung durchgeführt. Die ersten Phasenmodulzweige 28, 28' und 28'' sind identisch aufgebaut; die zweiten Phasenmodulzweige 32, 32' und 32'' sind ebenfalls identisch aufgebaut. Die bisher beschriebene Grundstruktur eines solchen Umrichters ist als solche aus dem Stand der Technik bekannt. Phase module 24 '' has a first phase module branch 28 '' so as ¬ a second phase module branch 32 '' on. By means of the third phase module 24 "and the third AC voltage terminal 20, an alternating direction or rectification is carried out for the third phase of the three-phase alternating current. The first phase module branches 28, 28 'and 28 "are constructed identically; the second phase module branches 32, 32 'and 32''are also constructed identically. The basic structure of such a converter described so far is known as such from the prior art.
In Figur 2 ist ein Beispiel für das erste Phasenmodul 24, welches den ersten Phasenmodulzweig 28 und den zweiten Pha- senmodulzweig 32 aufweist, detaillierter dargestellt. Der erste Phasenmodulzweig 28 weist neben einer Induktivität 50 vier identisch aufgebaute erste Submodule 55 ( Phasensubmodule 55) auf. Diese ersten Submodule 55 weisen jeweils zwei An- Schlüsse auf, an denen jeweils eine erste Submodulspannung Ul bereitstellbar ist. FIG. 2 shows an example of the first phase module 24, which contains the first phase module branch 28 and the second phase module 24. Senmodulzweig 32, shown in more detail. The first phase module branch 28 has, in addition to an inductance 50, four identically constructed first submodules 55 (phase submodules 55). These first submodules 55 each have two connections, on each of which a first submodule voltage U1 can be provided.
Weiterhin weist der erste Phasenmodulzweig 28 ein zweites Submodul 60 ( Phasensubmodul 60) auf. Dieses zweite Submodul 60 weist zwei Anschlüsse auf, an denen eine zweite Submodul¬ spannung U2 bereitstellbar ist. Je nach Ansteuerung können an den ersten Submodulen die ersten Submodulspannungen Ul den Wert 0 oder den Wert Ul annehmen. Ebenso kann die zweite Sub¬ modulspannung U2 je nach Ansteuerung des zweiten Submoduls den Wert 0 oder den Wert U2 annehmen. Das zweite Submodul 60 kann jedoch auch so ausgestaltet sein, dass die zweite Submo¬ dulspannung U2 den Wert 0, den Wert (-U2) oder den Wert (+U2) annehmen kann, d. h. die Polarität der zweiten Submodulspannung U2 kann bei entsprechender Ansteuerung des zweiten Sub- moduls umgekehrt werden. Furthermore, the first phase module branch 28 has a second submodule 60 (phase submodule 60). This second submodule 60 has two connections to which a second sub-module ¬ voltage U2 can be provided. Depending on the control, the first submodule voltages U1 may assume the value 0 or the value U1 at the first submodules. Similarly, the second sub ¬ module voltage U2 can take the value 0 or the value U2 depending on the control of the second submodule. However, the second sub-module 60 may also be configured so that the second Submo ¬ dulspannung U2 can take the value 0, the value (-U2) or the value (+ U2), that is, the polarity of the second Submodulspannung can U2 with appropriate control of the second submodule be reversed.
Die zweite Submodulspannung U2 weist kleinere Werte auf als die erste Submodulspannung Ul . Beispielsweise kann die zweite Submodulspannung U2 die Hälfte der ersten Submodulspannung Ul betragen (U2 = 0,5 x Ul) oder die zweite Submodulspannung kann ein Viertel der ersten Submodulspannung Ul betragen (U2 = 0,25 x Ul) . The second submodule voltage U2 has smaller values than the first submodule voltage U1. For example, the second submodule voltage U2 may be half of the first submodule voltage U1 (U2 = 0.5 × U1) or the second submodule voltage may be one quarter of the first submodule voltage U1 (U2 = 0.25 × U1).
Die ersten Submodule 55 und das zweite Submodul 60 des ersten Phasenmodulzweigs 28 sind elektrisch in Reihe geschaltet.The first submodules 55 and the second submodule 60 of the first phase module branch 28 are electrically connected in series.
Ebenso sind die ersten Submodule 55 und das zweite Submodul 60 des zweiten Phasenmodulzweigs 32 elektrisch in Reihe ge¬ schaltet . Das zweite Phasenmodul 24' und das dritte Phasenmodul 24'' des Umrichters 1 (vgl. Figur 1) kann identisch aufgebaut sein wie das erste Phasenmodul 24. In Figur 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für das erste Phasenmodul 24 dargestellt. Dieses unterscheidet sich von dem in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel lediglich dadurch, dass die Phasenmodulzweige 28 und 32 anstelle eines zweiten Submoduls 60 jeweils zwei elektrisch in Reihe ge¬ schaltete zweite Submodule 60 und 60' enthalten. In anderen Ausführungsbeispielen können die Phasenmodulzweige 28 und 32 auch 3, 4 oder noch mehr elektrisch in Reihe geschaltete zweite Submodule enthalten. Also, the first sub-modules 55 and the second sub-module 60 of the second phase module branch 32 are electrically switched ge ¬ in series. The second phase module 24 'and the third phase module 24 "of the converter 1 (cf., FIG. 1) may have the same structure as the first phase module 24. FIG. 3 shows a further exemplary embodiment of the first phase module 24. This differs from the embodiment shown in Figure 2 only in that the phase module branches contain 28 and 32 instead of a second sub-module 60 are respectively two electrically switched in series ge ¬ second submodules 60 and 60 '. In other embodiments, the phase module branches 28 and 32 may also include 3, 4 or even more second series submodules electrically connected in series.
In Figur 4 ist ein Ausführungsbeispiel für ein Submodul am Beispiel des ersten Submoduls 55 dargestellt. Das erste Sub¬ modul 55 enthält ein erstes Leistungsschaltelement 100 und ein zweites Leistungsschaltelement 105, welche elektrisch in Reihe geschaltet sind. Das erste Leistungsschaltelemente 100 ist mit einer antiparallel geschalteten ersten Diode 110 (Freilaufdiode) versehen; das zweite Leistungsschaltelement 105 ist mit einer antiparallel geschalteten zweiten Diode 115 (Freilaufdiode) versehen. Parallel zu der Reihenschaltung der beiden Leistungsschaltelemente 100 und 105 ist ein Energie¬ speicher 120 geschaltet. Der Energiespeicher kann als ein Kondensator 120 ausgestaltet sein; im Ausführungsbeispiel ist der Energiespeicher als ein unipolarer Kondensator 120 ausgestaltet. An dem elektrischen Verbindungspunkt der beiden Leistungsschaltelemente ist ein erster Anschluss 130 des Sub¬ moduls angeordnet; ein zweiter Anschluss 140 des Submoduls 55 ist an dem negativen Pol des Energiespeichers (Kondensators) 120 angeordnet. Zwischen dem ersten Anschluss 130 und dem zweiten Anschluss 140 des Submoduls 55 wird die Submodulspan- nung Ul bereitgestellt. Diese kann je nach Schaltung des ers¬ ten Leistungsschaltelementes 100 und des zweiten Leistungs¬ schaltelementes 105 die Spannung Ul = 0 V bzw. die Spannung Ul = Ul annehmen. Das erste Leistungsschaltelement 100 und/oder das zweiteFIG. 4 shows an exemplary embodiment of a submodule using the example of the first submodule 55. The first sub ¬ module 55 includes a first power switching element 100 and a second power switching element 105, which are electrically connected in series. The first power switching element 100 is provided with an antiparallel-connected first diode 110 (freewheeling diode); the second power switching element 105 is provided with an antiparallel-connected second diode 115 (freewheeling diode). Parallel to the series connection of the two power switching elements 100 and 105, an energy ¬ memory 120 is connected. The energy store may be configured as a capacitor 120; In the exemplary embodiment, the energy store is designed as a unipolar capacitor 120. At the electrical connection point of the two power switching elements, a first terminal 130 of the sub ¬ module is arranged; a second terminal 140 of the submodule 55 is arranged at the negative pole of the energy store (capacitor) 120. Between the first terminal 130 and the second terminal 140 of the submodule 55, the submodule voltage Ul is provided. This can = 0 V and the voltage U = Ul Ul accept the voltage depending on the circuit of the f ¬ th power switching element 100 and the second power ¬ switching element 105th The first power switching element 100 and / or the second
Leistungsschaltelement 105 können beispielsweise als ein IGBT (insulated-gate bipolar transistor) ausgestaltet sein. Sowohl die ersten Submodule 55 als auch die zweiten Submodule 60 und 60' können so aufgebaut sein wie in Figur 4 darge¬ stellt . In Figur 5 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel für den Aufbau des zweiten Submoduls 60 dargestellt. Dieses Submodul 60 unterscheidet sich von dem in Figur 4 dargestellten Submodul dadurch, dass neben dem ersten Leistungsschaltelement 100' und dem zweiten Leistungsschaltelement 105' zusätzlich ein drittes Leistungsschaltelement 150 in Reihe mit einem vierten Leistungsschaltelement 155 geschaltet ist. Beide Leistungsschaltelemente 150 und 155 sind mit einer Freilauf¬ diode 160 bzw. 165 versehen. Der zweite Anschluss 140' des Submoduls 60 ist mit dem elektrischen Verbindungspunkt zwi- sehen dem dritten Leistungsschaltelement 150 und dem vierten Leistungsschaltelement 155 verbunden. Zwischen dem ersten Anschluss 130 und dem zweiten Anschluss 140' des zweiten Submo¬ duls 60 kann die zweite Submodulspannung U2 mit positiver Polarität (+U2) oder mit negativer Polarität (-U2) bereitge- stellt werden, ebenso kann die zweite Submodulspannung den Wert 0 annehmen. Power switching element 105 may be configured, for example, as an IGBT (insulated-gate bipolar transistor). Both the first submodules 55 and the second sub-modules 60 and 60 'may be constructed as shown in Figure 4 Darge ¬ represents. FIG. 5 shows an alternative exemplary embodiment for the construction of the second submodule 60. This submodule 60 differs from the submodule shown in FIG. 4 in that, in addition to the first power switching element 100 'and the second power switching element 105', a third power switching element 150 is additionally connected in series with a fourth power switching element 155. Both power switching elements 150 and 155 are provided with a freewheel ¬ diode 160 and 165, respectively. The second terminal 140 'of the submodule 60 is connected to the electrical connection point between the third power switching element 150 and the fourth power switching element 155. Between the first terminal 130 and second terminal 140 'of the second Submo ¬ duls 60, the second Submodulspannung U2 can be positive polarity (+ U2) or negative polarity (-U2) bereitge- provides, as the second Submodulspannung can have the value 0 accept.
Die Leistungsschaltelemente 100, 105, 150 und/oder 155 können beispielsweise jeweils als ein IGBT ausgestaltet sein. Das zweite Submodul 60' kann gleichartig aufgebaut sein wie das zweite Submodul 60. The power switching elements 100, 105, 150 and / or 155, for example, each be configured as an IGBT. The second submodule 60 'may have the same structure as the second submodule 60.
Die Leistungsschaltelemente der ersten Submodule 55 können vorteilhafterweise ausgestaltet sein als IGBTs mit hoher Sperrspannung, welche jedoch nur eine geringe Schaltfrequenz vertragen. Diese IGBTs weisen vorteilhafterweise geringe Durchlassverluste auf. Diese können vorzugsweise in Blocktak- tung mit Ansteuersignalen einer vergleichsweise niedrigen Grundfrequenz angesteuert werden. The power switching elements of the first submodules 55 can advantageously be designed as IGBTs with high reverse voltage, which, however, tolerate only a low switching frequency. These IGBTs advantageously have low forward losses. These can preferably be actuated in block clocking with drive signals of a comparatively low fundamental frequency.
Die Leistungsschaltelemente der zweiten Submodule 60, 60' können vorteilhafterweise ausgestaltet sein als IGBTs, welche nur eine geringere Sperrspannung aufweisen müssen, dafür je- doch eine höhere Schaltfrequenz vertragen können. Diese IGBTs weisen vorteilhafterweise geringe Schaltverluste auf . Die Ansteuersignale für diese Leistungsschaltelemente der zweiten Submodule 60, 60' können vorzugsweise mittels Pulsweitenmodu- lation erzeugt werden, wobei die Grundfrequenz diese Ansteu¬ ersignale vergleichsweise größer sein kann als die Grundfre¬ quenz der Ansteuersignale für die ersten Submodule. The power switching elements of the second submodules 60, 60 'can advantageously be configured as IGBTs, which only have to have a lower blocking voltage, but but can tolerate a higher switching frequency. These IGBTs advantageously have low switching losses. The drive signals for this power switching elements of the second sub-modules 60, 60 'may be preferably produced by means of pulse width modulation, wherein the fundamental frequency Ansteu ¬ ersignale may be comparatively larger than this Grundfre acid sequence of the drive signals for the first sub-modules.
In Figur 6 ist die Ansteuerung der ersten Submodule 55 sowie der zweiten Submodule 60, 60' dargestellt. Die ersten Submo¬ dule 55 werden von einer ersten Ansteuereinrichtung 200 angesteuert, welche erste Ansteuersignale 205 für die Leistungs¬ schaltelemente der ersten Submodule bereitstellt. Mittels der ersten Ansteuereinrichtung 200 wird die als solches bekannte Blocktaktung der Leistungsschaltelemente der ersten Submodule 55 durchgeführt. Die erste Ansteuereinrichtung 200 sendet An¬ steuersignale 205 an die Leistungsschaltelemente der ersten Submodule 55, wobei die Grundfrequenz fl der ersten Ansteuersignale in etwa der Grundfrequenz der Wechselspannung des Um- richters entspricht. Daraufhin schalten die Leistungsschalt¬ elemente der ersten Submodule 55 mit einer ersten Schaltfre¬ quenz fs 1. FIG. 6 shows the activation of the first submodules 55 and of the second submodules 60, 60 '. The first Submo ¬ modules 55 are driven by a first drive means 200, which provides first drive signals 205 for the power ¬ switching elements of the first submodules. By means of the first drive device 200, the block timing of the power switching elements of the first submodule 55 known as such is performed. The first control device 200 sends to ¬ control signals 205 to the power switching elements of the first submodule 55, wherein the fundamental frequency fl of the first drive signals corresponds approximately to the fundamental frequency of the AC voltage of the inverter. Then, the power switching elements of the first ¬ submodules 55 switch having a first frequency fs Schaltfre ¬. 1
Weiterhin stellt eine zweite Ansteuereinrichtung 210 zweite Ansteuersignale 215 für die Leistungsschaltelemente der zwei¬ ten Submodule 60 und 60' bereit. Die Grundfrequenz f2 der zweiten Ansteuersignale 215 für die zweiten Submodule 60 und 60' ist größer als die Grundfrequenz fl der ersten Ansteuersignale 205 für die ersten Submodule 55. Beispielsweise kön- nen die zweiten Ansteuersignale Frequenzen im Kilohertz- Bereich aufweisen. Die zweite Ansteuereinrichtung 210 steuert mittels der zweiten Ansteuersignale 215 die Leistungsschalt¬ elemente der zweiten Submodule 60 und 60' in als solches be¬ kannter Pulsweitenmodulation an. Daraufhin schalten die Leis- tungsschaltelemente der zweiten Submodule 60 und 60' mit ei¬ ner größeren Schaltfrequenz fs2 als die Leistungsschaltelemente der ersten Submodule 55. Beispielsweise kann die Schaltfrequenz fs2 der Leistungsschaltelemente der zweiten Submodule 60, 60' im Kilohertz-Bereich liegen. Furthermore, a second drive means 210 provides second drive signals 215 for the power switching elements of the second submodules 60 and 60 '. The fundamental frequency f2 of the second drive signals 215 for the second submodules 60 and 60 'is greater than the fundamental frequency fl of the first drive signals 205 for the first submodules 55. For example, the second drive signals may have frequencies in the kilohertz range. The second drive device 210 controls by means of the second drive signals 215 the power switching elements ¬ the second submodules 60 and 60 'as such be ¬ knew pulse width modulation. Then switch the power switching elements of the second sub-modules 60 and 60 'with ei ¬ ner larger switching frequency fs 2 as the power switching elements of the first sub-modules 55. For example, the Switching frequency fs2 of the power switching elements of the second submodules 60, 60 'in the kilohertz range.
Die erste Ansteuereinrichtung 200 und die zweite Ansteuerein- richtung 210 können auch als eine gemeinsame Ansteuereinrichtung ausgeführt sein. The first drive device 200 and the second drive device 210 can also be designed as a common drive device.
Die Submodulspannungen können so ausgelegt werden, dass mittels der ersten Submodulspannungen Ul bereits die gesamte Gleichspannung bzw. die Spitzenspannung der Wechselspannung dargestellt werden kann. Die zweiten Submodulspannungen U2 der zweiten Submodule 60, 60' sind dann nicht für die Dar¬ stellung bzw. den Aufbau der Gesamtspannung des Umrichters notwendig, sondern können dazu eingesetzt werden, die Aus- gangsspannung genauer (d. h. mit geringeren Oberwellenanteilen) aufzubauen. Die zweite Submodulspannung U2 kann (beispielsweise bei einem Aufbau des Submoduls gemäß Figur 4) ad¬ ditiv zu den ersten Submodulspannungen hinzugefügt werden. Die zweiten Submodulspannungen U2 können aber auch (z. B. bei einem Aufbau des zweiten Submoduls gemäß Figur 5) wahlweise additiv oder subtraktiv zu den ersten Submodulspannungen Ul hinzugefügt werden. Damit erhält man einen zusätzlichen Frei¬ heitsgrad beim Aufbau der Ausgangsspannung des Umrichters. Bei dem beschriebenen Umrichter ist besonders vorteilhaft, dass man die Anzahl der Schaltstufen des Umrichters durch entsprechende Dimensionierung der Submodulspannungen vervielfachen kann, ohne die vielfache Anzahl an Submodulen zu benötigen. Dies sei am Beispiel eines Umrichters mit einem Pha- senmodul gemäß der Figur 3 erklärt. Die ersten Submodulspan¬ nungen Ul betragen im Ausführungsbeispiel jeweils 2 kV. Die zweite Submodulspannung U2 eines zweiten Submoduls 60 des ersten Phasenmodulzweigs 28 beträgt im Ausführungsbeispiel U2 = 1 kV. Die zweite Submodulspannung des anderen zweiten Sub- moduls 60' des ersten Phasenmodulszweigs 28 beträgt im Aus¬ führungsbeispiel U2 = 0,5 kV. Der zweite Phasenmodulzweig 32 ist symmetrisch zum ersten Phasenmodulzweig 28 ausgebildet. Mit einem derartigen Phasenmodul können Schaltstufen der Grö- ße 0,5 kV erzeugt werden. (Hätte man nur die ersten Submodule mit ersten Submodulspannungen von 2 kV, könnte man nur The submodule voltages can be designed such that the entire DC voltage or the peak voltage of the AC voltage can already be represented by means of the first submodule voltages U1. The second Submodulspannungen U2 of the second sub-modules 60, 60 'are then not necessary for the Dar ¬ position or the structure of the total voltage of the inverter, but can be used to measure the output voltage fine (ie with lower harmonic components) build. The second Submodulspannung U2 can be added (for example, in a structure of the submodule according to Figure 4) ad ¬ ditiv the first Submodulspannungen. However, the second submodule voltages U2 can also be added to the first submodule voltages U1 selectively (for example, in a design of the second submodule according to FIG. This yields an additional free ¬ ness degree build the output voltage of the inverter. In the case of the described converter, it is particularly advantageous that the number of switching stages of the converter can be multiplied by appropriate dimensioning of the submodule voltages without requiring the multiple number of submodules. This is explained using the example of an inverter with a phase module according to FIG. The first Submodulspan ¬ voltages Ul are each 2 kV in the exemplary embodiment. The second submodule voltage U2 of a second submodule 60 of the first phase module branch 28 in the exemplary embodiment is U2 = 1 kV. The second Submodulspannung of the other second sub-module 60 'of the first phase module branch 28 is in the off ¬ guide for U2 = 0.5 kV. The second phase module branch 32 is formed symmetrically to the first phase module branch 28. With such a phase module, switching stages of the size 0.5 kV can be generated. (If one had only the first submodules with first submodule voltages of 2 kV, one could only
Schaltstufen in Höhe von 2 kV erzeugen.) Dadurch erhöht sich also die Anzahl der möglichen Schaltstufen um den Faktor 4 (so als ob der Umrichter aus der vierfachen Anzahl an Submo- dulen mit Submodulspannungen von 0,5 kV (0,5 kV-Submodule) aufgebaut wäre.) Die Ausgangsspannung dieses Umrichters kann also sehr viel genauer aufgebaut werden und es entstehen weniger störende Oberwellen. Der Filteraufwand verringert sich entsprechend . 2 kV). This increases the number of possible switching stages by a factor of 4 (as if the inverter consists of four times the number of submodules with submodule voltages of 0.5 kV (0.5 kV submodules ).) The output voltage of this inverter can therefore be built much more accurate and there are less disturbing harmonics. The filter effort is reduced accordingly.
Es wurde ein Umrichter beschrieben, mit dem die Ausgangsspannung auf einfache und kostengünstige Art und Weise sehr genau aufgebaut werden kann. Dadurch verringert sich beispielsweise der Filteraufwand zum Ausfiltern von Oberwellen deutlich und es werden hochqualitative Ausgangsspannungen erzeugt. A converter has been described with which the output voltage can be built up very accurately in a simple and cost-effective manner. This significantly reduces, for example, the filtering effort required to filter out harmonics and produces high-quality output voltages.

Claims

Patentansprüche claims
1. Umrichter mit 1. inverter with
mindestens einem ersten Phasenmodulzweig (28) zwischen einem ersten Gleichspannungsanschluss (4) und einem Wechselspan- nungsanschluss (12) und mindestens einem zweiten Phasenmodul¬ zweig (32) zwischen dem Wechselspannungsanschluss (12) und einem zweiten Gleichspannungsanschluss (8), bei dem jeder Phasenmodulzweig eine Mehrzahl von Submodulen (55, 60, 60') aufweist, die jeweils mindestens zwei elektronische Leis¬ tungsschaltelemente (100, 105) und einen Energiespeicher (120) aufweisen, wobei an zwei Anschlüssen jedes Submoduls jeweils eine von dem Energiespeicher (120) des Submoduls stammende Submodulspannung bereitstellbar ist, at least one first phase module branch (28) between a first DC voltage connection (4) and an AC voltage connection (12) and at least one second Phasenmodul ¬ branch (32) between the AC voltage terminal (12) and a second DC voltage terminal (8), in which each phase module branch a plurality of submodules (55, 60, 60 ') which each have at least two electronic Leis ¬ tung switching elements (100, 105) and an energy storage device (120), wherein at two terminals of each sub-module in each case one of the energy storage device (120) of the Submodule-derived submodule voltage can be provided
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass d a d u r c h e c e n c i n e s that
- der erste Phasenmodulzweig (28) und der zweite Phasenmodul¬ zweig (32) jeweils erste Submodule (55) mit einer ersten Sub¬ modulspannung (Ul) und jeweils mindestens ein zweites Submo- dul (60, 60') mit einer zweiten Submodulspannung (U2) aufwei- sen, wobei die zweite Submodulspannung (U2) kleiner ist als die erste Submodulspannung (Ul) . - the first phase module branch (28) and the second phase module ¬ branch (32) of each first sub-modules (55) having a first sub ¬ module voltage (Ul) and at least a second Submo- dul (60, 60 ') (a second Submodulspannung U2), wherein the second submodule voltage (U2) is smaller than the first submodule voltage (U1).
2. Umrichter nach Anspruch 1, 2. Converter according to claim 1,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass d a d u r c h e c e n c i n e s that
- die zweite Submodulspannung (U2) die Hälfte oder ein Viertel der ersten Submodulspannung (Ul) beträgt. - The second submodule voltage (U2) is half or a quarter of the first submodule voltage (Ul).
3. Umrichter nach Anspruch 1 oder 2, 3. Converter according to claim 1 or 2,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass d a d u r c h e c e n c i n e s that
- die Leistungsschaltelemente (100', 105', 150, 155) des zweiten Submoduls (60) mit einer größeren Schaltfrequenz schalten als die Leistungsschaltelemente (100, 105) der ers¬ ten Submodule (55) . - Switch the power switching elements (100 ', 105', 150, 155) of the second submodule (60) with a higher switching frequency than the power switching elements (100, 105) of the Ers ¬ th submodules (55).
4. Umrichter 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 - die Leistungsschaltelemente (100', 105', 150, 155) des zweiten Submoduls (60) mit einer Schaltfrequenz im Kilohertz- Bereich schalten. 4. Converter according to one of the preceding claims, characterized in that - Switch the power switching elements (100 ', 105', 150, 155) of the second submodule (60) with a switching frequency in the kilohertz range.
5. Umrichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 5. Converter according to one of the preceding claims,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass d a d u r c h e c e n c i n e s that
- die Leistungsschaltelemente (100, 105) der ersten Submodule (55) mit Blocktaktung angesteuert sind.  - The power switching elements (100, 105) of the first submodule (55) are driven with block timing.
6. Umrichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 6. Converter according to one of the preceding claims,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass d a d u r c h e c e n c i n e s that
- die Leistungsschaltelemente (100', 105', 150, 155) des zweiten Submoduls (60, 60') mit Pulsweitenmodulation angesteuert sind.  - The power switching elements (100 ', 105', 150, 155) of the second submodule (60, 60 ') are driven with pulse width modulation.
7. Umrichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 7. Converter according to one of the preceding claims,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass d a d u r c h e c e n c i n e s that
- die ersten Submodule (55) und/oder das zweite Submodul (60, 60') jeweils eine elektrische Reihenschaltung der zwei Leis- tungsschaltelemente (100, 105) aufweist, wobei die Reihen¬ schaltung parallel zu dem Energiespeicher (120) geschaltet ist . - The first sub-module (55) and / or the second sub-module (60, 60 ') each have an electrical series connection of the two power switching elements (100, 105), wherein the series ¬ circuit is connected in parallel to the energy storage (120).
8. Umrichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 8. Converter according to one of the preceding claims,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass d a d u r c h e c e n c i n e s that
- das zweite Submodul (60, 60') zusätzlich eine zweite elekt¬ rische Reihenschaltung aus einem dritten (150) und einem vierten (155) elektronischen Leistungsschaltelement aufweist, wobei diese zweite Reihenschaltung parallel zu dem Energie- Speicher (120') geschaltet ist. - The second sub-module (60, 60 ') additionally comprises a second elekt ¬ cal series connection of a third (150) and a fourth (155) electronic power switching element, said second series circuit is connected in parallel to the energy storage (120').
9. Umrichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 9. Converter according to one of the preceding claims,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass d a d u r c h e c e n c i n e s that
- die Leistungsschaltelemente (100, 105, 100', 105', 150, 155) jeweils IGBTs sind, die mit Freilaufdioden versehen sind .  - The power switching elements (100, 105, 100 ', 105', 150, 155) are each IGBTs, which are provided with freewheeling diodes.
10. Verfahren zum Ansteuern eines Umrichters mit mindestens einem ersten Phasenmodulzweig (28) zwischen einem ersten Gleichspannungsanschluss (4) und einem Wechselspan- nungsanschluss (12) und mindestens einem zweiten Phasenmodul¬ zweig (32) zwischen dem Wechselspannungsanschluss (12) und einem zweiten Gleichspannungsanschluss (8), bei dem jeder Phasenmodulzweig eine Mehrzahl von Submodulen (55, 60, 60') aufweist, die jeweils mindestens zwei elektronische Leis¬ tungsschaltelemente (100, 105) und einen Energiespeicher (120) aufweisen, wobei an zwei Anschlüssen jedes Submoduls jeweils eine von dem Energiespeicher (120) des Submoduls be¬ reitgestellte Submodulspannung ausgebbar ist, und bei dem der erste Phasenmodulzweig (28) und der zweite Phasenmodulzweig (32) jeweils erste Submodule (55) mit einer ersten Submodul¬ spannung (Ul) und jeweils mindestens ein zweites Submodul (60, 60') mit einer zweiten Submodulspannung (U2) aufweisen, wobei die zweite Submodulspannung (U2) kleiner ist als die erste Submodulspannung (Ul), 10. A method for driving an inverter with at least one first phase module branch (28) between a first DC voltage connection (4) and an AC voltage connection (12) and at least one second Phasenmodul ¬ branch (32) between the AC voltage terminal (12) and a second DC voltage terminal (8), in which each phase module branch a plurality of submodules (55, 60, 60 ') which each have at least two electronic Leis ¬ tung switching elements (100, 105) and an energy storage device (120), wherein at two terminals of each sub-module in each case one of the energy storage device (120) of the Submodule be ¬ provided submodule voltage can be output, and in which the first phase module branch (28) and the second phase module branch (32) respectively first submodule (55) with a first submodule ¬ voltage (Ul) and at least one second submodule (60, 60 ' ) having a second submodule voltage (U2), wherein the second submodule voltage (U2) is smaller than the first submodule voltage (U1),
wobei bei dem Verfahren wherein in the method
- die Leistungsschaltelemente (100, 105) der ersten Submodule (55) mit ersten Ansteuersignalen (205) angesteuert werden, deren Grundfrequenz (fl) kleiner ist als die Grundfrequenz (f2) von zweiten Ansteuersignalen (215), mit denen die Leistungsschaltelemente (100', 105', 150, 155) des zweiten Submo¬ duls (60) angesteuert werden. - The power switching elements (100, 105) of the first submodule (55) are driven with first drive signals (205) whose fundamental frequency (fl) is smaller than the fundamental frequency (f2) of second drive signals (215), with which the power switching elements (100 ' , 105 ', 150, 155) of the second Submo ¬ duls (60) are driven.
11. Verfahren nach Anspruch 10, 11. The method according to claim 10,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass d a d u r c h e c e n c i n e s that
- die Grundfrequenz (f2) der zweiten Ansteuersignale (215) im Kilohertz-Bereich liegt.  - The fundamental frequency (f2) of the second drive signals (215) in the kilohertz range.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, 12. The method according to claim 10 or 11,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass d a d u r c h e c e n c i n e s that
- die Leistungsschaltelemente (100, 105) der ersten Submodule (55) mittels der ersten Ansteuersignale (205) in Blocktaktung angesteuert werden.  - The power switching elements (100, 105) of the first submodule (55) by means of the first drive signals (205) are driven in block timing.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, 13. The method according to any one of claims 10 to 12,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass - die Leistungsschaltelemente (100', 105', 150, 155) des zweiten Submoduls (60) mittels der zweiten Ansteuersignale (215) in Pulsweitenmodulation angesteuert werden. characterized in that - The power switching elements (100 ', 105', 150, 155) of the second submodule (60) by means of the second drive signals (215) are driven in pulse width modulation.
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